WO2003006844A1 - Materiau de frein et son procede de fabrication - Google Patents

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WO2003006844A1
WO2003006844A1 PCT/JP2002/007039 JP0207039W WO03006844A1 WO 2003006844 A1 WO2003006844 A1 WO 2003006844A1 JP 0207039 W JP0207039 W JP 0207039W WO 03006844 A1 WO03006844 A1 WO 03006844A1
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composite
brake
brake material
copper
czc
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PCT/JP2002/007039
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French (fr)
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Shigeru Hanzawa
Naoki Hashimoto
Original Assignee
Ngk Insulators, Ltd.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D69/00—Friction linings; Attachment thereof; Selection of coacting friction substances or surfaces
    • F16D69/02—Composition of linings ; Methods of manufacturing
    • F16D69/023—Composite materials containing carbon and carbon fibres or fibres made of carbonizable material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2200/00—Materials; Production methods therefor
    • F16D2200/0034—Materials; Production methods therefor non-metallic
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    • F16D2200/0047—Ceramic composite, e.g. C/C composite infiltrated with Si or B, or ceramic matrix infiltrated with metal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249924—Noninterengaged fiber-containing paper-free web or sheet which is not of specified porosity
    • Y10T428/249927—Fiber embedded in a metal matrix

Definitions

  • the present invention relates to a brake material that is lightweight and has excellent wear resistance, oxidation resistance, and the like.
  • the present invention relates to a brake material mounted in conjunction with a speed control device used for stopping or controlling speed of a large transport machine such as a large car or an aircraft.
  • Carbon fiber-in-composite (hereinafter sometimes referred to as czc composite) is a widely used material that is high, lightweight, and does not cause thermal deformation.
  • the friction material In such large-sized transport equipment, it may be necessary to repeat brake braking under excessive load for an emergency stop, brake braking over a long period of time, frequent braking, etc.
  • the friction material In the case of a braking device used as a friction material, the friction material is exposed to high temperatures in air for a long time. Therefore, the friction material basically contains carbon fiber which is easily burned at a high temperature as its main component. Under such conditions, the friction material not only reacts with oxygen and wears out, but also It has been reported that there is a case where smoke is emitted and it is on the verge of a major accident. However, at present, no alternative raw material has been found because of its performance such as high frictional force at high temperatures and flexibility required for mounting on brakes.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2000-81062 proposes a brake member comprising a fiber composite material provided with a matrix from i-SiC-based material.
  • a base material that can be obtained at a lower cost, and a product lineup that enables users to select products that can exhibit the desired performance from a wider product group according to the application, usage mode, etc.
  • CZC composite which is a composite carbon fiber, or a C / C composite formed into a desired shape, as a composite material having design performance according to the usage mode, etc.
  • a brake pad or disc manufactured by forming at least a composite material portion composed of silicon carbide and metal silicon which may be optionally contained at a predetermined ratio; and The following brake is proposed in the specification of Japanese Patent Application No. 2001-585310 filed on March 2, 2001.
  • the brake materials according to the above proposal are satisfactory in terms of brake braking, they are not necessarily wear-resistant, especially at high temperatures up to 1200 ° C under emergency stop conditions such as aircraft. However, it was found that sufficient abrasion resistance could not be exhibited, and in that respect, sufficient durability could not be exhibited. Particularly in the aerospace industry, there is a demand for longer service life of each component, and brake materials are no exception. For example, commercial aircraft are required to be able to make a sufficient number of landings at least three thousand times under normal conditions, and in this respect it is not always possible to meet the needs of the market.
  • the present invention has been made in view of the above situation, and has a dynamic friction coefficient sufficient to exhibit the braking performance required as a brake material, and has been used at least even under high temperature conditions. It is an object of the present invention to provide a brake material having a wear resistance equal to or higher than that of a CZC composite that has been used and a method of manufacturing the same.
  • the present inventors have conducted various studies to achieve the above object, and found that impregnated with molten copper in a C / C composite as a composite carbon fiber or a molded body produced by molding a CZC composite into a desired shape.
  • a brake material characterized by having the above-mentioned object can achieve the above object, and have completed the present invention.
  • a brake material comprising a matrix composed of a CZC composite and metallic copper and having a dynamic friction coefficient of at least 0.01 is provided.
  • dynamic friction coefficient of 0.0 5-0. brake material is 4, further wear amount from 0.0 to 0.3 is mm 3 Z (N ⁇ km) brake material is provided.
  • the C / C composite is a yarn aggregate in which yarns containing at least a bundle of carbon fibers and a carbon component other than carbon fibers are three-dimensionally combined and integrated to such an extent that these yarns are not separated from each other.
  • a brake material composed of the following is preferably used.
  • FIG. 1 is a graph showing the results of a performance test of a CZC composite and a brake material of a comparative example containing Si—SiC.
  • FIG. 2 is a graph showing an example of a performance test result of the brake material according to the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing another example of a performance test result of the brake material according to the present invention.
  • the present invention comprises a CZC composite as a base material and a matrix made of a metal containing a desired amount of copper impregnated in pores between fibers constituting the C / C composite, and has at least 0.01
  • the present invention relates to a brake material characterized by having a dynamic friction coefficient.
  • a CZC composite is used as a base material, but there is no particular limitation as long as it is a C / C composite, and if it is usually called a C / C composite, its production method, origin, etc. Can be used regardless.
  • a laminate-like C / C composite produced by the method described in JP-A-2-80639, or a so-called general-purpose C / C composite used for various purposes, may be used. It goes without saying that this may be done.
  • a molded body made of a CZC composite having a desired pore volume is prepared, and, if necessary, the molded body is sintered to obtain a sintered body. Impregnating a desired amount of a metal made of copper in a molten state, further sintering as necessary, and cooling the sintered body impregnated with the metal to room temperature.
  • a method for producing a brake material comprising a C / C composite and a matrix made of metallic copper and having a dynamic friction coefficient of at least 0.01 is provided.
  • the copper used as the matrix may be any metal copper used for ordinary industrial use, and for example, pure copper is preferably used.
  • the amount may be included as long as it does not cause a significant inconvenience to the brake braking.However, when the amount exceeds 50%, the braking operation is usually performed. It is preferable to use metallic copper having as high a purity as possible, since the metal may be melted and liberated in the metal, which may have an effect.
  • the brake material according to the present invention has a dynamic friction coefficient at room temperature of at least 0.01, preferably about 0.01 to 0.4, and more preferably about 0.1 to 0.4. Furthermore, when the test piece is pressed against a test piece of a predetermined size with a pressing pressure of 7 O kgf and the test is performed, the wear amount is 20.Omm 3 // (Nkm) or less, preferably 10.Omm 3 / ( N ⁇ km) or less, and more preferably in the range of 0.0 to 0.3 mmV (N ⁇ km).
  • the molded body also includes a so-called sintered body obtained by molding the CZC composite into a predetermined shape and then firing it at a predetermined temperature.
  • a desired amount of the base material or a molded product made from the base material by sintering that is, the kinetic friction coefficient of the obtained brake material is at least 0.01.
  • metallic copper so as to be preferably about 0.01 to 0.4, more preferably about 0.1 to 0.4, and then sintering, this is made as desired as required. It is manufactured by processing into size and shape.
  • the dynamic friction coefficient In order to keep the design performance as a rake material within the desired range, use a CZC composite as a base material whose pore volume before impregnation is about 0.5% to 20% by volume%. Is preferred.
  • the amount of metallic copper to be melt impregnated into the CZC composite of the substrate should be in the range of about 15% to about 60% of the total brake material mass. If it is less than about 15%, the sufficient dynamic friction coefficient required for aircraft brake control cannot be achieved, while if it exceeds about 60%, an increase in the dynamic friction coefficient is not so desired, and rather, the weight of the brake material It is not preferable because it has an adverse effect such as an increase in fuel flight distance per unit.
  • a laminate of carbon fibers made of carbon fibers prepared by the method described in JP-A-2-80639 is fired under pressure to obtain a sintered body having a desired pore volume. This is impregnated with metallic copper.
  • a general-purpose CZ C composite may be used. However, it is needless to say that the pore amount needs to be in the range of about 0.5% to 25% in volume%. Examples of such versatile C / C composites include AC200 manufactured by Across Inc. and CCM190C manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.
  • the copper impregnation is performed by heating the sintered body and a metal containing at least copper in a state where they do not come into contact with each other, and when they reach a predetermined temperature, bringing them into contact with each other and immediately applying a high pressure to the metal.
  • the sintered body may be impregnated into the sintered body, and then the sintered body impregnated with at least the metal may be cooled to room temperature.
  • metallic copper originally has an extremely low reactivity with the carbon component of the substrate, so there is no problem if the copper is heated while the copper and the substrate are kept in contact with each other to melt the copper.
  • the impregnation step is not particularly limited, and the sintered body and the metal copper are put in the same container, and after the metal copper is placed below the container, the inside of the container is brought into a negative pressure or a normal pressure state.
  • the molten metal copper is impregnated with the sintered body, or the metal copper is heated and melted to melt the metal copper.
  • the container is turned around. By immersing the sintered body in the molten metal copper in the container, the molten metal may be impregnated in the sintered body.
  • the pressure applied 10 kg f / cm 2 or more and 1000 kg f / cm 2 or less, preferably 50 kg i Roh cm 2 or more, 200 kgf / cm 2 or less, more preferably Is 100 kg iZcm 2 or more and 150 kgf / cm 2 or less.
  • the application time of the pressure is 10 seconds or more and 30 minutes or less, and preferably 2 minutes or more and 10 minutes or less.
  • the predetermined temperature is a temperature higher by 10 ° C. to 250 ° C. than the melting point of the metallic copper to be impregnated, preferably a temperature higher by 50 to 200 ° C. than the melting point, ie, 1 100 ° C to 1350 ° C, preferably about 1150 ° C to 1350 ° C.
  • the heating of the metal to be impregnated into the sintered body is preferably performed in a vacuum of 0.01 HPa or less.
  • a step of cooling the inside of the container by introducing the following: turning the container to separate the sintered body after impregnation from the unimpregnated residual molten metal; and cooling the container.
  • the cooling rate in the cooling step is preferably from 1400 ° C to an hour or more, more preferably from 1800 ° C / hour or more, from the temperature at the time of impregnation to 800 ° C.
  • the brake material according to the present invention manufactured in this way has a dynamic friction coefficient at room temperature which is a value necessary for brake control of an airplane or the like, and is at least 0.01, and the base material is C / C. Since it is a composite, it is rich in toughness, excellent impact resistance, and high hardness Having. Therefore, it is possible to overcome the disadvantage that the C / C composite has low resistance to high-temperature wear while maintaining the characteristics of the conventionally used CZC composite.
  • the C / C composite is used as the base material, it is lightweight, has virtually no effect on fuel consumption even when mounted on large-scale transportation equipment, does not cause problems in energy consumption, and saves energy. It can be said that the material meets the requirements of
  • the characteristics of the brake materials obtained in each example were evaluated by the following methods.
  • the amount of wear was determined by measuring the mass W a (mg) before the test of the desk-like test piece and the mass Wb (mg) after the test, and from this, the density p (g / cm 3 ) of the test piece
  • the amount of wear V (mm 3 ) was calculated by the following equation.
  • the test conditions were set based on the brake control conditions for aircraft. That is, in an aircraft, the surface pressure between brake materials during brake control 1.5 to 2. OMPa, and the aircraft lands at 130 kmZhr ⁇ 17 Okm / hr and stops in 20 seconds. In extrapolating this condition, the sliding distance SD was determined assuming that the tire diameter was 2 m, the brake material diameter was 50 Omm, and the tire rotating at 150 km / hr was continuously applied with force for 20 seconds. . That is, the sliding distance is given by the following equation.
  • the sliding distance is 200 rpm, and if it slides for 10 minutes,
  • test piece thickness was 4 mm
  • the temperature was so high that the friction powder could be burned.Therefore, the test piece temperature, which is close to the temperature during normal brake control on an aircraft, is 660 ° C to 700 ° C.
  • the thickness of the test piece was doubled to 8 mm, and the test was performed under conditions that more closely match the actual conditions.
  • prepregs prepared by impregnating a phenolic resin with unidirectionally aligned carbon fibers are laminated so that the carbon fibers are orthogonal to each other, and hot pressed by a hot press.
  • the resin was cured at 10 ° C., 10 kgZ cm 2 .
  • it was fired at 2000 ° C in nitrogen to obtain a fired CZC composite having a density of 1.60 gZcm 3 and a void volume of 15%.
  • this is placed in the same container as metallic copper, and after placing the metallic copper below the container, the metallic copper is heated and melted to melt the metallic copper.
  • the molten metal copper has reached a predetermined temperature, by turning the container and dipping the sintered body in the molten metal copper in the container, Impregnated.
  • Other conditions were in accordance with the conditions described in the publication. In order to keep the dynamic friction coefficient within the desired range, The amount was selected to be 49% by mass%.
  • a test piece of 42 mm square and 4 mm and 8 mm thick and a desk-like test piece of 36 mm in outer diameter, 24 mm in inner diameter, and 8 mm in thickness were cut out, and this test piece was cut out.
  • the coefficient of friction and the amount of wear were measured by the above measurement methods, and the results are shown in Figs.
  • Fig. 2 shows the measurement results after applying a pressing force of 70 kgf and 100 kgf at a rotation speed of 200 rpm for 10 minutes.
  • Fig. 3 shows the results when applying a further pressing force of 70 kgf. This is the measurement result after 5 minutes at 400 rpm.
  • a test piece was similarly cut out from the above sintered body and subjected to a test. This is labeled CZC in Figure 1.
  • the measured values are the values obtained after applying a pressing force of 70 kgf and rotating at 200 rpm for 10 minutes.
  • a fiber composite material with a matrix layer made of Si-SiC-based material on a disc-like C / C composite base material with an outer diameter of 300 mm, an inner diameter of 150 mm, and a thickness of 20 mm was manufactured. was used to produce a brake member.
  • the C / C composite was produced by the method described in JP-A-2000-81062, that is, by the following method.
  • the Puripureda sheet impregnated with phenolic resin to that aligned pull the carbon fibers in one direction are laminated so that the carbon fibers are perpendicular to each other, the resin was cured at 180 D C, 1 0 kg / cm 2 by hot pressing . Then, the mixture was fired at 2000 ° C. in nitrogen to obtain a C / C composite having a density of 1.0 gZcm 3 and an open porosity of 50%.
  • the obtained C / C composite was placed in a carbon crucible filled with Si powder having a purity of 99.8% and an average particle diameter of lmm.
  • firing; The carbon crucible was moved into the door.
  • the temperature in the firing furnace was 1300 ° C
  • the flow rate of argon gas as inert gas was 20NLZ
  • the pressure in the firing furnace was IhPa
  • the holding time was 4 hours. Raises furnace temperature to 1600 ° C to impregnate CZC composite with Si to produce composite material did.
  • a test piece of 42 mm square and 4 mm and 8 mm in thickness and a size of 36 mm in outer diameter, 24 mm in inner diameter, and 8 mm in thickness, as in the production example Each mm-shaped desk-like test piece was cut out, and using this test piece, the coefficient of friction and the amount of wear were measured by the above-described measuring methods.
  • the results are shown in FIG. 1 together with the CZC composite. This is indicated as SCO 1 in FIG.
  • the data in Fig. 1 shows the results obtained by cutting out test pieces from seven samples manufactured under the same conditions and testing these test pieces.
  • the brake material according to the present invention is compared with the brake member disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-81062 previously proposed by the present inventors.
  • the dynamic friction coefficient shows a stable numerical value, and the amount of friction is much smaller than that of the czc composite and the brake material of the comparative example. Therefore, it can be seen that the brake material according to the present invention has excellent characteristics in terms of practicality, particularly, durability. Industrial applicability
  • the brake material according to the present invention exhibits a practicable coefficient of dynamic friction and a small amount of wear, indicating that it is a very promising brake material.
  • it since it is made of a czc composite, it is lightweight, has low energy loss, and meets the demand for energy saving.
  • the base material is a CZC composite, it has high toughness, excellent impact resistance, and high hardness.
  • the brake material according to the present invention is a very promising material as a brake member in a braking device of a large transport machine such as an aircraft.

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Description

明 細 書 ブレーキ材およびその製造方法 技術分野
本発明は、 軽量で、耐摩耗性、 耐酸化性等に優れたブレーキ材に関する。特に、 大型自動車等や航空機などの大型輸送機械の停止または速度制御の際に使用する 速度制御装置に連動して装着されているブレーキ材に関する。 背景技術
軽量で、 耐摩耗性等に優れ、 大型自動車等や航空機などの大型輸送機械におい て装着されている制動装置で使用されるブレーキ用パッドまたはディスクとして は、 現在は高温下での摩擦係数が極めて高く、 軽量であり、 熱変形を生じない材 料であるカーボンファイバ一インコンポジット （以下 czcコンポジットと称す ることもある） が広く使用されている。
このような大型輸送機械においては、 緊急停止のための過大荷重下でのブレー キ制動、 長時間にわたるブレーキ制動、 高頻度でのブレーキ制動等を繰り返す必 要に迫られることがあり、 czcコンポジットを摩擦材として使用した制動装置 の場合には、 摩擦材が空気中で高温下に長時間曝されることとなる。 従って、 摩 擦材は基本的には高温で燃焼しやすい炭素繊維をその主成分とするものであるた めに、 このような条件下では、 酸素と反応して、 著しく摩耗するだけでなく、 発 煙して大事故寸前に至るケースもあると報告されている。 しかしながら、 高温下 における摩擦力の高さ、 ブレーキに装着の際に要求される柔軟性などの性能の点 から、 それに代わる原料を見い出せていないのが現状である。
そこで、 本発明者らは、 複合炭素繊維である c/cコンポジットが有する優れ た耐衝撃性、 軽量等の優れた点を保持しながら、 動摩擦係数において czcコン ポジットよりも優れた性能を有する S i - S i C系材料からマトリックスとを備 えている繊維複合材料からなることを特徴とするブレーキ用部材を特開 2 0 0 0 - 8 1 0 6 2公報において提案している。 さらに、 より安価に入手可能な基材を利用し、 用途、 使用態様等に応じてより 広い製品群から所望とする性能を発揮できる製品を選択できる様にするための品 揃えのために、 用途、 使用態様等に応じた設計性能を有する複合材料として、 複 合炭素繊維である C Z Cコンポジットまたは所望の形状に C / Cコンポジットを 成形して製造した成形体の表面に、 耐摩耗性に優れた、 少なくとも炭化珪素と、 所望により含有されていてもよい金属珪素とからなる複合材部を所定の割合で配 置させて形成することにより製造されるブレーキ用パッドまたはディスク、 およ ぴ同パッドからなるブレーキを 2 0 0 1年 3月 2日出願に係る特願 2 0 0 1 - 5 8 3 1 0明細書中で提案している。
上記の提案に係るブレ一キ材は、 ブレーキ制動の面では申し分ないものの、 耐 摩耗性の点、 特に航空機などの緊急停止条件下における 1 2 0 0 °Cにも達する高 温度下では、 必ずしも、 十分な耐摩耗性を発揮することができず、 その点で十分 な耐久性を発揮できないことが見出された。 特に、 航空機産業においても、 各部 品のより耐使用年限の長期化が望まれており、 ブレーキ材においても例外ではな い。 例えば、 民間航空機においても、 少なくとも通常条件下で 3 0 0 0回の着陸 を十分にこなすことが求められており、 この点でも必ずしも市場のニーズに応え うるものとすることはできない。
一方、 本発明の発明者の一人である半澤等は、 積層体からなる所謂 C / Cコン ポジットに、 銅等の金属を含浸させた摺動性に優れた複合材料を 2 0 0 0年 4月 4日に公開された特開 2 0 0 0 - 9 5 5 8 6公報において提案している。しかし、 このものは、 銅が元来有する特質である熱伝導性を利用したヒートシンクとして の利用に加え、 銅が本来的に有する摺動性を利用するものであり、 ブレーキ材と しての利用は全く考えていない。 発明の開示
本発明は、 上記のような現状に鑑みてなされたもので、 ブレーキ材として必要 とされる制動性を示すに十分な動摩擦係数を具備し、 高温条件下においても、 少 なくとも、 従来から使用されてきている C Z Cコンポジットと同等かそれ以上の 耐摩耗性を示すブレーキ材およびその製造方法の提供を目的とするものである。 本発明者らは上記の目的を達成するために種々検討した結果、 複合炭素繊維で ある C/Cコンポジットまたは所望の形状に CZCコンポジットを成形して製造 した成形体に、 溶融された銅を含浸させて得られる CZCコンポジットと、 同じ /Cコンポジットを構成する繊維間の孔隙部に含浸された所望の量の銅を含む金 属からなるマトリックスとからなり、 少なくとも 0 . 0 1以上の動摩擦係数を有 することを特徴とするブレーキ材が、 上記の目的を達成できることを見出して、 本発明を完成させたものである。
即ち、 本発明によれば、 CZ Cコンポジットと、 金属銅とからなるマトリック スとからなり、 少なくとも 0 . 0 1以上の動摩擦係数を有することを特徴とする ブレーキ材が、 また、 特に、 常温における動摩擦係数が 0 . 0 5〜0 . 4である ブレーキ材、 さらに、 摩耗量が 0 . 0〜0 . 3 mm3Z (N · k m) であるブレー キ材が提供される。 なお、 前記 C/ Cコンポジットは、 少なくとも炭素繊維の束 と炭素繊維以外の炭素成分とを含有するヤーンが三次元的に組み合わされ、 これ らヤーンが互いに分離しない程度に一体化されたヤーン集合体で構成されたもの であるブレーキ材が好適に使用される。 図面の簡単な説明
図 1は、 CZ Cコンポジットと S i— S i C含有の比較例のブレ一キ材の性能 試験の結果を示すグラフである。
図 2は、 本発明に係るブレーキ材の性能試験結果の一例を示すグラフである。 図 3は、 本発明に係るブレーキ材の性能試験結果の他の例を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態
本発明は、 基材である CZCコンポジットと、 C/Cコンポジットを構成する 繊維間の孔隙部に含浸された所望の量の銅を含む金属からなるマトリックスとか らなり、 少なくとも 0 . 0 1以上の動摩擦係数を有することを特徵とするブレー キ材に関する。 本発明において、 基材としては、 CZCコ ポジットを使用する が、 C /Cコンポジットであれば、 特に制限はなく、 通常、 C/Cコンポジット と称されるものであれば、 その製法、 由来等は問わず使用可能である。 例えば、 特開平 2— 80639号公報に記載の方法により製造される積層体様の C/Cコ ンポジットであっても、 また、 各種用途に使用されている所謂凡用性の C/Cコ ンポジットであってもよいことはいうまでもない。
さらに、 所望の孔隙量を有する CZCコンポジットからなる成形体を用意し、 必要に応じて、 その成形体を焼結し、 焼結体を得、 かくして得られた成形体また は焼結体に、 溶融状態とした銅よりなる金属を所望とする量含浸させ、 必要に応 じてさらに焼結し、 同金属で含浸された前記焼結体を室温まで冷却させることを 含むことを特徴とする、 C/Cコンポジットと、 金属銅とから るマトリックス とからなり、 少なくとも 0. 01以上の動摩擦係数を有するブレーキ材の製造方 法が提供される。
マトリックスとしての銅については、 通常の工業用に使用される金属銅であれ ばよく、 例えば、 純銅等が好適に使用される。 なお、 銅以外の他の金属を含む場 合には、 その量が、 ブレーキ制動に著しく不都合を与えない限り、 含まれていて もよいが、 通常、 その量が 50%を超えると、 制動作動中に金属が溶融して遊離 してきて影響を及ぼすことがあるので、 なるべく純度の高い金属銅を使用するこ とが好ましい。
本発明に係るブレーキ材は、 常温における動摩擦係数が少なくとも 0. 01以 上、 好ましくは 0. 01〜0. 4、 さらに好ましくは 0. 1〜0. 4程度である。 さらに、 摩耗量は、 所定の大きさのテストピースを 7 O kg f の押しつけ圧で、 押し付けて試験するとき 20. Omm3// (N · km) 以下、 好ましくは、 10. Omm3/ (N · km) 以下、 より好ましくは、 0. 0〜0. 3 mmV (N · k m) の範囲内であることが好ましい。
ここで成形体とは、 CZCコンポジットを所定の形状に成形後所定温度で焼成 したいわゆる焼結体をも含むものであることはいうまでもない。 なお、 本発明に 係るブレーキ材の製造においては、 基材または同基材からの成形体に対して、 焼 成により所望の量、 即ち、 得られるブレーキ材の動摩擦係数が少なくとも' 0. 0 1以上、 好ましくは 0. 01〜0. 4、 さらに好ましくは 0. 1〜0. 4程度と なるように金属銅を含浸させた後、 焼成し、 このものを必要に応じて、 所望とす る大きさ、 形状に加工することにより、 製造される。 この場合、 動摩擦係数をブ レーキ材としての設計性能を所望の範囲内とするには、 基材である C Z Cコンポ ジッ の含浸前の孔隙量が、 容量％で、 0 . 5 %〜2 0 %程度としたものを使用 することが好ましい。
基材の CZ Cコンポジットに溶融含浸させる金属銅の量は、 全ブレーキ材の質 量の約 1 5 %〜約 6 0 %の範囲内を占めるようにすることが必要である。 約 1 5 %未満では、 航空機のブレーキ制御に必要とされる十分な動摩擦係数が達成で きず、一方約 6 0 %を超えても、 動摩擦係数の増大はそれほど望まれず、 むしろ、 ブレーキ材の重量増をもたらし、 単位当たり燃料の飛行距離の低下となる等の悪 影響がでるので好ましくない。
金属銅を含浸させるに当たっては、 通常は、 2 0 0 0年 4月 4日公開に係る特 開 2 0 0 0— 9 5 5 8 6公報に記載された方法によればよい。 従って、 参考まで に此処に同公報の内容を引用する。
念のため、 本発明に係るブレーキ材の製造方法として概説する。 例えば、 特開 平 2— 8 0 6 3 9号公報に記載の方法により調製された炭素繊維からなるャ一ン の積層体を、 加圧焼成して所望の孔隙量を有する焼結体を得、 このものに金属銅 を含浸させる。 勿論、 汎用性の CZ Cコンポジットを使用してもよい。 但し、 そ の孔隙量は、 容量％で、 0 . 5 %〜2 5 %程度の範囲内にあることが必要なこと はいうまでもない。 この様な汎用性の C/ Cコンポジットとしては、 ァクロス社 製の A C 2 0 0、 日本カーボン社製 C C M 1 9 0 C等が挙げられる。
銅の含浸は、 前記焼結体と少なくとも銅を含む金属とを互いに接触させない状 態で加熱し、所定温度に達した段階で両者を接触させて直ちに高圧力を付与して、 前記金属を前記焼結体中に含浸させ、 ついで、 少なくとも前記金属が含浸された 前記焼結体を室温まで冷却させればよい。 勿論、，金属銅は、 基材の炭素成分とは 元々反応性が極めて低いため、 銅と基材とを接触させたまま加熱し、 銅を溶融さ せても問題はない。
このように、 含浸させようとする金属銅を、 基材となる焼結体と接触させない まま所定温度まで加熱し、 溶融後直ちに接触加圧し、 含浸後は速やかに冷却させ ることにより、 一般に困難とされる焼結体への前記金属銅の含浸処理を容易に行 うことができ、 しかも、 焼結体への前記金属銅の含浸率を所望とする範囲内とす ることができ、 その結果、 所望とする動摩擦係数を有するブレ一キ材を得ること ができる。
含浸工程としては、 特に制限はなく、 前記焼結体と前記金属銅を同一の容器に 入れ、 前記金属銅を前記容器内の下方に配置した後、 前記容器内を負圧又は常圧 状態にし、 溶融金属銅を前記焼結体含浸させるか、 あるいは、 前記金属銅を加熱 溶解して前記金属銅を溶融し、 前記溶融金属銅が所定温度に到達した段階で、 前 記容器を転回して該容器内において前記溶融金属銅中に前記焼結体を浸漬させる ことにより、 前記溶融金属を焼結体中に含浸させてもよい。
含浸の際に、 付与する圧力としては、 10 kg f /cm2 以上、 1000 kg f /cm2 以下であり、 好ましくは 50 kg iノ cm2 以上、 200 k g f / c m2 以下であり、 さらに好ましくは 100 k g iZcm2 以上、 150 k g f/ cm2以下である。 この場合、 前記圧力の付与時間は 10秒以上、 30分以下で あり、 望ましくは 2分以上、 10分以下である。
また、 前記所定温度は、 含浸させようとする前記金属銅の融点より 10°C〜2 50°C高い温度であり、 好ましくは前記融点より 50 〜 200°C高い温度、 即 ち、 1 100°C〜 1350°C、好ましくは、 1150°C〜 1350°C程度である。 この場合、 焼結体に含浸させるべき前記金属の加熱は、 0. 01 HP a以下の真 空中で行うことが好ましい。
前記冷却工程としては、 前記容器を転回して含浸後の前記焼結体と非含浸の残 存溶融金属とを分離する工程と、 前記容器内の前記含浸用ガスを抜き、 速やかに 冷却用ガスを導入して容器内を冷却する工程とを有するようにしてもよく、 前記 容器を転回して含浸後の前記焼結体と非含浸の残存溶融金属とを分離する工程と、 前記容器を冷やし金に接触させることにより、 前記容器内を冷却する工程とを有 するようにしてもよい。
前記冷却工程における冷却速度は、含浸時の温度から 800°Cまで、一 400°C ノ時間以上とすることが好ましく、より好ましくは一 800 °C /時間以上である。 この様にして製造される本発明に係るブレーキ材は、 常温での動摩擦係数が航 空機などのブレーキ制御に必要な値である、 少なくとも 0. 01であり、 また、 基材が C/Cコンポジットであるため、 靱性に富み、 優れた耐衝擊性、 高硬度性 を有する。 従って、 従来使用されている CZCコンポジットが有している特性を 保持したまま、 同 C/Cコンポジッ卜が有する耐高温摩耗性が低いという欠点を 克服することができる。
また、 C/Cコンポジットを基材としていることから、 軽量であり、 大型輸送 機械に実装しても燃料消費に実質的に影響せず、 エネルギーの消費上問題を生ず ることがなく、 省エネルギーの要請にもかなう材料であるといえる。
本発明に係るブレーキ材の表面には、 一部金属銅が露出しており、 ブレーキ制 動の際には、 摩擦熱のために、 一部の銅が溶融し、 互いに焼き付くなどして、 よ りブレーキ制動力を発揮することが考えられる。 実施例
次に、 本発明を実施例および比較例により詳しく説明することとするが、 本発 明はこれらの例により何ら限定されるものではない。
なお、 各例によって得られたブレーキ材は、 以下に示す方法よりその特性を評 価した。
(動摩擦係数および摩耗量の評価方法）
42 mm角で厚さが 4 mmおよび 8 mmのテス卜ピースと大きさ外径 36mm、 内径が 24mm、 厚さが 8mmのデスク様のテス卜ピースを用意し、 これを重ね 合わせ、 治具にセットして、 面圧が 1. 2MP aと 1. 9MP aとなるように荷 重 Fp (N) をかけ、 回転数 200 r pmで 10分間、 40 O r pmで 5分間回 転させつつ、 両テストピ一スを互いに押しつけ、 その際の摩擦力 F s (N) を測 定した。 動摩擦係数の値は下式により算出した。 また、 摩耗量は、 デスク様のテ ストピースの試験前の質量 W a (mg) と試験後の質量 Wb (mg) を測定し、 これと、 テストピースの密度 p (g/cm3) より、 摩耗量 V (mm3) を下式に より算出した。
動摩擦係数 =F s/Fp
摩耗量 V= (Wa-Wb) / p
なお、 この試験条件は、 航空機におけるブレーキ制御条件をモデルとして設定 したものである。 即ち、 航空機では、 ブレーキ制御の際のブレーキ材同士の面圧 は、 1. 5〜2. OMP aであること、 また、 航空機は 130 kmZh r〜 17 O km/h rで着地し、 20秒で停止する。 この条件を外挿するに際し、 タイヤ 径を 2m、 ブレーキ材径を 50 Ommで、 150 km/h rで回転しているタイ ャに 20秒間力をかけ続けたと仮定し、 摺動距離 SDを求めた。 即ち、 摺動距離 は下式で与えられる。
摺動距離 S D= 150 X (20/ (60 X 60) ) ÷4
= 0. 208 km
となる。 また、 デスク様のテストピースの半径の真中では、 摺動距離は、 回転数 200 r pmで、 10分間摺動したとすると、
摺動距離 SD= 2 ΧττΧ θ. 015 X 200 X 10
= 0. 188 km
となる。 この摺動距離に類似させて上記条件を採用したものである。
なお、 テストピースの肉厚は、 4mmでは、 摩擦粉が焼けるほどの高温となつ たため、航空機での通常ブレーキ制御時に近い温度となるテストピースの温度が、 660°C〜700 となるような条件として、 テストピースの肉厚を倍の 8 mm として、 より実際の条件に合わせた条件下でも試験した。
(実施例）
特開平 2— 80639号公報に記載の方法に基づき、 炭素繊維を一方向に引き 揃えたものにフエノール樹脂を含浸させたプリプレダシ一トを炭素繊維が互いに 直交するように積層し、ホットプレスで 180°C、 10 k gZ cm2で樹脂を硬化 させた。 ついで、 窒素中で 2000°Cで焼成し、 密度 1. 60 gZcm3、 空隙量 が 15 %の CZCコンポジットの焼成体を得た。
特開 2000— 95586公報記載の方法に従い、 このものを金属銅と同一の 容器に入れ、 前記金属銅を前記容器内の下方に配置した後、 金属銅を加熱溶解し て前記金属銅を溶融し、 前記溶融金属銅が所定温度に到達した段階で、 前記容器 を転回して該容器内において前記溶融金属銅中に前記焼結体を浸漬させる工程に より、 前記溶融金属を焼結体中に含浸させた。 その他の条件は、 同公報記載の条 件に従った。 なお、 動摩擦係数を所望の範囲内とするために、 使用した金属銅の 量は、 質量％で 49%となる量を選択した。
かくして得られたブレーキ材から、 42mm角で厚さが 4mmおよび 8mmの テストピースと大きさ外径 36 mm、 内径が 24mm、 厚さが 8mmのデスク様 のテストピースそれぞれを切り出し、 このテストピースを使用して、 上記の測定 方法により、 摩擦係数、 および摩耗量を測定し、 その結果は図 2および図 3に示 す。 なお、 図 2は、 70 k g f と 100 k g fの押しつけ力をかけたときの、 回 転数 200 r p m、 10分後の測定結果であり、 図 3は、 さらに、 70 k g fの 押しつけ力をかけたときの、 回転数 400 rpm、 5分後の測定結果である。 なお、 比較のために、 上記の焼結体そのものから同じようにテストピースを切 り出し試験に供している。 このものは、 図 1では、 CZCと表示している。 また、 測定値は、 70 k g fの押しつけ力をかけたときの、 回転数 200 rpm、 10 分後のものをそれぞれ示す。
(比較例）
外径 300mm、 内径 150mm、 厚さ 20 mmの大きさを有する円盤様 C/ Cコンポジット基材に、 S i— S i C系材料からなるマトリックス層を配した繊 維複合材料を製造し、 これを用いてブレーキ用部材を製造した。
C/Cコンポジットは、 特開 2000— 81062公報に記載の方法、 即ち、 以下のような方法により製造した。
炭素繊維を一方向に引き揃えたものにフエノール樹脂を含浸させたプリプレダ シートを炭素繊維が互いに直交するように積層し、 ホットプレスで 180DC、 1 0 k g/cm2で樹脂を硬化させた。 ついで、 窒素中で 2000°Cで焼成し、 密度 1. 0gZcm3、 開気孔率 50 %の C/Cコンポジットを得た。
次に、 得られた C/Cコンポジットを、 純度 99. 8 %で平均粒径 lmmの S i粉末で充填されたカーボンるつぼ内に施設した。 ついで、 焼成;):戸内にカーボン るつぼを移動した。 焼成炉内の温度を 1300°C、 不活性ガスとしてアルゴンガ ス流量を 20NLZ分、 焼成炉内圧を IhPaとし、 またその保持時間を 4時間 として処理した後、焼成炉内の圧力をそのまま保持しつつ、炉内温度を 1600°C に昇温することにより、 CZCコンポジットに S iを含浸させて複合材料を製造 した。
かくして得られたブレーキ材から、 製造例と同様に、 4 2 mm角で厚さが 4 m mおよび 8 mmのテス卜ピースと大きさ外径 3 6 mm、 内径が 2 4 mm、 厚さが 8 mmのデスク様のテストピースそれぞれを切り出し、 このテストピースを使用 して、 上記の測定方法により、 摩擦係数、 および摩耗量を測定し、 その結果は、 CZ Cコンポジットと共に図 1に示す。 なお、 このものは、 図 1中では S C O 1 として表記している。 なお、 図 1のデ一夕は、 同一の条件で製造した 7点の試料 からそれぞれテストピースを切り出し、 このテストピースについて試験して得ら れた結果を示す。
図 1〜図 3から明らかなとおり、 本発明に係るブレーキ材は、 本発明者らが先 に提案した特開 2 0 0 0— 8 1 0 6 2公報に開示のブレーキ用部材に比較して、 動摩擦係数において安定した数値を示すと共に、 摩擦量においては、 czcコン ポジット、 比較例のブレーキ材に比較して、 格段に少なくなることがわかる。 従 つて、 本発明に係るブレーキ材は、 実用性、 特に、 耐久性の点で優れた特質を有 していることがわかる。 産業上の利用可能性
本発明に係るブレーキ材は実用可能な動摩擦係数を示し、 また、 摩耗量が少な いことから、 極めて有望なブレーキ材であることがわかる。 また、 czcコンポ ジットを基材としていることから、 軽量であり、 エネルギーの損失が少なく、 省 エネルギーの要請にも添う。 さらに、 基材が CZCコンポジットであるため、 靱 性に富み、 優れた耐衝撃性、 高硬度性を有する。
従って、 本発明に係るブレーキ材は、 上記の結果からも明らかなとおり、 航空 機などの大型輸送機械の制動装置におけるブレーキ用部材として極めて有望な素 材 ¾> o

Claims

請 求 の 範 囲
1 . CZCコンポジットと、 金属銅とからなるマトリックスとからなり、 少な くとも 0 . 0 1以上の動摩擦係数を有することを特徴とするブレーキ材。
2. 常温における動摩擦係数が 0 . 0 5〜0 . 4である請求項 1に記載のブレ —キ材。
3 . 摩耗量が 0 . 0〜0 . 3 mm3/ (N · k m) である請求項 1または 2に記 載のブレ一キ材。
4. 前記 C/Cコンポジットは、 少なくとも炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭 素成分とを含有するヤーンが三次元的に組み合わされ、 これらヤーンが互いに分 離しない程度に一体化されたヤーン集合体で構成されたものである請求項 1〜 3 のいずれか 1項に記載のブレーキ材。
5 . 所望の孔隙量を有する C/Cコンポジットからなる成形体を用意し、 必要 に応じて、 その成形体を焼結し、 焼結体を得、 かくして得られた成形体または焼 結体に、 溶融状態とした銅よりなる金属を所望とする量含浸させ、 必要に応じて さらに焼結し、 同金属で含浸された前記焼結体を室温まで冷却させることを含む ことを特徴とする、 CZ Cコンポジットと、 金属銅とからなるマトリックスとか らなり、 少なくとも 0 . 0 1以上の動摩擦係数を有するブレーキ材の製造方法。
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