JP4540890B2

JP4540890B2 - ブレーキ材

Info

Publication number: JP4540890B2
Application number: JP2001211586A
Authority: JP
Inventors: 茂半澤; 直樹橋本
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2021-07-12
Also published as: WO2003006844A1; US20040142158A1; EP1416184B1; DE60236513D1; JP2003026479A; EP1416184A4; EP1416184A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽量で、耐摩耗性、耐酸化性等に優れたブレーキ材に関する。特に、大型自動車等や航空機などの大型輸送機械の停止または速度制御の際に使用する速度制御装置に連動して装着されているブレーキ材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽量で、耐摩耗性等に優れ、大型自動車等や航空機などの大型輸送機械において装着されている制動装置で使用されるブレーキ用パッドまたはディスクとしては、現在は高温下での摩擦係数が極めて高く、軽量であり、熱変形を生じない材料であるカーボンファイバーインコンポジット（以下Ｃ／Ｃコンポジットと称することもある）が広く使用されている。
【０００３】
このような大型輸送機械においては、緊急停止のための過大荷重下でのブレーキ制動、長時間にわたるブレーキ制動、高頻度でのブレーキ制動等を繰り返す必要に迫られることがあり、Ｃ／Ｃコンポジットを摩擦材として使用した制動装置の場合には、摩擦材が空気中で高温下に長時間曝されることとなる。従って、摩擦材は基本的には高温で燃焼しやすい炭素繊維をその主成分とするものであるために、このような条件下では、酸素と反応して、著しく摩耗するだけでなく、発煙して大事故寸前に至るケースもあると報告されている。しかしながら、高温下における摩擦力の高さ、ブレーキに装着の際に要求される柔軟性などの性能の点から、それに代わる原料を見い出せていないのが現状である。
【０００４】
そこで、本発明者らは、複合炭素繊維であるＣ／Ｃコンポジットが有する優れた耐衝撃性、軽量等の優れた点を保持しながら、動摩擦係数においてＣ／Ｃコンポジットよりも優れた性能を有するＳｉ−ＳｉＣ系材料からマトリックスとを備えている繊維複合材料からなることを特徴とするブレーキ用部材を特開２０００−８１０６２公報において提案している。
【０００５】
さらに、より安価に入手可能な基材を利用し、用途、使用態様等に応じてより広い製品群から所望とする性能を発揮できる製品を選択できる様にするための品揃えのために、用途、使用態様等に応じた設計性能を有する複合材料として、複合炭素繊維であるＣ／Ｃコンポジットまたは所望の形状にＣ／Ｃコンポジットを成形して製造した成形体の表面に、耐摩耗性に優れた、少なくとも炭化珪素と、所望により含有されていてもよい金属珪素とからなる複合材部を所定の割合で配置させて形成することにより製造されるブレーキ用パッドまたはディスク、および同パッドからなるブレーキを２００１年３月２日出願に係る特願２００１−５８３１０明細書中で提案している。
【０００６】
上記の提案に係るブレーキ材は、ブレーキ制動の面では申し分ないものの、耐摩耗性の点、特に航空機などの緊急停止条件下における１２００℃にも達する高温度下では、必ずしも、十分な耐摩耗性を発揮することができず、その点で十分な耐久性を発揮できないことが見出された。特に、航空機産業においても、各部品のより耐使用年限の長期化が望まれており、ブレーキ材においても例外ではない。例えば、民間航空機においても、少なくとも通常条件下で３０００回の着陸を十分にこなすことが求められており、この点でも必ずしも市場のニーズに応えうるものとすることはできない。
【０００７】
一方、本発明の発明者の一人である半澤等は、積層体からなる所謂Ｃ／Ｃコンポジットに、銅等の金属を含浸させた摺動性に優れた複合材料を２０００年４月４日に公開された特開２０００−９５５８６公報において提案している。しかし、このものは、銅が元来有する特質である熱伝導性を利用したヒートシンクとしての利用に加え、銅が本来的に有する摺動性を利用するものであり、ブレーキ材としての利用は全く考えていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたもので、ブレーキ材として必要とされる制動性を示すに十分な動摩擦係数を具備し、高温条件下においても、少なくとも、従来から使用されてきているＣ／Ｃコンポジットと同等かそれ以上の耐摩耗性を示すブレーキ材およびその製造方法の提供を目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記の目的を達成するために種々検討した結果、複合炭素繊維であるＣ／Ｃコンポジットまたは所望の形状にＣ／Ｃコンポジットを成形して製造した成形体に、溶融された銅を含浸させて得られるＣ／Ｃコンポジットと、同Ｃ／Ｃコンポジットを構成する繊維間の孔隙部に含浸された所望の量の銅を含む金属からなるマトリックスとからなり、少なくとも０．０１以上の動摩擦係数を有することを特徴とするブレーキ材が、上記の目的を達成できることを見出して、本発明を完成させたものである。
【００１０】
即ち、本発明によれば、Ｃ／Ｃコンポジットと、金属銅とからなるマトリックスとからなり、前記金属銅は全ブレーキ材の質量の１５％〜６０％含有され、少なくとも０．０１以上の動摩擦係数を有することを特徴とするブレーキ材が、また、特に、常温における動摩擦係数が０．０５〜０．４であるブレーキ材、さらに、摩耗量が０．０〜０．３ｍｍ^３／（Ｎ・ｋｍ）であるブレーキ材が提供される。なお、前記Ｃ／Ｃコンポジットは、少なくとも炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成分とを含有するヤーンが三次元的に組み合わされ、これらヤーンが互いに分離しない程度に一体化されたヤーン集合体で構成されたものであるブレーキ材が好適に使用される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、基材であるＣ／Ｃコンポジットと、Ｃ／Ｃコンポジットを構成する繊維間の孔隙部に含浸された所望の量の銅を含む金属からなるマトリックスとからなり、少なくとも０．０１以上の動摩擦係数を有することを特徴とするブレーキ材に関する。本発明において、基材としては、Ｃ／Ｃコンポジットを使用するが、Ｃ／Ｃコンポジットであれば、特に制限はなく、通常、Ｃ／Ｃコンポジットと称されるものであれば、その製法、由来等は問わず使用可能である。例えば、特開平２−８０６３９号公報に記載の方法により製造される積層体様のＣ／Ｃコンポジットであっても、また、各種用途に使用されている所謂汎用性のＣ／Ｃコンポジットであってもよいことはいうまでもない。
さらに、所望の孔隙量を有するＣ／Ｃコンポジットからなる成形体を用意し、必要に応じて、その成形体を焼結し、焼結体を得、かくして得られた成形体または焼結体に、溶融状態とした銅よりなる金属を所望とする量含浸させ、必要に応じてさらに焼結し、同金属で含浸された前記焼結体を室温まで冷却させることを含むことを特徴とする、Ｃ／Ｃコンポジットと、金属銅とからなるマトリックスとからなり、少なくとも０．０１以上の動摩擦係数を有するブレーキ材の製造方法が提供される。
【００１２】
マトリックスとしての銅については、通常の工業用に使用される金属銅であればよく、例えば、純銅等が好適に使用される。なお、銅以外の他の金属を含む場合には、その量が、ブレーキ制動に著しく不都合を与えない限り、含まれていてもよいが、通常、その量が５０％を超えると、制動作動中に金属が溶融して遊離してきて影響を及ぼすことがあるので、なるべく純度の高い金属銅を使用することが好ましい。
【００１３】
本発明に係るブレーキ材は、常温における動摩擦係数が少なくとも０．０１以上、好ましくは０．０１〜０．４、さらに好ましくは０．１〜０．４程度である。さらに、摩耗量は、所定の大きさのテストピースを７０ｋｇｆの押しつけ圧で、押し付けて試験するとき２０．０ｍｍ³／（Ｎ・ｋｍ）以下、好ましくは、１０．０ｍｍ³／（Ｎ・ｋｍ）以下、より好ましくは、０．０〜０．３ｍｍ³／（Ｎ・ｋｍ）の範囲内であることが好ましい。
【００１４】
ここで成形体とは、Ｃ／Ｃコンポジットを所定の形状に成形したものをいう。なお、本発明に係るブレーキ材の製造においては、基材または同基材からの成形体に対して、焼成により所望の量、即ち、得られるブレーキ材の動摩擦係数が少なくとも０．０１以上、好ましくは０．０１〜０．４、さらに好ましくは０．１〜０．４程度となるように金属銅を含浸させた後、焼成し、このものを必要に応じて、所望とする大きさ、形状に加工することにより、製造される。この場合、動摩擦係数をブレーキ材としての設計性能を所望の範囲内とするには、基材であるＣ／Ｃコンポジットの含浸前の孔隙量が、容量％で、０．５％〜２０％程度としたものを使用することが好ましい。
【００１５】
基材のＣ／Ｃコンポジットに溶融含浸させる金属銅の量は、全ブレーキ材の質量の約１５％〜約６０％の範囲内を占めるようにすることが必要である。約１５％未満では、航空機のブレーキ制御に必要とされる十分な動摩擦係数が達成できず、一方約６０％を超えても、動摩擦係数の増大はそれほど望まれず、むしろ、ブレーキ材の重量増をもたらし、単位当たり燃料の飛行距離の低下となる等の悪影響がでるので好ましくない。
【００１６】
金属銅を含浸させるに当たっては、通常は、２０００年４月４日公開に係る特開２０００−９５５８６公報に記載された方法によればよい。従って、参考までに此処に同公報の内容を引用する。
【００１７】
念のため、本発明に係るブレーキ材の製造方法として概説する。例えば、特開平２−８０６３９号公報に記載の方法により調製された炭素繊維からなるヤーンの積層体を、加圧焼成して所望の孔隙量を有する焼結体を得、このものに金属銅を含浸させる。勿論、汎用性のＣ／Ｃコンポジットを使用してもよい。但し、その孔隙量は、容量％で、０．５％〜２５％程度の範囲内にあることが必要なことはいうまでもない。この様な汎用性のＣ／Ｃコンポジットとしては、アクロス社製のＡＣ２００、日本カーボン社製ＣＣＭ１９０Ｃ等が挙げられる。
【００１８】
銅の含浸は、前記焼結体と少なくとも銅を含む金属とを互いに接触させない状態で加熱し、所定温度に達した段階で両者を接触させて直ちに高圧力を付与して、前記金属を前記焼結体中に含浸させ、ついで、少なくとも前記金属が含浸された前記焼結体を室温まで冷却させればよい。勿論、金属銅は、基材の炭素成分とは元々反応性が極めて低いため、銅と基材とを接触させたまま加熱し、銅を溶融させても問題はない。
【００１９】
このように、含浸させようとする金属銅を、基材となる焼結体と接触させないまま所定温度まで加熱し、溶融後直ちに接触加圧し、含浸後は速やかに冷却させることにより、一般に困難とされる焼結体への前記金属銅の含浸処理を容易に行うことができ、しかも、焼結体への前記金属銅の含浸率を所望とする範囲内とすることができ、その結果、所望とする動摩擦係数を有するブレーキ材を得ることができる。
【００２０】
含浸工程としては、特に制限はなく、前記焼結体と前記金属銅を同一の容器に入れ、前記金属銅を前記容器内の下方に配置した後、前記容器内を負圧又は常圧状態にし、溶融金属銅を前記焼結体含浸させるか、あるいは、前記金属銅を加熱溶解して前記金属銅を溶融し、前記溶融金属銅が所定温度に到達した段階で、前記容器を転回して該容器内において前記溶融金属銅中に前記焼結体を浸漬させることにより、前記溶融金属を焼結体中に含浸させてもよい。
【００２１】
含浸の際に、付与する圧力としては、１０ｋｇｆ／ｃｍ² 以上、１０００ｋｇｆ／ｃｍ² 以下であり、好ましくは５０ｋｇｆ／ｃｍ² 以上、２００ｋｇｆ／ｃｍ² 以下であり、さらに好ましくは１００ｋｇｆ／ｃｍ² 以上、１５０ｋｇｆ／ｃｍ² 以下である。この場合、前記圧力の付与時間は１０秒以上、３０分以下であり、望ましくは２分以上、１０分以下である。
【００２２】
また、前記所定温度は、含浸させようとする前記金属銅の融点より１０℃〜２５０℃高い温度であり、好ましくは前記融点より５０℃〜２００℃高い温度、即ち、１１００℃〜１３５０℃、好ましくは、１１５０℃〜１３５０℃程度である。この場合、焼結体に含浸させるべき前記金属の加熱は、０．０１ＨＰａ以下の真空中で行うことが好ましい。
【００２３】
前記冷却工程としては、前記容器を転回して含浸後の前記焼結体と非含浸の残存溶融金属とを分離する工程と、前記容器内の前記含浸用ガスを抜き、速やかに冷却用ガスを導入して容器内を冷却する工程とを有するようにしてもよく、前記容器を転回して含浸後の前記焼結体と非含浸の残存溶融金属とを分離する工程と、前記容器を冷やし金に接触させることにより、前記容器内を冷却する工程とを有するようにしてもよい。
【００２４】
前記冷却工程における冷却速度は、含浸時の温度から８００℃まで、−４００℃／時間以上とすることが好ましく、より好ましくは−８００℃／時間以上である。
【００２５】
この様にして製造される本発明に係るブレーキ材は、常温での動摩擦係数が航空機などのブレーキ制御に必要な値である、少なくとも０．０１であり、また、基材がＣ／Ｃコンポジットであるため、靱性に富み、優れた耐衝撃性、高硬度性を有する。従って、従来使用されているＣ／Ｃコンポジットが有している特性を保持したまま、同Ｃ／Ｃコンポジットが有する耐高温摩耗性が低いという欠点を克服することができる。
【００２６】
また、Ｃ／Ｃコンポジットを基材としていることから、軽量であり、大型輸送機械に実装しても燃料消費に実質的に影響せず、エネルギーの消費上問題を生ずることがなく、省エネルギーの要請にもかなう材料であるといえる。
【００２７】
本発明に係るブレーキ材の表面には、一部金属銅が露出しており、ブレーキ制動の際には、摩擦熱のために、一部の銅が溶融し、互いに焼き付くなどして、よりブレーキ制動力を発揮することが考えられる。
【００２８】
【実施例】
次に、本発明を実施例および比較例により詳しく説明することとするが、本発明はこれらの例により何ら限定されるものではない。
なお、各例によって得られたブレーキ材は、以下に示す方法よりその特性を評価した。
【００２９】
（動摩擦係数および摩耗量の評価方法）
４２ｍｍ角で厚さが４ｍｍおよび８ｍｍのテストピースと大きさ外径３６ｍｍ、内径が２４ｍｍ、厚さが８ｍｍのデスク様のテストピースを用意し、これを重ね合わせ、治具にセットして、面圧が１．２ＭＰａと１．９ＭＰａとなるように荷重Ｆｐ（Ｎ）をかけ、回転数２００ｒｐｍで１０分間、４００ｒｐｍで５分間回転させつつ、両テストピースを互いに押しつけ、その際の摩擦力Ｆｓ（Ｎ）を測定した。動摩擦係数の値は下式により算出した。また、摩耗量は、デスク様のテストピースの試験前の質量Ｗａ（ｍｇ）と試験後の質量Ｗｂ（ｍｇ）を測定し、これと、テストピースの密度ρ（ｇ／ｃｍ³）より、摩耗量Ｖ（ｍｍ³）を下式により算出した。
動摩擦係数μ＝Ｆｓ／Ｆｐ
摩耗量Ｖ＝（Ｗａ−Ｗｂ）／ρ
【００３０】
なお、この試験条件は、航空機におけるブレーキ制御条件をモデルとして設定したものである。即ち、航空機では、ブレーキ制御の際のブレーキ材同士の面圧は、１．５〜２．０ＭＰａであること、また、航空機は１３０ｋｍ／ｈｒ〜１７０ｋｍ／ｈｒで着地し、２０秒で停止する。この条件を外挿するに際し、タイヤ径を２ｍ、ブレーキ材径を５００ｍｍで、１５０ｋｍ／ｈｒで回転しているタイヤに２０秒間力をかけ続けたと仮定し、摺動距離ＳＤを求めた。即ち、摺動距離は下式で与えられる。

となる。また、デスク様のテストピースの半径の真中では、摺動距離は、回転数２００ｒｐｍで、１０分間摺動したとすると、

となる。この摺動距離に類似させて上記条件を採用したものである。
【００３１】
なお、テストピースの肉厚は、４ｍｍでは、摩擦粉が焼けるほどの高温となったため、航空機での通常ブレーキ制御時に近い温度となるテストピースの温度が、６６０℃〜７００℃となるような条件として、テストピースの肉厚を倍の８ｍｍとして、より実際の条件に合わせた条件下でも試験した。
【００３２】
（実施例）
特開平２−８０６３９号公報に記載の方法に基づき、炭素繊維を一方向に引き揃えたものにフェノール樹脂を含浸させたプリプレグシートを炭素繊維が互いに直交するように積層し、ホットプレスで１８０℃、１０ｋｇ／ｃｍ²で樹脂を硬化させた。ついで、窒素中で２０００℃で焼成し、密度１．６０ｇ／ｃｍ³、空隙量が１５％のＣ／Ｃコンポジットの焼成体を得た。
特開２０００−９５５８６公報記載の方法に従い、このものを金属銅と同一の容器に入れ、前記金属銅を前記容器内の下方に配置した後、金属銅を加熱溶解して前記金属銅を溶融し、前記溶融金属銅が所定温度に到達した段階で、前記容器を転回して該容器内において前記溶融金属銅中に前記焼結体を浸漬させる工程により、前記溶融金属を焼結体中に含浸させた。その他の条件は、同公報記載の条件に従った。なお、動摩擦係数を所望の範囲内とするために、使用した金属銅の量は、質量％で４９％となる量を選択した。
【００３３】
かくして得られたブレーキ材から、４２ｍｍ角で厚さが４ｍｍおよび８ｍｍのテストピースと大きさ外径３６ｍｍ、内径が２４ｍｍ、厚さが８ｍｍのデスク様のテストピースそれぞれを切り出し、このテストピースを使用して、上記の測定方法により、摩擦係数、および摩耗量を測定し、その結果は図２および図３に示す。なお、図２は、７０ｋｇｆと１００ｋｇｆの押しつけ力をかけたときの、回転数２００ｒｐｍ、１０分後の測定結果であり、図３は、さらに、７０ｋｇｆの押しつけ力をかけたときの、回転数４００ｒｐｍ、５分後の測定結果である。
なお、比較のために、上記の焼結体そのものから同じようにテストピースを切り出し試験に供している。このものは、図１では、Ｃ／Ｃと表示している。また、測定値は、７０ｋｇｆの押しつけ力をかけたときの、回転数２００ｒｐｍ、１０分後のものをそれぞれ示す。
【００３４】
（比較例）
外径３００ｍｍ、内径１５０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの大きさを有する円盤様Ｃ／Ｃコンポジット基材に、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリックス層を配した繊維複合材料を製造し、これを用いてブレーキ用部材を製造した。
Ｃ／Ｃコンポジットは、特開２０００−８１０６２公報に記載の方法、即ち、以下のような方法により製造した。
炭素繊維を一方向に引き揃えたものにフェノール樹脂を含浸させたプリプレグシートを炭素繊維が互いに直交するように積層し、ホットプレスで１８０℃、１０ｋｇ／ｃｍ²で樹脂を硬化させた。ついで、窒素中で２０００℃で焼成し、密度１．０ｇ／ｃｍ³、開気孔率５０％のＣ／Ｃコンポジットを得た。
【００３５】
次に、得られたＣ／Ｃコンポジットを、純度９９．８％で平均粒径１ｍｍのＳｉ粉末で充填されたカーボンるつぼ内に施設した。ついで、焼成炉内にカーボンるつぼを移動した。焼成炉内の温度を１３００℃、不活性ガスとしてアルゴンガス流量を２０ＮＬ／分、焼成炉内圧を１ｈＰａとし、またその保持時間を４時間として処理した後、焼成炉内の圧力をそのまま保持しつつ、炉内温度を１６００℃に昇温することにより、Ｃ／ＣコンポジットにＳｉを含浸させて複合材料を製造した。
【００３６】
かくして得られたブレーキ材から、製造例と同様に、４２ｍｍ角で厚さが４ｍｍおよび８ｍｍのテストピースと大きさ外径３６ｍｍ、内径が２４ｍｍ、厚さが８ｍｍのデスク様のテストピースそれぞれを切り出し、このテストピースを使用して、上記の測定方法により、摩擦係数、および摩耗量を測定し、その結果は、Ｃ／Ｃコンポジットと共に図１に示す。なお、このものは、図１中ではＳＣ０１として表記している。なお、図１のデータは、同一の条件で製造した７点の試料からそれぞれテストピースを切り出し、このテストピースについて試験して得られた結果を示す。
【００３７】
図１〜図３から明らかなとおり、本発明に係るブレーキ材は、本発明者らが先に提案した特開２０００−８１０６２公報に開示のブレーキ用部材に比較して、動摩擦係数において安定した数値を示すと共に、摩擦量においては、Ｃ／Ｃコンポジット、比較例のブレーキ材に比較して、格段に少なくなることがわかる。従って、本発明に係るブレーキ材は、実用性、特に、耐久性の点で優れた特質を有していることがわかる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明に係るブレーキ材は実用可能な動摩擦係数を示し、また、摩耗量が少ないことから、極めて有望なブレーキ材であることがわかる。また、Ｃ／Ｃコンポジットを基材としていることから、軽量であり、エネルギーの損失が少なく、省エネルギーの要請にも添う。さらに、基材がＣ／Ｃコンポジットであるため、靱性に富み、優れた耐衝撃性、高硬度性を有する。
従って、本発明に係るブレーキ材は、上記の結果からも明らかなとおり、航空機などの大型輸送機械の制動装置におけるブレーキ用部材として極めて有望な素材である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｃ／ＣコンポジットとＳｉ−ＳｉＣ含有の比較例のブレーキ材の性能試験の結果を示すグラフである。
【図２】本発明に係るブレーキ材の性能試験結果の一例を示すグラフである。
【図３】本発明に係るブレーキ材の性能試験結果の他の例を示すグラフである。

Claims

Ｃ／Ｃコンポジットと、金属銅とからなるマトリックスとからなり、前記金属銅は全ブレーキ材の質量の１５％〜６０％含有され、少なくとも０．０１以上の動摩擦係数を有することを特徴とするブレーキ材。
常温における動摩擦係数が０．０５〜０．４である請求項１に記載のブレーキ材。
摩耗量が０．０〜０．３ｍｍ^３／（Ｎ・ｋｍ）である請求項１または２に記載のブレーキ材。
前記Ｃ／Ｃコンポジットは、少なくとも炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成分とを含有するヤーンが三次元的に組み合わされ、これらヤーンが互いに分離しない程度に一体化されたヤーン集合体で構成されたものである請求項１〜３のいずれか１項に記載のブレーキ材。