JP2002137978A - Method of manufacturing carbon material having oxidation proof protected layer - Google Patents

Method of manufacturing carbon material having oxidation proof protected layer

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JP2002137978A
JP2002137978A JP2000326857A JP2000326857A JP2002137978A JP 2002137978 A JP2002137978 A JP 2002137978A JP 2000326857 A JP2000326857 A JP 2000326857A JP 2000326857 A JP2000326857 A JP 2000326857A JP 2002137978 A JP2002137978 A JP 2002137978A
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oxidation
protective layer
yarn
carbonaceous material
resistant protective
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JP2000326857A
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Kenji Nakano
健治 中野
Tsuneo Komiyama
常夫 古宮山
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NGK Insulators Ltd
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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/5053Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials non-oxide ceramics
    • C04B41/5057Carbides
    • C04B41/5058Boron carbide

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a carbon material simply and economically which has oxidation-proof protecting layer without being oxidized practically even at a high temperature of at least 800 deg.C, preferably >=1000 deg.C in atmosphere, the physical property of which is high strength (high thermal shock resistance) at high temperatures, high reliability as a material (toughness, shock resistance, wear resistance), environmental resistance (resistances to corrosion, oxidation and radiation) or the like, in addition to that from the viewpoint of energy saving and workability, lightweighness is completed. SOLUTION: The oxidation-proof protective layer containing B4C(boron carbide) as a main ingredient of protecting layer is formed on a surface of the carbon material by dispersing and suspending BN(boron nitride) fine particles in dispersion medium, the obtained suspension is applied to the surface of the carbon material and drying and baking it at a high temperature in an inert atmosphere.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】 本発明は、大気中で少なく
とも800℃で実質的に酸化されることがない耐酸化保
護層を有する炭素質材料の製造方法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer that is not substantially oxidized at least at 800 ° C. in the atmosphere.

【0002】[0002]

【従来の技術】 今日においては、技術革新が急速に進
む中で、大気中で少なくとも800℃、好ましくは、1
000℃以上の高温下でも実質的に酸化されることがな
い材料の出現が、宇宙往還機やスペースプレーン等の宇
宙開発分野や、酸素の存在下で使用される窯道具や、ア
ルミニウム合金や銅合金からなる部品の製造等といった
分野で特に熱望されている。勿論、このような分野で使
用するためには、高温における高強度(高い耐熱衝撃
性)と材料としての高い信頼性(靱性、耐衝撃性、耐摩
耗性)、耐環境性(耐食性、耐酸化性、耐放射線性)等
に加え、省エネルギー、容作業性の観点から軽量性が要
求されることはいうまでもない。
BACKGROUND OF THE INVENTION Today, with the rapid pace of technological innovation, at least 800.degree.
The emergence of materials that are not substantially oxidized even at high temperatures of 000 ° C or higher has led to space development fields such as space planes and space planes, kiln tools used in the presence of oxygen, aluminum alloys and copper. There is a particular desire in the field of manufacturing parts made of alloys and the like. Of course, for use in such fields, high strength at high temperatures (high thermal shock resistance), high reliability as a material (toughness, impact resistance, wear resistance), and environmental resistance (corrosion resistance, oxidation resistance) Needless to say, lightness is required from the viewpoints of energy saving and workability in addition to the above properties.

【0003】 このような分野の内、一部の分野におい
ては、従来から、耐熱性に優れ、かつ高強度である窒化
珪素や炭化珪素材料が用いられてきたが、固有の性質と
して脆さという欠点を有しており、小さな傷に対しても
極めて脆く、熱的、機械的衝撃に対しても充分な強度を
有していなかった。
[0003] In some of these fields, silicon nitride and silicon carbide materials having excellent heat resistance and high strength have been used in the past. It had drawbacks, was very brittle even with small scratches, and did not have sufficient strength against thermal and mechanical shocks.

【0004】 また、このセラミックスの欠点を克服す
る手段として、連続したセラミックス系繊維を複合化さ
せたセラミックス系複合材料(CMC)が開発され、一
部分野での用途開発が行われている。そのような試みの
中には、直径が10μm前後のセラミックス長繊維を、
通常、数百本〜数千本束ねて繊維束(ヤーン)を形成
し、この繊維束を二次元または三次元方向に配列して一
方向シート(UDシート)や各種クロスとしたり、また
上記シートやクロスを積層したりすることにより、所定
形状の予備成形体(繊維プリフォーム)を形成し、この
予備成形体の内部に、CVI法(化学気相蒸着法)や無
機ポリマー含浸焼成法等によりマトリックスを形成した
り、または、上記予備成形体内部にセラミック粉末を鋳
込み成形法によって充填した後に焼成することにより、
マトリックスを形成して、セラミックマトリックス中に
繊維を複合化したセラミックス系繊維複合材料(CM
C)が開発されている。
As a means for overcoming the drawbacks of ceramics, a ceramic composite material (CMC) in which continuous ceramic fibers are composited has been developed, and applications in some fields have been developed. Among such attempts, ceramic long fibers with a diameter of around 10 μm were
Usually, hundreds to thousands of fibers are bundled to form a fiber bundle (yarn), and the fiber bundles are arranged in a two-dimensional or three-dimensional direction to form a unidirectional sheet (UD sheet) or various cloths. Or a cloth is laminated to form a preform (fiber preform) of a predetermined shape, and the inside of the preform is formed by a CVI method (chemical vapor deposition method), an inorganic polymer impregnation firing method, or the like. By forming a matrix, or by firing after filling the ceramic powder into the preformed body by a casting method,
A ceramic fiber composite material (CM) in which a matrix is formed and fibers are composited in a ceramic matrix
C) has been developed.

【0005】 このような、CMCの具体例としては二
次元または三次元方向に配列した炭素繊維の間隔に炭素
からなるマトリックスを形成してなるC/Cコンポジッ
ト、SiC繊維とSiCマトリックスとからなるSiC
繊維強化SiC複合材料等が知られている。しかし、こ
のようなSiC繊維強化SiC複合材料は、耐酸化性、
耐クリープ性、耐スポーリング性等には優れるものの、
繊維コストが10万円/kg以上と高く、原子力、航空
宇宙といったごく一部の特殊な分野で評価されているの
みである。一方、C/Cコンポジットは、高強度、耐熱
衝撃性に優れるものの、炭素繊維を使用しているので酸
素の存在下では、容易に燃焼してしまうという問題があ
った。C/Cコンポジットの耐酸化性を改善する方法
は、種々提案されているが、本願発明者らも表面に炭化
ほう素をコーティングした材料及び製造方法を出願して
いる。この方法では、耐酸化性の改善効果が著しいもの
の、より低コストで同様の性能を維持する製造方法が望
まれていた。
[0005] Specific examples of such CMC include a C / C composite in which a matrix made of carbon is formed at intervals between carbon fibers arranged in two-dimensional or three-dimensional directions, and a SiC made of SiC fibers and a SiC matrix.
Fiber reinforced SiC composite materials and the like are known. However, such SiC fiber reinforced SiC composite materials have oxidation resistance,
Although excellent in creep resistance, spalling resistance, etc.,
The fiber cost is as high as 100,000 yen / kg or more, and it is only evaluated in a few special fields such as nuclear power and aerospace. On the other hand, although the C / C composite has high strength and excellent thermal shock resistance, it has a problem that it burns easily in the presence of oxygen because it uses carbon fibers. Various methods have been proposed for improving the oxidation resistance of the C / C composite. The present inventors have also applied for a material having a surface coated with boron carbide and a manufacturing method. In this method, although the effect of improving the oxidation resistance is remarkable, a manufacturing method that maintains the same performance at a lower cost has been desired.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】 本発明は上記した従
来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とする
ところは、高温における高強度(高い耐熱衝撃性)と、
材料としての高い信頼性(靱性、耐衝撃性、耐摩耗
性)、耐環境性(耐食性、耐酸化性、耐放射線性)等に
加え、省エネルギー、容易作業性の観点から軽量性を併
せ充足するとともに、より簡便な方法かつ低コストで、
大気中で少なくとも800℃、好ましくは、1000℃
以上の高温下でも実質的に酸化されることがない耐酸化
保護層を有する炭素質材料の製造方法を提供することに
ある。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and aims at high strength at high temperatures (high thermal shock resistance),
In addition to high reliability (toughness, impact resistance, abrasion resistance) and environmental resistance (corrosion resistance, oxidation resistance, radiation resistance), etc. as materials, it also satisfies light weight from the viewpoint of energy saving and easy workability. At the same time, with a simpler method and lower cost,
At least 800 ° C. in air, preferably 1000 ° C.
It is an object of the present invention to provide a method for producing a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer that is not substantially oxidized even at the above high temperature.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】 すなわち、本発明によ
れば、BN(窒化ほう素)粉体を分散媒中に分散、懸濁
した後、得られた懸濁液を、炭素質材料の表面に塗布し
た後、乾燥し、不活性雰囲気下で、高温焼成することに
より、前記炭素質材料の表面に、B4C(炭化ほう素)
を主成分とする耐酸化保護層を形成させることを特徴と
する耐酸化保護層を有する炭素質材料の製造方法が提供
される。
That is, according to the present invention, after BN (boron nitride) powder is dispersed and suspended in a dispersion medium, the resulting suspension is placed on the surface of a carbonaceous material. , And then dried and baked at a high temperature in an inert atmosphere, so that the surface of the carbonaceous material is coated with B 4 C (boron carbide).
A method for producing a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer, characterized by forming an oxidation-resistant protective layer containing as a main component.

【0008】 このとき、本発明では、炭素質材料が、
C/Cコンポジット、Si−SiC系複合材料、SiC
系複合材料、または珪化金属含浸複合材料から選択され
る1種の材料であることが好ましい。
At this time, in the present invention, the carbonaceous material is
C / C composite, Si-SiC composite, SiC
It is preferably one kind of material selected from a system composite material or a metal silicide impregnated composite material.

【0009】 また、本発明では、懸濁液の塗布が、炭
素質材料を加熱しながら実施されることが好ましく、B
Nを塗布、乾燥後、2000℃以上の温度で焼成し、B
4Cを主成分とする耐酸化保護層を形成させることが好
ましい。
In the present invention, the suspension is preferably applied while heating the carbonaceous material.
N is applied, dried, and baked at a temperature of 2000 ° C. or more.
It is preferable to form an oxidation-resistant protective layer containing 4 C as a main component.

【0010】 更に、本発明では、耐酸化保護層の厚さ
が、30〜300μm、より好ましくは、50〜200
μmであることが好ましい。
Further, in the present invention, the thickness of the oxidation-resistant protective layer is 30 to 300 μm, more preferably 50 to 200 μm.
μm is preferred.

【0011】 以上のことから、本発明では、大気中で
少なくとも800℃(より好ましくは、1000℃)で
実質的に酸化されることがない耐酸化保護層を有する炭
素質材料を製造することができる。
From the above, according to the present invention, it is possible to produce a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer that is not substantially oxidized at least at 800 ° C. (more preferably, 1000 ° C.) in the atmosphere. it can.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】 本発明の耐酸化保護層を有する
炭素質材料の製造方法は、BN(窒化ほう素)粉体を分
散媒中に分散、懸濁した後、得られた懸濁液を、炭素質
材料の表面に塗布した後、乾燥し、不活性雰囲気下で、
高温焼成することにより、炭素質材料の表面に、B4
(炭化ほう素)を主成分とする耐酸化保護層を形成させ
てなるものである。これにより、高温における高強度
(高い耐熱衝撃性)と、材料としての高い信頼性(靱
性、耐衝撃性、耐摩耗性)、耐環境性(耐食性、耐酸化
性、耐放射線性)等に加え、省エネルギー、容易作業性
の観点から軽量性を併せ充足するとともに、大気中で少
なくとも800℃、好ましくは、1000℃以上の高温
下でも実質的に酸化されることがない耐酸化保護層を有
する炭素質材料をより簡便な方法でかつ低コストで製造
することができる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the method for producing a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer according to the present invention, a suspension obtained by dispersing and suspending BN (boron nitride) powder in a dispersion medium is used. Is applied to the surface of the carbonaceous material, then dried, and in an inert atmosphere,
By sintering at high temperature, B 4 C
It is formed by forming an oxidation-resistant protective layer containing (boron carbide) as a main component. As a result, in addition to high strength at high temperatures (high thermal shock resistance), high reliability as a material (toughness, impact resistance, abrasion resistance), environmental resistance (corrosion resistance, oxidation resistance, radiation resistance), etc. A carbon having an oxidation-resistant protective layer that satisfies both lightness from the viewpoint of energy saving and easy workability and that is not substantially oxidized even at a high temperature of at least 800 ° C., preferably 1000 ° C. or more in the atmosphere. Quality material can be produced in a simpler manner and at lower cost.

【0013】 ここで、本発明の耐酸化保護層を有する
炭素質材料の製造方法の主な特徴は、炭素質材料の表面
に、BN(窒化ほう素)粉体の懸濁液(スラリー)を塗
布し、その後溶媒の沸点付近で乾燥させ、不活性ガスの
雰囲気下で、高温、好ましくは2000℃以上で焼成す
ることにより、炭素質材料の表面に塗布されたBN(窒
化ほう素)を、炭素質材料由来のC(炭素)と反応さ
せ、炭素質材料の表面にB4C(炭化ほう素)を主成分
とする耐酸化保護層を形成させることにある。
The main feature of the method for producing a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer according to the present invention is that a suspension (slurry) of BN (boron nitride) powder is formed on the surface of the carbonaceous material. The BN (boron nitride) applied to the surface of the carbonaceous material is applied by drying at around the boiling point of the solvent, and then by baking at a high temperature, preferably 2000 ° C. or higher, in an atmosphere of an inert gas, It is to react with C (carbon) derived from a carbonaceous material to form an oxidation-resistant protective layer containing B 4 C (boron carbide) as a main component on the surface of the carbonaceous material.

【0014】 このとき、本発明で用いる懸濁液(スラ
リー)の配合は、分散媒:BN粉末(体積比)=80:
20〜70:30であることが好ましい。これは、スラ
リー中にBN粒子を均一に分散し、塗布ムラ等を起こさ
ないようにするためである。
At this time, the composition of the suspension (slurry) used in the present invention is as follows: dispersion medium: BN powder (volume ratio) = 80:
It is preferably 20 to 70:30. This is for dispersing the BN particles uniformly in the slurry so as to prevent application unevenness or the like.

【0015】 尚、本発明で用いるBN(窒化ほう素)
粉体は、平均粒径が1〜20μmであることが好まし
い。平均粒径が1μmより小さい場合、分散媒中への均
一分散が難しく、20μmより大きい場合、高温焼成に
より形成されたB4C(炭化ほう素)の耐酸化保護層が
ムラになり、隙間が発生し、性能が低下する場合があ
る。また、本発明で用いる分散媒は、特に限定されず、
水でもエタノール、キシレン等の有機溶媒でも、あるい
はそれらの混合物でもよい。
Incidentally, BN (boron nitride) used in the present invention
The powder preferably has an average particle size of 1 to 20 μm. When the average particle size is smaller than 1 μm, uniform dispersion in the dispersion medium is difficult. When the average particle size is larger than 20 μm, the oxidation-resistant protective layer of B 4 C (boron carbide) formed by high-temperature sintering becomes uneven and gaps are formed. May occur and performance may be degraded. Further, the dispersion medium used in the present invention is not particularly limited,
It may be water, an organic solvent such as ethanol or xylene, or a mixture thereof.

【0016】 また、本発明では、耐酸化保護層の厚さ
が、30〜300μm、より好ましくは、50〜200
μmであることが好ましい。耐酸化保護層が30μmよ
り薄い場合は、保護効果が得られず、300μmより厚
い場合は、耐酸化保護層と炭素質材料との熱膨脹差によ
り剥がれ易くなり、耐酸化保護層の欠落部から酸化が進
行し短寿命となり易い。
In the present invention, the oxidation-resistant protective layer has a thickness of 30 to 300 μm, more preferably 50 to 200 μm.
μm is preferred. If the oxidation-resistant protective layer is thinner than 30 μm, the protective effect cannot be obtained. Progresses and the life tends to be short.

【0017】 上記のように製造される耐酸化保護層を
有する炭素質材料は、溶射等の大掛かりな装置を必要と
しないため、大幅なコストダウンが期待できる。また、
大気中に高温で曝された場合、耐酸化保護層のB4
(炭化ほう素)の一部が、溶融状態の酸化ほう素を形成
することにより、炭素質材料である基材表面を保護する
ことができるとともに、基材である炭素質材料との濡れ
性にも優れており、炭素質材料の表面に保持され、流出
することがないため、大気中でも800℃を超える高温
下でも、実質的に酸化されることがない。ここで、実質
的に酸化されないとは、大気中で、所定の高温、例え
ば、800℃の条件下で、試料を少なくとも24時間保
持したときに、重量の増減が0.5%以下のことをい
う。
Since the carbonaceous material having the oxidation-resistant protective layer manufactured as described above does not require a large-scale apparatus such as thermal spraying, a significant cost reduction can be expected. Also,
When exposed to air at high temperature, the oxidation-resistant protective layer B 4 C
Part of (boron carbide) forms boron oxide in a molten state, thereby protecting the surface of the base material as a carbonaceous material and improving wettability with the carbonaceous material as the base material. It is also excellent in that it is retained on the surface of the carbonaceous material and does not flow out, so that it is not substantially oxidized even in the air even at a high temperature exceeding 800 ° C. Here, the term "substantially not oxidized" means that the weight increase or decrease is 0.5% or less when the sample is held for at least 24 hours under a predetermined high temperature, for example, 800 ° C. in the atmosphere. Say.

【0018】 また、上記のように製造される耐酸化保
護層を有する炭素質材料は、基材である炭素質材料と耐
酸化保護層との密着性に優れているため、基材である炭
素質材料との熱膨脹差による耐酸化保護層におけるクラ
ックの発生及び剥離を改善することができる。
The carbonaceous material having the oxidation-resistant protective layer manufactured as described above has excellent adhesion between the carbonaceous material as the substrate and the oxidation-resistant protective layer. Cracks and peeling in the oxidation-resistant protective layer due to the difference in thermal expansion from the porous material can be improved.

【0019】 更に、上記のように製造される耐酸化保
護層を有する炭素質材料は、耐酸化保護層の形成を、既
存の炭素質材料の製造プロセスで行うことができるた
め、コストを削減することができる。
Further, in the carbonaceous material having the oxidation-resistant protective layer manufactured as described above, the formation of the oxidation-resistant protective layer can be performed by an existing carbonaceous material manufacturing process, thereby reducing costs. be able to.

【0020】 以上のことから、上記のように製造され
る耐酸化保護層を有する炭素質材料は、耐衝撃性が強
く、熱膨張係数も低く、軽量である炭素質材料を基材と
して用いることにより、その性質をそのまま保持しつ
つ、耐酸化保護層がその表面に形成されているので、大
気中でも高い耐酸化性を示すと共に、耐熱衝撃性、摩耗
等の機械的作用に起因する微粉末の発生も極めて少な
い。従って、上記のように製造される耐酸化保護層を有
する炭素質材料は、セッター用部材や、各種窯道具用の
材料等として極めて好適に使用できる。
From the above, the carbonaceous material having the oxidation-resistant protective layer manufactured as described above uses a lightweight carbonaceous material as the base material, which has high impact resistance, low coefficient of thermal expansion, and low weight. Due to this, the oxidation-resistant protective layer is formed on the surface while maintaining its properties as it is, so it shows high oxidation resistance even in the air, and has a thermal shock resistance, a fine powder caused by mechanical action such as abrasion. The occurrence is extremely low. Therefore, the carbonaceous material having the oxidation-resistant protective layer manufactured as described above can be used very suitably as a member for setters, a material for various kiln tools, and the like.

【0021】 次に、本発明で用いる炭素質材料は、そ
の基材として、主として炭素繊維からなる原料を使用す
るものである。本発明に使用する炭素質材料としては、
先ず第1に、炭素繊維が挙げられる。このような炭素繊
維としては、その製法、使用原料を問わず使用可能であ
る。実際の使用に際しては、炭素繊維をバインダー等に
使用して、所定形状に成形して、使用する。耐久性の点
から以下にいうC/Cコンポジットが好ましい。さら
に、このC/CコンポジットにSiを含浸させた複合材
料も、本発明でいう炭素質材料に含むものである。かか
るSiを含浸させた複合材料としては、以下に定義し、
詳述するSi−SiC系複合材料、SiC系複合材料が
好適に使用される。なお、ここで、本明細書において
は、炭素質材料とは、炭素繊維それ自体はいうまでもな
く、広義には、炭素繊維に含まれる、C/Cコンポジッ
トをも含むものである。加えて、このC/Cコンポジッ
トに所定量の金属珪素を含浸して得られる、特定の加工
をした炭素質材料である、Si−SiC系複合材料もS
iC系複合材料も炭素質材料に含むものである。これら
のものの性状、製造方法等については以下に詳述するこ
ととする。なお、称呼上の混乱を避けるために、本明細
書の以下の記述においては、炭素質材料とは、C/Cコ
ンポジット、Si−SiC系複合材料、SiC系複合材
料、珪化金属含浸複合材料をも包含する用語として使用
する。従って、本発明においては、基材としては、狭義
の炭素繊維のみならず、上述の複合材料が使用可能であ
る。
Next, the carbonaceous material used in the present invention uses a raw material mainly composed of carbon fibers as its base material. As the carbonaceous material used in the present invention,
First, carbon fiber is mentioned. Such a carbon fiber can be used irrespective of its production method and raw materials. In actual use, carbon fibers are used as a binder or the like, molded into a predetermined shape, and used. From the viewpoint of durability, the following C / C composite is preferable. Further, a composite material in which the C / C composite is impregnated with Si is also included in the carbonaceous material according to the present invention. The composite material impregnated with Si is defined below,
Si-SiC-based composite materials and SiC-based composite materials described in detail are preferably used. Here, in this specification, the carbonaceous material includes not only the carbon fiber itself but also a C / C composite included in the carbon fiber in a broad sense. In addition, the Si / SiC-based composite material, which is a carbon material which is obtained by impregnating the C / C composite with a predetermined amount of metallic silicon and which is a specially processed carbonaceous material, is also used.
The iC-based composite material is also included in the carbonaceous material. The properties, manufacturing method, and the like of these will be described in detail below. In order to avoid confusion in terms of names, in the following description of the present specification, a carbonaceous material refers to a C / C composite, a Si-SiC-based composite material, a SiC-based composite material, and a metal silicide-impregnated composite material. Is also used as a term that also encompasses Therefore, in the present invention, not only carbon fibers in a narrow sense but also the above-mentioned composite materials can be used as the base material.

【0022】 本明細書において、C/Cコンポジット
とは、炭素繊維の束のマトリックスとして作用する粉末
状のバインダーであって、焼成後には炭素繊維の束に対
して遊離炭素となるピッチ、コークス類を包含させ、さ
らに必要に応じてフェノール樹脂粉末等を含有させるこ
とによって、炭素繊維束を調製し、この炭素繊維束の周
囲に、熱可塑性樹脂等のプラスチックからなる柔軟な被
膜を形成し、柔軟性中間材としてのプレフォームドヤー
ンを得、このプレフォームドヤーンを、特開平2−80
639号公報に記載されている方法によりシート状また
は織布状にし、必要量を積層した後、ホットプレスで成
形し得られた成形体、または、この成形体を焼成して得
られる焼成体をいう。すなわち、本発明においてC/C
コンポジットとは、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素とか
ら構成され、該炭素繊維は、特定の直径、本数からなる
炭層繊維束からなる積層構造を構成しており、炭素繊維
以外の炭素は、該積層構造と積層構造との間の空隙にマ
トリックスを形成して、埋めている構造を有する、特定
積層構造とマトリックスの構造からなることを特徴とす
る複合材料をいう。
In the present specification, a C / C composite is a powdery binder that acts as a matrix of a bundle of carbon fibers, and pitch and coke that become free carbon to the bundle of carbon fibers after firing. And further, if necessary, by containing a phenol resin powder or the like, thereby preparing a carbon fiber bundle, forming a flexible film made of a plastic such as a thermoplastic resin around the carbon fiber bundle, A preformed yarn as a conductive intermediate material is obtained.
No. 639, a sheet or woven cloth is formed, a required amount is laminated, and then a molded article obtained by molding by hot pressing or a fired article obtained by firing this molded article is obtained. Say. That is, in the present invention, C / C
The composite is composed of carbon fiber and carbon other than carbon fiber.The carbon fiber has a specific diameter and a laminated structure composed of a bundle of carbonaceous fiber fibers of a specific number. A composite material having a structure of a specific laminated structure and a matrix having a structure in which a matrix is formed and filled in a gap between the laminated structure and the laminated structure.

【0023】 基本素材として使用するC/Cコンポジ
ットとしては、直径が10μm前後の炭素繊維を、通
常、数百本〜数万本束ねて繊維束(ヤーン)を形成し、
この繊維束を熱可塑性樹脂で被覆して調製した柔軟性糸
状中間材を得、これを特開平2−80639号公報に記
載されている方法によりシート状にし、このシート状と
したものを二次元または三次元方向に配列して一方向シ
ート(UDシート)や各種クロスとしたり、また上記シ
ートやクロスを積層したりすることにより、所定形状の
予備成形体(繊維プリフォーム)を形成し、該予備成形
体の繊維束の外周に形成されている有機物からなる熱可
塑性樹脂等の被膜を焼成し、上記の同皮膜を炭化除去し
たものを使用すればよい。なお、本明細書に於いて、参
考のために特開平2−80639号公報の記載を引用す
る。本発明に於いて使用するC/Cコンポジットは、上
記ヤーン中の炭素繊維以外の炭素成分は、好ましくは炭
素粉末であり、特に好ましくは黒鉛化した炭素粉末であ
る。
As a C / C composite used as a basic material, a carbon fiber having a diameter of about 10 μm is usually bundled with hundreds to tens of thousands to form a fiber bundle (yarn).
This fiber bundle is coated with a thermoplastic resin to obtain a flexible thread-like intermediate material, which is formed into a sheet by the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-80639. Alternatively, a preformed body (fiber preform) having a predetermined shape is formed by arranging in a three-dimensional direction to form a unidirectional sheet (UD sheet) or various cloths, or by laminating the sheets or cloths. It is only necessary to use a material obtained by baking a film of a thermoplastic resin or the like made of an organic substance formed on the outer periphery of the fiber bundle of the preform and removing the film by carbonization. In this specification, the description of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-80639 is cited for reference. In the C / C composite used in the present invention, the carbon component other than the carbon fiber in the yarn is preferably a carbon powder, particularly preferably a graphitized carbon powder.

【0024】 本発明において、Si−SiC系複合材
料とは、55重量%〜75重量%の炭素と、1重量%〜
10重量%の珪素と、10重量%〜50重量%の炭化珪
素とから構成され、少なくとも炭素繊維の束と炭素繊維
以外の炭素成分とを含有するヤーンが層方向に配向しつ
つ三次元的に組み合わされ、互いに分離しないように一
体化されているヤーン集合体と、このヤーン集合体中で
隣り合う前記ヤーンの間に充填されているSi−SiC
系材料からなるマトリックスとを備え、0.05〜0.
6の動摩擦係数と、0.5%〜10%に制御された気孔
率とを有する複合材料をいう。この材料は、平成10年
9月4日付の出願に係る特願平10−267402号に
開示された方法により製造することができる。従って、
特願平10−267402号の内容をここに引用する。
In the present invention, the Si—SiC-based composite material includes 55% by weight to 75% by weight of carbon and 1% by weight to
A yarn composed of 10% by weight of silicon and 10% by weight to 50% by weight of silicon carbide and containing at least a bundle of carbon fibers and a carbon component other than carbon fibers is three-dimensionally oriented in the layer direction. A combined yarn which is integrated so as not to be separated from each other, and a Si-SiC filled between the adjacent yarns in the combined yarn.
A matrix made of a base material,
A composite material having a dynamic friction coefficient of 6 and a controlled porosity of 0.5% to 10%. This material can be manufactured by the method disclosed in Japanese Patent Application No. 10-267402 filed on Sep. 4, 1998. Therefore,
The content of Japanese Patent Application No. 10-267402 is cited here.

【0025】 なお、ここで、Si−SiC系材料と
は、未反応の状態で残存する珪素からなる珪素相からほ
ぼ純粋な炭化珪素に至るまでの、いくつかの相異なる相
を含む、典型的には珪素相と炭化珪素相からなるが、炭
化珪素相には、珪素の含有量が傾斜的に変化しているS
iC共存相を含みうるものをいう。従って、Si−Si
C系材料とは、このようにSi−SiC系列において、
炭素の濃度として、0mol%から50mol%までの
範囲以内で含まれている材料の総称である。本発明に係
るSi−SiC系複合材料においては、マトリックス部
がSi−SiC系材料により形成されていることとな
る。
Here, the Si—SiC-based material typically includes several different phases from a silicon phase remaining in an unreacted state to a substantially pure silicon carbide. Is composed of a silicon phase and a silicon carbide phase.
It refers to one that can include an iC coexisting phase. Therefore, Si-Si
The C-based material is, as described above, in the Si-SiC series,
It is a general term for materials contained in the range of 0 mol% to 50 mol% as the concentration of carbon. In the Si-SiC-based composite material according to the present invention, the matrix portion is formed of the Si-SiC-based material.

【0026】 また、このSi−SiC系複合材料は、
好ましくは、ヤーンの表面から離れるのに従って珪素の
含有比率が上昇する傾斜組成を有するマトリックスを有
している。また、このSi−SiC系複合材料において
は、好ましくは、炭素繊維からなるヤーン集合体は、複
数のヤーン配列体から構成されており、各ヤーン配列体
はそれぞれ特定本数の炭素繊維を束ねて構成したヤーン
をほぼ平行に二次元的に配列することによって形成され
ており、各ヤーン配列体が積層されることによってヤー
ン集合体が構成されている。これによって、Si−Si
C系複合材料は、複数層のヤーン配列体を特定方向に積
層した積層構造を有することになる。
In addition, this Si—SiC-based composite material
Preferably, the matrix has a gradient composition in which the silicon content increases as the distance from the yarn surface increases. In the Si-SiC-based composite material, preferably, the yarn aggregate made of carbon fibers is composed of a plurality of yarn arrays, and each yarn array is formed by bundling a specific number of carbon fibers. The yarns are formed by two-dimensionally arranging the obtained yarns substantially in parallel, and a yarn aggregate is formed by stacking the respective yarn arrays. Thereby, Si-Si
The C-based composite material has a laminated structure in which a plurality of yarn arrays are laminated in a specific direction.

【0027】 図1は、ヤーン集合体の概念を説明する
ための概略斜視図であり、図2(a)は図1のIIa−
IIa線断面図であり、図2(b)は図1のIIb−I
Ib線断面図である。Si−SiC系複合材料7の骨格
は、ヤーン集合体6によって構成されている。ヤーン集
合体6は、ヤーン配列体1A、1B、1C、1D、1
E、1Fを上下方向に積層してなる。各ヤーン配列体に
おいては、各ヤーン3が二次元的に配列されており、各
ヤーンの長手方向がほぼ平行である。上下方向に隣り合
う各ヤーン配列体における各ヤーンの長手方向は、直交
している。すなわち、各ヤーン配列体1A、1C、1E
の各ヤーン2Aの長手方向は、互いに平行であり、かつ
各ヤーン配列体1B、1D、1Fの各ヤーン2Bの長手
方向に対して直交している。各ヤーンは、炭素繊維と、
炭素繊維以外の炭素成分とからなる繊維束3からなる。
ヤーン配列体が積層されることによって、三次元格子形
状のヤーン集合体6が構成される。各ヤーンは、後述す
るような加圧成形工程の間に押しつぶされ、略楕円形に
なっている。
FIG. 1 is a schematic perspective view for explaining the concept of a yarn aggregate, and FIG.
FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line IIa, and FIG.
It is Ib line sectional drawing. The skeleton of the Si—SiC-based composite material 7 is constituted by the yarn aggregate 6. The yarn aggregate 6 includes the yarn arrays 1A, 1B, 1C, 1D, 1
E and 1F are vertically stacked. In each yarn array, the yarns 3 are two-dimensionally arranged, and the longitudinal directions of the yarns are substantially parallel. The longitudinal direction of each yarn in each vertically arranged yarn array is orthogonal. That is, each yarn array 1A, 1C, 1E
The longitudinal direction of each yarn 2A is parallel to each other and orthogonal to the longitudinal direction of each yarn 2B of each yarn array 1B, 1D, and 1F. Each yarn is made of carbon fiber,
The fiber bundle 3 is made of a carbon component other than carbon fibers.
The yarn assembly 6 having a three-dimensional lattice shape is formed by stacking the yarn arrays. Each yarn is crushed during a pressure forming process as described below, and has a substantially elliptical shape.

【0028】 各ヤーン配列体1A、1C、1Eにおい
ては、隣り合う各ヤーンの間隙には、マトリックス8A
が充填されており、各マトリックス8Aはヤーン2Aの
表面に沿ってそれと平行に延びている。各ヤーン配列体
1B、1D、1Fにおいては、隣り合う各ヤーンの間隙
には、マトリックス8Bが充填されており、各マトリッ
クス8Bは、ヤーン2Bの表面に沿ってそれと平行に延
びている。本例では、マトリックス8A、8Bは、それ
ぞれ、各ヤーンの表面を被覆する炭化珪素相4A、4B
と、炭化珪素相4A、4Bよりも炭素の含有割合が少な
いSi−SiC系材料相5A、5Bからなっている。炭
化珪素相中にも珪素を一部含有していてよい。また、本
例では、上下方向に隣接するヤーン2Aと2Bとの間に
も、炭化珪素相4A、4Bが生成している。
In each of the yarn arrays 1A, 1C, and 1E, a matrix 8A is provided between adjacent yarns.
And each matrix 8A extends along and parallel to the surface of the yarn 2A. In each of the yarn arrays 1B, 1D, and 1F, the gap between adjacent yarns is filled with a matrix 8B, and each matrix 8B extends along and parallel to the surface of the yarn 2B. In this example, the matrices 8A and 8B are respectively composed of silicon carbide phases 4A and 4B covering the surface of each yarn.
And Si-SiC-based material phases 5A and 5B having a lower carbon content than silicon carbide phases 4A and 4B. Silicon may be partially contained in the silicon carbide phase. In this example, silicon carbide phases 4A and 4B are also generated between yarns 2A and 2B that are vertically adjacent to each other.

【0029】 各マトリックス8Aと8Bとは、それぞ
れヤーンの表面に沿って細長く、好ましくは直線状に延
びており、各マトリックス8Aと8Bとは互いに直交し
ている。そして、ヤーン配列体1A、1C、1Eにおけ
るマトリックス8Aと、これに直交するヤーン配列体1
B、1D、1Fにおけるマトリックス8Bとは、それぞ
れヤーン2Aと2Bとの間隙部分で連続している。この
結果、マトリックス8A、8Bは、全体として、三次元
格子を形成している。
Each of the matrices 8A and 8B is elongated, preferably linear, along the surface of the yarn, and each of the matrices 8A and 8B is orthogonal to one another. Then, the matrix 8A in the yarn arrays 1A, 1C, and 1E and the yarn array 1 orthogonal to the matrix 8A
The matrix 8B in B, 1D, and 1F is continuous at the gap between the yarns 2A and 2B, respectively. As a result, the matrices 8A and 8B form a three-dimensional lattice as a whole.

【0030】 また、本発明において、SiC系複合材
料とは、炭化珪素と炭素繊維と炭素繊維以外の炭素成分
とから構成され、骨格部と骨格部の周囲に形成されたマ
トリックスとからなる構造を有するSiC−C/Cコン
ポジット複合材料であって、炭化珪素の少なくとも50
%はβ型で、骨格部は、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素
成分により形成されており、その骨格部の一部分には炭
化珪素が存在していてもよく、マトリックスは、炭化珪
素により形成され、前記マトリックスと前記骨格部とは
一体的に形成されており、かつ、前記複合材料は0.5
%〜5%の気孔率と二山型の平均気孔径の分布を有する
複合材料をいう。
In the present invention, the SiC-based composite material has a structure composed of silicon carbide, carbon fiber, and a carbon component other than carbon fiber, and composed of a skeleton and a matrix formed around the skeleton. A composite material having at least 50% of silicon carbide.
% Is β type, the skeleton is formed of carbon fiber and carbon components other than carbon fiber, and silicon carbide may be present in a part of the skeleton, and the matrix is formed of silicon carbide. , The matrix and the skeleton are integrally formed, and the composite material is 0.5
% Composite material having a porosity of 5% to 5% and a two-peaked average pore size distribution.

【0031】 従って、このSiC系複合材料は、骨格
部として、各炭素繊維が炭素繊維束から構成されている
C/Cコンポジットを用いており、そのため、その一部
にSiCが形成されていても、各炭素繊維としては炭素
繊維としての構造が、破壊されることはないものの、炭
素繊維表面が炭化珪素化しているため、原料であるC/
Cコンポジットの有する機械的強度の内曲げ/引張強度
はやや低下する。一方、圧縮強度は、Siの浸透による
緻密化により増大するという大きな特徴を有している。
しかも、ヤーン集合体中で隣り合うヤーンの間に、Si
C系材料からなるマトリックスが形成された複合構造を
有している。この点で、上記のSi−SiC系複合材料
とは異なる。なお、この材料は、平成11年2月9日付
の出願に係る特願平11−31979号に開示された方
法により製造することができる。従って、特願平11−
31979号の内容をここに引用する。
Therefore, this SiC-based composite material uses, as the skeleton, a C / C composite in which each carbon fiber is composed of a carbon fiber bundle. Therefore, even if SiC is partially formed, Although the structure of each carbon fiber is not destroyed, the carbon fiber surface is converted to silicon carbide, so that the raw material C /
The inner bending / tensile strength of the mechanical strength of the C composite is slightly reduced. On the other hand, the compressive strength has a great feature that it is increased by densification due to penetration of Si.
Moreover, between adjacent yarns in the yarn assembly, Si
It has a composite structure in which a matrix made of a C-based material is formed. In this respect, it is different from the above-described Si-SiC-based composite material. This material can be manufactured by the method disclosed in Japanese Patent Application No. 11-31979 filed on Feb. 9, 1999. Therefore, Japanese Patent Application No.
The contents of No. 31979 are cited here.

【0032】 本発明において、SiC系材料とは、炭
素との結合度を異にする炭化珪素を含有する材料をい
い、このSiC系材料は以下のようにして製造されるも
のをいう。本発明では、C/Cコンポジットに対して、
金属珪素を含浸させるが、その際、金属珪素はコンポジ
ット内の炭素繊維を構成する炭素原子および/または炭
素繊維の表面に残存している遊離炭素原子と反応し、一
部が炭化されるために、C/Cコンポジットの最表面や
炭素繊維からなるヤーンとヤーンとの間には、一部炭化
された珪素が生成し、かくして上記のヤーンとヤーンと
の間には炭化珪素からなるマトリックスが形成される。
In the present invention, the SiC-based material refers to a material containing silicon carbide having a different degree of bonding with carbon, and the SiC-based material is manufactured as follows. In the present invention, for C / C composite,
The metal silicon is impregnated. At this time, the metal silicon reacts with carbon atoms constituting carbon fibers in the composite and / or free carbon atoms remaining on the surface of the carbon fibers, and is partially carbonized. A partially carbonized silicon is formed between the yarns composed of the outermost surface of the C / C composite and the carbon fibers, and thus a matrix composed of silicon carbide is formed between the yarns. Is done.

【0033】 このマトリックスにおいては、極微量の
珪素と炭素とが結合した炭化珪素質の相から、純粋な炭
化珪素結晶相に至るまで、いくつかの相異なる相を含み
うる。しかし、このマトリックスには、X線による検出
限界(0.3重量%)以下の金属珪素しか含まれない。
つまり、このマトリックスは、典型的には炭化珪素相か
らなるが、炭化珪素相には、珪素の含有量が傾斜的に変
化しているSiC質相を含みうる。従って、SiC系材
料とは、このようなSiC系列において、炭素の濃度と
して、少なくとも0.01mol%以上から50mol
%までの範囲以内で含まれてる材料の総称である。な
お、炭素濃度を、0.01mol%未満に制御するに
は、C/Cコンポジット中の遊離炭素の量との関係で、
添加する金属珪素の量の厳密な計量が要求されること
と、最終工程での温度管理が複雑になるので実質的でな
い。従って、理論的には、炭素濃度を0.001mol
%程度まで制御することは可能である。
The matrix may include several different phases, from a silicon carbide phase in which trace amounts of silicon and carbon are bonded to a pure silicon carbide crystal phase. However, this matrix contains only metallic silicon below the X-ray detection limit (0.3% by weight).
That is, although this matrix is typically made of a silicon carbide phase, the silicon carbide phase may include a SiC-based phase in which the content of silicon is inclined. Therefore, the SiC-based material refers to a concentration of carbon of at least 0.01 mol% to 50 mol% in such a SiC series.
It is a general term for materials included in the range up to%. In addition, in order to control the carbon concentration to less than 0.01 mol%, in relation to the amount of free carbon in the C / C composite,
It is not practical because strict measurement of the amount of metallic silicon to be added is required and temperature control in the final step is complicated. Therefore, theoretically, the carbon concentration is 0.001 mol
% Can be controlled.

【0034】 このSi系複合材料について、図面を使
用してさらに説明することとする。このSiC系複合材
料の骨格部も、基本的には図1に示したものと同じであ
る。本発明に係るSiC系複合材料を、図1においての
IIa−IIa線で切断した場合の断面図は、図3
(a)、同じく図1においてのIIb−IIb線で切断
した場合の断面図は、図3(b)として示す。SiC系
複合材料17の骨格は、Si−SiC系複合材料7の骨
格と同様に、ヤーン集合体16によって構成されてい
る。ヤーン集合体16は、ヤーン配列体11A、11
B、11C、11D、11E、11Fを上下方向に積層
してなる。各ヤーン配列体においては、各ヤーン13が
二次元的に配列されており、各ヤーンの長手方向がほぼ
平行である。上下方向に隣り合う各ヤーン配列体におけ
る各ヤーンの長手方向は、直交している。すなわち、各
ヤーン配列体11A、11C、11Eの各ヤーン12A
の長手方向は、互いに平行であり、かつ各ヤーン配列体
11B、11D、11Fの各ヤーン12Bの長手方向に
対して直交している。各ヤーンは、炭素繊維と、炭素繊
維以外の炭素成分とからなる繊維束13からなる。ヤー
ン配列体が積層されることによって、三次元格子形状の
ヤーン集合体16が構成される。各ヤーンは、後述する
ような加圧成形工程の間に押しつぶされ、やや楕円形に
なっている。
The Si-based composite material will be further described with reference to the drawings. The skeleton of this SiC-based composite material is basically the same as that shown in FIG. FIG. 3 is a sectional view when the SiC-based composite material according to the present invention is cut along the line IIa-IIa in FIG.
FIG. 3A is a cross-sectional view taken along line IIb-IIb in FIG. The skeleton of the SiC-based composite material 17 is constituted by the yarn aggregate 16, similarly to the skeleton of the Si—SiC-based composite material 7. The yarn aggregate 16 includes the yarn arrays 11A and 11A.
B, 11C, 11D, 11E, and 11F are vertically stacked. In each yarn array, the yarns 13 are two-dimensionally arranged, and the longitudinal directions of the yarns are substantially parallel. The longitudinal direction of each yarn in each vertically arranged yarn array is orthogonal. That is, each yarn 12A of each yarn array 11A, 11C, 11E
Are parallel to each other and perpendicular to the longitudinal direction of each yarn 12B of each yarn array 11B, 11D, 11F. Each yarn is composed of a fiber bundle 13 composed of carbon fibers and carbon components other than carbon fibers. The yarn assembly 16 having a three-dimensional lattice shape is formed by stacking the yarn arrays. Each yarn is crushed during a pressing step, as described below, and is slightly oval.

【0035】 各ヤーン配列体11A、11C、11E
においては、隣り合う各ヤーンの間隙には、マトリック
ス18Aが充填されており、各マトリックス18Aはヤ
ーン12Aの表面に沿ってそれと平行に延びている。各
ヤーン配列体11B、11D、11Fにおいては、隣り
合う各ヤーンの間隙には、マトリックス18Bが充填さ
れており、各マトリックス18Bは、ヤーン12Bの表
面に沿ってそれと平行に延びている。図3(a)および
図3(b)に示したように、マトリックス18A、18
Bは、それぞれ、各ヤーンの表面を被覆する炭化珪素相
14からなっている。炭化珪素相の一部は、小突起部1
9として表面に突出するか、あるいは、複合部材の内部
においては、炭素繊維層に突出していてもよい。この様
な小突起部の内部には、平均細孔径が約100μmの気
孔(空隙:15)が形成されている。なお、この小突起
部19は、殆どが原料のC/Cコンポジットの炭素繊維
以外の炭素成分からなるマトリックスの跡に沿って形成
されるので、ヤーンとヤーンとの間隔および/またはヤ
ーン配列体とヤーン配列体との間隔を適宜選択すること
により、単位面積当たりの小突起部19の密度を調整す
ることが可能である。隣接するヤーン12Aと12Bと
の間にも、炭化珪素相14が形成されていてもよい。
Each yarn array 11A, 11C, 11E
In, the gap between adjacent yarns is filled with a matrix 18A, and each matrix 18A extends along and parallel to the surface of the yarn 12A. In each of the yarn arrangements 11B, 11D, 11F, the gap between adjacent yarns is filled with a matrix 18B, and each matrix 18B extends along the surface of the yarn 12B and parallel thereto. As shown in FIGS. 3A and 3B, the matrices 18A and 18A
B consists of a silicon carbide phase 14 covering the surface of each yarn. Part of the silicon carbide phase is the small protrusion 1
It may project to the surface as 9 or to the carbon fiber layer inside the composite member. Inside such small projections, pores (voids: 15) having an average pore diameter of about 100 μm are formed. In addition, since the small protrusions 19 are formed along the traces of the matrix composed of carbon components other than the carbon fibers of the raw material C / C composite, most of the small protrusions 19 have a space between the yarns and / or a yarn arrangement. By appropriately selecting the distance from the yarn array, it is possible to adjust the density of the small projections 19 per unit area. Silicon carbide phase 14 may be formed between adjacent yarns 12A and 12B.

【0036】 各マトリックス18Aと18Bとは、そ
れぞれヤーンの表面に沿って細長く、好ましくは直線状
に延びており、各マトリックス18Aと18Bとは互い
に直交している。そして、ヤーン配列体11A、11
C、11Eにおけるマトリックス18Aと、これに直交
するヤーン配列体11B、11D、11Fにおけるマト
リックス18Bとは、それぞれヤーン12Aと12Bと
の間隙部分で連続している。この結果、マトリックス1
8A、18Bは、全体として、三次元格子を形成してい
る。
Each of the matrices 18A and 18B is elongated, preferably linear, respectively, along the surface of the yarn, and each of the matrices 18A and 18B is orthogonal to one another. Then, the yarn arrays 11A, 11
The matrix 18A in C and 11E and the matrix 18B in the yarn arrays 11B, 11D and 11F orthogonal thereto are continuous at the gap between the yarns 12A and 12B, respectively. As a result, matrix 1
8A and 18B form a three-dimensional lattice as a whole.

【0037】 更に、本発明において、珪化金属含浸複
合材料とは、上記に詳述したC/Cコンポジットに珪化
金属、例えば、珪化チタン、珪化ジルコニウム、珪化タ
ンタル、珪化ニオブ、珪化クロム、珪化タングステン及
び珪化モリブデン等)を含浸させたもの(通常の含浸
量:1〜50重量%)を含むものである。即ち、少なく
とも珪化金属で含浸されたとは、所望とする量の珪化金
属で含浸されていることは当然として、それ以外に、金
属珪素及び炭化珪素(Si−SiC)、あるいは炭化珪
素(SiC)で含浸されていてもよいことを意味するも
のである。
Further, in the present invention, the metal silicide-impregnated composite material refers to a metal silicide, such as titanium silicide, zirconium silicide, tantalum silicide, niobium silicide, chromium silicide, tungsten silicide, and the like in the C / C composite described in detail above. Impregnated with molybdenum silicide (ordinary impregnation amount: 1 to 50% by weight). In other words, at least impregnated with a metal silicide means that the metal is impregnated with a desired amount of the metal silicide, and in addition, it is impregnated with metal silicon and silicon carbide (Si-SiC) or silicon carbide (SiC). It means that it may be impregnated.

【0038】[0038]

【実施例】 以下、本発明の具体的態様について実施例
によりさらに詳しく説明するが、本発明はその要旨を超
えない限りこれらの実施例によって限定されるものでは
ない。実施例中の耐酸化特性の測定は下記の方法で行っ
た。
EXAMPLES Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples unless it exceeds the gist. The oxidation resistance characteristics in the examples were measured by the following methods.

【0039】(耐酸化性の測定試験)試験試料を800
℃に昇温した大気中に所定時間試料を保持した後、重量
を測定し、試験前の重量と比較して、その重量の増減率
2'を下記式により求めた。 W2'=(W0−W1)/W0×100 但し、式中W0は、耐酸化性試験前の重量を、W1は耐酸
化性試験後の重量を、W2'は重量の増減率を表す(減少
は、数字の前に−記号を付け区別した)。
(Oxidation resistance measurement test)
After holding the sample in the atmosphere heated to ° C. for a predetermined time, the weight was measured and compared with the weight before the test, and the rate of change W 2 ′ of the weight was determined by the following equation. W 2 ′ = (W 0 −W 1 ) / W 0 × 100 where W 0 is the weight before the oxidation resistance test, W 1 is the weight after the oxidation resistance test, and W 2 ′ is the weight. (Decrease is distinguished by adding a minus sign in front of the number).

【0040】(実施例、比較例1〜2) (Si−SiC系複合材料の製造方法)炭素繊維を一方
向に引き揃えたものにフェノール樹脂を含浸させ、直径
10μmの炭素繊維を約1万本束ね、繊維束(ヤーン)
を得、このヤーンを簾状にしたヤーン配列体(プリプレ
グシート)を作り、これを図1のように配列し、プリプ
レグシート積層体を得、このプリプレグシート積層体に
炭素系接着剤を塗布し、ヤーン同士を固着した。固着
後、型から固着体を離型させ、離型させたプリプレグシ
ート積層体をオーブン中に入れ、含浸させたフェノール
樹脂を180℃、常圧で硬化させた後、窒素雰囲気中で
2000℃で焼成した。次いで得られた炭素繊維強化炭
素複合材料に純度99.9%、平均粒径1mmのSi粉
末を添加し、このものを炉内温度1300℃、炉内圧1
hPaの焼成炉内に入れ、炉内に毎分アルゴンガスを2
0NLの割合で流しながら、4時間保持した。次いで、
炉内圧はそのままとし、炉内温度を1600℃に昇温さ
せて、Siを含浸させた。かくして、Si、SiC、炭
素繊維からなるSi−SiC系複合材料を得た。得られ
た焼成体を切断、外周加工して、9mm×9mm×9m
mの大きさの試験片(比較例2)を製造した。
(Examples, Comparative Examples 1 and 2) (Production method of Si-SiC-based composite material) A carbon fiber having a diameter of 10 µm was impregnated with a carbon fiber having a diameter of 10 µm by impregnating a carbon fiber in one direction. Main bundle, fiber bundle (yarn)
To prepare a yarn array (prepreg sheet) in which the yarns are made into a mat, and arrange them as shown in FIG. 1 to obtain a prepreg sheet laminate, and apply a carbon-based adhesive to the prepreg sheet laminate. The yarns were fixed together. After the fixation, the fixed body was released from the mold, the released prepreg sheet laminate was placed in an oven, and the impregnated phenol resin was cured at 180 ° C. and normal pressure. Fired. Next, Si powder having a purity of 99.9% and an average particle diameter of 1 mm was added to the obtained carbon fiber reinforced carbon composite material, and the resulting mixture was subjected to a furnace temperature of 1300 ° C. and a furnace pressure of 1 mm.
hPa, put argon gas in the furnace for 2 minutes per minute.
It was kept for 4 hours while flowing at a rate of 0NL. Then
While keeping the furnace pressure unchanged, the furnace temperature was raised to 1600 ° C. to impregnate Si. Thus, a Si-SiC-based composite material comprising Si, SiC, and carbon fibers was obtained. The obtained fired body is cut and processed into an outer periphery to obtain 9 mm × 9 mm × 9 m.
A test piece having a size of m (Comparative Example 2) was manufactured.

【0041】(耐酸化保護層を有する炭素質材料の製造
方法1)上記で得た試験片(比較例2)を治具にセット
し、純度99.5%、平均粒径25μmの炭化ほう素粉
体(ESK社製)をプラズマ溶射し、試験片の表面に約
50μmの厚さの炭化ほう素層を形成させることによ
り、耐酸化保護層を有する炭素質材料(比較例1)を製
造した。
(Method 1 for Producing Carbonaceous Material Having Oxidation-Protective Protective Layer) The test piece obtained above (Comparative Example 2) was set in a jig, and boron carbide having a purity of 99.5% and an average particle size of 25 μm was obtained. A carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer (Comparative Example 1) was produced by plasma spraying a powder (manufactured by ESK) and forming a boron carbide layer having a thickness of about 50 μm on the surface of the test piece. .

【0042】(耐酸化保護層を有する炭素質材料の製造
方法2)平均粒径10μmのboron nitrid
e gradeB50(H.C.starctk製)粉
体を26wt%、溶媒として水を74wt%の割合で混
合、懸濁した後、得られたスラリー(懸濁液)を、上記
で得た試験片(比較例2)を150℃に加熱しながら表
面に塗布した後、Ar雰囲気、大気圧で2200℃で焼
成することにより、上記試験片の表面に、B4C(炭化
ほう素)を主成分とする耐酸化保護層を約200μm形
成させることにより、耐酸化保護層を有する炭素質材料
を製造した(実施例)。
(Production method 2 of carbonaceous material having oxidation-resistant protective layer) Boron nitride having an average particle size of 10 μm
After mixing and suspending 26 wt% of e grade B50 (manufactured by HC Starck) and 74 wt% of water as a solvent, the obtained slurry (suspension) was mixed with the test piece (suspension) obtained above. Comparative Example 2) was applied to the surface while being heated to 150 ° C., and then baked at 2200 ° C. in an Ar atmosphere and atmospheric pressure, so that the surface of the test piece contained B 4 C (boron carbide) as a main component. A carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer was manufactured by forming an oxidation-resistant protective layer of about 200 μm (Example).

【0043】 次に、上記の製造方法でそれぞれ得られ
た炭素質材料(実施例、比較例1〜2)について、耐酸
化性の測定試験を行った。尚、耐酸化試験条件は、大気
雰囲気で800℃に加熱された炉の中に、試料を50時
間暴露し、その重量変化を測定する方法で実施した。そ
の結果、Si−SiC系複合材料の試験片(比較例2)
の場合、50時間後の重量減少率は、約50%であっ
た。また、溶射により形成された耐酸化保護層を有する
炭素質材料(比較例1)の場合、50時間後でも全く重
量減少を示さなかった。むしろB4CがB23に変化す
る過程で5〜10%の重量増加を示した。一方、本発明
の耐酸化保護層を有する炭素質材料(実施例)は、溶射
の場合(比較例1)と同様、50時間後でも重量に変化
が認められなかった。また、製造コストをそれぞれ比較
したところ、耐酸化保護層のない場合(比較例2)を1
とすると、溶射(比較例1)では、2と約2倍になるの
に対し、本発明の方法によれば、1.1と約1割の増加
に留まり、より低コストで信頼性のある耐酸化保護層を
形成することができた。
Next, an oxidation resistance measurement test was performed on the carbonaceous materials (Examples, Comparative Examples 1 and 2) obtained by the above-described production methods. The oxidation resistance test was performed by exposing the sample to a furnace heated to 800 ° C. in an air atmosphere for 50 hours and measuring the change in weight. As a result, a test piece of the Si-SiC-based composite material (Comparative Example 2)
In this case, the weight loss rate after 50 hours was about 50%. Further, in the case of the carbonaceous material having the oxidation-resistant protective layer formed by thermal spraying (Comparative Example 1), no weight loss was shown even after 50 hours. Rather B 4 C showed weight increase of 5-10% in the course of changing the B 2 O 3. On the other hand, the carbonaceous material having the oxidation-resistant protective layer of the present invention (Example) showed no change in weight even after 50 hours as in the case of thermal spraying (Comparative Example 1). When the manufacturing costs were compared, the case where the oxidation-resistant protective layer was not provided (Comparative Example 2) was 1
Then, in the case of thermal spraying (Comparative Example 1), it is about twice as large as 2, whereas according to the method of the present invention, it is only about 1.1, an increase of about 10%. An oxidation-resistant protective layer could be formed.

【0044】[0044]

【発明の効果】 以上説明したように、本発明によれ
ば、高温における高強度(高い耐熱衝撃性)と、材料と
しての高い信頼性(靱性、耐衝撃性、耐摩耗性)、耐環
境性(耐食性、耐酸化性、耐放射線性)等に加え、省エ
ネルギー、容易作業性の観点から軽量性を併せ充足する
とともに、大気中で少なくとも800℃、好ましくは、
1000℃以上の高温下でも実質的に酸化されることが
ない耐酸化保護層を有する炭素質材料をより簡便な方法
でかつ低コストで製造することができる。従って、上記
のように製造された耐酸化保護層を有する炭素質材料
は、例えば、各種窯道具用の材料、アルミニウム合金や
銅合金からなる部品の製造等の分野に極めて好適に使用
できる。
As described above, according to the present invention, high strength at high temperature (high thermal shock resistance), high reliability as a material (toughness, impact resistance, wear resistance), and environmental resistance (Corrosion resistance, oxidation resistance, radiation resistance), etc., and at the same time, satisfy the light weight from the viewpoint of energy saving and easy workability.
A carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer that is not substantially oxidized even at a high temperature of 1000 ° C. or higher can be manufactured by a simpler method and at low cost. Therefore, the carbonaceous material having the oxidation-resistant protective layer manufactured as described above can be used very suitably in the fields of, for example, materials for various kiln tools, manufacture of parts made of aluminum alloy and copper alloy, and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係る耐酸化保護層を有する炭素質材
料の基体として使用する、Si−SiC系複合材料およ
びSiC系複合材料の基本構造をなすヤーン集合体の構
造を模式的に示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a structure of a Si—SiC-based composite material and a yarn aggregate that is a basic structure of the SiC-based composite material used as a substrate of a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer according to the present invention. FIG.

【図2】 (a)は、Si−SiC系複合材料を図1の
IIa−IIa線で切断した場合の断面図であり、
(b)は、同材料を図1のIIb−IIb線で切断した
場合の断面図である。
FIG. 2A is a cross-sectional view of a Si—SiC-based composite material cut along a line IIa-IIa in FIG. 1;
FIG. 2B is a cross-sectional view of the same material taken along line IIb-IIb in FIG. 1.

【図3】 (a)は、SiC系複合材料を図1のIIa
−IIa線で切断した場合の断面図であり、(b)は、
同材料を図1のIIb−IIb線で切断した場合の断面
図である。
FIG. 3A shows a SiC-based composite material IIa in FIG.
FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line IIa, and FIG.
It is sectional drawing at the time of cutting | disconnecting the same material along the IIb-IIb line of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1A、1B、1C、1D、1Eおよび1F…ヤーン配列
体、2A…ヤーン、2B…ヤーン、3…繊維束(ヤー
ン)、4A…炭化珪素相、4B…炭化珪素相、4C…炭
化珪素相、5A…Si−SiC系材料相、5B…Si−
SiC系材料相、5C…Si−SiC系材料相、6…ヤ
ーン集合体、7…繊維複合材料、8A…マトリックス、
8B…マトリックス、11A、11B、11C、11
D、11Eおよび11F…ヤーン配列体、12A…ヤー
ン、12B…ヤーン、13…繊維束(ヤーン)、14…
炭化珪素相、15…空隙、16…ヤーン集合体、17…
繊維複合材料、18A…マトリックス、18B…マトリ
ックス、19…小突起部。
1A, 1B, 1C, 1D, 1E and 1F ... yarn arrangement, 2A ... yarn, 2B ... yarn, 3 ... fiber bundle (yarn), 4A ... silicon carbide phase, 4B ... silicon carbide phase, 4C ... silicon carbide phase, 5A ... Si-SiC material phase, 5B ... Si-
SiC-based material phase, 5C: Si-SiC-based material phase, 6: Yarn aggregate, 7: Fiber composite material, 8A: Matrix,
8B ... matrix, 11A, 11B, 11C, 11
D, 11E and 11F ... yarn arrangement, 12A ... yarn, 12B ... yarn, 13 ... fiber bundle (yarn), 14 ...
Silicon carbide phase, 15 ... voids, 16 ... yarn aggregate, 17 ...
Fiber composite material, 18A matrix, 18B matrix, 19 small projections.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 BN(窒化ほう素)粉体を分散媒中に分
散、懸濁した後、得られた懸濁液を、炭素質材料の表面
に塗布した後、乾燥し、不活性雰囲気下で、高温焼成す
ることにより、前記炭素質材料の表面に、B4C(炭化
ほう素)を主成分とする耐酸化保護層を形成させること
を特徴とする耐酸化保護層を有する炭素質材料の製造方
法。
1. A BN (boron nitride) powder is dispersed and suspended in a dispersion medium, and the resulting suspension is applied to the surface of a carbonaceous material, dried, and dried under an inert atmosphere. A carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer, characterized in that an oxidation-resistant protective layer containing B 4 C (boron carbide) as a main component is formed on the surface of the carbonaceous material by firing at a high temperature. Manufacturing method.
【請求項2】 炭素質材料が、C/Cコンポジット、S
i−SiC系複合材料、SiC系複合材料、または珪化
金属含浸複合材料から選択される1種の材料である請求
項1に記載の耐酸化保護層を有する炭素質材料の製造方
法。
2. The method according to claim 1, wherein the carbonaceous material is C / C composite, S
The method for producing a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer according to claim 1, wherein the carbonaceous material is one material selected from an i-SiC-based composite material, a SiC-based composite material, and a metal silicide-impregnated composite material.
【請求項3】 懸濁液の塗布が、炭素質材料を加熱しな
がら実施される請求項1又は2に記載の耐酸化保護層を
有する炭素質材料の製造方法。
3. The method for producing a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer according to claim 1, wherein the application of the suspension is performed while heating the carbonaceous material.
【請求項4】 BNを塗布、乾燥後、2000℃以上の
温度で焼成し、B4Cを主成分とする耐酸化保護層を形
成させる請求項1〜3のいずれか1項に記載の耐酸化保
護層を有する炭素質材料の製造方法。
4. The acid resistance according to claim 1, wherein BN is applied and dried, and then fired at a temperature of 2000 ° C. or more to form an oxidation resistant protective layer containing B 4 C as a main component. A method for producing a carbonaceous material having a protective layer.
【請求項5】 耐酸化保護層の厚さが、30〜300μ
mである請求項1〜4のいずれか1項に記載の耐酸化保
護層を有する炭素質材料の製造方法。
5. The oxidation-resistant protective layer has a thickness of 30 to 300 μm.
5. The method for producing a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer according to claim 1, wherein m is m.
【請求項6】 大気中で少なくとも800℃で実質的に
酸化されることがない請求項1〜5のいずれか1項に記
載の耐酸化保護層を有する炭素質材料の製造方法。
6. The method for producing a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer according to claim 1, which is substantially not oxidized at least at 800 ° C. in the atmosphere.
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