JP2000007453A - 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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- JP2000007453A JP2000007453A JP10195100A JP19510098A JP2000007453A JP 2000007453 A JP2000007453 A JP 2000007453A JP 10195100 A JP10195100 A JP 10195100A JP 19510098 A JP19510098 A JP 19510098A JP 2000007453 A JP2000007453 A JP 2000007453A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 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。 【解決手段】 α−Ａｌ2Ｏ3とＹ3Ａｌ5Ｏ12とから構成
されている凝固体からなるセラミックス複合材料を母材
とし、密度が２．７ｇ／ｃｍ3以上で、引張強度および
弾性率が、それぞれ２ＧＰａ以上および２５０ＧＰａ以
上であり、ＳｉＣの焼結構造を有す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。
維強化セラミックス複合材料を提供する。 【解決手段】 α−Ａｌ2Ｏ3とＹ3Ａｌ5Ｏ12とから構成
されている凝固体からなるセラミックス複合材料を母材
とし、密度が２．７ｇ／ｃｍ3以上で、引張強度および
弾性率が、それぞれ２ＧＰａ以上および２５０ＧＰａ以
上であり、ＳｉＣの焼結構造を有す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。しかしこれらの材料はいずれも高温特性
あるいは破壊靱性の面で十分でなく、高温構造材として
実用化してい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。しかしこれらの材料はいずれも高温特性
あるいは破壊靱性の面で十分でなく、高温構造材として
実用化していく上では問題となっている。
【０００３】Journal of American Ceramics Society,7
6巻１号、29〜32ページ（1993）には、Ａｌ2Ｏ3−Ｙ3Ａ
ｌ5Ｏ12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行の記載および同ページ図１お
よび図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、１５３０℃および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。
6巻１号、29〜32ページ（1993）には、Ａｌ2Ｏ3−Ｙ3Ａ
ｌ5Ｏ12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行の記載および同ページ図１お
よび図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、１５３０℃および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号およ
び同８−８１２５７号公報には、α−Ａｌ2Ｏ3相とＹＡ
Ｇ相と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
およ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号およ
び同８−８１２５７号公報には、α−Ａｌ2Ｏ3相とＹＡ
Ｇ相と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
およ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、α−
Ａｌ2Ｏ3とＹ3Ａｌ5Ｏ12と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。
Ａｌ2Ｏ3とＹ3Ａｌ5Ｏ12と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、α
−Ａｌ2Ｏ3とＹ3Ａｌ5Ｏ12と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９−２２６１
５６号公報で開示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。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。
−Ａｌ2Ｏ3とＹ3Ａｌ5Ｏ12と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９−２２６１
５６号公報で開示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。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
に調整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。本発明において繊維の引張強度および弾性率は、
ＪＩＳ Ｒ−７６０１に従って、オリエンテックのテン
シロン（UTM-II-20)を用いて、ゲージ長さ；２５ｍｍ、
クロスヘッドスピード；２ｍｍ／分で測定した。また、
繊維径は、ニコンのダイナスコープを用いて直接測定し
た。
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
に調整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。本発明において繊維の引張強度および弾性率は、
ＪＩＳ Ｒ−７６０１に従って、オリエンテックのテン
シロン（UTM-II-20)を用いて、ゲージ長さ；２５ｍｍ、
クロスヘッドスピード；２ｍｍ／分で測定した。また、
繊維径は、ニコンのダイナスコープを用いて直接測定し
た。
【０００８】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２．７
ｇ／cm3以上で、各元素の重量割合（合計で１００重量
％）が、Ｓｉ：５５〜７０％、Ｃ：３０〜４５％、Ａ
ｌ：０．０６〜３．８％およびＢ：０．０６〜０．５％
であり、ＳｉＣの焼結構造を有することを特徴とする。
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２．７
ｇ／cm3以上で、各元素の重量割合（合計で１００重量
％）が、Ｓｉ：５５〜７０％、Ｃ：３０〜４５％、Ａ
ｌ：０．０６〜３．８％およびＢ：０．０６〜０．５％
であり、ＳｉＣの焼結構造を有することを特徴とする。
【０００９】あるいは、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、各元素の重量割
合（合計で１００重量％）が、Ｓｉ：５５〜７０％、
Ｃ：３０〜４５％、Ａｌ：０．０６〜３．８％および
Ｂ：０〜０．２％、およびＹ：０．０６〜３．８％およ
び/またはＭｇ：０．０６〜３．８％であり、ＳｉＣの
焼結構造を有することを特徴とする。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。
は、密度が２．７ｇ／cm3以上であり、各元素の重量割
合（合計で１００重量％）が、Ｓｉ：５５〜７０％、
Ｃ：３０〜４５％、Ａｌ：０．０６〜３．８％および
Ｂ：０〜０．２％、およびＹ：０．０６〜３．８％およ
び/またはＭｇ：０．０６〜３．８％であり、ＳｉＣの
焼結構造を有することを特徴とする。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。
【００１０】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次元あるいは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次元あるいは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。
【００１１】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挙げられる。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挙げられる。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。
【００１２】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よい。 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よい。 Ｓｉｃ＋Ｏ2＝ＳｉＯ2＋Ｃ
【００１３】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
によって調整することができる。
の製造方法は特に制限を受けないが、例えば以下の方法
によって調整することができる。
【００１４】最初にα−Ａｌ2Ｏ3粉末およびＹ2Ｏ3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、混合粉末を調整する。混合方法に
ついては特別の制限はなく。乾式混合法および湿式混合
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。
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、混合粉末を調整する。混合方法に
ついては特別の制限はなく。乾式混合法および湿式混合
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。
【００１５】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％、お
よび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％含有する非結晶の炭化
ケイ素繊維、あるいは、Ａｌを０．０５〜３重量％、好
ましくは０．１〜１重量％、およびＢを０〜０．１重量
％、Ｙを０．０５〜３重量％、好ましくは０．１〜１重
量％および／またはＭｇを０．０５〜３重量％、好まし
くは０．１〜１重量％、および余剰の炭素を１重量％以
上含有する非結晶の炭化ケイ素繊維を摂氏１６００〜２
１００度の範囲の温度に加熱することによって調整され
る。この加熱処理法、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％、お
よび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％含有する非結晶の炭化
ケイ素繊維、あるいは、Ａｌを０．０５〜３重量％、好
ましくは０．１〜１重量％、およびＢを０〜０．１重量
％、Ｙを０．０５〜３重量％、好ましくは０．１〜１重
量％および／またはＭｇを０．０５〜３重量％、好まし
くは０．１〜１重量％、および余剰の炭素を１重量％以
上含有する非結晶の炭化ケイ素繊維を摂氏１６００〜２
１００度の範囲の温度に加熱することによって調整され
る。この加熱処理法、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。
【００１６】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理設した後、公知の
炉、例えばアーク溶解炉を用いて、同混合粉末が溶離す
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
料を調整する。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、繊維材を理設後、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理設した後、公知の
炉、例えばアーク溶解炉を用いて、同混合粉末が溶離す
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
料を調整する。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、繊維材を理設後、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。
【００１７】溶解凝固の際の雰囲気気圧力は、通常１０
-3ｔｏｒｒ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５０
ｍｍ／時間以下、好ましくは１〜４０ｍｍ／時間であ
る。雰囲気圧力および移動速度以外の調整条件はそれ自
体公知の条件と同様である。
-3ｔｏｒｒ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５０
ｍｍ／時間以下、好ましくは１〜４０ｍｍ／時間であ
る。雰囲気圧力および移動速度以外の調整条件はそれ自
体公知の条件と同様である。
【００１８】溶解凝固の際の雰囲気圧力あるいはルツボ
の移動速度が条件範囲外になると、気泡またはボイドが
コロニー界面に生成しやすくなって、機械的強度および
クリープ特性の優れた複合材料を得ることは困難にな
る。
の移動速度が条件範囲外になると、気泡またはボイドが
コロニー界面に生成しやすくなって、機械的強度および
クリープ特性の優れた複合材料を得ることは困難にな
る。
【００１９】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できる。
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できる。
【００２０】
【実施例】以下に実施例および比較例を示す。以下の各
例において、部は特にことわりの無い限り重量部を示
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１リットルを滴下し、引き続き１０時間加
熱還流し沈澱物を生成させた。この沈澱を濾過し、メタ
ノール、ついで水で洗浄して、白色のポリジメチルシラ
ン４２０ｇを得た。
例において、部は特にことわりの無い限り重量部を示
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１リットルを滴下し、引き続き１０時間加
熱還流し沈澱物を生成させた。この沈澱を濾過し、メタ
ノール、ついで水で洗浄して、白色のポリジメチルシラ
ン４２０ｇを得た。
【００２１】参考例２ ジフェニルジクロロシラン７５０ｇおよびホウ酸１２４
ｇ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５３０ｇを得た。
ｇ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５３０ｇを得た。
【００２２】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
法により調整された。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、３
５０℃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、ポリアミノカルボシランを合成し
た。このポリア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
をさらに窒素中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得た。
法により調整された。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、３
５０℃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、ポリアミノカルボシランを合成し
た。このポリア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
をさらに窒素中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得た。
【００２３】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強度は２７０ｋｇ／
ｍｍ2、弾性率３２ｔ／ｍｍ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強度は２７０ｋｇ／
ｍｍ2、弾性率３２ｔ／ｍｍ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。
【００２４】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整された。α−
Ａｌ2Ｏ3粉末（住友化学工業製、商品名ＡＫＰ−３０）
およびＹ2Ｏ3粉末（信越化学工業製、微粉タイプ）を、
前者：後者のモル比が８２：１８になる割合で、エタノ
ール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バポレーターを用いてエタノ
ールを除去した。このようにして調整された混合粉末中
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、１
０-5torr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１８５０〜１９００℃に加熱して、金型内の
混合粉末を溶解させた。次に、上記と同一の雰囲気圧力
下でルツボを５ｍｍ／ｈｒの速度で降下させて一方向凝
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整された。α−
Ａｌ2Ｏ3粉末（住友化学工業製、商品名ＡＫＰ−３０）
およびＹ2Ｏ3粉末（信越化学工業製、微粉タイプ）を、
前者：後者のモル比が８２：１８になる割合で、エタノ
ール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バポレーターを用いてエタノ
ールを除去した。このようにして調整された混合粉末中
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、１
０-5torr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１８５０〜１９００℃に加熱して、金型内の
混合粉末を溶解させた。次に、上記と同一の雰囲気圧力
下でルツボを５ｍｍ／ｈｒの速度で降下させて一方向凝
固させて、セラミックス複合材料を得た。
【００２５】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）およ
び（３１１）面に対応するピーク以外には、ＹＡＧの
（４２０）面からの回折に相当する２θ＝３３．２６°
のピークのみが観察され、凝固方向に対して１４°傾け
た面からのＸ線回折では、上記β−ＳｉＣの各面に対応
するピーク以外に、Ａｌ2Ｏ3の（１１０）面からの回折
に相当する２θ＝３７．７８°の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、Ａｌ2Ｏ3およびＹＡＧの単結晶で構成されて
いることが確認された。なお、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、粒界相あるいは粗大粒子は観察されず、本母材が単
結晶Ａｌ2Ｏ3および単結晶ＹＡＧ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）およ
び（３１１）面に対応するピーク以外には、ＹＡＧの
（４２０）面からの回折に相当する２θ＝３３．２６°
のピークのみが観察され、凝固方向に対して１４°傾け
た面からのＸ線回折では、上記β−ＳｉＣの各面に対応
するピーク以外に、Ａｌ2Ｏ3の（１１０）面からの回折
に相当する２θ＝３７．７８°の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、Ａｌ2Ｏ3およびＹＡＧの単結晶で構成されて
いることが確認された。なお、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、粒界相あるいは粗大粒子は観察されず、本母材が単
結晶Ａｌ2Ｏ3および単結晶ＹＡＧの均一な複合構造から
なることも観察された。
【００２６】また、図１に示す光学顕微鏡写真、ならび
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、炭素を主体として薄
い境界層の形成が認められた。
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、炭素を主体として薄
い境界層の形成が認められた。
【００２７】この繊維強化セラミックス複合材料の３点
曲げ強度は、１４００℃、１５００℃、１６００℃およ
び１７００℃で、それぞれ４００、４００、３５０およ
び３００ＭＰａ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、９．８ＭＰａｍ1/2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５．６５ＭＰａｍ1/2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。なお、セラ
ミックスの３点曲げ強度および破壊靭性は次のようにし
て測定した。 セラミックスの３点曲げ強度：ＪＩＳ Ｒ−１６０１に
準拠して、島津製作所のオートグラフ（DSS-500）を用
い、試験片サイズ；３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍで、クロ
スヘッドスピード；０．５ｍｍ／分で測定した。 セラミックスの破壊靭性：日本機械学会論文集（Ａ
編）、５６巻、５２５号、１１４８−１１５３（１９９
０）に記載されている、“ＳＥＶＮＢ法による破壊靭性
評価”に準じて、島津製作所のオートグラフ（DSS-50
0）を用いて測定した。
曲げ強度は、１４００℃、１５００℃、１６００℃およ
び１７００℃で、それぞれ４００、４００、３５０およ
び３００ＭＰａ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、９．８ＭＰａｍ1/2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５．６５ＭＰａｍ1/2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。なお、セラ
ミックスの３点曲げ強度および破壊靭性は次のようにし
て測定した。 セラミックスの３点曲げ強度：ＪＩＳ Ｒ−１６０１に
準拠して、島津製作所のオートグラフ（DSS-500）を用
い、試験片サイズ；３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍで、クロ
スヘッドスピード；０．５ｍｍ／分で測定した。 セラミックスの破壊靭性：日本機械学会論文集（Ａ
編）、５６巻、５２５号、１１４８−１１５３（１９９
０）に記載されている、“ＳＥＶＮＢ法による破壊靭性
評価”に準じて、島津製作所のオートグラフ（DSS-50
0）を用いて測定した。
【００２８】比較例１ 結晶性炭化ケイ素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整した。こ
の複合材料の凝固方向に垂直な面および１４°傾けた面
からのＸ線回折図を観察した結果、前者からは単結晶Ｙ
ＡＧ（４２０）面からの回折ピークのみが観察され、ま
た後者からは、単結晶α−Ａｌ2Ｏ3の（１１０）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、Ａｌ2Ｏ3−ＹＡＧの単結晶から構成されているこ
とが確認された。
１と同様にして、セラミックス複合材料を調整した。こ
の複合材料の凝固方向に垂直な面および１４°傾けた面
からのＸ線回折図を観察した結果、前者からは単結晶Ｙ
ＡＧ（４２０）面からの回折ピークのみが観察され、ま
た後者からは、単結晶α−Ａｌ2Ｏ3の（１１０）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、Ａｌ2Ｏ3−ＹＡＧの単結晶から構成されているこ
とが確認された。
【００２９】このセラミックス複合材料の３点曲げ強度
は、１４００℃、１５００℃、１６００℃および１７０
０℃で、それぞれ４９０、４９０、４１０および３７０
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、３．５ＭＰａｍ1/2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、１４００℃、１５００℃、１６００℃および１７０
０℃で、それぞれ４９０、４９０、４１０および３７０
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、３．５ＭＰａｍ1/2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。
【００３０】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６
２．４wt％、炭素３７．１wt％および酸素０．５wt％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
材料を調整した。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全
く得られておらず、同セラミックスの３点曲げ強度も、
１４００℃、１５００℃、１６００℃および１７００℃
で２００、２００、１５０および１３０ＭＰａと低く、
また破壊靭性値も３．２ＭＰａｍ1/2と低いものであっ
た。
２．４wt％、炭素３７．１wt％および酸素０．５wt％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
材料を調整した。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全
く得られておらず、同セラミックスの３点曲げ強度も、
１４００℃、１５００℃、１６００℃および１７００℃
で２００、２００、１５０および１３０ＭＰａと低く、
また破壊靭性値も３．２ＭＰａｍ1/2と低いものであっ
た。
【図１】図１は実施例１で得られた繊維強化セラミック
ス複合材料の組織を示す図面に代える光学顕微鏡写真で
ある。
ス複合材料の組織を示す図面に代える光学顕微鏡写真で
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000000284 大阪瓦斯株式会社 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 (71)出願人 000221834 東邦瓦斯株式会社 愛知県名古屋市熱田区桜田町19番18号 (71)出願人 000196680 西部瓦斯株式会社 福岡県福岡市博多区千代１丁目17番１号 (72)発明者 石川 敏弘 山口県宇部市大字小串1978番地の５ 宇部 興産株式会社宇部研究所内 (72)発明者 中川 成人 山口県宇部市大字小串1978番地の５ 宇部 興産株式会社宇部研究所内 (72)発明者 福永 秀春 広島県広島市南区向洋新町３丁目31−36 (72)発明者 吉田 誠 広島県広島市鏡山２−360 ががら第二宿 舎２−406
Claims (5)
- 【請求項１】 α−Ａｌ2Ｏ3とＹ3Ａｌ5Ｏ12とから構成
されている凝固体からなるセラミックス複合材料を母材
とし、密度が２．７ｇ／ｃｍ3以上で、引張強度および
弾性率が、それぞれ２ＧＰａ以上および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
ニーおよ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が、単結晶
または多結晶のα−Ａｌ2Ｏ3と単結晶または多結晶のＹ
3Ａｌ5Ｏ12とからなることを特徴とする請求項１または
２記載の繊維強化セラミックス複合材料。 - 【請求項４】 結晶性炭化ケイ素繊維が、2．７g／ｃｍ3
以上の密度を有しており、各元素の重量割合（合計で１
００重量％）が、Ｓｉ：５５〜７０％、Ｃ：３０〜４５
％、Ａｌ：０．０６〜３．８％およびＢ：０．０６〜
０．５％であり、ＳｉＣの焼結構造を有することを特徴
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／ｃｍ3
以上の密度を有しており、各元素の重量割合（合計で１
００重量％）が、Ｓｉ：５５〜７０％、Ｃ：３０〜４５
％、Ａｌ：０．０６〜３．８％およびＢ：０〜０．２
％、およびＹ：０．０６〜３．８％および／またはＭ
ｇ：０．０６〜３．８％であり、ＳｉＣの焼結構造を有
す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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10195100A JP2000007453A (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 |
|---|---|---|---|
| JP10195100A JP2000007453A (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 |
|---|---|
| JP2000007453A true JP2000007453A (ja) | 2000-01-11 |
Family
ID=16335530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10195100A Pending JP2000007453A (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) | JP2000007453A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008309099A (ja) * | 2007-06-15 | 2008-12-25 | Sanden Corp | スクロール部材の製造方法 |
| WO2021075411A1 (ja) * | 2019-10-17 | 2021-04-22 | 株式会社Ihi | セラミックス基複合材料及びその製造方法 |
| CN112851384A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-05-28 | 中南大学 | 一种基于碳化硅纤维增强低温烧结陶瓷基复合材料的制备方法 |
-
1998
- 1998-06-25 JP JP10195100A patent/JP2000007453A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008309099A (ja) * | 2007-06-15 | 2008-12-25 | Sanden Corp | スクロール部材の製造方法 |
| WO2021075411A1 (ja) * | 2019-10-17 | 2021-04-22 | 株式会社Ihi | セラミックス基複合材料及びその製造方法 |
| JPWO2021075411A1 (ja) * | 2019-10-17 | 2021-04-22 | ||
| JP7173372B2 (ja) | 2019-10-17 | 2022-11-16 | 株式会社Ihi | セラミックス基複合材料及びその製造方法 |
| EP4046978A4 (en) * | 2019-10-17 | 2023-11-08 | IHI Corporation | CERAMIC MATRIX COMPOSITE AND PRODUCTION PROCESS THEREOF |
| CN112851384A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-05-28 | 中南大学 | 一种基于碳化硅纤维增强低温烧结陶瓷基复合材料的制备方法 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060425 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060516 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060926 |