JP2000081062A - ブレーキ用部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐磨耗性を有するとともに、軽量であり、さ
らに、耐衝撃性に優れるとともに、強酸化腐食環境での
耐食性、耐クリープ性、耐スポーリング性をも併せ持
ち、酸素の存在下高温条件での耐摩耗性の高いブレーキ
用部材を提供する。 【解決手段】 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、互いに分離しないように一体化されているヤーン集
合体と、このヤーン集合体中で隣り合う前記ヤーンの間
に充填されている、Ｓｉ−ＳｉＣ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ブレーキ用部材
を採用することで達成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、大型陸上輸送機
械、例えば、大型自動車等の停止又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
ディスク用の摩擦材として使用されるブレーキ用部材に
関する。

【０００２】

【従来の技術】 大型自動車等の大型陸上輸送機械にお
いて装着されている制動装置で使用される摩擦材として
は、現在は高温下での摩擦係数が極めて高く、軽量であ
ることからコンポジットカーボンファイバー（以下Ｃ／
Ｃと称することもある）が広く使用されている。

【０００３】 このような大型陸上輸送機械において
は、その運転状況の変化に応じてブレーキによる制動を
長時間続けざるを得なかったり、又は高頻度でブレーキ
による制動を繰り返す必要に迫られることがあり、結果
としてＣ／Ｃ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、この様な
条件下では、酸素と反応して、著しく摩耗するだけでな
く、発煙を発生させたり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、高温下に於ける
摩擦力の高さ、ディスク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、それに変わる原料を見い
出せていないのが現状である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】 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、高温が発生することを余儀なくされる大型陸上輸
送機械のブレーキ用摩擦材としては、酸素存在下ではそ
の摩耗が激しく可成りの頻度での交換作業を必要とする
ことのないブレーキ用摩擦材を提供することを目的とす
るものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】 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、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、互いに分離しないように一
体化されているヤーン集合体と、このヤーン集合体中で
隣り合う前記ヤーンの間に充填されている、Ｓｉ−Ｓｉ
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
からなる繊維複合材料が、ブレーキ用の摩擦材として優
れた耐衝撃性、軽量等の優れた点を保持しつつ、高温の
発生を余儀なくされるディスクブレーキ用の摩擦材とし
て使用しても、酸素存在下でも充分な耐摩耗性を示し、
交換作業の頻度もＣ／Ｃコンポジットの様に高頻度で行
うことを必要とせずに継続使用が可能となり、これによ
り上記の目的を達成できることを見い出し、本発明を完
成させたものである。

【０００６】 本発明に係るブレーキ用摩擦材（以下単
にブレーキ用部材ということもある）を構成する繊維複
合材料は、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料から成るマトリックスが
三次元的に組み合わされ、互いに分離しないように一体
化された炭素繊維からなるヤーン集合体の間に一体的に
形成されている。後述するようにＳｉ−ＳｉＣ系材料か
ら形成されるマトリックスの層を設ける場合には、その
厚さは、少なくとも０．０１ｍｍあることが好ましい。
更に少なくとも０．０５ｍｍ以上であることが好まし
く、少なくとも０．１ｍｍ以上であることが一層好まし
い。さらに、上記のブレーキ用摩擦材を構成する繊維複
合材料において、前記マトリックスが前記ヤーンから離
れるのに従って、珪素の含有比率が上昇する傾斜組成を
有していることが好ましく、上記繊維複合材料は窒化ホ
ウ素、ホウ素、銅、ビスマス、チタン、クロム、タング
ステン及びモリブデンから成る群より選択した１又は２
以上の物質を含有してもよい。又、上記のブレーキ用摩
擦材は、常温に於ける動摩擦係数が０．０５〜０．６で
あることが好ましい。使用温度が上昇すると共に、常温
時と比較して急速に動摩擦係数が上昇することが好まし
い。

【０００７】

【発明の実施の形態】 本発明のブレーキ用摩擦材は、
Ｃ／Ｃコンポジットから成る母材にＳｉ−ＳｉＣ材料か
ら成る層を配したセラミックス・金属・炭素から成る複
合材料を用いて構成される。

【０００８】 以下、本発明のブレーキ用摩擦材に用い
る新規な繊維複合材料について説明する。これは、いわ
ゆるＣ／Ｃコンポジットを基本とし、その基本的な構成
に改善を加えた新しい概念の材料である。基本素材とし
て使用するＣ／Ｃコンポジットとしては、直径が１０μ
ｍ前後の炭素繊維を、通常、数百本〜数万本束ねて繊維
束（ヤーン）を形成し、この繊維束を二次元または三次
元方向に配列して一方向シート（ＵＤシート）や各種ク
ロスとしたり、また上記シートやクロスを積層したりす
ることにより、所定形状の予備成形体（繊維プリフォー
ム）を形成し、この予備成形体の内部に、ＣＶＩ法（Ch
emical Vapor Infiltration ：化学的気相含浸法）や無
機ポリマー含浸焼結法等により、炭素から成るマトリッ
クスを形成して成るＣ／Ｃコンポジットとして知られて
いるものを使用すればよい。本発明に於いて使用するＣ
／Ｃコンポジットは、上記のヤーン中の炭素繊維以外の
炭素成分は、好ましくは炭素粉末であり、特に好ましく
は黒鉛化した炭素粉末である。

【０００９】 本発明に於いて使用する上記の繊維複合
材料は、母材としてＣ／Ｃコンポジットを用いており、
その炭素繊維の構造が、破壊されることなく保持されて
いるという大きな特徴を有している。しかも、ヤーン集
合体中で隣り合うヤーンの間に、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料か
らなるマトリックスを充填した微構造を有している。

【００１０】 本発明において、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料と
は、主成分としてシリコンと炭化珪素とを含有する材料
の総称であり、このＳｉ−ＳｉＣ系材料は以下のように
して製造されるものをいう。本発明では、Ｃ／Ｃコンポ
ジットまたはその成形体に対して、シリコンを含浸させ
るが、その際シリコンはコンポジット内の炭素繊維を構
成する炭素原子及び／又は炭素繊維の表面に残存してい
る遊離炭素原子と反応し、一部が炭化されるために、Ｃ
／Ｃコンポジットの最表面や炭素繊維からなるヤーンと
ヤーンとの間には、一部炭化されたシリコンが生成し、
かくして上記のヤーンとヤーンとの間には炭化されたシ
リコンを含むマトリックスが形成される。このマトリッ
クスにおいては、ほぼ純粋に珪素が残留している珪素相
から、ほぼ純粋な炭化珪素相に至るまで、いくつかの相
異なる相を含み得る。つまり、このマトリックスは、典
型的には珪素相と炭化珪素相とからなるが、珪素相と炭
化珪素相との間に、珪素をベースとして炭素の含有量が
傾斜的に変化しているＳｉ−ＳｉＣ共存相を含み得る。
従って、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料とは、このようなＳｉ−Ｓ
ｉＣ系列において、炭素の濃度が０ｍｏｌ％から５０ｍ
ｏｌ％まで変化している材料の総称である。

【００１１】 本発明に係るブレーキ用摩擦材の原料と
して使用される上記繊維複合材料は、マトリックスが、
ヤーンの表面に沿って生成している炭化珪素相を備えて
いることが好ましい。この場合には、各ヤーンそれ自体
の強度がより一層向上し、破壊しにくくなる。また、上
記繊維複合材料は、好ましくは、マトリックスが珪素か
らなる珪素相を備えており、この珪素相とヤーンとの間
に炭化珪素相が生成している。この場合には、ヤーンの
表面が炭化珪素相によって強化されるのと共に、マトリ
ックスの中央部分が比較的に硬度の低い珪素相からなる
ことから、微視的な応力分散が一層促進される。

【００１２】 また、この繊維複合材料は、好ましく
は、ヤーンの表面から離れるのに従って珪素の含有比率
が上昇する傾斜組成を有するマトリックスを有してい
る。また、この繊維複合材料は、好ましくは、ヤーン集
合体が複数のヤーン配列体を備えており、各ヤーン配列
体がそれぞれ複数のヤーンをほぼ平行に二次元的に配列
することによって形成されており、各ヤーン配列体が積
層されることによってヤーン集合体が構成されている。
これによって、繊維複合材料が、複数層のヤーン配列体
を一方向へと向かって積層した積層構造を有することに
なる。

【００１３】 この場合において特に好ましくは、隣接
するヤーン配列体における各ヤーンの長手方向が互いに
交差していることである。これによって、一層応力の分
散が促進される。隣り合うヤーン配列体におけるヤーン
の長手方向は、特に好ましくは、直交している。また、
好ましくは、マトリックスが、繊維複合材料の中で互い
に連続することで三次元網目構造を形成している。この
場合において特に好ましくは、マトリックスが各ヤーン
配列体においてほぼ平行に二次元的に配列されており、
隣り合う各ヤーン配列体中に生成しているマトリックス
が互いに連続しており、これによってマトリックスが三
次元格子を形成している。また、隣り合うヤーンの間隙
には、１００％マトリックスが充填されていてもよい
が、ヤーンの間隙のうち一部をマトリックスが充填して
いる場合も含む。

【００１４】 本発明に係るブレーキ用部材は、上記の
ように製造された特定量のＣ／Ｃコンポジットから成る
母材と、同母材を構成する上記ヤーン集合体とヤーンと
ヤーンとの間にマトリックスとして三次元的格子状に形
成されたＳｉ−ＳｉＣ系材料と、からなる繊維複合材料
から製造される。本発明のブレーキ用摩擦材は常温での
動摩擦係数が０．０５〜０．６と大きく、又、耐酸化
性、耐クリープ性、耐スポーリング性を有するＳｉ−Ｓ
ｉＣ系材料から成るマトリックス層を表面に配すること
により、Ｃ／Ｃコンポジットの有する低耐酸化性を克服
することができ、酸素存在下において高温下に余儀なく
曝されるブレーキ用摩擦材としても使用が可能である。
かかる条件下での摩耗量は、５００℃で１．０％／時間
以下、より好ましくは０．６％／時間以下である。又、
優れた耐磨耗性をも併せ持つ。

【００１５】 又、Ｃ／Ｃコンポジットを母材としてい
ることから、軽量であり、大型陸上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
題を生ずることが無く、省エネルギーの要請にもかなう
材料であるといえる。さらに、母材がＣ／Ｃコンポジッ
トであるため、靱性に富み、優れた耐衝撃性、高硬度性
を有する。従って、従来使用されているＣ／Ｃ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
ジット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。又、Ｃ／Ｃコンポジットは連続した開
気孔を有するので、この気孔に対して含浸形成されるＳ
ｉ−ＳｉＣは、連続構造をとり三次元網目構造をとる。
従って、どの部分を切り出しても、母材となったＣ／Ｃ
コンポジットに比して高い耐磨耗性を有し、かつ本来Ｃ
／Ｃコンポジットが持っている高い放熱性、柔軟性など
も維持される。

【００１６】 尚、Ｃ／Ｃコンポジットとは、前述の如
く、二次元または三次元方向に配列した炭素繊維の間隔
に炭素から成るマトリックスを形成して成る素材である
が、炭素繊維を１０〜７０％含有していれば、例えば窒
化ホウ素、ホウ素、銅、ビスマス、チタン、クロム、タ
ングステン、モリブデン等の炭素以外の他の元素を含ん
でいてもよい。

【００１７】 Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリック
ス層を表面に有するものを用いた場合には、Ｓｉ−Ｓｉ
Ｃ材料が溶融してガラスとなり母材を酸素から保護する
速度の方が、酸素の母材内部への拡散よりも大きいた
め、このような事態を回避でき、母材を酸化から保護す
ることができる。即ち、本発明に係るブレーキ用部材の
場合には、自己修復性を示し、より長期間に亙る使用が
可能となる。この効果は、Ｓｉが前述の窒化ホウ素、
銅、ビスマス等の第三成分を含有しても有効である。

【００１８】 さらに、ＳｉＣ材料は熱膨張係数がＣ／
Ｃコンポジットより大きいため、長期間のブレーキ制動
により発生する高温下での使用において、ＳｉＣ材料か
ら成る層が剥離するおそれがあるのに対し、Ｓｉ−Ｓｉ
Ｃ系材料の熱膨張係数はＣ／Ｃコンポジットと同程度で
あるため、熱膨張係数の差に起因する剥離を防ぐことが
でき、ブレーキ用部材として優れた特質を有する物であ
るとすることができる。

【００１９】 本発明に使用する繊維複合材料につい
て、図面を使用して更に説明することとする。図１は、
ヤーン集合体の概念を説明するための概略斜視図であ
り、図２（ａ）は図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図であ
り、図２（ｂ）は図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図であ
る。図３は、図２（ａ）の一部拡大図である。繊維複合
材料７の骨格は、ヤーン集合体６によって構成されてい
る。ヤーン集合体６は、ヤーン配列体１Ａ、１Ｂ、１
Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆを上下方向に積層してなる。各ヤ
ーン配列体においては、各ヤーン３が二次元的に配列さ
れており、各ヤーンの長手方向がほぼ平行である。上下
方向に隣り合う各ヤーン配列体における各ヤーンの長手
方向は、直交している。即ち、各ヤーン配列体１Ａ、１
Ｃ、１Ｅの各ヤーン２Ａの長手方向は、互いに平行であ
り、かつ各ヤーン配列体１Ｂ、１Ｄ、１Ｆの各ヤーン２
Ｂの長手方向に対して直交している。各ヤーンは、炭素
繊維と、炭素繊維以外の炭素成分とからなる繊維束３か
らなる。ヤーン配列体が積層されることによって、三次
元格子形状のヤーン集合体６が構成される。各ヤーン
は、後述するような加圧成形工程の間に押しつぶされ、
略楕円形になっている。

【００２０】 各ヤーン配列体１Ａ、１Ｃ、１Ｅにおい
ては、隣り合う各ヤーンの間隙には、マトリックス８Ａ
が充填されており、各マトリックス８Ａはヤーン２Ａの
表面に沿ってそれと平行に延びている。各ヤーン配列体
１Ｂ、１Ｄ、１Ｆにおいては、隣り合う各ヤーンの間隙
には、マトリックス８Ｂが充填されており、各マトリッ
クス８Ｂは、ヤーン２Ｂの表面に沿ってそれと平行に延
びている。本例では、マトリックス８Ａ、８Ｂは、それ
ぞれ、各ヤーンの表面を被覆する炭化珪素相４Ａ、４Ｂ
と、炭化珪素相４Ａ、４Ｂよりも炭素の含有割合が少な
いＳｉ−ＳｉＣ系材料相５Ａ、５Ｂからなっている。炭
化珪素相中にも珪素を一部含有していてよい。また、本
例では、上下方向に隣接するヤーン２Ａと２Ｂとの間に
も、炭化珪素相４Ａ、４Ｂが生成している。各マトリッ
クス８Ａと８Ｂとは、それぞれヤーンの表面に沿って細
長く、好ましくは直線状に延びており、各マトリックス
８Ａと８Ｂとは互いに直交している。そして、ヤーン配
列体１Ａ、１Ｃ、１Ｅにおけるマトリックス８Ａと、こ
れに直交するヤーン配列体１Ｂ、１Ｄ、１Ｆにおけるマ
トリックス８Ｂとは、それぞれヤーン２Ａと２Ｂとの間
隙部分で連続している。この結果、マトリックス８Ａ、
８Ｂは、全体として、三次元格子を形成している。

【００２１】 図４は、他の実施形態に係るブレーキ用
部材を構成する他の繊維複合材料の要部を概略的に示す
部分断面斜視図である。本例では、上下方向に隣り合う
各ヤーン２Ａと２Ｂとの間には炭化珪素相が実質的に存
在していない。各ヤーン配列体において、隣り合うヤー
ン２Ａと２Ａとの間、あるいはヤーン２Ｂと２Ｂとの間
には、それぞれマトリックス８Ａ、８Ｂが形成されてい
る。マトリックス８Ａ、８Ｂの形態は、上下方向に隣り
合うヤーン間に炭化珪素相がないことを除けば、図１〜
図３の例と同様である。各マトリックス８Ａ、８Ｂは、
それぞれ、ヤーン２Ａ、２Ｂの表面に接して生成してい
る炭化珪素相５Ｃと、その内側にヤーンとは離れて生成
しているＳｉ−ＳｉＣ系材料相４Ｃとを備えている。

【００２２】 Ｓｉ−ＳｉＣ系材料相においては、それ
ぞれ、ヤーンの表面から離れるほど、炭素濃度が少なく
なる傾斜組成を有していることが好ましく、あるいは、
珪素相からなっていることが好ましい。本発明に係るブ
レーキ用部材用の材料としては、図５に示すように、Ｃ
／Ｃコンポジット１５と、Ｃ／Ｃコンポジット１５の表
面にシリコンが含浸されることによって生成するマトリ
ックス層１３とを備えていることが好ましく、特にマト
リックス層１３の表層部には珪素層１４が形成されてい
るものもが好ましい。なお、１２は、珪素を含浸させる
前のＣ／Ｃコンポジット本体の範囲を示す。また、本発
明のブレーキ用部材の全体を、上記の繊維複合材料から
形成することも好ましい。

【００２３】 本発明のブレーキ用部材に用いる複合材
料は、図５に示すように、表面近傍に珪素のみからなる
層が形成されたマトリックス層２からなるものであるこ
とが好ましい。Ｓｉ−ＳｉＣ材料を母材表面に単にコー
ティングするだけでは、高温酸化条件下においては両者
の熱膨張係数差により、容易にＳｉ−ＳｉＣ材料から成
る層が剥離するが、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料を繊維複合材料
のマトリックス層として形成することにより、繊維の積
層方向での強度が増し、剥離を防止でき、ひいてはブレ
ーキ用部材に耐久性を付与することができる。

【００２４】 ここで、Ｓｉ−ＳｉＣ材料を母材に含浸
させることにより形成されるマトリックス層１３の厚さ
は、少なくとも０．０１ｍｍあることが好ましい。更に
少なくとも０．０５ｍｍ以上あることが好ましく、少な
くとも０．１ｍｍ以上であることが一層好ましい。この
マトリックス層１３の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合
は、高酸化条件下において、ブレーキ用部材として要求
される耐久性を充分に付与することができないからであ
る。

【００２５】 又、本発明のブレーキ用部材において、
マトリックス層１３におけるＳｉ濃度は、表面から内部
に向かって小さくなることが好ましい。マトリックス層
１３におけるＳｉ濃度に傾斜を持たせることにより、強
酸化腐食環境での耐食性及び強度、表層部及び内層部の
欠陥へのヒーリング機能を著しく向上させることがで
き、さらには熱膨張係数差による材料の熱応力劣化を防
止できる。これは、表層部のＳｉ濃度が、内層部のＳｉ
濃度よりも相対的に高いため、発生したマイクロクラッ
クが、加熱中にヒーリングされ、耐酸化性を保持するか
らである。又、本発明のブレーキ用部材に用いるＣ／Ｃ
コンポジットは、窒化ホウ素、ホウ素、銅、ビスマス、
チタン、クロム、タングステン及びモリブデンから成る
群より選択した１又は２以上の物質を含有してもよい。
これらの物質は潤滑性を有するため、Ｃ／Ｃコンポジッ
トから成る母材に含有させることにより、Ｓｉ−ＳｉＣ
材料が含浸した母材の部分においても、繊維の潤滑性を
維持することができ、靱性の低下を防ぐことができる。
尚、例えば、窒化ホウ素の含有量は、Ｃ／Ｃコンポジッ
トから成る母材１００重量％に対し、０．１〜４０重量
％であることが好ましい。０．１重量％未満では窒化ホ
ウ素による潤滑性付与の効果が十分に得られず、４０重
量％を超える場合は窒化ホウ素の脆さがブレーキ用部材
に現れてくるからである。

【００２６】 このように、本発明のブレーキ用部材
は、Ｃ／Ｃコンポジットの耐衝撃性、高硬度性及び軽量
性と、Ｓｉ−ＳｉＣ材料の、耐酸化性、耐スポーリング
性、自己潤滑性、耐磨耗性等を併せ持ち、さらに、自己
修復性をも有するため、高温酸化条件下での使用に長期
間耐えることができ、具体的には、大型陸上輸送機械の
分野において、ブレーキ用部材として、好適に用いるこ
とができる。

【００２７】 本発明に於いて使用される繊維複合材料
は、好ましくは以下の方法によって製造できる。即ち、
炭素繊維の束に対して、最終的には、遊離炭素となり炭
素繊維の束のマトリックスとして作用する粉末状のバイ
ンダーピッチ、コークス類を包含させ、更に必要に応じ
てフェノール樹脂粉末等を含有させることによって、炭
素繊維束を作製する。炭素繊維束の周囲に、熱可塑性樹
脂等のプラスチックから成る柔軟な被膜を形成し、柔軟
性中間材料を得る。この柔軟性中間材料を、ヤーン状に
し特願昭６３−２３１７９１号明細書に記載のように、
必要量を積層した後、ホットプレスで３００〜２０００
℃、常庄〜５００ｋｇ／ｃｍ²の条件下で成形すること
によって、成形体を得る。または、この成形体を、必要
に応じて７００〜１２００℃で炭化させ、１５００〜３
０００℃で黒鉛化して、焼結体を得る。

【００２８】 炭素繊維は、石油ピッチ若しくはコール
タールピッチを原料とし、紡糸用ピッチの調整、溶融紡
糸、不融化及び炭素化して得られるピッチ系炭素繊維並
びにアクリロニトリル（共）重合体繊維を炭素化して得
られるＰＡＮ系炭素繊維のいずれのものでもよい。マト
リックスの形成に必要な炭素前駆体としては、フェノー
ル樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂及びタール、ピ
ッチ等が用いられるが、これらはコークス類、金属、金
属化合物、無機及び有機化合物等を含んでいてもよい。

【００２９】 次いで、上記のように作製された成形体
又は焼結体とＳｉとを、１１００〜１４００℃の温度
域、炉内圧０．１〜１０ｈＰａで１時間以上保持する。
好ましくは、この際、成形体又は焼結体とシリコンの合
計重量１ｋｇ当たり０．１ＮＬ（ノルマルリットル：１
２００℃、圧力０．１ｈＰａの場合、５０６５リットル
に相当）以上の不活性ガスを流しつつ、成形体又は焼結
体表面にＳｉ−ＳｉＣ層を形成する。次いで、温度１４
５０〜２５００℃、好ましくは１７００〜１８００℃に
昇温して前記成形体又は焼結開気孔内部へシリコンを溶
融、含浸させ、Ｓｉ−ＳｉＣ材料を形成させる。又、こ
の過程において、成形体を用いた場合は、前記成形体の
焼成も行われ、繊維複合材料が生成する。

【００３０】 成形体又は焼結体とＳｉを、１１００〜
１４００℃の温度、０．１〜１０ｈＰａの圧力に１時間
以上保持し、かつその際、成形体又は焼結体とＳｉの合
計重量１ｋｇ当たり不活性ガスを０．１ＮＬ以上、好ま
しくは１ＮＬ以上、さらに好ましくは１０ＮＬ以上流す
ように制御することが望ましい。このように、焼成時
（即ち、Ｓｉの溶融、含浸前の段階）不活性ガス雰囲気
にすることにより、無機ポリマーないし無機物のセラミ
ックス化への変化に伴うＣＯ等の発生ガスを焼成雰囲気
より除去し、また大気中のＯ₂等による外部からの焼成
雰囲気の汚染を防止することによりその後にＳｉを溶
融、含浸して得られる複合材料の気孔率を低く維持する
ことができる。

【００３１】 また、成形体又は焼結体へＳｉを溶触、
含浸する際には、雰囲気温度を１４５０〜２５００℃、
好ましくは１７００〜１８００℃に昇温する。この場
合、焼成炉内圧は０．１〜１０ｈＰａの範囲が好まし
い。

【００３２】 上記のように、柔軟性中間材料を使用
し、珪素の含浸、溶融と組み合わせると、成形体または
焼結体において、ヤーンの間隙には細長い開気孔が残る
傾向があり、この細長い開気孔に沿って珪素が焼結体ま
たは成形体の奥まで浸透し易い。この浸透の過程で、珪
素がヤーンの炭素と反応してヤーン表面側から徐々に炭
化し、本発明で使用する繊維複合材料を生成させること
ができる。なお、用途に応じて、この様な構成を有する
繊維複合材料をＣ／Ｃコンポジットからなる母材の表層
部の一部にのみいわゆる繊維複合材料層として形成して
もよい。

【００３３】 マトリックス層の深さの調節は、成形体
又は焼結体の開気孔率及びその細孔径により行う。例え
ば、Ｓｉ−ＳｉＣ材料層の厚さを０．０１〜１０ｍｍと
する場合には、少なくとも成形体又は焼結体の表面近傍
における開気孔率を５〜５０％、平均細孔径を１μｍ以
上とする。成形体又は焼結体の開気孔率は１０〜５０％
であることが好ましく、平均細孔径は１０μｍ以上とす
ることが好ましい。開気孔率を５％未満とすると、成形
体または焼結体中のバインダーを除去しきれず、５０％
より大きくすると、母材の内部深くにまでＳｉ−ＳｉＣ
材料が含浸形成し、複合材料の耐衝撃性が低下するから
である。

【００３４】 また、繊維複合材料層をＣ／Ｃコンポジ
ットの表面にのみ形成するには、少なくとも表面近傍の
開気孔率が焼結中に０．１〜３０％になるように調整し
た成形体を用いることが好ましい。

【００３５】 成形体又は焼結体の開気孔率を、表面か
ら内部に向かって小さくなるようにするには、バインダ
ーピッチの異なるプリフォームドヤーンから成る複数の
プリフォームドシートを、内側から表層側に向かってバ
インダーピッチが大きくなるように配置して成形するこ
とにより行う。

【００３６】 又、上記の繊維複合材料層における珪素
濃度に傾斜を設ける場合には、表面近傍の開気孔率が表
面から内部に向かって小さくなるように調整した焼結
体、又は少なくとも表面近傍の開気孔率が焼結中に表面
から内部に向かって小さくなるように調整した成形体を
用いて、繊維複合材料の製造を行う。

【００３７】 本発明に係るブレーキ用部材は、上記の
ように製造した繊維複合材料を平面研削盤等により適宜
な寸法に切断加工し、平面研削仕上げすることにより製
造される。本発明のブレーキ用部材は、大型輸送機械等
のブレーキ用部材として、使用できる。

【００３８】

【実施例】 次に、本発明を実施例を用いてさらに詳し
く説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるもの
ではない。尚、各例によって得られた複合材料は、以下
に示す方法よりその特性を評価した。

【００３９】（動摩擦係数の評価方法）テストピースを
ジグにセットして１００ｒｐｍで１０分間回転させ、相
手材（ＳＵＪ、１０ｍｍ球）を２ｋｇの荷重Ｆｐ（Ｎ）
でテストピースに押し付け、その際の摩擦力Ｆｓ（Ｎ）
を測定した。摩擦係数の値は下式により算出した。 摩擦係数μ＝Ｆｓ／Ｆｐ

【００４０】（比磨耗量の評価方法）テストピースをジ
グにセットして１００ｒｐｍで１０分間回転させ、相手
材（ＳＵＪ１０ｍｍ球）を２ｋｇの荷重Ｐでテストピー
スに押し付け、試験前の重量Ｗａ（ｍｇ）と試験後の重
量Ｗｂ（ｍｇ）を測定した。テストピースの密度ρ（ｇ
／ｃｍ³）より、磨耗量Ｖ（ｍｍ³）を下式により算出し
た。 Ｖ＝（Ｗａ−Ｗｂ）／ρ 比磨耗量Ｖｓ（ｍｍ³／（Ｎ・ｋｍ））は、磨耗量Ｖ
（ｍｍ³）、試験荷重Ｐ（Ｎ）及び摺動距離Ｌ（ｋｍ）
より、下式にて算出した。 Ｖｓ＝Ｖ／（Ｐ・Ｌ）

【００４１】（耐酸化性の評価方法）テストピースを１
１５０℃の炉内（１％Ｏ₂、９９％Ｎ₂）へ放置し、２０
０時間後の重量の減少率を測定することにより、耐酸化
性を評価した。

【００４２】（圧縮強さの評価方法）テストピースに圧
縮荷重を加え、下記の式により算出した。 圧縮強さ＝Ｐ／Ａ （式中、Ｐは最大荷重時の荷重、Ａはテストピースの最
小断面積を表す。）

【００４３】（高温酸化条件下における重量減少率）所
定量のテストピースを大気中で、４００℃、１００時間
保持した後、重量を測定し、試験開始前の重量から試験
終了後の重量を引き算し、減少重量を求め、これを試験
開始前の重量に対する減少率として算出した。

【００４４】（層間セン断強さの評価方法）テストピー
スの厚さｈの４倍の距離を支点間距離として３点曲げを
行い、下式により算出した。 層間セン断強さ＝３Ｐ／４ｂＨ （式中、Ｐは破壊時の最大曲げ荷重、ｂはテストピース
の幅を表す。）

【００４５】（曲げ弾性率の評価方法）テストピースの
厚さｈの４０倍の距離を支点間距離Ｌとして３点曲げを
行い、荷重−たわみ曲線の直線部の初期の勾配Ｐ／σを
用いて、下式により算出した。 曲げ弾性率＝１／４・Ｌ³／ｂｈ³・Ｐ／σ （式中、ｂはテストピースの幅を表す。）

【００４６】（自己修復性の評価方法）Ｍａｘ：２０Ｍ
Ｐａ〜Ｍｉｎ：５ＭＰａの繰返し応力を１０万回印加
し、内部にマイクロクラックを発生させた後、９００℃
で２時間アルゴン雰囲気下でアニールし、圧縮強度の測
定を行った。

【００４７】（５％重量減の温度測定方法）大気中で充
分な気流の流れを与えつつ、１０℃／分の割合で昇温し
ながら、試料の重量の変化を測定し、試料の重量が５％
の減少を示す温度を求める。

【００４８】（実施例１）１０ｍｍの厚さを有するＣ／
Ｃコンポジット母材に、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料から成るマ
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。Ｓｉ−ＳｉＣ系材料を
母材に含浸させて成形させた繊維複合材料層の表面から
の厚さは５０μｍとした。Ｃ／Ｃコンポジットは以下の
方法で製造した。炭素繊維を一方向に引き揃えたものに
フェノール樹脂を含浸させたプリプレグシートを炭素繊
維が互いに直交するように積層し、ホットプレスで１８
０℃、１０ｋｇ／ｃｍ²で樹脂を硬化させた。次いで、
窒素中で２０００℃で焼成し、密度１．０ｇ／ｃｍ³、
開気孔率５０％のＣ／Ｃコンポジットを得た。

【００４９】 次に、得られたＣ／Ｃコンポジットを、
純度９９．８％で平均粒径１ｍｍのＳｉ粉末で充填され
たカーボンるつぼ内に施設した。次いで、焼成炉内にカ
ーボンるつぼを移動した。焼成炉内の温度を１３００
℃、不活性ガスとしてアルゴンガス流量を２０ＮＬ／
分、焼成炉内圧を１ｈＰａ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℃に昇温することにより、Ｃ／Ｃコン
ポジットにＳｉを含浸させて複合材料を製造した。

【００５０】 上記の複合材料から、テストピースを、
Ｓｉ−ＳｉＣ材料とＣ／Ｃコンポジットが十分複合化し
ているＣ／Ｃコンポジット表層近傍から切り出し、平面
研削盤により縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの大
きさに切断加工した後、８００＃砥石で平面研削仕上げ
し、ブレーキ用部材とした。得られた摺動材の研削面に
おける表面粗さはＲａ＝１μｍであり、平面度は真直度
で２μｍであった。

【００５１】 得られたブレーキ用部材の摩擦係数、比
磨耗量、耐酸化性、層間セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾
性率、高温酸化条件下での耐摩耗性、５％重量減温度等
の測定結果を表１に示す。また、前記５％重量減温度を
測定したときの温度と重量減との関係を示すチャートを
図６に示す。ここで、材料の摩擦係数は繊維の積層方向
に対し、平行な方向の値とした。

【００５２】（比較例１）実施例１と同様にＣ／Ｃコン
ポジットを製造した。得られた、Ｃ／Ｃコンポジットを
平面研削盤により縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍ
の大きさに切断加工した後、８００＃砥石で平面研削仕
上げし、ブレーキ用部材とした。得られたブレーキ用部
材の研削面における表面粗さはＲａ＝２５μｍであり、
平面度は真直度で６μｍであった。得られたブレーキ用
部材の性能について実施例１と同様方法により評価して
その結果を表１に併せて示す。

【００５３】

【表１】

【００５４】 表１より、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、互いに分離しないように一体化されてい
るヤーン集合体と、このヤーン集合体中で隣り合う前記
ヤーンの間に充填されている、Ｓｉ−ＳｉＣ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ブレ
ーキ用部材は、従来からブレーキ用部材として使用され
ているＣ／Ｃコンポジット材と同程度の摩擦係数を有す
ると共に、酸素の存在下での高温条件での耐摩耗性にお
いて著しく優れていることがわかる。

【００５５】 比磨耗量についても、本発明に係るブレ
ーキ用部材は、比較例１のＣ／Ｃコンポジットに比べ、
１／５以下であることがわかる。更にＣ／Ｃコンポジッ
トに比べ、圧縮強さ及び層間セン断強さにおいて優れた
値を示し、曲げ弾性率においてＣ／Ｃコンポジットと同
程度の値を示した。Ｓｉ−ＳｉＣ材料を含浸させること
により、Ｃ／Ｃコンポジットに比べ、圧縮強さが大きく
なるのは、炭素繊維の間にＳｉＣ材料が入り込むことに
よるものと考えられる。

【００５６】

【発明の効果】 本発明のブレーキ用部材は酸素の存在
下での高温条件での耐摩耗性において著しく優れてお
り、耐酸化性、耐クリープ性、耐スポーリング性を有す
るＳｉ−ＳｉＣ材料から成る層を表面に配しているた
め、Ｃ／Ｃコンポジットの有する低耐酸化性を克服する
ことができ、高温で且つ酸素存在下においても、使用が
可能である。又、優れた耐磨耗性をも併せ持つ。又、Ｃ
／Ｃコンポジットを母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
も沿う。さらに、母材がＣ／Ｃコンポジットであるた
め、靱性に富み、優れた耐衝撃性、高硬度性を有する。
従って、高温で且つ酸素の存在下で使用されることとな
る大型輸送機械の制動装置に於けるブレーキ用部材とし
て極めて有望な素材であることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のブレーキ用部材に使用する一つの繊
維複合材料の基本構造をなすヤーン集合体の構造を模式
的に示す斜視図である。

【図２】 （ａ）は図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図であ
り、（ｂ）は図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。

【図３】 図２（ａ）の一部拡大図である。

【図４】 本発明に係るブレーキ用部材に使用可能な別
の態様の繊維複合材料の要部を概略的に示す部分断面斜
視図である。

【図５】 本発明のブレーキ用部材に使用する一つの繊
維複合材料の断面構造を示す模式図である。

【図６】 温度と重量減少との関係を示すチャートであ
る。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…ヤーン配列体、
２Ａ…ヤーン、２Ｂ…ヤーン、３…繊維束（ヤーン）、
４Ａ…炭化珪素相、４Ｂ…炭化珪素相、４Ｃ…炭化珪素
相、５Ａ…Ｓｉ−ＳｉＣ系材料相、５Ｂ…Ｓｉ−ＳｉＣ
系材料相、５Ｃ…Ｓｉ−ＳｉＣ系材料相、６…ヤーン集
合体、７…繊維複合材料、８Ａ…マトリックス、８Ｂ…
マトリックス、１１…繊維複合材料、１２…珪素を含浸
させる前のＣ／Ｃコンポジット本体の範囲、１３…繊維
複合材料層、１４…珪素層、１５…Ｃ／Ｃコンポジッ
ト。

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Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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層方向に配向しつつ三
   次元的に組み合わされ、互いに分離しないように一体化
   されているヤーン集合体と、このヤーン集合体中で隣り
   合う前記ヤーンの間に充填されている、Ｓｉ−ＳｉＣ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。
2. 【請求項２】 前記マトリックスが、前記ヤーンの表面
   に沿って生成している炭化珪素相を備えていることを特
   徴とする請求項１に記載のブレーキ用部材。
3. 【請求項３】 前記マトリックスが珪素からなる珪素相
   を備えており、この珪素相と前記ヤーンとの間に前記炭
   化珪素相が生成していることを特徴とする請求項２に記
   載のブレーキ用部材。
4. 【請求項４】 前記マトリックスが前記ヤーンから離れ
   るのに従って、珪素の含有比率が上昇する傾斜組成を有
   していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項
   に記載のブレーキ用部材。
5. 【請求項５】 前記ヤーン集合体が複数のヤーン配列体
   を備えており、各ヤーン配列体がそれぞれ複数のヤーン
   をほぼ並行に二次元的に配列することによって形成され
   ており、前記ヤーン配列体が積層されることによって前
   記ヤーン集合体が構成されていることを特徴とする請求
   項１〜４のいずれか１項に記載のブレーキ用部材。
6. 【請求項６】 前記マトリックスが、前記繊維複合材料
   の中で互いに連続することで三次元網目構造を形成して
   いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記
   載のブレーキ用部材。
7. 【請求項７】 常温の於ける動摩擦係数が０．０５〜
   ０．６である請求項１〜６のいずれか１項に記載のブレ
   ーキ用部材。
8. 【請求項８】 比磨耗量が０．０〜０．３ｍｍ³／Ｎ・
   ｋｍである請求項１〜７のいずれか１項に記載のブレー
   キ用部材。
9. 【請求項９】 大気中で１０℃／分の割合で昇温したと
   きに5％重量減少が生じる温度が６００℃以上である請
   求項１〜８のいずれか１項に記載のブレーキ用部材。