JPH0741376A - 炭素繊維強化炭素複合材および摺動材 - Google Patents
炭素繊維強化炭素複合材および摺動材Info
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Abstract
摩擦係数を示すC/C複合材とそれを用いた摺動材を提
供する。 【構成】 リン酸金属塩を含有することを特徴とする炭
素繊維強化炭素複合材とそれを用いた摺動材。
Description
車両、航空機、産業機械等のブレーキやクラッチおよび
軸受け等に用いられる摺動材料に関し、とくに炭素繊維
強化炭素複合材(以下、C/C複合材という)に関する
ものである。
炭素をマトリクスとした複合材料であって耐熱性、耐薬
品性、摩擦特性に優れ、かつ高強度で軽量なためロケッ
トノズルや航空機などのブレーキディスク、パッドなど
に使用されている。しかしながら、C/C複合材を含め
て、炭素材料は一般に500℃程度から酸化を受け、そ
れ自身の持つ優れた、物理的、化学的性質が低下するた
め、高温大気中での使用はごく短時間のものを除き不可
能であった。この減少を防止するために従来から炭素材
料の耐酸化性を高める方法について種々の検討がなされ
てきた。例えば特開昭56−16575号公報にみられ
るように、リン酸を含浸させることにより耐酸化性能を
向上させることも行なわれている。
だ充分とはいえず過酷な条件で用いられる摺動材に対し
てはさらなる向上が望まれていた。そこで本発明者ら
は、鋭意検討の結果、単なるリン酸ではなく、リン酸を
金属塩の形で含有させることにより、かかる課題が解決
されることを見出し、本発明に到達した。すなわち本発
明の目的は、C/C複合材の耐酸化性能をさらに向上さ
せ、かつそれを摺動材として用いた場合に安定した摩擦
係数を示すC/C複合材およびその製造方法を提供する
ことでありかかる目的は、リン酸金属塩を含有すること
を特徴とする炭素繊維強化炭素複合材により容易に達成
される。
明で用いるC/C複合材の炭素繊維としては、ピッチ
系、PAN系あるいはレーヨン系炭素繊維等の公知のい
ずれのものも使用できる。これら炭素繊維の形態は20
00〜8000の単繊維の束からなるトウ、ストラン
ド、ロービング、ヤーン等で、これらをカッティングす
ることによって得られる短繊維状のものを用いる。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する。炭素繊維自体の径
や弾性率は、一般に複合材として用いられる範囲で特に
限定はされない。C/C複合材とする際に解繊・分散し
てプリフォームまたはシートとする。これらにマトリッ
クス材を含浸して金型に充填し、100〜500℃の温
度で加圧成形してVf(繊維体積含有率)が5〜65
%、好ましくは10〜55%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
rの昇温速度で800〜2500℃まで昇温し、焼成し
てC/C複合材とする。その後用途に応じてフェノール
樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性物質、タール、ピッチ等
の熱可塑性物質を含浸、再度炭化を行う含浸法、例えば
メタン、プロパンなどの炭化水素ガスを熱分解して炭素
を得るCVD法などにより緻密化を繰り返し行い、さら
に高強度のC/C複合材とすることもできる。
複合材にリン酸金属塩を含有させ、本発明のC/C複合
材を得る。このとき、リン酸金属塩がC/C複合材の表
面に存在するだけでは耐酸化性が劣るため、中央部まで
含浸しているのが好ましい。リン酸金属塩の金属として
は、Al、B、Mg、K、Ca、Ag、Cr、Co、S
m、Dy、Hg、Sn、Ce、Th、Pb、Hf、N
i、Nd、Ba、Bi、Pr、Be、Mn、La、L
i、Rb、Zn、Mn、Fe、Cu、Y、Cd、などが
用いられ、好ましくはAl、B、Mg、Zn、Mn、さ
らに好ましくはAl、Bである。特にAlの場合は、メ
タリン酸アルミニウムで、A型およびB型の結晶型のも
のが好ましい。メタリン酸アルミニウムは、いくつかの
型を持っており、4つのメタリン酸アルミニウムが四角
に結合するA型、直鎖状にメタリン酸アルミニウムが並
ぶB型が安定している。B型メタリン酸アルミニウム
は、時間がたつとA型に変化し、A型メタリン酸アルミ
ニウムは時間がたつとP2 O5 とAlPO4 に分解す
る。P2 O5 とAlPO4 に分解してしまうと耐酸化性
の向上という効果が弱くなってしまうので、より好まし
くは、B型メタリン酸アルミニウムである。リン酸金属
塩は、原料液体を刷毛塗り、スプレー、含浸等の常法で
含有させることができるが、例えば減圧下、室温で通常
1〜30Torrの条件下で1〜50重量%、好ましく
は5〜30重量%のリン酸金属塩溶液に浸漬し、含浸さ
せる。含浸する時間は10分〜2時間が好ましく、約1
時間含浸させる方法がもっとも好ましい。そしてさらに
好ましい態様としては、減圧下での浸漬後に、常圧でさ
らに1〜2時間浸漬することである。例えば、リン酸ア
ルミニウムを耐酸化剤とする場合には、リン酸と酢酸ア
ルミニウムの反応、第一リン酸アルミニウムの熱処理等
が用いられる。第一リン酸アルミニウムはリン酸に比べ
危険性が少なく、常温で水に溶けるため含浸時にC/C
複合材に均一に分散させることが可能である。含浸処理
後、乾燥し、さらにこれを600℃以上、好ましくは6
00℃〜900℃で0.5〜2時間、好ましくは1時間
程度熱処理することにより、水、アルコールに不溶のリ
ン酸アルミニウムに変化し、水等によって溶出すること
なく使用できるため、第一リン酸アルミニウムを出発原
料として用いるのが好ましい。以下、本発明を実施例に
より具体的に説明するが、本発明はその要旨を越えない
限り、下記実施例によって限定されるものではない。
ウェバーにて解繊し、炭素繊維が二次元ランダムに配向
したシートを得る。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、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が約50%の成形
体を得た。この成形体を加熱炉で2000℃まで焼成し
た後、高周波加熱装置により加熱し、炭化水素蒸気をN
2 ガスをキャリアーガスとして反応器内に導入して、熱
分解炭素により気孔を充填する緻密化処理を行った。次
いで、フェノール樹脂を含浸した後、加熱炉で1000
℃で焼成した。さらに同様の含浸−焼成の操作を再度繰
り返しその後に2000℃の処理を行って気孔率17%
のC/C複合材を得た。
濃度10重量%の第一リン酸アルミニウム溶液に含浸
し、10torr以下に減圧、1時間保持した。そし
て、空気中120℃で乾燥、窒素中800℃で熱処理す
る事によって、B型メタリン酸アルミニウムを含有する
C/C複合材を得た。このようにして得られたC/C複
合材を20×20×10mmt(厚みが10mm)に加
工し、空気中、700℃で、30分間保持するという試
験を4回繰り返し、そのときの重量減少によっ耐酸化性
能の評価を行った。この複合材の断面を偏光顕微鏡で観
察したところ、全面にB型メタリン酸アルミニウムが分
散していることが分った。また、慣性式摩擦試験機によ
って回転速度5000rpm、押しつけ面圧12kg/
cm2 の試験を150回繰り返し行い、摩擦係数を測定
した。酸化減量割合が8.6%、摩擦係数の150回の
平均値0.15、3σ(σ:標準偏差)=0.009と
なり、後述の比較例と比べて明らかなように、含浸処理
することにより耐酸化性能および摩擦係数の安定性が向
上したことがわかる。
酸アルミニウム溶液のかわりに酢酸アルミニウムとリン
酸の混合溶液を用いる以外は実施例1と同様にしてA型
メタリン酸アルミニウムを含有するC/C複合材を調製
し、摩擦試験および耐酸化試験を行ったところ、摩擦係
数0.13、3σ=0.006、酸化減量割合が9.0
%、となり実施例1と同様の、安定した摩擦係数と耐酸
化性能が得られた。また、得られたC/C複合材の断面
の全面にA型メタリン酸アルミニウムが分散しているこ
とを実施例1と同様にして確認した。
してリン酸ホウ素を用いる以外は実施例1と同様にして
試料を調製し、摩擦試験および耐酸化試験を行ったとこ
ろ、実施例1と同様の結果が得られた。
してリン酸を用いる以外は実施例1と同様にして試料を
調製し、耐酸化試験を行ったところ、酸化減量割合が1
3%となり、実施例1よりも耐酸化性能が劣っているこ
とがわかった。
有していない試料について実施例1と同様の耐酸化試験
と摩擦試験を行ったところ、酸化減量割合が36%、摩
擦係数0.22、3σ=0.033となり、耐酸化性
能、摩擦係数の安定性とも実施例1より劣っていること
がわかった。
の摺動材に比べて、耐酸化性能が向上するとともに、繰
り返し使用時にも安定した摩擦係数を示す優れた摺動材
料が得られる。
Claims (5)
- 【請求項1】 リン酸金属塩を含有することを特徴とす
る炭素繊維強化炭素複合材。 - 【請求項2】 該リン酸金属塩が炭素繊維強化炭素複合
材の中心部まで分散している請求項1記載の炭素繊維強
化炭素複合材。 - 【請求項3】 該リン酸金属塩がA型メタリン酸アルミ
ニウム及び/又はB型メタリン酸アルミニウムである請
求項1又は2記載の炭素繊維強化炭素複合材。 - 【請求項4】 請求項1記載の炭素繊維強化炭素複合材
から形成される摺動材。 - 【請求項5】 複数の単繊維からなる短繊維状の炭素繊
維を乾式または湿式解繊し、繊維が二次元ランダムに配
向したシートを作製し、樹脂またはピッチを含浸後、積
層して形成した後に、焼成、緻密化した後、リン酸金属
塩溶液で含浸処理する請求項1記載の複合材の製造方
法。
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---|---|---|---|
JP18614493A JP3520530B2 (ja) | 1993-07-28 | 1993-07-28 | 炭素繊維強化炭素複合材および摺動材 |
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- 1993-07-28 JP JP18614493A patent/JP3520530B2/ja not_active Expired - Fee Related
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