JP2002265272A - 繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料 - Google Patents
繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料Info
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- JP2002265272A JP2002265272A JP2001061745A JP2001061745A JP2002265272A JP 2002265272 A JP2002265272 A JP 2002265272A JP 2001061745 A JP2001061745 A JP 2001061745A JP 2001061745 A JP2001061745 A JP 2001061745A JP 2002265272 A JP2002265272 A JP 2002265272A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 強化繊維である炭素繊維の表面に、窒化珪素
との結合強度を高める被膜を形成した、繊維強化窒化珪
素セラミツク複合材料を得る。 【解決手段】 不純物として５％以下の鉄を含む窒化珪
素と、焼結助剤と、炭化珪素の被膜を有する炭素繊維と
を均一に混合し、さらにWSi2の被膜５を備えたタングス
テン線６を表面層１２ａに混在させた原料から構造体１
２を成形して焼結する。
との結合強度を高める被膜を形成した、繊維強化窒化珪
素セラミツク複合材料を得る。 【解決手段】 不純物として５％以下の鉄を含む窒化珪
素と、焼結助剤と、炭化珪素の被膜を有する炭素繊維と
を均一に混合し、さらにWSi2の被膜５を備えたタングス
テン線６を表面層１２ａに混在させた原料から構造体１
２を成形して焼結する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は例えば内燃機関のシ
リンダライナ、ピストン冠部などに適する耐熱性と機械
強度に優れた、特に靭性に優れた繊維強化窒化珪素セラ
ミツク複合材料に関するものである。
リンダライナ、ピストン冠部などに適する耐熱性と機械
強度に優れた、特に靭性に優れた繊維強化窒化珪素セラ
ミツク複合材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、窒化珪素セラミツクの機械的強
度、特に靭性を高めた複合材料として知られる、窒化珪
素の基材に炭化珪素繊維、炭素繊維などの強化繊維を混
在させた繊維強化セラミツク複合材料は、焼結時に強化
繊維が劣化する。窒化珪素と強化繊維との界面の結合度
の制御が難しい。材料の緻密化が難しい。材料の割れや
クラツクの進展や挙動が把握できない。…などの問題が
ある。
度、特に靭性を高めた複合材料として知られる、窒化珪
素の基材に炭化珪素繊維、炭素繊維などの強化繊維を混
在させた繊維強化セラミツク複合材料は、焼結時に強化
繊維が劣化する。窒化珪素と強化繊維との界面の結合度
の制御が難しい。材料の緻密化が難しい。材料の割れや
クラツクの進展や挙動が把握できない。…などの問題が
ある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は上述の
問題に鑑み、強化繊維である炭化珪素繊維、炭素繊維な
どの表面に、基材である窒化珪素との結合強度を高める
被膜を形成した、繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料
を提供することにある。
問題に鑑み、強化繊維である炭化珪素繊維、炭素繊維な
どの表面に、基材である窒化珪素との結合強度を高める
被膜を形成した、繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料
を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の構成は窒化珪素と焼結助剤との混合粉末か
ら焼結される基材に、炭化珪素の被膜を有する炭素繊維
と、WSi2の被膜を有するタングステン線とが分散するこ
とを特徴とする。
に、本発明の構成は窒化珪素と焼結助剤との混合粉末か
ら焼結される基材に、炭化珪素の被膜を有する炭素繊維
と、WSi2の被膜を有するタングステン線とが分散するこ
とを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明では強化繊維と窒化珪素と
の結合強度を高めるために、予め炭素繊維などの表面に
炭化珪素の被膜を形成する。
の結合強度を高めるために、予め炭素繊維などの表面に
炭化珪素の被膜を形成する。
【０００６】また、繊維強化窒化珪素セラミツク複合材
料からなる基材ないし構造体の摩耗や疲労を検知するた
めに、繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料からなる構
造体の表面層に、珪化タングステンWSi2の被膜を備えた
タングステン線からなる短繊維を混在させる。構造体の
表面に摩耗やクラツクが生じた時、タングステン線の電
気抵抗の変化から構造体の交換時期を判定する。珪化タ
ングステンWSi2の被膜は、繊維強化窒化珪素セラミツク
複合材料の焼結時に珪素とタングステン線との反応によ
り形成する。
料からなる基材ないし構造体の摩耗や疲労を検知するた
めに、繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料からなる構
造体の表面層に、珪化タングステンWSi2の被膜を備えた
タングステン線からなる短繊維を混在させる。構造体の
表面に摩耗やクラツクが生じた時、タングステン線の電
気抵抗の変化から構造体の交換時期を判定する。珪化タ
ングステンWSi2の被膜は、繊維強化窒化珪素セラミツク
複合材料の焼結時に珪素とタングステン線との反応によ
り形成する。
【０００７】
【実施例】図１に示すように、本発明による繊維強化窒
化珪素セラミツク複合材料は、窒化珪素の粉末と、焼結
剤の粉末と、線径が約６ｍｍ、長さ０．５〜２０ｍｍの
炭素繊維とを混合して所定形状の構造体１２を成形し、
温度約１６００℃の窒素雰囲気で焼結したものである。
好ましくは、構造体１２の摩耗やクラツクの有無を検出
するために、表面層１２ａに珪化タングステンWSi2の厚
さ約２μｍの被膜５を形成した線径約４６μｍのタング
ステン線６を埋め込む。
化珪素セラミツク複合材料は、窒化珪素の粉末と、焼結
剤の粉末と、線径が約６ｍｍ、長さ０．５〜２０ｍｍの
炭素繊維とを混合して所定形状の構造体１２を成形し、
温度約１６００℃の窒素雰囲気で焼結したものである。
好ましくは、構造体１２の摩耗やクラツクの有無を検出
するために、表面層１２ａに珪化タングステンWSi2の厚
さ約２μｍの被膜５を形成した線径約４６μｍのタング
ステン線６を埋め込む。
【０００８】図２，３に示すように、窒化珪素２の母材
に対する炭素繊維３の結合強度を高めるために、炭素繊
維３の表面にはRB-SiCの被膜３ａが形成される。RB-SiC
の被膜３ａを形成するには、炭素繊維３の表面にフエノ
ール樹脂を塗布したうえ、温度約１６００℃で焼成する
と、フエノール樹脂の塗膜が多孔質の炭化物層に変化す
る。
に対する炭素繊維３の結合強度を高めるために、炭素繊
維３の表面にはRB-SiCの被膜３ａが形成される。RB-SiC
の被膜３ａを形成するには、炭素繊維３の表面にフエノ
ール樹脂を塗布したうえ、温度約１６００℃で焼成する
と、フエノール樹脂の塗膜が多孔質の炭化物層に変化す
る。
【０００９】不純物として約０．１〜５％の４酸３化鉄
Fe3O4 を含む珪素粉末に、フエノール樹脂を塗布した炭
素繊維と、アルミナAL2O3 粉末と、イツトリアY2O3粉末
と、酸化マンガンMnO 粉末とを添加して混合し、混合物
から所要の構造体を成形する。次いで、構造体を温度約
１６００℃の窒素雰囲気で焼成すると、フエノール樹脂
が多孔質の炭化物層に変化し、炭化物層へ珪素が含浸さ
れ、炭素繊維３の塗膜がRB-SiCの被膜３ａに変化し、母
材である窒化珪素２と被膜３ａとの結合度が高められ
る。また、炭素繊維３の被膜３ａが保護膜となり、焼結
時の炭素繊維３の劣化が抑制される。
Fe3O4 を含む珪素粉末に、フエノール樹脂を塗布した炭
素繊維と、アルミナAL2O3 粉末と、イツトリアY2O3粉末
と、酸化マンガンMnO 粉末とを添加して混合し、混合物
から所要の構造体を成形する。次いで、構造体を温度約
１６００℃の窒素雰囲気で焼成すると、フエノール樹脂
が多孔質の炭化物層に変化し、炭化物層へ珪素が含浸さ
れ、炭素繊維３の塗膜がRB-SiCの被膜３ａに変化し、母
材である窒化珪素２と被膜３ａとの結合度が高められ
る。また、炭素繊維３の被膜３ａが保護膜となり、焼結
時の炭素繊維３の劣化が抑制される。
【００１０】構造体１２の表面層１２ａは、窒化珪素２
の母材に炭素繊維３と鉄の化合物４と珪化タングステン
WSi2の被膜５を備えたタングステン線６とが混在する。
の母材に炭素繊維３と鉄の化合物４と珪化タングステン
WSi2の被膜５を備えたタングステン線６とが混在する。
【００１１】本発明による繊維強化窒化珪素セラミツク
複合材料を製造するには、予め４酸化３鉄Fe3O4 を含む
珪素Siと、焼結助剤（アルミナAl2O3 、イツトリアY
2O3、酸化マンガンMnO ）と、フエノール樹脂で表面を
被覆した適当な長さの炭素繊維とを、ニーダにより均一
に混練して混練物を作成する。得られた混練物に適量の
水を加えてスラリを作成する。多数の線径４６μｍのタ
ングステン線を任意の間隔で底部に配置した石膏型に、
上述のスラリを流し込み、スリツプキヤスト成形により
所望の構造体を成形する。脱型後に十分乾燥し、温度約
５５０℃の窒素雰囲気で加熱し、フエノール樹脂を炭化
させて炭素繊維の表面に多孔質の炭化物層を形成する。
次いで、温度１４５０℃の窒素雰囲気で反応焼結し、さ
らに温度１６００℃の窒素雰囲気で焼結する。反応焼結
時に炭素繊維の表面に形成された多孔質の炭化物層に珪
素が含浸し、炭素繊維の表面に反応焼結による炭化珪素
の被膜が形成される。
複合材料を製造するには、予め４酸化３鉄Fe3O4 を含む
珪素Siと、焼結助剤（アルミナAl2O3 、イツトリアY
2O3、酸化マンガンMnO ）と、フエノール樹脂で表面を
被覆した適当な長さの炭素繊維とを、ニーダにより均一
に混練して混練物を作成する。得られた混練物に適量の
水を加えてスラリを作成する。多数の線径４６μｍのタ
ングステン線を任意の間隔で底部に配置した石膏型に、
上述のスラリを流し込み、スリツプキヤスト成形により
所望の構造体を成形する。脱型後に十分乾燥し、温度約
５５０℃の窒素雰囲気で加熱し、フエノール樹脂を炭化
させて炭素繊維の表面に多孔質の炭化物層を形成する。
次いで、温度１４５０℃の窒素雰囲気で反応焼結し、さ
らに温度１６００℃の窒素雰囲気で焼結する。反応焼結
時に炭素繊維の表面に形成された多孔質の炭化物層に珪
素が含浸し、炭素繊維の表面に反応焼結による炭化珪素
の被膜が形成される。
【００１２】上述の繊維強化窒化珪素セラミツク複合材
料からなる構造体に剪断力が働くと、窒化珪素２の母材
と炭素繊維３のRB-SiCの被膜３ａとの間での滑りと、RB
-SiCの被膜３ａと炭素繊維３との間での滑りとが２段階
に生じ、構造体１２の靭性が大幅に向上する。換言すれ
ば、窒化珪素２の母材とRB-SiCの被膜３ａとの炭素相互
の結びつきと、RB-SiCの被膜３ａと炭素繊維３との珪素
相互の結びつきとによりそれぞれの滑りが抑制される。
料からなる構造体に剪断力が働くと、窒化珪素２の母材
と炭素繊維３のRB-SiCの被膜３ａとの間での滑りと、RB
-SiCの被膜３ａと炭素繊維３との間での滑りとが２段階
に生じ、構造体１２の靭性が大幅に向上する。換言すれ
ば、窒化珪素２の母材とRB-SiCの被膜３ａとの炭素相互
の結びつきと、RB-SiCの被膜３ａと炭素繊維３との珪素
相互の結びつきとによりそれぞれの滑りが抑制される。
【００１３】図２に示すように、本発明による繊維強化
窒化珪素セラミツク複合材料は炭素繊維３の表面の多孔
質の炭化物層の被膜と窒化珪素２の珪素とが優先的に反
応し、炭化珪素層を形成するので、炭化珪素と炭素繊維
３との結合度はそれほど強固ではない。また、窒化珪素
２と炭化珪素層とは、珪素Siと酸素O の反応層により結
合されている。このため、本発明による繊維強化窒化珪
素セラミツク複合材料が破壊する際には、まず炭素繊維
３と炭化珪素層との間で炭素繊維３の引き抜けが生じ
る。次いで、炭化珪素層と窒化珪素２との間で引き抜け
が生じる。この結果、破壊エネルギが大きくなり、高い
靭性を示す。
窒化珪素セラミツク複合材料は炭素繊維３の表面の多孔
質の炭化物層の被膜と窒化珪素２の珪素とが優先的に反
応し、炭化珪素層を形成するので、炭化珪素と炭素繊維
３との結合度はそれほど強固ではない。また、窒化珪素
２と炭化珪素層とは、珪素Siと酸素O の反応層により結
合されている。このため、本発明による繊維強化窒化珪
素セラミツク複合材料が破壊する際には、まず炭素繊維
３と炭化珪素層との間で炭素繊維３の引き抜けが生じ
る。次いで、炭化珪素層と窒化珪素２との間で引き抜け
が生じる。この結果、破壊エネルギが大きくなり、高い
靭性を示す。
【００１４】図４に示すように、本発明による繊維強化
窒化珪素セラミツク複合材料からなる構造体１２の表面
層１２ａにはタングステン線６が配設されるので、表面
層１２ａと相手材１３との摺動摩擦により、タングステ
ン線６の被膜５が摩耗すると、タングステン線６の電気
抵抗が変化する。すなわち、被膜５の比抵抗は３３．４
μｍ・Ω・ｃｍであるのに対し、タングステンの比抵抗
は５．６μｍ・Ω・ｃｍであるので、被膜５の摩滅によ
りタングステン線６の電気抵抗が著しく変化し、タング
ステン線６の電気抵抗の変化から構造体１２の交換時期
を判定することができる。
窒化珪素セラミツク複合材料からなる構造体１２の表面
層１２ａにはタングステン線６が配設されるので、表面
層１２ａと相手材１３との摺動摩擦により、タングステ
ン線６の被膜５が摩耗すると、タングステン線６の電気
抵抗が変化する。すなわち、被膜５の比抵抗は３３．４
μｍ・Ω・ｃｍであるのに対し、タングステンの比抵抗
は５．６μｍ・Ω・ｃｍであるので、被膜５の摩滅によ
りタングステン線６の電気抵抗が著しく変化し、タング
ステン線６の電気抵抗の変化から構造体１２の交換時期
を判定することができる。
【００１５】図５に示すように、構造体１２の表面のク
ラツク１４が被膜５に達した場合にも、同様にタングス
テン線６の電気抵抗の変化から、構造体１２の交換時期
を判定することができる。
ラツク１４が被膜５に達した場合にも、同様にタングス
テン線６の電気抵抗の変化から、構造体１２の交換時期
を判定することができる。
【００１６】
【発明の効果】上述のように、本発明による繊維強化窒
化珪素セラミツク複合材料は窒化珪素と焼結助剤との混
合粉末から焼結される基材に、炭化珪素の被膜を有する
炭素繊維と、WSi2の被膜を有するタングステン線とが分
散するものであり、炭素繊維の引抜けが２段階に生じる
ので、材料の高強度、高靭性が得られる。
化珪素セラミツク複合材料は窒化珪素と焼結助剤との混
合粉末から焼結される基材に、炭化珪素の被膜を有する
炭素繊維と、WSi2の被膜を有するタングステン線とが分
散するものであり、炭素繊維の引抜けが２段階に生じる
ので、材料の高強度、高靭性が得られる。
【００１７】炭素繊維に炭化珪素の被膜を形成したの
で、焼結時の炭素繊維の劣化が抑制される。
で、焼結時の炭素繊維の劣化が抑制される。
【００１８】炭素繊維と炭化珪素の被膜は反応しないの
で、両者の結合度つまり界面の制御が容易である。
で、両者の結合度つまり界面の制御が容易である。
【００１９】焼結助剤として酸化マンガンを添加したの
で、焼結時の液相生成温度が低くなり、温度１６００℃
でも窒化珪素の緻密化と粒成長が得られる。
で、焼結時の液相生成温度が低くなり、温度１６００℃
でも窒化珪素の緻密化と粒成長が得られる。
【００２０】焼結助剤としての酸化マンガンに含まれる
マンガンMnと、酸化鉄に含まれる鉄Feとが触媒となり、
珪素の窒化と炭化珪素の生成を促進させる。
マンガンMnと、酸化鉄に含まれる鉄Feとが触媒となり、
珪素の窒化と炭化珪素の生成を促進させる。
【００２１】摩耗やクラツクによりタングステン線の被
膜の断面積が変化すると、タングステン線の電気抵抗の
変化から材料の損傷の程度を判定できる。
膜の断面積が変化すると、タングステン線の電気抵抗の
変化から材料の損傷の程度を判定できる。
【図１】本発明に係る繊維強化窒化珪素セラミツク複合
材料の正面断面図である。
材料の正面断面図である。
【図２】同繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料におけ
る窒化珪素と炭素繊維との結合部を示す斜視図である。
る窒化珪素と炭素繊維との結合部を示す斜視図である。
【図３】炭素繊維の被膜を示す正面断面図である。
【図４】同繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料の摩耗
状態を示す正面断面図である。
状態を示す正面断面図である。
【図５】同繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料のクラ
ツク発生状態を示す正面断面図である。
ツク発生状態を示す正面断面図である。
２：窒化珪素 ３：炭素繊維 ３ａ：被膜 ４：鉄の化
合物 ５：被膜 ６：タングステン線 ４ａ：被膜 １
２：構造体 １２ａ：表面層 １３：相手材 １４：ク
ラツク
合物 ５：被膜 ６：タングステン線 ４ａ：被膜 １
２：構造体 １２ａ：表面層 １３：相手材 １４：ク
ラツク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G024 AA26 AA27 HA10 HA11 HA18 4G001 BA01 BA03 BA09 BA32 BA61 BA62 BA78 BA86 BB01 BB03 BB09 BB22 BB32 BB48 BB61 BB86 BC11 BC21 BC52 BC54 BD01 BD12 BD13 BD16 BE15
Claims (5)
- 【請求項１】窒化珪素と焼結助剤との混合粉末から焼結
される基材に、炭化珪素の被膜を有する炭素繊維と、WS
i2の被膜を有するタングステン線とが分散することを特
徴とする、繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料。 - 【請求項２】窒化珪素と焼結助剤との混合粉末から焼結
される基材の表面層に、前記WSi2の被膜を有するタング
ステン線と炭化珪素の被膜を有する炭素繊維とが分散
し、前記基材の中心層には炭化珪素の被膜を有する炭素
繊維が分散していることを特徴とする、繊維強化窒化珪
素セラミツク複合材料。 - 【請求項３】前記焼結助剤がアルミナAl2O3 と、イツト
リアY2O3と、酸化マンガンMnO である、請求項１に記載
の繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料。 - 【請求項４】前記炭素繊維の表面に形成された炭化珪素
の被膜が、炭素繊維の表面に予め形成した多孔質炭化層
に珪素を含浸しかつ反応焼結してなる、請求項１に記載
の繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料。 - 【請求項５】前記窒化珪素は５％以下の鉄を含んでい
る、繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001061745A JP2002265272A (ja) | 2001-03-06 | 2001-03-06 | 繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001061745A JP2002265272A (ja) | 2001-03-06 | 2001-03-06 | 繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002265272A true JP2002265272A (ja) | 2002-09-18 |
Family
ID=18920986
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001061745A Pending JP2002265272A (ja) | 2001-03-06 | 2001-03-06 | 繊維強化窒化珪素セラミツク複合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002265272A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012500941A (ja) * | 2008-08-25 | 2012-01-12 | − グスタフ、エー． ライサー、ハインツ | ロータリ・ピストン内燃機関 |
| WO2017117083A1 (en) * | 2015-12-28 | 2017-07-06 | Federal-Mogul Corporation | Piston including a composite layer applied to metal substrate |
-
2001
- 2001-03-06 JP JP2001061745A patent/JP2002265272A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012500941A (ja) * | 2008-08-25 | 2012-01-12 | − グスタフ、エー． ライサー、ハインツ | ロータリ・ピストン内燃機関 |
| WO2017117083A1 (en) * | 2015-12-28 | 2017-07-06 | Federal-Mogul Corporation | Piston including a composite layer applied to metal substrate |
| JP2019507287A (ja) * | 2015-12-28 | 2019-03-14 | テネコ・インコーポレイテッドＴｅｎｎｅｃｏ Ｉｎｃ． | 金属基板に塗布された複合層を含むピストン |
| US10443537B2 (en) | 2015-12-28 | 2019-10-15 | Tenneco Inc. | Piston including a composite layer applied to a metal substrate |
| US11511515B2 (en) | 2015-12-28 | 2022-11-29 | Tenneco Inc. | Piston including a composite layer applied to a metal substrate |
| US11850773B2 (en) | 2015-12-28 | 2023-12-26 | Tenneco Inc. | Piston including a composite layer applied to metal substrate |
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