JP6333093B2 - 繊維強化複合材料を用いた制動材 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化複合材料を用いた制動材に関する。

制動材の一例である車両用のブレーキディスクの材料として、繊維強化複合材料、好適には炭素繊維強化炭化ケイ素複合材料の適用が、近年盛んに検討されている。

ブレーキディスクは、制動時に摺動面で摩擦熱が発生する。この摩擦熱が摩擦面にこもると、摩擦面を構成する物質が熱変性し、摩擦係数が変化するため、制動力が変動するという問題が生じる。従って、摩擦熱は、できるだけ速やかにブレーキディスク外へ放出されることが好ましい。

この点で言えば、炭素繊維強化炭化ケイ素複合材料は、金属に比べて軽量であるだけでなく、耐熱性に優れ、熱変性する温度が金属材料よりも高いために、摩擦係数が安定させやすい、といえるものである。

特許文献１には、円周方向と径方向とで炭素繊維の配置が均質である炭素繊維強化炭素製摺動部材として、少なくとも、摺動面２ａを有する炭素繊維強化炭素材料製の円盤部２と、この円盤部に連結される軸芯３とを備えた摺動部材１であって、前記円盤部が、炭素繊維を経糸５または／および緯糸６とする螺旋織物４によって構成されている摺動部材が開示されている。

特許文献２には、ブレーキディスク摩擦リング（８）と、チャンバリング（３）と、前記チャンバリング（３）上に放射状に、好ましくは前記チャンバリング（３）の外周上に配置されて、前記チャンバリングから離れる方向の端部において、しっかりした仕方で前記ブレーキディスク摩擦リング（８）に接続された膨張要素（６）とからなるブレーキディスク・チャンバ（２）と、を有し、前記膨張要素（６）が、径方向にしっかりと、および／または、接合された仕方で、前記ブレーキディスク摩擦リング（８）、および／または、前記チャンバリング（３）に接続され、前記膨張要素（６）が、前記チャンバリング（３）と前記ブレーキディスク摩擦リング（８）との間の最短距離より長く、前記膨張要素（６）が、径方向に弾性であり、前記ブレーキディスク摩擦リング（８）の熱変形に適応して、前記ブレーキディスク摩擦リング（８）の遮蔽が大幅に除去されるように設計されたブレーキディスクが記載されている。

特開２００２−３２８０号公報 特表２０１２−５１１１２９号公報

特許文献１に記載の発明は、長繊維の炭素繊維を用いた炭素繊維強化炭化ケイ素複合材料であるが、炭素繊維の配置が均質であるので、熱膨張係数も主面上どこでも略均一と考えられる。

しかし上記の場合、摺動部で摩擦材が摺動する際に生じる熱は摺動部と非摺動部での温度差を生じる。温度差が生じると熱膨張係数が主面上どこでも略均一であるために円盤外周側の摺動部と円盤内周側の非摺動部の熱変形量に差が生じ、高い熱応力が発生し、強度低下、亀裂を引き起こす懸念がある。

特許文献２に記載の発明は、摺動領域と非摺動領域に効率的な外部空気による冷却のための内部構造を有し、さらに摺動領域と非摺動領域の間の熱勾配に起因する熱膨張差による変形を吸収し、熱応力の発生を避ける構造を有している。

しかしながら、上記は鋳造にてよって製造される金属の場合に適用できる構成であって、繊維強化複合材料のような脆性材料でこのような複雑な構造にすると、加工が困難となること、空洞が多くなり強度が低下する懸念が生じる。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、制動時にブレーキディスクに生じる温度不均一によって生じる、熱膨張差の違いに起因する熱応力を低減することのできる材料組織構造の提供を目的とする。

本発明は、制動時に摩擦材と当接する摺動面と前記摺動面を含まない非摺動面からなる主面が形成され、かつ繊維強化複合材料からなる板状の制動材であって、前記繊維強化複合材料からなる摺動面の熱膨張係数は、前記繊維強化複合材料からなる非摺動面の熱膨張係数より小さいことを特徴とする繊維強化複合材料を用いた制動材である。

かかる構成を有することで、繊維強化複合材料を用いた制動材において、簡易な構造で制動時の発熱による熱勾配に起因する熱応力を効果的に低減することができる。

また、本発明においては、摺動面の熱膨張係数から非摺動面の熱膨張係数に向かって漸増する熱膨張係数を有する中間領域を前記摺動面と前記非摺動面の間に含むと、より好ましい。

なお、本発明は、繊維強化複合材料が炭素短繊維強化炭化ケイ素系複合セラミックスであるとより好ましい。

さらに、本発明を炭素短繊維強化炭化ケイ素系複合セラミックスで構成した場合は、熱膨張係数が単位体積当たりの炭素短繊維含有率で決定することができる。

本発明によれば、繊維強化複合材料を用いた制動材において、簡易な構成により、制動時の発熱による熱勾配に起因する熱応力を効果的に低減することができる。このため、熱応力による破損のリスクを低下させ、さらにブレーキ材において重要な設計上の自由度を向上させることができるという効果を呈する。

図１は、本発明の一態様に係るブレーキディスクを一主面側からみた概念図である。 図２は、本発明の一態様に係るブレーキディスクを一断面方向からみた概念図である。

以下、図面も参照して本発明を詳細に説明する。本発明は、制動時に摩擦材と当接する摺動面と前記摺動面を含まない非摺動面からなる主面が形成された板状の制動材であって、前記摺動面の熱膨張係数は前記非摺動面の熱膨張係数より小さい繊維強化複合材料を用いた制動材である。

図１は、本発明の一態様に係るブレーキディスクＺを一主面側からみた概念図である。
ブレーキディスクＺは、円盤状のブレーキディスクＺの主面１と、ブレーキディスクＺ固定用の穴としての締結部２と、ボルトで締結するボルト孔３と、を有する。

主面１は、制動時に摩擦材と当接する摺動面１ａと、前記１ａ以外の主面１に相当する非摺動面１ｂからなる。非摺動面１ｂは、ブレーキディスクＺをボルトで締結する締結部３も含むものとする。

本発明に係る制動材は、摺動面１ａの熱膨張係数が前記非摺動面１ｂの熱膨張係数より小さい繊維強化複合材料を用いる。

摺動面１ａで発生した摩擦熱により摺動面１ａの温度は非摺動面１ｂよりも高くなり、摺動面１ａの熱膨張係数が前記非摺動面１ｂの熱膨張係数と同じ場合、摺動面１ａの熱膨張により非摺動面１ｂには高い熱応力が生じる。

しかし、本発明に係る制動材は、摺動面１ａの熱膨張係数が前記非摺動面１ｂの熱膨張係数より小さい繊維強化複合材料を用いるため、摺動面１aの熱膨張に起因する熱応力が緩和され、これに伴いブレーキディスクＺ全体の熱応力も低減される。

ところで本発明においては、熱膨張係数の選定は、表層部４のみではなく、基材部５を含めた深さ領域全体の値も考慮することが望ましい。

摺動面１ａで発生した摩擦熱は、固体熱伝導により、表面から表層、更に基材部へと拡散する。熱伝導の異方性などを考慮しても、摺動面１ａ直下の基材部５ａのほうが、基材部５ｂよりも温度上昇は、より大きいものであり、温度差が生じれば、熱膨張による寸法のミスマッチから、熱応力が生じる。そのため、表面のみの熱膨張係数の制御だけでは、必ずしも十分な効果が得られるとはとは言えない。

図２は、本発明の一態様に係るブレーキディスクを一断面方向からみた概念図である。表層部４は、摺動面を含む表層部４ａと非摺動面を含む表層部４ｂで構成され、基材部５は、４ａ直下の基材部５ａと４ｂ直下の基材部５ｂで構成される。

本発明では、上記熱応力の低減も含めた、さまざまな使用目的に応じて、表層部４と基材部５、摺動面１ａと非摺動面１ｂ、のそれぞれの熱膨張係数を、任意に組み合わせることができる。

例えば、摩擦係数の安定化と酸化抑制効果を優先して、表層部４の熱膨張係数は同一にして、基材部５のみ４ａ直下の基材部５ａと４ｂ直下の基材部５ｂとの間で熱膨張係数を異なるものにする。なお、表層部４は、４ａの熱膨張係数を４ｂのそれより高くすることも可能である。

あるいはその逆で、基材部５の熱膨張係数は同一にして、表層部４のみ摺動面を含む表層部４ａと非摺動面を含む表層部４ｂとの間で熱膨張係数が相違するものにもできる。例えば、表面での亀裂発生抑制を主たる効果として発揮させたい場合などに、好適に適用できる。

摺動面を含む表層部４ａと、４ａ直下の基材部５ａとの熱膨張係数を同一、非摺動面を含む表層部４ｂと、４ｂ直下の基材部５ｂとの熱膨張係数を同一、となるように設計することもできる。これらのような態様は、例えば、大きな亀裂発生の抑制を主たる効果として発揮させたい場合に好適である。

上記に記載の各態様において、表層部４と基材部５との間、摺動面１ａと非摺動面１ｂとの間に、それぞれの熱膨張係数の最小値より大きく最大値より小さい熱膨張係数値を有する中間層があってもよい。

異なる熱膨張係数を有する領域間での熱膨張係数の差が大きいと、製造工程での割れなどの欠陥が生じる、特に非摺動面１ｂでの熱膨張係数の差による熱応力が過大になる、等の不具合が懸念される。

好適な一例としては、摺動面１ａの熱膨張係数から非摺動面１ｂの熱膨張係数に向かって漸増する熱膨張係数を有する中間領域を、前記摺動面１ａと前記非摺動面１ｂの間に含む構造が挙げられる。

かかる熱膨張係数を有する中間領域を設けることで、特に摺動面１ａでの熱応力の過大化を抑制し、破損のリスクをより低く抑えられる。

熱膨張係数の測定箇所は、測定する箇所の深さ方向垂直断面において、表面、表層（例えば深さ１００μｍ）、ブレーキディスクＺの厚さ中心部、前記中心部と表面との中間部、の各点の熱膨張係数を測定して、その平均値を求めることで得られる。各点の点数や測定位置は測定精度や要求仕様に応じて、適時設定される。

熱膨張係数の測定方法は、公知の方法を適用できる。例えば、JIS R 1618:2002「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」に基づいて、測定箇所から測定試料をサンプリングして、Ｒ熱電対を使用して、最高５００℃までの測定を行う。

本発明において、繊維強化複合材料が炭素短繊維強化炭化ケイ素系複合セラミックスであるとより好ましい。ブレーキ材に要求される特性である、軽量、高剛性、高靱性、耐酸化性、そして安定した摩擦係数保持性、等の諸特性を高次元で併せ持つことのできる素材としては、炭素短繊維強化炭化ケイ素系複合セラミックスが最適といえる。

そして本発明においては、熱膨張係数が、単位体積当たりの炭素短繊維含有率で決定されるものである。炭素短繊維は炭化ケイ素に比べると熱膨張係数が高いので、炭素繊維の含有率の最適化で、熱膨張係数を効率的に調整できる。

なお、単位体積当たりの炭素短繊維含有率は、炭素短繊維強化炭化ケイ素系複合セラミックスの製造方法の一つである、溶融シリコンによる含浸法の適用で、より精度よくかつ効率的に製造できる。

例えば、炭素短繊維の材質を、シリコンとの反応性が異なるもの、好適にはピッチ系とＰＡＮ径の炭素短繊維を適時選択、或いは最適な比率で混合して用いてもよい。

あるいは、炭素短繊維または炭素短繊維束の表面に溶融シリコンとの反応性が異なる樹脂によるコーティングを施すことで、溶融シリコン含浸後の炭素繊維の残存率を適時設定してもよい。

さらには、炭素短繊維束の配合を径方向と深さ方向の双方で異なるようにして、いわゆる炭素短繊維束の密度が、組成傾斜を有するように設計してもよい。

一例として、表層部１ａは、摩擦係数の最適化や酸化防止のため、強化繊維の含有率を低くするように設計してもよい。

この場合、いわゆるバルク部で摩擦熱の迅速な移動が主として行われるので、特に繊維強化複合材料を用いた場合は、制動材として自由な設計が可能となる。

炭素短繊維束の体積含有率は、熱膨張係数のみならず、強度および破壊エネルギーで表される靱性特性に影響する。すなわち、これらの特性を総合的に勘案して、最適な炭素短繊維束の体積含有率を決定する事が出来る。

上記に記載のような繊維束の体積含有率の調整方法としては、例えば、特開２０１２−２１４３１８号公報に記載される方法を、好適に適用できる。

炭素短繊維の体積含有率のみで熱膨張係数の分布が調整された本発明に係る制動材は、巨視的な材料密度や構造の相違がないので、制動材全体としての強度や靱性も高く確保される。

本発明を、ベーン形状が強度不足を補うように適切に設計されるベーン付きブレーキディスクに適用すれば、放熱効果、強度、摩擦係数の経時劣化、等の諸特性を、いずれも高次元で向上させることも可能である。

本発明においては、その他各種の最適な特性を得るために、炭素短繊維以外の材料、例えば炭化ケイ素、炭化硼素、窒化珪素等の材料からなる繊維、粒子、膜、等の強化材料が、適時配合されていてもよい。

以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づいて説明するが、本発明は、下記実施例により限定されるものではない。

[実験１]
炭素短繊維の束を繊維集合体原料としてピッチ系炭素短繊維（フィラメント径１１μｍ、長さ６ｍｍ）、およびＰＡＮ系炭素短繊維（フィラメント径１０μｍ、長さ６ｍｍ）を用いた。まず、ピッチ系炭素繊維が十分に浸る量の樹脂材料（レジンをエタノールで５０ｗｔ％に希釈したもの）に、このピッチ系炭素繊維を浸漬し、そのまま１時間放置した。その後、該樹脂材料が含浸されたピッチ系炭素繊維を取り出し、加圧しながら、乾燥オーブンにて５０℃で３００分乾燥させ、ピッチ系炭素繊維からなる繊維集合体1を得た。また、ＰＡＮ系炭素繊維に対しても、上記繊維集合体1と同様の方法を適用して、ＰＡＮ系炭素繊維からなる繊維集合体２を得た。

次に、繊維集合体１の４０ｖｏｌ％に対して、炭化ケイ素粉末２０ｖｏｌ％、フェノール樹脂にエタノール適量を混合し、スラリー１を調製する。同様にして、繊維集合体２の４０ｖｏｌ％に対して、炭化ケイ素粉末２０ｖｏｌ％、フェノール樹脂４０重量部にエタノール適量を混合し、スラリー２を調製した。

図１に示すような、開口部の径１００ｍｍ、外径３００ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、ボルト孔８個を中心から６５ｍｍ半径位置に等間隔に配置したブレーキディスクになるような金型を準備した。そして、外周端部５ｍｍから径方向に４０ｍｍの領域１（摺動面）に繊維集合体１を、４５ｍｍから１００ｍｍまでの領域２（非摺動面）に繊維集合体２が来るように作製した。すなわち、金型に対して厚さ２ｍｍに炭化ケイ素粉末２０ｖｏｌ％、フェノール樹脂４０重量部にエタノール適量を混合したスラリー３を領域１及び領域２に充填する。そして領域１には、厚さ６ｍｍのスラリー１を、領域２には厚さ６ｍｍのスラリー２を充填し、最後に領域１および２にスラリー３を充填する。

その後、これを５０℃で５時間乾燥させ、続いて１３０℃、１００ｋｇｆ／ｃｍ²で熱加圧成形した後、６００℃以上の温度で焼成して得られた焼成体に、既知の方法を用いて珪素を含浸させることにより、実施例１のブレーキディスクを作製する。

なお、セラミックスは焼成収縮があるので、完成品の寸法はあくまで目安とする。

領域２にスラリー２の代わりにスラリー１を適用する以外は、実施例１同様にして作製するものを、比較例１とする。

実施例１と比較例１の各々のブレーキディスクに対して、ブレーキディスク評価装置を用いて、時速２００ｋｍから時速１００ｋｍまで減速度６ｍ/ｓ²で減速する制動試験を連続１０回繰り返したのに相当する条件で、汎用ソフトによる３次元の非定常熱応力数値解析を行うと、摺動面と非摺動面の熱膨張差で発生する熱応力の値は、比較例１のブレーキディスクに比べて、実施例１のブレーキディスクは、約２０％低下していることが確認される。

外周端部５ｍｍから径方向に４０ｍｍの領域１（摺動面ａ）に繊維集合体１を、６０ｍｍから１００ｍｍまでの領域２（非摺動面ｂ）に繊維集合体２が来るように作製する。そして、４５ｍｍから６０ｍｍまでの領域Ｍ（非摺動面ｂ）に、スラリー１とスラリー２を半々で混合したスラリーＭを用いて厚さ６ｍｍ充填する。それ以外は、実施例１同様に作製するものを実施例２とする。

実施例１同様に数値解析を実施すると、熱応力の値は、比較例１より３０％低減することが確認され、実施例１と比べてもより優れたものと言える。

Ｚ ブレーキディスク
１ 主面
１ａ 摺動面
１ｂ 非摺動面
２ 締結部
３ ボルト孔
４ 表層部
４ａ 摺動面を含む表層部
４ｂ 非摺動面を含む表層部
５ 基材部
５ａ ４ａ直下の基材部
５ｂ ４ｂ直下の基材部

Claims (4)

1. 制動時に摩擦材と当接する摺動面と前記摺動面を含まない非摺動面からなる主面が形成され、かつ繊維強化複合材料からなる板状の制動材であって、
   前記繊維強化複合材料からなる摺動面の熱膨張係数は、前記繊維強化複合材料からなる非摺動面の熱膨張係数より小さいことを特徴とする繊維強化複合材料を用いた制動材。
2. 摺動面の熱膨張係数から非摺動面の熱膨張係数に向かって漸増する熱膨張係数を有する中間領域を、前記摺動面と前記非摺動面の間に含むことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化複合材料を用いた制動材。
3. 繊維強化複合材料が、炭素短繊維強化炭化ケイ素系複合セラミックスであることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化複合材料を用いた制動材。
4. 熱膨張係数が、単位体積当たりの炭素短繊維含有率で決定されるものであることを特徴とする請求項３に記載の繊維強化複合材料を用いた制動材。