WO2006003772A1

WO2006003772A1 - 炭素繊維Ｔｉ－Ａｌ複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: WO2006003772A1
Application number: PCT/JP2005/010193
Authority: WO
Inventors: Eiki Tsushima; Kazuyuki Murakami; Susumu Katagiri; Nobuyuki Suzuki
Original assignee: Mitsubishi Corporation; Fj Composite Materials Co., Ltd.; Advanced Material Technologies Co., Ltd.
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2006-01-12
Also published as: JP4002294B2; JPWO2006003772A1; US8012574B2; US20080026219A1

Abstract

　硬度、耐熱性、耐磨耗性を有し、軽量さ、強度及び熱伝導率が改善されかつ品質の均一性が優れた炭素繊維Ｔｉ－Ａｌ複合材料を提供する。　繊維径０．５～５００ｎｍ、繊維長１０００μｍ以下であり、中心軸が空洞構造からなる微細炭素繊維と、チタン粉末又は酸化チタン粉末との形成体に、アルミニウム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造により加圧含浸させてなる炭素繊維Ｔｉ－Ａｌ複合材料。

Description

明細書

炭素繊維 Ti一 A1複合材料及びその製造方法。

技術分野

[0001] 本発明は、耐熱性、高熱伝導率、体磨耗性を有する炭素繊維 Ti A1複合材料及びその製造方法に関するものである。

背景技術

[0002] 耐熱性と耐磨耗性に優れ、かつ軽量でブレーキ用摺動材料として好適な材料として、セラミックス繊維や炭素繊維、またはセラミックス粒子や炭素粒子と金属チタン粉末との予備成形体に、アルミニウム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造により含浸させてなる金属複合材料が知られている (例えば、特許文献 1参照)。この金属複合材料は、前記したような特性に加えて硬さと適度の摩擦係数を有しているため、ブレーキ用摺動材料に必要とされる特性は一応兼ね備えている。

[0003] 一方、ブレーキ用摺動材料に対しては、自動車や車両等の高速化と安全性の面から、近年ますます高度の性能と品質が要求されるようになり、前記金属複合材料に対してもより厳しい特性が求められている。また、更に軽量で大きい強度を有し、熱伝導率の高、材料が期待されて！、る。

[0004] し力しながら、従来の金属複合材料は、補強用のセラミックス繊維や炭素繊維等の制約から、軽量さ、強度及び熱伝導率などの更なる改善が困難とされている。また、補強用のセラミックス繊維や炭素繊維等 (以下、補強用繊維等とする）に金属チタンを混合して成形体を形成し、この成形体にアルミニウム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造により加圧含浸させているため、補強用繊維等と金属チタンの混合性、及びマトリックスとなるアルミニウム合金等との濡れ性が十分に満足できるものでな、。その結果、上記金属複合材料では、製造時の金属チタンの混合性やアルミニウム合金等の溶湯鍛造における含浸性が低ィ匕すると共に、品質の均一性が低いなどの問題があつた。

特許文献 1 :特開 2003— 49252号公報

発明の開示発明が解決しょうとする課題

[0005] 本発明の目的は、前記の如き従来の問題点に鑑み、硬度、耐熱性、耐磨耗性を有し、軽量さ、強度及び熱伝導率が改善されかつ品質の均一性が優れた炭素繊維 Ti A1複合材料で、ブレーキ用摺動材料、エンジン部品、ロボットアームなどに好適な材料を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0006] 本発明者らは、前記目的を達成するために、鋭意検討を重ねたところ、補強用繊維等にチタン粉末を混合して含む成形体に、アルミニウム合金等を溶湯鍛造によりカロ圧含浸してなる、従来の金属複合体において、前記補強用繊維として特定の物性を有する微細炭素繊維を使用することにより、前記課題を解決できること、またこの微細炭素繊維の表面をフエノール榭脂で被覆した微細炭素繊維を使用すると、より大きヽ効果が得られることを見出し、本発明に到達した。

[0007] 力べして、本発明は、以下の要旨を特徴とするものである。

(1)繊維径 0. 5〜500nm、繊維長 1000 m以下であり、中心軸が空洞構造からなる微細炭素繊維と、チタン粉末又は酸化チタン粉末とを含有する形成体に、アルミ二ゥム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造により加圧含浸させてなる複合材料であることを特徴とする炭素繊維 Ti A1複合材料。

(2)前記微細炭素繊維の体積比率が 20〜70%である上記（1)の炭素繊維 Ti— A1 複合材料。

(3)チタン粉末又は酸ィ匕チタン粉末の含有率が 15〜50体積％である上記（1)又は（

2)の炭素繊維 Ti A1複合材料。

(4)前記微細炭素繊維が、微細炭素繊維 100重量部あたり、 1〜40重量部のフノール榭脂で表面が被覆されたフノール榭脂被覆微細炭素繊維である上記（1)〜（

3)の、ずれかの炭素繊維 Ti A1複合材料。

(5)繊維径 0. 5〜500nm、繊維長 1000 m以下であり、中心軸が空洞構造からなる微細炭素繊維に、チタン粉末又は酸化チタン粉末を混合して成形体を形成し、該成形体を不活性雰囲気中にお、て予熱した後に加圧型内に設置し、該成形体にァルミ-ゥム又はアルミニウム合金の溶融金属を 20MPa以上の圧力で溶湯鍛造により含浸することを特徴とする炭素繊維 Ti Al複合材料の製造方法。

(6)前記微細炭素繊維とチタン粉末又は酸ィ匕チタン粉末との混合物にバインダーを添加して成形体を形成する上記 (5)の炭素繊維 Ti A1複合材料の製造方法。

(7)前記微細炭素繊維が、その表面をフノール榭脂で被覆したフノール榭脂被覆微細炭素繊維である上記（5)又は（6)の炭素繊維 Ti— A1複合材料の製造方法。

(8)フノール榭脂の被覆量が微細炭素繊維 100重量部あたり 40重量％以下である上記 (7)の炭素繊維 Ti A1複合材料の製造方法。

発明の効果

[0008] 本発明の炭素繊維 Ti A1複合材料は、特定の物性を有する微細炭素繊維にチタン又は酸ィ匕チタンを混合して成形体を形成し、該成形体にアルミニウム又はアルミ- ゥム合金を溶湯鍛造により加圧含浸しているので、所望の硬度、耐熱性、耐磨耗性を有し、かつ軽量さ、強度及び熱伝導率が改善された複合材料を得ることができる。

[0009] また、前記微細炭素繊維の表面をフノール榭脂で被覆した微細炭素繊維を使用することによって、チタン又は酸ィ匕チタンの混合性及びアルミニウム又はアルミニウム合金との濡れ性を改善できるので、チタン又は酸ィ匕チタンの均一な混合、及びアルミ -ゥム又はアルミニウム合金の円滑な含浸を促進することができ、これにより作業性を向上し、かつ強度や品質の均一性が優れた複合材料を得ることができる。

[0010] また、炭素繊維 Ti—Al複合材料が前記の構成をとることにより、特に微細炭素繊維の優れた特性によって、補強効果が向上し、組織構成が緻密で均一な複合材料となるので、この材料を用いた製品の製造力卩ェ時や使用時において、材料の割れ、欠けが生じ難くなる。これにより、製品の信頼性が向上すると共に、加工が容易となり、また加工精度の高、製品を得ることができる。

図面の簡単な説明

[0011] [図 1]本発明の溶湯鍛造装置の一例を示す概略断面説明図。

[図 2]クローズドーモールド方式の溶湯鍛造装置の概略断面説明図。

符号の説明

[0012] 1 :金型

2 :押し子 3 :プレス機

4 :成形体

5 :溶融金属

発明を実施するための最良の形態

[0013] 本発明で使用される微細炭素繊維としては、繊維径 0. 5〜500nm以下、繊維長 1 OOO /z m以下で、好ましくはアスペクト比 3〜： LOOOを有する、好ましくは炭素六角網面力なる円筒が同心円状に配置された多層構造を有し、その中心軸が空洞構造の微細炭素繊維が使用される。カゝかる微細炭素繊維は、従来の PAN、ピッチ、セルロース、レーヨンなどの繊維を熱処理することによって得られる、繊維径が 5〜10 /ζ πι の従来のカーボンファイバーとは大きく異なるものである。本発明で使用される微細炭素繊維は、従来のカーボンファイバーと比べて繊維径ゃ繊維長さが異なるだけでなぐ構造的にも大きく異なっている。この結果、導電性、熱伝導性、摺動性などの物 '性の点で極めて優れるものである。

[0014] 上記微細炭素繊維は、その繊維径が 0. 5nmより小さい場合には、得られる複合材料の強度が不十分になり、 500nmより大きいと、機械的強度、熱伝導性、摺動性などが低下する。また、繊維長が 1000 mより大きい場合には、微細炭素繊維がアルミニゥム又はアルミニウム合金（以下、アルミニウム金属と総称する）などのマトリックス中に均一に分散し難くなるため、材料の組成が不均一になり、得られる複合材料の機械的強度が低下する。本発明で使用される微細炭素繊維は、繊維径が 10〜200 nm、繊維長が 3〜300 μ m、好ましくはアスペクト比が 3〜500を有するものが特に好ましい。なお、本発明において微細炭素繊維の繊維径ゃ繊維長は、電子顕微鏡により測定することができる。

[0015] 本発明で使用される好ましい微細炭素繊維は、カーボンナノチューブである。このカーボンナノチューブは、グラフアイトウィスカー、フィラメンタスカーボン、炭素フイブリルなどとも呼ばれて、るもので、チューブを形成するグラフアイト膜が一層である単層カーボンナノチューブと、多層である多層カーボンナノチューブとがあり、本発明ではそのいずれも使用できる。しかし、多層カーボンナノチューブの方が、大きい機械的強度が得られるとともに経済面でも有利であり好ましい。 [0016] カーボンナノチューブは、例えば、「カーボンナノチューブの基礎」（コロナ社発行、 23〜57頁、 1998年発行）に記載されるようにアーク放電法、レーザ蒸発法及び熱分解法などにより製造される。このカーボンナノチューブは、繊維径が 0. 5〜500nm 、繊維長が1〜500 111、アスペクト比が 3〜500のものが好ましい。

[0017] 本発明において特に好ましい微細炭素繊維は、上記カーボンナノチューブのうちで、繊維径と繊維長が比較的大きい気相法炭素繊維である。このような気相法炭素繊維は、 VGCF (Vapor Grown Carbon Fiber)とも呼ばれ、特開 2003— 176327号公報に記載されるように、炭化水素などのガスを有機遷移金属系触媒の存在下において水素ガスとともに気相熱分解することによって製造される。この気相法炭素繊維（ VGCF)は、繊維径が好ましくは 50〜300nm、繊維長が好ましくは 3〜300 μ m、好ましくはアスペクト比が 3〜500のものである。この VGCFは、製造しやすさや取り扱い性の点で優れている。

[0018] 本発明で使用される微細炭素繊維は、 2300°C以上、好ましくは 2500〜3500°C の温度で非酸化性雰囲気にて熱処理することが好ましぐこれにより、その表面が黒鉛化され、機械的強度、化学的安定性が大きく向上し、得られる複合材料の軽量ィ匕に貢献する。非酸化性雰囲気は、アルゴン、ヘリウム、窒素ガスが好ましく使用される。この熱処理において、炭化ホウ素、酸化ホウ素、ホウ酸、ホウ酸塩、窒化ホウ素、有機ホウ素化合物などのホウ素化合物を共存させた場合には、上記熱処理効果が一層向上するとともに、熱処理温度も低下し、有利に実施できる。このホウ素化合物は、熱処理された微細炭素繊維中にホウ素含有量が 0. 01〜： L0質量％、好ましくは 0. 1 〜5質量％になるように存在させるのが好まし、。

[0019] 本発明では、上記の微細炭素繊維にチタン又は酸ィ匕チタンの粉末 (以下、チタン粉末と総称することもある）を混合して成形体を形成し、該成形体を溶融したアルミ二ゥム金属と加圧下において接触させることにより、該成形体に溶融アルミニウム金属（以下、溶融金属ということもある）を溶湯鍛造により加圧含浸させて炭素繊維 Ti—Al 複合材料を製造することができる。上記チタン粉末としては、アルミニウムとチタンの反応性力も通常は金属チタンの粉末が好ましい。また、チタン粉末の粒径としては、平均粒径 1〜150 μ mのものが好ましい。粒径がこの範囲のチタン粉末であれば、微細炭素繊維への混入が容易であり、またアルミニウム金属と反応して Al— Tiの金属間化合物の生成が促進される。また、アルミニウム合金を形成する金属としては、 Mg 、 Si、 Cuなどが挙げられる力なかでも Siが多く使用される。なお、チタン又は酸ィ匕チタンの粉末は単独又は組み合わせて使用でき、またアルミニウムとアルミニウム合金も、アルミニウム金属として併用してもよい。

[0020] 上記微細炭素繊維を含む成形体は、微細炭素繊維に所定量のチタン粉末を混合し、好ましくは PVA (ポリビュルアルコール）、エポキシ榭脂、フラン榭脂、フエノール榭脂などの結合材 (バインダー)を適宜混合し、該混合物を成形型で所定形状に加圧成形、し、更に必要に応じて乾燥することにより、多孔質の成形体として得られる。

[0021] 成形体の形状は、用途によって異なり限定されないで、板状、円板状、角柱状、円柱状、円筒状、角筒状、球状などの適宜のものが採用される。通常は、成形が容易で、かつ用途が広い板状体が採用される。例えば、ブレーキ用摺動材料としては、厚みが好ましくは 2〜100mm、より好ましくは 3〜50mmの円板状のものが好ましい。この成形体は、密度が 2. 4〜3. 5gZcm³程度のものが好適である。

[0022] 上記微細炭素繊維を含む成形体を製造する場合、微細炭素繊維は、そのまま使用してもよいが、表面にフエノール榭脂を被覆した微細炭素繊維が好ましい。フエノ一ル榭脂を表面に被覆した微細炭素繊維は、予め製造されたフエノール榭脂粉末を使用し、該フエノール榭脂粉末をそのまま、あるいはアルコール、アセトンなどの溶剤を加えて希釈し、これを微細炭素繊維と混合し、ニーダ一等で混練し、この混練物を押出した後に乾燥し、これを粉砕することによって製造できる。しかし、このようにして得られたフノール榭脂を表面に被覆した微細炭素繊維は、微細炭素繊維を基準にしてフエノール榭脂の被覆量が 30〜50質量％程度と多、。フエノール榭脂の量が多くなると、相対的に微細炭素繊維の量が少なくなるので、機械的強度、導電性、熱伝導性などが低下してしまう。

[0023] そこで、予め製造されたフエノール榭脂を使用するのではなぐフエノール類とアルデヒド類とを、触媒の存在下で微細炭素繊維と混合させつつ反応させることにより、フエノール榭脂が微細炭素繊維の表面に極めて薄く均一に被覆できる。この結果、この方法によればフノール榭脂の被覆量力 0質量％以下、更には 25質量％以下の微細炭素繊維を容易に得ることができる。

[0024] 力かる方法で使用されるフエノール榭脂の形成に用いるフエノール類としては、例えば、フエノール、カテコール、タンニン、レゾルシン、ヒドロキノン、ピロガロールなどの通常のフエノール類が使用できる。なかでも、疎水性で水に難溶性のものを使用するのが好ましぐこの疎水性のフエノール類としては水に対する溶解度が常温（30 °C)で 5以下であるものが好ましい。ここで、水に対する溶解度とは、水 lOOgに対して溶解するグラム数により定義されるものであり、水に対する溶解度が 5以下とは、水 10 Ogに対して 5g以下の溶解で飽和状態になることを意味する。溶解度は低!、方が望ましい。

[0025] 上記疎水性フエノール類としては、例えば、 o クレゾール、 m—クレゾール、 p クレゾール、 p—t—ブチルフエノール、 4—tーブチルカテコール、 m—フエニノレフエノール、 p フエ-ルフエノール、 p— ( α—タミル）フエノール、 ρ ノ-ルフエノール、グアヤコール、ビスフエノーノレ Α、ビスフエノーノレ S、ビスフエノーノレ F、 o クロ口フエノール、 p クロ口フエノール、 2, 4 ジクロロフエノーノレ、 o フエ-ルフエノール、 3, 5— キシレノール、 2, 3 キシレノール、 2, 5 キシレノール、 2, 6 キシレノール、 3, 4 キシレノール、 p—ォクチルフエノールなどを挙げることができ、これらの 1種を単独で用いる他、 2種以上のものを併用することもできる。本発明では使用するフエノール類のうち、 5質量％以上が疎水性フエノール類であることが好ましい。フエノール類として疎水性フエノール類のみを用いてもよ！、。

[0026] 一方、上記フエノール榭脂の原料に用いるアルデヒド類としては、ホルムアルデヒドの水溶液の形態であるホルマリンが最適である力トリオキサン、テトラオキサン、パラホルムアルデヒドのような形態のものを用いることもでき、その他ホルムアルデヒドの一部あるいは大部分をフルフラールゃフルフリルアルコールに置き換えることも可能である。

[0027] また、フエノール類とアルデヒド類を付加縮合反応させる触媒としては、ナトリウム、カリウム、リチウムなどのアルカリ金属の酸化物や水酸化物や炭酸塩、カルシウム、マグネシゥム、バリウムなどアルカリ土類金属の酸化物や水酸化物や炭酸塩、第三級ァミンを用いるのが好ましい。これらの 1種を単独で用いる他、 2種以上のものを併用することもできる。具体例を挙げれば、水酸化ナトリウム、水酸ィ匕カリウム、水酸化リチウム、炭酸ナトリウム、水酸ィ匕カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化バリウム、炭酸力ルシゥム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、トリメチルァミン、トリェチルァミン、トリエタノールァミン、 1, 8—ジァザビシクロ [5, 4, 0]ゥンデセン一 7などがある。

[0028] これらのアルカリ金属又はアルカリ土類金属の酸ィ匕物、水酸化物、炭酸塩は、いずれも窒素成分を全く含有しない。また、第三級ァミンは窒素成分を含有するが、第三級ァミンではこの窒素成分はメチロール基に付加するようなことがないものであり、窒素成分がフエノール榭脂の分子中に取り込まれるようなことがないフエノール榭脂を形成することができるものである。

[0029] また、フエノール榭脂の形成にあたっては、フエノール類及びアルデヒド類のほかに、滑剤、繊維、エポキシ榭脂、カップリング剤などを配合することもできる。

[0030] フエノール榭脂で被覆された微細炭素繊維を製造する場合、フエノール類とアルデヒド類と反応触媒を反応容器にとり、さらに反応容器に微細炭素繊維、その他必要に応じた成分を投入し、これらの存在下でフエノール類とアルデヒド類を反応させる。この反応は反応系を攪拌するに足る量の水中で、攪拌しつつ行なわれるのが好ましく、反応の当初では反応系は粘稠であって攪拌に伴って流動する状態である。反応が進むにつれて、微細炭素繊維を含むフエノール類とアルデヒド類との縮合反応物が系中の水と分離し始め、生成されるフエノール榭脂と微細炭素繊維とが凝集した複合粒子が反応容器の全体に分散された状態になる。そして、さらに所望する程度にフノール榭脂の反応を進めて冷却したのちに攪拌を停止すると、フエノール榭脂で被覆された微細炭素繊維は沈殿して水と分離され、濾過することによって水から容易に分離することができ、これを乾燥することによってフノール榭脂被覆微細炭素繊維を容易に得ることができる。

[0031] 上記により製造されるフエノール榭脂被覆微細炭素繊維は、フエノール榭脂が微細炭素繊維の表面に極めて薄く均一に被覆されるため、フエノール榭脂の被覆量が少ない微細炭素繊維を容易に得ることができる。カゝくして、フエノール榭脂の被覆量は、微細炭素繊維 100重量部あたり、 1〜40重量部になるようにされる。被覆量が 40重量部より大きいと、繊維量が少なくなるため低強度になり、逆に 1重量部より小さいと、均一な成形体を製造できなくなり好ましくはない。

[0032] また、上記微細炭素繊維を含む成形体を製造する場合、後の工程で含浸されるァルミ-ゥム金属の粉末を微細炭素繊維に混合し、該混合物を成形することが好ましく

、これにより、溶湯鍛造における金属の含浸性が著しく改善される。この場合、アルミ -ゥム金属の粉末の混入量としては、上記微細炭素繊維 100重量部あたり、 10〜50 重量部程度が好ましい。また、アルミニウム金属の粉末の平均粒径は、 1〜150 m が好適である。

[0033] 力かる微細炭素繊維を含む成形体は、次いで加圧型内に設置して溶融したアルミ -ゥム金属と加圧下において接触させることにより、前記成形体に溶湯鍛造により注湯してアルミニウム金属を加圧含浸させる。この場合、まず工程（1)において、成形体は金型内に設置された後、好ましくは不活性雰囲気下において金型と一緒に予備加熱される。不活性雰囲気としてはアルゴンガス、窒素ガス等が使用可能であるが、アルゴンガスが好ましく使用できる。また、予備加熱はアルミニウム金属の融点又は融点以上、具体的には融点より 100°C以上、より好ましくは 100〜250°Cに保持することにより行なわれる。この工程（1)を経ることで、アルミニウム金属の流動性を保持し、かつ微細炭素繊維と金属との界面での反応を抑制しながら、多孔質の成形体の気孔にアルミニウム金属を一様に含浸することができる。

[0034] 次に、工程（2)において、アルミニウム金属をその融点より好ましくは 100〜150°C 高！ヽ温度で溶融し、この溶融金属を金型に供給して予備加熱した前記成形体と接触させ、この状態で溶融金属を加圧装置を用いて加圧し、溶湯鍛造により溶融金属を前記成形体に加圧含浸させる。この加圧の大きさとしては、 lOMPa

以上、好ましくは 20〜： LOOMPaが好ましい。工程（2)において、溶融金属の温度が融点より 150°Cを超えると潮解性のある炭化アルミニウムを生成しやすくなり、実用的な複合材料が得られない。また、圧力が lOMPa

に達しな!/、と効率よく金属成分の含浸が行なわれず、金属充填率が低下するおそれがある。

[0035] 次に、本発明の炭素繊維 Ti A1複合材料の製造に用いられる溶湯鍛造装置の具体例 (以下、本装置とする)を図面に従って説明する。図 1は本装置の概略断面を示す。図 1において、 1は金型、 2は押し子（パンチ）であり、 3はプレス機である。図 1に示すように本装置は、内部に空間を有する金型 1と押し子 2とからなり、該押し子 2が該金型 1の開口部内壁面に密接し、金型 1の開口部の内外部方向へ移動自由とし、プレス機 3により内部方向へ移動可能になっている。金型 1内に成形体 4を入れ、ァルゴンガス中で予備加熱を行ない、その後、所定温度に加熱した溶融金属 5を供給し、押し子 2により金型内部の溶融金属 5を加圧し、所定時間この状態にて維持する。所定時間経過後、金型 1から凝固体をアルミニウム金属の塊ごと取り出しアルミ-ゥム金属部分を切削又は溶解その他の方法で除き、炭素繊維 Ti A1複合材料を得ることができる。

[0036] なお、溶湯鍛造方式としては、図 1のオープンモールド方式（直接加圧方式）のほかに、図 2に示すクローズド―モールド方式（間接加圧方式)も適用できる。

[0037] このようにして製造される本発明の炭素繊維 Ti—Al複合材料において、含有される微細炭素繊維の体積含有率は、好ましくは 20〜70体積％、より好ましくは 30〜60 体積％である。この体積含有率が、 20体積％より小さい場合には、低物性 (強度、熱 )になり、逆に 70体積％より大きい場合には、均一な含浸が困難になり好ましくはない。なお、ここで体積含有率とは、炭素繊維 Ti A1複合材料中の各材料成分の体積の百分率である。

[0038] また、本発明の炭素繊維 Ti A1複合材料にぉヽて成形体を構成するチタン粉末又は酸化チタン粉末の含有率は、 15〜50体積％が好ましぐ 20〜40体積％であればより好ましい。成形体にアルミニウム金属を含浸させると、一部のチタンはアルミ- ゥム金属と反応して A1— Ti金属間化合物を形成する。この A1— Ti金属間化合物の形成により、耐熱性及び硬度が高くなり、さらに適度の摩擦係数とその安定性を得ることができる。力べして、この含有率が 15体積％未満では耐熱性が不十分となり、また 50体積％を超えるとアルミニウム金属のほとんどが Al—Ti金属間化合物を形成し、得られる複合材料の靭性が著しく低下するので好ましくない。

[0039] さらに、溶湯鍛造で得られた炭素繊維 Ti—Al複合材料は、特許文献 1に記載されて、るように 550°C以上にぉ、て熱処理すると、強度や硬度を向上させることができる。この熱処理の条件としては、アルミニウム金属の融点より 10〜100°C程度低い範囲が好ましぐまた熱処理時間としては 0. 5〜24時間が好ましい。

[0040] 本発明の炭素繊維 Ti— A1複合材料は、高熱伝導率、大き!/ヽ硬度および強度を有するために、特にブレーキ用摺動材料に好適に使用される。この場合、熱伝導率は 5 OW/(m'K)以上であり、強度は 100〜300MPaを有するので、従来のブレーキ用摺動材料が有して、る問題点は解消される。

[0041] 本発明の炭素繊維 Ti—Al複合材料は、上記したように特にブレーキ用摺動材料として優れている力これに限定されず、例えば、エンジン部品、工作機械定盤、タービンブレード、ロボットアームなどの広範囲の分野の材料としても使用できる。

実施例

[0042] 以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明の解釈は実施例等により限定されるものではない。なお、実施例及び比較例により作製した炭素繊維 Ti—Al複合材料の品質'性能評価について下記の測定方法を用いた。

'密度：島津製作所社製電子分析天びん AEL— 200を用いてアルキメデス法により測定した。

•曲げ強度:島津製作所社製精密万能試験器 AG— 500を用い、作成した強度試験片につ、て曲げ強度を測定した。試験片サイズ 4mm X 4mm X 8mm、スパン間距離 60mm、クロスヘッド降下速度 0. 5mmZ分の条件で測定した。

•熱伝導率:熱拡散率と比熱及び密度の積として求めた。熱拡散率は、レーザーフラッシュ法により真空理工社製 TC— 7000を用い 25°Cで測定した。また、照射光としてルビーレーザー光（励起電圧 2. 5kv、均一フィルター及び滅光フィルター 1枚）を使用した。

•熱膨張率：マックスサイエンス社製熱分析装置 001、 TD— 5020を用 Vヽて室温から 300°Cまでの熱膨張率を測定した。

•弾性率：強度試験の応力歪データから計算で求めた。

[0043] (実施例 1)

繊維径が 150nm、繊維長が 15 μ m、アスペクト比が 100の気相法炭素繊維をアルゴンガス雰囲気中、温度 2800°Cで 30分間処理した微細炭素繊維 50重量部、チタン粉末 (平均粒径 100 μ m) 50重量部及びフエノール榭脂（商品名：リグナイト社製、 LA— 100P) 16重量部の混合物を調製し、この混合物を用いて 160°C、 20MPa条件下に熱板プレスを使用して板状成形体 (縦 125mm、横 105mm、厚さ 12mm)を製造した。

[0044] この成形体をアルゴンガス中で 760°Cに予熱し、 500°Cに予熱した金型に設置した後、 810°Cで溶融したアルミニウムを金型内にいれ、押し子を介してプレス機で圧力 500kg/ cm

(約 49MPa)になるように加圧し、成形体に溶湯鍛造により前記アルミニウムを加圧含浸し、その状態で 30分保持した。冷却後アルミニウムの塊ごと取出し切削加工し、炭素繊維 Ti— A1複合材料を得た。

[0045] この炭素繊維 Ti— A1複合材料は、密度： 2. 5gZcm³、熱伝導率： 80WZmK、線膨張率： 10 X 10"V°C,弾性率： 130GPa及び曲げ強度 250MPaであった。

産業上の利用可能性

[0046] 本発明に係る炭素繊維 Ti A1複合材料は、硬度、耐熱性、耐磨耗性を有し、軽量さ、強度及び熱伝導率が改善されかつ品質の均一性が優れているので、例えばブレ一キ用摺動材料やエンジン部品、ロボットアームなどの材料として好適する。

Claims

請求の範囲

[1] 繊維径 0. 5〜500nm、繊維長 1000 μ m以下であり、中心軸が空洞構造力なる微細炭素繊維と、チタン粉末又は酸化チタン粉末とを含有する成形体に、アルミニゥム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造により加圧含浸させてなる複合材料であることを特徴とする炭素繊維 Ti A1複合材料。

[2] 前記微細炭素繊維の体積比率が 20〜70%である請求項 1に記載の炭素繊維 Ti — A1複合材料。

[3] チタン粉末又は酸ィ匕チタン粉末の含有率が 15〜50体積％である請求項 1又は 2 に記載の炭素繊維 Ti A1複合材料。

[4] 前記微細炭素繊維が、微細炭素繊維 100重量部あたり、 1〜40重量部のフエノール榭脂で表面が被覆されたフエノール榭脂被覆微細炭素繊維である請求項 1〜3の V、ずれかに記載の炭素繊維 Ti A1複合材料。

[5] 繊維径 0. 5〜500nm、繊維長 1000 μ m以下であり、中心軸が空洞構造力もなる微細炭素繊維にチタン粉末又は酸化チタン粉末を混合して成形体を形成し、該成形体を不活性雰囲気中にお、て予熱した後に加圧型内に設置し、該成形体にアルミニゥム又はアルミニウム合金の溶融金属を 20MPa以上の圧力で溶湯鍛造により含浸することを特徴とする炭素繊維 Ti A1複合材料の製造方法。

[6] 前記微細炭素繊維とチタン粉末又は酸ィ匕チタン粉末との混合物にバインダーを添加して成形体を形成する請求項 5に記載の炭素繊維 Ti A1複合材料の製造方法。

[7] 前記微細炭素繊維が、その表面をフエノール榭脂で被覆したフエノール榭脂被覆微細炭素繊維である請求項 5又は 6に記載の炭素繊維 Ti A1複合材料の製造方法

[8] フノール榭脂の被覆量が微細炭素繊維 100重量部あたり 40重量部以下である請求項 7に記載の炭素繊維 Ti A1複合材料の製造方法。