JP4527300B2 - 高密度ＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、航空宇宙機器、原子炉、核融合動力炉等の高温や中性子照射等の過酷な環境下で使用される耐熱性と耐放射線特性に優れた構造材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空・宇宙分野、原子力分野等の過酷な環境下で使用される材料として、耐熱性、化学的安定性、機械的特性に優れたＳｉＣ，Ｓｉ3Ｎ4等、種々のセラミックス材料が開発されてきた。セラミックス材料は、熱交換器，メカニカルシール等の過酷な条件に曝される部材としても使用されている。
なかでも、ＳｉＣは、機械的特性、耐熱性、化学的安定性等に優れていることは勿論、中性子照射条件下でも長寿命の放射性核種が発生しにくいことを活用し、航空・宇宙用途から原子力等の先進エネルギーシステム用途までの広範囲な分野において有望視されている構造材料である。
ＳｉＣは、融点が２６００℃と高温特性に優れているが、それ自体では脆い材料である。そこで、ＳｉＣ繊維で強化して力学安定性を改善させたＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料が提案されている［A.Lacombe and C.Bonnet, 2nd Int.Aerospace Planes Conf.Proc.AIAA-90-5208(1990), C. W. Hollenberg et al., J. Nucl. Mat., 219, (1995)70-86参照］。
【０００３】
ＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料の製造方法の一つとして、ＳｉＣ繊維の成形体に前躯体樹脂を含浸・焼成して母相を形成させる前躯体樹脂含浸焼成法が用いられている。この製造は、液状原料を繊維成形体に含浸させる点で繊維強化樹脂（ＦＲＰ）の製造方法と類似していることから、製造品のサイズ、形状等の選択の自由度が最も広い方法として用いられている。この方法では、母相の原料を繊維成形体の繊維間の微小な空隙にまで前躯体樹脂を十分に含浸させることが不可欠である。これまでの室温で固体または高粘度の液体樹脂を用いた方法では、含浸時に加熱して樹脂を溶融させるか溶媒で希釈することにより、粘度調整を行なって浸透性を改善する必要があった。また、緻密な複合材料を得るには母相の原料に使用される樹脂がより高いセラミックス収率を有する必要がある。
【０００４】
ところで、元々含浸可能な程度まで低粘度の樹脂は、低分子量または網目構造の形成率が低い一次元中心の分子構造である必要がある。このような構造を持つ分子は熱エネルギーが与えられると、分子間力による拘束を破って気相になり、系外に放出されて十分なセラミックス収率が得られず、一部は成形体中に気体として残るため、緻密な材料を合成できなかった。また、熱分解途中に網目構造形成を促進させるために分子側鎖に不飽和炭化水素基や水酸基を導入すると、熱分解生成物内の余剰炭素や酸素含有率が増加して高温強度等の耐環境特性の低下を招く原因となる。
【０００５】
また、一般に樹脂は分子量に応じて粘性が増大し、遂には固体化する。このため、繊維成形体内の微小領域にまでセラミックス収率の高い樹脂を含浸させようとすると、溶媒を用いて希釈するか、粘度が十分に下がる融点以上の温度に加熱する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、繊維成形体に樹脂を含浸・焼成してＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料を製造する際、浸透性に優れ、かつセラミックス収率の高い樹脂を使用して、密度および破壊仕事の高い複合体を低コストかつ環境上問題になる溶媒で使用せずに製造する方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の高密度ＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料の製造方法は、その目的を達成するため、微細ＳｉＣ粒子を混合し、下記（ａ）、（ｂ）で示される構造を有し、かつ単位構造の（ａ）／（ｂ）比が１であるポリビニルシランを溶媒に希釈することなくＳｉＣ繊維成形体内に含浸させた後、１０００〜１３００℃の温度で焼成するものである。
【０００８】
ポリビニルシランに混合する微細ＳｉＣ粒子としては、粒径０．１〜１．０μｍ程度のものを２５〜７０質量%程度にすることが好ましい。
また、密度の高いものを得るためには、微細ＳｉＣ粒子混合ポリビニルシラン含浸成形体を焼成した後、ポリビニルシラン単独の含浸と焼成を繰り返して行うと良い。
【０００９】
【作用】
前記したように、樹脂は分子量を高めるとそれに連れて粘性が増し遂には固体化する。このため繊維成形体の微小領域に、セラミックス化率の高い、すなわち分子量の高い樹脂を含浸させるためには、溶媒を用いて希釈するか粘度が十分に下がる融点以上の温度まで加熱する必要がある。
ところで、ポリビニルシランは一般に構造にビニル基が付与されているものもしくはビニル化合物を重合して合成された有機ケイ素本化合物の総称であるが、本発明では、下記（ａ）、（ｂ）で示される構造を有し、かつ単位構造の（ａ）／（ｂ）比が１であるポリビニルシランを使用する。このポリビニルシランは、一次元を中心とする分子構造を有しながら側鎖に多くのＳｉ−Ｈ結合が付けられている常温で低粘度（約７０ｃＰ）の液状の樹脂であり、ＳｉＣ粒子を多量に添加しても繊維成形体への含浸が十分可能な粘性を保っている。しかもポリカルボシランと同組成のセラミックスが３０〜４０質量％の収率で得られる。
【００１０】
【００１１】
本発明は、繊維成形体に含浸させるＳｉＣ前躯体樹脂として、このポリビニルシランを使用することにより、溶媒に希釈することなく含浸を容易に行え、かつ高い効率でＳｉＣ母相を得ることができたものである。
溶媒で希釈して含浸させると、含浸された正味樹脂量は少なくなり、緻密化効率は減少する。また、溶媒の使用をなくすことにより、効率低下をなくすことができる。さらに、廃液等が問題になる溶媒を使用しないことで環境に悪影響を与えずに低コストでＳｉＣ複合材料を製造することができる。
【００１２】
ＳｉＣ粒子は熱分解中に体積収縮を起こさないため、これを樹脂に添加することで母相原料の見かけ上の体積収縮率が向上する。このため、焼成後の成形体の気孔率を低下させることができる。これによって力学特性の向上と安定性の改善が気体できる。
添加する微細ＳｉＣ粒子の適正粒度は０．１〜１．０μｍが好ましいが、０．２〜０．５μｍ程度がさらに好ましい。繊維間隙に含浸させるためには、繊維径に対して十分に小さくことが好ましい。また一方で微細化に伴って粒子の比表面積が増加するが、このため樹脂−粒子スラリーの粘性が増加し、含浸に支障をきたすこともある。このような観点から、上記粒度のものを用いることが好ましい。
【００１３】
微細ＳｉＣ粒子は上記のように、熱分解に伴う体積収縮を抑えるために添加するものであり、その添加量が少ないと、収縮量が多くなって成形体の密度が高くならない。繊維周辺に亀裂なく連続的にマトリックスが形成され得る最低添加率が２５％である。また多すぎると樹脂−粒子スラリーの粘度が高くなりすぎて繊維間隙に浸透できず、密度向上に結びつかない。このことは各種の実験データ（図１参照）からも実証されている。最も好ましい添加量は５０〜７０％である。（図１、２参照）
【００１４】
焼成はアルゴンガス雰囲気中１０００〜１３００℃で行なうことが好ましい。１０００℃未満では、樹脂の熱分解による無機化（ＳｉＣ構造の発達）が十分に行われず、耐熱性の点で満足するものが得られない。また、１３００℃を超えると、熱分解物の結晶化が高度に進み大きな結晶粒がランダム方向に成長するために亀裂が入り強度の低下を引き起こす。
また、加熱雰囲気については、樹脂の構造に多く含まれるＳｉ−Ｈ結合が酸化され易いため、高温強度の低下をもたらすＳｉＯ2の生成を避けるために酸素の存在しない雰囲気で焼成する必要がある。窒素雰囲気中では樹脂構造に窒素が取り込まれて意図しないＳｉ3Ｎ4が生成する恐れがある。また熱分解中に多くのガスが発生するため、真空中で行うと真空ポンプに多大な負担を変える。以上の理由からアルゴン雰囲気で焼成することが好ましい。
【００１５】
樹脂の加熱中のガス発生による気孔形成を軽減するためには、焼成中に加圧することが好ましい。この場合、焼成に先立ってポリビニルシランを含浸させた繊維成形体を３００〜４００℃に加熱して、含浸されたポリビニルシランを予め硬化させておくことが好ましい。
加圧範囲は２〜１０ＭＰａの範囲にすることが好ましい。加圧力が２ＭＰａ未満であると加圧効果が認められない。逆に１０ＭＰａを超えて加圧すると繊維等へのダメージが顕在化し、むしろ有害になることが予想されるばかりでなく、コストも高くなる。
最も好ましい温度−圧力条件は、１２００℃−５ＭＰａである。
このような製造法で得られた複合体の密度をさらに高め、破壊仕事を高めるためには、得られた複合体にポリビニルシランを単体で含浸させ、無加圧での焼成を施す工程を繰り返すことが好ましい。
【００１６】
【実施例】
ポリビニルシランに平均粒径０．２７μｍのベータ型ＳｉＣ粒子を５７質量％の割合で添加して大気中で攪拌して樹脂泥しょうを作製し、これに４０×４０ｍｍ寸法に裁断したＳｉＣ繊維の平織布を大気中で浸漬して樹脂を繊維間まで含浸させて樹脂含浸シートを作製した。このシートを１０枚積層して厚さ３ｍｍの樹脂含浸繊維体としカーボン製の容器に封入した後、アルゴンガス雰囲気下３００℃／ｈｒで３３０℃まで昇温し１０分間保持した後、１時間以上かけて室温に冷却すると、含浸された樹脂泥しょうが半固体となった樹脂成形体が得られた。
【００１７】
この成形体を加圧焼結用カーボン製成形型に仕込み、カーボンを発熱体とする雰囲気制御高温炉を用いてアルゴンガス雰囲気中で成形体の厚さ方向に５ＭＰａの一軸圧力をかけつつ３００℃／ｈｒの昇温速度で１２００℃まで昇温し、１０分間保持した後、加圧力を除いて２時間かけて冷却すると、嵩密度２．０Ｍｇ／ｍ3のＳｉＣ繊維複合成形体が得られた。
この成形体に対して真空中でポリビニルシランを単体で含浸し、加圧せずに１２００℃まで同様に焼成するプロセスを８回繰り返すと嵩密度２．４Ｍｇ／ｍ3の高密度ＳｉＣ繊維／ＳｉＣ複合材料が得られた。
この材料は平均で２８１ＭＰａの曲げ強度と、１．４８９ｋＪ／ｍ2の破壊仕事を有し、非靭性破壊挙動を示した。
【００１８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は前躯体樹脂を含浸・焼成してＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料を製造する際に、含浸する樹脂として常温で液体で、熱硬化性を有し、かつセラミックス収率の高いポリビニルシランを選択し、微細ＳｉＣ粒子を添加するとともに溶媒を使用せずに含浸させた後、加圧しつつ焼成することにより成形体を得、その後ポリビニルシランを単独で含浸、焼成を繰り返すことにより、セラミックス収率が高く、密度および破壊仕事の高いＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＳｉＣ粒子の添加量に応じた一方向強化成形体の密度の変化を示す図
【図２】 ＳｉＣ粒子の添加量に応じた一方向強化成形体の曲げ強度および破壊仕事の変化を示す図
【産業上の利用分野】
本発明は、航空宇宙機器、原子炉、核融合動力炉等の高温や中性子照射等の過酷な環境下で使用される耐熱性と耐放射線特性に優れた構造材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空・宇宙分野、原子力分野等の過酷な環境下で使用される材料として、耐熱性、化学的安定性、機械的特性に優れたＳｉＣ，Ｓｉ3Ｎ4等、種々のセラミックス材料が開発されてきた。セラミックス材料は、熱交換器，メカニカルシール等の過酷な条件に曝される部材としても使用されている。
なかでも、ＳｉＣは、機械的特性、耐熱性、化学的安定性等に優れていることは勿論、中性子照射条件下でも長寿命の放射性核種が発生しにくいことを活用し、航空・宇宙用途から原子力等の先進エネルギーシステム用途までの広範囲な分野において有望視されている構造材料である。
ＳｉＣは、融点が２６００℃と高温特性に優れているが、それ自体では脆い材料である。そこで、ＳｉＣ繊維で強化して力学安定性を改善させたＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料が提案されている［A.Lacombe and C.Bonnet, 2nd Int.Aerospace Planes Conf.Proc.AIAA-90-5208(1990), C. W. Hollenberg et al., J. Nucl. Mat., 219, (1995)70-86参照］。
【０００３】
ＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料の製造方法の一つとして、ＳｉＣ繊維の成形体に前躯体樹脂を含浸・焼成して母相を形成させる前躯体樹脂含浸焼成法が用いられている。この製造は、液状原料を繊維成形体に含浸させる点で繊維強化樹脂（ＦＲＰ）の製造方法と類似していることから、製造品のサイズ、形状等の選択の自由度が最も広い方法として用いられている。この方法では、母相の原料を繊維成形体の繊維間の微小な空隙にまで前躯体樹脂を十分に含浸させることが不可欠である。これまでの室温で固体または高粘度の液体樹脂を用いた方法では、含浸時に加熱して樹脂を溶融させるか溶媒で希釈することにより、粘度調整を行なって浸透性を改善する必要があった。また、緻密な複合材料を得るには母相の原料に使用される樹脂がより高いセラミックス収率を有する必要がある。
【０００４】
ところで、元々含浸可能な程度まで低粘度の樹脂は、低分子量または網目構造の形成率が低い一次元中心の分子構造である必要がある。このような構造を持つ分子は熱エネルギーが与えられると、分子間力による拘束を破って気相になり、系外に放出されて十分なセラミックス収率が得られず、一部は成形体中に気体として残るため、緻密な材料を合成できなかった。また、熱分解途中に網目構造形成を促進させるために分子側鎖に不飽和炭化水素基や水酸基を導入すると、熱分解生成物内の余剰炭素や酸素含有率が増加して高温強度等の耐環境特性の低下を招く原因となる。
【０００５】
また、一般に樹脂は分子量に応じて粘性が増大し、遂には固体化する。このため、繊維成形体内の微小領域にまでセラミックス収率の高い樹脂を含浸させようとすると、溶媒を用いて希釈するか、粘度が十分に下がる融点以上の温度に加熱する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、繊維成形体に樹脂を含浸・焼成してＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料を製造する際、浸透性に優れ、かつセラミックス収率の高い樹脂を使用して、密度および破壊仕事の高い複合体を低コストかつ環境上問題になる溶媒で使用せずに製造する方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の高密度ＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料の製造方法は、その目的を達成するため、微細ＳｉＣ粒子を混合し、下記（ａ）、（ｂ）で示される構造を有し、かつ単位構造の（ａ）／（ｂ）比が１であるポリビニルシランを溶媒に希釈することなくＳｉＣ繊維成形体内に含浸させた後、１０００〜１３００℃の温度で焼成するものである。
【０００８】
また、密度の高いものを得るためには、微細ＳｉＣ粒子混合ポリビニルシラン含浸成形体を焼成した後、ポリビニルシラン単独の含浸と焼成を繰り返して行うと良い。
【０００９】
【作用】
前記したように、樹脂は分子量を高めるとそれに連れて粘性が増し遂には固体化する。このため繊維成形体の微小領域に、セラミックス化率の高い、すなわち分子量の高い樹脂を含浸させるためには、溶媒を用いて希釈するか粘度が十分に下がる融点以上の温度まで加熱する必要がある。
ところで、ポリビニルシランは一般に構造にビニル基が付与されているものもしくはビニル化合物を重合して合成された有機ケイ素本化合物の総称であるが、本発明では、下記（ａ）、（ｂ）で示される構造を有し、かつ単位構造の（ａ）／（ｂ）比が１であるポリビニルシランを使用する。このポリビニルシランは、一次元を中心とする分子構造を有しながら側鎖に多くのＳｉ−Ｈ結合が付けられている常温で低粘度（約７０ｃＰ）の液状の樹脂であり、ＳｉＣ粒子を多量に添加しても繊維成形体への含浸が十分可能な粘性を保っている。しかもポリカルボシランと同組成のセラミックスが３０〜４０質量％の収率で得られる。
【００１０】
本発明は、繊維成形体に含浸させるＳｉＣ前躯体樹脂として、このポリビニルシランを使用することにより、溶媒に希釈することなく含浸を容易に行え、かつ高い効率でＳｉＣ母相を得ることができたものである。
溶媒で希釈して含浸させると、含浸された正味樹脂量は少なくなり、緻密化効率は減少する。また、溶媒の使用をなくすことにより、効率低下をなくすことができる。さらに、廃液等が問題になる溶媒を使用しないことで環境に悪影響を与えずに低コストでＳｉＣ複合材料を製造することができる。
【００１２】
ＳｉＣ粒子は熱分解中に体積収縮を起こさないため、これを樹脂に添加することで母相原料の見かけ上の体積収縮率が向上する。このため、焼成後の成形体の気孔率を低下させることができる。これによって力学特性の向上と安定性の改善が気体できる。
添加する微細ＳｉＣ粒子の適正粒度は０．１〜１．０μｍが好ましいが、０．２〜０．５μｍ程度がさらに好ましい。繊維間隙に含浸させるためには、繊維径に対して十分に小さくことが好ましい。また一方で微細化に伴って粒子の比表面積が増加するが、このため樹脂−粒子スラリーの粘性が増加し、含浸に支障をきたすこともある。このような観点から、上記粒度のものを用いることが好ましい。
【００１３】
微細ＳｉＣ粒子は上記のように、熱分解に伴う体積収縮を抑えるために添加するものであり、その添加量が少ないと、収縮量が多くなって成形体の密度が高くならない。繊維周辺に亀裂なく連続的にマトリックスが形成され得る最低添加率が２５％である。また多すぎると樹脂−粒子スラリーの粘度が高くなりすぎて繊維間隙に浸透できず、密度向上に結びつかない。このことは各種の実験データ（図１参照）からも実証されている。最も好ましい添加量は５０〜７０％である。（図１、２参照）
【００１４】
焼成はアルゴンガス雰囲気中１０００〜１３００℃で行なうことが好ましい。１０００℃未満では、樹脂の熱分解による無機化（ＳｉＣ構造の発達）が十分に行われず、耐熱性の点で満足するものが得られない。また、１３００℃を超えると、熱分解物の結晶化が高度に進み大きな結晶粒がランダム方向に成長するために亀裂が入り強度の低下を引き起こす。
また、加熱雰囲気については、樹脂の構造に多く含まれるＳｉ−Ｈ結合が酸化され易いため、高温強度の低下をもたらすＳｉＯ2の生成を避けるために酸素の存在しない雰囲気で焼成する必要がある。窒素雰囲気中では樹脂構造に窒素が取り込まれて意図しないＳｉ3Ｎ4が生成する恐れがある。また熱分解中に多くのガスが発生するため、真空中で行うと真空ポンプに多大な負担を変える。以上の理由からアルゴン雰囲気で焼成することが好ましい。
【００１５】
樹脂の加熱中のガス発生による気孔形成を軽減するためには、焼成中に加圧することが好ましい。この場合、焼成に先立ってポリビニルシランを含浸させた繊維成形体を３００〜４００℃に加熱して、含浸されたポリビニルシランを予め硬化させておくことが好ましい。
加圧範囲は２〜１０ＭＰａの範囲にすることが好ましい。加圧力が２ＭＰａ未満であると加圧効果が認められない。逆に１０ＭＰａを超えて加圧すると繊維等へのダメージが顕在化し、むしろ有害になることが予想されるばかりでなく、コストも高くなる。
最も好ましい温度−圧力条件は、１２００℃−５ＭＰａである。
このような製造法で得られた複合体の密度をさらに高め、破壊仕事を高めるためには、得られた複合体にポリビニルシランを単体で含浸させ、無加圧での焼成を施す工程を繰り返すことが好ましい。
【００１６】
【実施例】
ポリビニルシランに平均粒径０．２７μｍのベータ型ＳｉＣ粒子を５７質量％の割合で添加して大気中で攪拌して樹脂泥しょうを作製し、これに４０×４０ｍｍ寸法に裁断したＳｉＣ繊維の平織布を大気中で浸漬して樹脂を繊維間まで含浸させて樹脂含浸シートを作製した。このシートを１０枚積層して厚さ３ｍｍの樹脂含浸繊維体としカーボン製の容器に封入した後、アルゴンガス雰囲気下３００℃／ｈｒで３３０℃まで昇温し１０分間保持した後、１時間以上かけて室温に冷却すると、含浸された樹脂泥しょうが半固体となった樹脂成形体が得られた。
【００１７】
この成形体を加圧焼結用カーボン製成形型に仕込み、カーボンを発熱体とする雰囲気制御高温炉を用いてアルゴンガス雰囲気中で成形体の厚さ方向に５ＭＰａの一軸圧力をかけつつ３００℃／ｈｒの昇温速度で１２００℃まで昇温し、１０分間保持した後、加圧力を除いて２時間かけて冷却すると、嵩密度２．０Ｍｇ／ｍ3のＳｉＣ繊維複合成形体が得られた。
この成形体に対して真空中でポリビニルシランを単体で含浸し、加圧せずに１２００℃まで同様に焼成するプロセスを８回繰り返すと嵩密度２．４Ｍｇ／ｍ3の高密度ＳｉＣ繊維／ＳｉＣ複合材料が得られた。
この材料は平均で２８１ＭＰａの曲げ強度と、１．４８９ｋＪ／ｍ2の破壊仕事を有し、非靭性破壊挙動を示した。
【００１８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は前躯体樹脂を含浸・焼成してＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料を製造する際に、含浸する樹脂として常温で液体で、熱硬化性を有し、かつセラミックス収率の高いポリビニルシランを選択し、微細ＳｉＣ粒子を添加するとともに溶媒を使用せずに含浸させた後、加圧しつつ焼成することにより成形体を得、その後ポリビニルシランを単独で含浸、焼成を繰り返すことにより、セラミックス収率が高く、密度および破壊仕事の高いＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＳｉＣ粒子の添加量に応じた一方向強化成形体の密度の変化を示す図
【図２】 ＳｉＣ粒子の添加量に応じた一方向強化成形体の曲げ強度および破壊仕事の変化を示す図
Claims (3)
- 微細ＳｉＣ粒子を混合し、下記（ａ）、（ｂ）で示される構造を有し、かつ単位構造の（ａ）／（ｂ）比が１であるポリビニルシランを溶媒に希釈することなくＳｉＣ繊維成形体内に含浸させた後、１０００〜１３００℃の温度で焼成することを特徴とする高密度ＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料の製造方法。
- ポリビニルシランに混合する微細ＳｉＣ粒子は、粒径が０．１〜１．０μｍであり、混合量が２５〜７０質量％である請求項１に記載の高密度ＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料の製造方法。
- 微細ＳｉＣ粒子混合ポリビニルシラン含浸成形体を焼成した後、ポリビニルシラン単独の含浸と無加圧焼成を繰り返して行う請求項１または２に記載の高密度ＳｉＣ繊維強化型ＳｉＣ複合材料の製造方法。
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