JPS63210065A - 炭素・炭素繊維複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、摺動材料として好適な、炭素と炭素繊維と
の複合材料に関する。

従来の技術 炭素と炭素繊維との複合材料はよく知られているが、そ
のような複合材料には、炭素繊維を、特開昭５９−６９
４０９号公報に記載されているように、連続した形態、
たとえばストランドやその織物のような形態で使用した
ものと、特開昭５６−９２７１号公報に記載されている
ように短繊維の形態で使用したものとがある。しかして
、前者は強度等の機械的特性が優れている反面、繊維の
配向性が顕著であるため、機械的特性においても、また
、耐摩耗性や摺動性といった物理的特性においても異方
性が大きいという問題がある。これに対して、後者は、
強度等においては前者の数分の−にすぎないものの、機
械的特性や物理的特性において等方性が高く、しかも、
前者にくらべて、たとえば潤滑剤などの、いわゆる第三
成分の混入の自由度も大きいため、ブレーキや軸受など
の分野で注目されている。しかしながら、上述したよう
に強度等の機械的特性が大きく劣るため、それ単独での
使用はなかなか難しく、改善が望まれている。

明が解決しようとする問題点 この発明は、上述した要求に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、全体強度を保ちつつ所望の部位
には短繊維を使用したものの特長を合わせて発現させる
ことができる炭素・炭素繊維複合材料を提供するにおる
。

問題点を解決するための手段 上記目的を達成するためのこの発明は、炭素と炭素繊維
とを複合してなる材料であって、かつ炭素ｍ維の連続繊
維が使われている部分と短繊維が使われている部分とが
組み合わされている炭素・炭素複合材料を特徴とするも
のである。

この発明においては、上述したように、連続繊維と短繊
維という、異なる２種類の炭素繊維を使用するが、それ
らは混合状態で使用するわけではなく、それぞれ別々に
使用する。たとえば、連続繊維を使用している部分と、
短繊維を使用している部分とが層状をなしているわけで
ある。しかしながら、たとえば、連続繊維を使用してい
る層の全面にわたって短繊維を使用している層が組み合
わされ・ていることが必須であるわけではなく、連続繊
維または短繊維を使用している部分の所望の部位に短繊
維または連続ａｍを使用している部分が組み合わされて
いることであってもよい。

材料が摺動材として使用される場合で、短繊維を使用し
ている部分を摺動に供する場合には、その部分に、銅、
鉄、真鍮、モリブデン、アルミニウム、Ｆａ酸バリウム
、ケイ砂、炭酸カルシウム、炭化ケイ素、窒化ホウ素、
アルミナ、黒鉛等の粒子または繊維状物からなる摩擦調
整材を５〜６０重量％の範囲で混入しておくのも好まし
い。

上記炭素繊維は、単糸径が３〜１５μｍ程度のもので、
通常、連続繊維の形態にあってはストランドや織物の形
で用いる。また、短繊維は、平均繊維長０．０５〜３０
ｍｍ程度のものをそのまま、またはフェルトやマットな
どのシート形態で用いる。

炭素は、複合材料の、いわゆるマトリクスを形成してい
るもので、通常、連続繊維が使用されている部分と短繊
維が使用されている部分とで同じものを用いる。そのよ
うな炭素は、液相を経て炭化する石油重質油、ピッチ、
アントラセン等の多環芳香族化合物や塩化ビニル樹脂な
どを炭化して得られる軟質炭素（ソフトカーボン）、固
相のまま炭化するフェノール樹脂、フラン樹脂、アクリ
ル樹脂などの熱硬化性樹脂を炭化して得られる硬質炭素
（ハードカーボン）、メタン、プロパン、ベンゼン、ア
セチレンなどの炭化水素を熱分解して得られる熱分解炭
素のようなものである。これらは、材料の用途などを考
慮して決める。すなわち、軟質炭素は、個々の結晶子が
比較的規則的に並んでいるために黒鉛化状態をとりやす
く、その場合は良好な摺動特性を示すが、ショア硬さは
７０〜９０と比較的低い。これに対して、硬質炭素はシ
ョア硬さが１００〜１５０と比較的高い。もつとも、両
者がいつも明確に区別できるわけでは壱〜ずしもなく、
出発物質の種類や炭化条件などによって、軟質炭素と硬
質炭素とが混ざり合ったものや、それらの中間的な特性
をもつものができる。

一方、熱分解炭素は、結晶子が高度に配向した層状構造
をしており、析出条件などによって異なるものの、通気
性が極めて小さく、ガラス並であるという、軟質炭素や
硬質炭素にはみられない特性をもっている。これらから
、軟質炭素は、たとえば軸受、メカニカルシール、鋳造
用ダイなと、比較的高い摺動特性を要求される用途にお
いて好適であり、硬質炭素は、たとえばころ軸受など、
比較的高い硬度を要求される用途において好適である。

また、熱分解炭素は、その良好な気密性から、たとえば
冶金用るつぼやボートなどに使用する材料のマトリクス
炭素として好適である。

この発明の材料は、いろいろな方法によって製造するこ
とができる。

たとえば、連続繊維を使用した部分と短繊維を使用した
部分とを別々に作り、両者を、フェノール樹脂、フラン
樹脂、ピッチなどの炭化可能物質で接着した俊、窒素雰
囲気などの不活性雰囲気中にて２０〜ｂ ０℃に加熱して上記物質を炭化し、接合して一体化する
、いわゆる接合法によることができる。この場合、炭化
可能物質中に炭素や黒鉛の粉末を１０〜１００重量％混
入しておいたり、炭化時に接合面を加圧すると、接合、
一体化をより完全に行えるようになる。

また、連続繊維を使用した部分と短繊維を使用した部分
とを同時に形成する、いわゆる同時法によることができ
る。この同時法は、炭素繊維のストラフトを互いに並行
かつシート状に引き揃えたものや、織物、マット、フェ
ルトなどのシート状基材に上述した炭化可能物質を含浸
した、いわゆるプリプレグを用意し、それを所望の順序
で、あるいは所望のプリプレグが所望の位置になるよう
に積層し、あるいは巻き付けるなどした後、加圧または
非加圧下に上記接合法と同様に加熱し、炭化可能物質を
炭化するものである。プリプレグ化する代わりに、積層
や巻付時に基材に炭化可能物質を塗布してもよい。なお
、炭化可能物質に、炭素繊維の直径よりも小さい炭素や
黒鉛の粉末を２０〜５０重量％、程度混入しておくと、
より空隙の少ない材料が得られるようになるので好まし
い。

ざらに、この発明の材料は、上記接合法と同時法とを組
み合わせた、連続繊維を使用した部分または短繊維を使
用した部分をあらかじめ作っておき、その上に短繊維を
使用した部分または連続繊維を使用した部分を形成する
ことによっても製造することができる。

上述した各製造法において、炭素繊維の連続繊維または
短繊維と炭素との複合材料をあらかじめ用意しておく必
要がある場合、それは、従来公知の方法で用意すればよ
い。たとえば、炭素繊維が連続繊維である場合には、ま
ず、それにフェノール樹脂、フラン樹脂、ピッチなどの
炭化可能物質を含浸してプリプレグ化しておき、それを
積層したり巻くなどして所望の形状に賦型する。炭素繊
維が短繊維シートの形態である場合にも同様である。ま
た、炭素繊維が短繊維である場合には、それと上記炭化
可能物質との混合物を所望の形状に、たとえば射出成形
することもできる。このようにして得た炭素繊維と炭化
可能物質との複合体を、不活性雰囲気中にて２０〜２０
０°Ｃ／時の速度で６００〜２８００℃に加熱し、その
温度に所望の時間保持して炭化可能物質を炭化する。す
ると、最初に賦型した形状に応じた炭素・炭素複合材料
が得られる。この材料に上述した溶液を高圧で含浸し、
再び加熱、炭化せしめて高密度を図ることもある。

別の方法として、炭素繊維の連続繊維または短繊維を所
望の形状に賦型して基材を作り、炉に入れて７００〜２
０００℃に加熱しながら上述した炭化水素を接触させて
熱分解し、基材に熱分解炭素を沈着させることによるこ
とができる。

実施態様 第１図に示す材料は、厚みが５〜３Ｑｍｍで、かつ円板
状をした、炭素繊維の織物を積層して使用している部分
１の両面に、厚みが２〜１Ｑｍｍで、かつリング状をし
た、炭素繊維の短繊維を使用している部分２．２を組み
合わせてなるものである。

織物は、部分１に面内疑似等方性を与えるため、その織
糸の方向を３０〜４５°づづずらせて積層している。し
かして、部分１における炭素繊維の含有率は４０〜８０
体積％であり、部分２．２では短繊維を使用しているた
めにそれよりもやや低く、２０〜７０体積％になってい
る。このような材料は、部分２．２を摺動面とする、た
とえば自動車、自動２輪車、各種産業機械等におけるデ
ィスクブレーキ材料として好適である。

第２図に示すものは、第１図に示すものの変形で、片面
にのみ部分２を組み合わせたものである。

このような材料は、たとえばクラッチ板のように、片面
のみを摺動面とするような用途に好適である。

第３−図は、第１図や第２図に示したようなものにおい
て、部分２を部分１の片面全体にわたって組み合わせた
ものである。このような材料は、やはり部分２を摺動に
供することにより、たとえばブレーキにおけるパッド材
料などとして好適である。

大旗■ 東し株式会社製炭素繊維゛トレカ゛′平織物Ｃ０６３４
３（目イ寸：　１９８ｇ／ｍ２　）にフェノール樹脂の
３０重母％メタノール溶液を含浸し、乾燥して織物プリ
プレグを作り、さらに’＋ｏｏｍｍ角に裁断した。一方
、東し株式会社製炭素Ｉ！維Ｖｉ繊維ＴＯＯ６−００６
−Ａ３ＬＪ　（平均繊維長：６ｍｍ＞と上記溶液とを混
合し、シート状に拡げ、乾燥して短繊維プリプレグを得
た。

次に、金型内に、上記短繊維プリプレグを５枚積層し、
その上に上記織物プリプレグをその織糸の方向を順次４
５°づつずらせて２５枚積層し、ざらにその上に上記短
繊維プリプレグを５枚積層し、１０ＫＣＩ／Ｃｍ２の圧
力下に１７０℃で加熱してフェノール樹脂を硬化させ、
成形板を得た。

次に、上記成形板を窒素雰囲気中にて２００℃／時の速
度で２０００℃まで昇温し、その温度に１時間保持して
フェノール樹脂を炭化した後、容器に入れ、その容器内
を１０ｍｍｔ＋ｇに減圧した後に上記溶液を導入し、１
００　ＫＣＩ／Ｃｍ２の圧力を加えて含浸した。しかる
後、容器から取り出し、再び上記条件での炭化処理をし
た。かかる、いわゆる高密度化操作を６回繰り返した。

かくして、織物を使用している部分の厚みが約３．５ｍ
ｍで、その両面に、それぞれ、厚みが約３ｍｍの、短繊
維を使用している部分が組み合わされているこの発明の
接合材料を得た。この材料の横断面の顕微鏡写真（倍率
：３．６倍）を第４図に示す。

次に、上記材料を長さ９０ｍｍ、幅１Ｑｍｍに切り出し
、さらに短ｍＭを使用している部分の厚みが各１ｍｍに
なるように加工して試験片を作り、スパン長８Ｑｍｍ、
荷重印加速度０．５ｍｍ／分という条件で３点曲げ試験
をしたところ、曲げ強度は２０Ｋｌ／ｍｍ２であった。

Ｒ里五四里 この発明の材料は、連続繊維を使用している部分と、短
繊維を使用している部分とを、たとえば層状に組み合わ
せてなる炭素・炭素繊維複合材料であるから、強度等の
機械的特性が特に優れているという前者の特長と、耐摩
耗性や摺動性といった物理的特性が特に優れているとい
うｊ多者の特長とが合わせて発現されるようになるのは
もちろん、設計の自由度が増大し、いろいろな用途への
展開を容易に行えるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は、それぞれ異なる実施態様の、この発
明の材料を示す概略縦断面図である。第４図は、ざらに
別の、この発明の材料の横断面における炭素繊維の形状
を示す顕微鏡写真である。 １：炭素繊維の織物（連続繊維）を使用している部分

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　炭素と炭素繊維とを複合してなる材料であつて、かつ
   炭素繊維の連続繊維が使われている部分と短繊維が使わ
   れて部分とが組み合わされていることを特徴とする炭素
   ・炭素繊維複合材料。