JP2004067481A - High heat resistance inorganic fiber bonded ceramics and method for manufacturing the same - Google Patents

High heat resistance inorganic fiber bonded ceramics and method for manufacturing the same Download PDF

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Kenji Matsunaga
松永 賢二
Shinji Kajii
梶井 紳二
Toshihiko Nunogami
布上 俊彦
Mitsuhiko Sato
佐藤 光彦
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Ube Corp
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Ube Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a thick shape article of high heat resistance inorganic fiber bonded ceramics having stable quality, an excellent heat resistance and smoothness. <P>SOLUTION: The thick shape article is formed by hot pressing a preform consisting of (A) and (B) or (C) and (D) integrated with a laminate of (A) the inorganic fiber bonded ceramics mainly consisting of a sintered structure of SiC and boundary layers essentially consisting of the inorganic fibers containing specific metal atoms and carbon and (B) the inorganic fibers containing specific metal atoms or a laminate of (C) the inorganic fiber bonded ceramics consisting of the inorganic fibers mainly composed of Si, M, C and O and boundary layers essentially consisting of inorganic materials and C, and (D) the inorganic fibers of which the inside surface layers are composed of the assemblage of an amorphous material consisting of Si, M, C, and O, crystalline superfine particles of β-SiC, MC and C and amorphous materials of SiO<SB>2</SB>and MO<SB>2</SB>and of which the surface layers are composed of an amorphous material consisting of Si and O and crystalline materials of crystalline SiO<SB>2</SB>and MO<SB>2</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、1200℃以上という極めて高い耐熱性を必要とする部位で使用可能な厚肉形状の高耐熱性無機繊維結合セラミックス及びその製造方法に関する。特に、1度のホットプレス製造では製造不可能な厚肉の高温部材であって、高い表面平滑性と緻密性を有し、かつ高い破壊抵抗を要求される部材、たとえば、発電用、又は航空機用ガスタービンの高温部材などに適用出来る。
【0002】
【従来の技術】
炭化ケイ素、窒化ケイ素などに代表される単体のセラミックス材料は、1300℃以上の高温で優れた強度を示すことから、高効率ガスタービン用部材として期待されているが、単体セラミックス固有の欠点である脆さを有しており、内在する小さな気孔、或いはクラックに非常に敏感であることから信頼性に劣る。特に大物形状では、寸法効果を考慮するとかなりの安全率を見込まなければならない。したがって、高耐熱性、高強度な単体セラミックスの厚肉部材は信頼性が低いため、高耐熱性を有し、かつ信頼性の高い、厚肉部材など大物形状の高温材料が望まれている。
【0003】
一方、カーボン繊維強化カーボン基複合材料(以下、C/C複合材料と記載する)、並びにセラミックス繊維強化セラミックス基複合材料(以下、CMCと記載する)は、上記のような単体セラミックスの脆さを、高温特性を低下させることなく改善した高靭性な材料であり、高温材料として盛んに研究が進められている。これら種々の複合材料は、化学蒸着気相法(CVD法)、化学浸透気相法(CVI法)、又はポリマー含浸法(PIP法)などにより製造されていることから、数十%のボイドが残存している。
したがって、機械加工を施すと表面にそのボイドが現れて、表面平滑性を損ねるため、表面平滑性に優れ、かつ耐熱性を有した高靱性、高耐熱性複合材を開発する必要がある。
【0004】
繊維結合型セラミックスは、上述の単体セラミックスと複合材料の欠点を克服した高耐熱性、高靭性、かつ緻密な高温材料である。しかし、繊維結合型セラミックスはホットプレス装置を用いて製造するために、装置の容積やプレスラムの移動距離等の制約から製造可能な肉厚には限界がある。また、製造可能な最大の厚物形状物を製造した場合、装置の性能(均熱範囲、加熱速度等)によっては表面部と内部で力学的特性に差が生じることもある。したがって、品質の安定した繊維結合型セラミックスの厚肉形状物を製造することが望まれている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、品質が安定し、かつ耐熱性及び平滑性に優れた、厚肉形状の高耐熱性無機繊維結合セラミックス及びその製造方法を提供することであり、表面平滑性、並びに極めて高い耐熱性、高い破壊抵抗を要求される厚肉部材、たとえば、発電用、又は航空機用ガスタービンなどの高温部材に適用出来る。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、
(A)主としてSiCの焼結構造からなる無機繊維であって、0.01〜1重量%のO、及び2A族、3A族及び3B族の金属原子からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を含有する無機繊維が最密充填に極めて近い構造に結合し、繊維間には1〜100nmのCを主成分とする境界層が形成されてなる無機繊維結合セラミックスであって、かつ、繊維の積層方向の厚みが19mm超であることを特徴とする厚肉形状の無機繊維結合セラミックスが提供される。
また、本発明によれば、
(A)主としてSiCの焼結構造からなる無機繊維であって、0.01〜1重量%のO、及び2A族、3A族及び3B族の金属原子からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を含有する無機繊維が最密充填に極めて近い構造に結合し、繊維間には1〜100nmのCを主成分とする境界層が形成されている無機繊維結合セラミックスと、
(B)(a)ケイ素原子に対する炭素原子の割合がモル比で1.5以上であるポリシラン或いはその加熱反応物に、2A族、3A族及び3B族の金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素含有有機ケイ素重合体を調製する第1行程、(b)金属元素含有有機ケイ素重合体を溶融紡糸して紡糸繊維を得る第2行程、(c)紡糸繊維を酸素含有雰囲気中50〜170℃で加熱して不融化繊維を調製する第3行程によって得られる不融化繊維の積層物、又は、(d)前記不融化繊維を不活性ガス中で無機化する第4行程によって得られる無機化繊維の積層物とを、
一体にした(A)と(B)からなる予備成形体をカーボンダイスにセットして、真空、不活性ガス、還元ガス及び炭化水素からなる群から選ばれる少なくとも1種からなる雰囲気中で、1700〜2200℃の範囲の温度で100〜1000kg/cmの加圧下でホットプレス処理することを特徴とする厚肉形状の無機繊維結合セラミックスの製造方法が提供される。
【0007】
さらに、本発明によれば、
(C)(i)下記(a)及び/又は(b)からなる無機繊維と、
(a)Si、M、C及びOからなる非晶質物質(MはTi又はZrを示す)、
(b)▲1▼β−SiC、MC及びCの結晶質微粒子と、▲2▼SiO及びMOの非晶質物質との集合体、
(ii)前記無機繊維の間隙を充填する、下記(c)及び/又は(d)からなり、場合により(e)が分散した無機物質と、
(c)Si及びO、場合によりMからなる非晶質物質、
(d)結晶質のSiO及びMOからなる結晶質物質、
(e)100nm以下の粒径のMCからなる結晶質微粒子無機物質、
(iii)上記無機繊維の表面に形成された、Cを主成分とする、場合により100nm以下の粒径のMCからなる結晶質粒子が分散した、1から100nmの境界層、
から構成されてなる無機繊維結合セラミックスであって、かつ繊維の積層方向の厚みが65mm超であることを特徴とする厚肉形状の無機繊維結合セラミックスが提供される。
また、本発明によれば、
(C)(i)下記(a)及び/又は(b)からなる無機繊維と、
(a)Si、M、C及びOからなる非晶質物質(MはTi又はZrを示す)、
(b)▲1▼β−SiC、MC及びCの結晶質微粒子と、▲2▼SiO及びMOの非晶質物質との集合体、
(ii)前記無機繊維の間隙を充填する、下記(c)及び/又は(d)からなり、場合により(e)が分散した無機物質と、
(c)Si及びO、場合によりMからなる非晶質物質、
(d)結晶質のSiO及びMOからなる結晶質物質、
(e)100nm以下の粒径のMCからなる結晶質微粒子無機物質、
(iii)上記無機繊維の表面に形成された、Cを主成分とする、場合により100nm以下の粒径のMCからなる結晶質粒子が分散した、1から100nmの境界層、
から構成されてなる無機繊維結合セラミックスと、
(D)内面層と表面層とからなる無機繊維であって、内面層が、
(a)Si、M、C及びOからなる非晶質物質(MはTi又はZrを示す。)、
(b)β−SiC、MC及びCの結晶質超微粒子と、SiO及びMOの非晶質物質との集合体、又は
(c)上記(a)の非晶質物質と上記(b)の集合体との混合物を含有する無機質物質で構成され、表面層が、
(d)Si及びO、場合によりMからなる非晶質物質、
(e)結晶質のSiO及び/又はMOからなる結晶質物質、又は
(f)上記(d)の非晶質物質と上記(e)の結晶質物質との混合物を含有する無機質物質で構成され、かつ、表面層の厚さT(単位μm)がT=aD(ここで、aは0.023〜0.053の範囲内の数値であり、Dは無機繊維の直径(単位μm)である。)を満足する無機繊維の積層物とを、
一体にした(C)と(D)からなる予備成形体をカーボンダイスにセットして、不活性ガス雰囲気中、1500〜2000℃の範囲の温度で100〜1000kg/cmの加圧下でホットプレス処理することを特徴とする厚肉形状の無機繊維結合セラミックスの製造方法が提供される。
【0008】
本発明では、従来、製造することができなかった2種類の無機繊維結合セラミックス((A)、(C))の厚肉形状物を、前記2種類の無機繊維結合型セラミックスとそれらを製造する際の原料である2種類の無機繊維からなる積層物((B)、(D))とを一体化させることにより厚肉形状の高耐熱性無機繊維結合セラミックスを製造する方法を提案している。
まず、請求項1及び2の厚肉形状の無機繊維結合セラミックス及びその製造方法について説明する。
【0009】
無機繊維結合セラミックス(A)を構成する繊維材は、主としてSiCの焼結構造からなる無機繊維であって、0.01〜1重量%のO、及び2A族、3A族及び3B族の金属原子からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を含有し、最密充填に極めて近い構造に結合している。
SiCの焼結構造からなる無機繊維は、主としてβ−SiCの多結晶焼結構造からなり、あるいはさらに、β−SiC及びCの結晶質微粒子からなる。Cの微結晶及び/又は極微量のOを含有する、β−SiC結晶粒子同士が粒界第2相を介すことなく焼結した領域ではSiC結晶間の強固な結合が得られる。仮に無機繊維中で破壊が起こる場合でも、少なくとも30%以上の領域でSiCの結晶粒内で進行する。場合によっては、SiC結晶間の粒界破壊領域と粒内破壊領域が混在する。
【0010】
前記繊維材は、2A族、3A族及び3B族の金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を含有する。繊維材を構成する元素の割合は、通常、Si:55〜70重量%、C:30〜45重量%、O:0.01〜1重量%、M(2A族、3A族及び3B族の金属元素):0.05〜4.0重量%、好ましくは、0.1〜2.0重量%である。2A族、3A族及び3B族の金属元素の中では、特にBe、Mg、Y、Ce、B、Alが好ましく、これらはいずれもSiCの焼結助剤として知られているもので、また有機ケイ素ポリマーのSi−H結合と反応し得るキレート化合物やアルキシド化合物が存在するものである。この金属の割合が過度に少ないと繊維材の十分な結晶性が得られず、その割合が過度に高くなると、粒界破壊が多くなり力学的特性の低下を招くことになる。
【0011】
上記無機繊維結合型セラミックス(A)の繊維材同士の境界には非晶質及び結晶質の炭素が、1〜100nmの範囲、好ましくは10〜50nmの厚さで境界層が形成されており、上記に示した構造を反映して、破壊靭性に優れ、かつ緻密であり、1600℃においてもほぼ室温強度を維持している。
【0012】
本発明の上記無機繊維結合型セラミックス(A)の厚肉形状物は、繊維の積層方向の厚みが19mm超である。
この厚肉形状の無機繊維結合セラミックスは、従来法で製造された厚みが19mm以下である上記無機繊維結合型セラミックス(A)と、それを製造する際の原料繊維からなる積層物(B)とを一体にした(A)と(B)からなる予備成形体をカーボンダイスにセットして、真空、不活性ガス、還元ガス及び炭化水素からなる群から選ばれる少なくとも1種からなる雰囲気中で、1700〜2200℃の範囲の温度で100〜1000kg/cmの加圧下でホットプレス処理することにより製造される。
【0013】
積層物(B)は以下の手順で製造される。
まず、(a)ケイ素原子に対する炭素原子の割合がモル比で1.5以上であるポリシラン又はその加熱反応物に、2A族、3A族及び3B族の金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素含有有機ケイ素重合体を調製する第1工程、(b)金属元素含有有機ケイ素重合体を溶融紡糸して紡糸繊維を得る第2工程、(c)紡糸繊維を酸素含有雰囲気中50〜170℃で加熱して不融化繊維を調製する第3工程、(d)不融化繊維を不活性ガス中で無機化する第4工程からなる。
【0014】
第1工程
第1工程では、前駆重合体である金属含有有機ケイ素重合体を調整する。
ポリシランは、例えば「有機ケイ素化合物の化学」化学同人(1972年)に記載の方法に従い、1種類以上のジクロロシランを、ナトリウムを用いた脱塩素反応させることにより得られる、鎖状又は環状の重合体であり、その数平均分子量は通常300〜1000である。本発明におけるポリシランは、ケイ素の側鎖として、水素原子、低級アルキル基、フェニル基又はシリル基を有することができるが、何れの場合も、ケイ素原子に対する炭素原子の割合がモル比で1.5以上であることが必要である。この条件を満足しないと、繊維中の炭素の全てが不融化の際に導入された酸素と共に、焼結に至るまでの昇温過程で炭酸ガスとして脱離し、繊維間の境界炭素層が形成されないので好ましくない。
【0015】
本発明におけるポリシランは、上記の鎖状又は環状のポリシランを加熱して得られる、ポリシラン結合単位に加えて一部にカルボシラン結合を含む有機ケイ素重合体を包含する。このような有機ケイ素合体はそれ自体公知の方法で調製することができる。調製法の例としては、鎖状又は環状のポリシランを400〜700℃の比較的高い温度で加熱反応する方法、このポリシランにフェニル基含有ポリボロシロキサンを加えて250〜500℃の比較的低い温度で加熱反応する方法を挙げることができる。こうして得られる有機ケイ素重合体の数平均分子量は通常1000〜5000である。
【0016】
フェニル含有ポリボロシロキサンは、特開昭53−42300号公報及び同53−50299号公報に記載の方法に従って調製することができる。例えば、フェニル含有ポリボロシロキサンは、ホウ酸と1種類以上のジオルガノクロロシランとの脱塩酸縮合反応によって調製することができ、その数平均分子量は通常500〜10000である。フェニル基含有ポリボロシロキサンの添加量は、ポリシラン100重量部に対して通常15重量部以下である。
【0017】
ポリシランに対して、2A族、3A族及び3B族の金属元素を含有する化合物の所定量を添加し、不活性ガス中、通常250〜350℃の範囲の温度で1〜10時間反応することにより、原料である金属元素含有有機ケイ素重合体を調製することができる。上記金属元素は、最終的に得られる焼結SiC繊維結合体中の金属元素の含有割合が0.05〜4.0重量%になる割合で使用され、具体的割合は本発明の教示に従って当業者が適宜に決定することができる。
また、上記の金属元素含有有機ケイ素重合体は、ポリシランのケイ素原子の少なくとも一部が、金属原子と酸素原子を介してあるいは介さずに結合された構造を有する、橋かけ重合体である。
【0018】
第1工程で添加される2A族、3A族及び3B族の金属元素を含有する化合物としては、前記金属元素のアルコキシド、アセチルアセトキシド化合物、カルボニル化合物、シクロペンタジエニル化合物等を用いることができ、例えば、ベリリウムアセチルアセトナ−ト、マグネシウムアセチルアセトナ−ト、イットリウムアセチルアセトナ−ト、セリウムアセチルアセトナ−ト、ほう酸ブトキシド、アルミニウムアセチルアセトナ−ト等を挙げることができる。
これらはいずれも、ポリシラン或いはその加熱反応物との反応時に生成する有機ケイ素ポリマ−中のSi−H結合と反応して、それぞれの金属元素がSiと直接あるいは他の元素を介して結合した構造を生成し得るものである。
【0019】
第2工程
第2工程においては、金属元素含有有機ケイ素重合体の紡糸繊維を得る。
前駆重合体である金属元素含有有機ケイ素重合体を溶融紡糸及び乾式紡糸のようなそれ自体公知の方法によって紡糸し、紡糸繊維を得ることができる。
【0020】
第3工程
第3工程においては、紡糸繊維を酸素含有雰囲気中50〜170℃で加熱して不融化繊維を調製する。
不融化の目的は、紡糸繊維を構成するポリマ−間に酸素原子による橋かけ点を形成させて、後続の無機化工程において不融化繊維が溶融せず、かつ隣接する繊維同士が融着しないようにすることである。
酸素含有雰囲気を構成するガスとしては、不融化時間は不融化温度に依存するが、通常、数分から30時間である。
不融化繊維中の酸素の含有量は8〜16重量%になるようにコントロ−ルすることが望ましい。この酸素の大部分は、次工程の無機化後も繊維中に残存し、最終の焼結に至るまでの昇温過程において、無機繊維中の余剰炭素をCOガスとして脱離させる重要な働きをする。
尚、酸素含有量が8重量%より少ない場合は、無機繊維中の余剰炭素が必要以上に残存し、昇温過程においてSiC結晶の回りに偏析して安定化するためβ−SiC結晶同士が粒界第2相を介すことなく焼結することを阻害し、また、16重量%よりも多い時は、無機繊維中の余剰炭素が完全に脱離して繊維間の境界炭素層が生成しない。これらは、いずれも得られる材料の力学的特性に悪影響を及ぼす。
【0021】
前記不融化繊維は、さらに不活性雰囲気中で予備加熱することが好ましい。
不活性雰囲気を構成するガスとしては、窒素、アルゴンなどを例示することができる。加熱温度は通常150〜800℃であり、加熱時間は数分しかないし20時間である。不融化繊維を不活性雰囲気中で予備加熱することによって、繊維への酸素の取り込みを防止しつつ、繊維を構成するポリマ−の橋かけ反応をより進行させ、前駆体重合体からの不融化繊維の優れた伸びを維持しつつ、強度をより向上させることができる、これにより、次工程の無機化を作業性よく安定に行うことができる。
【0022】
第4工程
第4工程においては、不融化繊維を、連続式又は回分式で、アルゴンのような不活性ガス雰囲気中、1000〜1700℃の範囲内の温度で加熱処理して、無機化する。
【0023】
本発明においては、上記の手順で製造された不融化繊維又は無機化繊維をシート形状物、織物形状物又はチョップ形状物に成形後、それらの少なくとも1種からなる積層物(B)を作製する。
次いで、予め製造した無機繊維結合型セラミックス(A)と上記積層物(B)を一体化させた予備成形体を作製する。この時、一体化の方法には特に限定はなく、出来る限りの厚物形状物を製造するために、例えば無機繊維結合型セラミックス(A)を数枚用意し、それぞれの無機繊維結合型セラミックスの間に積層物(B)を配置してもかまわない。
このようにして得られた予備形状物をカーボンダイスにセットして、真空、不活性ガス、還元ガス及び炭化水素からなる群から選ばれる少なくとも1種からなる雰囲気中で、1700〜2200℃の温度範囲で100〜1000kg/cmの加圧下でホットプレス処理することによって、厚肉形状の無機繊維結合型セラミックスを製造することができる。
尚、加圧するまでの昇温過程において、上記COの脱離速度に合わせた加圧プログラムを組み込んでも良い。
【0024】
次に、請求項3及び4の厚肉形状の無機繊維結合セラミックス及びその製造方法について説明する。
無機繊維結合セラミックス(C)は、
(i)下記(a)及び/又は(b)からなる無機繊維と、
(a)Si、M、C及びOからなる非晶質物質(MはTi又はZrを示す)、
(b)▲1▼β−SiC、MC及びCの結晶質微粒子と、▲2▼SiO及びMOの非晶質物質との集合体、
(ii)前記無機繊維の間隙を充填する、下記(c)及び/又は(d)からなり、場合により(e)が分散した無機物質と、
(c)Si及びO、場合によりMからなる非晶質物質、
(d)結晶質のSiO及びMOからなる結晶質物質、
(e)100nm以下の粒径のMCからなる結晶質微粒子無機物質、
(iii)上記無機繊維の表面に形成された、Cを主成分とする、場合により100nm以下の粒径のMCからなる結晶質粒子が分散した、1から100nmの境界層、
から構成される。
【0025】
無機繊維(i)は、(a)Si、M、C及びOからなる非晶質物質、及び/又は(b)▲1▼β−SiC、MC及びCの結晶質微粒子と、▲2▼SiO及びMOの非晶質物質との集合体、から構成される。結晶質微粒子におけるβ−SiCとMCとはそれらの固溶体として存在することもでき、またMCは炭素欠損状態であるMC1−x(xは0以上で1未満の数である。)として存在することもできる。無機繊維を構成する各元素の割合は、通常、Si:30〜60重量%、M:0.5〜35重量%、好ましくは1〜10重量%、C:25〜40重量%、O:0.01〜30重量%である。無機繊維の相当直径は一般に5〜20μmである。
【0026】
無機繊維結合セラミックス(C)を構成する無機繊維(i)は、80体積%以上、好ましくは85〜91体積%存在する。それぞれの無機繊維の表面には、非晶質及び結晶質の炭素が、1〜100nmの範囲、好ましくは10〜50nmの厚さで境界層として非整合的に層状に生成している。また、場合により境界層には、100nm以下の粒径のMCからなる結晶質粒子が分散している。そして、この無機繊維の間隙を充填するように緻密に、(c)Si及びO、場合によりMからなる非晶質物質、及び/又は(d)結晶質のSiO及びMOからなる結晶質物質が存在している。また、場合により、無機質物質には(e)100nm以下の粒径のMCからなる結晶質微粒子無機物質が分散している。
即ち、無機繊維同士の境界、及び無機質物質と無機繊維の境界に非晶質及び/又は結晶質の炭素が非整合に層状に存在している。無機繊維結合型セラミックス(C)は、上記に示した構造を反映して、破壊靭性に優れ、かつ緻密であり、1500℃における強度は室温強度の80%以上の極めて高い力学的特性を維持している。
【0027】
本発明の上記無機繊維結合型セラミックス(C)の厚肉形状物は、繊維の積層方向の厚みが65mm超である。
この厚肉形状の無機繊維結合セラミックスは、従来法で製造された厚みが65mm以下である上記無機繊維結合型セラミックス(C)と、それを製造する際の原料繊維からなる積層物(D)とを一体にした(C)と(D)からなる予備成形体をカーボンダイスにセットして、不活性ガス雰囲気中、1500〜2000℃の範囲の温度で100〜1000kg/cmの加圧下でホットプレス処理することにより製造される。
【0028】
積層物(D)は以下の手順で製造される。
本発明の原料として使用される無機繊維は、例えば特開昭62−289641号公報に記載の方法に従って、無機繊維を酸化性雰囲気下に500〜1600℃の範囲の温度で加熱することによって調製することができる。この無機質繊維(M:Ti)は宇部興産株式会社からチラノ繊維(登録商標)として市販されている。無機繊維の形態については特別に制限はなく、連続繊維、連続繊維を切断したチョップ状短繊維、或いは連続繊維を一方向に引き揃えたシート状物又は織物であることができる。
【0029】
上記の繊維を空気、純酸素、オゾン、水蒸気、炭酸ガスなどの酸化性雰囲気で加熱処理することによって無機繊維の表面層が形成される。無機繊維の表面層の厚さT(μm)が、T=aD(ここで、aは0.023〜0.053の範囲内の数値であり、Dは無機質繊維の直径(単位μm)である。)を満足するように、加熱処理条件を選択することが必要である。表面層の厚さを上記範囲に厳密に制御することにより、気孔率が2%以下の極めて緻密な無機繊維結合セラミックスを調製することが可能になる。
【0030】
上記加熱処理により、内面層と表面層とからなる無機繊維であって、内面層が、
(a)Si、M、C及びOからなる非晶質物質(MはTi又はZrを示す。)、
(b)β−SiC、MC及びCの結晶質超微粒子と、SiO及びMOの非晶質物質との集合体、又は
(c)上記(a)の非晶質物質と上記(b)の集合体との混合物を含有する無機質物質で構成され、表面層が
(d)Si及びO、場合によりMからなる非晶質物質、
(e)結晶質のSiO及び/又はMOからなる結晶質物質、又は
(f)上記(d)の非晶質物質と上記(e)の結晶質物質との混合物を含有する無機質物質で構成され、かつ、表面層の厚さT(単位μm)がT=aD(ここで、aは0.023〜0.053の範囲内の数値であり、Dは無機繊維の直径(単位μm)である。)を満足する無機繊維が得られる。
次いで、この無機繊維の連続繊維を切断したチョップ状短繊維、或いは連続繊維を一方向に引き揃えたシート状物又は織物の少なくとも1種類の形状を含む積層物(D)を製造する。
【0031】
さらに、予め製造した無機繊維結合型セラミックス(C)と上記積層物(D)を一体にして予備成形体を製造する。この時、一体化の方法には特に限定はなく、出来る限りの厚物形状物を製造するために、例えば無機繊維結合型セラミックス(C)を数枚用意し、それぞれの無機繊維結合型セラミックスの間に積層物(D)を配置してもかまわない。
このようにして得られた予備成形体をカーボンダイスにセットして、不活性ガス雰囲気中、1500〜2000℃の範囲の温度で100〜1000kg/cmの加圧下でホットプレス処理することによって、厚肉形状の無機繊維結合型セラミックスを製造することができる。
【0032】
【実施例】
以下に本発明を更に詳しく説明するために実施例を示す。無機繊維結合型セラミックスの力学的特性は、次のように測定した。
[力学的特性の評価]
オリエンテック製テンシロン万能試験機を用いて繊維強化方向と積層方向の最大曲げ強さを4点曲げ試験により求めた。繊維強化方向の曲げ試験片の形状は、幅4mm、高さ3mm、長さ40mmとし、積層方向の曲げ試験片の形状は、幅5mm、高さ3mm、長さ15mmとした。また、クロスヘッドの速度は0.5mm/minとした。
【0033】
実施例1
まず、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環流させながら、ジメチルジクロロシラン1Lを滴下し、引き続き10時間加熱環流し沈殿物を生成させた。この沈殿をろ過し、メタノール、次いで水で洗浄して、白色のポリジメチルシラン420gを得た。
次に、ジフェニルジクロロシラン750g、及びホウ酸124gを窒素ガス雰囲気下にn−ブチルエーテル中、100〜120℃で加熱し、生成した白色樹脂状物をさらに真空中400℃で1時間加熱処理することによって、フェニル基含有ポリボロシキサン530gを得た。
前述で得られたポリジメチルシラン100部にこのフェニル基含有ポリボロシロキサン4部を添加し、窒素ガス雰囲気中、350℃で5時間熱縮合して、高分子量の有機ケイ素重合体を得た。この有機ケイ素重合体100部を溶解したキシレン溶液にアルミニウム−トリ−(sec−ブトキシド)を7部加え、窒素ガス気流下、310℃で架橋反応させることによって、ポリアルミノカルボシランを合成した。これを245℃で溶融紡糸し、空気中140℃で5時間加熱処理した後、更に窒素中300℃で10時間加熱して不融化繊維を得た。この不融化繊維を窒素中1500℃で連続焼成し、炭化ケイ素系連続無機繊維を合成した。この繊維を織物形状に加工し積層した2つの積層物を作製した。そして、1つの積層物をカーボンダイス内に仕込んだ後、圧力50MPa、温度1850℃で成形し、厚さ18mmの無機繊維結合型セラミックスを得た。この無機繊維結合セラミックスと予め作製したもう1つの積層物を重ねた予備成形体を作製した。この予備成形体をカーボンダイス内に仕込んだ後、圧力50MPa、温度1850℃で成形し、肉厚36mmの無機繊維結合型セラミックスを得た。図1に示すように得れられた厚肉の無機繊維結合型セラミックスから所定の試験片形状に加工し、4点曲げ試験を行った。図2および図3にそれぞれ繊維方向および積層方向の曲げ試験結果を示す。いずれの位置から切り出した試験片もほぼ同等の結果であった。厚肉形状の品質の安定した無機繊維結合型セラミックスを製造することが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の実施例1で得られた高耐熱性無機繊維結合型セラミックスからの4点曲げ試験片の切り出し位置と方向を示す図である。
【図2】図2は、本発明の実施例1で得られた高耐熱性無機繊維結合型セラミックスの繊維方向の4点曲げ試験結果を示す図である。
【図3】図3は、本発明の実施例1で得られた高耐熱性無機繊維結合型セラミックスの積層方向の4点曲げ試験結果を示す図である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thick-walled high-heat-resistant inorganic fiber-bonded ceramic that can be used in a region requiring extremely high heat resistance of 1200 ° C. or higher, and a method for producing the same. In particular, a thick high-temperature member that cannot be manufactured by a single hot press manufacturing, and has high surface smoothness and denseness, and is required to have high fracture resistance, for example, for power generation or aircraft It can be applied to high temperature members of gas turbines for industrial use.
[0002]
[Prior art]
Simple ceramic materials, such as silicon carbide and silicon nitride, are expected to be used as high-efficiency gas turbine components because of their excellent strength at high temperatures of 1300 ° C or higher, but they are inherent disadvantages of simple ceramics. It is fragile and very susceptible to internal small pores or cracks, and thus has poor reliability. In particular, in the case of large objects, a considerable safety factor must be expected in consideration of the size effect. Therefore, since a thick member made of a single ceramic having high heat resistance and high strength has low reliability, a large-sized high-temperature material such as a thick member having high heat resistance and high reliability is desired.
[0003]
On the other hand, a carbon fiber reinforced carbon matrix composite material (hereinafter, referred to as C / C composite material) and a ceramic fiber reinforced ceramic matrix composite material (hereinafter, referred to as CMC) have the above-mentioned brittleness of a single ceramic. It is a high-toughness material that has been improved without deteriorating high-temperature characteristics, and has been actively studied as a high-temperature material. Since these various composite materials are manufactured by a chemical vapor deposition method (CVD method), a chemical osmosis gas phase method (CVI method), or a polymer impregnation method (PIP method), tens of percent of voids are produced. It remains.
Therefore, when machining is performed, voids appear on the surface to impair the surface smoothness. Therefore, it is necessary to develop a high toughness and high heat resistant composite material having excellent surface smoothness and heat resistance.
[0004]
The fiber-bonded ceramic is a high-temperature material with high heat resistance, high toughness, and high density that overcomes the above-mentioned disadvantages of the simple ceramic and the composite material. However, since fiber-bonded ceramics are manufactured using a hot press apparatus, there is a limit to the wall thickness that can be manufactured due to restrictions on the volume of the apparatus and the moving distance of the press ram. In addition, when the thickest shape that can be manufactured is manufactured, there may be a difference in mechanical characteristics between the surface portion and the inside depending on the performance of the apparatus (heating range, heating rate, etc.). Therefore, it is desired to produce a thick-walled fiber-bonded ceramic having a stable quality.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a thick-walled high-heat-resistant inorganic fiber-bonded ceramic having a stable quality and excellent heat resistance and smoothness, and a method for producing the same, and have a high surface smoothness and extremely high surface roughness. The present invention can be applied to a thick member requiring heat resistance and high breaking resistance, for example, a high temperature member such as a power generation or a gas turbine for an aircraft.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention,
(A) An inorganic fiber mainly composed of a sintered structure of SiC, wherein 0.01 to 1% by weight of O and at least one metal selected from the group consisting of metal atoms of groups 2A, 3A and 3B An inorganic fiber-bonded ceramic in which atoms-containing inorganic fibers are bonded in a structure very close to close-packed, and a boundary layer containing 1 to 100 nm of C as a main component is formed between the fibers. A thick inorganic fiber-bonded ceramic characterized by having a thickness in the laminating direction of more than 19 mm.
According to the present invention,
(A) An inorganic fiber mainly composed of a sintered structure of SiC, wherein 0.01 to 1% by weight of O and at least one metal selected from the group consisting of metal atoms of groups 2A, 3A and 3B An inorganic fiber-bonded ceramics in which the inorganic fibers containing atoms are bonded in a structure very close to the closest packing, and between the fibers, a boundary layer mainly composed of 1 to 100 nm of C is formed;
(B) (a) polysilane having a molar ratio of carbon atoms to silicon atoms of 1.5 or more, or a heat-reacted product thereof, containing at least one selected from the group consisting of metal elements of groups 2A, 3A and 3B; (B) melt-spinning of a metal element-containing organosilicon polymer to obtain spun fibers; (c) spinning the spun fibers in an oxygen-containing atmosphere. A laminate of infusible fibers obtained by a third step of preparing infusible fibers by heating at -170 ° C., or (d) a fourth step of mineralizing the infusible fibers in an inert gas. With a laminate of mineralized fibers,
The integrated preform formed of (A) and (B) is set in a carbon die and placed in a carbon die in an atmosphere of at least one selected from the group consisting of vacuum, an inert gas, a reducing gas, and a hydrocarbon. A method for producing a thick-walled inorganic fiber-bonded ceramics, characterized by performing hot pressing at a temperature in the range of 22200 ° C. under a pressure of 100 to 1000 kg / cm 2 .
[0007]
Furthermore, according to the present invention,
(C) (i) an inorganic fiber comprising the following (a) and / or (b):
(A) an amorphous substance composed of Si, M, C and O (M represents Ti or Zr),
(B) (1) an aggregate of β-SiC, MC and C crystalline fine particles, and ( 2 ) an amorphous substance of SiO 2 and MO 2 ,
(Ii) an inorganic material which fills the gaps between the inorganic fibers and comprises the following (c) and / or (d), and optionally (e) is dispersed:
(C) an amorphous material consisting of Si and O, optionally M;
(D) a crystalline substance comprising crystalline SiO 2 and MO 2 ,
(E) a crystalline fine particle inorganic material composed of MC having a particle size of 100 nm or less,
(Iii) a boundary layer of 1 to 100 nm in which crystalline particles composed of MC and having a particle diameter of 100 nm or less in some cases are formed on the surface of the inorganic fiber and are dispersed.
And a thick-walled inorganic fiber-bonded ceramic characterized by having a thickness in the laminating direction of the fibers of more than 65 mm.
According to the present invention,
(C) (i) an inorganic fiber comprising the following (a) and / or (b):
(A) an amorphous substance composed of Si, M, C and O (M represents Ti or Zr),
(B) (1) an aggregate of β-SiC, MC and C crystalline fine particles, and ( 2 ) an amorphous substance of SiO 2 and MO 2 ,
(Ii) an inorganic material which fills the gaps between the inorganic fibers and comprises the following (c) and / or (d), and optionally (e) is dispersed:
(C) an amorphous material consisting of Si and O, optionally M;
(D) a crystalline substance comprising crystalline SiO 2 and MO 2 ,
(E) a crystalline fine particle inorganic material composed of MC having a particle size of 100 nm or less,
(Iii) a boundary layer of 1 to 100 nm in which crystalline particles composed of MC and having a particle diameter of 100 nm or less in some cases are formed on the surface of the inorganic fiber and are dispersed.
An inorganic fiber-bound ceramic composed of:
(D) An inorganic fiber comprising an inner surface layer and a surface layer, wherein the inner surface layer comprises:
(A) an amorphous substance composed of Si, M, C and O (M represents Ti or Zr);
(B) an aggregate of crystalline ultrafine particles of β-SiC, MC and C and an amorphous substance of SiO 2 and MO 2 , or (c) an amorphous substance of (a) and (b) Composed of an inorganic substance containing a mixture with an aggregate of the surface layer,
(D) an amorphous material comprising Si and O, optionally M;
(E) a crystalline substance composed of crystalline SiO 2 and / or MO 2 , or (f) an inorganic substance containing a mixture of the amorphous substance (d) and the crystalline substance (e). And the thickness T (unit μm) of the surface layer is T = aD (where a is a numerical value in the range of 0.023 to 0.053, and D is the diameter (unit μm) of the inorganic fiber. And a laminate of inorganic fibers that satisfies
The integrated preform formed of (C) and (D) was set in a carbon die and hot-pressed in an inert gas atmosphere at a temperature in the range of 1500 to 2000 ° C. and a pressure of 100 to 1000 kg / cm 2. The present invention provides a method for producing a thick-walled inorganic fiber-bonded ceramic, which is characterized by being treated.
[0008]
In the present invention, a thick-walled article of two types of inorganic fiber-bonded ceramics ((A) and (C)), which could not be produced conventionally, is produced by using the two types of inorganic fiber-bonded ceramics and the same. A method for producing a thick-walled highly heat-resistant inorganic fiber-bonded ceramic by integrating a laminate ((B) and (D)) composed of two types of inorganic fibers, which is a raw material at the time, is proposed. .
First, a thick-walled inorganic fiber-bound ceramic according to claims 1 and 2 and a method for producing the same will be described.
[0009]
The fiber material constituting the inorganic fiber-bound ceramics (A) is an inorganic fiber mainly composed of a sintered structure of SiC, 0.01 to 1% by weight of O, and metal atoms of groups 2A, 3A and 3B. Contains at least one metal atom selected from the group consisting of: and is bonded to a structure very close to close packing.
The inorganic fiber having a sintered structure of SiC mainly has a polycrystalline sintered structure of β-SiC, or further, is composed of crystalline fine particles of β-SiC and C. In a region in which β-SiC crystal particles containing microcrystals of C and / or a trace amount of O and sintered without passing through the second phase of the grain boundary, a strong bond between the SiC crystals is obtained. Even if the fracture occurs in the inorganic fiber, it progresses in the SiC crystal grains in a region of at least 30% or more. In some cases, intergranular fracture regions and intragranular fracture regions between SiC crystals are mixed.
[0010]
The fibrous material contains at least one metal atom selected from the group consisting of group 2A, group 3A and group 3B metal elements. The ratio of the elements constituting the fiber material is usually 55 to 70% by weight of Si, 30 to 45% by weight of C, 0.01 to 1% by weight of O, M (2A group, 3A group and 3B group metal). Element): 0.05 to 4.0% by weight, preferably 0.1 to 2.0% by weight. Among the metal elements of the 2A group, the 3A group and the 3B group, Be, Mg, Y, Ce, B and Al are particularly preferable, and these are all known as sintering aids for SiC, There are chelate compounds and alkoxide compounds that can react with the Si—H bond of the silicon polymer. If the proportion of the metal is too small, sufficient crystallinity of the fiber material cannot be obtained, and if the proportion is too high, the intergranular fracture will increase and the mechanical properties will decrease.
[0011]
At the boundaries between the fiber materials of the inorganic fiber-bonded ceramics (A), an amorphous and crystalline carbon is formed with a boundary layer having a thickness of 1 to 100 nm, preferably 10 to 50 nm, Reflecting the structure shown above, it is excellent in fracture toughness and dense, and maintains almost room temperature strength even at 1600 ° C.
[0012]
The thick-walled inorganic fiber-bonded ceramic (A) of the present invention has a thickness in the laminating direction of the fibers of more than 19 mm.
This thick-walled inorganic fiber-bonded ceramic is obtained by mixing the inorganic fiber-bonded ceramic (A) having a thickness of 19 mm or less manufactured by a conventional method with a laminate (B) made of raw fibers used in manufacturing the ceramic. The preform formed of (A) and (B), in which is integrated, is set in a carbon die, and in a vacuum, an atmosphere of at least one selected from the group consisting of an inert gas, a reducing gas, and a hydrocarbon, It is manufactured by hot pressing at a temperature in the range of 1700-2200 ° C. and a pressure of 100-1000 kg / cm 2 .
[0013]
The laminate (B) is manufactured by the following procedure.
First, (a) a polysilane having a molar ratio of carbon atoms to silicon atoms of 1.5 or more or a heat-reacted product thereof contains at least one member selected from the group consisting of metal elements of groups 2A, 3A and 3B. A first step of preparing a metal element-containing organosilicon polymer of (b), a second step of melt-spinning the metal element-containing organosilicon polymer to obtain a spun fiber, and (c) spinning the spun fiber in an oxygen-containing atmosphere at 50 to 50%. It comprises a third step of preparing infusible fibers by heating at 170 ° C. and (d) a fourth step of mineralizing the infusible fibers in an inert gas.
[0014]
First Step In the first step, a metal-containing organosilicon polymer as a precursor polymer is prepared.
Polysilane is a chain or cyclic polymer obtained by subjecting one or more dichlorosilanes to a dechlorination reaction using sodium according to the method described in, for example, "Chemistry of Organosilicon Compounds", Kagaku Dojin (1972). And has a number average molecular weight of usually 300 to 1,000. The polysilane in the present invention may have a hydrogen atom, a lower alkyl group, a phenyl group or a silyl group as a silicon side chain, and in any case, the molar ratio of carbon atoms to silicon atoms is 1.5. It is necessary to be above. If this condition is not satisfied, all of the carbon in the fiber will be desorbed as carbon dioxide in the process of raising the temperature until sintering, together with oxygen introduced during infusibilization, and a boundary carbon layer between fibers will not be formed. It is not preferred.
[0015]
The polysilane in the present invention includes an organosilicon polymer obtained by heating the above-mentioned chain or cyclic polysilane and partially containing a carbosilane bond in addition to the polysilane bond unit. Such an organosilicon combination can be prepared by a method known per se. Examples of the preparation method include a method in which a chain or cyclic polysilane is heated and reacted at a relatively high temperature of 400 to 700 ° C., and a method in which a phenyl group-containing polyborosiloxane is added to the polysilane and a relatively low temperature of 250 to 500 ° C. And a heat reaction method. The number average molecular weight of the organosilicon polymer thus obtained is usually from 1,000 to 5,000.
[0016]
The phenyl-containing polyborosiloxane can be prepared according to the methods described in JP-A-53-42300 and JP-A-53-50299. For example, a phenyl-containing polyborosiloxane can be prepared by a dehydrochlorination condensation reaction between boric acid and one or more diorganochlorosilanes, and the number average molecular weight is usually 500 to 10,000. The amount of the phenyl group-containing polyborosiloxane is usually 15 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the polysilane.
[0017]
A predetermined amount of a compound containing a metal element belonging to the group 2A, 3A or 3B is added to the polysilane and reacted in an inert gas at a temperature usually in the range of 250 to 350 ° C. for 1 to 10 hours. In addition, a metal element-containing organosilicon polymer as a raw material can be prepared. The metal element is used in such a proportion that the content of the metal element in the finally obtained sintered SiC fiber composite is 0.05 to 4.0% by weight, and the specific proportion is determined according to the teachings of the present invention. The trader can determine it appropriately.
The above-mentioned organosilicon polymer containing a metal element is a crosslinked polymer having a structure in which at least a part of silicon atoms of polysilane is bonded to a metal atom via or not via an oxygen atom.
[0018]
As the compound containing a metal element belonging to the group 2A, 3A or 3B added in the first step, an alkoxide, an acetylacetoxide compound, a carbonyl compound, a cyclopentadienyl compound or the like of the metal element can be used. Examples thereof include beryllium acetylacetonate, magnesium acetylacetonate, yttrium acetylacetonate, cerium acetylacetonate, butyric borate, and aluminum acetylacetonate.
All of these have a structure in which each metal element is bonded to Si directly or via another element by reacting with a Si—H bond in an organosilicon polymer generated upon reaction with polysilane or a heated reactant thereof. Can be generated.
[0019]
Second step In the second step, a spun fiber of a metal element-containing organosilicon polymer is obtained.
A spun fiber can be obtained by spinning a metal element-containing organosilicon polymer as a precursor polymer by a method known per se such as melt spinning and dry spinning.
[0020]
Third Step In the third step, the infusible fiber is prepared by heating the spun fiber at 50 to 170 ° C. in an oxygen-containing atmosphere.
The purpose of infusibilization is to form a bridging point by oxygen atoms between the polymers constituting the spun fibers so that the infusibilized fibers do not melt and the adjacent fibers do not fuse together in the subsequent mineralization step. It is to be.
As the gas constituting the oxygen-containing atmosphere, the infusibilization time depends on the infusibilization temperature, but is usually several minutes to 30 hours.
It is desirable to control the content of oxygen in the infusibilized fiber so as to be 8 to 16% by weight. Most of this oxygen remains in the fiber even after mineralization in the next step, and plays an important role in desorbing excess carbon in the inorganic fiber as CO gas during the temperature rise process until final sintering. I do.
If the oxygen content is less than 8% by weight, excess carbon in the inorganic fibers remains more than necessary and segregates around the SiC crystal during the heating process to stabilize the β-SiC crystal. When the content is more than 16% by weight, excess carbon in the inorganic fibers is completely eliminated, and a boundary carbon layer between the fibers is not generated. All of these adversely affect the mechanical properties of the resulting material.
[0021]
It is preferable that the infusible fiber is further preheated in an inert atmosphere.
Examples of the gas constituting the inert atmosphere include nitrogen and argon. The heating temperature is usually 150 to 800 ° C., and the heating time is only a few minutes to 20 hours. By preheating the infusibilized fiber in an inert atmosphere, while preventing the incorporation of oxygen into the fiber, the crosslinking reaction of the polymer constituting the fiber is further advanced, and the infusibilized fiber from the precursor polymer is converted. The strength can be further improved while maintaining excellent elongation, whereby the mineralization in the next step can be stably performed with good workability.
[0022]
Fourth Step In the fourth step, the infusibilized fiber is heat-treated in an inert gas atmosphere such as argon at a temperature in the range of 1000 to 1700 ° C. in a continuous or batchwise manner to mineralize it.
[0023]
In the present invention, after forming the infusibilized fiber or the mineralized fiber produced by the above procedure into a sheet, a woven or a chop, a laminate (B) comprising at least one of them is produced. .
Next, a preform in which the previously produced inorganic fiber-bonded ceramic (A) and the laminate (B) are integrated is produced. At this time, the method of integration is not particularly limited, and for example, several inorganic fiber-bonded ceramics (A) are prepared in order to produce a thick-shaped product as much as possible. The laminate (B) may be arranged between them.
The preform thus obtained is set on a carbon die, and heated to a temperature of 1700 to 2200 ° C. in an atmosphere consisting of at least one selected from the group consisting of vacuum, inert gas, reducing gas and hydrocarbon. By performing hot pressing under a pressure of 100 to 1000 kg / cm 2 in the range, a thick inorganic fiber-bonded ceramic can be produced.
Note that, in the temperature raising process before pressurization, a pressurization program corresponding to the above-described CO desorption speed may be incorporated.
[0024]
Next, a thick inorganic fiber-bound ceramic according to claims 3 and 4 and a method for producing the same will be described.
Inorganic fiber bonded ceramics (C)
(I) an inorganic fiber comprising the following (a) and / or (b):
(A) an amorphous substance composed of Si, M, C and O (M represents Ti or Zr),
(B) (1) an aggregate of β-SiC, MC and C crystalline fine particles, and ( 2 ) an amorphous substance of SiO 2 and MO 2 ,
(Ii) an inorganic material which fills the gaps between the inorganic fibers and comprises the following (c) and / or (d), and optionally (e) is dispersed:
(C) an amorphous material consisting of Si and O, optionally M;
(D) a crystalline substance comprising crystalline SiO 2 and MO 2 ,
(E) a crystalline fine particle inorganic material composed of MC having a particle size of 100 nm or less,
(Iii) a boundary layer of 1 to 100 nm in which crystalline particles composed of MC and having a particle diameter of 100 nm or less in some cases are formed on the surface of the inorganic fiber and are dispersed.
Consists of
[0025]
The inorganic fiber (i) is composed of (a) an amorphous substance composed of Si, M, C and O, and / or (b) (1) crystalline fine particles of β-SiC, MC and C, and (2) SiO 2 and an aggregate of MO 2 and an amorphous substance. Β-SiC and MC in the crystalline fine particles can also exist as a solid solution thereof, and MC exists as MC1-x (x is 0 or more and less than 1) in a carbon-deficient state. You can also. The ratio of each element constituting the inorganic fiber is usually 30 to 60% by weight of Si, 0.5 to 35% by weight of M, preferably 1 to 10% by weight, 25 to 40% by weight of C, and 0 to 0%. 0.01 to 30% by weight. The equivalent diameter of the inorganic fiber is generally 5 to 20 μm.
[0026]
The content of the inorganic fiber (i) constituting the inorganic fiber-bound ceramic (C) is 80% by volume or more, preferably 85 to 91% by volume. On the surface of each inorganic fiber, amorphous and crystalline carbon are generated in a non-consistent layered form as a boundary layer in a range of 1 to 100 nm, preferably 10 to 50 nm. In some cases, crystalline particles made of MC having a particle diameter of 100 nm or less are dispersed in the boundary layer. Then, (c) an amorphous substance composed of Si and O and possibly M, and / or (d) a crystalline substance composed of crystalline SiO 2 and MO 2 so as to fill the gaps of the inorganic fibers. The substance is present. In some cases, (e) a crystalline fine particle inorganic material composed of MC having a particle diameter of 100 nm or less is dispersed in the inorganic material.
That is, amorphous and / or crystalline carbon is present in a layered manner at the boundaries between inorganic fibers and between the inorganic material and the inorganic fibers in a non-matching manner. The inorganic fiber-bonded ceramic (C) is excellent in fracture toughness and dense, reflecting the above-mentioned structure, and maintains extremely high mechanical properties at 1500 ° C. of 80% or more of room temperature strength. ing.
[0027]
The thick-walled inorganic fiber-bonded ceramic (C) of the present invention has a thickness in the laminating direction of the fibers of more than 65 mm.
This thick-walled inorganic fiber-bonded ceramic is composed of the above-mentioned inorganic fiber-bonded ceramic (C) manufactured by a conventional method and having a thickness of 65 mm or less, and a laminate (D) composed of raw fibers used in manufacturing the ceramic. The preform formed of (C) and (D), in which the components are integrated, is set in a carbon die, and is heated under a pressure of 100 to 1000 kg / cm 2 at a temperature in the range of 1500 to 2000 ° C. in an inert gas atmosphere. It is manufactured by pressing.
[0028]
The laminate (D) is manufactured by the following procedure.
The inorganic fiber used as a raw material of the present invention is prepared by heating the inorganic fiber in an oxidizing atmosphere at a temperature in the range of 500 to 1600 ° C., for example, according to the method described in JP-A-62-289641. be able to. This inorganic fiber (M: Ti) is commercially available from Ube Industries, Ltd. as Tyranno Fiber (registered trademark). The form of the inorganic fiber is not particularly limited, and may be a continuous fiber, a chopped short fiber obtained by cutting the continuous fiber, or a sheet-like material or woven fabric obtained by aligning the continuous fiber in one direction.
[0029]
The surface layer of the inorganic fibers is formed by subjecting the above fibers to a heat treatment in an oxidizing atmosphere such as air, pure oxygen, ozone, water vapor, or carbon dioxide. The thickness T (μm) of the surface layer of the inorganic fiber is T = aD (where a is a numerical value in the range of 0.023 to 0.053, and D is the diameter (unit μm) of the inorganic fiber. It is necessary to select heat treatment conditions so as to satisfy.). By strictly controlling the thickness of the surface layer within the above range, it becomes possible to prepare an extremely dense inorganic fiber-bound ceramic having a porosity of 2% or less.
[0030]
By the above-mentioned heat treatment, an inorganic fiber composed of an inner layer and a surface layer, wherein the inner layer is
(A) an amorphous substance composed of Si, M, C and O (M represents Ti or Zr);
(B) an aggregate of crystalline ultrafine particles of β-SiC, MC and C and an amorphous substance of SiO 2 and MO 2 , or (c) an amorphous substance of (a) and (b) An inorganic material containing a mixture with an aggregate of (a), wherein the surface layer is composed of (d) an amorphous material comprising Si and O, and optionally M;
(E) a crystalline substance composed of crystalline SiO 2 and / or MO 2 , or (f) an inorganic substance containing a mixture of the amorphous substance (d) and the crystalline substance (e). And the thickness T (unit μm) of the surface layer is T = aD (where a is a numerical value in the range of 0.023 to 0.053, and D is the diameter (unit μm) of the inorganic fiber. Is obtained.
Next, a chop-like short fiber obtained by cutting the continuous fiber of the inorganic fiber, or a laminate (D) including at least one shape of a sheet-like material or a woven fabric in which the continuous fibers are aligned in one direction is manufactured.
[0031]
Further, the preformed body is manufactured by integrating the inorganic fiber bonding type ceramic (C) manufactured in advance and the laminate (D). At this time, the method of integration is not particularly limited, and for example, several inorganic fiber-bonded ceramics (C) are prepared in order to produce a thick-shaped product as much as possible. The laminate (D) may be arranged between them.
The pre-formed body thus obtained is set in a carbon die, and hot-pressed in an inert gas atmosphere at a temperature in the range of 1500 to 2000 ° C. under a pressure of 100 to 1000 kg / cm 2 , A thick inorganic fiber-bonded ceramic can be manufactured.
[0032]
【Example】
Examples are shown below to explain the present invention in more detail. The mechanical properties of the inorganic fiber-bound ceramics were measured as follows.
[Evaluation of mechanical properties]
The maximum bending strength in the fiber reinforcement direction and the laminating direction was determined by a four-point bending test using an Orientec Tensilon universal testing machine. The shape of the bending test piece in the fiber reinforcement direction was 4 mm in width, 3 mm in height, and 40 mm in length, and the shape of the bending test piece in the laminating direction was 5 mm in width, 3 mm in height, and 15 mm in length. The speed of the crosshead was 0.5 mm / min.
[0033]
Example 1
First, 1 L of dimethyldichlorosilane was added dropwise to anhydrous xylene containing 400 g of sodium while heating and refluxing xylene under a stream of nitrogen gas, followed by reflux for 10 hours to form a precipitate. This precipitate was filtered and washed with methanol and then with water to obtain 420 g of white polydimethylsilane.
Next, 750 g of diphenyldichlorosilane and 124 g of boric acid are heated at 100 to 120 ° C. in n-butyl ether under a nitrogen gas atmosphere, and the resulting white resinous material is further heat-treated at 400 ° C. for 1 hour in vacuum. As a result, 530 g of a phenyl group-containing polyborosiloxane was obtained.
4 parts of the phenyl group-containing polyborosiloxane was added to 100 parts of the polydimethylsilane obtained above, and thermally condensed at 350 ° C. for 5 hours in a nitrogen gas atmosphere to obtain a high molecular weight organosilicon polymer. 7 parts of aluminum-tri- (sec-butoxide) was added to a xylene solution in which 100 parts of the organosilicon polymer was dissolved, and a cross-linking reaction was performed at 310 ° C. under a nitrogen gas stream to synthesize polyaluminocarbosilane. This was melt-spun at 245 ° C., heat-treated in air at 140 ° C. for 5 hours, and further heated in nitrogen at 300 ° C. for 10 hours to obtain infusible fibers. The infusibilized fibers were continuously fired in nitrogen at 1500 ° C. to synthesize silicon carbide continuous inorganic fibers. These fibers were processed into a woven form and laminated to produce two laminates. Then, after one laminate was charged in a carbon die, it was molded at a pressure of 50 MPa and a temperature of 1850 ° C. to obtain an inorganic fiber-bonded ceramic having a thickness of 18 mm. A preform was prepared by laminating the inorganic fiber-bound ceramic and another laminate prepared in advance. After charging the preform in a carbon die, the preform was molded at a pressure of 50 MPa and a temperature of 1850 ° C. to obtain an inorganic fiber-bonded ceramic having a thickness of 36 mm. As shown in FIG. 1, the obtained thick inorganic fiber-bonded ceramic was processed into a predetermined test piece shape and subjected to a four-point bending test. 2 and 3 show bending test results in the fiber direction and the lamination direction, respectively. Specimens cut out from any position had almost the same results. It was possible to produce a thick inorganic fiber-bound ceramic with stable quality.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a cutout position and a direction of a four-point bending test piece from a highly heat-resistant inorganic fiber-bonded ceramic obtained in Example 1 of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the results of a four-point bending test in the fiber direction of the highly heat-resistant inorganic fiber-bonded ceramics obtained in Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the results of a four-point bending test in the laminating direction of the highly heat-resistant inorganic fiber-bonded ceramics obtained in Example 1 of the present invention.

Claims (4)

(A)主としてSiCの焼結構造からなる無機繊維であって、0.01〜1重量%のO、及び2A族、3A族及び3B族の金属原子からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を含有する無機繊維が最密充填に極めて近い構造に結合し、繊維間には1〜100nmのCを主成分とする境界層が形成されてなる無機繊維結合セラミックスであって、かつ、繊維の積層方向の厚みが19mm超であることを特徴とする厚肉形状の無機繊維結合セラミックス。(A) An inorganic fiber mainly composed of a sintered structure of SiC, in which 0.01 to 1% by weight of O and at least one metal selected from the group consisting of metal atoms of groups 2A, 3A and 3B An inorganic fiber-bonded ceramic in which atoms-containing inorganic fibers are bonded in a structure very close to close-packed, and a boundary layer containing 1 to 100 nm of C as a main component is formed between the fibers; Characterized by having a thickness in the lamination direction of more than 19 mm. (A)主としてSiCの焼結構造からなる無機繊維であって、0.01〜1重量%のO、及び2A族、3A族及び3B族の金属原子からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を含有する無機繊維が最密充填に極めて近い構造に結合し、繊維間には1〜100nmのCを主成分とする境界層が形成されている無機繊維結合セラミックスと、
(B)(a)ケイ素原子に対する炭素原子の割合がモル比で1.5以上であるポリシラン或いはその加熱反応物に、2A族、3A族及び3B族の金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素含有有機ケイ素重合体を調製する第1行程、(b)金属元素含有有機ケイ素重合体を溶融紡糸して紡糸繊維を得る第2行程、(c)紡糸繊維を酸素含有雰囲気中50〜170℃で加熱して不融化繊維を調製する第3行程によって得られる不融化繊維の積層物、又は、(d)前記不融化繊維を不活性ガス中で無機化する第4行程によって得られる無機化繊維の積層物とを、一体にした(A)と(B)からなる予備成形体をカーボンダイスにセットして、真空、不活性ガス、還元ガス及び炭化水素からなる群から選ばれる少なくとも1種からなる雰囲気中で、1700〜2200℃の範囲の温度で100〜1000kg/cmの加圧下でホットプレス処理することを特徴とする厚肉形状の無機繊維結合セラミックスの製造方法。
(A) An inorganic fiber mainly composed of a sintered structure of SiC, wherein 0.01 to 1% by weight of O and at least one metal selected from the group consisting of metal atoms of groups 2A, 3A and 3B An inorganic fiber-bonded ceramics in which the inorganic fibers containing atoms are bonded in a structure very close to the closest packing, and between the fibers, a boundary layer mainly composed of 1 to 100 nm of C is formed;
(B) (a) polysilane having a molar ratio of carbon atoms to silicon atoms of 1.5 or more, or a heat-reacted product thereof, containing at least one selected from the group consisting of metal elements of groups 2A, 3A and 3B; (B) melt-spinning of a metal element-containing organosilicon polymer to obtain spun fibers; (c) spinning the spun fibers in an oxygen-containing atmosphere. A laminate of infusible fibers obtained by a third step of preparing infusible fibers by heating at -170 ° C., or (d) a fourth step of mineralizing the infusible fibers in an inert gas. A preform formed of (A) and (B), in which the laminate of the mineralized fibers is integrated, is set in a carbon die, and at least one selected from the group consisting of vacuum, inert gas, reducing gas, and hydrocarbons From one species That in the atmosphere, from 1,700 to 2,200 manufacturing method of ℃ ranging thick shape, characterized by hot pressing under a pressure of 100 to 1000 / cm 2 at a temperature inorganic fiber bonding ceramics.
(C)(i)下記(a)及び/又は(b)からなる無機繊維と、
(a)Si、M、C及びOからなる非晶質物質(MはTi又はZrを示す)、
(b)▲1▼β−SiC、MC及びCの結晶質微粒子と、▲2▼SiO及びMOの非晶質物質との集合体、
(ii)前記無機繊維の間隙を充填する、下記(c)及び/又は(d)からなり、場合により(e)が分散した無機物質と、
(c)Si及びO、場合によりMからなる非晶質物質、
(d)結晶質のSiO及びMOからなる結晶質物質、
(e)100nm以下の粒径のMCからなる結晶質微粒子無機物質、
(iii)上記無機繊維の表面に形成された、Cを主成分とする、場合により100nm以下の粒径のMCからなる結晶質粒子が分散した、1から100nmの境界層、
から構成されてなる無機繊維結合セラミックスであって、かつ繊維の積層方向の厚みが65mm超であることを特徴とする厚肉形状の無機繊維結合セラミックス。
(C) (i) an inorganic fiber comprising the following (a) and / or (b):
(A) an amorphous substance composed of Si, M, C and O (M represents Ti or Zr),
(B) (1) an aggregate of β-SiC, MC and C crystalline fine particles, and ( 2 ) an amorphous substance of SiO 2 and MO 2 ,
(Ii) an inorganic material which fills the gaps between the inorganic fibers and comprises the following (c) and / or (d), and optionally (e) is dispersed:
(C) an amorphous material consisting of Si and O, optionally M;
(D) a crystalline substance comprising crystalline SiO 2 and MO 2 ,
(E) a crystalline fine particle inorganic material composed of MC having a particle size of 100 nm or less,
(Iii) a boundary layer of 1 to 100 nm in which crystalline particles composed of MC and having a particle diameter of 100 nm or less in some cases are formed on the surface of the inorganic fiber and are dispersed.
An inorganic fiber-bonded ceramic having a thick wall shape, wherein the thickness of the fiber in the laminating direction is more than 65 mm.
(C)(i)下記(a)及び/又は(b)からなる無機繊維と、
(a)Si、M、C及びOからなる非晶質物質(MはTi又はZrを示す)、
(b)▲1▼β−SiC、MC及びCの結晶質微粒子と、▲2▼SiO及びMOの非晶質物質との集合体、
(ii)前記無機繊維の間隙を充填する、下記(c)及び/又は(d)からなり、場合により(e)が分散した無機物質と、
(c)Si及びO、場合によりMからなる非晶質物質、
(d)結晶質のSiO及びMOからなる結晶質物質、
(e)100nm以下の粒径のMCからなる結晶質微粒子無機物質、
(iii)上記無機繊維の表面に形成された、Cを主成分とする、場合により100nm以下の粒径のMCからなる結晶質粒子が分散した、1から100nmの境界層、
から構成されてなる無機繊維結合セラミックスと、
(D)内面層と表面層とからなる無機繊維であって、内面層が、
(a)Si、M、C及びOからなる非晶質物質(MはTi又はZrを示す。)、
(b)β−SiC、MC及びCの結晶質超微粒子と、SiO及びMOの非晶質物質との集合体、又は
(c)上記(a)の非晶質物質と上記(b)の集合体との混合物を含有する無機質物質で構成され、表面層が、
(d)Si及びO、場合によりMからなる非晶質物質、
(e)結晶質のSiO及び/又はMOからなる結晶質物質、又は
(f)上記(d)の非晶質物質と上記(e)の結晶質物質との混合物を含有する無機質物質で構成され、かつ、表面層の厚さT(単位μm)がT=aD(ここで、aは0.023〜0.053の範囲内の数値であり、Dは無機繊維の直径(単位μm)である。)を満足する無機繊維の積層物とを、
一体にした(C)と(D)からなる予備成形体をカーボンダイスにセットして、不活性ガス雰囲気中、1500〜2000℃の範囲の温度で100〜1000kg/cmの加圧下でホットプレス処理することを特徴とする厚肉形状の無機繊維結合セラミックスの製造方法。
(C) (i) an inorganic fiber comprising the following (a) and / or (b):
(A) an amorphous substance composed of Si, M, C and O (M represents Ti or Zr),
(B) (1) an aggregate of β-SiC, MC and C crystalline fine particles, and ( 2 ) an amorphous substance of SiO 2 and MO 2 ,
(Ii) an inorganic material which fills the gaps between the inorganic fibers and comprises the following (c) and / or (d), and optionally (e) is dispersed:
(C) an amorphous material consisting of Si and O, optionally M;
(D) a crystalline substance comprising crystalline SiO 2 and MO 2 ,
(E) a crystalline fine particle inorganic material composed of MC having a particle size of 100 nm or less,
(Iii) a boundary layer of 1 to 100 nm in which crystalline particles composed of MC and having a particle diameter of 100 nm or less in some cases are formed on the surface of the inorganic fiber and are dispersed.
An inorganic fiber-bound ceramic composed of:
(D) An inorganic fiber comprising an inner surface layer and a surface layer, wherein the inner surface layer comprises:
(A) an amorphous substance composed of Si, M, C and O (M represents Ti or Zr);
(B) an aggregate of crystalline ultrafine particles of β-SiC, MC and C and an amorphous substance of SiO 2 and MO 2 , or (c) an amorphous substance of (a) and (b) Composed of an inorganic substance containing a mixture with an aggregate of the surface layer,
(D) an amorphous material comprising Si and O, optionally M;
(E) a crystalline substance composed of crystalline SiO 2 and / or MO 2 , or (f) an inorganic substance containing a mixture of the amorphous substance (d) and the crystalline substance (e). And the thickness T (unit μm) of the surface layer is T = aD (where a is a numerical value in the range of 0.023 to 0.053, and D is the diameter (unit μm) of the inorganic fiber. And a laminate of inorganic fibers that satisfies
The integrated preform formed of (C) and (D) was set in a carbon die and hot-pressed in an inert gas atmosphere at a temperature in the range of 1500 to 2000 ° C. and a pressure of 100 to 1000 kg / cm 2. A method for producing a thick-walled inorganic fiber-bound ceramics, characterized by performing a treatment.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012206901A (en) * 2011-03-30 2012-10-25 Ube Industries Ltd Method for manufacturing tubular silicon carbide fiber-bonding ceramic member
CN106192078A (en) * 2016-07-19 2016-12-07 中国人民解放军国防科学技术大学 A kind of air curing is used to carry out method prepared by low oxygen content continuous SiC fiber
KR101855718B1 (en) * 2016-12-07 2018-05-10 한국세라믹기술원 Preparation method of crystalline ceramic fiber reinforced by different crystal and crystalline ceramic fiber prepared therefrom

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