JP2001058880A - 炭化ケイ素長繊維強化セラミックス基複合材料 - Google Patents
炭化ケイ素長繊維強化セラミックス基複合材料Info
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Abstract
ネルギーを向上させた炭化ケイ素長繊維強化セラミック
ス基複合材料の提供。 【解決手段】 セラミックスマトリックス中にSiとC
の化学量論比が0.9≦C/Si≦1.1である多結晶
質の炭化ケイ素長繊維を複合化したものにおいて、前記
セラミックスマトリックスの熱膨張係数が前記炭化ケイ
素長繊維の熱膨張係数以下であるもの。
Description
リックスを繊維で強化した複合材料に係わり、特に炭化
ケイ素から成る長繊維でセラミックスマトリックスを強
化し、機械的特性及び信頼性を向上させた炭化ケイ素長
繊維強化セラミックス基複合材料に関する。
強度、高硬度、低熱膨張などの特性をもち、これらの特
性が高温まで保持されるという特徴を有している。特
に、金属材料と比較して重量、耐熱性、耐食性、耐摩耗
性等にすぐれているため、エネルギー関連機器部品、宇
宙・航空機部品、自動車部品、電子機器・精密機械部
品、半導体関連部品等の電子部品用材料や構造材料に広
く使用されている。その反面、セラミックスは脆性的な
破壊挙動を示し、加工性、耐熱衝撃性に乏しく、単体の
セラミックスは破壊に対する抵抗が小さいことが課題と
なっている。セラミックス基複合材料はこれらの課題を
解決し、破壊靭性をはじめとする機械的特性を向上させ
ることを目的としている。このような脆性改善の試み
は、耐熱性、高温強度に加え、特に高信頼性が要求され
るガスタービン部品をはじめとしたエネルギー関連機器
部品、宇宙・航空機関連部品、自動車部品等のセラミッ
クス構造部品への適用に際して、行われている。
性値、破壊エネルギー値、耐熱衝撃性等の向上を目的と
したセラミックスとして、繊維等の強化素材をマトリッ
クス中に分散させたセラミックス基複合材料が脚光を浴
び、この実用化研究が内外の研究機関において積極的に
進められている。特に、長繊維を複合化した長繊維強化
セラミックス基複合材料は破壊に対する抵抗の改善効果
が大きいため実用化が有望視されている。
長繊維強化セラミックス基複合材料はセラミックス単体
と異なり見かけ上脆性破壊することなく特性改善に何ら
かの効果があるものの、初期破壊強度がセラミックス単
体に比べて低く、最高強度や破壊抵抗についても十分な
値が得られていない場合が多い。
酸素を含んだアモルファスな構造であり、SiとCの化
学量論比が等しくなく、不活性ガス中1200〜140
0℃では強度が大きく低下するほかに、次のような課題
があった。
するプロセス温度は、繊維の耐熱温度以下である120
0〜1400℃以下としなければならない。
熱温度以下となってしまう。
域まで十分に高い強度を保持したまま、破壊靭性及び破
壊エネルギーを向上させた長繊維強化セラミックス基複
合材料を提供することを目的とするものである。
維強化セラミックス基複合材料は、セラミックスマトリ
ックス中にSiとCの化学量論比が0.9≦C/Si≦
1.1である多結晶質の炭化ケイ素長繊維を複合化した
ものにおいて、前記セラミックスマトリックスの熱膨張
係数が前記炭化ケイ素長繊維の熱膨張係数以下であるこ
とを特徴とするものである。
前記炭化ケイ素長繊維の熱膨張係数と等しくするか、あ
るいは前記炭化ケイ素長繊維の熱膨張係数より低くする
ことによって高温域まですぐれた特性を維持する炭化ケ
イ素長繊維強化セラミックス基複合材料を作製すること
ができる。
トリックスは、セラミックスマトリックスの熱膨張係数
をαm 、炭化ケイ素長繊維の熱膨張係数をαfとしたと
き、0.6αf ≦αm ≦αf を満たすものであることが
好ましい。
膨張係数を炭化ケイ素長繊維の熱膨張係数の6割以上と
することによって、炭化ケイ素長繊維強化セラミックス
基複合材料の強度等をより向上させることができる。
ス基複合材料に用いられるセラミックスマトリックス
は、例えば主として炭化ケイ素からなるものを内部化学
蒸着法(CVI;Chemical Vapor Infiltration )、セ
ラミックス前駆体含浸法(PIP;Precursor Impregna
tion and Pyrolysis)、ホットプレス法(HP;Hot Pr
essing)又は反応焼結法(RS;Reaction Sintering)
を用いて形成することが好ましい。またセラミックスマ
トリックスとしては他に主として窒化ケイ素からなるも
のを、内部化学蒸着法(CVI;Chemical Vapor Infil
tration )、セラミックス前駆体含浸法(PIP;Prec
ursor Impregnation and Pyrolysis)、ホットプレス法
(HP;Hot Pressing)又は反応焼結法(RS;Reacti
on Sintering)を用いて形成してもよい。また他のセラ
ミックスマトリックスとしては、主としてサイアロン
(SIALON)からなるものをホットプレス法(H
P;HotPressing)を用いて形成してもよい。
ラミックス基複合材料は、セラミックスマトリックス中
にSiとCの化学量論比が0.9≦C/Si≦1.1で
ある多結晶質の炭化ケイ素長繊維を複合化したものにお
いて、前記セラミックスマトリックスの熱膨張係数を前
記炭化ケイ素長繊維の熱膨張係数以下としたものであ
る。
る炭化ケイ素長繊維を用いたセラミックス基複合材料に
おいて、繊維とマトリックスの界面の結合力を弱めて、
繊維のプルアウトやブリッジング等により破壊靭性及び
破壊エネルギーを向上させたものである。
ックス基複合材料を得るためには、高温域まですぐれた
特性を有する繊維をマトリックスに複合化する必要があ
る。本発明ではこのような繊維として、SiとCの化学
量論比が0.9≦C/Si≦1.1でかつ多結晶質の炭
化ケイ素から成る長繊維を用いることとした。
セスは、高温プロセスを有する場合が多い。高温プロセ
スで形成された繊維とマトリックスとの界面の結合は室
温まで冷却した場合、繊維とマトリックスの熱膨張係数
の違いにより強められたり、弱められたりする。マトリ
ックスの熱膨張係数が繊維の熱膨張係数と等しい場合
は、高温プロセスで形成された繊維とマトリックスとの
界面の結合力は室温まで冷却した後も同じ結合力を示
す。しかしながら、繊維とマトリックスの熱膨張係数は
図1に示すように異なる熱膨張係数を有しており、マト
リックスの熱膨張係数が繊維の熱膨張係数よりも大きい
場合は、室温まで冷却するとマトリックスの収縮が繊維
の収縮よりも大きくなるため、繊維はマトリックスによ
ってしめつけられて界面の結合力はより強くなる。これ
に対して、マトリックスの熱膨張係数が繊維の熱膨張係
数よりも小さい場合は、室温まで冷却すると繊維の収縮
がマトリックスの収縮よりも大きくなるため界面の結合
力は弱くなる。
の熱膨張係数よりも小さい場合は繊維のプルアウトやブ
リッジング等による破壊靭性及び破壊エネルギーの向上
が期待できる。従って、破壊靭性及び破壊エネルギーの
向上には、繊維とマトリックスの熱膨張係数を調整する
ことが重要となる。
の結合力は、強すぎても弱すぎても有効な機械的特性の
発現に結びつかない。界面の結合力が強すぎる場合、強
度は向上するが繊維の引き抜けやブリッジング等による
破壊靭性及び破壊エネルギーの増加は十分に期待できな
い。よって、本発明ではセラミックスマトリックスの熱
膨張係数を炭化ケイ素長繊維の熱膨張係数以下とした。
のプルアウトやブリッジング等による破壊靭性及び破壊
エネルギーの増加は期待できるが十分な強度を得ること
はできない。
クスの熱膨張係数をαm とし、炭化ケイ素長繊維の熱膨
張係数をαfとした場合、0.6αf ≦αm ≦αf であ
ることとしたものである。αm ≧0.6αf とすること
によって、強度を維持しつつ破壊靭性及び破壊エネルギ
ーを向上させることができる。
ス基複合材料に用いられるセラミックスマトリックスの
材料としては、炭化ケイ素、窒化ケイ素及びサイアロン
等を用いることが好ましい。これらを用いることによっ
て強度を維持しつつ、さらに破壊靭性及び破壊エネルギ
を向上させることができる。
ミックス基複合材料に用いられる炭化ケイ素長繊維とし
ては直径5〜200μm、長さが1mm以上のものが好
ましい。このような炭化ケイ素長繊維を用いることによ
って、繊維のプルアウトやブリッジング等による破壊靭
性及び破壊エネルギー向上の効果をより一層高めること
ができる。
素、窒化ケイ素を用いる場合は、内部化学蒸着法(CV
I;Chemical Vapor Infiltration )、セラミックス前
駆体含浸法(PIP;Precursor Impregnation and Pyr
olysis)、ホットプレス法(HP;Hot Pressing)又は
反応焼結法(RS;Reaction Sintering)等を用いてセ
ラミックスマトリックスを形成することが好ましい。
イアロン(SIALON)を用いる場合は、ホットプレ
ス法(HP;Hot Pressing)等を用いてセラミックスマ
トリックスを形成することが好ましい。
ックス基複合材料について以下の実施例を参照してより
具体的に説明する。
形成した直径12μmの炭化ケイ素長繊維(商品名:ハ
イニカロンS、日本カーボン製)を用いて、8枚朱子織
のクロスを用意した。
炉内に前記8枚朱子織のクロスを積層しカーボンモール
ド内にセットした。原料ガスとしてSiCl4 およびC
3 H 8 を用い、1300〜1400℃、4〜40Paの
条件で、炭化ケイ素を主成分としたマトリックスを形成
し、実施例1に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
を作製した。さらにこの実施例1に係る長繊維強化セラ
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。実施例1に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。
膨張係数αf は4.3×10-6/K、上記マトリックス
は高純度SiCから成る多孔体で、その熱膨張係数αm
は4.3×10-6/Kである。本発明に係る実施例1の
初期破壊強度σ1 は200MPa、最大強度σ2 は45
0MPa、破壊エネルギーγは6.8kJ/m2 となっ
た。
(BN)を形成した直径12μmの炭化ケイ素長繊維
(商品名:ハイニカロンS、日本カーボン製)で、8枚
朱子織のクロスを用意した。次に、フィラーの炭化ケイ
素粉末(平均粒径約5μm)と、PCS(ポリカルボシ
ラン)を有機溶媒中で混合し、原料スラリーを調整し
た。次に、前記の8枚朱子織のクロスを積層して、前記
の原料スラリーを減圧下で含浸させた。そして、窒素雰
囲気下1000〜1200℃で焼成して、PCSを無機
化させた。この含浸、焼成の工程を6〜20回繰り返
し、実施例2に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
を作製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。実施例2に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。炭化ケ
イ素長繊維(ハイニカロンS)の熱膨張係数αf は4.
3×10-6/K、上記マトリックスはフィラーのSiC
及びアモルファス構造のSi−C−Oから成る多孔体
で、その熱膨張係数αm は3.3×10-6/Kである。
本発明に係る実施例2の初期破壊強度σ1 は150MP
a、最大強度σ2 は450MPa、破壊エネルギーγは
8.8kJ/m2 となった。
(BN)を形成した直径12μmの炭化ケイ素長繊維
(商品名:SA繊維、宇部興産製)で、平織のクロスを
用意した。炭化ケイ素粉末(平均粒径0.1μm)と微
量のアルミナを溶媒中に分散させて、原料スラリーを作
製した。また、炭化ケイ素粉末(平均粒径0.1μm)
と微量のアルミナを溶媒中で混合し、混合粉末を調整し
た。
スラリーを減圧下で含浸、乾燥した。そして、ホットプ
レスモールドに、前記の粉末中で含浸クロスを積層し、
不活性雰囲気下1600〜1700℃、圧力2GPaで
ホットプレスし、実施例3に係る長繊維強化セラミック
ス基複合材料を作製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。実施例3に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。炭化ケ
イ素長繊維(SA繊維)の熱膨張係数αf は4.2×1
0-6/K、上記マトリックスは、焼結助剤のアルミナを
含んだ比較的緻密質のSiCから成り、その熱膨張係数
αm は4.2×10-6/Kである。本発明に係る実施例
3の初期破壊強度σ1 は250MPa、最大強度σ2 は
450MPa、破壊エネルギーγは4.4kJ/m2 と
なった。
(BN)を形成した直径12μmの炭化ケイ素長繊維
(商品名:SA繊維、宇部興産製)で、平織のクロスを
用意した。一方、フィラーとして炭化ケイ素(SiC)
粉末(平均粒径5μm)と、カーボン(C)粉末(平均
粒径0.01μm)を水系溶媒中に分散させて、原料ス
ラリーを作製した。
スラリーに含浸しながら積層し、プリフォームを作製し
た。そして、作製したプリフォームを多孔質の成形型に
セットし、原料スラリーを加圧鋳込み成形した。成形体
は乾燥後、窒素中600〜1000℃で熱処理した。し
かる後に、減圧雰囲気下1420℃に加熱して、溶融し
た金属Si(ケイ素)を成形体に含浸、反応焼結を実施
し、実施例4に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
を作製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。実施例4に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。炭化ケ
イ素長繊維(SA繊維)の熱膨張係数αf は4.2×1
0-6/K、上記マトリックスは、SiCと体積率で約2
5%のSiから成り、その熱膨張係数αm は3.6×1
0-6/Kである。本発明に係る実施例4の初期破壊強度
σ1 は200MPa、最大強度σ2 は450MPa、破
壊エネルギーγは6.6kJ/m2 となった。
形成した直径12μmの炭化ケイ素長繊維(商品名:ハ
イニカロンS、日本カーボン製)で、8枚朱子織のクロ
スを用意した。
炉内に前記の8枚朱子織のクロスを積層し、カーボンモ
ールド内にセットした。SiCl4 およびNH3 を原料
ガスとして、1100〜1300℃、4〜40Paの条
件で、窒化ケイ素を主成分としたマトリックスを形成
し、実施例5に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
を作製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。この実施例5に係る長繊維強化セラミックス基複合
材料の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。
膨張係数αf は4.3×10-6/K、上記マトリックス
は高純度Si3 N4 から成る多孔体で、その熱膨張係数
αmは3.9×10-6/Kである。本発明に係る実施例
5の初期破壊強度σ1 は100MPa、最大強度σ2 は
500MPa、破壊エネルギーγは7.4kJ/m2と
なった。
形成した直径12μmの炭化ケイ素長繊維(商品名:ハ
イニカロンS、日本カーボン製)で、8枚朱子織のクロ
スを用意した。
径約5μm)と、ポリシラザンを有機溶媒中で混合し、
原料スラリーを調整した。次に、前記の8枚朱子織のク
ロスを積層して、前記の原料スラリーを減圧下で含浸さ
せた。そして、窒素雰囲気下1200〜1400℃で焼
成して、ポリシラザンを無機化させた。この含浸、焼成
の工程を6〜20回繰り返し、実施例6に係る長繊維強
化セラミックス基複合材料を作製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。実施例6に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。炭化ケ
イ素長繊維(ハイニカロンS)の熱膨張係数αf は4.
3×10-6/K、上記マトリックスはフィラーのSi3
N4 及び微細結晶のSi3 N4 とアモルファス構造のS
i−N−Oから成る多孔体で、その熱膨張係数αm は
2.9×10-6/Kである。本発明に係る実施例6の初
期破壊強度σ1 は120MPa、最大強度σ2 は500
MPa、破壊エネルギーγは8.5kJ/m2 となっ
た。
(BN)を形成した直径12μmの炭化ケイ素長繊維
(商品名:SA繊維、宇部興産製)で、平織のクロスを
用意した。
微量のアルミナ及びイットリアを溶媒中に分散させて、
原料スラリーを作製した。また、窒化ケイ素粉末(平均
粒径0.1μm)と微量のアルミナ及びイットリアを溶
媒中で混合し、混合粉末を調整した。次に、前記の平織
のクロスに、前記の原料スラリーを減圧下で含浸させ、
その後乾燥させた。そして、ホットプレスモールドに、
前記の粉末中で含浸クロスを積層し、不活性雰囲気下1
500〜1600℃、圧力2GPaでホットプレスし、
実施例7に係る長繊維強化セラミックス基複合材料を作
製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。実施例7に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。炭化ケ
イ素長繊維(SA繊維)の熱膨張係数αf は4.2×1
0-6/K、上記マトリックスは焼結助剤のアルミナ及び
イットリアを含んだ比較的緻密質なSi3 N4 から成
り、その熱膨張係数αm は3.4×10-6/Kである。
本発明に係る実施例7の初期破壊強度σ1 は200MP
a、最大強度σ2 は450MPa、破壊エネルギーγは
4.6kJ/m2 となった。
(BN)を形成した直径12μmの炭化ケイ素長繊維
(商品名:SA繊維、宇部興産製)で、平織のクロスを
用意した。一方、フィラーとして窒化ケイ素(Si3 N
4 )粉末(平均粒径5μm)と、シリコン(Si)粉末
(平均粒径0.1μm)を溶媒中に分散させて、原料ス
ラリーを作製した。
スラリーに含浸しながら積層し、プリフォームを作製し
た。そして、作製したプリフォームを多孔質の成形型に
セットし、原料スラリーを加圧鋳込み成形した。成形体
は乾燥後、窒素中600〜1000℃で熱処理した。し
かる後に、窒素加圧雰囲気下1300〜1400℃に加
熱して、金属Si(ケイ素)を窒化、反応焼結を実施
し、実施例8に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
を作製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。実施例8に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。炭化ケ
イ素長繊維(SA繊維)の熱膨張係数αf は4.2×1
0-6/K、上記マトリックスは多孔質のSi3 N4 から
成り、その熱膨張係数αm は2.9×10-6/Kであ
る。本発明に係る実施例8の初期破壊強度σ1 は120
MPa、最大強度σ2 は450MPa、破壊エネルギー
γは5.9kJ/m2 となった。
(BN)を形成した直径12μmの炭化ケイ素長繊維
(商品名:SA繊維、宇部興産製)で、平織のクロスを
用意した。窒化ケイ素粉末(平均粒径0.1μm)とア
ルミナ粉末(平均粒径0.1μm)を重量比9:1で溶
媒中に分散させて、原料スラリーを作製した。 次に、
前記の平織のクロスに、前記の原料スラリーを減圧下で
含浸しながら積層して、プリフォームを作製した。
形型に入れ、原料スラリーを加圧鋳込み成形した。成形
体は乾燥後、窒素中600〜1000℃で熱処理した。
しかる後に、窒素雰囲気下1400〜1600℃に加熱
して、圧力2GPaでホットプレスし、実施例9に係る
長繊維強化セラミックス基複合材料を作製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。実施例9に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。炭化ケ
イ素長繊維(SA繊維)の熱膨張係数αf は4.2×1
0-6/K、上記マトリックスは、窒化ケイ素の一部の原
子をAlとOで置換したSi−Al−O−N系の化合物
のサイアロン(Si6 −ZAlZ OZ N8-Z )から成
り、その熱膨張係数αm は3.2×10-6/Kである。
本発明に係る実施例9の初期破壊強度σ1 は230MP
a、最大強度σ2 は450MPa、破壊エネルギーγは
4.5kJ/m2 となった。
面に厚さ約1μmのカーボン(C)を形成した直径14
μmの炭化ケイ素長繊維(商品名:ニカロン、日本カー
ボン製)の8枚朱子織のクロスを用意した。
炉内に前記の8枚朱子織のクロスを積層し、カーボンモ
ールド内にセットした。SiCl4 およびC3 H8 を原
料ガスとして、1300〜1400℃、4〜40Paの
条件で、炭化ケイ素を主成分としたマトリックスを形成
し、比較例1に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
を作製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。比較例1に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。炭化ケ
イ素長繊維(ニカロン)の熱膨張係数αf は3.3×1
0-6/K、上記マトリックスは高純度SiCから成り、
その熱膨張係数αm は4.3×10-6/Kである。比較
例1の初期破壊強度σ1は200MPa、最大強度σ2
は240MPa、破壊エネルギーγは0.8kJ/m2
であった。
(BN)を形成した直径14μmの炭化ケイ素長繊維
(商品名:ハイニカロン、日本カーボン製)で、平織の
クロスを用意した。
3 )粉末(平均粒径5μm)と、アルミニウム(Al)
粉末(平均粒径0.1μm)を溶媒中に分散させて、原
料スラリーを作製した。次に、前記の平織のクロスを、
前記の原料スラリーに含浸しながら積層し、プリフォー
ムを作製した。そして、作製したプリフォームを多孔質
の成形型にセットし、原料スラリーを加圧鋳込み成形し
た。成形体は乾燥後、窒素中600〜1000℃で熱処
理した。しかる後に、酸素加圧雰囲気下1300〜14
00℃に加熱して、金属Al(アルミニウム)を酸化、
反応焼結を実施し、比較例2に係る長繊維強化セラミッ
クス基複合材料を作製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。比較例2に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。炭化ケ
イ素長繊維(ハイニカロン)の熱膨張係数αf は3.3
×10-6/K、上記マトリックスは多孔質のAl2 O3
から成り、その熱膨張係数αm は8.0×10-6/Kで
ある。比較例2の初期破壊強度σ1 は180MPa、最
大強度σ2 は260MPa、破壊エネルギーγは1.2
kJ/m2 であった。
(BN)を形成した直径11μmの炭化ケイ素長繊維
(商品名:チラノLoxM、宇部興産製)で、平織のク
ロスを用意した。
微量のイットリアを溶媒中に分散させて、原料スラリー
を作製した。また、ジルコニア粉末(平均粒径0.1μ
m)と微量のイットリアを溶媒中で混合し、混合粉末を
調整した。
スラリーを減圧下で含浸させ、その後乾燥させた。そし
て、ホットプレスモールドに、前記の粉末中で含浸クロ
スを積層し、大気中1500〜1600℃、圧力2GP
aでホットプレスし、比較例3に係る長繊維強化セラミ
ックス基複合材料を作製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。比較例3に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。炭化ケ
イ素長繊維(チラノLoxM)の熱膨張係数αf は3.
2×10-6/K、上記マトリックスは、焼結助剤のイッ
トリアを含んだ比較的緻密質なZrO2 から成り、その
熱膨張係数αm は8.8×10-6/Kである。比較例3
の初期破壊強度σ1 は270MPa、最大強度σ 2 は2
70MPa、破壊エネルギーγは0.5kJ/m2 であ
った。
(BN)を形成した直径11μmの炭化ケイ素長繊維
(商品名:チラノZE、宇部興産製)で、平織のクロス
を用意した。
リカ粉末(平均粒径0.1μm)を3:2で溶媒中に分
散させて、原料スラリーを作製した。次に、前記の平織
のクロスに、前記の原料スラリーを減圧下で含浸しなが
ら積層して、プリフォームを作製した。次に、作製した
プリフォームを多孔質の成形型に入れ、原料スラリーを
加圧鋳込み成形した。成形体は乾燥後、窒素中600〜
1000℃で熱処理した。しかる後に、大気中1400
〜1500℃に加熱して、圧力2GPaでホットプレス
し、比較例4に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
を作製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。比較例4に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。炭化ケ
イ素長繊維(チラノZE)の熱膨張係数αf は3.6×
10-6/K、上記マトリックスは比較的緻密質なムライ
ト(3Al2 O3 ・2SiO2 )から成り、その熱膨張
係数αm は5.0×10 -6/Kである。比較例4の初期
破壊強度σ1 は250MPa、最大強度σ2 は250M
Pa、破壊エネルギーγは0.7kJ/m2 であった。
(BN)を形成した直径12μmの炭化ケイ素長繊維
(商品名:ハイニカロン、日本カーボン製)で、平織の
クロスを用意した。
微量のアルミナを溶媒中に分散させて、原料スラリーを
作製した。また、炭化ケイ素粉末(平均粒径0.1μ
m)と微量のアルミナを溶媒中で混合し、混合粉末を調
整した。次に、前記の平織のクロスに、前記の原料スラ
リーを減圧下で含浸させ、その後乾燥させた。そして、
ホットプレスモールドに、前記の粉末中で含浸クロスを
積層し、不活性雰囲気下1600〜1700℃、圧力2
GPaでホットプレスし、比較例5に係る長繊維強化セ
ラミックス基複合材料を作製した。
ミックス基複合材料を用いて、引張り強度試験を行っ
た。比較例5に係る長繊維強化セラミックス基複合材料
の材料構造及び引張強度試験結果を表1に示す。炭化ケ
イ素長繊維(ハイニカロン)の熱膨張係数αf は3.7
×10-6/K、上記マトリックスは、焼結助剤のアルミ
ナを含んだ比較的緻密質のSiCから成り、その熱膨張
係数αm は4.2×10 -6/Kである。比較例5の初期
破壊強度σ1 は250MPa、最大強度σ2 は260M
Pa、破壊エネルギーγは0.6kJ/m2 であった。
の炭化ケイ素長繊維強化セラミックス基複合材料におい
ては、初期破壊強度σ1 を比較例とほぼ同じ値に維持し
たまま、最大強度σ2 及び破壊エネルギーγを飛躍的に
向上させることができることが確認された。
クス中に、SiとCの化学量論比が0.9≦C/Si≦
1.1である多結晶質の炭化ケイ素を主成分とする長繊
維を複合化した複合材料において、上記セラミックスマ
トリックスの熱膨張係数を上記炭化ケイ素長繊維の熱膨
張係数以下とすることによって、高い強度を維持しつつ
破壊靭性及び破壊エネルギーを向上させた炭化ケイ素長
繊維強化セラミックス基複合材料を作製することができ
る。従って、本発明を用いて部品等を作製した場合、表
面近傍の微小局所領域の耐損傷性を大幅に向上させるこ
とができ、部品の信頼性及び損傷許容性をより一層高め
ることができる。
示す図である。
Claims (11)
- 【請求項1】 セラミックスマトリックス中にSiとC
の化学量論比が0.9≦C/Si≦1.1である多結晶
質の炭化ケイ素長繊維を複合化したものにおいて、 前記セラミックスマトリックスの熱膨張係数が前記炭化
ケイ素長繊維の熱膨張係数以下であることを特徴とする
炭化ケイ素長繊維強化セラミックス基複合材料 - 【請求項2】 前記セラミックスマトリックスの熱膨張
係数αm が炭化ケイ素長繊維の熱膨張係数αf に対し
て、0.6αf ≦αm ≦αf であることを特徴とする請
求項1記載の炭化ケイ素長繊維強化セラミックス基複合
材料。 - 【請求項3】 前記セラミックスマトリックスは、内部
化学蒸着法(CVI;Chemical Vapor Infiltration )
により形成され、主として炭化ケイ素からなることを特
徴とする請求項1乃至2のいずれか1項記載の炭化ケイ
素長繊維強化セラミックス基複合材料。 - 【請求項4】 前記セラミックスマトリックスは、セラ
ミックス前駆体含浸法(PIP;Precursor Impregnati
on and Pyrolysis)により形成され、主として炭化ケイ
素からなることを特徴とする請求項1乃至2のいずれか
1項記載の炭化ケイ素長繊維強化複合材料。 - 【請求項5】 前記セラミックスマトリックスは、ホッ
トプレス法(HP;Hot Pressing)により形成され、主
として炭化ケイ素からなることを特徴とする請求項1乃
至2のいずれか1項記載の炭化ケイ素長繊維強化セラミ
ックス基複合材料。 - 【請求項6】 前記セラミックスマトリックスは、反応
焼結法(RS;Reaction Sintering)により形成され、
主として炭化ケイ素からなることを特徴とする請求項1
乃至2のいずれか1項記載の炭化ケイ素長繊維強化セラ
ミックス基複合材料。 - 【請求項7】 前記セラミックスマトリックスは、内部
化学蒸着法(CVI;Chemical Vapor Infiltration )
により形成され、主として窒化ケイ素からなることを特
徴とする請求項1乃至2のいずれか1項記載の炭化ケイ
素長繊維強化セラミックス基複合材料。 - 【請求項8】 前記セラミックスマトリックスは、セラ
ミックス前駆体含浸法(PIP;Precursor Impregnati
on and Pyrolysis)により形成され、主として窒化ケイ
素からなることを特徴とする請求項1乃至2のいずれか
1項記載の炭化ケイ素長繊維強化セラミックス基複合材
料。 - 【請求項9】 前記セラミックスマトリックスは、ホッ
トプレス法(HP;Hot Pressing)により形成され、主
として窒化ケイ素からなることを特徴とする請求項1乃
至2のいずれか1項記載の炭化ケイ素長繊維強化セラミ
ックス基複合材料。 - 【請求項10】 前記セラミックスマトリックスは、反
応焼結法(RS;Reaction Sintering)により形成さ
れ、主として窒化ケイ素からなることを特徴とする請求
項1乃至2のいずれか1項記載の炭化ケイ素長繊維強化
セラミックス基複合材料。 - 【請求項11】 前記セラミックスマトリックスは、ホ
ットプレス法(HP;Hot Pressing)により形成され、
主としてサイアロン(SIALON)からなることを特
徴とする請求項1乃至2のいずれか1項記載の炭化ケイ
素長繊維強化セラミックス基複合材料。
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JP23475799A JP4014765B2 (ja) | 1999-08-20 | 1999-08-20 | 炭化ケイ素長繊維強化セラミックス基複合材料 |
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JP23475799A JP4014765B2 (ja) | 1999-08-20 | 1999-08-20 | 炭化ケイ素長繊維強化セラミックス基複合材料 |
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JP23475799A Expired - Lifetime JP4014765B2 (ja) | 1999-08-20 | 1999-08-20 | 炭化ケイ素長繊維強化セラミックス基複合材料 |
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---|---|---|---|---|
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- 1999-08-20 JP JP23475799A patent/JP4014765B2/ja not_active Expired - Lifetime
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