JPH0378498B2

JPH0378498B2 -

Info

Publication number: JPH0378498B2
Application number: JP58115399A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kosuda; Kenji Niijima
Original assignee: Toho Rayon Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 1983-06-27
Filing date: 1983-06-27
Publication date: 1991-12-13
Also published as: JPS608536A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、ブレーキ特性の優れたカーボンブレ
ーキの製造法に関するものである。更に詳しくは、摺動面に対して炭素繊維が角度
をもつて配向しているカーボンブレーキデイスク
あるいはカーボンブレーキパツドの製造法に関す
るものである。従来、カーボンブレーキデイスクは、成形時厚
さ方向即ち摺動面側から圧縮成形して作つていた
ため、強化炭素繊維の大部分は摺動面にほぼ平行
になつていた。このため、摩擦係数が低く、ま
た、ブレーキ作動中に繊維の脱落が生じ、ブレー
キ挙動が不安定になるなどの問題があつた。これを改善するため、比較的長い繊維と短い繊
維とを用い、短い繊維（５mm以下）をランダムに
配向させる試みがなされている（特開昭58−
30537号公報）。しかし、この技術においては、ブ
レーキデイスクの摩擦面とほぼ平行な複数の面内
にランダムに配向されて繊維が分布され、支配的
要素となる長い繊維が摺動面に対し平行であるた
め、十分改善の実を挙げるに至つていない。また、従来のカーボンブレーキデイスクあるい
はカーボンブレーキパツドの製造法においては、
ブレーキデイスクの形状及び寸法をほぼ備えた成
形型中に素材を収納し、個々のブレーキデイスク
を成形するという方法が採用されていた。しかし、このような方法においては、生産効率
が低いという問題があつた。本発明者等は、このような問題について鋭意検
討の結果、大部分の繊維を摺動面に対し角度をも
つて配向させることによつて、これらの問題を改
善しうることを見出した。本発明は、下記のとおりである。 (1) 炭素繊維を強化材とする円筒状複合材であつ
て、該繊維が円筒の軸と直角な面を横切るよう
に配向している炭素繊維強化熱硬化性樹脂複合
材を円筒の軸と直角な方向へ切断し、且つ、該
切断の前又は後に不活性雰囲気中での焼成と緻
密化とを行うことを特徴とするカーボンブレー
キの製造法。 (2) 焼成及び緻密化した後熱処理することを特徴
とする特許請求の範囲１の製造法。本発明において、摺動面に対する繊維の角度と
は、繊維の実質的直線方向を示すものであり、繊
維の部分的且つミクロ的単位長さでの角度を示す
ものではない。好ましくは、繊維又はその繊維方
向の延長線が一方の摺動面から相対する他方を面
にまで延在するような角度で配向していることで
ある。繊維の方向を図面にて説明する。第１図イ〜ハは繊維とその方向を示し、１は繊
維、２は繊維の方向を示す。第１図イは強化材が織物である場合の繊維とそ
の方向を示す。織物に使用されている繊維はサイ
ン曲線的であるが、全体としての繊維の方向は直
線で結ぶことができる。この直線で表わされる方
向を繊維の方向とする。第１図ロ及びハは、繊維
が規則的でない場合の繊維とその方向を示したも
のである。繊維の方向が摺動面に対角度をもつて配向して
いるとは、別言すれば、成形時摺動面の方向から
加圧され、その結果、繊維が加圧方向に対し実質
的に直角方向に配向している如き場合を除外する
意味である。第４図は、カーボンブレーキの斜視図を示した
ものである。このようなブレーキは、カーボンブ
レーキの一般的な形状である。第４図において、５は摺動面（摩擦面）、６は
ブレーキの内周、７はブレーキの外周を示す。矢
印はブレーキの摺動方向を示している。本発明により得られるカーボンブレーキにおい
ては、炭素繊維が、摺動面（摩擦面）５に対し、
角度をもつて配向している。本発明により得られるカーボンブレーキは、摺
動面に対し炭素繊維が角度をもつて配向している
ために、ブレーキ作動時において、摩擦係数が高
く、摩耗量が少なく、繊維の脱落が生じることが
ほとんどなく安定したブレーキ作動特性を示す。本発明の製造法において、カーボンブレーキ
は、炭素繊維強化複合材料の円筒状成形体を切
断、焼成、緻密化、場合により熱処理などを行つ
て製造される。焼成は有機物を炭化させるために
行われ、緻密化は組織を緻密にするために行わ
れ、これは含浸と焼成の工程からなり、熱処理は
種に材料の耐熱酸化性を向上させるために行われ
るものである。本発明に使用される炭素繊維は、レーヨン、ポ
リアクリロニトリル、ピツチ等を主成分とするプ
レカーサーを不活性雰囲気中800〜2000℃で炭化
した炭素質繊維、あるいは、2000℃以上の温度で
黒鉛化した黒鉛質繊維である。成形硬化に使用する熱硬化性樹脂は、フラン、
フエノール、ボリイミド、エポキシ等の各樹脂
で、高年度あるいは固体である場合は適当な溶媒
に溶かすか、加熱し溶融するかして用いる。また、緻密化するために、該複合材をフラン、
フエノール等の各樹脂あるいはコールタールピツ
チ等に含浸し、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気
中で焼成する。この緻密化は、複合材を窒素、水素、アルゴン
等の非酸化性雰囲気中で700〜2000℃に加熱し、
メタン、エタン、ベンゼン等の炭化水素ガスを導
入して行うことも可能である（ケミカル・ベーパ
ー・デイポジシヨン）。更に、炭素の配列構造を変え、耐熱酸化性を向
上させるために、通常、熱処理が行われる。この
熱処理は、不活性ガス雰囲気中2000〜3000℃の温
度にて処理することによつて行われる。この熱処
理は、耐熱酸化性を向上するほか、緻密化時の樹
脂等の含浸にする効果もある。必要によつては、
所定の特性が得られるまで、緻密化及び熱処理を
繰返す。本発明により得られるカーボンブレーキは、航
空機、鉄道車両、自動車、オートバイ用に有用
で、特に航空機用マルチタイプデイスクブレーキ
に有用である。次に、カーボンブレーキデイスクの製造法を説
明する。 (1) 流動成形法繊維長５〜40mmの炭素繊維と熱硬化性樹脂
（例えば、フエノール、フラン、エポキシ、ポ
リイミドの各樹脂など）との混合物を円筒状軸
方向（長さ方向）に流動させて、繊維を流動方
向に配向させた後、樹脂を硬化させて円筒状成
形物とする。この流動成形法を図面によつて説
明する。第２図−１は、流動成形法に用いられる金型
の断面図を示したものである。第２図−１において、３は雄型、４は雌型を
示す。雌型４の底部には、炭素繊維Ｆと樹脂Ｒ
の混合物が収納される。炭素繊維Ｆと樹脂Ｒの混合物は、雌型に雄型
を圧入することによつて流動し型内に充満す
る。この状態を模式的に示すと第２図−２のと
おりである。かかる結果、炭素繊維は円筒の軸
方向に流動して配向した円筒状成形物を得るこ
とができる。次に、該成形物を円筒の軸方向と
直角方向（半径方向）に切断、即ち輪切りにす
ることによつてデイスク状成形物を得る。次い
で、該デイスク状成形物を不活性雰囲気中にて
徐々に昇温し800〜1500℃まで加熱焼成するこ
とによつてマトリツクス樹脂を炭素質に変え
る。成形物の形状及び工程上の操作性等によつ
ては、円筒状成形物を不活性雰囲気中で焼成し
た後に、いわゆる輪切りに切断してデイスク状
カーボン材にしてもよい。次に、該カーボン材にピツチ又はフラン樹脂
等の液状有機物を含浸後、不活性雰囲気で焼成
することによつて緻密化を行う。この緻密化
は、該カーボン材を高温不活性雰囲気中に保持
して導入炭化水素ガスを熱分解して炭素を蒸着
させる前記ケミカル・ベーパー・デイポジシヨ
ン法によつて行つてもよい。 (2) フイラメントワインデイング法フエノール樹脂あるいはフラン樹脂等の熱硬
化性樹脂を含浸した炭素繊維フイラメントを所
定のマンドレルに円筒方向（マンドレルの軸方
向と直角方向）に角度をもつて捲き付ける方法
によつて円筒状成形物を得た後、不活性雰囲気
中での焼成、デイスク状に切断加工、緻密化及
び熱処理を行つて、本発明のカーボンブレーキ
を得る。炭素繊維フイラメントの代わりに、炭素繊維
織物等のテープを用いてもよい。 (3) クロスローリング法熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維フイラメン
トクロスあるいは炭素繊維スパンヤーンクロス
を所定のマンドレルに捲回積層し硬化して、円
筒状成形物を得た後、切断加工、焼成、緻密
化、熱処理等を行う。本発明カーボンブレーキの製造における焼成
（炭化）、緻密化、熱処理、切断等の工程は、順序
が特に固定されない。また、緻密化及び熱処理は
繰返し行われることが好ましい。更に、緻密化と
熱処理は、いずれを先に行つてもよい。即ち焼成
後処理し、その後、緻密化し、又は、順序を逆に
行う。切断は、成形された円筒状成形物を、いわゆる
輪切りにする方向で初めの樹脂硬化後の何れかの
段階にて行われる。切断を、緻密化前に行うと、
材料が脆いため、加工し難い。従つて、切断は、
何回かの緻密化、熱処理の段階で行うのがよい。
切断後、緻密化することは、緻密化硬化をより高
めることができる。これは、切断によつて表面積
が一層大きくなるからである。切断を用意にするには、切断を焼成前に行う。
これは、炭化してない樹脂等が粘結剤として作用
し脆弱な炭素材料の損傷を防ぐからである。本発明方法によると、同時に多数のカーボンブ
レーキを製造することができ、生産効率を高める
ことができる。以上の如く、本発明にり得られるカーボンブレ
ーキの場合、炭素繊維が摺動面とほぼ平行してい
る状態のカーボンブレーキと比較して、周方向あ
るいは半径方向の強度がやや低下する傾向がある
が、通常の使用条件では強度に問題はない。苛酷
な使用条件下で高い強度が要求される場合には、
下記の後如く外周又は／及び内周に一方向炭素繊
維又は炭素繊維物を旋回積層して補強することが
ある。この補強は、デイスクブレーキ等の外周あ
るいは内周の固定用の切欠き部に特に有効であ
る。この切返き部を補強する場合には、該複合剤
を所定形状により若干小さめに切削加工した後、
炭素繊維を旋回積層し所定の形状を得る。埋設し
ている炭素繊維が摺動面に角度をもつて配向して
いる複合剤の外周あるいは内周では外周と内周に
一方向炭素繊維あるいは炭素繊維織物を旋回す
る。この旋回は、該複合剤の硬化前、硬化後、焼
成後、緻密化後あるいは熱処理後のいずれの段階
で行つてもよい。流動成形法の場合には、使用する雌型のキヤビ
テイ外周部あるいは雄型外周部に熱硬化性樹脂を
含浸した炭素繊維を旋回積層した後に、前記流動
成形法で成形可能である。また、マンドレルを使用する製造法は、マンド
レルにあらかじめ熱硬化性樹脂を含浸した一方向
炭素繊維あるいは炭素繊維織物をその周方向に旋
回積層した後、前記フイラメントワインデイング
法又はクロスローリング法で成形する。前記いずれかの方法で、成形した後、切断後、
焼成後、緻密化後、熱処理後のいずれかの段階で
熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維を旋回積層さ
せ、硬化及び焼成等を行う。以下、本発明を実施
例で説明するとともに比較例を示す。実施例１レゾール型フエノール樹脂を含浸した炭素繊維
フイラメント束〔樹脂含有量32重量％〕を20mmに
切断してチヨツプドストランドプリプレグを作成
した。このプリプレグを第２図−１に示す金型の雌型
中央部に充填し、雄型を圧入するとによつて流動
し、型内に充満させ、ツトプレスにて170℃、20
Kg／cm²、60分硬化させ、円筒状複合材を作製し
た。この複合剤の上端及び15mmを切削除去後、厚
さ10mmに輪切りにし、外径115mm、内径55mm、厚
さ10mmのデイスク状複合材を作製した。該複合材
を窒素雰囲気中２℃／minで1000℃まで昇温して
30分保持し、有機質マトリツクスを炭素質に変え
た（焼成工程）。このカーボン剤を緻密化するた
めに、減圧下200℃でピツチを含浸した後、焼成
を行つた。この浸含、焼成工程を５回繰返した
後、窒素雰囲気中200℃／hrで2000℃に昇温し、
30分間保持して熱処理を行い、密度1.65ｇ／cm³、
外径115mm、内径55mm、厚さ10mmのカーボブレー
キを作製した。該カーボンブレーキ摺動面（デイスク面）と直
角に切断して、その断面の繊維配向を観察したと
ころ、大部分の繊維が摺動面にほぼ直角に配向し
ていた。実施例２レゾール型フエノール樹脂を含浸した炭素繊維
フイラメント束（樹脂含有量35重量％）を外径55
mmのマンドレルにマンドレルの軸方向と60°の角
度をなすようにフイラメントワインデイング
（FW）した後、170℃で２時間硬化を行い、長さ
約500mm、外径115mm、内径55mmの円筒状複合材を
作製した。該複合材を実施例１と同じ方法で焼成工程に付
した。次いで、両端部50mmを切削除去し、厚さ10
mmに輪切りにし、外径115mm、内径55mm、に加工
した後、実施例１と同様の方法で緻密化及び熱処
理を行い、密度1.65ｇ／cm³のカーボンデイスクを
作製した。実施例３東邦レーヨン(株)製炭素繊維スパンヤーン織物
（８枚株子320ｇ／m²）にフラン樹脂（ヒタフラン
VF−302、触媒0.5重量％含有）を40ｇ／m²塗布
して70℃で30分プレキユアした後、外径55mmのマ
ンドレルにVf（繊維体積含有率）が35％になるよ
うに外径115mmまで旋回積層して150℃２時間加熱
硬化した。この積載物を実施例２と同様に焼成、
切削、緻密化及び熱処理を行ない、密度1.60ｇ／
cm³のカーボンデイスクを作製した。実施例４（応用例）実施例１において硬化後輪切りした、外径115
mm、内径55mm、厚さ10mmのデイスク状複合材の外
周及び内周に、レゾール型フエノール樹脂を含浸
した炭素繊維一方向プリプレグを周方向に厚さ１
mmに旋回積層した後、実施例１と同様に焼成、緻
密化、熱処理を行い、外径117mm、内径53mm、厚
さ10mmのカーボンデイスクを得た。比較例１実施例１と同様に作製したチヨツプドラストラ
ンドプリプレグを第３図に示すような金型を用い
て通常の圧縮成形にて外径115mm、内径55mm、厚
さ60mmの円筒状複合材を作製した。この複合材を
実施例１と同様に切削加工、焼成、緻密化、熱処
理を行い、密度1.65ｇ／cm³、外径115mm、内径55
mm、厚さ10mmのカーボンブレーキを作製した。該カーボンブレーキを摺動面と直角に切断し
て、その断面の繊維配向を観察したところ、全て
の繊維が摺動面にほぼ平行に配向していた。比較例２東邦レーヨン(株)製炭素繊維スパンヤーン織物を
用いて実施例１と同様にプリプレグを作製し、外
径110mm、内径55mmに切抜いて第３図に示す金型
にて、比較例１と同様に円筒状複合材を作製し
た。この複合材を実施例１と同様に切削加工、焼
成、緻密化、熱処理を行い、密度1.65ｇ／cm³、外
径115mm、内径55mm、厚さ10mmのカーボンブレー
キを作製した。該カーボンブレーキを摺動面と直角に切断し
て、その断面の繊維配向を観察したところ、全て
の繊維が摺動面にほぼ平行に配向していた。各実施例及び比較例で作製したデイスク２個に
ついてダイナメーター動摩擦試験を行つた。その
結果を下表に示す。実施例においては試験回数による摩擦係数及び
磨耗量の変動は少ないが、比較例においては大き
な変動が認められた。【表】

【図面の簡単な説明】

第１図イ，ロ，ハは、繊維方向を示したもので
ある。第２図−１は、流動成形金型の断面概略図
を示したものである。第２図−２は、圧縮時第２
図−１の流動成形金型内での繊維の流動状態を模
式的に示したものである。第３図−１は、単純圧
縮成形の金型の断面概略図を示したものである。
第３図−２は圧縮時第３図−１の金型内での繊維
の流動状態を模式的に示したものである。第４図
は、ブレーキパツドの一般的形状の斜視図を示し
たものである。１：繊維、２：繊維の方向、３：雄型、４：雌
型。

Claims

【特許請求の範囲】１炭素繊維を強化材とする円筒状複合材であつ
て、該繊維が円筒の軸と直角な面を横切るように
配向している炭素繊維強化熱硬化性樹脂複合材を
円筒の軸と直角な方向へ切断し、且つ、該切断の
前又は後に不活性雰囲気中での焼成と緻密化とを
行うことを特徴とするカーボンブレーキの製造
法。２焼成及び緻密化した後熱処理することを特徴
とする特許請求の範囲１の製造法。