JP2000007452A - 高耐熱性繊維強化セラミックス複合材料 - Google Patents
高耐熱性繊維強化セラミックス複合材料Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 室温から高温までの広い範囲にわたって機械
的強度が大きく、且つ耐クリープ特性が良好であり、更
に割れにくさが付与された、高温構造材としての使用に
適した繊維強化セラミックス複合材料を提供する。 【解決手段】 金属の酸化物と２種以上の金属の酸化物
から生成される複合酸化物とからなる群から選ばれる２
種以上の酸化物から構成されている凝固体であって、構
成相がα−Ａｌ2Ｏ3とＹ3Ａｌ5Ｏ12とからなる凝固体を
除くセラミックス複合材料を母材とし、密度が２．７ｇ
／ｃｍ3以上で、強度及び弾性率が、それぞれ２ＧＰａ
以上及び２５０ＧＰａ以上であり、ＳｉＣの焼結構造か
らなる耐アルカリ性の良好な結晶性炭化ケイ素繊維で強
化された繊維強化セラミックス複合材料。
的強度が大きく、且つ耐クリープ特性が良好であり、更
に割れにくさが付与された、高温構造材としての使用に
適した繊維強化セラミックス複合材料を提供する。 【解決手段】 金属の酸化物と２種以上の金属の酸化物
から生成される複合酸化物とからなる群から選ばれる２
種以上の酸化物から構成されている凝固体であって、構
成相がα−Ａｌ2Ｏ3とＹ3Ａｌ5Ｏ12とからなる凝固体を
除くセラミックス複合材料を母材とし、密度が２．７ｇ
／ｃｍ3以上で、強度及び弾性率が、それぞれ２ＧＰａ
以上及び２５０ＧＰａ以上であり、ＳｉＣの焼結構造か
らなる耐アルカリ性の良好な結晶性炭化ケイ素繊維で強
化された繊維強化セラミックス複合材料。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、室温から高温まで
の広い範囲にわたって機械的強度が大きく、且つ耐クリ
ープ特性が良好であり、更に割れにくさが付与された、
高温構造材としての使用に適した繊維強化セラミックス
複合材料に関する。
の広い範囲にわたって機械的強度が大きく、且つ耐クリ
ープ特性が良好であり、更に割れにくさが付与された、
高温構造材としての使用に適した繊維強化セラミックス
複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】高温下で用いられるセラミックス材料と
してＳｉＣやＳｉ3Ｎ4のような非酸化物セラミックスや
アルミナ、ムライト、ジルコニアのような酸化物セラミ
ックスがあるが、これらの材料はいずれも高温特性ある
いは破壊靭性の面で十分でなく、高温構造材として実用
化してゆく上では問題となっている。
してＳｉＣやＳｉ3Ｎ4のような非酸化物セラミックスや
アルミナ、ムライト、ジルコニアのような酸化物セラミ
ックスがあるが、これらの材料はいずれも高温特性ある
いは破壊靭性の面で十分でなく、高温構造材として実用
化してゆく上では問題となっている。
【０００３】Journal of American Ceramics Society,
76巻1号,29-32ページ(1993年)には、Al2O3-Y3Al5O12共
晶で示されるアルミナとイットリア・アルミナ・ガーネ
ット（以下において「ＹＡＧ」と言うことがある。）と
からなる複合体が開示されている。上記文献２９ページ
右欄９〜１０行の記載及び同ページ図１及び図２から、
上記複合体は、多結晶からなり、粒界相を有しているこ
とがわかる。このことは、例えば、上記文献３０ページ
左欄最終行〜同右欄１行の「破壊は通常Al2O3-YAG界面
に沿って走る亀裂を有するコロニー境界に沿っており」
との記載からも裏付けられる。そして、このコロニー境
界が上記文献３０ページの図２中において他の部分に比
較して組織が大きくなっている部分で示されている。こ
の複合材料は、歪み速度を一定にした場合の応力は、１
５３０℃及び１６５０℃でサファイア繊維のそれとほぼ
同程度でしかない。さらに、同複合体は、複合体内部に
気泡あるいはボイドを含有しており、高温において機械
的強度が急激に低下することが認められた。
76巻1号,29-32ページ(1993年)には、Al2O3-Y3Al5O12共
晶で示されるアルミナとイットリア・アルミナ・ガーネ
ット（以下において「ＹＡＧ」と言うことがある。）と
からなる複合体が開示されている。上記文献２９ページ
右欄９〜１０行の記載及び同ページ図１及び図２から、
上記複合体は、多結晶からなり、粒界相を有しているこ
とがわかる。このことは、例えば、上記文献３０ページ
左欄最終行〜同右欄１行の「破壊は通常Al2O3-YAG界面
に沿って走る亀裂を有するコロニー境界に沿っており」
との記載からも裏付けられる。そして、このコロニー境
界が上記文献３０ページの図２中において他の部分に比
較して組織が大きくなっている部分で示されている。こ
の複合材料は、歪み速度を一定にした場合の応力は、１
５３０℃及び１６５０℃でサファイア繊維のそれとほぼ
同程度でしかない。さらに、同複合体は、複合体内部に
気泡あるいはボイドを含有しており、高温において機械
的強度が急激に低下することが認められた。
【０００４】この高温特性を飛躍的に改善する目的で、
特開平７−１４９５９７号、同７−１８７８９３号及び
同８−８１２５７号には、α−Ａｌ2Ｏ3相とＹＡＧ相か
らなる複合材料で、それらの相が単結晶／単結晶、単結
晶／多結晶、多結晶／多結晶で構成される従来に全くな
い新規なセラミックス複合材料が提案されている。これ
は、室温から高温にわたって優れた機械的強度及び耐ク
リープ特性を有し、特に高温におけるこれら特性が飛躍
的に改善されている。しかし、この複合材料も、破壊に
際しては、単体セラミックスと同様、一気に最終破壊に
至るブリトルな破壊挙動を示した。
特開平７−１４９５９７号、同７−１８７８９３号及び
同８−８１２５７号には、α−Ａｌ2Ｏ3相とＹＡＧ相か
らなる複合材料で、それらの相が単結晶／単結晶、単結
晶／多結晶、多結晶／多結晶で構成される従来に全くな
い新規なセラミックス複合材料が提案されている。これ
は、室温から高温にわたって優れた機械的強度及び耐ク
リープ特性を有し、特に高温におけるこれら特性が飛躍
的に改善されている。しかし、この複合材料も、破壊に
際しては、単体セラミックスと同様、一気に最終破壊に
至るブリトルな破壊挙動を示した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、金属
の酸化物と２種以上の金属の酸化物から生成される複合
酸化物とからなる群から選ばれる２種以上の酸化物から
構成されている凝固体からなるセラミックス複合材料
を、高耐熱性の繊維材で強化することにより、優れた高
温特性と割れにくさを共に有した繊維強化セラミックス
複合材料を提供することにある。
の酸化物と２種以上の金属の酸化物から生成される複合
酸化物とからなる群から選ばれる２種以上の酸化物から
構成されている凝固体からなるセラミックス複合材料
を、高耐熱性の繊維材で強化することにより、優れた高
温特性と割れにくさを共に有した繊維強化セラミックス
複合材料を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、金
属の酸化物と２種以上の金属の酸化物から生成される複
合酸化物とからなる群から選ばれる２種以上の酸化物か
ら構成されている凝固体からなるセラミックス複合材料
を、特願平９−２２６１５６号に出願されている結晶性
炭化ケイ素繊維で強化することにより達成される。ただ
し、凝固体の構成相がα−Ａｌ2Ｏ3とＹ3Ａｌ5Ｏ12とか
らなる場合を除く。以下に本発明の繊維強化セラミック
ス複合材料を詳細に説明する。
属の酸化物と２種以上の金属の酸化物から生成される複
合酸化物とからなる群から選ばれる２種以上の酸化物か
ら構成されている凝固体からなるセラミックス複合材料
を、特願平９−２２６１５６号に出願されている結晶性
炭化ケイ素繊維で強化することにより達成される。ただ
し、凝固体の構成相がα−Ａｌ2Ｏ3とＹ3Ａｌ5Ｏ12とか
らなる場合を除く。以下に本発明の繊維強化セラミック
ス複合材料を詳細に説明する。
【０００７】本発明における母材となるセラミックス複
合材料は、製造条件を制御することによって、コロニ
ー、ボイドのない均一な組織になる。また、所定の成分
に調製した混合粉末を加圧焼結して得られる一般的な焼
結体に存在する粒界は存在しない。さらに、製造条件を
制御することによって複合材料がそれぞれ単結晶／単結
晶、単結晶／多結晶、多結晶／多結晶から構成されるセ
ラミックス複合材料とすることができる。本発明書にお
いて「単結晶」とは、Ｘ線回折において、特定の結晶面
からの回折ピークのみが観察される状態の結晶構造を意
味する。
合材料は、製造条件を制御することによって、コロニ
ー、ボイドのない均一な組織になる。また、所定の成分
に調製した混合粉末を加圧焼結して得られる一般的な焼
結体に存在する粒界は存在しない。さらに、製造条件を
制御することによって複合材料がそれぞれ単結晶／単結
晶、単結晶／多結晶、多結晶／多結晶から構成されるセ
ラミックス複合材料とすることができる。本発明書にお
いて「単結晶」とは、Ｘ線回折において、特定の結晶面
からの回折ピークのみが観察される状態の結晶構造を意
味する。
【０００８】請求項１に示した金属の酸化物としては、
例えば、以下のようなものがあげられる。 Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｃａ
Ｏ、Ｙ2Ｏ3、ＢａＯ、ＢｅＯ、ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｍｎ
Ｏ、ＣｏＯ、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、ＳｒＯ、Ｃｒ2Ｏ3、
ＺｎＯ、ＮｉＯ、Ｌｉ2Ｏ、Ｇａ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＴｈＯ
2、ＵＯ2、ＳｎＯ2、さらに以下に示す希土類元素酸化
物が挙げられる。 Ｌａ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、ＣｅＯ2、Ｐｒ6Ｏ11、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓ
ｍ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｔｂ4Ｏ7、Ｄｙ2Ｏ3、Ｈ
ｏ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3
例えば、以下のようなものがあげられる。 Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｃａ
Ｏ、Ｙ2Ｏ3、ＢａＯ、ＢｅＯ、ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｍｎ
Ｏ、ＣｏＯ、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、ＳｒＯ、Ｃｒ2Ｏ3、
ＺｎＯ、ＮｉＯ、Ｌｉ2Ｏ、Ｇａ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＴｈＯ
2、ＵＯ2、ＳｎＯ2、さらに以下に示す希土類元素酸化
物が挙げられる。 Ｌａ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、ＣｅＯ2、Ｐｒ6Ｏ11、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓ
ｍ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｔｂ4Ｏ7、Ｄｙ2Ｏ3、Ｈ
ｏ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3
【０００９】また、請求項１に示した２種以上の金属の
酸化物の組み合わせで生成される複合酸化物には、例え
ば、以下のようなものがあげられる。 ３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2（Ｍｕｌｌｉｔｅ）、ＭｇＯ・
Ａｌ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3・ＴｉＯ2、ＢａＯ・６Ａｌ2Ｏ3、
ＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3、ＢｅＯ・３Ａｌ2Ｏ3、ＢｅＯ・Ａｌ
2Ｏ3、３ＢｅＯ・Ａｌ2Ｏ3、ＣａＯ・ＴｉＯ2、ＣａＯ
・Ｎｂ2Ｏ3、ＣａＯ・ＺｒＯ2、２ＣｏＯ・ＴｉＯ2、Ｆ
ｅＡｌ2Ｏ4、ＭｎＡｌ2Ｏ4、３ＭｇＯ・Ｙ2Ｏ3、２Ｍｇ
Ｏ・ＳｉＯ2、ＭｇＣｒ2Ｏ4、ＭｇＯ・ＴｉＯ2、ＭｇＯ
・Ｔａ2Ｏ5、ＭｎＯ・ＴｉＯ2、２ＭｎＯ・ＴｉＯ2、３
ＳｒＯ・Ａｌ2Ｏ3、ＳｒＯ・Ａｌ2Ｏ3、ＳｒＯ・２Ａｌ
2Ｏ3ＳｒＯ・６Ａｌ2Ｏ3、ＳｒＯ・ＴｉＯ3、ＴｉＯ2・
３Ｎｂ2０5、ＴｉＯ2・Ｎｂ2Ｏ5、３Ｙ2Ｏ3・５Ａｌ2Ｏ
3、２Ｙ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3、２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５Ｓ
ｉＯ2
酸化物の組み合わせで生成される複合酸化物には、例え
ば、以下のようなものがあげられる。 ３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2（Ｍｕｌｌｉｔｅ）、ＭｇＯ・
Ａｌ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3・ＴｉＯ2、ＢａＯ・６Ａｌ2Ｏ3、
ＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3、ＢｅＯ・３Ａｌ2Ｏ3、ＢｅＯ・Ａｌ
2Ｏ3、３ＢｅＯ・Ａｌ2Ｏ3、ＣａＯ・ＴｉＯ2、ＣａＯ
・Ｎｂ2Ｏ3、ＣａＯ・ＺｒＯ2、２ＣｏＯ・ＴｉＯ2、Ｆ
ｅＡｌ2Ｏ4、ＭｎＡｌ2Ｏ4、３ＭｇＯ・Ｙ2Ｏ3、２Ｍｇ
Ｏ・ＳｉＯ2、ＭｇＣｒ2Ｏ4、ＭｇＯ・ＴｉＯ2、ＭｇＯ
・Ｔａ2Ｏ5、ＭｎＯ・ＴｉＯ2、２ＭｎＯ・ＴｉＯ2、３
ＳｒＯ・Ａｌ2Ｏ3、ＳｒＯ・Ａｌ2Ｏ3、ＳｒＯ・２Ａｌ
2Ｏ3ＳｒＯ・６Ａｌ2Ｏ3、ＳｒＯ・ＴｉＯ3、ＴｉＯ2・
３Ｎｂ2０5、ＴｉＯ2・Ｎｂ2Ｏ5、３Ｙ2Ｏ3・５Ａｌ2Ｏ
3、２Ｙ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3、２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５Ｓ
ｉＯ2
【００１０】また、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と希
土類元素酸化物から生成される複合酸化物としては、例
えば、以下のようなものが挙げられる。 ＬａＡｌＯ3，ＣｅＡｌＯ3，ＰｒＡｌＯ3，ＮｄＡｌ
Ｏ3，ＳｍＡｌＯ3，ＥｕＡｌＯ3，ＧｄＡｌＯ3，ＤｙＡ
ｌＯ3，Ｙｂ4Ａｌ2Ｏ9，Ｅｒ3Ａｌ5Ｏ12，１１Ａｌ2Ｏ3
・Ｌａ2Ｏ3，１１Ａｌ2Ｏ3・Ｎｄ2Ｏ3，１１Ａｌ2Ｏ3・
Ｐｒ2Ｏ3，ＥｕＡｌ11Ｏ18，２Ｇｄ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3，１
１Ａｌ2Ｏ3・Ｓｍ2Ｏ3，Ｙｂ3Ａｌ5Ｏ12，ＣｅＡｌ11Ｏ
18，Ｅｒ4Ａｌ2Ｏ9
土類元素酸化物から生成される複合酸化物としては、例
えば、以下のようなものが挙げられる。 ＬａＡｌＯ3，ＣｅＡｌＯ3，ＰｒＡｌＯ3，ＮｄＡｌ
Ｏ3，ＳｍＡｌＯ3，ＥｕＡｌＯ3，ＧｄＡｌＯ3，ＤｙＡ
ｌＯ3，Ｙｂ4Ａｌ2Ｏ9，Ｅｒ3Ａｌ5Ｏ12，１１Ａｌ2Ｏ3
・Ｌａ2Ｏ3，１１Ａｌ2Ｏ3・Ｎｄ2Ｏ3，１１Ａｌ2Ｏ3・
Ｐｒ2Ｏ3，ＥｕＡｌ11Ｏ18，２Ｇｄ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3，１
１Ａｌ2Ｏ3・Ｓｍ2Ｏ3，Ｙｂ3Ａｌ5Ｏ12，ＣｅＡｌ11Ｏ
18，Ｅｒ4Ａｌ2Ｏ9
【００１１】本発明の繊維強化セラミックス複合材料で
は、上述のセラミックス複合材料からなる母材中に、結
晶性の炭化ケイ素繊維が繊維形状を保持したまま分散し
ている。 この結晶性の炭化ケイ素繊維は、密度が２．
７ｇ／ｃｍ3以上で、重量割合（合計で１００重量％）
で、Ｓｉ：５５〜７０％、Ｃ：３０〜４５％、Ａｌ：
０．０６〜３．８％及びＢ：０．０６〜０．５％からな
り、ＳｉＣの焼結構造からなることを特徴とするもので
ある。
は、上述のセラミックス複合材料からなる母材中に、結
晶性の炭化ケイ素繊維が繊維形状を保持したまま分散し
ている。 この結晶性の炭化ケイ素繊維は、密度が２．
７ｇ／ｃｍ3以上で、重量割合（合計で１００重量％）
で、Ｓｉ：５５〜７０％、Ｃ：３０〜４５％、Ａｌ：
０．０６〜３．８％及びＢ：０．０６〜０．５％からな
り、ＳｉＣの焼結構造からなることを特徴とするもので
ある。
【００１２】或いは、この結晶性の炭化ケイ素繊維は、
密度が２．７ｇ／ｃｍ3以上であり、重量割合（合計で
１００重量％）で、Ｓｉ：５５〜７０％、Ｃ：３０〜４
５％、Ａｌ：０．０６〜３．８％及びＢ：０〜０．２
％、及びＹ：０．０６〜３．８％及び／又はＭｇ：０．
０６〜３．８％からなり、ＳｉＣの焼結構造からなるこ
とを特徴とするものである。 この結晶性炭化ケイ素繊
維は、特願平９−２２６１５６号により特許出願されて
いる「耐アルカリ性良好な結晶性炭化ケイ素繊維」であ
る。
密度が２．７ｇ／ｃｍ3以上であり、重量割合（合計で
１００重量％）で、Ｓｉ：５５〜７０％、Ｃ：３０〜４
５％、Ａｌ：０．０６〜３．８％及びＢ：０〜０．２
％、及びＹ：０．０６〜３．８％及び／又はＭｇ：０．
０６〜３．８％からなり、ＳｉＣの焼結構造からなるこ
とを特徴とするものである。 この結晶性炭化ケイ素繊
維は、特願平９−２２６１５６号により特許出願されて
いる「耐アルカリ性良好な結晶性炭化ケイ素繊維」であ
る。
【００１３】本発明で用いられる結晶性炭化ケイ素繊維
の形状は、長繊維、短繊維、２次元或いは３次元の各種
織物形状物のいずれであっても良い。また、繊維の含有
率については、特に制限されるものではない。
の形状は、長繊維、短繊維、２次元或いは３次元の各種
織物形状物のいずれであっても良い。また、繊維の含有
率については、特に制限されるものではない。
【００１４】この結晶性炭化ケイ素繊維と、前述の母材
の界面には、適当な滑り層としての役割を演じる境界層
が存在している。この境界層の成分は、特に限定されな
いが、一般に繊維強化タイプのセラミックス複合材料の
界面層として用いられるものがあげられる。例えば、炭
素、ＢＮ、モナザイト（例えば、リン酸ランタン等）、
炭素／炭化ケイ素の層状積層物等である。また、境界層
の耐酸化性を改善する目的で各種易酸化性の添加物が加
えられていても良い。
の界面には、適当な滑り層としての役割を演じる境界層
が存在している。この境界層の成分は、特に限定されな
いが、一般に繊維強化タイプのセラミックス複合材料の
界面層として用いられるものがあげられる。例えば、炭
素、ＢＮ、モナザイト（例えば、リン酸ランタン等）、
炭素／炭化ケイ素の層状積層物等である。また、境界層
の耐酸化性を改善する目的で各種易酸化性の添加物が加
えられていても良い。
【００１５】これらの境界層は、本発明の繊維強化セラ
ミックス複合材料を製造する前に、予め結晶性炭化ケイ
素に形成されていても良く、また同繊維強化セラミック
ス複合材料を製造する際に、母材として用いる酸化物層
中に存在する、極少量の活性酸素と結晶性炭化ケイ素繊
維の表面近傍層との間での下記のような反応により形成
させる炭素層であっても良い。 ＳｉＣ ＋ Ｏ2
＝ ＳｉＯ2 ＋ Ｃ
ミックス複合材料を製造する前に、予め結晶性炭化ケイ
素に形成されていても良く、また同繊維強化セラミック
ス複合材料を製造する際に、母材として用いる酸化物層
中に存在する、極少量の活性酸素と結晶性炭化ケイ素繊
維の表面近傍層との間での下記のような反応により形成
させる炭素層であっても良い。 ＳｉＣ ＋ Ｏ2
＝ ＳｉＯ2 ＋ Ｃ
【００１６】本発明の、繊維強化セラミックス複合材料
の製造方法は特に制限を受けないが、例えば以下の方法
によって調製することができる。
の製造方法は特に制限を受けないが、例えば以下の方法
によって調製することができる。
【００１７】最初に２種以上のセラミック粉末を、目的
とする成分比率のセラミックス複合材料を生成する割合
で混合して、混合粉末を調製する。混合方法については
特別の制限はなく、乾式混合法及び湿式混合法のいずれ
も採用することが出来る。湿式混合法を用いる際の媒体
としては、メタノール、エタノールのようなアルコール
が一般に使用される。
とする成分比率のセラミックス複合材料を生成する割合
で混合して、混合粉末を調製する。混合方法については
特別の制限はなく、乾式混合法及び湿式混合法のいずれ
も採用することが出来る。湿式混合法を用いる際の媒体
としては、メタノール、エタノールのようなアルコール
が一般に使用される。
【００１８】一方、結晶性炭化ケイ素繊維は、Ａｌを
０．０５〜３重量％、好ましくは０．１〜１重量％、及
びＢを０．０５〜０．４重量％、好ましくは１．５〜
２．５重量％含有し、更に余剰の炭素を１重量％以上、
好ましくは１．５〜２．５重量％含有する非晶質の炭化
ケイ素繊維、或いは、Ａｌを０．０５〜３重量％、好ま
しくは０．１〜１重量％、及びＢを０〜０．１重量％、
Ｙを０．０５〜３重量％、好ましくは０．１〜１重量％
及び／又はＭｇを０．０５〜３重量％、好ましくは０．
１〜１重量％、及び余剰の炭素を１重量％以上含有する
非晶質の炭化ケイ素繊維を摂氏１６００〜２１００度の
範囲の温度に加熱することによって調製される。この加
熱処理は、アルゴン、ヘリウムのような不活性ガス雰囲
気下で行われる。
０．０５〜３重量％、好ましくは０．１〜１重量％、及
びＢを０．０５〜０．４重量％、好ましくは１．５〜
２．５重量％含有し、更に余剰の炭素を１重量％以上、
好ましくは１．５〜２．５重量％含有する非晶質の炭化
ケイ素繊維、或いは、Ａｌを０．０５〜３重量％、好ま
しくは０．１〜１重量％、及びＢを０〜０．１重量％、
Ｙを０．０５〜３重量％、好ましくは０．１〜１重量％
及び／又はＭｇを０．０５〜３重量％、好ましくは０．
１〜１重量％、及び余剰の炭素を１重量％以上含有する
非晶質の炭化ケイ素繊維を摂氏１６００〜２１００度の
範囲の温度に加熱することによって調製される。この加
熱処理は、アルゴン、ヘリウムのような不活性ガス雰囲
気下で行われる。
【００１９】次いで、前述の混合粉末中に、適当な方法
により上記結晶性炭化ケイ素繊維を埋設した後、公知の
炉、例えばアーク溶解炉を用いて、同混合粉末が溶融す
る温度、例えば摂氏１８００〜２５００度に加熱して溶
解する。 引き続き、上記繊維材を含有する溶解物を一
方向に凝固させて、本発明の繊維強化セラミックス複合
材料を調製する。別の方法として、上記混合粉末のみを
予め溶解後に粉砕し、繊維材を埋設後、再び溶解させ、
一方向凝固させる方法を採用することも出来る。
により上記結晶性炭化ケイ素繊維を埋設した後、公知の
炉、例えばアーク溶解炉を用いて、同混合粉末が溶融す
る温度、例えば摂氏１８００〜２５００度に加熱して溶
解する。 引き続き、上記繊維材を含有する溶解物を一
方向に凝固させて、本発明の繊維強化セラミックス複合
材料を調製する。別の方法として、上記混合粉末のみを
予め溶解後に粉砕し、繊維材を埋設後、再び溶解させ、
一方向凝固させる方法を採用することも出来る。
【００２０】溶解凝固の際の雰囲気圧力は、通常１０-3
ｔｏｒｒ以下、好ましくは１０-4ｔｏｒｒ以下である。
また、一方向に凝固させる時のルツボの移動速度、換言
するとセラミックス複合材料の生成速度は通常５０ｍｍ
／時間以下、好ましくは１〜４０ｍｍ／時間である。雰
囲気圧力及び移動速度以外の調製条件はそれ自体公知の
条件と同様である。
ｔｏｒｒ以下、好ましくは１０-4ｔｏｒｒ以下である。
また、一方向に凝固させる時のルツボの移動速度、換言
するとセラミックス複合材料の生成速度は通常５０ｍｍ
／時間以下、好ましくは１〜４０ｍｍ／時間である。雰
囲気圧力及び移動速度以外の調製条件はそれ自体公知の
条件と同様である。
【００２１】溶解凝固の際の雰囲気圧力或いはルツボの
移動速度が条件範囲外になると、気泡又はボイドがコロ
ニー界面に生成しやすくなって、機械的強度及びクリー
プ特性の優れた複合材料を得ることが困難になる。
移動速度が条件範囲外になると、気泡又はボイドがコロ
ニー界面に生成しやすくなって、機械的強度及びクリー
プ特性の優れた複合材料を得ることが困難になる。
【００２２】一方向凝固させる装置としては、垂直方向
に設置された円筒状の容器内にルツボが上下方向に移動
可能に収納されており、円筒状容器のほぼ中央部外周に
加熱用の誘導コイルが取り付けられており、容器内空間
を減圧にするための真空ポンプが設置されている、それ
自体公知の装置を使用することが出来る。
に設置された円筒状の容器内にルツボが上下方向に移動
可能に収納されており、円筒状容器のほぼ中央部外周に
加熱用の誘導コイルが取り付けられており、容器内空間
を減圧にするための真空ポンプが設置されている、それ
自体公知の装置を使用することが出来る。
【００２３】
【実施例】以下に実施例及び比較例を示す。参考例１
ナトリウム４００ｇを含有する無水キシレンに、窒素ガ
ス気流下にキシレンを加熱還流させながら、ジメチルジ
クロロシラン１ｌを滴下し、引き続き１０時間加熱還流
し沈殿物を生成させた。この沈殿をろ過し、メタノー
ル、次いで水で洗浄して、白色のポリジメチルシラン４
２０ｇを得た。
ナトリウム４００ｇを含有する無水キシレンに、窒素ガ
ス気流下にキシレンを加熱還流させながら、ジメチルジ
クロロシラン１ｌを滴下し、引き続き１０時間加熱還流
し沈殿物を生成させた。この沈殿をろ過し、メタノー
ル、次いで水で洗浄して、白色のポリジメチルシラン４
２０ｇを得た。
【００２４】参考例２ ジフェニルジクロロシラン７５
０ｇ及びホウ酸１２４ｇを窒素ガス雰囲気下にｎ−ブチ
ルエーテル中、１００〜１２０℃で加熱し、生成した白
色樹脂状物をさらに真空中４００℃で１時間加熱するこ
とによって、フェニル基含有ポリボロシロキサン５３０
ｇを得た。
０ｇ及びホウ酸１２４ｇを窒素ガス雰囲気下にｎ−ブチ
ルエーテル中、１００〜１２０℃で加熱し、生成した白
色樹脂状物をさらに真空中４００℃で１時間加熱するこ
とによって、フェニル基含有ポリボロシロキサン５３０
ｇを得た。
【００２５】実施例１ 強化用に使用された結晶性炭化
ケイ素繊維は、以下の方法により調製された。 参考例
１で得られたポリジメチルシラン１００部に参考例２で
得られたフェニル基含有ポリボロシロキサン４部を添加
し、窒素ガス雰囲気中、３５０℃で５時間熱縮合して、
高分子量の有機ケイ素重合体を得た。この有機ケイ素重
合体１００部を溶解したキシレン溶液にアルミニウム−
トリ−（ｓｅｃ−ブトキシド）を７部を加え、窒素ガス
気流下に３１０℃で架橋反応させることによって、ポリ
アルミノカルボシランを合成した。このポリアルミノカ
ルボシランを２４５℃で溶融紡糸した後、空気中１４０
℃で５時間加熱処理した後、これを更に窒素中３００℃
で１０時間加熱して不融化繊維を得た。この不融化繊維
を窒素中１５００℃で連続焼成し、炭化ケイ素系連続無
機繊維を合成した。
ケイ素繊維は、以下の方法により調製された。 参考例
１で得られたポリジメチルシラン１００部に参考例２で
得られたフェニル基含有ポリボロシロキサン４部を添加
し、窒素ガス雰囲気中、３５０℃で５時間熱縮合して、
高分子量の有機ケイ素重合体を得た。この有機ケイ素重
合体１００部を溶解したキシレン溶液にアルミニウム−
トリ−（ｓｅｃ−ブトキシド）を７部を加え、窒素ガス
気流下に３１０℃で架橋反応させることによって、ポリ
アルミノカルボシランを合成した。このポリアルミノカ
ルボシランを２４５℃で溶融紡糸した後、空気中１４０
℃で５時間加熱処理した後、これを更に窒素中３００℃
で１０時間加熱して不融化繊維を得た。この不融化繊維
を窒素中１５００℃で連続焼成し、炭化ケイ素系連続無
機繊維を合成した。
【００２６】得られた連続無機繊維を１９００℃のアル
ゴン中で連続加熱処理して結晶性炭化ケイ素繊維を合成
した。得られた炭化ケイ素系連続無機繊維の化学組成
は、Ｓｉ：６７wt％、Ｃ：３１wt％、Ｏ：０．３wt％、
Ａｌ：０．８wt％、Ｂ：０．０６wt％で、原子比でＳ
ｉ：Ｃ：Ｏ：Ａｌ＝１：１．０８：０．００８：０．０
１２であった。この無機繊維の引張り強度は２７０kg/m
m2、弾性率は３２t/mm2で、緻密なＳｉＣの焼結構造か
らなっていた。また、密度は２．９ｇ／ｃｍ3であっ
た。
ゴン中で連続加熱処理して結晶性炭化ケイ素繊維を合成
した。得られた炭化ケイ素系連続無機繊維の化学組成
は、Ｓｉ：６７wt％、Ｃ：３１wt％、Ｏ：０．３wt％、
Ａｌ：０．８wt％、Ｂ：０．０６wt％で、原子比でＳ
ｉ：Ｃ：Ｏ：Ａｌ＝１：１．０８：０．００８：０．０
１２であった。この無機繊維の引張り強度は２７０kg/m
m2、弾性率は３２t/mm2で、緻密なＳｉＣの焼結構造か
らなっていた。また、密度は２．９ｇ／ｃｍ3であっ
た。
【００２７】一方、母材成分である酸化物セラミックス
複合材料の原料は、以下の方法により調製された。原料
としてα−Ａｌ2Ｏ3粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を７８．０／２
２．０ｍｏｌ％の割合で混合し、エタノール溶媒を用い
て湿式ボールミルによって混合し、得られたスラリーか
らロータリーエヴァポレータを用いてエタノールを除去
した。このようにして調製された混合粉末中に、上記結
晶性炭化ケイ素繊維のチョップ状物を均一に埋設し、チ
ャンバー内に設置されたルツボに仕込み、１０-5ｔｏｒ
ｒの雰囲気圧力に維持して、高周波コイルを用いてルツ
ボを摂氏１８５０〜２０００度に加熱して、金型内の混
合粉末成分を溶解させた。次に、上記と同一の雰囲気圧
力下でルツボを５ｍｍ／時間の速度で降下させ一方向凝
固させて、セラミックス複合材料を得た。
複合材料の原料は、以下の方法により調製された。原料
としてα−Ａｌ2Ｏ3粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を７８．０／２
２．０ｍｏｌ％の割合で混合し、エタノール溶媒を用い
て湿式ボールミルによって混合し、得られたスラリーか
らロータリーエヴァポレータを用いてエタノールを除去
した。このようにして調製された混合粉末中に、上記結
晶性炭化ケイ素繊維のチョップ状物を均一に埋設し、チ
ャンバー内に設置されたルツボに仕込み、１０-5ｔｏｒ
ｒの雰囲気圧力に維持して、高周波コイルを用いてルツ
ボを摂氏１８５０〜２０００度に加熱して、金型内の混
合粉末成分を溶解させた。次に、上記と同一の雰囲気圧
力下でルツボを５ｍｍ／時間の速度で降下させ一方向凝
固させて、セラミックス複合材料を得た。
【００２８】この複合材料の凝固方向に対して直角な面
からのＸ線回折では、結晶性炭化ケイ素繊維に由来する
β−ＳｉＣの（１１１）、（２００）、（２２０）及び
（３１１）面に対応するピーク以外には、α−Ａｌ2Ｏ3
とＧｄＡｌＯ3のそれぞれ特定の面からの回折ピークの
みが観察された。このことから、本発明の母材であるセ
ラミックス複合材料は、α−Ａｌ2Ｏ3単結晶及びＧｄＡ
ｌＯ3単結晶の二つの相から構成されていることが確認
された。尚、光学顕微鏡観察により、本発明の母材であ
るセラミックス複合材料には、コロニー、粒界相或いは
粗大粒子は観察されず、本母材が単結晶Ａｌ2Ｏ3及び単
結晶ＧｄＡｌＯ3の均一な複合構造からなることも観察
された。
からのＸ線回折では、結晶性炭化ケイ素繊維に由来する
β−ＳｉＣの（１１１）、（２００）、（２２０）及び
（３１１）面に対応するピーク以外には、α−Ａｌ2Ｏ3
とＧｄＡｌＯ3のそれぞれ特定の面からの回折ピークの
みが観察された。このことから、本発明の母材であるセ
ラミックス複合材料は、α−Ａｌ2Ｏ3単結晶及びＧｄＡ
ｌＯ3単結晶の二つの相から構成されていることが確認
された。尚、光学顕微鏡観察により、本発明の母材であ
るセラミックス複合材料には、コロニー、粒界相或いは
粗大粒子は観察されず、本母材が単結晶Ａｌ2Ｏ3及び単
結晶ＧｄＡｌＯ3の均一な複合構造からなることも観察
された。
【００２９】また、図１に示す光学顕微鏡写真、並びに
Ｘ線マイクロアナライザーの分析結果から、同酸化物の
母材中には、原料として使用した結晶性炭化ケイ素繊維
が、繊維形状を保持したまま複合化されていることが確
認された。また、この繊維材と酸化物の母材界面では、
成形中に適度な反応が進行し、炭素を主体とした薄い境
界層の形成が認められた。
Ｘ線マイクロアナライザーの分析結果から、同酸化物の
母材中には、原料として使用した結晶性炭化ケイ素繊維
が、繊維形状を保持したまま複合化されていることが確
認された。また、この繊維材と酸化物の母材界面では、
成形中に適度な反応が進行し、炭素を主体とした薄い境
界層の形成が認められた。
【００３０】この繊維強化セラミックス複合材料の３点
曲げ強度は、摂氏１４００度、１５００度、１６００度
及び１７００度で、それぞれ５５２、５４０、５７０及
び５６０ＭＰａを示した。また、材料中にＶ型ノッチを
入れて、３点曲げ試験により実施するＳＥＶＮＢ法によ
る破壊靭性の測定では、９．３ＭＰａｍ1/2の破壊靭性
値が得られた。これは、同法により測定した、窒化ケイ
素の５．６５ＭＰａｍ 1/2や炭化ケイ素の２．５１ＭＰ
ａｍ1/2よりも明らかに大きな値であった。
曲げ強度は、摂氏１４００度、１５００度、１６００度
及び１７００度で、それぞれ５５２、５４０、５７０及
び５６０ＭＰａを示した。また、材料中にＶ型ノッチを
入れて、３点曲げ試験により実施するＳＥＶＮＢ法によ
る破壊靭性の測定では、９．３ＭＰａｍ1/2の破壊靭性
値が得られた。これは、同法により測定した、窒化ケイ
素の５．６５ＭＰａｍ 1/2や炭化ケイ素の２．５１ＭＰ
ａｍ1/2よりも明らかに大きな値であった。
【００３１】比較例１ 結晶性炭化ケイ素繊維を使用し
ないこと以外は、全て実施例１と同様にして、セラミッ
クス複合材料を調製した。この複合材料の凝固方向に対
して直角な面からのＸ線回折では、α−Ａｌ2Ｏ3とＧｄ
ＡｌＯ3のそれぞれ特定の面からの回折ピークのみが観
察され、上記母材成分である酸化物は、α−Ａｌ2Ｏ3単
結晶及びＧｄＡｌＯ3単結晶の二つの相から構成されて
いることが確認された。
ないこと以外は、全て実施例１と同様にして、セラミッ
クス複合材料を調製した。この複合材料の凝固方向に対
して直角な面からのＸ線回折では、α−Ａｌ2Ｏ3とＧｄ
ＡｌＯ3のそれぞれ特定の面からの回折ピークのみが観
察され、上記母材成分である酸化物は、α−Ａｌ2Ｏ3単
結晶及びＧｄＡｌＯ3単結晶の二つの相から構成されて
いることが確認された。
【００３２】このセラミックス複合材料の３点曲げ強度
は、摂氏１４００度、１５００度、１６００度及び１７
００度で、それぞれ６００、５８５、６１０及び６０５
ＭＰａと優れていたが、材料中にＶ型ノッチを入れて、
３点曲げ試験により実施したＳＥＶＮＢ法による破壊靭
性の測定では、４．０ＭＰａｍ1/2と実施例１よりは明
らかに低い破壊靭性値しか得られなかった。
は、摂氏１４００度、１５００度、１６００度及び１７
００度で、それぞれ６００、５８５、６１０及び６０５
ＭＰａと優れていたが、材料中にＶ型ノッチを入れて、
３点曲げ試験により実施したＳＥＶＮＢ法による破壊靭
性の測定では、４．０ＭＰａｍ1/2と実施例１よりは明
らかに低い破壊靭性値しか得られなかった。
【００３３】比較例２ 実施例１の結晶性炭化ケイ素繊
維の代わりに、ケイ素６２．４重量％、炭素３７．１重
量％及び酸素０．５重量％からなる非晶質の炭化ケイ素
繊維を使用したこと以外は、全て実施例１の方法に従っ
て繊維強化セラミックス複合材料を調製した。 同セラ
ミックス複合材料では、用いた繊維材は、製造過程に分
解しており繊維形状を保持していなかった。従って、加
えた繊維による強化効果はまった得られておらず、同セ
ラミックスの３点曲げ強度も、摂氏１４００度、１５０
０度、１６００度及び１７００度で２１０、２００、２
０５及び１９０ＭＰａと低く、また破壊靭性値も３．２
ＭＰａｍ1/2と低いものであった。
維の代わりに、ケイ素６２．４重量％、炭素３７．１重
量％及び酸素０．５重量％からなる非晶質の炭化ケイ素
繊維を使用したこと以外は、全て実施例１の方法に従っ
て繊維強化セラミックス複合材料を調製した。 同セラ
ミックス複合材料では、用いた繊維材は、製造過程に分
解しており繊維形状を保持していなかった。従って、加
えた繊維による強化効果はまった得られておらず、同セ
ラミックスの３点曲げ強度も、摂氏１４００度、１５０
０度、１６００度及び１７００度で２１０、２００、２
０５及び１９０ＭＰａと低く、また破壊靭性値も３．２
ＭＰａｍ1/2と低いものであった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4L037 CS29 CS30 FA01 FA05 FA06 FA09 FA12 PA49 PS02 PS03 PS10 UA06 UA10
Claims (6)
- 【請求項１】金属の酸化物と２種以上の金属の酸化物か
ら生成される複合酸化物とからなる群から選ばれる２種
以上の酸化物から構成されている凝固体であって、構成
相がα−Ａｌ2Ｏ3とＹ3Ａｌ5Ｏ12とからなる凝固体を除
くセラミックス複合材料を母材とし、密度が２．７ｇ／
ｃｍ3以上で、強度及び弾性率が、それぞれ２ＧＰａ以
上及び２５０ＧＰａ以上であり、ＳｉＣの焼結構造から
なる耐アルカリ性の良好な結晶性炭化ケイ素繊維で強化
された繊維強化セラミックス複合材料。 - 【請求項２】母材のセラミックス複合材料中に、コロニ
ー及びポアがないことを特徴とする請求項１記載の繊維
強化セラミックス複合材料。 - 【請求項３】母材のセラミックス複合材料の構成相が、
単結晶及び／又は多結晶からなることを特徴とする請求
項１又は２記載の繊維強化セラミックス複合材料。 - 【請求項４】母材のセラミックス複合材料の構成相が、
酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）又は希土類元素酸化物
と、酸化アルミニウムと希土類元素酸化物から生成され
る複合酸化物とからなる群から選ばれる２種以上の酸化
物から構成されていることを特徴とする請求項１〜３記
載の繊維強化セラミックス複合材料。 - 【請求項５】結晶性炭化ケイ素繊維が、２．７ｇ／ｃｍ
3以上の密度を有しており、重量割合（合計で１００重
量％）で、Ｓｉ：５５〜７０％、Ｃ：３０〜４５％、Ａ
ｌ：０．０６〜３．８％及びＢ：０．０６〜０．５％か
らなり、ＳｉＣの焼結構造からなることを特徴とする請
求項１〜４記載の繊維強化セラミックス複合材料。 - 【請求項６】結晶性炭化ケイ素繊維が、２．７ｇ／ｃｍ
3以上の密度を有しており、重量割合（合計で１００重
量％）で、Ｓｉ：５５〜７０％、Ｃ：３０〜４５％、Ａ
ｌ：０．０６〜３．８％及びＢ：０〜０．２％、及び
Ｙ：０．０６〜３．８％及び／又はＭｇ：０．０６〜
３．８％からなり、ＳｉＣの焼結構造からなることを特
徴とする請求項１〜４記載の繊維強化セラミックス複合
材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10178445A JP2000007452A (ja) | 1998-06-25 | 1998-06-25 | 高耐熱性繊維強化セラミックス複合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10178445A JP2000007452A (ja) | 1998-06-25 | 1998-06-25 | 高耐熱性繊維強化セラミックス複合材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000007452A true JP2000007452A (ja) | 2000-01-11 |
Family
ID=16048655
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10178445A Pending JP2000007452A (ja) | 1998-06-25 | 1998-06-25 | 高耐熱性繊維強化セラミックス複合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000007452A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011157632A (ja) * | 2010-01-29 | 2011-08-18 | Ube Industries Ltd | 複合材料用開繊無機繊維束及びその製造方法、並びに該繊維束で強化されたセラミックス基複合材料 |
-
1998
- 1998-06-25 JP JP10178445A patent/JP2000007452A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011157632A (ja) * | 2010-01-29 | 2011-08-18 | Ube Industries Ltd | 複合材料用開繊無機繊維束及びその製造方法、並びに該繊維束で強化されたセラミックス基複合材料 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050121 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050517 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060110 |