JPH055093A - 炭素繊維強化炭素質摩擦材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】 積層交絡させた炭素繊維の紐状のチョップの
間隙を炭素繊維の短繊維及びピッチ系結合材で埋めた積
層構造物である炭素繊維強化炭素質摩擦材料、並びに炭
素繊維の短繊維を含むピッチ系結合材で被覆した炭素繊
維の編紐もしくは撚紐のチョップを加圧成形し、得られ
た成形体を炭素化及び黒鉛化する炭素繊維強化炭素質摩
擦材料の製造方法。 【効果】 Ｃ／Ｃコンポジットの強化基材に炭素繊維か
らなる繊維密度の高い複数の紐状構造物を用い、更に炭
素繊維の短繊維で補充して３次元的な構造としたことに
よって、層方向が強化され耐剪断性が向上すると同時
に、機械的強度における異方性が縮小し耐摩擦・摩耗性
も大きく向上したので、高速下で安定した制動特性と高
い機械的強度の要求される摩擦部材として好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、航空機、鉄道車両、自
動車等の特に軽量かつ高速下で高い機械的強度及び良好
な制動特性が要求される炭素質摩擦材料及びその製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃコンポジ
ット）は熱硬化性もしくは熱可塑性樹脂等の炭素質マト
リックスを炭素繊維で補強した複合材料である。Ｃ／Ｃ
コンポジットは従来の炭素材料に比較して耐熱性、機械
的強度及び摩擦特性等に優れることから、特に航空機、
鉄道車両及び自動車等の制動部材として実用化が急がれ
ている。

【０００３】製造に際しては、一般に炭素繊維のトウ、
クロス、フェルト等の強化構造物とフェノール樹脂、フ
ラン樹脂等の熱硬化性樹脂またはピッチ類等のバインダ
ーを用い、加熱成形、プレス成形等で得られる成形体を
不活性雰囲気中で焼成した後、該樹脂またはピッチ類を
用いて含浸、焼成を繰り返すかまたは1000℃以上の高温
下で炭化水素を導入し、分解生成する炭素を炭素繊維表
面に沈着させる（ＣＶＤ法）等の緻密化処理を経てＣ／
Ｃコンポジットを得る方法が知られている。

【０００４】その中で摩擦材料として摺動面の耐剪断性
を強化する方法では、炭素繊維の織布、不織布またはそ
れらの積層物にニードルパンチを施して繊維層間を交絡
させることを特徴とする方法及び炭素繊維の織布と不織
布を交互に積層することによって不織布を構成する短繊
維の起毛が繊維層間の交絡を強化して耐剪断性を向上さ
せる方法がそれぞれ特開昭61−2930号公報、特開昭61−
2929号公報に開示されている。また、特開昭61-27325号
公報では炭素繊維の織布を切断した小片の積層物にフェ
ノール樹脂を含浸した後、成形、焼成して得たＣ／Ｃコ
ンポジットにＣＶＤ処理を施すかまたは予めＣＶＤ処理
を施した該織布の小片もしくはその積層物にフェノール
樹脂を含浸した後、常法により成形、焼成してＣ／Ｃコ
ンポジットを得る。即ち、織布の小片を用い、ＣＶＤ法
と組み合わせることによって耐剪断性及び耐酸化性を向
上させる方法が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、摩擦材
料とするＣ／Ｃコンポジットの強化材に炭素繊維の束、
織布、不織布等の構造物を用いることによって摺動面に
平行な１方向及び２方向は強化されるが、摺動面に垂直
な方向は強化されず、とくに剪断強度が極めて低く、強
度特性に異方性を有することが欠点である。

【０００６】即ち、炭素繊維の短繊維集合体であるフェ
ルト、マット等の不織布では繊維間の絡みを強化するた
めに、繊維を長くすると摺動面の垂直方向に対する配向
頻度が減少し、繊維を短くすると繊維間の交絡を弱くす
るのみならず座屈による折損が多くなって繊維層間の結
合力が低下する等いずれにおいても剪断強度の向上は極
めて少ない。またこのような集合体にニードルパンチを
施す方法は繊維の配向を強制し、繊維層間の交絡頻度を
増すことによってこれら欠点の改善を意図したものであ
るが、この方法では一般に、より高いニードリング密度
を達成すれば該繊維の配向頻度は見掛け上増加するが、
一般に折損等による繊維脱落のための繊維密度の低下及
び繊維長さの不均一化が著しく、所望の補強効果が発現
しない。織布小片の積層構造物では、ストランドの適度
なほつれや解繊が繊維層間の交絡に作用する均一な積層
が困難なため強度の発現にバラツキが多く、平均的レベ
ルは大きく向上しない。

【０００７】いずれにしても従来の方法では高密度化は
可能であるが、強度における異方性が解消されず、また
炭素繊維の容積含有比率が低いために摩耗量が多くなる
等安定した制動特性を有する摩擦材料は得られない。加
えてＣＶＤ法は生産性が低く、高密度化に多大の時間と
高度な技術を要する等から実用化に問題が多い。本発明
はかかる問題点を簡易な手段で解決し、制動性に優れた
摩擦材料ならびにその容易な製造方法を提供することを
目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明はＣ／Ｃコンポジ
ットのプリフォームを炭素繊維の紐状チョップ、炭素繊
維の短繊維及びピッチ系結合材で構成することによっ
て、前記問題点の解決を図るものである。即ち、本発明
は、積層交絡させた炭素繊維の編紐もしくは撚紐のチョ
ップの間隙を炭素繊維の短繊維及びピッチ系結合材で埋
めた積層構造物であることを特徴とする炭素繊維強化炭
素質摩擦材料であり、また、炭素繊維の短繊維を含むピ
ッチ系結合材で被覆した炭素繊維の編紐もしくは撚紐の
チョップを加圧成形し、得られた成形体を炭素化及び黒
鉛化することを特徴とする炭素繊維強化炭素質摩擦材料
の製造方法である。

【０００９】本発明におけるピッチ系結合材としては、
コールタールピッチ、コールタールピッチを熱改質した
もの、コールタールピッチを水添改質したもの等が用い
られる。

【００１０】

【作 用】本発明方法によるＣ／Ｃコンポジットは炭素
繊維の短繊維を含むピッチ系結合材で被覆した炭素繊維
の編紐もしくは撚紐のチョップを強化基材とする積層構
造物からなる。即ち、繊維密度の高い、望ましくは長さ
の異なる複数の紐状チョップを適度な比率で組合せか
つ、空隙部に該短繊維を充填してＣ／Ｃコンポジットに
占める繊維の容積比率を高めることによって、繊維層間
の交絡を強化したもので、耐摩耗性及び耐剪断性を容易
に向上させることができる。

【００１１】以下に詳細を述べる。編紐もしくは撚紐と
する炭素繊維ストランドのフィラメント数には特に制限
はないが、１Ｋ（フィラメント数1000本）以下では作業
性が著しく低下し、12Ｋ以上では該紐状チョップへの結
合材の浸透が不充分になるおそれがある。ピッチ系結合
材に分散させる短繊維は１〜12mmの範囲が好ましく、１
mm未満では空隙部に浸透し易く密度を高める上で効果的
であるが、繊維層間の交絡が弱く結合力が強化されな
い。12mm超では結合材との混合に際し、結合材の粘性を
高めて均一な分散を妨げるため好ましくない。

【００１２】紐状チョップは短繊維が均一に分散した結
合材であるピッチ浴中を通して被覆された紐状構造物を
用いることが望ましい。紐状チョップの長さは、異なる
ものを組合せて用いることが望ましい。例えば２種の長
さのものを用いる場合、１つは５〜100 mmの範囲で切断
したもの、好ましくは10〜100 mm、さらに好ましくは30
〜60mmである。これを（ａ）とする。また他の１つの
（ｂ）は長さ１〜30mm、好ましくは５〜20mmの範囲で切
断したものであり、（ａ）、（ｂ）それぞれの混合比は
９対１ないし６対４、好ましくは８対２ないし６対４で
ある。

【００１３】該紐状チョップ（ａ）の長さ５mm未満では
摺動面に平行な面方向における繊維層間の交絡頻度が少
なくなって曲げ強度が低下し、 100mm超では均一な積層
が困難なため粗大なボイドを残し易く、繊維密度のバラ
ツキを拡大する。また、該紐状チョップ（ｂ）の長さ１
mm未満では摺動面に垂直な層方向における繊維層間の交
絡を弱くし、30mm超では補強効果が面方向にシフトして
強度における異方性を強くし好ましくない。また、該紐
状チョップ（ａ）の混合比が６未満ではＣ／Ｃコンポジ
ットの面方向が弱くなって曲げ強度が低下する。（ｂ）
の混合比が１未満では層方向が強化されないため剪断強
度が低下して異方性を強くし、強度特性における平均的
レベルの向上は達しえない。

【００１４】短繊維の添加量はＣ／Ｃコンポジットに占
める全繊維の容積含有比率に対して５ないしは30％の範
囲が好ましく、さらに好ましくは15ないしは20％であ
る。即ち、添加量５％未満では補強効果が小さく、また
30％超では結合材の粘性を高めて均一な分散を困難に
し、所望するＣ／Ｃコンポジットが得られない。即ち、
炭素繊維の短繊維を含むピッチ系結合材で被覆した該紐
状チョップ（ａ）及び（ｂ）を適度な比率で混合したの
ち、モールドに充填し加熱・加圧成形することによって
結合材が均一に浸透した成形体を得る。成形圧力は結合
材の性状に応じて適宜選択することが好ましいが、0.1
ないしは10kg／cm² の範囲で特に問題はない。次いで、
成形体を酸化性雰囲気中で不融化したのち、不活性雰囲
気中で焼成して炭素化及び黒鉛化し一次焼成体を得る。
更に、必要に応じて該ピッチ系結合材を用いて含浸・焼
成を適宜繰り返して緻密化する。

【００１５】かようにして得られた高密度の焼成体で
は、面方向に分散した該紐状チョップ（ａ）の先端が適
度に開繊して繊維層間の交絡を強化し、該紐状チョップ
（ｂ）は層方向に分散して開繊し、面方向に配向した繊
維層間の交絡を強化する等によって曲げ強度の低下を少
なくし、剪断強度を著しく向上させる。また、短繊維が
空隙部に充填されることによって積層構造物に占める炭
素繊維の容積含有比率を高め耐摩耗性を向上させる。更
に、該短繊維の任意な分散は熱応力の解放に寄与し、耐
熱衝撃性を向上させる。よって、本発明によって機械的
強度が高くかつ、強度レベルが平均化した摩擦材として
好適な炭素材料を容易に得ることができる。

【００１６】次いで実施例に基づいて本発明をより詳細
に説明する。

【００１７】

【実施例】

実施例１ 炭素繊維の編紐（市販品、ＰＡＮ系高強度タイプ、６
Ｋ）を、炭素繊維の短繊維（長さ５mm）をＣ／Ｃコンポ
ジットに占める全繊維容積の20％相当量を均一に分散さ
せた等方性コールタールピッチ（軟化点 205℃、残炭率
65％）の浴中を通過させて該短繊維を含むピッチ結合材
で被覆した後、これを切断し長さ50mmのチョップ（ａ）
及び長さ10mmのチョップ（ｂ）とし、これを９対１の割
合で混合してモールドに充填し、耐熱フィルム等で覆っ
た後オートクレーブに移し、バッグ内の脱気に引き続き
３℃／min の昇温速度で加熱し 260℃に到達と同時に２
kg／cm² で加圧し30分間ホールドして成形した。

【００１８】次いで、この成形体を空気中 290℃で１hr
ホールドし結合材を不融化した後、不活性雰囲気中９kg
／cm² の加圧のもと1000℃で１hr処理して炭素化し、引
続き４kg／cm² の加圧のもと2000℃で１hr処理して黒鉛
化した。この一次焼成体に石炭ピッチ（残炭率30％）の
含浸・焼成を数回繰り返して緻密化した。これのサイズ
は 300× 300×25^(t) mmであった。

【００１９】得られたＣ／Ｃコンポジットの特性は表１
のとおりであった。

【００２０】

【表１】

【００２１】実施例２ 編紐のチョップ（ａ）、（ｂ）の混合比を６対４とした
以外は実施例１と同様に処理した。得られたＣ／Ｃコン
ポジットの特性は表２のとおりであった。

【００２２】

【表２】

【００２３】比較例１ 炭素繊維織布にフェノール樹脂を含浸した市販のプリプ
レグ（ＰＡＮ系、高強度タイプ）をＣ／Ｃコンポジット
の全繊維容積含有率60％に相当する枚数を積層し、温度
90℃、加圧２kg／cm² のもとで予備処理を施したのち、
温度 150℃、加圧１kg／cm² のもとで成形し、織布の平
面積層のみからなる樹脂系の成形体とした以外は実施例
１と同様に処理した。

【００２４】得られたＣ／Ｃコンポジットの特性は表３
のとおりであった。

【００２５】

【表３】

【００２６】比較例２ 比較例１で用いた市販の織布プリプレグの層間に炭素質
フィラーとして、長さ５mmの炭素繊維の短繊維20％（Ｃ
／Ｃコンポジットの全繊維容積含有率60％に対して）を
均一に散布した以外は比較例と同様に処理した。得られ
たＣ／Ｃコンポジットの特性は表４のとおりであった。

【００２７】

【表４】

【００２８】なお剪断強度、曲げ強度及び摩耗量の試験
は、各々JIS K 7075、JIS K 7074に準じて行った。摩耗
量の試験は、押付力 80kgf、周速 22.3m/s、慣性モーメ
ント0.04kgf/sec²の条件で行った。以上の結果に示され
たように、本発明方法による摩擦材料は面方向における
強度を損なうことなくして層方向における強度を向上さ
せ、かつ摩耗量を少なくできることがわかる。

【００２９】

【発明の効果】Ｃ／Ｃコンポジットの強化基材に、炭素
繊維からなり、かつ繊維密度の高い複数の紐状構造物を
用い、更に炭素繊維の短繊維で補充して従来の２次元的
な積層構造を３次元的な構造としたことによって、層方
向が強化され耐剪断性が著しく向上すると同時に、機械
的強度における異方性が極度に縮小し、耐摩擦・摩耗性
も大きく向上した。それ故、高速下で安定した制動特性
とより高い機械的強度が要求される摩擦材料として好適
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 積層交絡させた炭素繊維の編紐もしくは
   撚紐のチョップの間隙を炭素繊維の短繊維及びピッチ系
   結合材で埋めた積層構造物であることを特徴とする炭素
   繊維強化炭素質摩擦材料。 【請求項２】 炭素繊維の短繊維を含むピッチ系結合材
   で被覆した炭素繊維の編紐もしくは撚紐のチョップを加
   圧成形し、得られた成形体を炭素化及び黒鉛化すること
   を特徴とする炭素繊維強化炭素質摩擦材料の製造方法。