JPH03194228A - 周囲を補強したカーボンブレーキ - 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】 本発明は、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（７くは、周囲を補強したカーポンプレキディス
クあるいはカーボンブレーキパッドに関するものである
。

従来、カーボンブレーキディスクは、その厚さ方向から
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向にほぼ平行になっていた。こ
のため、摩擦係数か低く、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
があった。

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）をランダムに配向させる試
みがなされている（特開昭５８３０５３７号公報）。し
かし、この技術においては、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
に至っていない。

本発明者等は、このような問題について鋭意見当の結果
、大部分の繊維を摺動面に対し角度をもって配向させ、
且つ、周囲を補強することによって、これらの問題を改
善しうろことを見出した。

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
って配向しており、内周若しくは外周のいずれか、又は
、内周及び外周の両方が一方向炭素繊維又は炭素繊維織
物にて旋回配置されてなる周囲を補強したカーボンブレ
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、■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って
配向しているとは、別言すれば、成形特摺動面の方向か
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、角度をもって配向している。

また、本発明では、このようなカーポンプレキの内周６
、及び、カーボンブレーキの外周７のいずれか、又は、
内周６及び外周７の両方が、一方向炭素繊維又は炭素繊
維織物にて旋回配置されている。８はスロットル部（切
欠き部）を示す。

このような本発明のカーボンブレーキは、摺動面に対し
炭素繊維が角度をもって配向しており、更に、周囲が補
強されているために、ブレーキ作動時において、摩擦係
数か高く、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
などを行って製造される。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、ピッ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°Ｃ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、フェノー
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、緻密化するために該複合材をフラン、フェノール
等の各樹脂あるいはコールタールピッチ等に含浸し、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７００〜２０００℃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・ペーパー・デイポジション）
。

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って行われる。

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。

必要によっては、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
ディスクブレーキに有用である。

次に、力〜ボンブレーキディ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
、フェノール、フラン、エポキシ、ポリイミドの各樹脂
なと）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って
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
ことによっ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、該成形物を彫物を得る。次
いで、該ディ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っ
て、マトリッ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っては、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ィスク状カーボン
祠にしてもよい。

次に、該カーボン材にピッ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って緻
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・ペーパー・デイポジション
法によって行ってもよい。

２）フィラメントワインディング法 フェ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ィ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）に角度をもっ
て捲例ける方法によって円筒状成形物を得た後、不活性
雰囲気中での焼成、ディスク状に切断加工、緻密化及び
熱処理を行って、本発明のカーボンブレーキを得る。

炭素繊維フィ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ィラメントクロスあ
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］二、焼成、緻密化、
熱処理等を行う。

埋設している炭素繊維が摺動面に角度をもって配向して
いる複合材の外周若しくは内周又は外周と内周の両方に
一方向炭素繊維あるいは炭素繊維織物を旋回するのは、
複合材の硬化前、硬化後、焼成後、緻密化後あるいは熱
処理後のいずれでもよい。

流動成形法の場合には、使用する雌型のキャビテイ外周
部あるいは雄型外周部に熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊
維を旋回積層した後に、前記流動成形法で成形可能であ
る。

また、マンドレルを使用する製造法は、マンドレルにあ
らかじめ熱硬化性樹脂を含浸した一方向炭素繊維あるい
は炭素繊維織物をその周方向に旋回積層した後、前記フ
ィラメントワインディング法又はクロスローリング法で
成形する。

前記のいずれかの方法で成形した後、切断後、焼成後、
緻密化後、熱処理後のいずれかの段階で熱硬化性樹脂を
含浸した炭素繊維を旋回積層させ、硬化及び焼成等を行
ってもよい。

以上の如く、炭素繊維が摺動面に角度をもって配向した
本発明のカーボン材の場合、炭素繊維が摺動面とほぼ平
行している従来のカ−０ ボン材と比較して、周方向あるいは半径方向の強度が低
下する傾向があるが、苛酷な使用条件下で高い強度が要
求される場合には、本発明の如く外周又は／及び内周に
一方向炭素繊維又は炭素繊維織物を旋回積層して補強す
ることが有効である。この補強はディスクブレーキ等の
外周あるいは内周の固定用の切欠き部（スロットル部）
に特に有効である。

この切欠き部を補強した場合には、複合材を所定形状よ
り若干小さめに切削加工した後、炭素繊維を旋回積層し
所定の形状を得る。

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、いずれを先に行ってもよい。

即ち焼成後熱処理し、その後、緻密化するか、順序を逆
にして行う。

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］１ に行うと、材料が脆いため、加工し難い。従って、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、緻密化することは、緻密化効果をより高めること
ができる。

これは、切断によって表面積が一層大きくな前に行う。

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
。

実施例ル ゾール型フェノール樹脂を含浸した炭素繊維フィラメン
ト束〔樹脂含有量３２重量％〕を２０ｍｍに切断してチ
ョ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図に示す金型キャビティ（雌型中央部）に充填
し、ホット２ プレスにて１．７０℃、２０　ｋｇｌ’／ｃｍ’　、６
０分硬化さを得た。

次に、該複合材の外周及び内周に、レゾール型フェノー
ル樹脂を含浸した炭素繊維一方向プリプレグ〔樹脂含有
量３２重量％〕を周方向に厚さ　１■に旋回積層した。

得られた複合材を窒素雰囲気中２℃／ｍｉｎで１０００
℃まで昇温しで３０分保持し、有機質マトリックスを炭
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２
００℃でピッチを含浸した後、窒素雰囲気中１．０００
℃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’Ｃ／ｈｒで２０Ｈ℃に
昇温しで３０分保持して（熱処理工程）、密度！、、８
５ｇ／ｃｍ”　、外径１１．７ｍＩＩ＋、内径５３ｎ＋
ｍり厚さ１０ｍｍのカーボンブレーキを得た。

該ブレーキ材を摺動面（ディスク面）と直角　３ 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 東邦レーヨン（株）製の炭素繊維紡績糸織物（８枚朱子
、目イｔ　３２０ｇ／　ｍ　’　）にフラン樹脂（ヒタ
フランＶ　Ｆ−３０２、触媒０，５重量％含有）を４Ｄ
Ｏｚ／　ｍ　２塗布し、７０°Ｃで３Ｄ分プレキュアし
た後、ｉＮ、Ｏｍｍ、長さ２５ｍｍに切断して、クロス
・チョップ・プリプレグを得た。該プリプレグを実施例
１と同じ金型を用いて成形して、ディスク状の複合材を
得た。

次に、該複合材の外周に、レゾール型フェノール樹脂を
含浸した炭素繊維プリプレグ〔平織、ＣＦ目付：　２０
０ｇ／ｍ’　、樹脂含有量３５重量％〕を周方向に厚さ
　１ｍｍに旋回積層した。

得られた複合材を実施例１と同じ方法で焼成、緻密化、
熱処理を行い、厚さｌ０ｎｖ、外径１１７ｍｍ　。

内径５５ｍＩＩｌ、密度１．　、８５ｇ／　ｃｍ”のカ
ーボンディスクを作成した。

　４ 比較例１ 外周及び内周に炭素繊維一方向プリプレグを旋回積層せ
ずに、チョツプドストランドプリプレグを用いて実施例
１と同し方法にて成形、切削加］二、焼成、緻密化、熱
処理を行い、密度１−６５ｇ／ｃｍＸ、外径１．１５ｍ
ｍ　、内径５５ｍｍ、厚さ１０ｍｍのカーボンブレーキ
祠を得た。

比較例２ 外周に炭素繊維織物プリプレグを旋回積層せずに、炭素
繊維紡績糸織物プリプレグを用いて実施例２と同し方法
にて成形、切削加工、焼成、緻密化、熱処理を行い、密
度１．　、８５ｇ／　ｃｍ’　、外径１．１−！ｏｎＩ
ＩＩ、内径５５ｍｍ、厚さ１．　ＯＥ　ｍのカーポンプ
レキ祠を得た。

比較例３ 東邦レーヨン（株）製の炭素繊維紡績糸織物（８枚朱子
、目イ”ｌ’３２０ｇ／ｍ　２）にフラン樹脂（ヒタフ
ランＶ　Ｆ−３０２、触媒０．５重量％含有）を４．０
１１ｇ／　ｍ　’塗布し、７０°Ｃで２０分プレキュア
した後、外径１．１．５　ｍ　ｍ、内径５５ｍｍに必要
枚数切断し、５ 第３図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。

該複合側を実施例］と同様に切削加工、焼成、緻密化、
熱処理を行い、密度１　、６５ｇ／ｃｍ’外径１１５ｍ
＋ｎ、内径５５ｍ１ｉ、厚さ１．　Ｏｍ　ｍのカーボン
ブレーキ祠を得た。

各実施例及び比較例で製作したディスク２個について、
ダイナモメータ−による動摩擦試験を行った。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
の変動は少なく、また、試験圧力を」二げても破損等の
トラブルは認められなかったが、比較例においては、摩
擦特性の大きな変動が認められ、また、高圧試験時にス
ロットル部より破損が生じるトラブルが認められた。

　６

【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１折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％式％ 第４図は、ブレーキパッドの一般的形状の斜視図を示し
たものである。 】：繊維、２：繊維の方向、３：雄型、４：雌型、５：
摺動面（摩擦面）、６：ブレーキの内周、７：ブレーキ
の外周、８：スロットル部（切欠き部）を示す。矢印は
ブレーキの摺動方向を示している。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）埋設されている炭素繊維が摺動面に対し角度をも
   って配向しており、内周若しくは外周のいずれか、又は
   、内周及び外周の両方が一方向炭素繊維又は炭素繊維織
   物にて旋回配置されてなる周囲を補強したカーボンブレ
   ーキ。