JPH0768991B2 - 耐火性複合材料を用いた摩擦装置 - Google Patents

耐火性複合材料を用いた摩擦装置

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JPH0768991B2
JPH0768991B2 JP62023741A JP2374187A JPH0768991B2 JP H0768991 B2 JPH0768991 B2 JP H0768991B2 JP 62023741 A JP62023741 A JP 62023741A JP 2374187 A JP2374187 A JP 2374187A JP H0768991 B2 JPH0768991 B2 JP H0768991B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐火性複合材料で製造された少なくとも2個の
摩擦係合した要素から成る摩擦装置に関する。
発明の応用分野にはブレーキ装置および摩擦クラッチ装
置があり、とりわけ航空機のブレーキがある。
〔従来の技術〕
航空機のブレーキは、一般的には固定ディスクと可動性
ディスクとを接触させて摩擦により減速力を発生させる
多ディスク装置である。ディスクまたはこれらのディス
ク上に配置された摩擦パッドを構成する摩擦材料は、こ
れらが暴露される熱的および機械的応力に耐える各種特
性をまとめ直し、使用分野および各種使用条件で再生可
能で安定な摩擦係数並びに厳密に制御された摩耗率を有
することが必要である。
耐火性複合材料および詳細には炭素−炭素複合体材料
は、近年開発された摩擦材料と共に上記応用に最適な材
料である。
炭素−炭素複合体は比熱が極めて高く、約2000℃までの
温度では、温度と共に速やかに増加し、熱応力および疲
労に対して高い熱−機械的強度を有し、それら自体の摩
擦に良好に耐える。このことにより、炭素−炭素からの
み作られた単一ブロックの摩擦ディスクの多ディスク装
置への導入が有利であると考えられてきた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、炭素−炭素複合体自体の摩擦係数は、約
100℃程度の低温では小さいままである。このような温
度では摩擦係数は、摂動が比較的高くても変動して、15
00℃〜2000℃の高温までは平均して保持している値に到
達する。更に、炭素−炭素複合体自体の摩擦係数は、環
境条件、特に湿度の作用に敏感である。動摩擦係数より
低い静摩擦係数もあり、長期間停止する必要のある用途
には障害となることがある。
更に、炭素−炭素複合体は吸収したエネルギーに関して
容積摩耗率を有し、これは従来の材料に比較して広い操
作範囲内において比較的低いが、400℃〜500℃を超える
温度では、酸化によってこれらの摩耗率がかなり増加す
る。酸化の影響は、温度が高く且つその温度での滞留時
間が長居場合に特に顕著である。
炭素繊維補強材と炭素および炭化ケイ素から成る混合マ
トリックスとを有する複合体を摩擦材料として使用する
ことが提案されてきた。
本出願人が行った試験によると、炭化ケイ素を使用する
と、予想されたように1000℃以上までの温度で酸化によ
って生じる摩耗に対する抵抗力が実際に改良された。し
かしながら、これらの試験では上記の炭素/炭化ケイ素
混合マトリックスを有する複合体同士を摩擦接触させる
と、突然の不連続性なしに安定で再生可能な摩擦水準に
達し、それらは少なくとも動摩擦係数と同等な静摩擦係
数を有することも明らかになった。これらの利点は熱−
機械的強度が極めて高いことと相俟って、これらの材料
を摩擦用途に使用するのに特に好適にしている。
しかしながら、炭化ケイ素は研麿特性を有することは周
知であり、摩耗による損耗を限定するには炭化ケイ素の
粒子をできるだけ小さくしなければならない。炭化ケイ
素の化学蒸着によって小さな粒度の粒子を得ることが可
能であるが、この技法は費用がかかる。
本発明の目的は、炭素−炭素複合体同士の摩擦によって
生じる不利益のない耐火性複合材料を用い且つ使用に余
り費用が掛からない摩擦装置を提供することである。
〔問題点を解決するための手段および作用効果〕
上記の目的は、少なくとも2個の摩擦接触している要素
から成る摩擦装置を用いて達成され、本発明によれば、
摩擦要素の一方は炭素−炭素複合材料から作られ、もう
一方の摩擦要素は炭素繊維および炭化ケイ素繊維から選
択される繊維状補強材と主要相が炭化ケイ素である2相
マトリックスとを含む複合材料から作られている。
C−C(炭素−炭素)複合体をC−またはSiC−補強材
および主にSiCから成るマトリックスを有する複合体と
摩擦供合するとC−C複合体同士を用いて摩擦させた場
合の不利益が防止され、これはSiC−SiCまたはC−SiC
複合体同士を摩擦係合する場合よりもずっと費用が安く
なることを見出した。更に、全く意外なことには、本発
明による係合を行うと炭化ケイ素の研麿性の観点から予
想されたような炭素−炭素の損耗を生じず、更に摩耗率
は炭化ケイ素を含むマトリックスを有する複合体、すな
わち最も高価な摩擦要素では実質上皆無であった。
本発明によるC−C複合体と係合した耐火性複合材料で
は、補強材は炭素または炭化ケイ素繊維で作られてい
る。
繊維の性状がどの様なものであれ、補強材はフェルト、
生地、トムのウェブまたはその他のニードル状になった
あるいはなっていない布状の無秩序な層が堆積した形状
を取ることができ、三次元構造またはその他の同様な機
械的補強材を空間的に配置する構造を取ることもでき
る。繊維状補強材はこのように多孔性基材を構成し、そ
の容積含有率は10〜40%の範囲で変化して所望な機械的
補強性を得て、一方マトリックスの材料による含浸圧縮
のために十分な多孔度を残しておくことができる。
上記マトリックスの主要部分は本質相を形成する炭化ケ
イ素によって構成されている。
上記マトリックスの残りの部分は二次的耐火性相によっ
て構成されており、繊維とマトリックスの本質相との間
の機械的負荷の転移を調節する機能を有する。炭素繊維
補強材の場合には、二次的相は繊維を酸化から保護する
ようにもなっている。
二次的相を構成するのに好適な材料には、チタン、ジル
コニウム、タンタル、炭化ホウ素、元素状ホウ素、窒化
ケイ素、窒化ホウ素および熱分解炭素がある。熱分解炭
素または窒化ホウ素を用いるのが好ましい。
工業的には、化学蒸着法による熱分解炭素の蒸着は完全
に管理されており、繊維と炭化ケイ素との間で良好な機
械的調節を行うことができる。
窒化ホウ素の化学蒸着も同様に良好に調節される。それ
を用いると均一な蒸着を行うことができ、良好な機械適
性に加えて約800〜900℃までは良好な耐酸化性を示し、
元素補強材の保護の点で優れている。
ピロ炭素(パイロカーボン)または窒化ホウ素の中間相
の蒸着に関しては、フランス国特許出願第2,567,874号
明細書を参照されたい。
蒸着した中間層の容積含有率は、最終的な材料の相容積
の5〜25%の間で変化することができる。中間相を蒸着
したら、続いて炭化ケイ素の本質相を浸透させてマトリ
ックスの調製を行う。
上記の炭化ケイ素の浸透は、自体公知の方法で化学蒸着
によって行う。フランス国特許第2,401,888号および第
2,520,352号明細書を参照されたい。調製した複合体中
の炭化ケイ素の容積含有率は40〜80%の間で変化させ
て、生成する複合材料中に残っている多孔度の容積含有
率を10%以下にすることができる。この残存多孔度含有
率を出来る限り低くして研麿性を有する損耗粒子の保持
することを回避し、上記補強材が炭素繊維である場合に
は補強材の酸化を制限することが有利である。
本発明によれば、上記のCまたはSiC繊維状補強材と主
としてSiCマトリックスとの複合材料は炭素−炭素複合
材料上での摩擦に使用される。
後者の材料は、材料同士を摩擦させて使用する用途では
周知であるので、それらの構造および調製法を本明細書
で詳細に記載する必要はない。炭素繊維補強材はフェル
ト、生地、トウのウェブまたはその他のニードル状にな
ったあるいはなっていない布状の無秩序な層が堆積した
形状を取ることができ、または三次元構造の形状である
こともできる。炭素繊維は、好ましくはピロ炭素の化学
蒸着によって繊維状補強材中に浸透させる。
上述のように、CまたはSiC補強材と主としてSiCマトリ
ックスとを有する複合材料をC−C複合材料と摩擦係合
させること、C−C複合材料同士を摩擦させて使用する
場合の不利益が除かれる。かかる摩擦係合の性能の中
で、本出願人等は下記のことを見出した。
摩擦係数の再現性および安定性が優れている。
環境条件、特に湿度に対する摩擦の感受性はある程度鈍
い。
1200℃を超える温度まで摩擦特性が保存される。
比圧(specific pressure)に対する摩擦係数の増加傾
向が小さい。
摩擦係数は、低速では約0.40から約20m/秒では約0.30と
連続的に減少し約20m/秒を超える速度では他の条件が等
しい場合にはほぼ一定である。
摩擦温度が500℃未満の範囲では主としてSiCマトリック
スを有する耐火性複合体の損耗率はほぼ零であり、C−
C複合体での損耗率は約10.10-5mm3/Jである。
上記の特徴を用いると、ディスクブレーキやクラッチお
よび摩擦クラッチ装置のような摩擦装置を製造すること
が可能である。
多ディスクブレーキでは、ローターディスクをC−C複
合体で製造して、耐火性複合体中の静止ディスクを主と
してSiCマトリックスで製造することができ、またはそ
の反対も可能である。
ディスクブレーキは、C−C複合体でのカリパーパッド
と1個のディスクであって少なくとも摩擦部分が主とし
てSiCマトリックスを有する耐火性複合体であるものと
から製造することができ、これによってディスクの損耗
が有利に防止される。
〔実施例〕
まず、第1図について説明する。この図は、以下のもの
から構成されている耐火性複合体で製造された単一ブロ
ックのディスクを示している。
繊維の容積含有率が18%である炭素繊維のニードル状の
フェルトから成る三次元補強材、 容積含有率が5%の熱分解炭素の芯貫通蒸着物、および 容積含有率が69%の炭化ケイ素の浸透物。
ディスク1は、内側付属リング2を有し、その内側周縁
部には底が丸くなったノッチ3が備えられている。ディ
スクは、金属製ボウル4であってノッチ3に収容された
四分円片5によってディスクが軸方向に移動するように
配設されているボウルと締め付け手段6とによって車輪
のハブに取り付けられている。
ディスク1は、単一ブロックのカリパーパッド7に摩擦
係合しており、上記パッドの一般的形状は第2図に示し
ている。パッド7は炭素−炭素複合体から製造され、こ
の複合体は、炭素繊維でニードル状にしたフェルトで作
られた補強材を含み、その繊維の容積含有率は25%であ
り、また60%の容積含有率がピロ炭素の化学蒸着によっ
て浸透されている。
かかるディスクブレーキの使用は、頻繁にブレーキ操作
を行うことができ、所定のブレーキ保持用負荷のブレー
キトルクが極めて安定であると同時に、そのブレーキの
熱的条件および環境の湿度条件が如何なるものであって
も良好な効率を示し、実質上ディスクの損耗(少なくと
も測定可能な損耗)はなく、急ブレーキによるパッドの
損耗は1.5umであることを特徴とする。ディスクの非損
耗性は、従来の装置におけるようなディスクの交換が回
避されるのでこの特定の装置の特に有利な因子である。
因みに、炭素−炭素だけから製造したディスクとパッド
との組立体では、上記のような急ブレーキの再現性およ
び累進性は明確ではない。更に、同様な操作条件で観測
した平均損耗はパッドについては1回の急ブレーキ当り
2μmであり、ディスクの各面については1回の急ブレ
ーキ当り0.5μmである。
第3図および第4図は、航空機用多ディスクブレーキの
要素を示す。
単一ブロックのローターディスク10は、炭素−炭素で製
造され、それらの外側周縁上に付属ノッチ11を有する。
単一ブロックの静止ディスク12は、以下の組成を有する
複合材料で製造される。
繊維容積含有率が28%の炭素製布の層によって形成され
た二方向補強材、 容積含有率が5%の化学蒸着によって浸透させた熱分解
炭素の中間マトリックス相および、 容積含有率が60%の化学蒸着によって浸透させた熱分解
炭素の主要なマトリックス相。
静止ディスクの取り付けは、それらの外側周縁に設けら
れたノッチ13によって行われる。
かかる多ディスクブレーキの使用は、摩擦に関する限り
ディスクおよびパッドブレーキと同じ品質を有すること
を特徴とする。
下表は本発明の説明の一部分を形成するものであり、摩
擦接触している下記の材料の各種係合の特徴を纒めたも
のである。
炭素−炭素同士(C−C/C−C)、 炭化ケイ素補強材と炭化ケイ素の主要相と容積含有率が
5%〜25%の範囲にある二次的相とを有するマトリック
スとの複合体同士が摩擦(SiC−SiC/SiC−SiC)、 炭素補強材と炭化ケイ素の主要相と容積含有率が5%〜
25%の範囲にある二次的相とを有するマトリックスとの
複合体同士が摩擦(C−SiC/C−SiC)および 炭素−炭素複合体が炭素補強材と主要相が炭化ケイ素で
容積含有率が5%〜25%の範囲である二次的相とを有す
るマトリックスとの複合体上で係合(C−C/C−SiC)。
この表に示された値は試験から得られた代表的値であ
り、摩擦係合を分類するだけのために示したものである
ことが分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は、ディスクブレーキおよびカリパ
ーとをそれぞれ1片ずつ示した部分模式図であり 第3図および第4図は、多ディスクブレーキの要素を示
す斜視図である。 1:ディスク、2:付属リング、3:ノッチ、4:ボウル、5:四
分円片、6:締め付け手段、7:カリパーパッド、10:単一
ブロックローターディスク、11:ノッチ、12:静止ディス
ク、13:ノッチ。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】耐火性複合材料において製造された少なく
    とも2個の摩擦係合した要素から成る摩擦要素であっ
    て、摩擦要素の一つが炭素−炭素複合材料であり、第二
    の摩擦要素が炭素繊維および炭化ケイ素繊維から選択さ
    れた繊維状補強材と主要相が炭化ケイ素である2相マト
    リックスとから構成された複合材料であることを特徴と
    する摩擦装置。
  2. 【請求項2】第二の摩擦要素を構成する耐火性複合材料
    がピロ炭素および窒化ホウ素から選択される材料中の中
    間の二次相を有する、特許請求の範囲第1項記載の摩擦
    装置。
  3. 【請求項3】上記中間の二次的相が耐火性複合材料の5
    %〜25%を占める、特許請求の範囲第2項記載の摩擦装
    置。
  4. 【請求項4】2相マトリックスの炭化ケイ素中の主要相
    を化学的蒸気浸透によって製造する、特許請求の範囲第
    1項記載の摩擦装置。
  5. 【請求項5】二次的摩擦要素を構成する複合材料におい
    て、繊維状補強材が容積の10%〜40%を占め、マトリッ
    クスの炭化ケイ素中の主要相が容積の40%〜80%を占め
    る、特許請求の範囲第1項記載の摩擦装置。
  6. 【請求項6】前記摩擦装置がディスク・パッド型ブレー
    キであり、ディスクが第一の摩擦要素から成り、ディス
    クと協働するパッドが第二の摩擦要素から成る、特許請
    求の範囲第1項記載の摩擦装置。
  7. 【請求項7】前記摩擦装置が多ディスクブレーキであ
    り、ローターディスクが第一の摩擦要素から成り、ロー
    ターディスクと協働する静止ディスクが第二の摩擦要素
    から成る、特許請求の範囲第1項記載の摩擦装置。
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