炭素複合材料、炭素複合材料からなるブレーキ材料、および炭素複合材料の製造方法
【課題】 少ない制動回数で摩擦係数が高く安定し、摩耗量が少なく、ブレーキ材料に好適な炭素複合材料を提供する。
【解決手段】 ブレーキパッド１０は、二次元炭素繊維材として炭素繊維織布１２を含む第１層１１と、短炭素繊維材１６を含む第２層１５とを積層し加熱すると共に加圧して一体化している。第１層１１は、炭素繊維織布１２に液状の樹脂を含浸させたあと炭化して形成することが好ましく、第２層１５は短炭素短繊維材１６、樹脂粉末およびシリカ粉末またはシリコン粉末を混合し炭化して形成することが好ましい。液状の樹脂、樹脂粉末としては熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂を使用し、第１層および第２層は、熱硬化性樹脂の樹脂層と共に形成したあと炭化して一体化することが好ましい。
【解決手段】 ブレーキパッド１０は、二次元炭素繊維材として炭素繊維織布１２を含む第１層１１と、短炭素繊維材１６を含む第２層１５とを積層し加熱すると共に加圧して一体化している。第１層１１は、炭素繊維織布１２に液状の樹脂を含浸させたあと炭化して形成することが好ましく、第２層１５は短炭素短繊維材１６、樹脂粉末およびシリカ粉末またはシリコン粉末を混合し炭化して形成することが好ましい。液状の樹脂、樹脂粉末としては熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂を使用し、第１層および第２層は、熱硬化性樹脂の樹脂層と共に形成したあと炭化して一体化することが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレーキパッド、ブレーキロータ等のブレーキ材料を形成するのに最適な炭素繊維を含む炭素複合材料に係り、特に、摩擦係数が早期に安定し、摩擦係数の変動幅が小さく、耐熱性、耐久性に優れた炭素複合材料と、この材料からなるブレーキ材料、および炭素複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の繊維複合材料として、特許文献１に記載の炭素炭素複合材料からなる高摩擦係数を持つブレーキ材料がある。このブレーキ材料は、炭素繊維体積含有率が３０〜６５容積％であり、ブレーキ材料を構成する炭素繊維原料のＸ線による結晶子寸法Ｌｃ（００２）が１０ｎｍ以上、かつ伸長弾性率が４０×１０３ｋｇｆ／ｍｍ２以上、室温測定時の熱伝導率が１１０ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・ｋ以上であることを特徴とする、高摩擦係数を持つ低摩耗量の炭素炭素複合材料からなるものである。
【０００３】
また、特許文献２に記載の被覆層を有する炭素複合材料は、Ｃ／Ｃコンポジット母材にＳｉ−ＳｉＣ材料から構成される層を配したセラミックス・金属・炭素からなる含浸焼成体であって、かつその表面に金属および酸化物セラミックスからなる多層構造を溶射により形成した被覆層を備える。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１７３９８５号公報
【特許文献２】特開２０００−２８１４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、本願発明者らは、前記特許文献１に記載の炭素炭素複合材料からなるブレーキ材料のように、炭素繊維材を含むブレーキ材料で制動実験を行ったところ、制動動作を多数回行わないと所要の摩擦係数が得られず、また、所要の摩擦係数が得られた後でも、摩擦係数の変動が生ずる場合があり、なお改善の余地があることを知見した。
【０００６】
また、前記特許文献２に記載の炭素複合材料は、摩擦係数が低く、ブレーキやクラッチ材料としては使用できない。すなわち、表面層が溶射層で薄く、摩耗寿命が短い。また、母材のＣ／Ｃコンポジットと表面層の酸化物セラミックスの熱膨張量の差が大きく、使用温度域が広いブレーキやクラッチ部品では、表面層の酸化物セラミックスにクラックが発生する虞がある。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、少ない制動回数で摩擦係数が高く安定し、摩耗量が少なく、ブレーキのロータやブレーキのパッド等のブレーキ材料に適した炭素複合材料を提供することにある。また、摩擦係数が早期に高く安定し、摩擦係数の変動の小さく、耐熱性に優れた炭素複合材料を効率良く製造できる製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、前記の課題に対し、さらなる改善の余地があるとして多くの実験と研究を行うことにより、炭素繊維で補強された炭素複合材料よりなるブレーキ材料において、二次元炭素繊維材を含む第１層と、短炭素繊維材を含む第２層とを積層し加熱・加圧して一体化することにより前記の課題を解決でき、摩擦係数が早期に高く安定し、摩擦係数の変動が少なく、耐久性が向上できることを見出した。
【０００９】
前記目的を達成すべく、本発明に係る炭素複合材料は、二次元炭素繊維材を含む第１層と、短炭素繊維材を含む第２層とを積層し加熱・加圧して一体化したことを特徴とする。二次元炭素繊維材とは、炭素繊維材を１方向に沿って並べると共に、この方向と交差する方向に沿って他の炭素繊維材を並べて二次元方向とするもので、２つの方向が直交するように織り込まれた炭素繊維織布が好ましい。第１層および第２層は、熱硬化性樹脂の樹脂層と共に形成したあと炭化して一体化することが好ましい。
【００１０】
前記のごとく構成された本発明の炭素複合材料は、二次元炭素繊維材を含む第１層と、短炭素繊維材を含む第２層とを積層して一体化しているため、第２面を摩擦面としてブレーキパッド等のブレーキ材料として使用した場合に、制動回数が少ない早い時期から高い摩擦係数が得られ、しかも摩擦係数の変動が小さいため安定したブレーキ性能を得ることができる。
【００１１】
また、本発明に係る炭素複合材料の好ましい具体的な態様としては、前記第１層は、炭素繊維織布に液状の樹脂を含浸させたあと炭化して形成したことを特徴としている。液状の樹脂としては、フェノール樹脂等の熱硬化性の樹脂が好ましい。この構成によれば、第１層は炭素繊維織布に熱硬化タイプの液状の樹脂を含浸させたあと炭化して形成するため、剥離やクラックの発生を防止することができる。また、炭素繊維が二次元的に交差しているため、高い強度を保持することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係る炭素複合材料の好ましい具体的な他の態様としては、前記第２層は、短炭素繊維材、樹脂粉末およびシリカ粉末またはシリコン粉末を混合し炭化して形成したことを特徴としている。樹脂粉末としてはフェノール樹脂等の熱硬化性の樹脂粉末が好ましい。この構成によれば、第２層は短炭素繊維材、フェノール樹脂等の粉末およびシリカ粉末またはシリコン粉末を混合し炭化して形成されるため、炭化層内に短炭素繊維材および炭化樹脂とシリカ粉末またはシリコン粉末が反応して形成されたＳｉＣがランダムに配置され、高い摩擦係数が得られると共に、早期に摩擦係数が高くなり、摩擦係数の変動も小さくなる。
【００１３】
本発明に係るブレーキ材料は、前記したいずれかに記載の炭素複合材料からなるブレーキ材料である。このように構成されたブレーキ材料は、制動回数が少ない場合でも高い摩擦係数が得られ、摩擦係数の変動が小さいため安定したブレーキ性能を得ることができる。また、このブレーキ材料は剥離やクラックの発生が防止され、高い強度を保持することができる。
【００１４】
本発明に係る炭素複合材料の製造方法は、金型内に、二次元炭素繊維材を含む樹脂層からなる第１層と、短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層とを積層し、第１層と第２層とを加熱・加圧して一体化する工程と、前記第１層および第２層中の樹脂層を炭化する工程とを備えることを特徴としている。第１層と第２層はどちらの層を上にしてもよい。第２層の樹脂層は、短炭素繊維材を含む樹脂粉末から形成することが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、所定形状の金型内に第１層と第２層とを積層し、第１層と第２層とを加熱すると共に加圧して一体化し、このあと炭化するため、ブレーキパッドに最適な所望の形状の炭素複合材料を容易に製造することができる。また、樹脂層が炭化されているため、耐熱性に優れた炭素複合材料とすることができ、プレーキパッド等のブレーキ材料等に好適に使用することができる。
【００１６】
本発明に係る炭素複合材料の他の製造方法は、金型内に、短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層上に二次元炭素繊維材を含む樹脂層からなる第１層を積層し、該第１層上に短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層を積層し、第１層の両面に第２層を配置した状態で加熱・加圧して一体化する工程と、前記第１層および第２層中の樹脂層を炭化する工程とを備えることを特徴としている。この製造方法においても、第２層の樹脂層は、短炭素繊維材を含む樹脂粉末から形成することが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、所定形状の金型内に第２層、第１層、第２層を積層し、３つの層を加熱すると共に加圧して一体化し、このあと炭化するため、両面が短炭素繊維材を含む高摩擦係数を有する第２層となり、ブレーキロータに最適な所望の形状の炭素複合材料を容易に製造することができる。また、樹脂層が炭化されているため、耐熱性に優れた炭素複合材料とすることができ、プレーキロータ等のブレーキ材料等に好適に使用することができる。
【００１８】
また、前記の樹脂層を炭化する工程の後工程として、液状の樹脂を含浸させる工程と、含浸させた樹脂を再度、炭化させる工程とを備えると、さらに好適である。このように構成された炭素複合材料の製造方法によれば、樹脂層を炭化処理した空隙内に樹脂を含浸させ、含浸させた樹脂をさらに炭化処理するため、炭素複合材料に剥離やクラックが発生することをさらに防止できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、摩擦係数が高く安定しており、しかも制動回数が少ない早期の制動状態で高い摩擦係数を得ることができるブレーキパッドやブレーキロータに最適な炭素繊維で強化した炭素複合材料を提供できる。また、所望の形状のブレーキパッドやブレーキロータ等を容易に製造できると共に、耐熱性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る炭素複合材料の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る炭素複合材料で形成したブレーキパッドの斜視図と、要部を模式的に示す断面図、図２は、図１の下方の層を構成するシート材を模式的に示す断面図と、他のシート材を模式的に示す断面図である。
【００２１】
図１，２において、ブレーキパッド１０は、二次元炭素繊維材を含む第１層１１と、短炭素繊維材を含む第２層１５とを積層して一体化している。すなわち、第１層１１は炭素繊維を二次元方向に配列した炭素繊維織布１２と、この織布にフェノール樹脂を含浸させ炭化された樹脂層１３とから構成されている。本実施形態では、炭素繊維織布１２にフェノール樹脂等の液状の樹脂を含浸させて形成したシート材１４を必要枚数だけ積層し、炭化して第１層１１を形成している。
【００２２】
また、第２層１５は、炭素繊維を数ｍｍ〜１０ｍｍ程度に切断した短炭素繊維材１６と、シリカ粉末またはシリコン粉末、およびフェノール樹脂粉末を混合した粉末から炭化された樹脂層１７を形成している。すなわち、積層された第１層１１と、第２層１５とを加熱、加圧して一体化し、第１層１１と第２層１５の樹脂層を炭化し一体化している。第１層１１は例えば２〜３ｍｍ程度の厚さに設定され、第２層１５は例えば７〜８ｍｍ程度に設定され、ブレーキパッド１０は全体として１０ｍｍ程度の厚さに形成されている。このようにブレーキパッド１０は多層構造で構成されている。
【００２３】
第１層１１で使用される炭素繊維織布１２を構成する炭素繊維材料は、繊維径が５〜１０μｍ程度の太さのものが好ましいが、特に限定されるものでない。第１層１１を構成する炭素繊維材料と、液状の熱硬化性樹脂との配合組成は、炭素繊維材料が２０〜５０Ｖｏｌ％、熱硬化性樹脂が５０〜８０Ｖｏｌ％程度に設定される。好ましくは、炭素繊維材料が３０〜４０Ｖｏｌ％、熱硬化性樹脂が６０〜７０Ｖｏｌ％に設定される。図２ａに示す第１層１１を構成する炭素繊維織布１２に液状の樹脂１３ａを含浸したシート材１４の厚さは、０．１〜０．５ｍｍ程度に設定される。
【００２４】
なお、第１層１１を構成するシート材としては、炭素繊維織布１２のように織成したものでなく、図２ｂに示すように、１方向に炭素繊維を並べると共に、この方向の直交する方向に炭素繊維を並べ、上下方向に重ねて二次元炭素繊維材１２Ａとしたものでもよい。この場合は、炭素繊維を交差するように配列したあと、液状の樹脂１３ａを含浸させてシート材１４Ａとして形成することができる。
【００２５】
また、第２層１５で使用される短炭素繊維材１６は、第１層１１で使用したものと同等の繊維径を有する炭素繊維を、５〜１０ｍｍ程度に切断して使用すると好ましいが、繊維長も特に限定されるものではない。第２層１５を構成する粉末材は、短炭素繊維材１６と、樹脂層１７を構成するシリカ粉末および熱硬化性樹脂粉末との配合組成が、短炭素繊維材が２０〜４０Ｖｏｌ％、シリカ粉末１０Ｖｏｌ％程度、熱硬化性樹脂粉末が５０〜７０Ｖｏｌ％程度に設定される。好ましくは、シリカ粉末１０Ｖｏｌ％、短炭素繊維材が３０Ｖｏｌ％、熱硬化性樹脂粉末が６０Ｖｏｌ％に設定される。また、シリカ粉末の代わりに、シリコン粉末を配合してもよい。
【００２６】
このように形成されたブレーキパッド１０は、第１層１１の炭素繊維材が二次元的に配列され強化繊維として機能しているため、高強度とすることができる。また、第２層１５の短炭素繊維材１６は短尺の形状のものがランダムに配置されているため、高い摩擦係数を確保することができる。しかも、第２層１５の摩擦係数の高い状態は方向性が問われず、どの方向でも高い状態とすることができる。この第２層１５はシリカ粉末またはシリコン粉末を含んでおり、樹脂粉末が炭化しているため、第１層１１と比較して硬度を高めることができ、耐久性を向上させることができる。さらに、本実施形態のブレーキパッド１０は多層構造の形態となっており、所望の形状のシート材１４と、樹脂粉末等を積層して容易に製造することができる。
【００２７】
そして、第１層１１の樹脂層１３、および第２層１５の樹脂層１７は、後述する製造方法で詳細に述べるように樹脂粉末が炭化処理されているため、高温状態となっても軟化することがなく、耐熱性に優れた炭素複合材料となっている。すなわち、本実施形態のブレーキパッド１０は、１０００℃以上の高温状態でも軟化せず、耐熱性に極めて優れたブレーキパッドとなっている。
【００２８】
前記の如く構成された本実施形態の炭素複合材料を用いたブレーキパッド１０の製造方法について以下に説明する。このブレーキパッド１０は、第１層１１と第２層１５とを積層して一体化したものであり、第１層１１の上に第２層１５を重ねて製造しても、逆に第２層１５の上に第１層１１を重ねて製造してもよい。本実施形態では、第２層１５の上に第１層１１を重ねる製造方法について説明する。
【００２９】
先ず、第１層１１として、炭素繊維を二次元的に配列した炭素繊維織布１２を使用する。この炭素繊維織布１２を熱硬化性樹脂として液状のフェノール樹脂に含浸し、加熱してフェノール樹脂中の水分を除去する。加熱の条件としては、例えば５０℃で１０時間程度加熱することが好ましい。このようにして、フェノール樹脂を含浸し水分を除去した炭素繊維布（シート材）１４を必要枚数積層して第１層１１とする。つぎに、第２層１５として、炭素繊維を短尺に切断した短炭素繊維材１６と、この短炭素繊維材と樹脂層１７を構成するシリカ粉末またはシリコン粉末、および熱硬化性樹脂（フェノール樹脂）粉末を、混合機を用いて均一となるように混合し、粉末材１８を作製する。
【００３０】
図３に示すように、ブレーキパッド１０を形成する所定の形状の金型１のキャビティー２に、第２層１５を形成する混合された粉末材１８を挿入する。この粉末材の分量は、完成時のブレーキパッドの厚さで７〜８ｍｍとなるような分量が好ましい。このあと、金型の外径に合わせて切断した第１層のフェノール樹脂を含浸した炭素繊維織布１２を有するシート材１４を積層する。積層枚数は、完成時のブレーキパッドの厚さで２〜３ｍｍ程度となるような枚数が好ましい。
【００３１】
金型１のキャビティー２内で第２層１５を形成する粉末材１８の上に、第１層１１を構成するシート材１４を複数枚重ねて積層したあと、加熱すると共に押圧部材３で加圧して第１層１１と第２層１５の一体化を行う。１５０〜２００℃程度の熱硬化性樹脂の溶融する温度で加熱し、樹脂層１３を構成する溶融したフェノール樹脂１３ａと、粉末材１８中の樹脂層１７を構成する溶融したフェノール樹脂とが一体化するように、面圧３０〜４０ｋｇ／ｃｍ２程度の圧力で加圧する。押圧部材３は金型１のキャビティー２内に進入する形状のものが好ましい。
【００３２】
このようにして第１層１１と第２層１５とが加熱・加圧されて一体化した成形体は、不活性ガス雰囲気中で１０００℃程度の高温状態で数時間加熱して炭化処理が実施され、樹脂層は炭化樹脂層となる。そして、炭化処理工程のあとに、真空含浸処理を実施する。この真空含浸処理工程は、微細な連続空隙を有する成形体を、高真空下で液状樹脂に浸漬して樹脂を含浸させたあと、真空を解除し、空隙内に気泡を残さずに樹脂を充填する処理である。そして、真空含浸処理のあとに、例えば不活性ガス中において１６５０℃で４〜６時間程度加熱して焼成処理を行う。この焼成処理で、シリカ粉末またはシリコン粉末は炭化樹脂層と反応してＳｉＣを形成する。
【００３３】
このあと、焼成処理済品に、再度、真空含浸処理によりフェノール樹脂を充填する。そして、真空含浸処理済品を不活性ガス中にて、例えば１０００℃で３〜５時間程度加熱して炭化処理を行う。炭化処理が済んだ処理済品の摩擦面を研磨することで、ブレーキパッド１０は完成する。なお、前記の２度の炭化処理は１０００℃程度で行ったが、８００〜１２００℃の範囲で処理を行ってもよい。この温度範囲とすることで、炭化処理された炭素複合材料は亀裂やクラックが発生しにくくなる。
【００３４】
このように製造されたブレーキパッド１０は、第１層１１および第２層１５中の熱硬化性樹脂からなる樹脂層１３，１７が炭化処理され、樹脂材自体が存在していないため、通常の熱硬化性樹脂が軟化してしまう１５０〜２００℃の温度域でも軟化することがなく、１０００℃程度の温度でも軟化することがなく耐熱性が大幅に向上する。
【００３５】
本発明の他の実施形態を図４に基づき詳細に説明する。図４は本発明に係る炭素複合材料の他の実施形態の要部断面図である。なお、この実施形態は前記した実施形態に対し、第１層の両面に第２層を積層して炭素複合材料でブレーキロータを形成したことを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３６】
図４において、ブレーキロータ２０は二次元炭素繊維材を含む第１層２１の一方の面側に短炭素繊維材を含む第２層２５とを積層し、さらに他方の面側に二次元炭素繊維材を含む第２層２５を積層して一体化している。すなわち、第１層２１の両面に第２層２５，２５を密着した状態で一体化した３層構成であり、第１層２１を第２層２５，２５で挟んでいる。第１層２１は前記の実施形態と同様に、炭素繊維を二次元方向に配列した炭素繊維織布２２に、液状のフェノール樹脂を含浸させたシート材２４を必要量だけ積層している。フェノール樹脂は炭化されて炭化樹脂層２３を形成する。また、第２層２５は、炭素繊維を数ｍｍ〜１０ｍｍ程度に切断した短炭素繊維材２６と、シリカ粉末またはシリコン粉末、およびフェノール樹脂粉末を混合した粉末材から形成されている。樹脂粉末は炭化処理で炭化樹脂層２７となり、シリカ粉末またはシリコン粉末は焼成処理で炭化樹脂層と反応しＳｉＣを形成する。
【００３７】
ブレーキロータ２０は、第１層２１および第２層２５，２５が加熱、加圧して一体化され、炭化処理でフェノール樹脂は炭化樹脂層２３となり、フェノール樹脂粉末は炭化樹脂層２７となる。すなわち、中央に二次元炭素繊維材を含む樹脂層からなる第１層２１が位置し、その両面に短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層２５，２５が位置しており、第１層２１が第２層２５，２５で挟まれ炭化樹脂層同士が一体化している。ブレーキロータ２０は全体が円盤状をしており、厚さは１０ｍｍ程度に設定されている。そして、各層の厚さは、例えば第１層２１を５〜６ｍｍ程度、第２層２５を２〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００３８】
ブレーキロータ２０の製造方法は、図示していないが、前記の実施形態と同様に金型のキャビティー内に、先ず第２層２５を形成する粉末材を注入し、次いで第１層２１を形成するシート材２４を複数枚積層し、さらに、その上に第２層２５を形成する粉末材を注入し、加熱しながら押圧部材で加圧して一体化する。一体化された成形体は、前記の実施形態の製造方法と同様に炭化処理が施され、真空含浸処理が実施されて、空隙内に樹脂が充填され、焼成処理が行われる。この後、再度、真空含浸処理が行われたあと、１０００℃で所定時間程度加熱して炭化処理が行われる。そして、最後に研磨処理が行われ、ブレーキロータ２０が完成する。
【００３９】
この実施形態においては、ブレーキロータ２０は第２層２５、第１層２１、第２層２５の３層構造となっており、第１層２１には二次元炭素繊維材として炭素繊維織布２２が積層され、樹脂層２３が炭化されているので十分な強度を備えている。そして、ブレーキパッドが接触する両面の第２層２５は短炭素繊維材２６を含む炭化された樹脂層２７で形成されており、短炭素繊維材２６がランダムに配置されることで制動回数の少ない制動早期でも高い摩擦係数を維持することができると共に、摩擦係数の変動を小さく抑えることができる。また、外側に位置する第２層がＳｉＣを含んでいるため、摩耗が少なく耐久性を向上させることができる。
【実施例】
【００４０】
二次元炭素繊維材を構成する炭素繊維として、繊維径が７μｍで引張弾性率が２３０ＧＰａの繊維を使用した。第１層１１では、この炭素繊維を二次元的に織って配列して炭素繊維織布１２とし、厚さを０．３ｍｍとした。第２層１５では、前記の炭素繊維を６ｍｍの長さに切断して短炭素繊維材１６とした。第１層１１は炭素繊維織布を３５Ｖｏｌ％、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂１３ａを６５Ｖｏｌ％としたシート材１４を使用した。また、第２層１５は前記の短炭素繊維材１６を３０Ｖｏｌ％、フェノール樹脂粉末を６０Ｖｏｌ％、シリカ粉末を１０Ｖｏｌ％として混合した。
【００４１】
第１層１１は、前記の炭素繊維織布１２に液状フェノール樹脂を前記のＶｏｌ％で含浸させる。フェノール樹脂含浸後、フェノール樹脂に含まれる水分を加熱により除去する。加熱条件は５０℃で１０時間とした。このようにして形成したフェノール樹脂含浸炭素繊維織布からなるシート材１４を必要枚数積層する。第２層１５を形成する材料として、短炭素繊維材１６、炭化された樹脂層１７を構成するフェノール樹脂粉末およびシリカ粉末を混合機で混合し、粉末材１８を作製した。
【００４２】
所定の形状をした金型に、第２層１５を形成する混合した粉末材１８を入れ、その上に樹脂層１３を構成する液状の樹脂が含浸した炭素繊維織布１２のシート材１４を必要枚数積層させて載せる。金型の形状は、例えば図１に示すような完成したブレーキパッドの形状が好ましい。第２層１５の厚さを例えば７〜８ｍｍ程度に設定するように金型１のキャビティー２内に粉末材１８を入れ、第１層１１として例えば０．３ｍｍ厚のフェノール樹脂を含浸した炭素繊維織布１２のシート材１４を例えば７〜１０枚程度重ねて２〜３ｍｍ程度の厚さとする。このように第２層１５を形成する粉末材１８上に、第１層１１を形成するシート材１４を重ねた構成の状況で、１６５℃で加熱すると共に面圧３５ｋｇ／ｃｍ２にて加圧して第１層１１と第２層１５を一体化し、所定の形状に成形する。
【００４３】
このあと、加熱・加圧された成形体を不活性ガス雰囲気中にて１０００℃で４時間加熱して、炭化処理を実施する。さらに、炭化処理済の成形体を不活性ガス雰囲気中にて１６５０℃で５時間、焼成処理を実施する。そして、焼成処理済の成形体に、液状のフェノール樹脂を真空含浸する。最後に、含浸品を不活性ガス雰囲気中にて１０００℃で４時間加熱して炭化処理を行う。このようにして各種の処理を実施した成形体は摩擦面が研磨され、ブレーキパッドとして完成する。
【００４４】
この製造方法では、炭素繊維織布１２に液状の樹脂を含浸させて形成したシート材１４を積層した第１層１１と、粉末材１８で形成した第２層１５とを重ねた状態で加熱、加圧して一体化するため、第１層と第２層とは密着状態が強固となり、このあと、炭化処理、焼成処理、炭化処理を経て研磨され完成されたブレーキパッド等の炭素複合材料は強度が向上し、耐熱性が極めて向上する。また、本実施形態のブレーキパッド１０は、少ない制動回数で所定の摩擦係数が得られるため、初期特性の安定した制動が可能となる。さらに摩擦係数の変動幅が少ないため、安定した制動が可能となる。
【００４５】
（比較例）
従来の炭素繊維で強化されたブレーキパッドの一例として、炭素繊維織布を積層し、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて加熱すると共に加圧して一体化した１層構成のブレーキパッドを製造した。炭素繊維織布およびフェノール樹脂は実施例と同じものを使用した。
【００４６】
（比較試験）
比較試験の結果を図５に示す。実施例のブレーキパッド１０は、制動回数を増やしたとき、ａに示すような摩擦係数を示した。そして、ｃに示すように、５０回の制動回数で摩擦係数は安定した。また、ｅに示すように、摩擦係数の変動率は１３〜１５％であった。一方、比較例のブレーキパッドは、ｂに示すように摩擦係数が変化した。そして、ｄに示すように、摩擦係数が安定するのに２００回の制動を必要とした。また、ｆに示すように摩擦係数の変動率は２２％であった。このように、本実施例のブレーキパッド１０は、少ない制動数で摩擦係数が安定すると共に、摩擦係数の変動率が小さく、ブレーキ材料として最適な性能を備えていた。なお、シリカ粉末の代わりに、シリコン粉末を混合しても同様の効果が得られることが判明した。
【００４７】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、第１層は炭素繊維織布に液状の樹脂を含浸させて形成する例を示したが、炭素繊維織布を挟んで薄板状の樹脂材を積層し、一体化するように構成してもよい。
【００４８】
熱硬化性樹脂としてはフェノール樹脂の他に、エポキシ樹脂やユリア・メラミン樹脂等を用いることもできる。二次元炭素繊維材の一方の炭素繊維と他方の炭素繊維とは直交する方向が好ましいが、必ずしも直交する必要はなく、所定の角度で交差するように構成してもよい。第２層を構成する樹脂層は樹脂粉末から形成したが、液状の樹脂と短炭素繊維とを混ぜて炭化処理を行って形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の活用例として、多層構造の炭素複合材料を用いてブレーキライニング材料や、クラッチフェーシング材料の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】（ａ）本発明に係る炭素複合材料で形成したブレーキパッドの一実施形態の斜視図、（ｂ）はその要部を模式的に示す断面図。
【図２】（ａ）は図１の下方の層（第１層）を構成するシート材を模式的に示す断面図、（ｂ）はシート材の他の実施形態を模式的に示す断面図。
【図３】本発明の製造方法で使用する金型の要部断面図。
【図４】本発明に係る炭素複合材料の他の実施形態であるブレーキロータの要部を模式的に示す断面図。
【図５】図１のブレーキパッドと、従来の炭素繊維織布のみを使用したブレーキパッドの比較例との摩耗試験の結果を示すグラフ図。
【符号の説明】
【００５１】
１０：ブレーキパッド、１１：第１層、１２，１２Ａ：炭素繊維織布（二次元炭素繊維材）、１３：炭化された樹脂層、１３ａ：樹脂層、１４，１４Ａ：シート材、１５：第２層、１６：短炭素繊維材、１７：炭化された樹脂層、１８：粉末材、２０：ブレーキロータ、２１：第１層、２２：炭素繊維織布（二次元炭素繊維材）、２３：炭化された樹脂層、２４：シート材、２５：第２層、２６：短炭素繊維材、２７：炭化された樹脂層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレーキパッド、ブレーキロータ等のブレーキ材料を形成するのに最適な炭素繊維を含む炭素複合材料に係り、特に、摩擦係数が早期に安定し、摩擦係数の変動幅が小さく、耐熱性、耐久性に優れた炭素複合材料と、この材料からなるブレーキ材料、および炭素複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の繊維複合材料として、特許文献１に記載の炭素炭素複合材料からなる高摩擦係数を持つブレーキ材料がある。このブレーキ材料は、炭素繊維体積含有率が３０〜６５容積％であり、ブレーキ材料を構成する炭素繊維原料のＸ線による結晶子寸法Ｌｃ（００２）が１０ｎｍ以上、かつ伸長弾性率が４０×１０３ｋｇｆ／ｍｍ２以上、室温測定時の熱伝導率が１１０ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・ｋ以上であることを特徴とする、高摩擦係数を持つ低摩耗量の炭素炭素複合材料からなるものである。
【０００３】
また、特許文献２に記載の被覆層を有する炭素複合材料は、Ｃ／Ｃコンポジット母材にＳｉ−ＳｉＣ材料から構成される層を配したセラミックス・金属・炭素からなる含浸焼成体であって、かつその表面に金属および酸化物セラミックスからなる多層構造を溶射により形成した被覆層を備える。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１７３９８５号公報
【特許文献２】特開２０００−２８１４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、本願発明者らは、前記特許文献１に記載の炭素炭素複合材料からなるブレーキ材料のように、炭素繊維材を含むブレーキ材料で制動実験を行ったところ、制動動作を多数回行わないと所要の摩擦係数が得られず、また、所要の摩擦係数が得られた後でも、摩擦係数の変動が生ずる場合があり、なお改善の余地があることを知見した。
【０００６】
また、前記特許文献２に記載の炭素複合材料は、摩擦係数が低く、ブレーキやクラッチ材料としては使用できない。すなわち、表面層が溶射層で薄く、摩耗寿命が短い。また、母材のＣ／Ｃコンポジットと表面層の酸化物セラミックスの熱膨張量の差が大きく、使用温度域が広いブレーキやクラッチ部品では、表面層の酸化物セラミックスにクラックが発生する虞がある。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、少ない制動回数で摩擦係数が高く安定し、摩耗量が少なく、ブレーキのロータやブレーキのパッド等のブレーキ材料に適した炭素複合材料を提供することにある。また、摩擦係数が早期に高く安定し、摩擦係数の変動の小さく、耐熱性に優れた炭素複合材料を効率良く製造できる製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、前記の課題に対し、さらなる改善の余地があるとして多くの実験と研究を行うことにより、炭素繊維で補強された炭素複合材料よりなるブレーキ材料において、二次元炭素繊維材を含む第１層と、短炭素繊維材を含む第２層とを積層し加熱・加圧して一体化することにより前記の課題を解決でき、摩擦係数が早期に高く安定し、摩擦係数の変動が少なく、耐久性が向上できることを見出した。
【０００９】
前記目的を達成すべく、本発明に係る炭素複合材料は、二次元炭素繊維材を含む第１層と、短炭素繊維材を含む第２層とを積層し加熱・加圧して一体化したことを特徴とする。二次元炭素繊維材とは、炭素繊維材を１方向に沿って並べると共に、この方向と交差する方向に沿って他の炭素繊維材を並べて二次元方向とするもので、２つの方向が直交するように織り込まれた炭素繊維織布が好ましい。第１層および第２層は、熱硬化性樹脂の樹脂層と共に形成したあと炭化して一体化することが好ましい。
【００１０】
前記のごとく構成された本発明の炭素複合材料は、二次元炭素繊維材を含む第１層と、短炭素繊維材を含む第２層とを積層して一体化しているため、第２面を摩擦面としてブレーキパッド等のブレーキ材料として使用した場合に、制動回数が少ない早い時期から高い摩擦係数が得られ、しかも摩擦係数の変動が小さいため安定したブレーキ性能を得ることができる。
【００１１】
また、本発明に係る炭素複合材料の好ましい具体的な態様としては、前記第１層は、炭素繊維織布に液状の樹脂を含浸させたあと炭化して形成したことを特徴としている。液状の樹脂としては、フェノール樹脂等の熱硬化性の樹脂が好ましい。この構成によれば、第１層は炭素繊維織布に熱硬化タイプの液状の樹脂を含浸させたあと炭化して形成するため、剥離やクラックの発生を防止することができる。また、炭素繊維が二次元的に交差しているため、高い強度を保持することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係る炭素複合材料の好ましい具体的な他の態様としては、前記第２層は、短炭素繊維材、樹脂粉末およびシリカ粉末またはシリコン粉末を混合し炭化して形成したことを特徴としている。樹脂粉末としてはフェノール樹脂等の熱硬化性の樹脂粉末が好ましい。この構成によれば、第２層は短炭素繊維材、フェノール樹脂等の粉末およびシリカ粉末またはシリコン粉末を混合し炭化して形成されるため、炭化層内に短炭素繊維材および炭化樹脂とシリカ粉末またはシリコン粉末が反応して形成されたＳｉＣがランダムに配置され、高い摩擦係数が得られると共に、早期に摩擦係数が高くなり、摩擦係数の変動も小さくなる。
【００１３】
本発明に係るブレーキ材料は、前記したいずれかに記載の炭素複合材料からなるブレーキ材料である。このように構成されたブレーキ材料は、制動回数が少ない場合でも高い摩擦係数が得られ、摩擦係数の変動が小さいため安定したブレーキ性能を得ることができる。また、このブレーキ材料は剥離やクラックの発生が防止され、高い強度を保持することができる。
【００１４】
本発明に係る炭素複合材料の製造方法は、金型内に、二次元炭素繊維材を含む樹脂層からなる第１層と、短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層とを積層し、第１層と第２層とを加熱・加圧して一体化する工程と、前記第１層および第２層中の樹脂層を炭化する工程とを備えることを特徴としている。第１層と第２層はどちらの層を上にしてもよい。第２層の樹脂層は、短炭素繊維材を含む樹脂粉末から形成することが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、所定形状の金型内に第１層と第２層とを積層し、第１層と第２層とを加熱すると共に加圧して一体化し、このあと炭化するため、ブレーキパッドに最適な所望の形状の炭素複合材料を容易に製造することができる。また、樹脂層が炭化されているため、耐熱性に優れた炭素複合材料とすることができ、プレーキパッド等のブレーキ材料等に好適に使用することができる。
【００１６】
本発明に係る炭素複合材料の他の製造方法は、金型内に、短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層上に二次元炭素繊維材を含む樹脂層からなる第１層を積層し、該第１層上に短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層を積層し、第１層の両面に第２層を配置した状態で加熱・加圧して一体化する工程と、前記第１層および第２層中の樹脂層を炭化する工程とを備えることを特徴としている。この製造方法においても、第２層の樹脂層は、短炭素繊維材を含む樹脂粉末から形成することが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、所定形状の金型内に第２層、第１層、第２層を積層し、３つの層を加熱すると共に加圧して一体化し、このあと炭化するため、両面が短炭素繊維材を含む高摩擦係数を有する第２層となり、ブレーキロータに最適な所望の形状の炭素複合材料を容易に製造することができる。また、樹脂層が炭化されているため、耐熱性に優れた炭素複合材料とすることができ、プレーキロータ等のブレーキ材料等に好適に使用することができる。
【００１８】
また、前記の樹脂層を炭化する工程の後工程として、液状の樹脂を含浸させる工程と、含浸させた樹脂を再度、炭化させる工程とを備えると、さらに好適である。このように構成された炭素複合材料の製造方法によれば、樹脂層を炭化処理した空隙内に樹脂を含浸させ、含浸させた樹脂をさらに炭化処理するため、炭素複合材料に剥離やクラックが発生することをさらに防止できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、摩擦係数が高く安定しており、しかも制動回数が少ない早期の制動状態で高い摩擦係数を得ることができるブレーキパッドやブレーキロータに最適な炭素繊維で強化した炭素複合材料を提供できる。また、所望の形状のブレーキパッドやブレーキロータ等を容易に製造できると共に、耐熱性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る炭素複合材料の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る炭素複合材料で形成したブレーキパッドの斜視図と、要部を模式的に示す断面図、図２は、図１の下方の層を構成するシート材を模式的に示す断面図と、他のシート材を模式的に示す断面図である。
【００２１】
図１，２において、ブレーキパッド１０は、二次元炭素繊維材を含む第１層１１と、短炭素繊維材を含む第２層１５とを積層して一体化している。すなわち、第１層１１は炭素繊維を二次元方向に配列した炭素繊維織布１２と、この織布にフェノール樹脂を含浸させ炭化された樹脂層１３とから構成されている。本実施形態では、炭素繊維織布１２にフェノール樹脂等の液状の樹脂を含浸させて形成したシート材１４を必要枚数だけ積層し、炭化して第１層１１を形成している。
【００２２】
また、第２層１５は、炭素繊維を数ｍｍ〜１０ｍｍ程度に切断した短炭素繊維材１６と、シリカ粉末またはシリコン粉末、およびフェノール樹脂粉末を混合した粉末から炭化された樹脂層１７を形成している。すなわち、積層された第１層１１と、第２層１５とを加熱、加圧して一体化し、第１層１１と第２層１５の樹脂層を炭化し一体化している。第１層１１は例えば２〜３ｍｍ程度の厚さに設定され、第２層１５は例えば７〜８ｍｍ程度に設定され、ブレーキパッド１０は全体として１０ｍｍ程度の厚さに形成されている。このようにブレーキパッド１０は多層構造で構成されている。
【００２３】
第１層１１で使用される炭素繊維織布１２を構成する炭素繊維材料は、繊維径が５〜１０μｍ程度の太さのものが好ましいが、特に限定されるものでない。第１層１１を構成する炭素繊維材料と、液状の熱硬化性樹脂との配合組成は、炭素繊維材料が２０〜５０Ｖｏｌ％、熱硬化性樹脂が５０〜８０Ｖｏｌ％程度に設定される。好ましくは、炭素繊維材料が３０〜４０Ｖｏｌ％、熱硬化性樹脂が６０〜７０Ｖｏｌ％に設定される。図２ａに示す第１層１１を構成する炭素繊維織布１２に液状の樹脂１３ａを含浸したシート材１４の厚さは、０．１〜０．５ｍｍ程度に設定される。
【００２４】
なお、第１層１１を構成するシート材としては、炭素繊維織布１２のように織成したものでなく、図２ｂに示すように、１方向に炭素繊維を並べると共に、この方向の直交する方向に炭素繊維を並べ、上下方向に重ねて二次元炭素繊維材１２Ａとしたものでもよい。この場合は、炭素繊維を交差するように配列したあと、液状の樹脂１３ａを含浸させてシート材１４Ａとして形成することができる。
【００２５】
また、第２層１５で使用される短炭素繊維材１６は、第１層１１で使用したものと同等の繊維径を有する炭素繊維を、５〜１０ｍｍ程度に切断して使用すると好ましいが、繊維長も特に限定されるものではない。第２層１５を構成する粉末材は、短炭素繊維材１６と、樹脂層１７を構成するシリカ粉末および熱硬化性樹脂粉末との配合組成が、短炭素繊維材が２０〜４０Ｖｏｌ％、シリカ粉末１０Ｖｏｌ％程度、熱硬化性樹脂粉末が５０〜７０Ｖｏｌ％程度に設定される。好ましくは、シリカ粉末１０Ｖｏｌ％、短炭素繊維材が３０Ｖｏｌ％、熱硬化性樹脂粉末が６０Ｖｏｌ％に設定される。また、シリカ粉末の代わりに、シリコン粉末を配合してもよい。
【００２６】
このように形成されたブレーキパッド１０は、第１層１１の炭素繊維材が二次元的に配列され強化繊維として機能しているため、高強度とすることができる。また、第２層１５の短炭素繊維材１６は短尺の形状のものがランダムに配置されているため、高い摩擦係数を確保することができる。しかも、第２層１５の摩擦係数の高い状態は方向性が問われず、どの方向でも高い状態とすることができる。この第２層１５はシリカ粉末またはシリコン粉末を含んでおり、樹脂粉末が炭化しているため、第１層１１と比較して硬度を高めることができ、耐久性を向上させることができる。さらに、本実施形態のブレーキパッド１０は多層構造の形態となっており、所望の形状のシート材１４と、樹脂粉末等を積層して容易に製造することができる。
【００２７】
そして、第１層１１の樹脂層１３、および第２層１５の樹脂層１７は、後述する製造方法で詳細に述べるように樹脂粉末が炭化処理されているため、高温状態となっても軟化することがなく、耐熱性に優れた炭素複合材料となっている。すなわち、本実施形態のブレーキパッド１０は、１０００℃以上の高温状態でも軟化せず、耐熱性に極めて優れたブレーキパッドとなっている。
【００２８】
前記の如く構成された本実施形態の炭素複合材料を用いたブレーキパッド１０の製造方法について以下に説明する。このブレーキパッド１０は、第１層１１と第２層１５とを積層して一体化したものであり、第１層１１の上に第２層１５を重ねて製造しても、逆に第２層１５の上に第１層１１を重ねて製造してもよい。本実施形態では、第２層１５の上に第１層１１を重ねる製造方法について説明する。
【００２９】
先ず、第１層１１として、炭素繊維を二次元的に配列した炭素繊維織布１２を使用する。この炭素繊維織布１２を熱硬化性樹脂として液状のフェノール樹脂に含浸し、加熱してフェノール樹脂中の水分を除去する。加熱の条件としては、例えば５０℃で１０時間程度加熱することが好ましい。このようにして、フェノール樹脂を含浸し水分を除去した炭素繊維布（シート材）１４を必要枚数積層して第１層１１とする。つぎに、第２層１５として、炭素繊維を短尺に切断した短炭素繊維材１６と、この短炭素繊維材と樹脂層１７を構成するシリカ粉末またはシリコン粉末、および熱硬化性樹脂（フェノール樹脂）粉末を、混合機を用いて均一となるように混合し、粉末材１８を作製する。
【００３０】
図３に示すように、ブレーキパッド１０を形成する所定の形状の金型１のキャビティー２に、第２層１５を形成する混合された粉末材１８を挿入する。この粉末材の分量は、完成時のブレーキパッドの厚さで７〜８ｍｍとなるような分量が好ましい。このあと、金型の外径に合わせて切断した第１層のフェノール樹脂を含浸した炭素繊維織布１２を有するシート材１４を積層する。積層枚数は、完成時のブレーキパッドの厚さで２〜３ｍｍ程度となるような枚数が好ましい。
【００３１】
金型１のキャビティー２内で第２層１５を形成する粉末材１８の上に、第１層１１を構成するシート材１４を複数枚重ねて積層したあと、加熱すると共に押圧部材３で加圧して第１層１１と第２層１５の一体化を行う。１５０〜２００℃程度の熱硬化性樹脂の溶融する温度で加熱し、樹脂層１３を構成する溶融したフェノール樹脂１３ａと、粉末材１８中の樹脂層１７を構成する溶融したフェノール樹脂とが一体化するように、面圧３０〜４０ｋｇ／ｃｍ２程度の圧力で加圧する。押圧部材３は金型１のキャビティー２内に進入する形状のものが好ましい。
【００３２】
このようにして第１層１１と第２層１５とが加熱・加圧されて一体化した成形体は、不活性ガス雰囲気中で１０００℃程度の高温状態で数時間加熱して炭化処理が実施され、樹脂層は炭化樹脂層となる。そして、炭化処理工程のあとに、真空含浸処理を実施する。この真空含浸処理工程は、微細な連続空隙を有する成形体を、高真空下で液状樹脂に浸漬して樹脂を含浸させたあと、真空を解除し、空隙内に気泡を残さずに樹脂を充填する処理である。そして、真空含浸処理のあとに、例えば不活性ガス中において１６５０℃で４〜６時間程度加熱して焼成処理を行う。この焼成処理で、シリカ粉末またはシリコン粉末は炭化樹脂層と反応してＳｉＣを形成する。
【００３３】
このあと、焼成処理済品に、再度、真空含浸処理によりフェノール樹脂を充填する。そして、真空含浸処理済品を不活性ガス中にて、例えば１０００℃で３〜５時間程度加熱して炭化処理を行う。炭化処理が済んだ処理済品の摩擦面を研磨することで、ブレーキパッド１０は完成する。なお、前記の２度の炭化処理は１０００℃程度で行ったが、８００〜１２００℃の範囲で処理を行ってもよい。この温度範囲とすることで、炭化処理された炭素複合材料は亀裂やクラックが発生しにくくなる。
【００３４】
このように製造されたブレーキパッド１０は、第１層１１および第２層１５中の熱硬化性樹脂からなる樹脂層１３，１７が炭化処理され、樹脂材自体が存在していないため、通常の熱硬化性樹脂が軟化してしまう１５０〜２００℃の温度域でも軟化することがなく、１０００℃程度の温度でも軟化することがなく耐熱性が大幅に向上する。
【００３５】
本発明の他の実施形態を図４に基づき詳細に説明する。図４は本発明に係る炭素複合材料の他の実施形態の要部断面図である。なお、この実施形態は前記した実施形態に対し、第１層の両面に第２層を積層して炭素複合材料でブレーキロータを形成したことを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３６】
図４において、ブレーキロータ２０は二次元炭素繊維材を含む第１層２１の一方の面側に短炭素繊維材を含む第２層２５とを積層し、さらに他方の面側に二次元炭素繊維材を含む第２層２５を積層して一体化している。すなわち、第１層２１の両面に第２層２５，２５を密着した状態で一体化した３層構成であり、第１層２１を第２層２５，２５で挟んでいる。第１層２１は前記の実施形態と同様に、炭素繊維を二次元方向に配列した炭素繊維織布２２に、液状のフェノール樹脂を含浸させたシート材２４を必要量だけ積層している。フェノール樹脂は炭化されて炭化樹脂層２３を形成する。また、第２層２５は、炭素繊維を数ｍｍ〜１０ｍｍ程度に切断した短炭素繊維材２６と、シリカ粉末またはシリコン粉末、およびフェノール樹脂粉末を混合した粉末材から形成されている。樹脂粉末は炭化処理で炭化樹脂層２７となり、シリカ粉末またはシリコン粉末は焼成処理で炭化樹脂層と反応しＳｉＣを形成する。
【００３７】
ブレーキロータ２０は、第１層２１および第２層２５，２５が加熱、加圧して一体化され、炭化処理でフェノール樹脂は炭化樹脂層２３となり、フェノール樹脂粉末は炭化樹脂層２７となる。すなわち、中央に二次元炭素繊維材を含む樹脂層からなる第１層２１が位置し、その両面に短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層２５，２５が位置しており、第１層２１が第２層２５，２５で挟まれ炭化樹脂層同士が一体化している。ブレーキロータ２０は全体が円盤状をしており、厚さは１０ｍｍ程度に設定されている。そして、各層の厚さは、例えば第１層２１を５〜６ｍｍ程度、第２層２５を２〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００３８】
ブレーキロータ２０の製造方法は、図示していないが、前記の実施形態と同様に金型のキャビティー内に、先ず第２層２５を形成する粉末材を注入し、次いで第１層２１を形成するシート材２４を複数枚積層し、さらに、その上に第２層２５を形成する粉末材を注入し、加熱しながら押圧部材で加圧して一体化する。一体化された成形体は、前記の実施形態の製造方法と同様に炭化処理が施され、真空含浸処理が実施されて、空隙内に樹脂が充填され、焼成処理が行われる。この後、再度、真空含浸処理が行われたあと、１０００℃で所定時間程度加熱して炭化処理が行われる。そして、最後に研磨処理が行われ、ブレーキロータ２０が完成する。
【００３９】
この実施形態においては、ブレーキロータ２０は第２層２５、第１層２１、第２層２５の３層構造となっており、第１層２１には二次元炭素繊維材として炭素繊維織布２２が積層され、樹脂層２３が炭化されているので十分な強度を備えている。そして、ブレーキパッドが接触する両面の第２層２５は短炭素繊維材２６を含む炭化された樹脂層２７で形成されており、短炭素繊維材２６がランダムに配置されることで制動回数の少ない制動早期でも高い摩擦係数を維持することができると共に、摩擦係数の変動を小さく抑えることができる。また、外側に位置する第２層がＳｉＣを含んでいるため、摩耗が少なく耐久性を向上させることができる。
【実施例】
【００４０】
二次元炭素繊維材を構成する炭素繊維として、繊維径が７μｍで引張弾性率が２３０ＧＰａの繊維を使用した。第１層１１では、この炭素繊維を二次元的に織って配列して炭素繊維織布１２とし、厚さを０．３ｍｍとした。第２層１５では、前記の炭素繊維を６ｍｍの長さに切断して短炭素繊維材１６とした。第１層１１は炭素繊維織布を３５Ｖｏｌ％、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂１３ａを６５Ｖｏｌ％としたシート材１４を使用した。また、第２層１５は前記の短炭素繊維材１６を３０Ｖｏｌ％、フェノール樹脂粉末を６０Ｖｏｌ％、シリカ粉末を１０Ｖｏｌ％として混合した。
【００４１】
第１層１１は、前記の炭素繊維織布１２に液状フェノール樹脂を前記のＶｏｌ％で含浸させる。フェノール樹脂含浸後、フェノール樹脂に含まれる水分を加熱により除去する。加熱条件は５０℃で１０時間とした。このようにして形成したフェノール樹脂含浸炭素繊維織布からなるシート材１４を必要枚数積層する。第２層１５を形成する材料として、短炭素繊維材１６、炭化された樹脂層１７を構成するフェノール樹脂粉末およびシリカ粉末を混合機で混合し、粉末材１８を作製した。
【００４２】
所定の形状をした金型に、第２層１５を形成する混合した粉末材１８を入れ、その上に樹脂層１３を構成する液状の樹脂が含浸した炭素繊維織布１２のシート材１４を必要枚数積層させて載せる。金型の形状は、例えば図１に示すような完成したブレーキパッドの形状が好ましい。第２層１５の厚さを例えば７〜８ｍｍ程度に設定するように金型１のキャビティー２内に粉末材１８を入れ、第１層１１として例えば０．３ｍｍ厚のフェノール樹脂を含浸した炭素繊維織布１２のシート材１４を例えば７〜１０枚程度重ねて２〜３ｍｍ程度の厚さとする。このように第２層１５を形成する粉末材１８上に、第１層１１を形成するシート材１４を重ねた構成の状況で、１６５℃で加熱すると共に面圧３５ｋｇ／ｃｍ２にて加圧して第１層１１と第２層１５を一体化し、所定の形状に成形する。
【００４３】
このあと、加熱・加圧された成形体を不活性ガス雰囲気中にて１０００℃で４時間加熱して、炭化処理を実施する。さらに、炭化処理済の成形体を不活性ガス雰囲気中にて１６５０℃で５時間、焼成処理を実施する。そして、焼成処理済の成形体に、液状のフェノール樹脂を真空含浸する。最後に、含浸品を不活性ガス雰囲気中にて１０００℃で４時間加熱して炭化処理を行う。このようにして各種の処理を実施した成形体は摩擦面が研磨され、ブレーキパッドとして完成する。
【００４４】
この製造方法では、炭素繊維織布１２に液状の樹脂を含浸させて形成したシート材１４を積層した第１層１１と、粉末材１８で形成した第２層１５とを重ねた状態で加熱、加圧して一体化するため、第１層と第２層とは密着状態が強固となり、このあと、炭化処理、焼成処理、炭化処理を経て研磨され完成されたブレーキパッド等の炭素複合材料は強度が向上し、耐熱性が極めて向上する。また、本実施形態のブレーキパッド１０は、少ない制動回数で所定の摩擦係数が得られるため、初期特性の安定した制動が可能となる。さらに摩擦係数の変動幅が少ないため、安定した制動が可能となる。
【００４５】
（比較例）
従来の炭素繊維で強化されたブレーキパッドの一例として、炭素繊維織布を積層し、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて加熱すると共に加圧して一体化した１層構成のブレーキパッドを製造した。炭素繊維織布およびフェノール樹脂は実施例と同じものを使用した。
【００４６】
（比較試験）
比較試験の結果を図５に示す。実施例のブレーキパッド１０は、制動回数を増やしたとき、ａに示すような摩擦係数を示した。そして、ｃに示すように、５０回の制動回数で摩擦係数は安定した。また、ｅに示すように、摩擦係数の変動率は１３〜１５％であった。一方、比較例のブレーキパッドは、ｂに示すように摩擦係数が変化した。そして、ｄに示すように、摩擦係数が安定するのに２００回の制動を必要とした。また、ｆに示すように摩擦係数の変動率は２２％であった。このように、本実施例のブレーキパッド１０は、少ない制動数で摩擦係数が安定すると共に、摩擦係数の変動率が小さく、ブレーキ材料として最適な性能を備えていた。なお、シリカ粉末の代わりに、シリコン粉末を混合しても同様の効果が得られることが判明した。
【００４７】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、第１層は炭素繊維織布に液状の樹脂を含浸させて形成する例を示したが、炭素繊維織布を挟んで薄板状の樹脂材を積層し、一体化するように構成してもよい。
【００４８】
熱硬化性樹脂としてはフェノール樹脂の他に、エポキシ樹脂やユリア・メラミン樹脂等を用いることもできる。二次元炭素繊維材の一方の炭素繊維と他方の炭素繊維とは直交する方向が好ましいが、必ずしも直交する必要はなく、所定の角度で交差するように構成してもよい。第２層を構成する樹脂層は樹脂粉末から形成したが、液状の樹脂と短炭素繊維とを混ぜて炭化処理を行って形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の活用例として、多層構造の炭素複合材料を用いてブレーキライニング材料や、クラッチフェーシング材料の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】（ａ）本発明に係る炭素複合材料で形成したブレーキパッドの一実施形態の斜視図、（ｂ）はその要部を模式的に示す断面図。
【図２】（ａ）は図１の下方の層（第１層）を構成するシート材を模式的に示す断面図、（ｂ）はシート材の他の実施形態を模式的に示す断面図。
【図３】本発明の製造方法で使用する金型の要部断面図。
【図４】本発明に係る炭素複合材料の他の実施形態であるブレーキロータの要部を模式的に示す断面図。
【図５】図１のブレーキパッドと、従来の炭素繊維織布のみを使用したブレーキパッドの比較例との摩耗試験の結果を示すグラフ図。
【符号の説明】
【００５１】
１０：ブレーキパッド、１１：第１層、１２，１２Ａ：炭素繊維織布（二次元炭素繊維材）、１３：炭化された樹脂層、１３ａ：樹脂層、１４，１４Ａ：シート材、１５：第２層、１６：短炭素繊維材、１７：炭化された樹脂層、１８：粉末材、２０：ブレーキロータ、２１：第１層、２２：炭素繊維織布（二次元炭素繊維材）、２３：炭化された樹脂層、２４：シート材、２５：第２層、２６：短炭素繊維材、２７：炭化された樹脂層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元炭素繊維材を含む第１層と、短炭素繊維材を含む第２層とを積層し加熱・加圧して一体化したことを特徴とする炭素複合材料。
【請求項２】
前記第１層は、炭素繊維織布に液状の樹脂を含浸させたあと炭化して形成したことを特徴とする請求項１に記載の炭素複合材料。
【請求項３】
前記第２層は、短炭素繊維材、樹脂粉末およびシリカ粉末またはシリコン粉末を混合し炭化して形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の炭素複合材料。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の炭素複合材料からなるブレーキ材料。
【請求項５】
金型内に、二次元炭素繊維材を含む樹脂層からなる第１層と、短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層とを積層し、第１層と第２層とを加熱・加圧して一体化する工程と、
前記第１層および第２層中の樹脂層を炭化する工程とを備えることを特徴とする炭素複合材料の製造方法。
【請求項６】
金型内に、短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層上に二次元炭素繊維材を含む樹脂層からなる第１層を積層し、該第１層上に短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層を積層し、第１層の両面に第２層を配置した状態で加熱・加圧して一体化する工程と、
前記第１層および第２層中の樹脂層を炭化する工程とを備えることを特徴とする炭素複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記樹脂層を炭化する工程の後工程として、液状の樹脂を含浸させる工程と、含浸させた樹脂を再度、炭化させる工程とを備えることを特徴とする請求項５または６に記載の炭素複合材料の製造方法。
【請求項１】
二次元炭素繊維材を含む第１層と、短炭素繊維材を含む第２層とを積層し加熱・加圧して一体化したことを特徴とする炭素複合材料。
【請求項２】
前記第１層は、炭素繊維織布に液状の樹脂を含浸させたあと炭化して形成したことを特徴とする請求項１に記載の炭素複合材料。
【請求項３】
前記第２層は、短炭素繊維材、樹脂粉末およびシリカ粉末またはシリコン粉末を混合し炭化して形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の炭素複合材料。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の炭素複合材料からなるブレーキ材料。
【請求項５】
金型内に、二次元炭素繊維材を含む樹脂層からなる第１層と、短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層とを積層し、第１層と第２層とを加熱・加圧して一体化する工程と、
前記第１層および第２層中の樹脂層を炭化する工程とを備えることを特徴とする炭素複合材料の製造方法。
【請求項６】
金型内に、短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層上に二次元炭素繊維材を含む樹脂層からなる第１層を積層し、該第１層上に短炭素繊維材を含む樹脂層からなる第２層を積層し、第１層の両面に第２層を配置した状態で加熱・加圧して一体化する工程と、
前記第１層および第２層中の樹脂層を炭化する工程とを備えることを特徴とする炭素複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記樹脂層を炭化する工程の後工程として、液状の樹脂を含浸させる工程と、含浸させた樹脂を再度、炭化させる工程とを備えることを特徴とする請求項５または６に記載の炭素複合材料の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−８９３４０（Ｐ２００６−８９３４０Ａ）
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２７７９７７（Ｐ２００４−２７７９７７）
【出願日】平成１６年９月２４日（２００４．９．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２４日（２００４．９．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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