JP3859748B2

JP3859748B2 - 航空機用ブレーキ材

Info

Publication number: JP3859748B2
Application number: JP17625095A
Authority: JP
Inventors: 哲朗松村; 隆行岡本; 巌山本; 敏弘深川
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; KYB Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; KYB Corp
Priority date: 1995-07-12
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH0925970A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は環状ディスク形状の炭素繊維強化炭素（Ｃ／Ｃ）複合材よりなり、特に航空機の車輪に取付けられる多層ディスクブレーキ用のブレーキディスク材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般のブレーキ材料は回転体と固定体を摩擦接合することにより運動エネルギーを熱エネルギーへ変換させ、運動している物体を減速、さらには停止させる機能を持っているものである。
近年高速化や大型化による重量増により、特に航空機用ブレーキ材としては、Ｃ／Ｃ複合材が、その優れた熱伝導率と、大きな熱容量、高強度等から、多くの飛行機で実用化される様になってきている。
【０００３】
一般にＣ／Ｃ複合材はＰＡＮ系、ピッチ系、或いはレーヨン系などの長又は短炭素繊維にフェノール樹脂、フラン樹脂などの熱硬化性樹脂或いはピッチ類などの熱可塑性樹脂等を含浸又は混合して加熱成形したものを非酸化性ガス雰囲気において焼成し、更に緻密化、黒鉛化処理することにより製造されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そして航空機用のＣ／Ｃブレーキ材として望まれている特性としては、第一に定められた停止距離以内に停止できる制動能力を有する材料であること、つまり適度な摩擦係数を有する材料であることである。
第２に着陸時や走行時のブレーキ操作時に過大な制動トルク値を発生し、いわゆるガク効きを起こせしめたり、機体の脚部に過大な荷重を負わせたりしない性状を有していることが望まれる。すなわち過大な摩擦係数を有しない材料で且つ最大ピークトルク値が適度な値を示す材料であることである。
【０００５】
第３に航空機は滑走路上においてエンジン起動時においても停止状態を維持する制動力を有する必要がある。つまり適度なブレーキ圧力において停止状態を維持するだけの静的トルク値を示す材料であることである。
最後に摩耗量が小さいことが必要である。Ｃ／Ｃ複合材はマトリックス炭素と炭素繊維からなるものであるが、ブレーキ材として使用した時には摺動面から炭素繊維又はマトリックス炭素がはがれ落ちることにより、摩耗し使用回数に限界があるがこれを大巾に改良し、ブレーキの寿命を延ばすことである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで発明者等は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を繰り返した結果、特定の材料と製法を用いることにより、上記の要求を満足する航空機用Ｃ／Ｃ複合材製のブレーキ材が得られることを見出し、本発明に到達した。すなわち本発明の要旨は、環状ディスク形状の炭素繊維強化炭素（Ｃ／Ｃ）複合材製のステーターとローターが交互に配置されている構造のブレーキ装置に使用されるブレーキ材であって、該Ｃ／Ｃ複合材が、引張弾性率が１０〜２５ｔ／ｍｍ ² であり、かつ不活性ガス雰囲気下で１６００〜２０００℃で焼成し
たときに引張弾性率が５０ｔ／ｍｍ ² 以上となるピッチ系炭素繊維が二次元ランダムに配
向したシートにピッチ及び／又は樹脂を含浸させたものを焼成してＣ／Ｃ複合材とし、更にこれにケミカルベーパーデポジション（ＣＶＤ）によりＣＶＤによる炭素の体積含有率が１５〜３０％になるまで緻密化処理を施したのち、ピッチ及び／又は樹脂含浸による緻密化処理を施したものを、１５００〜２０００℃で黒鉛化処理して得られたものであり、嵩密度が１．６０〜１．８５ｇ／ｃｍ ³ 、ロックウエル硬度計Ｐスケールで測定した硬度
が９５〜１２０ＨＲＰ、炭素繊維の体積含有率が３０〜４５％である航空機用Ｃ／Ｃ複合材製ブレーキ材に存する。このものは航空機用ブレーキ材として好適な
（１）動的摩擦係数０．１７〜０．２３
（２）最大ピークトルク値７５４〜８３３ｋｇ・ｍ（＝５７００〜６３００ＦＴ−ＬＢＳ）
（３）最小静的トルク値２６５〜３９７ｋｇ・ｍ（＝２０００〜３０００ＦＴ−ＬＢＳ）
（４）摩耗量３×１０ ^-4 ｍｍ／回／面以下
という要求特性を満足する。
【０００７】
以下、本発明を詳細に説明する。本発明で用いる炭素繊維としては、ピッチ系、ＰＡＮ系、あるいはレーヨン系炭素繊維等の公知のものが使用出来るが特にピッチ系炭素繊維を用いるのが望ましくさらに云えば、炭素繊維の引張弾性率が９８〜２４５ＧＰａ（＝１０〜２５ｔ／ｍｍ ² ）のもので、不活性ガス雰囲気下で１６００〜２０００℃で焼成して引張弾性率が４９０ＧＰａ（＝５０ｔ／ｍｍ ² ）以上に変換される性質を有するものであるとさらに望ましい。
【０００８】
用いられる炭素繊維の形態としては複数の単繊維からなるトウ、ストランド、ロービング、ヤーン等の形態であり、これらをカッティングすることにより得られる短繊維を用いるのが好ましい。これら短繊維は複数の短繊維の束から形成されており、本発明においては、通常０．３〜１００ｍｍ、好ましくは５〜５０ｍｍ程度の短繊維を使用し、Ｃ／Ｃ複合材とする際に該短繊維を解繊し、分散し、二次元ランダムのシートを作製し、マトリックス物質をその間に充填させることが好ましい。
【０００９】
ここで、乾式解繊し、二次元ランダムに配向したシートの具体的な製造方法としては例えば紡績において一般的な機械的に炭素繊維をモノフィラメント化し、シートを作製するランダムウェバーを使用して製造したり、またはエアーにより解繊し、シートを製造する方法などがある。
【００１０】
また、湿式解繊し、二次元ランダムに配向したシートを製造する方法としては、例えばパルプ等の叩解処理に通常使用されているビーターや解繊処理に用いられるパルパーを使用し、溶媒中で短繊維状炭素繊維を解繊後、例えば底部にスクリーンを有する型枠等に少量ずつ供給したり、解繊後攪拌等の手段で均一に分散させ、金網等で抄紙後、乾燥させて作製する方法がある。短繊維状の炭素繊維を均一に分散させる溶媒としては、好ましくは水、あるいはアセトン、炭素数１〜５のアルコール、アントラセン油等を用いるがその他の有機溶剤を用いてもよい。又該溶媒中にフェノール樹脂、フラン樹脂あるいはピッチ等を分散もしくは溶解させておくと、炭素繊維同志が接着された状態となり、次工程での取り扱いをより容易とするので好ましい。更に、繊維素グリコール酸ナトリウム、ポリビニルアルコール、ヒドロキシセルロース等の増粘剤を溶媒中に加えておくと、その効果が更に増大となるので好ましい。
【００１１】
シートの目付（１ｍ²当りの重量）としては、種々のものが取り得るが、取り扱い性、含浸性、均一性を考えると１０〜５００ｇ／ｍ²が最適である。
この様にして得られた二次元ランダムに配向したシートにフェノール樹脂、フラン樹脂、あるいは石油系、石炭系ピッチ等のマトリックスを含浸させた後乾燥する。その際、マトリックスはアルコール、アセトン、アントラセン油等の溶媒に溶解して適正な粘度に調整したものを使用する。
【００１２】
次いで、この乾燥したシートを積層して金型へ充填し１００〜５００℃の温度で加圧成形してＶｆ（繊維含有量）＝５〜６５％、好ましくは１０〜６５％、さらに好ましくは４５〜５５％程度の成形体を得る。その後、Ｎ₂ガスなどの不活性ガス雰囲気中で１〜２００℃／ｈの昇温速度で８００〜２５００℃まで昇温し、焼成してＣ／Ｃ複合材を得る。
【００１３】
上記焼成したＣ／Ｃ複合材を適宜、例えばＣＶＤを単独、又は、ＣＶＤとピッチ及び／又は樹脂と組み合わせることにより緻密化処理を行ない、さらに強度の向上を図るのが良い。具体的には、次の２種が挙げられる。
【００１４】
１）樹脂又はピッチによる緻密化処理
所定温度に加熱された槽に上記Ｃ／Ｃ複合材を載置し、槽内を真空とした後、樹脂又は溶融ピッチを供給し、焼成により生じた空隙にマトリックスを含浸する。この後再度８００〜２５００℃の温度で焼成する。上記工程を繰り返すことにより目的のＣ／Ｃ複合材の緻密化処理を行う。
【００１５】
２）ＣＶＤによる緻密化処理
誘導加熱コイル又は、抵抗加熱等により反応器内に載置した上記Ｃ／Ｃ複合材を加熱し、メタン又はプロパンの様な炭化水素類あるいはハロゲン化炭化水素類の蒸気をＨ₂ガス、Ａｒガス或いはＮ₂ガスと共に反応器内へ供給し、生成する熱分解炭素で空隙を含浸し、緻密化する。さらに必要に応じて黒鉛化処理を行うことができる。
【００１６】
ＣＶＤ又はＣＶＤとピッチ及び／又は樹脂による緻密化はＣＶＤ体積％（即ち、ＣＶＤ体積含有率）が１５〜３０％となる迄緻密化した後、必要に応じて嵩密度が１．５５〜１．８５、好ましくは１．６０〜１．７５になるまで緻密化される。
【００１７】
そして、緻密化の後に黒鉛化される場合をも、黒鉛化後の嵩密度が１．５５〜１．８５、好ましくは１．６０〜１．７５になるまで緻密化される。該黒鉛化処理は通常１４００〜２４００℃、好ましくは１５００℃〜２０００℃で行なわれる。
【００１８】
この様にして製造されたＣ／Ｃ複合材はロックウェル硬度計で測定した硬度が９５〜１２０ＨＲＰであり、Ｖｆ（ＣＦ体積含有率、即ち、炭素繊維含有率）が３０〜４５％である。
【００１９】
以下にブレーキ性能の試験方法について説明する。
（ブレーキ性能試験）
航空機ブレーキ用材料としての試験は、図１の様にＣ／Ｃ複合材からローター３枚、ステーター２枚、オグジアリーステーター２枚を加工して作成したブレーキ部品を組み立て行なう。
【００２０】
回転表面速度が１７０ｋｍ／ｈｒに調節し、この初速度から停止までの吸収エネルギーが２．４５×１０ ⁵ 〜３．３５×１０ ⁵ Ｋｇ・ｍ（＝１．８５×１０ ⁶ 〜２．５３×１０ ⁶ ＦＴ−ＬＢＳ）になる様に設定されたフライホイールに外径５５．８ｃｍのタイヤに上記ブレーキ部品を取り付けたものをタイヤがフライホイール表面で空滑りしないのに充分な押し付け圧で押し当て、ブレーキ材に対して面圧０．４９〜０．６９ＭＰａ（＝５〜７ｋｇ／ｃｍ ² ）の圧力をかけて４２０ｍ以内の制動距離で停止させたときの停止時間と面圧から動摩擦係数（μ）を算出する。
【００２１】
最大ピークトルク値は、上記と同様の試験装置でフライホイールの回転表面速度を９２．６ｋｍ／ｈｒとし、ブレーキ材に対して面圧１３ｋｇ／ｃｍ2 で停止させた時に発生した最大トルク値として計測される。静的トルク値は、上記と同様の試験装置でブレーキ材に対して面圧１．３ＭＰａ（＝１３ｋｇ／ｃｍ ² ）で、停止させた状態でフライホイール又はタイヤを回転させる時に必要なトルク値から計測される。
【００２２】
摩耗量は動的摩擦係数を算出する為の試験を５〜５０回繰り返し行ない、試験終了前後の厚さの変化から計測される。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を、実施例を用いて、より詳細に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、実施例に限定されるものではない。
【００２４】
（実施例１）
３０ｍｍ長に切断したピッチ系炭素繊維（三菱化学製「ダイアリード」Ｋ３２１）を解繊し、二次元ランダムに配向した１７６ｇ／ｍ²の炭素繊維シートを得た。このシートへエタノールで希釈したフェノール樹脂を含浸させた後、乾燥し、目付量３１６ｇ／ｍ²のフェノール樹脂を含浸したシートを作製した。このシートを金型内へ積層し、２５０℃にて加圧成形しＶｆ≒５０％の成形体を得た。この成形体を加熱炉で焼成したあと前述のＣＶＤによる緻密化処理（ＣＶＤ体積％≒２０％）樹脂又はピッチによる緻密化処理を行ない嵩密度≒１．６８、Ｖｆ＝４０％、ロックウェル硬度１００〜１１０ＨＲＰのＣ／Ｃ複合材を得た。
【００２５】
このＣ／Ｃ複合材のブレーキ性能試験を摺動面半径１０５ｍｍ、７枚の合計厚さ１０５ｍｍとして行ったところ、

の結果を得た。
【００２６】
（実施例２）
実施例１と同様の２次元ランダム炭素繊維シート（１２２ｇ／ｍ²）にフェノール樹脂を含浸させ、目付２４２ｇ／ｍ²のシートとした。これを実施例１と同様に成形し、Ｖｆ≒４５％の成形体を得た。この成形体に実施例１と同様の方法で緻密化処理を行い、嵩密度≒１．６３、Ｖｆ＝３５％、ロックウェル硬度１１０〜１２０ＨＲＰのＣ／Ｃ複合材を得た。
【００２７】
このＣ／Ｃ複合材のブレーキ性能試験をしたところ、

の結果を得た。
【００２８】
（比較例１）
実施例１と同様の成形体を加熱炉で焼成したあと、ピッチのみで緻密化を行い、嵩密度≒１．８２、Ｖｆ＝４０％、ロックウェル硬度１００〜１１０ＨＲＰのＣ／Ｃ複合材を得た。
【００２９】
このＣ／Ｃ複合材のブレーキ性能試験を行った結果、実施例１と硬度もＶｆも同等で密度はむしろ高いにもかかわらず、
動的摩擦係数０．３４
摩耗量４．９×１０^-4ｍｍ／回／面
と、実施例１に比べ、大きく劣る結果となった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により、航空機用ブレーキとして最適な炭素繊維強化炭素材を得た。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明にて用いたブレーキ材の試験方法の説明図である。
【符号の説明】
１ローター
２ステーター
３オグジアリステータ

Claims

環状ディスク形状の炭素繊維強化炭素（Ｃ／Ｃ）複合材製のステーターとローターが交互に配置されている構造のブレーキ装置に使用されるブレーキ材であって、該Ｃ／Ｃ複合材が、引張弾性率が１０〜２５ｔ／ｍｍ ² であり、かつ不活性ガス雰囲気下
で１６００〜２０００℃で焼成したときに引張弾性率が５０ｔ／ｍｍ ² 以上となるピッチ炭素繊維が二次元ランダムに配向したシートにピッチ及び／又は樹脂を含浸させたものを焼成して、Ｃ／Ｃ複合材とし、更にこれにケミカルベーパーデポジション（ＣＶＤ）によりＣＶＤによる炭素の体積含有率が１５〜３０％になるまで緻密化処理を施したのち、ピッチ及び／又は樹脂含浸による緻密化処理を施したものを、１５００〜２０００℃で黒鉛化処理して得られたものであり、嵩密度が１．６０〜１．８５ｇ／ｃｍ ³ 、ロックウエル硬度計Ｐスケールで測定した硬度が９５〜１２０ＨＲＰ、炭素繊維の体積含有率が３０〜４５％である航空機用Ｃ／Ｃ複合材製ブレーキ材。
動的摩擦係数が０．１７〜０．２３、最大ピークトルク値が７５４〜８３３ｋｇ・ｍ、最小静的トルク値が２６５〜３９７ｋｇ・ｍ及び摩耗量が３×１０^-4ｍｍ／回／面以下である請求項１記載の航空機用Ｃ／Ｃ複合材製ブレーキ材。
但し、動的摩擦係数、最大ピークトルク値、最小静的トルク値及び摩耗量は下記により算出するものとする。
動的摩擦係数：同一のＣ／Ｃ複合材製の摺動面半径１０５ｍｍのローター３枚、ステーター２枚、オグジアリステーター２枚を用いて、ローターとステーターが交互に配置されているブレーキ装置を組立てる。フライホイールの回転表面速度が１７０ｋｍ／ｈｒから回転停止までの吸収エネルギーが１．８５〜２．５３×１０ ⁶ ＦＴ・ＬＢＳ（２．４５〜３．３５×１０ ⁵ ｋｇ・ｍ）になるように設定されたフライホイールに外径が５５．８ｃｍのタイヤに上記ブレーキ装置を取付け、５〜７ｋｇ／ｃｍ ² （０．４９〜０．６９ＭＰａ）の面圧をかけ、４２０ｍ以内で制動させたときの停止時間と面圧から算出する。
最大ピークトルク値：上記の動的摩擦係数の測定に用いた装置で、フライホイールの回転表面速度を９２．６ｋｍ／ｈｒとし、これに１３ｋｇ／ｃｍ ² （１．３ＭＰａ）の面圧をかけて停止させたときの最大トルク値。
最小静的トルク値：上記の動的摩擦係数の測定に用いた装置で、１３ｋｇ／ｃｍ ² （１．３ＭＰａ）の面圧をかけて停止させた状態でタイヤを回転させるに要するトルク値。
摩耗量：上記の動的摩擦係数を算出するための試験を５〜５０回反復し、試験前と試験後のブレーキ材の厚さから算出。
嵩密度が１．６０〜１．８５ｇ／ｃｍ ³ 、ロックウエル硬度計Ｐスケールで測定した硬度が９５〜１２０ＨＲＰ、炭素繊維の体積含有率が３０〜４５％であり、環状ディスク形状の炭素繊維強化炭素（Ｃ／Ｃ）複合材製のステーターとローターが交互に配置されている構造の航空機用ブレーキ装置に使用されるＣ／Ｃ複合材製ブレーキ材の製造方法であって、引張弾性率が１０〜２５ｔ／ｍｍ ² であり、かつ不活性ガス雰囲気下で１６００〜２０００℃で焼成したときに引張弾性率が５０ｔ／ｍｍ ² 以上となるピッチ系炭素繊維を二次元ランダムに配向してシートとし、これにピッチ及び／又は樹脂を含浸させたのち焼成してＣ／Ｃ複合材とし、更にこれにケミカルベーパーデポジション（ＣＶＤ）によりＣＶＤによる炭素の体積含有率が１５〜３０％になるまで緻密化処理を施し、次いでピッチ及び／又は樹脂含浸による緻密化処理を施したのち１５００〜２０００℃で黒鉛化処理することを特徴とする方法。