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

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。