JP2005112702A - ＳｉＣナノワイヤーにより強化されたＳｉＣ複合材料 - Google Patents

Abstract

【目的】 機械的特性の向上した、ＳｉＣナノワイヤーにより強化されたＳｉＣ複合材料を提供すること。
【構成】 ＳｉＣマトリックスにＳｉＣ繊維が複合されたＳｉＣ複合材料において、ＳｉＣ繊維の表面にＳｉＣナノワイヤーが形成された。
【選択図】図２

Description

この出願の発明は、ＳｉＣナノワイヤーにより強化されたＳｉＣ複合材料に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、機械的特性の向上した、ＳｉＣナノワイヤーにより強化されたＳｉＣ複合材料に関するものである。

原子力、航空宇宙等の分野における特殊環境や極限環境下において、あるいは熱交換器、メカニカルシール等の過酷条件下において使用される材料として、耐熱性及び耐摩耗性に優れたセラミックス系材料が注目されている。このセラミックス系材料の中に、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄等の非酸化物系セラミックスがある。特にＳｉＣは、耐熱性、高熱伝導性、耐摩耗性に優れる他、中性子照射によっても長寿命の放射性核種を生じにくいことから、航空宇宙用から核融合炉の第１壁に至るまでの広範囲な分野で有望視されている材料である。一方、ＳｉＣそのものは脆い材料であるため、ＳｉＣ繊維を用いて強化するＳｉＣ複合材料が試みられている。

しかしながら、そのようなＳｉＣ複合材料の特性は、ＳｉＣ繊維の強度、ＳｉＣ繊維とＳｉＣマトリックスの間の界面の組織により大きく変化する。そこで、機械的性質、耐環境性等の向上のために、たとえば、ＳｉＣ繊維とＳｉＣマトリックスの間の界面にＣ、ＳｉＣ、Ｂ等の層を挿入することが考えられている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００２−２１１９８０号公報

しかしながら、脆性材料であるＳｉＣの機械的特性改善のためには、ＳｉＣ繊維とＳｉＣマトリックの間の界面のみならず、ＳｉＣマトリックスの組織まで微細に制御することが望まれる。

この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、機械的特性の向上した、ＳｉＣナノワイヤーにより強化されたＳｉＣ複合材料を提供することを解決すべき課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、ＳｉＣマトリックスにＳｉＣ繊維が複合されたＳｉＣ複合材料において、ＳｉＣ繊維の表面にＳｉＣナノワイヤーが形成されたことを特徴とするＳｉＣナノワイヤーにより強化されたＳｉＣ複合材料を提供する。

この出願の発明のＳｉＣナノワイヤーにより強化されたＳｉＣ複合材料によれば、ＳｉＣ繊維とＳｉＣマトリックの間の界面のみならず、ＳｉＣマトリックスまで強度が改善される。

以下、実施例を示しつつ、この出願の発明のＳｉＣナノワイヤーにより強化されたＳｉＣ複合材料についてさらに詳しく説明する。

この出願の発明のＳｉＣナノワイヤーにより強化されたＳｉＣ複合材料は、ＳｉＣマト
リックスにＳｉＣ繊維が複合されたＳｉＣ複合材料において、ＳｉＣ繊維の表面にＳｉＣナノワイヤーが形成されたことを特徴とするものである。ＳｉＣ繊維の表面に形成されたＳｉＣナノワイヤーは、ＳｉＣ繊維とＳｉＣマトリックスの間の界面の強度のみならず、ＳｉＣマトリックスの強度までも改善する。ＳｉＣナノワイヤーは、ＳｉＣマトリックスにＳｉＣ繊維を複合するＳｉＣ複合材料の気相化学反応法による製造プロセスにおいて、ガス圧力、流量、温度を変えるだけで簡単に形成可能である。このため、この出願の発明のＳｉＣにより強化されたＳｉＣ複合材料は、その製造に複雑な設備を必要とせず、一貫した気相化学反応プロセスにより作製可能であり、製造の低コスト化が図れる。

平織りのＳｉＣ繊維織物であるTyranno-SAを７層、厚さが２mmになるように重ね、４０mmφの円盤状に成形した後、１×１０^-3Torrの真空下、1200℃で約１時間加熱し、繊維に付着している樹脂を取り除いた。次いで、反応ガスとしてメタンを導入し、圧力110Torr
、200SCCMの流量下で950℃において繊維の周りに炭素層を析出させ、ＳｉＣ繊維の炭素被覆処理を行った。この後、1050℃、圧力３４Torrにおいて、メチルクロロシラン（ＣＨ₃
ＳｉＣｌ₃、ＭＴＳ）を２０SCCM、水素ガスを1000SCCM、アルゴンガスを200SCCMの条件で流通させ、図１に示したように、ＳｉＣ繊維の周りにＳｉＣナノワイヤーを成長させた。

そして、1000℃、圧力110Torrにおいて、上記ＭＴＳを100SCCM、水素ガスを1000SCCM、アルゴンガスを200SCCMの条件で流通させ、ＳｉＣ繊維内にＳｉＣを含浸析出させ、Ｓｉ
Ｃ複合材料を作製した。得られたＳｉＣ複合材料の密度は約2.7g/cm³であり、このＳｉＣ複合材料におけるＳｉＣナノワイヤーの占める体積割合は５−１０％であった。

得られたＳｉＣ複合材料から長さ２５mm、幅４mm、厚さ２mm並びにノッチ付きの長さ３０mm、幅３mm、厚さ２mmの短冊型試料を切り出した。ノッチは、深さ1.2-1.5mm、幅0.3mmとした。

室温３点曲げ試験を行い、試料の曲げ特性を調べ、また、曲げ破断強度及び破壊じん性値を求めた。図２に、作製したＳｉＣ複合材料（ＮＦＲＣ）と従来のＳｉＣナノワイヤーを形成しないＳｉＣ複合材料（ＳｉＣ／ＳｉＣ）の曲げ特性を示した。この図２から確認されるように、ＳｉＣナノワイヤーが形成されたＳｉＣ複合材料（ＮＦＲＣ）は、従来品（ＳｉＣ／ＳｉＣ）に比べ、約２倍の強度を示し、変形量も約２倍となっている。ノッチ付きの試料では、強度は、ノッチなしの試料に比べ、約1/6に低下するが、それでもＳｉ
Ｃナノワイヤーが形成されていない従来品に比べ、約２倍の変形量を示す。

表１に示したように、作製したＳｉＣ複合材料（ＮＦＲＣ）では、曲げ強度、破壊じん性値は、ともに、ＳｉＣナノワイヤーを形成していない従来品（ＳｉＣ／ＳｉＣ）の約２倍の値となっている。

もちろん、この出願の発明は、以上の実施例によって限定されるものではない。ＳｉＣナノワイヤーの作製条件等の細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。

以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、機械的特性の向上した、ＳｉＣナノワイヤーにより強化されたＳｉＣ複合材料が提供される。

実施例においてＳｉＣ繊維の周りに形成したＳｉＣナノワイヤーを示した顕微鏡像である。 実施例で作製した試料の曲げ特性を従来品と比較して示した図である。

Claims (1)

1. ＳｉＣマトリックスにＳｉＣ繊維が複合されたＳｉＣ複合材料において、ＳｉＣ繊維の表面にＳｉＣナノワイヤーが形成されたことを特徴とするＳｉＣナノワイヤーにより強化されたＳｉＣ複合材料。