パンタグラフ用すり板集電材料
【課題】摺動特性と集電特性とを兼ね備えつつ、機械的特性を向上させることができるパンタグラフ用すり板集電材料を提供することを目的とする。
【解決手段】送電用架線と接触する摺動面を備えた基材を有し、この基材が炭素繊維強化炭素複合材料からなるパンタグラフ用すり板集電材料であって、上記炭素繊維強化炭素複合材料は、中央部に配置された主摺動部２とこの主摺動部２の周縁に配置された補助摺動部３とから成り、且つ、上記主摺動部２における炭素繊維は、上記摺動面に対して全て垂直方向に延在する一方、上記補助摺動部３における炭素繊維には、上記摺動面に対して非垂直方向に延在するものが含まれていることを特徴とする。
【解決手段】送電用架線と接触する摺動面を備えた基材を有し、この基材が炭素繊維強化炭素複合材料からなるパンタグラフ用すり板集電材料であって、上記炭素繊維強化炭素複合材料は、中央部に配置された主摺動部２とこの主摺動部２の周縁に配置された補助摺動部３とから成り、且つ、上記主摺動部２における炭素繊維は、上記摺動面に対して全て垂直方向に延在する一方、上記補助摺動部３における炭素繊維には、上記摺動面に対して非垂直方向に延在するものが含まれていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両のパンタグラフに用いられるすり板集電材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気車には、パンタグラフ最上部にすり板集電材料が取り付けられており、このようなパンタグラフ用すり板集電材料（以下、単にすり板と称することがある）は、硬質銅材からなる架線と接触しつつ互いに摩擦しながら大電流を集電するという作用を発揮する。このようなすり板では、架線の摩耗が少なく、且つすり板自身の摩耗が少ないということが要求されることから、近年、すり板として金属（合金）系のものからカーボン系のものに移行しつつある。
【０００３】
従来のカーボン粉を基材としたカーボン−銅系すり板としては、基材内部の気孔に銅系の溶融金属を含浸した銅含浸型カーボン系すり板が最も幅広く使用されている（例えば特許文献1参照）。これは、銅含浸型カーボン系すり板が耐摩耗性に優れているという理由による。但し、炭素粉と銅粉を混合、成形、焼成して得られる混合焼結型に比べて、耐摩耗性に優れる理由については、未だ明らかとなっていない。そこで、摩耗メカニズムを解明することこそ、耐摩耗性に優れた次世代すり板の開発に繋がると考え、鋭意研究した結果、摩耗特性とカーボン粒子の結合力とは大きな相関関係を有していることが判明した。具体的には、以下の通りである。
【０００４】
即ち、路線によっては、冬季に架線表面に霜や氷柱などが付着し、架線とすり板が離れることでアークが発生する（以下、離線アークということがある）。当該離線アークにより発生する熱は、すり板表面近傍で数千度にも達するといわれ、すり板表層部の銅を溶出させるが、銅が溶出しても、カーボン粒子の結合力が強いすり板ほど、摩耗量が少なく、長時間の摺動が可能であった。このことは、カーボン粒子の結合力が強いすり板ほど、機械的、電気的な摺動に優れていることを示しており、カーボン粒子が離脱しにくい基材を開発することが、耐摩耗性に優れた次世代のすり板を提供できることを意味する。
【０００５】
炭素繊維は、軽量、且つ、比強度や耐衝撃性が高い等の特徴を有することから、多分野で応用が検討されており、炭素繊維の特徴を考慮すると、次世代のパンタグラフ用すり板集電材料の候補にもなりうると考えられる。例えば、下記特許文献２、３では、パンタグラフ用すり板集電材料に炭素繊維を用い、チタンを添加することにより銅との濡れ性を改善して、すり板の強度（靱性）を改善すること、または離線アークによる損耗を防止することを目的としたパンタグラフ用すり板集電材料が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特許番号第２６９７５８１号
【特許文献２】特開２０００−０３７００１号公報
【特許文献３】特開第３９８７６５６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、パンタグラフ用すり板集電材料として炭素繊維を用いただけでは、耐摩耗性を飛躍的に向上させることができない。
本発明は上記事情に鑑み、耐摩耗性を飛躍的に向上させることができるパンタグラフ用すり板集電材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明は、送電用架線と接触する摺動面を備えた基材を有し、この基材が炭素繊維強化炭素複合材料からなるパンタグラフ用すり板集電材料であって、上記炭素繊維強化炭素複合材料における炭素繊維は、上記摺動面に対して全て垂直方向に延在していることを特徴とする。
【０００９】
炭素繊維が摺動面に対して全て垂直方向に延在している炭素繊維強化炭素複合材料をパンタグラフ用すり板集電材料（以下、単に、すり板と称することがある）として用いれば、炭素繊維の延在方向ではカーボン粒子の結合力が強くなり、粒子離脱を防止することができるので、送電用架線とすり板とが摺動した場合のすり板摩耗量を飛躍的に低減することができる。
【００１０】
また、通電させながら送電用架線とすり板とを摺動した場合には、これらを通電させずに摺動した場合に比べて、すり板の摩耗量が著しく増大する。これは、離線アークなどによる電気的な摩耗が、機械的な摩耗に比べて多いということに起因するものと考えられる。このように、機械的な摩耗のみならず電気的な摩耗が生じる状態であっても、炭素繊維が摺動面に対して全て垂直方向に延在していれば、摩耗量を大幅に低減できる。即ち、上記構成のすり板では、いずれの状態においても、極めて優れた耐摩耗性を実現することができる。
尚、炭素繊維が摺動面に対して全て垂直方向に延在しているとは、炭素繊維が摺動面に対して完全に９０°となっている場合のみならず、炭素繊維が摺動面に対して若干傾いている場合を含むものである（即ち、全ての炭素繊維が摺動面に対して、実質的に垂直方向に延在していれば足るものである）。
【００１１】
上記炭素繊維には銅が含浸されていることが望ましい。
このように炭素繊維に銅が含浸されていれば、架線との抵抗を小さくすることができるので、架線やすり板の摩耗が少なくなり、しかも導電性が向上するからである。
【００１２】
送電用架線と接触する摺動面を備えた基材を有し、この基材が炭素繊維強化炭素複合材料からなるパンタグラフ用すり板集電材料であって、上記炭素繊維強化炭素複合材料は、中央部に配置された主摺動部と、この主摺動部の周縁に配置された補助摺動部とから成り、且つ、上記主摺動部における炭素繊維は、上記摺動面に対して全て垂直方向に延在する一方、上記補助摺動部における炭素繊維には、上記摺動面に対して非垂直方向に延在するものが含まれていることを特徴とする。
【００１３】
上述の如く、炭素繊維が摺動面に対して全て垂直方向に延在している炭素繊維強化炭素複合材料では、すり板の摩耗量を飛躍的に低減できるが、当該炭素繊維強化炭素複合材料は機械的強度が小さいため、送電用架線と摺動した場合に破壊される（竹のように裂ける）ことがある。一方、炭素繊維が摺動面に対して非垂直方向に延在しているものが含まれる炭素繊維強化炭素複合材料では、すり板の摩耗量は大きくなるが、強度が高く且つ靱性が高い（即ち、耐衝撃性に優れる）。そこで、すり板を、中央部に配置された主摺動部と、この主摺動部の周縁に配置された補助摺動部とから構成し、主摺動部における炭素繊維は、摺動面に対して全て垂直方向に延在する一方、補助摺動部における炭素繊維には、摺動面に対して非垂直方向に延在するものが含まれていれば、主摺動部の存在によりすり板の摩耗量を低減しつつ、耐衝撃性に優れる補助摺動部の存在により、主摺動部に用いられている炭素繊維強化炭素複合材料が破壊されるのを抑制できる。
【００１４】
上記補助摺動部における炭素繊維が、上記摺動面に対して全て平行方向に延在している連続繊維、二方向に交互積層させてなるクロス繊維、又は、三次元的に配向させてなるランダム繊維から成ることが望ましい。
炭素繊維が、上記摺動面に対して全て平行方向に延在している連続繊維である場合、炭素繊維の延在方向の強度が非常に高くなるので、上記効果が一層発揮される。また、このようなことを考慮すれば、炭素繊維が二方向に配列したクロス繊維から成る場合には、どちらか一方の方向に配列された炭素繊維が摺動面に対して平行方向に延在していることが望ましい。
【００１５】
上記摺動面の全面積に対する摺動面における上記補助摺動部の面積の比率（以下、単に、補助摺動部の面積比率と称することがある）が９％以上５０％未満であることが望ましい。
補助摺動部より主摺動部の方が耐摩耗性に優れているため、補助摺動部の面積比率が５０％を超えると、耐摩耗性が低下することがある一方、主摺動部より補助摺動部の方が機械的強度が大きいので、補助摺動部の面積比率が９％未満になると、機械的強度が低下するからである。
【００１６】
上記主摺動部の炭素繊維には銅が含浸されている、また、主摺動部の炭素繊維のみならず補助摺動部の炭素繊維にも銅が含浸されていることが望ましい。
このように炭素繊維に銅が含浸されていれば、架線との抵抗を小さくすることができるので、架線やすり板の摩耗が少なくなり、しかも導電性が向上するからである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、パンタグラフ用すり板集電材料の耐摩耗性を飛躍的に向上させることができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の最良の形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明に係るパンタグラフ用すり板集電材料の一例を示す斜視図（図１においては炭素繊維の延在方向を模式的に表している）、図２はその平面図、図３は正面図、図４は側面図であり、また、図５は図２のＡ−Ａ線矢視断面図、図６は図２のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【００１９】
図１〜図６に示すように、パンタグラフ用すり板集電材料（以下、単に、すり板と略することがある）１は主摺動部２と補助摺動部３とを有しており、架線（図示せず）に接触する面４は平行四辺形となるように構成されている。上記すり板１は金属製のさや５に保持されており、このさや５はボルト６により図示しないパンタグラフの舟体に固定されている。図２及び図６に示すように、上記すり板１の長さＬ１は２７０ｍｍ、幅Ｌ２は４０ｍｍ、高さＬ３は２０ｍｍとなっており、また、補助摺動部３の幅Ｌ４は２ｍｍとなっている。
【００２０】
上記構造のすり板は、例えば、以下のようにして作製することができる。
ここで、上記主摺動部２と補助摺動部３とは炭素繊維強化炭素複合材料から成る。主摺動部２の作製方法としては、まず、炭素繊維を一方向に集束させなるプリプレグシートを作製し、次に、樹脂にフィラーとしての炭素粉を配合、混合したものを作製する。
次いで、前記プリプレグシート中の炭素繊維がすべて同一方向となるようにプリプレグシートを積層させ、プリプレグシートの層間に前記フィラーが含まれたフェノール樹脂を塗付した。続いて、プレス機（神藤金属工業所製ＷＦＡ−５０）を用いて、プリプレグシート中の炭素繊維がプレス機の台座に対して水平となるようにプリプレグシートの積層体を設置し、上部から下部方向に向かって、面圧２００kｇ／ｃｍ2の荷重をかけ、昇温温度約１０℃／ｍｉｎで２００℃硬化することにより、炭素繊維が全て同一方向となる炭素繊維積層体を作製した。この時、得られた炭素繊維積層体の大きさは、２６６×３６×４５ｍｍであった。さらに、上記炭素繊維積層体を昇温温度３０℃／ｈ、不活性ガス雰囲気中１０００℃で焼成し、結合材である前記樹脂成分を炭素化させた後、ＨＩＰ法により純銅を含浸させ、全ての炭素繊維が摺動面に対して垂直方向に延在するように、２６６ｍｍ×３６ｍｍ×２０ｍｍ（摺動部は２６６×３６ｍｍ）の形状に炭素繊維積層体を加工し主摺動部２を得た。次に、主摺動部２の外周部にフェノール樹脂（群栄化学工業株式会社製J-３２５）を予め塗布した炭素繊維（一方向に配列した連続繊維）を、ワインディング等の装置を用いて直接巻きつけ、昇温温度３０℃／ｈ、不活性ガス雰囲気中１０００℃で焼成し、主摺動部２と補助摺動部３から構成される長さＬ１が２７０ｍｍ、幅Ｌ２が４０ｍｍ、高さＬ３が２０ｍｍ、補助摺動部３の幅Ｌ４が２ｍｍとなるパンタグラフ用すり板集電材料を作製した。尚、補助摺動部３における炭素繊維は摺動面に対して全て平行方向に延在されている。
【００２１】
ここで、上記大きさのパンタグラフ用すり板集電材料の場合には、補助摺動部３の幅Ｌ４は約１．６〜５ｍｍであることが望ましく、２〜３ｍｍであることが更に望ましい。理由として以下のことが挙げられる。物理的強度（後述の実験３及び実験４）を測定した実験用のパンタグラフ用すり板集電材料の主摺動部２と補助摺動部３を含む寸法は、図１０図１１、図１２で示すと、外幅Ｌ２１が１０ｍｍ、高さＬ２４が１０ｍｍ、外長さＬ２５が６０ｍｍであり、曲げ強度を１００ＭＰａ以上とするためには、補助摺動部の面積比率を９．２％以上（補助摺動部の肉厚Ｌ２３を０．４ｍｍ以上）としなければならない。補助摺動部の面積比率を９．０％として実機すり板に換算した場合、補助摺動部３の幅Ｌ４は１．６ｍｍとなる。したがって、パンタグラフ用すり板集電材料の補強効果を十分に発揮させるためには、補助摺動部３の幅Ｌ４の下限を１．６ｍｍ（補助摺動部の面積比率を約９．０％）とするのが望ましく、特に、２ｍｍ（補助摺動部の面積比率を約１０％）とするのが望ましい。
但し、補助摺動部３の幅Ｌ４が余り大きくなると、主摺動部２の面積が小さくなり過ぎて、すり板集電材料の耐摩耗性が低下する。したがって、このような不都合を回避するには、補助摺動部３の幅Ｌ４は５ｍｍ以下であることが望ましく、３ｍｍ以下であることが特に望ましい。
【００２２】
また、炭素繊維強化炭素複合材料に用いられる炭素繊維としては、ＰＡＮ系、ピッチ系のどちらでも良く、炭素繊維表面へのサイジング剤の付着の有無に関わらず使用することができる。また、上記主摺動部２と補助摺動部３の材料に用いられる炭素繊維には、熱処理温度が８００〜２０００℃のものが好適に使用される。
【００２３】
更に、上記炭素繊維は主に樹脂溶液を塗布して使用するが、樹脂の種類としてフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が用いられる。この中で、高温での接着性能、価格の面からフェノール樹脂、エポキシ樹脂がより好ましい。また、これらの樹脂液にフィラーとして粉末を混合することができる。フィラーとして黒鉛粉末、炭素粉末の他、銅粉、鉄粉などの金属粉末等が例示される。
【００２４】
加えて、主摺動部２には、ＨＩＰ法により高温高圧条件下にて溶融金属を含浸させることができる。また、補助摺動部３にも、同様にＨＩＰ法により高温高圧条件下にて溶融金属を含浸させることが好ましい。
【００２５】
また、主摺動部２の側面外周部を炭素繊維強化炭素複合材料で囲む方法としては、下記（１）〜（３）に示す方法が例示される。
（１）主摺動部２の外周部に樹脂を塗布した炭素繊維（一方向に配列した連続繊維又は二方向に配列したクロス繊維）を、ワインディング等の装置を用いて、もしくは手動で直接巻きつけ、昇温温度３０℃／ｈ、不活性ガス雰囲気中１０００℃で焼成し、主摺動部２と接着する方法。
（２）ダミーの被巻き付け体（例えば、黒鉛治具）に樹脂を塗布した炭素繊維を巻き付けた後、熱処理して得られた中空状の炭素繊維強化炭素複合材料（補助摺動部３）を主摺動部２にはめ込み熱処理して接着する方法。
（３）板状の炭素繊維板に樹脂を塗布し、これが主摺動部２を囲うように配置した後、熱処理して接着する方法。
【実施例】
【００２６】
以下に本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例のみに限定されるものではない。
〔実験１〕
【００２７】
（試料１）
先ず、炭素繊維を一方向に集束させてなるプリプレグシートを作製し、更に、フェノール樹脂（群栄化学工業株式会社製J-３２５）に炭素粉（東洋炭素株式会社製）を混合（混合比率は、炭素粉：フェノール樹脂＝１：９）を混合した。次に、プリプレグシート間に樹脂を塗付しつつ、炭素繊維が同一方向となるようにプリプレグシートを積層させてプリプレグシート積層体を作製した。続いて、プレス機（神藤金属工業所製ＷＦＡ−５０）を用いて、プリプレグシート中の炭素繊維がプレス機の台座に対して水平となるようにプリプレグシート積層体を設置し、上部から下部方向に向かって、面圧２００ｋｇ/ｃｍ2の荷重をかけ、昇温温度約１０℃／ｍｉｎで２００℃硬化した後、昇温温度３０℃／ｈ、不活性ガス雰囲気中１０００℃で焼成して、炭素繊維積層体を作製した。その後、全ての炭素繊維が摺動面に対して垂直方向に延在するように（以下、このような炭素繊維を、炭素繊維（⊥）と記述することがある）炭素繊維積層体を図７に示す試料１０の幅Ｌ１１を２０ｍｍ、長さＬ１２を３２ｍｍ、高さＬ１３を１０ｍｍ（摺動面１０ａは２０ｍｍ×３２ｍｍ）の形状に加工し、ＨＩＰ法により銅を含浸することにより炭素繊維強化炭素複合材料を作製した。
このようにして作製した試料を、以下、試料Ａ１と称する。
【００２８】
（試料２）
上記試料Ａ１と同様にして作製した炭素繊維積層体を、全ての炭素繊維を摺動面に対して平行方向に延在するように加工した（以下、このような炭素繊維を、炭素繊維（//）と記述することがある）他は、上記試料Ａ１と同様にして試料を作製した。
このようにして作製した試料を、以下、試料Ａ２と称する。
【００２９】
（試料３）
プリプレグシートの積層時に、各プリプレグシートの炭素繊維が二方向となるように０°と９０°にプリプレグシートを交互積層させ（即ち、隣接するププリプレグシートの炭素繊維が直交するようにプリプレグシートを交互積層させ）て、半数の炭素繊維を摺動面に対して平行方向に延在させる一方、残りの炭素繊維を摺動面に対して垂直方向に延在するように加工した（以下、このような炭素繊維を、炭素繊維（// ⊥）と記述することがある）他は、上記試料Ａ１と同様にして試料を作製した。
このようにして作製した試料を、以下、試料Ａ３と称する。
【００３０】
（試料４）
試料として従来用いられている東洋炭素株式会社製ＰＣ−７８Ａを用いた。このＰＣ−７８Ａは、粒径の小さいコークス系原料とピッチ系バインダとを使用し、成形、焼成したカーボン焼成体に、ＨＩＰ法により高温高圧下溶融した銅をカーボンの気孔に含浸することにより得られたすり板専用材であり、炭素繊維は含まれていないものである。
このようにして作製した試料を、以下、試料Ａ４と称する。
【００３１】
（実験内容）
上記試料Ａ１〜Ａ４の機械的な摺動特性を把握するため、粗仕上げ用サンディングベルト（荒れた架線を模擬的に表現したものであって、粒度ＡＡ−４０のものを用いている）を、ベルトサンダ試験機（日立工機株式会社製ＢＧ−１００）に取付け、サンディングベルトに各試料を押付けて摺動させ、各試料の摩耗状況を観察したので、その結果を図８に示す。具体的な実験条件は、試験片を３０秒間摺動させた後に試験機を停止し、試験片の厚みを測定する作業を繰り返し１０回行い、合計５分間摺動させた場合での試験片の摩耗状況を観察した。尚、試料数は各２個である。
【００３２】
（実験結果）
図８から明らかなように、摩耗量は、炭素繊維（⊥）を備えた試料Ａ１が最も少なく、その他の試料Ａ２〜Ａ４については、炭素繊維（// ⊥）を備えた試料Ａ３、従来用いられているＰＣ−７８Ａを用いた試料Ａ４、炭素繊維（//）を備えた試料Ａ２の順に摩耗量が増加していることが認められる。
【００３３】
以上のことから、摺動面に対して炭素繊維が垂直方向に延在する割合を変えることで、機械的な摩耗量が変化する傾向が見られた。具体的には、試料Ａ１〜Ａ３を比較した場合、炭素繊維が摺動面に対して垂直方向に延在する割合が多いほど摩耗量が少なくなっていることがわかる。
また、炭素繊維を摺動面に対して全て垂直方向に延在させた試料Ａ１の５分間摺動後における摩耗量と、従来用いられているＰＣ−７８Ａを用いた試料Ａ４の５分間摺動後における摩耗量とを比較すると、前者は後者に対して摩耗量が４８％低減していることがわかる。
〔実験２〕
【００３４】
（試料１）
図７において、幅Ｌ１１を１０ｍｍ、長さＬ１２を６０ｍｍ、高さＬ１３を１０ｍｍ（摺動面１０ａは１０ｍｍ×６０ｍｍ）とした他は、炭素繊維（⊥）を備えた上記試料Ａ１と同様にして試料を作製した。
このようにして作製した試料を、以下、試料Ｂ１と称する。
【００３５】
（試料２）
図７において、幅Ｌ１１を１０ｍｍ、長さＬ１２を６０ｍｍ、高さＬ１３を１０ｍｍ（摺動面１０ａは１０ｍｍ×６０ｍｍ）とした他は、炭素繊維（//）を備えた上記試料Ａ２と同様にして試料を作製した。
このようにして作製した試料を、以下、試料Ｂ２と称する。
【００３６】
（実験内容）
上記試料Ｂ１、Ｂ２における電気的な集電特性を把握するため、外径３１０ｍｍ、内径２００ｍｍ、厚さ２ｍｍの銅円盤を取付けたすり板摩耗試験機（架線を模擬的に表現したものであって、横山製作所製）を用いて実験を行ったので、その結果を図９に示す。具体的には、試料Ｂ１、Ｂ２を銅円盤に約１ｋｇｆで押付けた状態で、銅円盤を５０〜１０００ｒｐｍの回転速度で摺動させ、通電させずに摺動した場合と、５０Ｖの電圧、２０Ａの電流を通電させながら摺動した場合とについて摺動集電試験を実施した。そして、通電させずに摺動した場合の離線率を０％とし、通電させて摺動した場合の離線率を５％、１０％、３０％に変化させた。尚、離線率（％）とは、各試料と銅円盤とが離れた割合を示すものであり、離線率が高いほどアークが多く発生し、各試料の摩耗も増加すると考えた。また、試料数は各２個である。
【００３７】
（実験結果）
図９から明らかなように、離線率が各々０％、５％、１０％、３０％の場合に、炭素繊維（⊥）を備えた試料Ｂ１では、摩耗率はそれぞれ２ｃｍ3／万ｋｍ、１０ｃｍ3／万ｋｍ、１７ｃｍ3／万ｋｍ、６３ｃｍ3／万ｋｍであるのに対して、炭素繊維（//）を備えた試料Ｂ２では、摩耗率はそれぞれ３ｃｍ3／万ｋｍ、１７ｃｍ3／万ｋｍ、２７ｃｍ3／万ｋｍ、１０１ｃｍ3／万ｋｍであって、通電させずに摺動した場合、及び通電させながら摺動した場合とも、炭素繊維（⊥）を備えた試料Ｂ１の方が炭素繊維（//）を備えた試料Ｂ２よりも摩耗率が小さいことが認められた。
【００３８】
尚、通電させながら摺動した場合の摩耗率は、通電させずに摺動した場合と比較すると、試料Ｂ１及び試料Ｂ２共に増加する傾向にあり、更に離線率が高くなるほど摩耗率の増加が顕著であるということから、パンタグラフ用すり板集電材料は、摺動に集電機能が加わることで摩耗率が大幅に増加することが認められ、極めて過酷な条件で使用されることがわかる。但し、このように極めて過酷な条件下であっても、炭素繊維を摺動面に対して全て垂直方向に延在させた試料Ｂ１では、摩耗率を大幅に低減できることが判明した。
【００３９】
〔実験３〕
（試料１）
先ず、上記実験１の試料１と同様にして作製した炭素繊維強化炭素複合材料（主摺動部であって、大きさは実験１の試料１と異なる）の周縁に、ワインディング装置を用いて、炭素繊維（東レ株式会社製、Ｔ−７００）にフェノール樹脂（群栄化学工業株式会社製、Ｊ−３２５）を塗布したものを巻きつけた。次に、昇温温度約１０℃／ｍｉｎで２００℃硬化を行なった後、昇温温度３０℃／ｈ、不活性ガス雰囲気中１０００℃で焼成を行ない、更に、当該焼成物を切断することにより、図１２に示すように、主摺動部２の周縁に補助摺動部３が設けられた実験用のパンタグラフ用すり板集電材料を作製した。尚、上記主摺動部２において、炭素繊維強化炭素複合材料の炭素繊維の延在方向は摺動面に対して全て垂直方向となっており、上記補助摺動部３において、炭素繊維強化炭素複合材料の炭素繊維の延在方向は摺動面に対して全て平行方向となっている。
【００４０】
ここで、図１１に示すように、主摺動部２においては、幅Ｌ２７が９．２ｍｍ、高さＬ２８が１０ｍｍ、長さＬ２９が５９．２ｍｍとなっており、また、図１０に示すように、補助摺動部３においては、外幅Ｌ２１が１０ｍｍ、内幅Ｌ２２が９．２ｍｍ、肉厚Ｌ２３が０．４ｍｍ、高さＬ２４が１０ｍｍ、外長さＬ２５が６０ｍｍ、内長さＬ２６が５９．２ｍｍとなっている。
【００４１】
主摺動部２及び補助摺動部３の大きさは上記の如くとなっているため、摺動面に位置する補助摺動部３の面積（図１２の３ｂの面積）は５５．３６ｍｍ2であり、摺動面に位置する主摺動部２の面積（図１２の２ｂの面積）は５４４．６４ｍｍ2であるということから、摺動面の全面積に対する補助摺動部の面積の比率（以下、単に、補助摺動部の面積比率と称することがある）は、約９．２％となっている。
このようにして作製したパンタグラフ用すり板集電材料を、以下、試料Ｃ１と称する。
【００４２】
（試料２）
補助摺動部３において、内幅Ｌ２２を８ｍｍ、内長さＬ２６を５８ｍｍとし、且つ、主摺動部２において、幅Ｌ２７を８ｍｍ、長さＬ２９を５８ｍｍとした。このように規制することにより、補助摺動部３の肉厚Ｌ２３を１ｍｍとした。上記構造とした以外は、上記試料１と同様にして実験用のパンタグラフ用すり板集電材料を作製した。
【００４３】
尚、摺動面に位置する補助摺動部３の面積は１３６ｍｍ2であり、摺動面に位置する主摺動部２の面積は４６４ｍｍ2であるということから、補助摺動部の面積比率は、約２３％となっている。
このようにして作製したパンタグラフ用すり板集電材料を、以下、試料Ｃ２と称する。
【００４４】
（試料３）
補助摺動部３において、内幅Ｌ２２を７ｍｍ、内長さＬ２６を５７ｍｍとし、且つ、主摺動部２において、幅Ｌ２７を７ｍｍ、長さＬ２９を５７ｍｍとした。このように規制することにより、補助摺動部３の肉厚Ｌ２３を１．５ｍｍとした。上記構造とした以外は、上記試料１と同様にして実験用のパンタグラフ用すり板集電材料を作製した。
【００４５】
尚、摺動面に位置する補助摺動部３の面積は２０１ｍｍ2であり、摺動面に位置する主摺動部２の面積は３９９ｍｍ2であるということから、補助摺動部の面積比率は、約３４％となっている。
このようにして作製したパンタグラフ用すり板集電材料を、以下、試料Ｃ３と称する。
【００４６】
（試料４）
補助摺動部３において、内幅Ｌ２２を６ｍｍ、内長さＬ２６を５６ｍｍとし、且つ、主摺動部２において、幅Ｌ２７を６ｍｍ、長さＬ２９を５６ｍｍとした。このように規制することにより、補助摺動部３の肉厚Ｌ２３を２ｍｍとした。上記構造とした以外は、上記試料１と同様にして実験用のパンタグラフ用すり板集電材料を作製した。
【００４７】
尚、摺動面に位置する補助摺動部３の面積は２６４ｍｍ2であり、摺動面に位置する主摺動部２の面積は３３６ｍｍ2であるということから、補助摺動部の面積比率は、約４４％となっている。
このようにして作製したパンタグラフ用すり板集電材料を、以下、試料Ｃ４と称する。
【００４８】
（試料５）
上記実験２の試料１と同様にして実験用のパンタグラフ用すり板集電材料を作製した。
このようにして作製したパンタグラフ用すり板集電材料を、以下、試料Ｃ５と称する。
【００４９】
（実験内容）
試料Ｃ１〜Ｃ５の曲げ強度を把握するため、引張圧縮試験機（株式会社今田製作所製ＳＤＷ５００Ｓ−ＳＨ）を用い、曲げ強度を測定したので、その結果を図１３に示す。なお、実験は、支点間距離を４０ｍｍとし、試験片中央に毎秒約３ｋｇｆの均一速度で直行に荷重を加えて、試験片が破壊した最大荷重を測定し、この最大荷重を曲げ強度とした。また、試料数は各２個である。
【００５０】
（実験結果）
図１３から明らかなように、補助摺動部を設けない試料Ｃ５では、曲げ強度が１２ＭＰａであって十分な曲げ強度が得られないのに対して、補助摺動部を設けた試料Ｃ１〜Ｃ４では、曲げ強度が１００ＭＰａ以上であって十分な曲げ強度が得られることが認められる。したがって、主摺動部の周縁に補助摺動部を設けることにより、優れた摺動集電特性を維持しつつ、機械的強度が向上することがわかる。
【００５１】
また、補助摺動部の面積比率について検討すると、補助摺動部の面積比率が９．２％の場合には曲げ強度が１０１ＭＰａ、２３％の場合には曲げ強度が１９１ＭＰａ、補助摺動部の面積比率が３４％の場合には曲げ強度が２１９ＭＰａ、補助摺動部の面積比率が４４％の場合には曲げ強度が２８１ＭＰａとなっている。このことから、補助摺動部の面積比率が９．２％であれば曲げ強度は１００ＭＰａ以上となる。したがって、補助摺動部の面積比率は約９％以上であれば曲げ強度を十分に向上させることができる。
【００５２】
但し、補助摺動部は主摺動部に比べて摺動集電特性に劣るため、補助摺動部の面積比率が余り大きくなると、すり板の摺動集電特性が低下する。したがって、補助摺動部の面積比率は５０％未満であることが好ましい。
以上のことから、補助摺動部の面積比率は９％以上５０％未満であることが好ましい。
【００５３】
〔実験４〕
（試料１〜５）
試料１〜５としては、上記実験３で示した試料Ｃ１〜Ｃ５を用いた。
【００５４】
（実験内容）
上記試料Ｃ１〜Ｃ５における耐衝撃性を調べるため、シャルピー衝撃試験機（前川試験機製作所株式会社製）を用い、長手方向の側面略中央部にハンマーを衝突させる（図１２のＣ方向から衝突させる）ことにより、５０Ｊの衝撃を加えてシャルピー衝撃値を測定したので、その結果を表１に示す。尚、試料数は各２個である。
【００５５】
【表１】
【００５６】
（実験結果）
表１から明らかなように、主摺動部の周縁に補助摺動部が設けられていない試料Ｃ５のシャルピー衝撃値は２．７ｋＪ／ｍ2であるのに対して、主摺動部の周縁に補助摺動部が設けられた試料Ｃ１〜Ｃ４のシャルピー衝撃値は、各々９．３ｋＪ／ｍ2、１８．５ｋＪ／ｍ2、３２．９ｋＪ／ｍ2、３１．３ｋＪ／ｍ2、であり、主摺動部の周縁に補助摺動部が設けられた試料Ｃ１〜Ｃ４は主摺動部の周縁に補助摺動部が設けられていない試料Ｃ５より、シャルピー衝撃値が約３．４〜１２．２倍大きくなっていることが認められる。このことから、主摺動部の周縁に補助摺動部を設けるのが好ましいことがわかる。尚、このような実験結果となった理由は、主摺動部の周縁に補助摺動部が設けられた試料Ｃ１〜Ｃ４では、シャルピー衝撃値の比較的低い主摺動部の内部で衝撃が吸収され、補助摺動部により試験片形状が保持されることにより、全体として高い衝撃値になったものと推測される。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は鉄道車両のパンタグラフに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係るパンタグラフ用すり板集電材料の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るパンタグラフ用すり板集電材料の一例を示す平面図である。
【図３】本発明に係るパンタグラフ用すり板集電材料の一例を示す正面図である。
【図４】本発明に係るパンタグラフ用すり板集電材料の一例を示す側面図である。
【図５】図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図６】図２のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図７】実験に用いた試料の斜視図である。
【図８】摺動時間と摩耗量との関係を示すグラフである。
【図９】離線率と摩耗率との関係を示すグラフである。
【図１０】実験に用いた試料における補助摺動部の斜視図である。
【図１１】実験に用いた試料における主摺動部の斜視図である。
【図１２】実験に用いた試料の斜視図である。
【図１３】補助摺動部の面積比率と曲げ強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１ パンタグラフ用すり板集電材料
２ 主摺動部
３ 補助摺動部
５ さや
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両のパンタグラフに用いられるすり板集電材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気車には、パンタグラフ最上部にすり板集電材料が取り付けられており、このようなパンタグラフ用すり板集電材料（以下、単にすり板と称することがある）は、硬質銅材からなる架線と接触しつつ互いに摩擦しながら大電流を集電するという作用を発揮する。このようなすり板では、架線の摩耗が少なく、且つすり板自身の摩耗が少ないということが要求されることから、近年、すり板として金属（合金）系のものからカーボン系のものに移行しつつある。
【０００３】
従来のカーボン粉を基材としたカーボン−銅系すり板としては、基材内部の気孔に銅系の溶融金属を含浸した銅含浸型カーボン系すり板が最も幅広く使用されている（例えば特許文献1参照）。これは、銅含浸型カーボン系すり板が耐摩耗性に優れているという理由による。但し、炭素粉と銅粉を混合、成形、焼成して得られる混合焼結型に比べて、耐摩耗性に優れる理由については、未だ明らかとなっていない。そこで、摩耗メカニズムを解明することこそ、耐摩耗性に優れた次世代すり板の開発に繋がると考え、鋭意研究した結果、摩耗特性とカーボン粒子の結合力とは大きな相関関係を有していることが判明した。具体的には、以下の通りである。
【０００４】
即ち、路線によっては、冬季に架線表面に霜や氷柱などが付着し、架線とすり板が離れることでアークが発生する（以下、離線アークということがある）。当該離線アークにより発生する熱は、すり板表面近傍で数千度にも達するといわれ、すり板表層部の銅を溶出させるが、銅が溶出しても、カーボン粒子の結合力が強いすり板ほど、摩耗量が少なく、長時間の摺動が可能であった。このことは、カーボン粒子の結合力が強いすり板ほど、機械的、電気的な摺動に優れていることを示しており、カーボン粒子が離脱しにくい基材を開発することが、耐摩耗性に優れた次世代のすり板を提供できることを意味する。
【０００５】
炭素繊維は、軽量、且つ、比強度や耐衝撃性が高い等の特徴を有することから、多分野で応用が検討されており、炭素繊維の特徴を考慮すると、次世代のパンタグラフ用すり板集電材料の候補にもなりうると考えられる。例えば、下記特許文献２、３では、パンタグラフ用すり板集電材料に炭素繊維を用い、チタンを添加することにより銅との濡れ性を改善して、すり板の強度（靱性）を改善すること、または離線アークによる損耗を防止することを目的としたパンタグラフ用すり板集電材料が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特許番号第２６９７５８１号
【特許文献２】特開２０００−０３７００１号公報
【特許文献３】特開第３９８７６５６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、パンタグラフ用すり板集電材料として炭素繊維を用いただけでは、耐摩耗性を飛躍的に向上させることができない。
本発明は上記事情に鑑み、耐摩耗性を飛躍的に向上させることができるパンタグラフ用すり板集電材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明は、送電用架線と接触する摺動面を備えた基材を有し、この基材が炭素繊維強化炭素複合材料からなるパンタグラフ用すり板集電材料であって、上記炭素繊維強化炭素複合材料における炭素繊維は、上記摺動面に対して全て垂直方向に延在していることを特徴とする。
【０００９】
炭素繊維が摺動面に対して全て垂直方向に延在している炭素繊維強化炭素複合材料をパンタグラフ用すり板集電材料（以下、単に、すり板と称することがある）として用いれば、炭素繊維の延在方向ではカーボン粒子の結合力が強くなり、粒子離脱を防止することができるので、送電用架線とすり板とが摺動した場合のすり板摩耗量を飛躍的に低減することができる。
【００１０】
また、通電させながら送電用架線とすり板とを摺動した場合には、これらを通電させずに摺動した場合に比べて、すり板の摩耗量が著しく増大する。これは、離線アークなどによる電気的な摩耗が、機械的な摩耗に比べて多いということに起因するものと考えられる。このように、機械的な摩耗のみならず電気的な摩耗が生じる状態であっても、炭素繊維が摺動面に対して全て垂直方向に延在していれば、摩耗量を大幅に低減できる。即ち、上記構成のすり板では、いずれの状態においても、極めて優れた耐摩耗性を実現することができる。
尚、炭素繊維が摺動面に対して全て垂直方向に延在しているとは、炭素繊維が摺動面に対して完全に９０°となっている場合のみならず、炭素繊維が摺動面に対して若干傾いている場合を含むものである（即ち、全ての炭素繊維が摺動面に対して、実質的に垂直方向に延在していれば足るものである）。
【００１１】
上記炭素繊維には銅が含浸されていることが望ましい。
このように炭素繊維に銅が含浸されていれば、架線との抵抗を小さくすることができるので、架線やすり板の摩耗が少なくなり、しかも導電性が向上するからである。
【００１２】
送電用架線と接触する摺動面を備えた基材を有し、この基材が炭素繊維強化炭素複合材料からなるパンタグラフ用すり板集電材料であって、上記炭素繊維強化炭素複合材料は、中央部に配置された主摺動部と、この主摺動部の周縁に配置された補助摺動部とから成り、且つ、上記主摺動部における炭素繊維は、上記摺動面に対して全て垂直方向に延在する一方、上記補助摺動部における炭素繊維には、上記摺動面に対して非垂直方向に延在するものが含まれていることを特徴とする。
【００１３】
上述の如く、炭素繊維が摺動面に対して全て垂直方向に延在している炭素繊維強化炭素複合材料では、すり板の摩耗量を飛躍的に低減できるが、当該炭素繊維強化炭素複合材料は機械的強度が小さいため、送電用架線と摺動した場合に破壊される（竹のように裂ける）ことがある。一方、炭素繊維が摺動面に対して非垂直方向に延在しているものが含まれる炭素繊維強化炭素複合材料では、すり板の摩耗量は大きくなるが、強度が高く且つ靱性が高い（即ち、耐衝撃性に優れる）。そこで、すり板を、中央部に配置された主摺動部と、この主摺動部の周縁に配置された補助摺動部とから構成し、主摺動部における炭素繊維は、摺動面に対して全て垂直方向に延在する一方、補助摺動部における炭素繊維には、摺動面に対して非垂直方向に延在するものが含まれていれば、主摺動部の存在によりすり板の摩耗量を低減しつつ、耐衝撃性に優れる補助摺動部の存在により、主摺動部に用いられている炭素繊維強化炭素複合材料が破壊されるのを抑制できる。
【００１４】
上記補助摺動部における炭素繊維が、上記摺動面に対して全て平行方向に延在している連続繊維、二方向に交互積層させてなるクロス繊維、又は、三次元的に配向させてなるランダム繊維から成ることが望ましい。
炭素繊維が、上記摺動面に対して全て平行方向に延在している連続繊維である場合、炭素繊維の延在方向の強度が非常に高くなるので、上記効果が一層発揮される。また、このようなことを考慮すれば、炭素繊維が二方向に配列したクロス繊維から成る場合には、どちらか一方の方向に配列された炭素繊維が摺動面に対して平行方向に延在していることが望ましい。
【００１５】
上記摺動面の全面積に対する摺動面における上記補助摺動部の面積の比率（以下、単に、補助摺動部の面積比率と称することがある）が９％以上５０％未満であることが望ましい。
補助摺動部より主摺動部の方が耐摩耗性に優れているため、補助摺動部の面積比率が５０％を超えると、耐摩耗性が低下することがある一方、主摺動部より補助摺動部の方が機械的強度が大きいので、補助摺動部の面積比率が９％未満になると、機械的強度が低下するからである。
【００１６】
上記主摺動部の炭素繊維には銅が含浸されている、また、主摺動部の炭素繊維のみならず補助摺動部の炭素繊維にも銅が含浸されていることが望ましい。
このように炭素繊維に銅が含浸されていれば、架線との抵抗を小さくすることができるので、架線やすり板の摩耗が少なくなり、しかも導電性が向上するからである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、パンタグラフ用すり板集電材料の耐摩耗性を飛躍的に向上させることができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の最良の形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明に係るパンタグラフ用すり板集電材料の一例を示す斜視図（図１においては炭素繊維の延在方向を模式的に表している）、図２はその平面図、図３は正面図、図４は側面図であり、また、図５は図２のＡ−Ａ線矢視断面図、図６は図２のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【００１９】
図１〜図６に示すように、パンタグラフ用すり板集電材料（以下、単に、すり板と略することがある）１は主摺動部２と補助摺動部３とを有しており、架線（図示せず）に接触する面４は平行四辺形となるように構成されている。上記すり板１は金属製のさや５に保持されており、このさや５はボルト６により図示しないパンタグラフの舟体に固定されている。図２及び図６に示すように、上記すり板１の長さＬ１は２７０ｍｍ、幅Ｌ２は４０ｍｍ、高さＬ３は２０ｍｍとなっており、また、補助摺動部３の幅Ｌ４は２ｍｍとなっている。
【００２０】
上記構造のすり板は、例えば、以下のようにして作製することができる。
ここで、上記主摺動部２と補助摺動部３とは炭素繊維強化炭素複合材料から成る。主摺動部２の作製方法としては、まず、炭素繊維を一方向に集束させなるプリプレグシートを作製し、次に、樹脂にフィラーとしての炭素粉を配合、混合したものを作製する。
次いで、前記プリプレグシート中の炭素繊維がすべて同一方向となるようにプリプレグシートを積層させ、プリプレグシートの層間に前記フィラーが含まれたフェノール樹脂を塗付した。続いて、プレス機（神藤金属工業所製ＷＦＡ−５０）を用いて、プリプレグシート中の炭素繊維がプレス機の台座に対して水平となるようにプリプレグシートの積層体を設置し、上部から下部方向に向かって、面圧２００kｇ／ｃｍ2の荷重をかけ、昇温温度約１０℃／ｍｉｎで２００℃硬化することにより、炭素繊維が全て同一方向となる炭素繊維積層体を作製した。この時、得られた炭素繊維積層体の大きさは、２６６×３６×４５ｍｍであった。さらに、上記炭素繊維積層体を昇温温度３０℃／ｈ、不活性ガス雰囲気中１０００℃で焼成し、結合材である前記樹脂成分を炭素化させた後、ＨＩＰ法により純銅を含浸させ、全ての炭素繊維が摺動面に対して垂直方向に延在するように、２６６ｍｍ×３６ｍｍ×２０ｍｍ（摺動部は２６６×３６ｍｍ）の形状に炭素繊維積層体を加工し主摺動部２を得た。次に、主摺動部２の外周部にフェノール樹脂（群栄化学工業株式会社製J-３２５）を予め塗布した炭素繊維（一方向に配列した連続繊維）を、ワインディング等の装置を用いて直接巻きつけ、昇温温度３０℃／ｈ、不活性ガス雰囲気中１０００℃で焼成し、主摺動部２と補助摺動部３から構成される長さＬ１が２７０ｍｍ、幅Ｌ２が４０ｍｍ、高さＬ３が２０ｍｍ、補助摺動部３の幅Ｌ４が２ｍｍとなるパンタグラフ用すり板集電材料を作製した。尚、補助摺動部３における炭素繊維は摺動面に対して全て平行方向に延在されている。
【００２１】
ここで、上記大きさのパンタグラフ用すり板集電材料の場合には、補助摺動部３の幅Ｌ４は約１．６〜５ｍｍであることが望ましく、２〜３ｍｍであることが更に望ましい。理由として以下のことが挙げられる。物理的強度（後述の実験３及び実験４）を測定した実験用のパンタグラフ用すり板集電材料の主摺動部２と補助摺動部３を含む寸法は、図１０図１１、図１２で示すと、外幅Ｌ２１が１０ｍｍ、高さＬ２４が１０ｍｍ、外長さＬ２５が６０ｍｍであり、曲げ強度を１００ＭＰａ以上とするためには、補助摺動部の面積比率を９．２％以上（補助摺動部の肉厚Ｌ２３を０．４ｍｍ以上）としなければならない。補助摺動部の面積比率を９．０％として実機すり板に換算した場合、補助摺動部３の幅Ｌ４は１．６ｍｍとなる。したがって、パンタグラフ用すり板集電材料の補強効果を十分に発揮させるためには、補助摺動部３の幅Ｌ４の下限を１．６ｍｍ（補助摺動部の面積比率を約９．０％）とするのが望ましく、特に、２ｍｍ（補助摺動部の面積比率を約１０％）とするのが望ましい。
但し、補助摺動部３の幅Ｌ４が余り大きくなると、主摺動部２の面積が小さくなり過ぎて、すり板集電材料の耐摩耗性が低下する。したがって、このような不都合を回避するには、補助摺動部３の幅Ｌ４は５ｍｍ以下であることが望ましく、３ｍｍ以下であることが特に望ましい。
【００２２】
また、炭素繊維強化炭素複合材料に用いられる炭素繊維としては、ＰＡＮ系、ピッチ系のどちらでも良く、炭素繊維表面へのサイジング剤の付着の有無に関わらず使用することができる。また、上記主摺動部２と補助摺動部３の材料に用いられる炭素繊維には、熱処理温度が８００〜２０００℃のものが好適に使用される。
【００２３】
更に、上記炭素繊維は主に樹脂溶液を塗布して使用するが、樹脂の種類としてフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が用いられる。この中で、高温での接着性能、価格の面からフェノール樹脂、エポキシ樹脂がより好ましい。また、これらの樹脂液にフィラーとして粉末を混合することができる。フィラーとして黒鉛粉末、炭素粉末の他、銅粉、鉄粉などの金属粉末等が例示される。
【００２４】
加えて、主摺動部２には、ＨＩＰ法により高温高圧条件下にて溶融金属を含浸させることができる。また、補助摺動部３にも、同様にＨＩＰ法により高温高圧条件下にて溶融金属を含浸させることが好ましい。
【００２５】
また、主摺動部２の側面外周部を炭素繊維強化炭素複合材料で囲む方法としては、下記（１）〜（３）に示す方法が例示される。
（１）主摺動部２の外周部に樹脂を塗布した炭素繊維（一方向に配列した連続繊維又は二方向に配列したクロス繊維）を、ワインディング等の装置を用いて、もしくは手動で直接巻きつけ、昇温温度３０℃／ｈ、不活性ガス雰囲気中１０００℃で焼成し、主摺動部２と接着する方法。
（２）ダミーの被巻き付け体（例えば、黒鉛治具）に樹脂を塗布した炭素繊維を巻き付けた後、熱処理して得られた中空状の炭素繊維強化炭素複合材料（補助摺動部３）を主摺動部２にはめ込み熱処理して接着する方法。
（３）板状の炭素繊維板に樹脂を塗布し、これが主摺動部２を囲うように配置した後、熱処理して接着する方法。
【実施例】
【００２６】
以下に本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例のみに限定されるものではない。
〔実験１〕
【００２７】
（試料１）
先ず、炭素繊維を一方向に集束させてなるプリプレグシートを作製し、更に、フェノール樹脂（群栄化学工業株式会社製J-３２５）に炭素粉（東洋炭素株式会社製）を混合（混合比率は、炭素粉：フェノール樹脂＝１：９）を混合した。次に、プリプレグシート間に樹脂を塗付しつつ、炭素繊維が同一方向となるようにプリプレグシートを積層させてプリプレグシート積層体を作製した。続いて、プレス機（神藤金属工業所製ＷＦＡ−５０）を用いて、プリプレグシート中の炭素繊維がプレス機の台座に対して水平となるようにプリプレグシート積層体を設置し、上部から下部方向に向かって、面圧２００ｋｇ/ｃｍ2の荷重をかけ、昇温温度約１０℃／ｍｉｎで２００℃硬化した後、昇温温度３０℃／ｈ、不活性ガス雰囲気中１０００℃で焼成して、炭素繊維積層体を作製した。その後、全ての炭素繊維が摺動面に対して垂直方向に延在するように（以下、このような炭素繊維を、炭素繊維（⊥）と記述することがある）炭素繊維積層体を図７に示す試料１０の幅Ｌ１１を２０ｍｍ、長さＬ１２を３２ｍｍ、高さＬ１３を１０ｍｍ（摺動面１０ａは２０ｍｍ×３２ｍｍ）の形状に加工し、ＨＩＰ法により銅を含浸することにより炭素繊維強化炭素複合材料を作製した。
このようにして作製した試料を、以下、試料Ａ１と称する。
【００２８】
（試料２）
上記試料Ａ１と同様にして作製した炭素繊維積層体を、全ての炭素繊維を摺動面に対して平行方向に延在するように加工した（以下、このような炭素繊維を、炭素繊維（//）と記述することがある）他は、上記試料Ａ１と同様にして試料を作製した。
このようにして作製した試料を、以下、試料Ａ２と称する。
【００２９】
（試料３）
プリプレグシートの積層時に、各プリプレグシートの炭素繊維が二方向となるように０°と９０°にプリプレグシートを交互積層させ（即ち、隣接するププリプレグシートの炭素繊維が直交するようにプリプレグシートを交互積層させ）て、半数の炭素繊維を摺動面に対して平行方向に延在させる一方、残りの炭素繊維を摺動面に対して垂直方向に延在するように加工した（以下、このような炭素繊維を、炭素繊維（// ⊥）と記述することがある）他は、上記試料Ａ１と同様にして試料を作製した。
このようにして作製した試料を、以下、試料Ａ３と称する。
【００３０】
（試料４）
試料として従来用いられている東洋炭素株式会社製ＰＣ−７８Ａを用いた。このＰＣ−７８Ａは、粒径の小さいコークス系原料とピッチ系バインダとを使用し、成形、焼成したカーボン焼成体に、ＨＩＰ法により高温高圧下溶融した銅をカーボンの気孔に含浸することにより得られたすり板専用材であり、炭素繊維は含まれていないものである。
このようにして作製した試料を、以下、試料Ａ４と称する。
【００３１】
（実験内容）
上記試料Ａ１〜Ａ４の機械的な摺動特性を把握するため、粗仕上げ用サンディングベルト（荒れた架線を模擬的に表現したものであって、粒度ＡＡ−４０のものを用いている）を、ベルトサンダ試験機（日立工機株式会社製ＢＧ−１００）に取付け、サンディングベルトに各試料を押付けて摺動させ、各試料の摩耗状況を観察したので、その結果を図８に示す。具体的な実験条件は、試験片を３０秒間摺動させた後に試験機を停止し、試験片の厚みを測定する作業を繰り返し１０回行い、合計５分間摺動させた場合での試験片の摩耗状況を観察した。尚、試料数は各２個である。
【００３２】
（実験結果）
図８から明らかなように、摩耗量は、炭素繊維（⊥）を備えた試料Ａ１が最も少なく、その他の試料Ａ２〜Ａ４については、炭素繊維（// ⊥）を備えた試料Ａ３、従来用いられているＰＣ−７８Ａを用いた試料Ａ４、炭素繊維（//）を備えた試料Ａ２の順に摩耗量が増加していることが認められる。
【００３３】
以上のことから、摺動面に対して炭素繊維が垂直方向に延在する割合を変えることで、機械的な摩耗量が変化する傾向が見られた。具体的には、試料Ａ１〜Ａ３を比較した場合、炭素繊維が摺動面に対して垂直方向に延在する割合が多いほど摩耗量が少なくなっていることがわかる。
また、炭素繊維を摺動面に対して全て垂直方向に延在させた試料Ａ１の５分間摺動後における摩耗量と、従来用いられているＰＣ−７８Ａを用いた試料Ａ４の５分間摺動後における摩耗量とを比較すると、前者は後者に対して摩耗量が４８％低減していることがわかる。
〔実験２〕
【００３４】
（試料１）
図７において、幅Ｌ１１を１０ｍｍ、長さＬ１２を６０ｍｍ、高さＬ１３を１０ｍｍ（摺動面１０ａは１０ｍｍ×６０ｍｍ）とした他は、炭素繊維（⊥）を備えた上記試料Ａ１と同様にして試料を作製した。
このようにして作製した試料を、以下、試料Ｂ１と称する。
【００３５】
（試料２）
図７において、幅Ｌ１１を１０ｍｍ、長さＬ１２を６０ｍｍ、高さＬ１３を１０ｍｍ（摺動面１０ａは１０ｍｍ×６０ｍｍ）とした他は、炭素繊維（//）を備えた上記試料Ａ２と同様にして試料を作製した。
このようにして作製した試料を、以下、試料Ｂ２と称する。
【００３６】
（実験内容）
上記試料Ｂ１、Ｂ２における電気的な集電特性を把握するため、外径３１０ｍｍ、内径２００ｍｍ、厚さ２ｍｍの銅円盤を取付けたすり板摩耗試験機（架線を模擬的に表現したものであって、横山製作所製）を用いて実験を行ったので、その結果を図９に示す。具体的には、試料Ｂ１、Ｂ２を銅円盤に約１ｋｇｆで押付けた状態で、銅円盤を５０〜１０００ｒｐｍの回転速度で摺動させ、通電させずに摺動した場合と、５０Ｖの電圧、２０Ａの電流を通電させながら摺動した場合とについて摺動集電試験を実施した。そして、通電させずに摺動した場合の離線率を０％とし、通電させて摺動した場合の離線率を５％、１０％、３０％に変化させた。尚、離線率（％）とは、各試料と銅円盤とが離れた割合を示すものであり、離線率が高いほどアークが多く発生し、各試料の摩耗も増加すると考えた。また、試料数は各２個である。
【００３７】
（実験結果）
図９から明らかなように、離線率が各々０％、５％、１０％、３０％の場合に、炭素繊維（⊥）を備えた試料Ｂ１では、摩耗率はそれぞれ２ｃｍ3／万ｋｍ、１０ｃｍ3／万ｋｍ、１７ｃｍ3／万ｋｍ、６３ｃｍ3／万ｋｍであるのに対して、炭素繊維（//）を備えた試料Ｂ２では、摩耗率はそれぞれ３ｃｍ3／万ｋｍ、１７ｃｍ3／万ｋｍ、２７ｃｍ3／万ｋｍ、１０１ｃｍ3／万ｋｍであって、通電させずに摺動した場合、及び通電させながら摺動した場合とも、炭素繊維（⊥）を備えた試料Ｂ１の方が炭素繊維（//）を備えた試料Ｂ２よりも摩耗率が小さいことが認められた。
【００３８】
尚、通電させながら摺動した場合の摩耗率は、通電させずに摺動した場合と比較すると、試料Ｂ１及び試料Ｂ２共に増加する傾向にあり、更に離線率が高くなるほど摩耗率の増加が顕著であるということから、パンタグラフ用すり板集電材料は、摺動に集電機能が加わることで摩耗率が大幅に増加することが認められ、極めて過酷な条件で使用されることがわかる。但し、このように極めて過酷な条件下であっても、炭素繊維を摺動面に対して全て垂直方向に延在させた試料Ｂ１では、摩耗率を大幅に低減できることが判明した。
【００３９】
〔実験３〕
（試料１）
先ず、上記実験１の試料１と同様にして作製した炭素繊維強化炭素複合材料（主摺動部であって、大きさは実験１の試料１と異なる）の周縁に、ワインディング装置を用いて、炭素繊維（東レ株式会社製、Ｔ−７００）にフェノール樹脂（群栄化学工業株式会社製、Ｊ−３２５）を塗布したものを巻きつけた。次に、昇温温度約１０℃／ｍｉｎで２００℃硬化を行なった後、昇温温度３０℃／ｈ、不活性ガス雰囲気中１０００℃で焼成を行ない、更に、当該焼成物を切断することにより、図１２に示すように、主摺動部２の周縁に補助摺動部３が設けられた実験用のパンタグラフ用すり板集電材料を作製した。尚、上記主摺動部２において、炭素繊維強化炭素複合材料の炭素繊維の延在方向は摺動面に対して全て垂直方向となっており、上記補助摺動部３において、炭素繊維強化炭素複合材料の炭素繊維の延在方向は摺動面に対して全て平行方向となっている。
【００４０】
ここで、図１１に示すように、主摺動部２においては、幅Ｌ２７が９．２ｍｍ、高さＬ２８が１０ｍｍ、長さＬ２９が５９．２ｍｍとなっており、また、図１０に示すように、補助摺動部３においては、外幅Ｌ２１が１０ｍｍ、内幅Ｌ２２が９．２ｍｍ、肉厚Ｌ２３が０．４ｍｍ、高さＬ２４が１０ｍｍ、外長さＬ２５が６０ｍｍ、内長さＬ２６が５９．２ｍｍとなっている。
【００４１】
主摺動部２及び補助摺動部３の大きさは上記の如くとなっているため、摺動面に位置する補助摺動部３の面積（図１２の３ｂの面積）は５５．３６ｍｍ2であり、摺動面に位置する主摺動部２の面積（図１２の２ｂの面積）は５４４．６４ｍｍ2であるということから、摺動面の全面積に対する補助摺動部の面積の比率（以下、単に、補助摺動部の面積比率と称することがある）は、約９．２％となっている。
このようにして作製したパンタグラフ用すり板集電材料を、以下、試料Ｃ１と称する。
【００４２】
（試料２）
補助摺動部３において、内幅Ｌ２２を８ｍｍ、内長さＬ２６を５８ｍｍとし、且つ、主摺動部２において、幅Ｌ２７を８ｍｍ、長さＬ２９を５８ｍｍとした。このように規制することにより、補助摺動部３の肉厚Ｌ２３を１ｍｍとした。上記構造とした以外は、上記試料１と同様にして実験用のパンタグラフ用すり板集電材料を作製した。
【００４３】
尚、摺動面に位置する補助摺動部３の面積は１３６ｍｍ2であり、摺動面に位置する主摺動部２の面積は４６４ｍｍ2であるということから、補助摺動部の面積比率は、約２３％となっている。
このようにして作製したパンタグラフ用すり板集電材料を、以下、試料Ｃ２と称する。
【００４４】
（試料３）
補助摺動部３において、内幅Ｌ２２を７ｍｍ、内長さＬ２６を５７ｍｍとし、且つ、主摺動部２において、幅Ｌ２７を７ｍｍ、長さＬ２９を５７ｍｍとした。このように規制することにより、補助摺動部３の肉厚Ｌ２３を１．５ｍｍとした。上記構造とした以外は、上記試料１と同様にして実験用のパンタグラフ用すり板集電材料を作製した。
【００４５】
尚、摺動面に位置する補助摺動部３の面積は２０１ｍｍ2であり、摺動面に位置する主摺動部２の面積は３９９ｍｍ2であるということから、補助摺動部の面積比率は、約３４％となっている。
このようにして作製したパンタグラフ用すり板集電材料を、以下、試料Ｃ３と称する。
【００４６】
（試料４）
補助摺動部３において、内幅Ｌ２２を６ｍｍ、内長さＬ２６を５６ｍｍとし、且つ、主摺動部２において、幅Ｌ２７を６ｍｍ、長さＬ２９を５６ｍｍとした。このように規制することにより、補助摺動部３の肉厚Ｌ２３を２ｍｍとした。上記構造とした以外は、上記試料１と同様にして実験用のパンタグラフ用すり板集電材料を作製した。
【００４７】
尚、摺動面に位置する補助摺動部３の面積は２６４ｍｍ2であり、摺動面に位置する主摺動部２の面積は３３６ｍｍ2であるということから、補助摺動部の面積比率は、約４４％となっている。
このようにして作製したパンタグラフ用すり板集電材料を、以下、試料Ｃ４と称する。
【００４８】
（試料５）
上記実験２の試料１と同様にして実験用のパンタグラフ用すり板集電材料を作製した。
このようにして作製したパンタグラフ用すり板集電材料を、以下、試料Ｃ５と称する。
【００４９】
（実験内容）
試料Ｃ１〜Ｃ５の曲げ強度を把握するため、引張圧縮試験機（株式会社今田製作所製ＳＤＷ５００Ｓ−ＳＨ）を用い、曲げ強度を測定したので、その結果を図１３に示す。なお、実験は、支点間距離を４０ｍｍとし、試験片中央に毎秒約３ｋｇｆの均一速度で直行に荷重を加えて、試験片が破壊した最大荷重を測定し、この最大荷重を曲げ強度とした。また、試料数は各２個である。
【００５０】
（実験結果）
図１３から明らかなように、補助摺動部を設けない試料Ｃ５では、曲げ強度が１２ＭＰａであって十分な曲げ強度が得られないのに対して、補助摺動部を設けた試料Ｃ１〜Ｃ４では、曲げ強度が１００ＭＰａ以上であって十分な曲げ強度が得られることが認められる。したがって、主摺動部の周縁に補助摺動部を設けることにより、優れた摺動集電特性を維持しつつ、機械的強度が向上することがわかる。
【００５１】
また、補助摺動部の面積比率について検討すると、補助摺動部の面積比率が９．２％の場合には曲げ強度が１０１ＭＰａ、２３％の場合には曲げ強度が１９１ＭＰａ、補助摺動部の面積比率が３４％の場合には曲げ強度が２１９ＭＰａ、補助摺動部の面積比率が４４％の場合には曲げ強度が２８１ＭＰａとなっている。このことから、補助摺動部の面積比率が９．２％であれば曲げ強度は１００ＭＰａ以上となる。したがって、補助摺動部の面積比率は約９％以上であれば曲げ強度を十分に向上させることができる。
【００５２】
但し、補助摺動部は主摺動部に比べて摺動集電特性に劣るため、補助摺動部の面積比率が余り大きくなると、すり板の摺動集電特性が低下する。したがって、補助摺動部の面積比率は５０％未満であることが好ましい。
以上のことから、補助摺動部の面積比率は９％以上５０％未満であることが好ましい。
【００５３】
〔実験４〕
（試料１〜５）
試料１〜５としては、上記実験３で示した試料Ｃ１〜Ｃ５を用いた。
【００５４】
（実験内容）
上記試料Ｃ１〜Ｃ５における耐衝撃性を調べるため、シャルピー衝撃試験機（前川試験機製作所株式会社製）を用い、長手方向の側面略中央部にハンマーを衝突させる（図１２のＣ方向から衝突させる）ことにより、５０Ｊの衝撃を加えてシャルピー衝撃値を測定したので、その結果を表１に示す。尚、試料数は各２個である。
【００５５】
【表１】
【００５６】
（実験結果）
表１から明らかなように、主摺動部の周縁に補助摺動部が設けられていない試料Ｃ５のシャルピー衝撃値は２．７ｋＪ／ｍ2であるのに対して、主摺動部の周縁に補助摺動部が設けられた試料Ｃ１〜Ｃ４のシャルピー衝撃値は、各々９．３ｋＪ／ｍ2、１８．５ｋＪ／ｍ2、３２．９ｋＪ／ｍ2、３１．３ｋＪ／ｍ2、であり、主摺動部の周縁に補助摺動部が設けられた試料Ｃ１〜Ｃ４は主摺動部の周縁に補助摺動部が設けられていない試料Ｃ５より、シャルピー衝撃値が約３．４〜１２．２倍大きくなっていることが認められる。このことから、主摺動部の周縁に補助摺動部を設けるのが好ましいことがわかる。尚、このような実験結果となった理由は、主摺動部の周縁に補助摺動部が設けられた試料Ｃ１〜Ｃ４では、シャルピー衝撃値の比較的低い主摺動部の内部で衝撃が吸収され、補助摺動部により試験片形状が保持されることにより、全体として高い衝撃値になったものと推測される。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は鉄道車両のパンタグラフに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係るパンタグラフ用すり板集電材料の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るパンタグラフ用すり板集電材料の一例を示す平面図である。
【図３】本発明に係るパンタグラフ用すり板集電材料の一例を示す正面図である。
【図４】本発明に係るパンタグラフ用すり板集電材料の一例を示す側面図である。
【図５】図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図６】図２のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図７】実験に用いた試料の斜視図である。
【図８】摺動時間と摩耗量との関係を示すグラフである。
【図９】離線率と摩耗率との関係を示すグラフである。
【図１０】実験に用いた試料における補助摺動部の斜視図である。
【図１１】実験に用いた試料における主摺動部の斜視図である。
【図１２】実験に用いた試料の斜視図である。
【図１３】補助摺動部の面積比率と曲げ強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１ パンタグラフ用すり板集電材料
２ 主摺動部
３ 補助摺動部
５ さや
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電用架線と接触する摺動面を備えた基材を有し、この基材が炭素繊維強化炭素複合材料からなるパンタグラフ用すり板集電材料であって、
上記炭素繊維強化炭素複合材料における炭素繊維は、上記摺動面に対して全て垂直方向に延在していることを特徴とするパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項２】
上記炭素繊維には銅が含浸されている、請求項１に記載のパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項３】
送電用架線と接触する摺動面を備えた基材を有し、この基材が炭素繊維強化炭素複合材料からなるパンタグラフ用すり板集電材料であって、
上記炭素繊維強化炭素複合材料は、中央部に配置された主摺動部とこの主摺動部の周縁に配置された補助摺動部とから成り、且つ、上記主摺動部における炭素繊維は、上記摺動面に対して全て垂直方向に延在する一方、上記補助摺動部における炭素繊維には、上記摺動面に対して非垂直方向に延在するものが含まれていることを特徴とするパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項４】
上記補助摺動部における炭素繊維が、上記摺動面に対して全て平行方向に延在している連続繊維体、二方向に交互積層させてなるクロス繊維体、又は、三次元的に配向させてなるランダム繊維体から成る、請求項３記載のパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項５】
上記摺動面の全面積に対する上記補助摺動部の面積の比率が９％以上５０％未満である、請求項３又は４に記載のパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項６】
上記主摺動部の炭素繊維には銅が含浸されている、請求項３〜５のいずれか１項に記載のパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項７】
上記補助摺動部の炭素繊維には銅が含浸されている、請求項６に記載のパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項１】
送電用架線と接触する摺動面を備えた基材を有し、この基材が炭素繊維強化炭素複合材料からなるパンタグラフ用すり板集電材料であって、
上記炭素繊維強化炭素複合材料における炭素繊維は、上記摺動面に対して全て垂直方向に延在していることを特徴とするパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項２】
上記炭素繊維には銅が含浸されている、請求項１に記載のパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項３】
送電用架線と接触する摺動面を備えた基材を有し、この基材が炭素繊維強化炭素複合材料からなるパンタグラフ用すり板集電材料であって、
上記炭素繊維強化炭素複合材料は、中央部に配置された主摺動部とこの主摺動部の周縁に配置された補助摺動部とから成り、且つ、上記主摺動部における炭素繊維は、上記摺動面に対して全て垂直方向に延在する一方、上記補助摺動部における炭素繊維には、上記摺動面に対して非垂直方向に延在するものが含まれていることを特徴とするパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項４】
上記補助摺動部における炭素繊維が、上記摺動面に対して全て平行方向に延在している連続繊維体、二方向に交互積層させてなるクロス繊維体、又は、三次元的に配向させてなるランダム繊維体から成る、請求項３記載のパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項５】
上記摺動面の全面積に対する上記補助摺動部の面積の比率が９％以上５０％未満である、請求項３又は４に記載のパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項６】
上記主摺動部の炭素繊維には銅が含浸されている、請求項３〜５のいずれか１項に記載のパンタグラフ用すり板集電材料。
【請求項７】
上記補助摺動部の炭素繊維には銅が含浸されている、請求項６に記載のパンタグラフ用すり板集電材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２２１４３（Ｐ２０１０−２２１４３Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８１０１３（Ｐ２００８−１８１０１３）
【出願日】平成２０年７月１１日（２００８．７．１１）
【出願人】（０００１７３７８４）財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【出願人】（０００２２２８４２）東洋炭素株式会社 (198)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１１日（２００８．７．１１）
【出願人】（０００１７３７８４）財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【出願人】（０００２２２８４２）東洋炭素株式会社 (198)
【Ｆターム（参考）】
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