JPH0571814B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明な、ブレーキ特性の優れたカーボンブレ
ーキに関するものである。 更に詳しくは、摺動面に対し炭素繊維が角度を
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に関するものであ
る。 従来、カーボンブレーキデイスクの成形は、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、厚さ方向から即ち摺動面側
から圧縮成形して作られていたため、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）、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ていて、
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。 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) 埋設されている炭素繊維が摺動面に対し角度
をもつて配向しているカーボンブレーキ。 (2) 埋設されている炭素繊維が摺動面に対し、該
炭素繊維自体又は素の繊維軸方向の延長線が一
方の摺動面から相対する他方の面まで延在する
ような角度をもつて配向していることを特徴と
する特許請求の範囲１記載のカーボンブレー
キ。 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の面
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
の方向を示したものである。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。 本発明における繊維の方向が摺動面に対し角度
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図イ及びロは、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。 本発明の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。 このような本発明によると、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、熱処理は主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、ポリイミド、エポキシ等の各樹脂
で、高粘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700〜200℃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
脂等の含浸を容易にする効果もある。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。 本発明の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、本発明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金型内に充満する。
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
マンドレルに円周方向（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
焼成後熱処理し、その後、緻密化し、又は、逆の
順序に行う。 切断は、初めの樹脂硬化後のいずれかの段階に
て行われる。しかし、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、緻密化すると、緻密化効果をより高
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。 切断を容易にするには、切断を緻密化工程の焼
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。 本発明のカーボンブレーキは、同時に多数製造
することができ、生産効率が高い。 以下、本発明を実施例で説明すると共に、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。該プリプレグを第２図に示す金型キヤビテ
イ（雌型中央部）に充填し、ホツトプレスにて
170℃、20Kgｆ／cm²、60分硬化させ、円筒状複合
材を得た。該複合材の両端各15mmを切削除去後、
輪切りにしてデイスク状の複合材を得た。 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
素質に変えてカーボン質複合材を得た（焼成工
程）。 該カーボン質複合材を緻密化処理するために、
減圧下200℃でピツチを含浸した後、窒素雰囲気
中1000℃で焼成した（緻密化工程）。この緻密化
工程を５回繰返した後、窒素雰囲気中200℃／hr
で2000℃に昇温して30分保持して（熱処理工程）、
密度1.65g／cm³、外径115mm、内径55mm、厚さ10mm
のカーボンブレーキ材を得た。 該ブレーキ材を摺動面（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、巻き角度60゜（マンドレルの軸
方向と60゜の角度）にて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500mm、外径115mm、内径55mmの円筒状複合材
を得た。 該複合材を実施例１と同じ方法で焼成後、両端
各50mmを切削除去して、厚さ10mmに輪切にした
後、実施例１と同じ方法で緻密化、熱処理を行
い、外径115mm、内径55mm、密度1.65g／cm³のカー
ボンデイスクを作成した。 実施例 ３ 東邦レーヨン(株)製炭素繊維紡績糸織物（８枚失
子、目付320g／m²）にフラン樹脂（ヒタフラン
VF−302、触媒0.5重量％含有）を400g／m²塗布
した後、70℃で20分プレキユアして織物プリプレ
グを得た。該プリプレグを外径55mmのマンドレル
に、巻き角度45゜（マンドレルの軸方向とプリプレ
グ繊維の角度が45゜）にて巻き付けた後、加熱硬
化して、長さ500mm、外径115mm、内径55mmの円筒
状複合材を得た。 該複合材を実施例１と同じ方法で焼成後、両端
各50mmを切削除去して、厚さ10mmに輪切りにした
後、実施例１と同じ方法で緻密化、熱処理を行
い、外径115mm、内径55mm、密度1.65g／cm³のカー
ボンデイスクを作成した。 比較例 １ 実施例１と同様に作成したチヨツプドストラン
ドプリプレグを第３図−１に示す金型に充填し、
通常の圧縮成形にて外径115mm、内径55mm、厚さ
60mmの円筒状複合材を得た。 該複合材を実施例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115
mm、内径55mm、厚さ10mmのカーボンブレーキ材を
得た。 該カーボンブレーキ材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 実施例３と同様に作成した炭素繊維紡績糸織物
プリプレグを外径115mm、内径55mmに必要枚数切
断し、第３図−２に示す金型に充填して、通常の
圧縮成形にて外径115mm、内径55mm、長さ60mmの
円筒状複合材を得た。該複合材を実施例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
ーボンブレーキ材を得た。 該カーボンブレーキ材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。 実施例及び比較例で製作したデイスク２個につ
いて、ダイナモメーターによる動摩擦試験を行つ
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、繊維方向を示す図、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図イ及びロ
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、５…摺動面、６…ブレーキ内周、７…ブレー
キ外周、８…切り欠き部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 埋設されている炭素繊維が摺動面に対し角度
   をもつて配向しているカーボンブレーキ。 ２ 埋設されている炭素繊維が摺動面に対し、該
   炭素繊維自体又は素の繊維軸方向の延長線が一方
   の摺動面から相対する他方の面まで延在するよう
   な角度をもつて配向していることを特徴とする特
   許請求の範囲１記載のカーボンブレーキ。