JPH06114835A - 炭素繊維強化炭素複合材とその製造方法及びそれを用いた摺動材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各種用途・要求に応じた機械特性及び摩擦係
数を有する炭素繊維強化炭素複合材を容易に得る方法を
提供する。 【構成】 複数枚の単繊維からなる短繊維状の炭素繊維
束を解繊し、繊維が２次元ランダムに配向したシートを
作製し、樹脂又はピッチを含浸後、積層して成形した後
に、焼成、緻密化処理して炭素繊維強化炭素複合材を製
造するに当たって、該複合材の内容部と表層部の炭素繊
維束の解繊度合を異ならせることにより、所望の摩擦及
び機械特性を得ることを特徴とする炭素繊維強化炭素複
合材の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、摩擦特性及び機械特性
を制御できる炭素繊維強化炭素複合材（以下、Ｃ／Ｃ複
合材という）とその製造方法、及びそれを用いた摺動材
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、航空機や車両用のブレーキや車両
のクラッチ等の摺動材には金属製のディスクロータ等が
使用されてきた。しかし近年、車両等の軽量化ならびに
耐熱性等の特性向上の目的から、Ｃ／Ｃ複合材がブレー
キのディスクロータ等の摺動材に用いられてきている。

【０００３】一般にＣ／Ｃ複合材はＰＡＮ系、ピッチ
系、或いはレーヨン系などの長短炭素繊維にフェノール
樹脂、フラン樹脂などの熱硬化性樹脂或いはピッチ類な
どの熱可塑性樹脂等を含浸、又は混合して加熱成形した
ものを非酸化性雰囲気において焼成し、更に緻密化、黒
鉛化処理することにより製造されている。摩擦係数を制
御する方法としては、例えば特公昭６０−５４２７０号
公報に見られるように、コールタールまたはコールター
ルおよび／もしくはピッチとフラン樹脂とを含浸させて
制御する方法、又、特公平１−５９４５９号公報に見ら
れるように比較的長い繊維（４〜６ｃｍ）と短い繊維
（０．０１５〜０．３ｃｍ）をランダムに配向させる方
法、更に、特公平３−７８４９８号公報に見られるよう
に円筒の軸と直角な面を横切るように炭素繊維が配向し
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、焼成、緻密化し、摺動面に対して炭
素繊維が角度をもって配向させる方法が知られている。

【０００４】また機械強度を制御する方法としては、例
えば特開昭６２−２６６２３９号公報に見られるよう
に、表面の摺動部のみ摩擦特性に優れた短繊維強化型の
Ｃ／Ｃ複合材を用い、中央部には短繊維強化型のＣ／Ｃ
複合材の機械強度を補う為に、２次元織物所謂織布を強
化材を用いたＣ／Ｃ複合材とする方法が知られており、
さらにＥＰ０４５９９１６Ａ１号公報に見られるよう
に、表面の摺動層は短繊維状の炭素繊維をランダムに分
布させたセグメントからなり５０μｍ以下の平均気孔径
を有する“微細”組織とし、内部の構造層は短繊維状の
炭素繊維のメッシュからなり、１００μｍ以上の平均気
孔径を有する“荒い”組織とするものが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
公昭６０−５４２７０号公報に記載の方法ではマトリッ
クスのみに注目して本質的な炭素繊維の配向性について
は言及されておらず、又特公平１−５９４５９号公報に
記載の方法では、２種類の異なった炭素繊維を混合しな
くてはならず、且つ炭素繊維長の具体的な効果も示され
ていなかった。さらに特公平３−７８４９８号公報に記
載の方法では、円筒の軸と直角な面を横切るように炭素
繊維が配向したディスクを輪切りにして製造せねばなら
ず、工程が複雑となる問題があった。又、上記の方法で
は摩擦係数の制御という観点からは具体的な記載もな
く、単に一般的傾向を示しているだけであった。一方、
機械強度の制御に関する特開昭６２−２６６２３９号公
報に記載の方法では織布を中央部の構造材としているた
めに高価であり、かつ単に補強するということで、強度
のバランス設計という点では考慮されていなかった。ま
たＥＰ０４５９９１６Ａ１号公報に記載の方法では、摩
耗量と強度補強という点についてのみ言及している。従
ってこれらの公報において摩擦係数の制御および強度バ
ランス設計という点に関して、何ら言及されていなかっ
た。

【０００６】そこで本発明では、これまでに知られてい
る上記の方法より簡便で且つ摩擦係数及び機械特性を制
御できるＣ／Ｃ複合材とその製造方法を提供し、Ｃ／Ｃ
複合材の摺動材としての用途を拡大することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者等は、上記の課題
を解決するために検討を繰り返した結果、短繊維状の炭
素繊維束を解繊して繊維が２次元ランダムに配向したシ
ートを作製するに当たって、炭素繊維束の解繊度合を変
化させると、機械特性及び摩擦係数が変化し、例えば摩
擦係数であれば高解繊の場合はＣ／Ｃ複合材の摩擦係数
が低くなり、低解繊の場合は逆に高くなることを見い出
し、更に機械特性に関しては、一般に圧縮強度は高解繊
程強度が高くなり、引張強度・曲げ強度・衝撃強度に関
しては、低解繊程強度が高くなることを見い出し、本発
明を完成するに至った。

【０００８】即ち、本発明は予め炭素繊維束の解繊度合
と摩擦係数及び機械特性との相関式を求めておき、所望
の摩擦係数及び機械特性に応じて該相関式を用いて作製
すべき炭素繊維束の解繊度合を決定し、それに従った解
繊度合の炭素繊維シートを作製する。更に所望の摩擦係
数及び機械特性が得られるように積層、成形、緻密化す
ることにより、所望の摩擦係数及び機械特性を有するＣ
／Ｃ複合材が製造できる方法、並びに該製造方法で製造
されたＣ／Ｃ複合材を用いた摺動材に関する。

【０００９】以下、本発明の詳細を説明する。本発明で
最も重要なことは、予め炭素繊維束の解繊度合と各種機
械的強度の相関式を求めることである。通常、解繊度合
と摩擦係数及び各種機械的強度の相関は一次式で求め
る。以下摩擦係数を例にとって説明する。解繊度合と摩
擦係数の相関は具体的には下記式−１のように示され
る。

【００１０】

【数１】解繊度合＝Ａ−Ｂ×摩擦係数 ・・・ 式−１ その際、式−１の係数Ａ及びＢを求めることになるが、
係数Ａ、Ｂの値は解繊度合の評価方法によっても変化す
るし、また、使用する炭素繊維や樹脂などの原料の種類
或いは解繊度合以外の製造条件を変更することによって
も変化する。従って係数Ａ、Ｂを求めるに当たっては、
以上の因子は特定条件に固定し、解繊度合のみを最低２
種好ましくは３種以上に変化させたＣ／Ｃ複合材を予め
製造し、その摩擦係数を測定し解繊度合と摩擦係数の相
関関係を調べておかなければならない。

【００１１】本発明で用いる炭素繊維としては、ピッチ
系、ＰＡＮ系或いはレーヨン系炭素繊維等のいずれのも
のも使用できる。尚、炭素繊維束に集束剤が付着してい
ると、繊維束が解繊され難くなるため、解繊度合を低く
する場合には好ましいが、逆に解繊度合を高くする場合
は好ましくない。炭素繊維の形態としては通常２０００
〜８０００本の短繊維の束からなるトウ、ストランド、
ロービング、ヤーン等であり、これらをカッティングす
ることによって得られる短繊維状のものを用いる。本発
明においては、通常０．３〜１００ｍｍ、好ましくは５
〜５０ｍｍ程度の短繊維束を使用する。

【００１２】次にこれらの炭素繊維束を解繊し、２次元
ランダムのシートを作製する。その際、必要に応じてＳ
ｉＣ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、カーボンブラックなどの無機繊維、
無機物などを添加してもよい。炭素繊維束の解繊度合
は、目標とする摩擦係数から、予め求めておいた式−１
を用いて決定する。従って炭素繊維束を解繊する方法と
しては、解繊度合を広範囲で制御できる方法であること
が望ましい。

【００１３】具体的な解繊方法としては、例えば不織布
の製造で一般的な、ランダムウェバーを使用し、炭素繊
維束を針山のついた対向する複数のシリンダーを通過さ
せて乾式で解繊する方法がある。この場合にはシリンダ
ーの回転速度等を変えることにより、解繊度合を変化さ
せることができる。また、パルプ等の叩解処理に用いる
ビーターや、解繊処理に用いるパルパーなどを使用し、
溶媒中に分散させた炭素繊維束を湿式で解繊した後に、
抄紙、乾燥する方法もある。この場合には処理時間を変
えることにより、解繊度合を変化させることができる。

【００１４】次に、該炭素繊維シートにおける炭素繊維
束の解繊度合を評価し、期待した通りの解繊度合のシー
トが作製されているか否かを判定する。この結果を直ち
に製造条件に反映させることで、解繊度合の精度をより
高めることができるので、解繊度合の評価方法は簡便で
迅速であること、さらにハンドリングが容易なように炭
素繊維シートに樹脂等を含浸させた所謂プリプレグの状
態で評価できることが望まれる。

【００１５】解繊度合の評価方法は、とくに限定しない
が、例えば、解繊度合が高くなると解繊した炭素繊維同
士がより絡み合い、シートの嵩高さが増加することに着
目して、一定面積、一定枚数、重量Ｗ（ｇ）のシートを
積層し、これに一定の荷重をかけた場合のシート全体の
厚みｔ（ｍｍ）を測定し、式−２に定義する解繊度指数
（Ｘ）を求める方法がある。

【００１６】

【数２】解繊度指数（Ｘ）＝ｔ／Ｗ ・・・ 式−２ 解繊度合が高くなるほどシート厚さｔは大きくなるた
め、解繊度指数（Ｘ）も大きくなる。この方法の場合、
シートに樹脂等を含浸した後でも評価を行うことができ
る。但し、炭素繊維や樹脂等の種類、また両者の割合に
よって解繊度指数（Ｘ）の値は変化するため、常に同一
の条件で評価する必要がある。

【００１７】解繊度合の評価方法のもう一つの例として
は、解繊度合が高くなると繊維間の隙間が減少すること
に着目し、一定重量、一定面積のシートを使用して光透
過率Ｔ（％）を測定し、式−３に定義する解繊度指数
（Ｙ）を求める方法がある。

【００１８】

【数３】 解繊度指数（Ｙ）＝１００−Ｔ ・・・ 式−３ 解繊度合が高くなるほど透過率Ｔは小さくなるため、解
繊度指数（Ｙ）は大きくなる。この方法の場合も、シー
トに樹脂等を含浸した後でも評価を行うことができる
が、シートの目付（単位面積当たりの重量）が大きすぎ
る場合には、解繊度にかかわらず光が透過できなくなる
ため、評価できるシートの目付に制限がある。

【００１９】解繊したシートの目付としては、種々のも
のが取り得るが、取り扱い性、含浸性、均一性を考える
と１０〜５００ｇ／ｍ² が最適である。この様にして得
られた所望の解繊度合のシートにフェノール樹脂、フラ
ン樹脂、或いは石油系、石炭系ピッチ等のマトリックス
を含浸させた後に乾燥する。その際、マトリックスはア
ルコール、アセトン、アントラセン油等の溶媒に溶解し
て適切な粘度に調整したものを使用する。

【００２０】次いで、この乾燥したシートを所望の摩擦
特性及び機械特性が得られる様に設計して積層する。例
えば、摩擦係数を低くして、衝撃強度を上げようとする
場合、先ず表層の摺動部を所望の摩擦係数が得られるよ
うに相関式に従って解繊度合を決定する。この場合、低
い摩擦係数を得るために比較的高い解繊度合となる。例
えば、シートの目付が２００ｇ／ｍ² 、フェノール樹脂
含浸量が１２０ｇ／ｍ ² の含浸シートを９５×９５ｍｍ
に切断したもの２０枚を重ね、２．２ｋｇの荷重をかけ
た時のシートの厚さｔ（ｍｍ）をシート２０枚の重量Ｗ
（ｇ）で割り、式−２で定義した解繊度指数Ｘを求めた
場合、０．９〜１．２程度の値とするのが良い。次に摺
動部である表層部分及び内層部分が分担する各々の厚み
を考慮し、必要な衝撃強度が得られるように相関式に従
って内層の解繊度合を決定する。この場合、内層の解繊
度合は高い衝撃強度を得るために比較的低い解繊度合と
なる。例えば、上述の方法で求めた解繊度指数Ｘとして
は０．５〜０．８５程度の値とするのが良い。

【００２１】更に、摩擦係数を高くして、圧縮強度を上
げようとする場合には、先ず表層の摺動部を所望の摩擦
係数が得られるように相関式に従って解繊度合を決定す
るが、この場合、高い摩擦係数を得るために比較的低い
解繊度合となる。例えば、上述の方法で求めた解繊度指
数Ｘとしては０．５〜０．８５程度の値とするのが良
い。次に、表層の摺動部及び内層が分担する各々の厚み
を考慮し、必要な圧縮強度が得られるように相関式に従
って内層の解繊度合を決定する。この場合、内層の解繊
度合は高い圧縮強度を得るために比較的高い解繊度合と
なる。例えば、上述の方法で求めた解繊度指数Ｘとして
は０．９〜１．２程度の値とするのが良い。

【００２２】この様にして設計したシートを積層して金
型へ充填し１００〜５００℃の温度で加圧成形してＶｆ
（繊維含有量）＝５〜６５％、好ましくは１０〜５５％
程度の成形体を得る。その後Ｎ₂ ガスなどの不活性ガス
雰囲気中で１〜２００℃／ｈの昇温速度で８００〜２５
００℃まで昇温し、焼成してＣ／Ｃ複合材を得る。上記
焼成したＣ／Ｃ複合材を適宜、例えば次の３種のマトリ
ックスを単独或いは組み合わせることにより緻密化処理
を行い、更に強度向上を図るのが良い。

【００２３】（１）樹脂又はピッチによる緻密化処理 所定温度に加熱された槽に上記Ｃ／Ｃ複合材を載置し、
槽内を真空とした後、樹脂又は溶融ピッチを供給し、焼
成により生じた空隙にマトリックスを含浸する。この後
再度８００〜２５００℃の温度で焼成する。上記工程を
繰り返すことにより目的のＣ／Ｃ複合材の緻密化を行
う。

【００２４】（２）ＣＶＤによる緻密化処理 反応器内に載置した上記Ｃ／Ｃ複合材を誘導加熱コイル
等により加熱し、炭化水素或いはハロゲン化炭化水素類
の蒸気をＨ₂ ガス、Ａｒガス或いはＮ₂ ガス等のキャリ
アガスと共に、反応器内へ供給し、生成する熱分解炭素
で空隙を含浸、緻密化する。さらに必要に応じて黒鉛化
処理を行い、最終的に所望の摩擦係数及び機械特性を有
するＣ／Ｃ複合材を製造する。

【００２５】この様にして、所望の摩擦係数及び機械特
性を有するＣ／Ｃ複合材を容易に作製することができ
る。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
るが、本発明はその要旨を越えない限り、下記実施例に
よって限定されるものではない。 （実施例１）厚みが１０ｍｍであるサンプルの製造にお
いて、表層の摺動部の厚みを各々２．５ｍｍ ずつと
し、衝撃等への補強部である内層を厚さ５ｍｍとした。
このサンプルの特性として、次のように設計した。 摩擦係数＝０．１６ 衝撃強度＝４（ｋｇ・ｃｍ／ｃｍ） そこで、炭素繊維束の解繊度合を表す式−２における解
繊度指数Ｘと摩擦係数との相関関係が、式−１において
Ａ＝１．８１、Ｂ＝４．６７となり、解繊度指数Ｘと衝
撃強度との相関関係が、式−１においてＡ＝１．３５、
Ｂ＝０．１２７となる下記製造条件において、先ず摺動
部の摩擦係数＝０．１６となるＣ／Ｃ複合材を製造する
ための解繊度指数Ｘを式−４から計算し、目標解繊度指
数＝１．０６を得た。

【００２７】

【数４】目標解繊度指数（Ｘ）＝１．８１−４．６７×
目標摩擦係数・・・式−４ 次に目標解繊度指数＝１．０６で製造する際の衝撃強度
を式−５から求め、予想衝撃強度＝２．３を得た。

【００２８】

【数５】目標解繊度指数（Ｘ）＝１．３５−０．１２７
×目標衝撃強度・・式−５ そこで、サンプルの衝撃強度＝４（ｋｇ・ｃｍ／ｃｍ）
となるための、内層の必要衝撃強度（Ｚ）を式−６から
求めると、Ｚ＝５．７となる。

【００２９】

【数６】サンプルの衝撃強度：４＝２．３×（２．５×
２／１０）＋Ｚ×５／１０・・・式−６ 従って、内層の衝撃強度＝５．７（ｋｇ・ｃｍ／ｃｍ）
となるための解繊度指数Ｘを式−５計算し、目標解繊度
指数＝０．６３を得た。

【００３０】次に、３０ｍｍ長に切断したフィラメント
数４０００の集束剤を使用していないピッチ系炭素繊維
束をランダムウェバーにて解繊し、炭素繊維束の解繊度
合が解繊度指数＝０．６３、及び１．０６で目付＝２０
０ｇ／ｍ² の２次元ランダムに配向したシートを作製し
た。更に該シートにエタノールで希釈したフェノール樹
脂を含浸させた後乾燥し、１１０ｇ／ｍ² のフェノール
樹脂を含浸したシートを作製した。

【００３１】この状態シートから９５×９５ｍｍの大き
さのサンプル２０枚を採取し、その重量Ｗ（ｇ）を測定
した。次に、この２０枚を端部を揃えて積層し２．２ｋ
ｇの荷重をかけた状態でウェブ２０枚の厚さｔ（ｍｍ）
を測定した。このＷ及びｔから式−２で定義した解繊度
指数Ｘを計算し、目標通りに解繊度指数Ｘが０．６３、
及び１．０６であるシートが得られていることを確認し
た。

【００３２】次に、摺動部となる解繊度指数＝１．０６
のシートを最終形状で２．５ｍｍ厚みが得られる分のシ
ートを積層し、その上に補強部となる解繊度指数＝０．
６３のシートを最終形状で５ｍｍ厚みが得られる分のシ
ートを積層し、更にその上に摺動部となる解繊度指数＝
１．０６のシートを最終形状で２．５ｍｍ厚みが得られ
る分積層した。この積層したシートを金型に充填し、２
５０℃にて加圧成形し、Ｖｆ＝〜５０％の成形体を得
た。この成形体を加熱炉で不活性雰囲気中２０００℃ま
で焼成した後、高周波加熱装置により５５０℃に加熱
し、ジクロロエチレン蒸気を、窒素ガスキャリアーガス
として反応器内に導入し、熱分解炭素により気孔を充填
する緻密化処理を行った。

【００３３】次いで、ピッチを含浸した後、加熱炉で不
活性雰囲気中１０００℃まで焼成した。さらに同様の含
浸−焼成の操作を繰り返した後、２０００℃の処理を行
って、気孔率１２％の本発明のＣ／Ｃ複合材を得た。こ
のＣ／Ｃ複合材を用いて、回転数５０００ｒｐｍ、面圧
１２ｋｇ／ｃｍ² の条件下で慣性摩擦試験を１００回繰
り返し、摩擦係数を測定した。

【００３４】更に、このＣ／Ｃ複合材の衝撃強度を測定
した。これらの結果を表−１に示す。 （比較例１）実施例１で作製した解繊度指数Ｘが１．０
６のシートのみを使用して、実施例１と同様な方法でＣ
／Ｃ複合材を得た。このものの、摩擦係数及び衝撃強度
の測定結果を表−１に示す。

【００３５】（比較例２）実施例１で作製した解繊度指
数Ｘが０．６３のシートのみを使用して、実施例１と同
様な方法でＣ／Ｃ複合材を得た。このものの、衝撃強度
の測定結果を表−１に示す。

【００３６】

【発明の効果】本発明により、各種の用途・要求に応じ
た機械特性及び摩擦係数を有するＣ／Ｃ複合材を容易に
得ることができる。

【００３７】

【表１】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数枚の単繊維からなる短繊維状の炭素
   繊維束を解繊し、繊維が２次元ランダムに配向したシー
   トを作製し、樹脂又はピッチを含浸後、積層して成形し
   た後に、焼成、緻密化処理して炭素繊維強化炭素複合材
   を製造するに当たって、該複合材の内層部分と表層部分
   の炭素繊維束の解繊度合を異ならせることにより、所望
   の摩擦及び機械特性を得ることを特徴とする炭素繊維強
   化炭素複合材の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の製造方法で製造された
   炭素繊維強化炭素複合材。
3. 【請求項３】 請求項２に記載された炭素繊維強化炭素
   複合材を用いた摺動材。