JP6529071B2

JP6529071B2 - ディスクブレーキ用材料

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Publication number: JP6529071B2
Application number: JP2015090098A
Authority: JP
Inventors: 福田　勉; 勉福田
Original assignee: 株式会社エコ・アール
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2035-04-27
Also published as: JP2016204566A

Description

本発明は、ディスクブレーキ用材料に関する。ディスクブレーキは、車輪と一緒に回転するブレーキローターを両側からブレーキキャリパーに組み込まれたブレーキパッドで押さえ付けることで摩擦力を発生し、運動エネルギーを熱エネルギーに変換して制動する仕組みである。パッドを押さえ付ける力を伝達する構造は、自動車用では主にパスカルの原理を用いてマスターシリンダーからの入力でピストンを動作させる液圧式が大半で、鉄道車両では空気圧によってパッドを押し付ける空気式が多い。このディスクブレーキは、自転車、自動車、車両（特殊車両を含む）、鉄道車両、新幹線・高速鉄道車、リニアモーターカー、宇宙航空機、飛行物体、高層ビルエレベーター、風力発電、工作機械などに利用されている。このディスクブレーキの材料には、有機物、無機物及びその複合材、金属系等があるが、本発明のディスクブレーキ用材料は、ナノカーボンファイバー、チョップドカーボンファイバー（ＰＡＮ系、ピッチ系）、特に、チョップカーボンファイバーと、コールタールと、黒鉛と、チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と、高分子樹脂とを含有する。

カーボンセラミック製のディスクブレーキとして各種のものが存在しているが、そのほとんどは、セラミック系材料としてのＳｉＣと炭素との複合材料（以下、Ｃ／Ｃ複合材という）からなるものを使用している。ＳｉＣは線膨張係数が大きく（４〜５×１０^−６／Ｋ）、線膨張係数の小さい炭素（１×１０^−６／Ｋ）との差が大きいため、ブレーキをかけたときのローターとパッドとの摩擦熱等で、さらにＳｉＣと炭素材料との温度差が大きくなる。また、ローターとパッドとのあいだでチャタリング現象を起こすと、局部的に過熱される部分と低温部ができ、サーマルショック状態が発生するため、亀裂や破損が起きやすい。さらに、ＳｉＣ系は水、雪および融雪剤との親和性がよく、水分の吸収による膨潤に起因する亀裂や破損が生じ易く、寿命が短くなる。

また、Ｃ／Ｃ複合材の耐熱性はよいが、水分が吸収されるとハイドロカーボンができてボイドができることがあり、ブレーキをかけたときのローターとパッドとの摩擦熱等で、膨潤して亀裂や破損が生じ易い。（非特許文献１参照）

「高速新幹線用Ｃ／Ｃ複合材ディスクブレーキの開発」三菱重工技報 Vol.34 No.6(1997-11)

上記のディスクブレーキの作動時においては摩擦熱が発生し、ローターとパッドの接圧箇所は部分的に急激に高温になる。特に、Ｆ−１等の超高速走行時において停止すると、超高温になる。超高温である時間の長さ、累積停止回数、走行状態から停止に至るまでの合計時間、すなわち、ブレーキの使用頻度によってディスクブレーキの寿命が決定される。ところが、従来から使用されているＳｉＣ系のディスクブレーキでは、十分に長い寿命を確保することができなかった。

本発明者は、長年の研究の結果、ディスクブレーキの亀裂や破損の主たる原因は、ＳｉＣと炭素材料との線膨張係数の差と、ローターとパッドの接圧箇所と非接圧箇所との温度差によるスポーリングと、融雪剤（ＣａＣｌ_２）による熱化学反応および水、雪等の水分の吸収によりディスクブレーキがブレーキ摩擦熱で膨潤することによるものであると考えた。

本発明は、このような従来のディスクブレーキの有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、亀裂や破損を回避して、長寿命であるディスクブレーキ用材料を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、以下の構成より成る。ディスクブレーキは、主たる構成要素として、ブレーキキャリパーと、ブレーキパッドと、ブレーキローターとを備え、本発明はこれらディスクブレーキの材料として好適である。

本発明のディスクブレーキ用材料は、炭素繊維と、コールタールと、黒鉛と、チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と、高分子樹脂とを含有する。

炭素繊維は、高分子樹脂１００重量部に対して、１５重量部以上１５０重量部以下含有することが好ましい。炭素繊維の量が上記より少ない場合は、ディスクブレーキの強度が低くなり、炭素繊維の量が上記より多い場合は、ディスクブレーキへの成形が困難になる。この点で、炭素繊維は、高分子樹脂１００重量部に対して、１５重量部以上５０重量部以下含有することがより好ましい。

コールタールは、高分子樹脂１００重量部に対して、１５重量部以上１５０重量部以下含有することが好ましい。コールタールの量が上記より少ない場合は、潤滑性能が低下し、コールタールの量が上記より多い場合は、ディスクブレーキへの成形が困難になる。この点で、コールタールの量は、高分子樹脂１００重量部に対して、１５重量部以上５０重量部以下含有することがより好ましい。

黒鉛は、高分子樹脂１００重量部に対して、２重量部以上３０重量部以下含有することが好ましい。黒鉛の量が上記より少ない場合は、潤滑性能が低下し、黒鉛の量が上記より多い場合は、ディスクブレーキへの成形が困難になる。この点で、黒鉛の量は、高分子樹脂１００重量部に対して、５重量部以上２５重量部以下含有することがより好ましい。

チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体は、高分子樹脂１００重量部に対して、８０重量部以上６００重量部以下含有することが好ましい。チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体の量が上記より少ない場合は、ディスクブレーキの強度が低くなり、チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体の量が上記より多い場合は、ディスクブレーキへの成形が困難になる。この点で、チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体は、高分子樹脂１００重量部に対して、１００重量部以上４００重量部以下含有することがより好ましい。

本発明のディスクブレーキ用材料は、１５重量部以上１５０重量部以下の炭素繊維と、１５重量部以上１５０重量部以下のコールタールと、２重量部以上３０重量部以下の黒鉛と、８０重量部以上６００重量部以下のチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と、１００重量部の高分子樹脂とを含有する。

本発明のディスクブレーキ用材料は、必要に応じて、ダンピング材としてゴム類、研削
材として金属酸化物、ｐＨ調整材として消石灰等のアルカリ性物質、充填材等を含有することができる。

本発明のディスクブレーキ用材料は、必要な強度を付与する成分として、炭素繊維とチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体とを適量含有し、必要な潤滑性能を付与する成分としてコールタールとを黒鉛とを適量含有するので、摩耗しにくく、亀裂や破損が発生しにくい。また、ボイドの原因となる製造過程中の混練や撹拌工程での空気の混入を防ぐ効果がある。

図１は高速摩擦試験の方法を示す模式図である。図２は高速摩擦試験で使用したディスクに対するブロック試験片の押し付け位置を示す図である。

本発明を実施するための形態は以下のとおりである。
《本発明のディスクブレーキ用材料の成形態様１》
炭素繊維を一方向に引き揃えてなる炭素繊維の束を開繊してシート状にしたシートに対して、適量のコールタールと、適量の黒鉛と、適量のチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と、適量の高分子化樹脂と、硬化剤を含む適量の添加剤とを混練した混練物を塗布および加熱・乾燥してプリプレグシートを得、上下で接するプリプレグシートにおける炭素繊維の配向方向が異なるように複数枚のプリプレグシートを積層して、ホットプレス加工、ＨＩＰ加工またはＣＩＰ加工をして成形品を得る。

《本発明のディスクブレーキ用材料の成形態様２》
適量の炭素繊維と、適量のコールタールと、適量の黒鉛と、適量のチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と、適量の高分子化樹脂と、硬化剤を含む適量の添加剤とを混練した混練物を塗布および加熱・乾燥してプリプレグシートを得、ホットプレス加工、ＨＩＰ加工またはＣＩＰ加工をして成形品を得る。

《本発明のディスクブレーキ用材料の成形態様３》
態様２で作製した成形品を態様１で作製したプリプレグシートの積層体でサンドイッチ状に挟み、ホットプレス加工、ＨＩＰ加工またはＣＩＰ加工をして成形品を得る。

《チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体》
チタン酸アルミニウム系セラミックスは、Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料を含む。

〈Ｔｉ含有材料〉
本発明に用いられるＴｉ含有材料は、チタンを含有し、好ましくは酸化チタンの粉末である。酸化チタンとしては、アナターゼ型および／又はルチル型の酸化チタンを使用することができる。具体的には、塩素法によって製造されるルチル型の酸化チタンおよび硫酸法によって製造されるアナターゼ型の酸化チタンを使用することができる。さらに、Ｔｉ含有材料として、空気中で焼成されることにより酸化チタンに変化する材料を用いることもできる。このような材料として、チタニウム塩、チタニウムアルコキシド、水酸化チタニウム、窒化チタン、硫化チタン、金属チタンを挙げることができる。

〈Ａｌ含有材料〉
本発明に用いられるＡｌ含有材料は、アルミニウムを含有し、好ましくはアルミナ（酸化アルミニウム）の粉末である。アルミナの結晶型としては、γ型、δ型、θ型、α型等が挙げられ、アモルファスであってもよい。α型のアルミナが好ましく用いられる。さらに、Ａｌ含有材料として、アルミニウム塩、アルミニウムアルコキシド、水酸化アルミニウム、金属アルミニウムを挙げることができる。Ｔｉ含有材料として、アナターゼ型および／又はルチル型の酸化チタンを用い、Ａｌ含有材料として易焼結アルミナα型を用いると、両成分の反応性が良好であり、短時間で高収率でチタン酸アルミニウムを生成することができる。

Ｔｉ含有材料とＡｌ含有材料との配合比率は、２５〜７５重量部のＴｉ含有材料に対して、７５〜２５重量部のＡｌ含有材料を配合することが好ましい。３０〜７０重量部のＴｉ含有材料に対して、７０〜３０重量部のＡｌ含有材料を配合することがより好ましい。４０〜６０重量部のＴｉ含有材料に対して、６０〜４０重量部のＡｌ含有材料を配合することがさらに好ましい。Ｔｉ含有材料の重量は酸化チタン（ＴｉＯ_２）に換算した重量であり、Ａｌ含有材料の重量はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）に換算した重量である。酸化チタン以外のＴｉ含有材料を使用する場合、そのＴｉ含有材料と同じ量のＴｉを含む酸化チタンの重量をＴｉ含有材料の重量とし、アルミナ以外のＡｌ含有材料を使用する場合、そのＡｌ含有材料と同じ量のＡｌを含むアルミナの重量をＡｌ含有材料の重量とする。
Ｔｉ含有材料が２５重量部未満であると（Ａｌ含有材料が７５重量部超であると）、機械的強度は高くなるが、線膨張係数も増加する。Ｔｉ含有材料が７５重量部超であると（Ａｌ含有材料が２５重量部未満であると）、機械的強度は低下し、熱安定性が劣化する。

〈Ｌｉ含有材料〉
本発明に用いられるＬｉ含有材料としては、ペタライト、スポジューメン、炭酸リチウム、および酸化リチウムなどを挙げることができ、ＬｉおよびＡｌを含有することが好ましく、Ｌｉ、ＡｌおよびＳｉを含有すること（ＬｉおよびＡｌを含有する珪酸塩）がより好ましい。珪酸塩の形態のＬｉ含有材料を用いる場合、焼成によってチタン酸アルミニウム系焼成体が形成される際に、Ｌｉ含有材料中のＳｉの一部が結晶格子に固溶してＡｌと置換する。ＳｉはＡｌよりイオン半径が小さいために、周囲の酸素原子との距離が短くなり、格子定数（軸長）は純粋なチタン酸アルミニウムと比べて小さくなる。その結果、得られる焼結体は結晶構造が安定化して機械的強度が向上するとともに熱安定性も向上する。

Ｌｉ含有材料は、Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計を１００重量部とすると、１〜１０重量部であるのが好ましく、３〜６重量部であるのがより好ましく、４〜５重量部であるのが最も好ましい。Ｌｉ含有材料を、Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計１００重量部に対して１〜１０重量部とすることにより、線膨張係数を十分に小さくし、熱による体積変化がより小さいチタン酸アルミニウム系焼結体を得ることができる。Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計１００重量部に対してＬｉ含有材料が１重量部未満であると、チタン酸アルミニウム系焼結体の線膨張係数を十分に低減できない。一方、Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計１００重量部に対してＬｉ含有材料が１０重量部超であると、チタン酸アルミニウム系焼結体の耐熱性や機械的強度が低下する。Ｌｉ含有材料の重量はペタライト（Ｌｉ（ＡｌＳｉ_４Ｏ_１０））に換算した重量である。Ｌｉ含有材料としてペタライト以外のＬｉ含有材料を使用する場合は、そのＬｉ含有材料と同じ量のＬｉを含むペタライトの重量をＬｉ含有材料の重量とする。なお、Ｌｉ含有材料として、ペタライトのように、その成分中にＬｉおよびＡｌを含むＬｉ含有材料を用いる場合、そのＬｉ含有材料はＬｉ含有材料であるともにＡｌ含有材料でもある。すなわち、ペタライトはＬｉ含有材料であるともにＡｌ含有材料でもあり、ペタライトにはペタライト中のＡｌの量と同じ量のＡｌを含むアルミナ（Ａｌ含有材料）が含まれているとする。

《Ｍｇ含有材料》
本発明に用いられるＭｇ含有材料としては、マグネシウムを含有し、例えば、酸化マグネシウムである。この他、マグネシウム塩、マグネシウムアルコキシド、水酸化マグネシウム、窒化マグネシウム、金属マグネシウムなど、空気中で焼成することにより酸化マグネシウムに変化する物質も本発明においてＭｇ含有材料として用いることができる。Ｍｇ含有材料の重量は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）に換算した重量である。Ｍｇ含有材料として、スピネル型構造を有する酸化物（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）も用いることができる。Ｍｇ含有材料として、スピネル型構造を有する酸化物のように、その成分中にＭｇおよびＡｌを含むＭｇ含有材料を用いる場合、そのＭｇ含有材料はＭｇ含有材料であるともにＡｌ含有材料でもある。すなわち、酸化マグネシウムスピネルはＭｇ含有材料であるともにＡｌ含有材料でもあり、酸化マグネシウムスピネルには酸化マグネシウムスピネル中のＡｌの量と同じ量のＡｌを含むアルミナ（Ａｌ含有材料）が含まれているとする。また、Ｍｇ含有材料として、その成分中にＭｇおよびＴｉを含むＭｇ含有材料を用いる場合、そのＭｇ含有材料はＭｇ含有材料であるともにＴｉ含有材料でもある。すなわち、そのＭｇ含有材料にはＭｇ含有材料中のＭｇの量と同じ量の酸化マグネシウムが含まれているとともに、Ｍｇ含有材料中のＴｉの量と同じ量のＴｉを含む酸化チタンが含まれているとする。

好ましいＭｇ含有材料は、スピネル型構造を有する酸化物、ＭｇＣＯ_３およびＭｇＯである。スピネル型構造を有する酸化物としては、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＴｉ_２Ｏ_４等を挙げることができる。このようなスピネル型構造を有する酸化物は天然鉱物でもよく、ＭｇＯとＡｌ_２Ｏ_３を含む原料またはＭｇＯと酸化チタンを含む原料を焼成することによって得ることもできる。

Ｍｇ含有材料は、Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計を１００重量部とすると、１〜１０重量部であるのが好ましく、３〜８重量部であるのがより好ましい。Ｍｇ含有材料を、Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計１００重量部に対して１〜１０重量部とすることにより、線膨張係数を十分に小さくし、熱による体積変化がより小さいチタン酸アルミニウム系焼結体を得ることができる。Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計１００重量部に対してＭｇ含有材料が１重量部未満であると、チタン酸アルミニウム系焼結体の耐熱性や機械的強度が低下する。一方、Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計１００重量部に対してＭｇ含有材料が１０重量部超であると、チタン酸アルミニウム系焼結体の機械的強度が低下したり、熱膨張性が低下し、高熱によって分解することがある。Ｍｇ含有材料の重量は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）に換算した重量である。

Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料としては、アルミナセラミックス、チタニアセラミックス、酸化マグネシウムセラミックス、チタン酸アルミニウム系焼結体、チタン酸マグネシウムセラミックス、スピネルセラミックス、チタン酸アルミニウムマグネシウムセラミックス等の各種セラミックス原料として用いられているもののうちから適宜選択することができる。

Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料として好ましい原料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＬｉＯ、ＭｇＯ等の酸化物、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、Ａｌ_２ＴｉＯ_５、ＭｇとＴｉを含むスピネル型構造等の２種類以上の金属成分を含む複合酸化物、Ａｌ、ＴｉおよびＭｇからなる群から選ばれる１種類または２種類以上の金属成分を含む化合物（炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等）を挙げることができる。

必要に応じて、Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料以外の無機材料を添加剤として用いることができる。例えば、そのような無機材料として、ＳｉＯ_２、酸化鉄、ジルコニア、ジルコン、イットリア、ストロンチウム、ＳｉＣ、長石、硫酸バリウム等を挙げることができる。これらの無機材料の１種類または２種類以上を、Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料の合計１００重量部に対して、１５重量部以下添加することができ、１〜１５重量部が好ましく、４〜１０重量部がより好ましく、３〜６重量部が最も好ましい。

Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料を混合することにより、混合物を得ることができる。各原料粉末を十分に混合し、必要に応じて焼成後、適当な粒径に粉砕することができる。粉砕手段は限定されるものでなく、例えば、ボールミル、媒体撹拌ミルなどを用いることができる。

チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体を、粒径が１ｎｍ〜２０μｍである小径と、粒径が２０μｍ〜１００μｍである中径と、粒径が１００μｍ〜５ｍｍである大径とに分級し、「小径のチタン酸アルミニウム系セラミックスの微粉末」対「中径のチタン酸アルミニウム系セラミックスの微粉末」対「大径のチタン酸アルミニウム系セラミックスの微粉末」の配合比率は、１重量部対２重量部対３重量部であるのが好ましい。最も好ましくは、小径のチタン酸アルミニウム系セラミックスの微粉末の粒径は１μｍであり、中径のチタン酸アルミニウム系セラミックスの微粉末の粒径は５０μｍであり、大径のチタン酸アルミニウム系セラミックスの微粉末の粒径は１．２ｍｍである。

原料混合物はそのまま焼成することもできるが、最終的な成形体の形状に成形してから焼成することが好ましい。成形時には、原料混合物に対して成形助剤を配合することができる。成形助剤としては、結合剤、離型剤、消泡剤、および解膠剤等を用いることができる。結合剤としては、ポリビニルアルコール、マイクロワックスエマルジョン、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等を挙げることができる。離型剤としては、ステアリン酸エマルジョンを挙げることができ、消泡剤としては、ｎ−オクチルアルコール、オクチルフェノキシエタノール等を挙げることができ、解膠剤としては、ジエチルアミン、トリエチルアミン等を挙げることができる。

成形助剤の使用量は限定されないが、Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料を上記のように酸化物として換算したときの合計１００重量部に対して、いずれの成形助剤も固形物換算で、以下の範囲とするのが好ましい。

結合剤を０．２〜０．６重量部、離型剤を０．２〜０．７重量部、消泡剤を０．５〜１．５重量部、解膠剤を０．５〜１．５重量部配合する。

原料混合物の成形方法としては、例えば、プレス成形、シート成形、鋳込み成形、押し出し成形、射出成形、ＣＩＰ成形（冷間等方圧加圧成形）、ＨＩＰ成形（熱間等方圧加圧成形）、３次元成形等の公知の成形方法を採用することができる。

成形体の焼成手段としては、管状電気炉、箱型電気炉、トンネル炉、遠赤外線炉、毎コル波加熱炉、シャフト炉、反射炉、ロータリー炉、ローラーハース炉等の公知の焼成設備を使用することができる。焼成は回分式でもよく、連続式でもよい。また、静置式焼成でもよく、流動式焼成でもよい。

焼成時の雰囲気は、大気でもよく、真空中（１Ｐａ以下の真空度）でもよく、窒素雰囲気でもよく、還元雰囲気でもよく、不活性雰囲気（アルゴン、ネオン、ヘリウム等）でもよいが、大気中での焼成が好ましい。

焼成温度は、１０００〜１７５０℃であり、１２００〜１６００℃が好ましい。焼成時間に限定はなく、成形体の形状に応じて、十分に焼結が進行するまで焼成すればよく、通常は、上記温度範囲において１〜１０時間焼成すればよい。焼成の際の昇温速度および降温速度についても限定はなく、焼結体に亀裂が入らないような条件であればよい。

混合物中に含まれる水分、結合剤などの成形助剤を十分に除去するためには、急激に昇温することなく、徐々に昇温することが好ましい。また、上記焼成温度に加熱する前に、必要に応じて、７００〜１０００℃の温度範囲において１０〜３０時間かけて緩やかに昇温して仮焼結を行うことによって、チタン酸アルミニウム系焼結体が形成される際における亀裂発生の原因となる焼結体内における残留応力を抑制することができる。

チタン酸アルミニウム系セラミックスがＴｉＡｌ_２Ｏ_５を主原料とする場合、１５００〜２０００℃において、アルゴンまたは窒素雰囲気で焼結すると、ＴｉＡｌ_２Ｏ_５に含まれる酸素がそのチタン酸アルミニウム系セラミックスに含まれるＴｉＯ_２、Ａｌ_２ＯまたはＣＯ_２等と反応してＴｉＡｌ_２Ｏ_５が消失する場合がある。そこで、チタン酸アルミニウム系セラミックスがＴｉＡｌ_２Ｏ_５を主原料とする場合の焼成温度は、７００℃を超えないことが好ましい。

上記のようにして得られるチタン酸アルミニウム系焼結体は、化学式として、Ｔｉ−Ａｌ−Ｌｉ−Ｍｇ−Ｏ系またはＴｉ−Ａｌ−Ｌｉ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｏ系と表すことができる。本発明のチタン酸アルミニウム系焼結体は、Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料として天然物を含有することがある。従って、不可避的に不純物を含むことになる。それゆえ、本発明のチタン酸アルミニウム系焼結体を正確な化学式で表すことは困難である。なお、Ｔｉ含有材料として酸化チタンを用い、Ａｌ含有材料としてアルミナを用い、Ｌｉ含有材料としてペタライトを用い、Ｍｇ含有材料として酸化マグネシウムを用いた場合には、チタン酸アルミニウム系焼結体を、（Ａｌ_２Ｏ_３）ａ（ＴｉＯ_２）ｂ（ＭｇＯ）ｃ（Ｌｉ（ＡｌＳｉ_４Ｏ_１０））ｄで表すことができる。ここで、ａ、ｂ、ｃ、ｄの値はそれぞれの材料の使用量によって定められる。

本発明で使用するチタン酸アルミニウム系セラミックスは超耐熱性であり、超低膨張であるのが好ましく、チタン酸アルミニウム系セラミックスの溶解最高温度は２０００℃であり、−４０℃〜１３５０℃における線膨張係数は、−０．３×１０^−６／Ｋ〜−１×１０^−６／Ｋであることが好ましい。

《炭素繊維》
炭素繊維の種類は限定されない。ピッチ系炭素繊維またはＰＡＮ系炭素繊維が好ましい。炭素繊維は表面処理されているものであってもよく、表面処理されていないものであってもよい。炭素繊維の長さは限定されず、いわゆる長繊維でも短繊維でもよい。

《コールタール》
コールタールは、コークスを製造するときに、コークス炉で石炭を乾留して得られる副生成物の一種であり、ナフタレン（５〜１５％）、ベンゼン（０．３〜１％）、フェノール（０．５〜１．５％）、クレゾール、ベンゾピレン（１〜３％）、フェナントレン（３〜８％）、などが含まれており、本発明のディスクブレーキ用材料はこのコールタールを含有する。

《黒鉛》
黒鉛は、炭素からなる六方晶系の六角板状結晶であり、亀の甲状の層状物質で、層毎の面内は強い共有結合で炭素間がつながっているが、層と層のあいだ（面間）は弱いファンデルワールス力で結合している物質であり、本発明のディスクブレーキ用材料はこの黒鉛を含有する。

《高分子樹脂》
本発明に用いる高分子樹脂の種類は特に制限は無く、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のどちらでも用いることができる。好ましい実施形態では、熱硬化性樹脂であるか、または熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との混合物である。

熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビスマレイミド樹脂、トリアジン樹脂、ＢＴ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、等を用いることができる。

エポキシ樹脂には、好ましくは、ビスフェノールＡ（ＢＰＡ）ジグリシジルエーテル及びビスフェノールＦ（ＢＰＦ）ジグリシジルエーテルの少なくとも１種及びその誘導体；４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＴＧＤＤＭ）のテトラグリシジル誘導体；アミノフェノールのトリグリシジル誘導体、並びに当技術分野において周知の他のグリシジルエーテル及びグリシジルアミンが含まれる。

熱可塑性樹脂としては、例えば、以下があげられる。

ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、ポリエステル、重合性大環状分子（例えば、環状ブチレンテレフタレート）、液晶ポリマー、ポリイミド、ポリエーテルイミド、アラミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリウレタン、ポリ尿素、ポリアリールエーテル、ポリアリールスルフィド、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）及び変性ＰＰＯ、或はこれらの任意の組み合わせ。

上記樹脂は、単独で又は組み合わせて使用することができる。樹脂は炭素繊維に完全に含浸してもよいし、部分的に含浸してもよい。

本発明で使用する高分子樹脂は、該樹脂が熱硬化性樹脂である場合は、少なくとも１種の硬化剤および硬化促進剤を含むことができる。

適切な硬化剤としては、ジシアンジアミド、無水物、特にポリカルボン酸無水物、例えば、無水ナジン酸（ＮＡ）、メチル無水ナジン酸、無水フタル酸、テトラヒドロフタル酸無水物、ヘキサヒドロフタル酸無水物、メチルテトラヒドロフタル酸無水物、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物、エンドメチレンテトラヒドロフタル酸無水物、又はトリメリト酸無水物が挙げられる。

その他の適切な硬化剤には、１，３−ジアミノベンゼン、１，４−ジアミノベンゼン、４，４’−ジアミノジフェニルメタンなどの芳香族アミンを含むアミン、並びに、４，４’−ジアミノジフェニルスルホン（４，４’−ＤＤＳ）及び３，３’−ジアミノジフェニルスルホン（３，３’−ＤＤＳ）などのポリアミノスルホンがある。種々の市販の硬化剤を使用することができる。市販の好ましい硬化剤としては、ジシアンジアミドｊＥＲキュア、ＤＩＣＹ１５（ＪＥＲ（株）社製）、４，４’−ジアミノジフェニルスルホン（４，４’−ＤＤＳ）及び３，３’−ジアミノジフェニルスルホン（３，３’−ＤＤＳ）が挙げられる。

硬化剤が存在する場合は、高分子樹脂の６０重量％〜１重量％の範囲で存在することができる。より好ましくは、硬化剤は５０重量％〜２重量％の範囲で存在することができる。特に好ましくは、硬化剤は４０重量％〜３重量％の範囲で存在することができる。硬化剤は２種以上併用して使用することもできる。

本発明で使用する高分子樹脂は、硬化促進剤を含有することもできる。

適切な硬化促進剤としては、３-（３,４−ジクロロフェニル）-1,1−ジメチルウレア、Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ’−３，４−ジクロロフェニル尿素（ジウロン）、Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ’−３−クロロフェニル尿素（モニュロン）、及び好ましくはＮ，Ｎ−（４−メチル−ｍ−フェニレンビス［Ｎ’，Ｎ’−ジメチル尿素］（ＴＤＩウロン）が挙げられる。硬化促進剤が存在する場合は、高分子樹脂の１重量％〜５重量％の範囲で存在することができる。

高分子樹脂は、さらに性能増強剤又は変性剤などの成分を含むことができる。性能増強剤又は変性剤の例は、可撓性付与剤、強化剤／粒子、追加の促進剤、コアシェル型ゴム、難燃剤、湿潤剤、顔料／染料、難燃剤、可塑剤、ＵＶ吸収剤、抗菌化合物、充填剤、粘性調整剤／フロー制御剤、粘着性付与剤、安定剤、撥水剤、及び重合防止剤から選択することができる。

次に、実施例に基づき本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において、様々な変形や修正が可能である。

［実施例１］
酸化チタン（堺化学(株)製の商品名「Ａ−１１０」）４４重量部と、易焼結アルミナ（住友化学工業（株）製の商品名「ＡＥＳ−１１」）５６重量部と、福島長石４重量部と、解膠剤としてジエタノールアミン１．５重量部と、有機バインダーとしてポリビニルアルコール０．１重量部と、消泡剤としてポリプロピレングリコール０．５重量部と、適量の水とを混合して、スラリーを得た。このスラリーを乾燥してクリンカーを得た。このクリンカーをボールミルにて２４時間かけて粉砕し、篩目が８０〜１００μｍの篩を用いて分級し、平均粒径が９０μｍのチタン酸アルミニウム系粉末を得た。得られたチタン酸アルミニウム系粉末を大気中で最高温度１３７０℃で３時間保持して焼成した後、室温まで放冷してチタン酸アルミニウム系焼結クリンカーを得た。このクリンカーをボールミルにて２４時間かけて粉砕し、篩目が２０〜４０μｍの篩と篩目が５〜２０μｍの篩とを用いて分級し、平均粒径が３０μｍのチタン酸アルミニウム系焼結粉末と平均粒径が１０μｍのチタン酸アルミニウム系焼結粉末を得た。

上記のようにして得た平均粒径が３０μｍのチタン酸アルミニウム系焼結粉末６０重量部と、上記のようにして得た平均粒径が１０μｍのチタン酸アルミニウム系焼結粉末１８０重量部と、長さ６ｍｍのチョップドカーボンファイバー（ＰＡＮ系、三菱レイヨン(株)製の商品名「TR06AL」）４０重量部と、コールタール４０重量部と、黒鉛（伊藤黒鉛工業(株)製の商品名「Z-5F」）１５重量部と、エポキシ樹脂（新日鉄住金化学(株)製の商品名「エホ゜トートYD-128」）２３７重量部と、硬化剤（（株）Ｔ＆ＫＴＯＫＡ製の商品名「トーマイト゛TXE-415A」）６０重量部と、メタノール１００重量部とを混練して混練物を得、その混練物を１００ｍｍ×１００ｍｍの大きさの金型に投入して、１２０℃で乾燥硬化させて、実施例１の成形体を得た。

《高速摩擦試験》
本発明のディスクブレーキ用材料の耐摩耗性を調査するために、図１の模式図に示すような高速摩擦試験を行った。図１において、１はディスク、２、２はブロック試験片、３、３はロードセル、４は直流モータ、５は熱電対、６はスリップリングである。図２は、図１の高速摩擦試験で使用したディスクに対するブロック試験片の押し付け位置を示す図である。図２において、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系の低合金鋳鉄製のディスク１に対して、実施例１で得られた成形体から切り出したブロック試験片２、２と、現状の在来線で実際に使用されているブレーキライニングと同じ材質（RD501A）の比較例のブロック試験片２、２とを押付力１８４ｋｇｆ（面圧１ＭＰａ）で押し付けて、摩擦速度を７ｍ／秒、１４ｍ／秒、２１ｍ／秒の３水準とし、各摩擦速度において５回の試験を行った。摩擦試験開始時のディスク１の温度は６０℃以下であり、摩擦速度を上げる前に摺り合わせを行って、ブロック試験片２、２がディスク１に対して確実に当接するようにした。図２において、７はねじを示す。

なお、ディスク１の外径は２０６ｍｍ、内径は８５ｍｍ、厚みは２０ｍｍであり、ブロック試験片２は縦が３０ｍｍ、横が３０ｍｍの正方形状であり、厚みは１０．５ｍｍである。

その結果、以下の表１ないし表５に示す結果を得た（表１ないし５に記載の各数値は５回の平均値を示す）。表１は、ＪＩＳＤ４４１１−１９９３に準拠した摩擦係数を示し、表２はブロック試験片２の摩耗量（２個の平均値：ｇ）を示し、表３はディスク１の摩耗量（ｇ）を示し、表４はブロック試験片２に埋め込んだ熱電対で測定した試験中の最高温度（２個の平均値：℃）を示し、表５はディスク１に埋め込んだ熱電対で測定した試験中の最高温度（℃）を示す。

表２に示すように、本発明の実施例１のブロック試験片の摩耗量は、現状の在来線で実際に使用されているブレーキライニングと同じ材質（RD501A）の比較例のブロック試験片の摩耗量と比べて遜色ないレベルであり、摩擦速度１４ｍ／秒と２１ｍ／秒においては、本発明の実施例１のブロック試験片の摩耗量の方が比較例のブロック試験片の摩耗量よりも少なく、本発明のディスクブレーキ用材料の耐摩耗性が優れていることが分かる。

本発明は、各種回転走行装置のディスクブレーキ用材料として好適である。

１ディスク
２ブロック試験片
３ねじ

Claims

１５重量部以上１５０重量部以下の炭素繊維と、１５重量部以上１５０重量部以下のコールタールと、２重量部以上３０重量部以下の黒鉛と、８０重量部以上６００重量部以下のチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と、１００重量部の高分子樹脂とを含有するディスクブレーキ用材料。