JP2007031186A - Fibrous composite and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fibrous composite having improved strength and toughness and to provide a method of manufacturing the fibrous composite. <P>SOLUTION: The fibrous composite having improved strength and toughness is manufactured by adding a compound containing a metal element to polysilane or heated reaction product thereof and causing a reaction by heating under an inert gas to prepare a metal element-containing organosilicon polymer, preparing a spun fiber from the metal element-containing organosilicon polymer, heating the spun fiber under an oxygen-containing gas to prepare an infusibilized fiber, heating the infusibilized fiber under an inert gas to form a mineralized fiber, mixing a plurality of the mineralized fibers with a plurality of reinforcing fibers or their bundle to make a preliminarily shaped material, charging the preliminarily shaped material into a mold and pressing at a high temperature in a gas such as an inert gas. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、円柱状の断面形状が多角形状に変形し得る変形繊維及び強化繊維を含んで構成される繊維結合体又はその製造方法に関する。   The present invention relates to a fiber bonded body including a deformable fiber and a reinforcing fiber whose columnar cross-sectional shape can be deformed into a polygonal shape, or a manufacturing method thereof.

これまで、ガスタービン等の高温構造材料への適用を目的として、割れにくいセラミックス材料の開発がなされており、近年、耐熱衝撃性、高温下での強度特性、相安定性、及び耐酸化性に優れ、セラミックス材料の欠点である脆さが改善された焼結SiC繊維結合体が報告されている(特許文献1参照)。この焼結SiC繊維結合体は、繊維同士が炭素を主成分とする境界層を介してほぼ最密に充填・結合した組織を有し、この結合体を構成する無機化繊維は、型内に仕込んで高温加圧することにより、円形状の断面が多角形状に変形することが知られている。
特開平11−92227号公報
Up to now, ceramic materials that are hard to break have been developed for the purpose of application to high-temperature structural materials such as gas turbines. In recent years, thermal shock resistance, strength properties at high temperatures, phase stability, and oxidation resistance have been developed. A sintered SiC fiber bonded body that is excellent and improved in brittleness, which is a drawback of ceramic materials, has been reported (see Patent Document 1). This sintered SiC fiber bonded body has a structure in which fibers are packed and bonded almost closely through a boundary layer mainly composed of carbon, and the mineralized fibers constituting this bonded body are in the mold. It is known that a circular cross section is deformed into a polygonal shape by charging and hot pressing.
JP 11-92227 A

上述のように、焼結SiC繊維結合体は優れた特性を有する材料であるが、材料の信頼性を向上させ、実機の適用を図るために、強度や靱性などがさらに改善された材料の開発が求められている。   As described above, a sintered SiC fiber bonded body is a material having excellent characteristics. However, in order to improve the reliability of the material and to apply the actual machine, development of a material with further improved strength, toughness, etc. Is required.

そこで、本発明は、強度や靱性などがより改善された繊維結合体及びその製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fiber bonded body with improved strength and toughness and a method for producing the same.

本発明者らの研究により、上述の焼結SiC繊維結合体は、断面が円形状から多角形状に変形した変形繊維を有するので、欠陥(亀裂)部で変形繊維が架橋したり、変形繊維が欠陥部から引き抜けたりする際に、変形繊維が有する角に応力が集中して繊維の破壊を助長し、焼結SiC繊維結合体の強度発現を制約しているのではないかと考えられた。   According to the study by the present inventors, the above-mentioned sintered SiC fiber bonded body has a deformed fiber whose cross section is deformed from a circular shape to a polygonal shape. When pulling out from the defective part, it was thought that stress concentrated on the corners of the deformed fiber promoted the destruction of the fiber and restricted the strength development of the sintered SiC fiber bonded body.

以上のことから、本発明者らは、変形繊維と、断面形状が変形し難い円形断面状の強化繊維と、を混合することにより、応力集中源となる変形繊維の角の数を強化繊維を混合しない場合に比べて相対的に少なくして、繊維結合体の強度を高めることができるのではないかと考え、本発明を完成するに至った。   From the above, the present inventors mixed the deformed fiber and the reinforcing fiber having a circular cross-sectional shape in which the cross-sectional shape is difficult to deform, thereby reducing the number of corners of the deformed fiber serving as a stress concentration source. The present invention has been completed by considering that the strength of the fiber bonded body can be increased relatively less than when not mixed.

すなわち、本発明に係る製造方法は、複数の、断面形状が多角形に変形し得る変形繊維と、複数の、円形断面状の強化繊維又はその束とを含む繊維結合体の製造方法であって、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族からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する化合物を添加し、不活性ガス中、加熱反応して金属元素含有有機ケイ素重合体を調製する第1の工程と、前記金属元素含有有機ケイ素重合体を溶融紡糸又は乾式紡糸することにより紡糸繊維を調製する第2の工程と、前記紡糸繊維を酸素含有ガス中において、50〜170℃の範囲内の温度で加熱して不融化繊維を調製する第3の工程と、前記不融化繊維を不活性ガス中で加熱処理することにより無機化して無機化繊維を作製する第4の工程と、複数の前記無機化繊維と複数の前記強化繊維又はその束とを混合して予備形状物を作製する第5の工程と、前記予備形状物を型内に仕込み、真空、あるいは、不活性ガス、還元ガス、及び炭化水素ガスからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるガス中で、1700〜2200℃の範囲内の温度で加圧する第6の工程と、を含む。なお、本発明に係る製造方法は、前記第3の工程後に、複数の前記不融化繊維と複数の前記強化繊維又はその束とを混合して予備形状物を作製する第4の工程と、前記予備形状物を型内に仕込み、不活性ガス中で加熱処理することにより前記予備形状物中の不融化繊維を無機化した後、真空、あるいは、不活性ガス、還元ガス、及び炭化水素ガスからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるガス中で、1700〜2200℃の範囲内の温度で加圧する第5の工程と、を含むこととしてもよい。前記強化繊維の束は、予めSiC前駆体樹脂又はセラミックスゾルに含浸することが望ましい。   That is, the manufacturing method according to the present invention is a method of manufacturing a fiber bonded body including a plurality of deformable fibers whose cross-sectional shape can be deformed into a polygon and a plurality of circular cross-sectional reinforcing fibers or bundles thereof. The polysilane having a molar ratio of carbon atoms to silicon atoms of 1.5 or more or a heated reaction product thereof contains at least one metal element selected from the group consisting of 2A group, 3A group, and 3B group A first step of adding a compound and heating to react in an inert gas to prepare a metal element-containing organosilicon polymer; and melt spinning or dry spinning the metal element-containing organosilicon polymer to produce a spun fiber. A second step of preparing, a third step of preparing the infusible fiber by heating the spun fiber in an oxygen-containing gas at a temperature in the range of 50 to 170 ° C., and inactivating the infusible fiber. Add in gas A fourth step of preparing mineralized fibers by mineralization by processing, and a fifth step of preparing a preform by mixing a plurality of the mineralized fibers and a plurality of the reinforcing fibers or bundles thereof. The preliminary shape is charged into a mold, and the temperature is in the range of 1700 to 2200 ° C. in a vacuum or at least one gas selected from the group consisting of an inert gas, a reducing gas, and a hydrocarbon gas. And a sixth step of applying pressure. The manufacturing method according to the present invention includes, after the third step, a fourth step in which a plurality of the infusible fibers and a plurality of the reinforcing fibers or a bundle thereof are mixed to produce a preliminary shape, After preliminarily shaped material is charged into a mold and heat-treated in an inert gas, the infusible fiber in the preliminary shaped material is mineralized, and then vacuum, or from inert gas, reducing gas, and hydrocarbon gas It is good also as including the 5th process pressurized in the gas which consists of at least 1 sort (s) chosen from the group which consists of 1700-2200 degreeC. The bundle of reinforcing fibers is preferably impregnated in advance with a SiC precursor resin or a ceramic sol.

また、本発明に係る繊維結合体は、実質的に最密充填構造で、複数の、円柱状の断面形状が多角形状に変形した変形繊維と、複数の、円形断面状の強化繊維又はその束とが結合した繊維結合体であって、前記変形繊維は、2A族、3A族、及び3B族からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を含有し、主としてSiCの焼結構造からなる無機繊維であり、前記変形繊維の表面に炭素を主成分とする境界層が形成されていることを特徴とする。   Further, the fiber bonded body according to the present invention has a substantially close-packed structure, a plurality of deformed fibers having a cylindrical cross-sectional shape deformed into a polygonal shape, and a plurality of reinforcing fibers having a circular cross-sectional shape or a bundle thereof. And the deformed fiber contains at least one metal selected from the group consisting of 2A group, 3A group, and 3B group, and is mainly composed of a sintered structure of SiC. And a boundary layer mainly composed of carbon is formed on the surface of the deformed fiber.

なお、前記予備形状物中の前記強化繊維同士は、相互に離間するように構成されていることが好ましい。また、前記強化繊維は、当該繊維の表面に滑り層を有することが好ましい。前記強化繊維としては、例えば、セラミックス繊維、炭素繊維、及び高融点金属製の繊維からなる群から選ばれる1又は2以上の繊維であることが好ましい。さらに、前記予備形状物は、複数の前記無機化繊維又は不融化繊維と、複数の前記強化繊維又はその束とが、1方向に引き揃えられているもの、あるいは、織り込まれているものであることが好ましい。   In addition, it is preferable that the reinforcing fibers in the preliminary shape are configured to be separated from each other. The reinforcing fiber preferably has a sliding layer on the surface of the fiber. The reinforcing fiber is preferably, for example, one or two or more fibers selected from the group consisting of ceramic fibers, carbon fibers, and high melting point metal fibers. Furthermore, the said pre-shaped thing is what the several said mineralization fiber or infusible fiber, and the said several reinforcement fiber or its bundle are aligned in one direction, or is woven. It is preferable.

本発明によれば、強度や靱性などがより改善された繊維結合体及びその製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fiber bonded body with improved strength and toughness and a method for manufacturing the same.

以下、好ましい実施の形態につき、図面を用いて詳細に説明する。
本発明に係る繊維結合体は、実質的に、複数の変形繊維と複数の強化繊維又はその束とが最密充填構造で結合しており、前記変形繊維の表面には炭素を主成分とする境界層が形成されていることを特徴とする。このように、繊維結合体に強化繊維を含ませることにより、従来の焼結SiC繊維結合体に比べ、優れた強度及び靱性を得ることが可能となる。また、本発明に係る繊維結合体は、変形繊維の表面に炭素を主成分とする境界層が形成されていることから、破壊時に滑り層として働き、変形繊維がクラックを架橋したり繊維結合体から引抜けたりすることで材料が即時破断することを抑制することが可能となる。
Hereinafter, preferred embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
In the fiber bonded body according to the present invention, a plurality of deformed fibers and a plurality of reinforcing fibers or a bundle thereof are bonded in a close-packed structure, and the surface of the deformed fibers is mainly composed of carbon. A boundary layer is formed. As described above, by including the reinforcing fiber in the fiber bonded body, it is possible to obtain superior strength and toughness as compared with the conventional sintered SiC fiber bonded body. Further, since the fiber bonded body according to the present invention has a boundary layer mainly composed of carbon formed on the surface of the deformed fiber, it acts as a sliding layer at the time of breakage, and the deformed fiber crosslinks the crack or the fiber bonded body. It is possible to suppress the material from being immediately broken by being pulled out from.

前記変形繊維としては、金属を含み、主としてSiCの焼結構造からなる無機化繊維であって、断面形状が円形から多角形に変形するものであればどのようなものでもよいが、55〜70重量%のSiと、30〜45重量%のCと、0.05〜4.0重量%(好ましくは、0.1〜2.0%重量%)の金属とが含まれているものが好ましい。前記金属としては、2A族(例えば、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Raなど)、3A族(例えば、Sc、Y、La、Ceなど)、及び3B族(例えば、B、Al、Ga、In、Tlなど)からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属であれば特に制限されるものではないが、SiCの焼結助剤として知られており、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コキシド化合物が存在する、Be、Mg、Y、Ce、B、Al等であることが好ましい。   The deformed fiber may be any inorganic fiber that contains a metal and is mainly composed of a sintered structure of SiC and has a cross-sectional shape that is deformed from a circle to a polygon. Preferred are those containing wt% Si, 30 to 45 wt% C, and 0.05 to 4.0 wt% (preferably 0.1 to 2.0 wt%) metal. . Examples of the metal include 2A group (for example, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, etc.), 3A group (for example, Sc, Y, La, Ce, etc.), and 3B group (for example, B, Al, Ga, etc.). Is not particularly limited as long as it is at least one metal selected from the group consisting of In, Tl, etc.), but is known as a sintering aid for SiC. Be, Mg, Y, Ce, B, Al or the like in which a chelate compound or alkoxide compound capable of reacting is present is preferable.

また、前記強化繊維としては、型内で高温加圧しても断面形状が変形し難い円形断面形状の繊維であれば特に制限されるものではないが、例えば、炭素繊維、セラミックス繊維(例えば、Si-C 、Si-Ti-C-O、Si-Zr-C-O、Si-Al-C-O、Si-C-O、Si-C-O-B、Si-C-N等の炭化物系セラミックス繊維、Al2O3等の酸化物系セラミックス繊維、Si3N4等の窒化物系セラミックス繊維など)、高融点金属製繊維(例えば、MoやW等からなる繊維)などを用いることができる。 Further, the reinforcing fiber is not particularly limited as long as it is a fiber having a circular cross-sectional shape that is difficult to deform even when pressurized in a mold at a high temperature. For example, carbon fiber, ceramic fiber (for example, Si -C, Si-Ti-CO, Si-Zr-CO, Si-Al-CO, Si-CO, Si-COB, Si-CN and other carbide ceramic fibers, Al 2 O 3 and other oxide ceramic fibers Nitride ceramic fibers such as Si3N4), refractory metal fibers (for example, fibers made of Mo, W, or the like) can be used.

なお、前記強化繊維は、表面に炭素、窒化ホウ素等によって形成された滑り層、または炭素、窒化ホウ素等の物質と耐酸化性の優れる炭化ケイ素等を層状に形成された滑り層を有することが好ましい。このように強化繊維に滑り層を形成させることにより、破壊時に、前記強化繊維がクラックを架橋したり繊維結合体から引抜けたりすることを助長して前記変形繊維からなる繊維結合体の場合に比べて材料が即時破断することをさらに抑制することが可能となる。前記滑り層は、強化繊維の表面に炭素、窒化ホウ素等の滑り層形成物質を用いて化学的気相蒸着(CVD)法により形成することとしてもよいが、滑り層形成物質を溶媒中に分散させたスラリー中に強化繊維を浸すことにより、強化繊維の表面に滑り層形成物質を付着させて形成することとしてもよい。   The reinforcing fiber may have a sliding layer formed of carbon, boron nitride or the like on the surface, or a sliding layer formed of a layer of a material such as carbon or boron nitride and silicon carbide having excellent oxidation resistance. preferable. By forming a sliding layer on the reinforcing fiber in this way, at the time of breaking, the reinforcing fiber promotes the cross-linking of cracks or pulls out from the fiber bonded body, and in the case of a fiber bonded body made of the deformed fiber. In comparison, the material can be further prevented from breaking immediately. The sliding layer may be formed on the surface of the reinforcing fiber by a chemical vapor deposition (CVD) method using a sliding layer forming material such as carbon or boron nitride, but the sliding layer forming material is dispersed in a solvent. It is good also as forming a slipping layer forming substance adhering to the surface of a reinforced fiber by immersing a reinforced fiber in the made slurry.

本発明においては、強化繊維同士の接触を防止するために、前記強化繊維同士が相互に離間するように構成されている繊維結合体が好ましい。また、強化繊維の代わりに強化繊維の束を用いる場合には、その束中の強化繊維同士が接触しないように相互に離間して構成されていることが好ましい。このように、強化繊維同士の接触を防止することにより、強化繊維の表面に対する損傷の発生を防止することが可能になる。なお、強化繊維同士が接触しないように相互に離間して構成された強化繊維の束は、例えば、ポリビニルシラン、ポリメチルシラン、ポリジメチルシラン等の公知のSiC前駆体樹脂溶液やセラミックスゾルに含浸させた後、加圧熱処理することにより製造することができる。   In the present invention, in order to prevent contact between the reinforcing fibers, a fiber bonded body configured such that the reinforcing fibers are separated from each other is preferable. When a bundle of reinforcing fibers is used instead of the reinforcing fibers, the reinforcing fibers are preferably separated from each other so that the reinforcing fibers in the bundle do not contact each other. Thus, it becomes possible to prevent generation | occurrence | production of the damage with respect to the surface of a reinforced fiber by preventing the contact between reinforced fibers. In addition, a bundle of reinforcing fibers configured to be separated from each other so that the reinforcing fibers do not contact each other is impregnated with a known SiC precursor resin solution or ceramic sol such as polyvinylsilane, polymethylsilane, polydimethylsilane, etc. Then, it can be produced by heat treatment under pressure.

また、本発明においては、強度が最も優れている点で、図1に示すような、前記強化繊維2同士が接触しない範囲内で多くの前記強化繊維2と前記変形繊維1とが含まれている繊維結合体10や、図2に示すような、強化繊維2同士が接触しないように構成された強化繊維の束3と、変形繊維1とが含まれている繊維結合体10が最も好ましい。   Further, in the present invention, many of the reinforcing fibers 2 and the deformed fibers 1 are included within a range where the reinforcing fibers 2 do not contact each other as shown in FIG. The fiber combination 10 including the bundle 10 of reinforcing fibers and the bundle 3 of reinforcing fibers configured so that the reinforcing fibers 2 are not in contact with each other and the deformed fibers 1 as shown in FIG.

なお、上述においては、複数の変形繊維と複数の強化繊維又はその束とが1方向に引き揃えられた繊維結合体について説明したが、複数の変形繊維と複数の強化繊維又はその束とが多次元に織り込まれた繊維結合体であっても構わない。   In the above description, a fiber bonded body in which a plurality of deformed fibers and a plurality of reinforcing fibers or bundles thereof are aligned in one direction has been described. However, a plurality of deformed fibers and a plurality of reinforcing fibers or bundles thereof are many. A fiber bonded body woven in a dimension may be used.

以下、本発明に係る結合繊維体の製造方法について説明する。上述のような結合繊維体は、例えば、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族からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する化合物を添加し、不活性ガス中、加熱反応して金属元素含有有機ケイ素重合体を調製し、前記金属元素含有有機ケイ素重合体を溶融紡糸又は乾式紡糸することにより紡糸繊維を調製し、前記紡糸繊維を酸素含有ガス中において、50〜170℃の範囲内の温度で加熱して不融化繊維を調製し、前記不融化繊維を不活性ガス中で予め無機化して無機化繊維を作製し、複数の前記無機化繊維と複数の前記強化繊維とを混合して予備形状物を作製し、前記予備形状物を型内に仕込み、真空、あるいは、不活性ガス、還元ガス、及び炭化水素ガスからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるガス中で、1700〜2200℃の範囲内の温度で加圧することにより製造することができる。また、複数の前記不融化繊維と複数の前記強化繊維又はその束とを混合して予備形状物を作製した後、前記予備形状物を型内に仕込み、真空、あるいは、不活性ガス、還元ガス、及び炭化水素ガスからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるガス中で無機化し、更にそのまま1700〜2200℃の範囲内の温度で加圧することにより製造することもできる。   Hereinafter, the manufacturing method of the coupling fiber body concerning the present invention is explained. The above bonded fiber body is selected from the group consisting of 2A group, 3A group, and 3B group, for example, polysilane having a molar ratio of carbon atom to silicon atom of 1.5 or more or a heated reaction product thereof. And a metal element-containing organosilicon polymer is prepared by heating and reacting in an inert gas, and the metal element-containing organosilicon polymer is melt-spun or dry-spun. A spun fiber is prepared by heating the spun fiber in an oxygen-containing gas at a temperature in the range of 50 to 170 ° C. to prepare an infusible fiber, and the infusible fiber is previously inorganic in an inert gas. To prepare a mineralized fiber, and a plurality of the mineralized fiber and a plurality of the reinforcing fibers are mixed to prepare a preliminary shape, and the preliminary shape is charged into a mold, and vacuum or an inert gas is prepared. ,reduction Scan, and in a gas consisting of at least one selected from the group consisting of hydrocarbon gas, it can be prepared by pressurizing at a temperature in the range of 1,700 to 2200 ° C.. Also, after preparing a preliminary shape by mixing a plurality of the infusible fibers and a plurality of the reinforcing fibers or bundles thereof, the preliminary shape is charged into a mold, and vacuum, or an inert gas, a reducing gas , And at least one selected from the group consisting of hydrocarbon gas, and can also be produced by pressurizing at a temperature in the range of 1700 to 2200 ° C. as it is.

ここで、前記金属元素含有有機ケイ素重合体の調製において用いられるポリシランとしては、例えば、数平均分子量が300〜1000の鎖状又は環状の重合体を挙げることができる。前記ポリシランのケイ素の側鎖としては、例えば、水素原子、低級アルキル基、アリール基、フェニル基、シリル基などであっても構わないが、変形繊維の表面に境界炭素層を形成させるために、いずれのポリシラン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。なお、前記ポリシランは、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であっても構わない。   Here, examples of the polysilane used in the preparation of the metal element-containing organosilicon polymer include a chain or cyclic polymer having a number average molecular weight of 300 to 1,000. The side chain of silicon of the polysilane may be, for example, a hydrogen atom, a lower alkyl group, an aryl group, a phenyl group, a silyl group, etc., but in order to form a boundary carbon layer on the surface of the deformed fiber, Any of the polysilanes needs to have a molar ratio of carbon atoms to silicon atoms of 1.5 or more. The polysilane may be an organosilicon polymer partially containing a carbosilane bond in addition to the polysilane bond unit obtained by heating the chain or cyclic polysilane.

また、前記金属元素含有有機ケイ素重合体の調製において用いられる金属元素を含有する化合物としては、上述の2A族、3A族、及び3B族からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含むものであって、ポリシラン或いはその加熱反応物によって生成される有機ケイ素ポリマー中のSi−H結合と反応して、各金属元素がSiと直接あるいは他の元素を介して結合するものであればどのようなものでもよく、例えば、前記金属元素を有するアルコキシド、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、より具体的には、ベリリウムアセチルアセトナート、マグネシウムアセチルアセトナート、イットリウムアセチルアセトナート、セリウムアセチルアセトナート、ほう酸ブトキシド、アルミニウムアセチルアセトナート等を挙げることができる。   The compound containing a metal element used in the preparation of the metal element-containing organosilicon polymer contains at least one metal element selected from the group consisting of the above-mentioned 2A group, 3A group, and 3B group Any metal element can be bonded to Si directly or via other elements by reacting with Si-H bonds in the organosilicon polymer produced by polysilane or its heated reaction product. For example, an alkoxide having the above metal element, an acetylacetoxide compound, a carbonyl compound, a cyclopentadienyl compound, or the like can be used. More specifically, beryllium acetylacetonate, magnesium acetylacetonate, Yttrium acetylacetonate, cerium acetylacetonate, boric acid Tokishido, and aluminum acetylacetonate.

なお、前記金属元素含有有機ケイ素重合体の調製は、上述のポリシラン又はその加熱反応物に、上述の金属元素を含有する化合物を添加し、不活性ガス中で250〜350℃の範囲の温度で1〜10時間加熱反応することにより行うことができる。以上のようにして得られる金属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、橋かけ重合体となる。   The metal element-containing organosilicon polymer is prepared by adding a compound containing the above metal element to the above polysilane or a heated reaction product thereof and at a temperature in the range of 250 to 350 ° C. in an inert gas. The reaction can be carried out by heating for 1 to 10 hours. The metal-containing organosilicon polymer obtained as described above is a crosslinked polymer having a structure in which at least a part of silicon atoms of polysilane are bonded with or without metal atoms and oxygen atoms. .

前記紡糸繊維の調製は、上述のように、前記金属元素含有有機ケイ素重合体を溶融紡糸することにより行ってもよいし、前記金属元素含有有機ケイ素重合体を有機溶媒(例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン等)に溶解した後、乾式紡糸することにより行ってもよい。   As described above, the spinning fiber may be prepared by melt spinning the metal element-containing organosilicon polymer, or the metal element-containing organosilicon polymer may be prepared using an organic solvent (for example, benzene, toluene, Alternatively, it may be carried out by dry spinning after dissolving in xylene or the like.

前記紡糸繊維から不融化繊維を調製する処理は、紡糸繊維を構成するポリマー間に酸素原子による橋かけ点を形成させ、後述する無機化処理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ために行う。この処理において用いる酸素含有ガスとしては、例えば、空気、酸素、オゾン等を挙げることができる。   The process for preparing the infusible fiber from the spun fiber is to form a crosslinking point by oxygen atoms between the polymers constituting the spun fiber, and the infusible fiber does not melt in the mineralization process described later, and adjacent fibers are This is done to prevent fusion. Examples of the oxygen-containing gas used in this treatment include air, oxygen, ozone, and the like.

前記不融化繊維の無機化処理は、連続式又は回分式で、不融化繊維をアルゴン、窒素、空気等の不活性ガス中で、1000〜1700℃の範囲内の温度で加熱処理することにより行うことができる。ここで、無機化処理する不融化繊維としては、8〜16重量%の酸素を含有するものが好ましい。このように不融化繊維に酸素を含有することにより、無機化された繊維中に存在する余剰炭素をCO又はCOガスとして離脱することができるようになる。なお、酸素の含有量が8重量%より少ない場合は、無機化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SiCの焼結を阻害し、また、16重量%よりも多い場合は、無機化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ので、材料の力学的特性に悪影響を及ぼすものと考えられる。 The mineralization treatment of the infusible fiber is performed continuously or batchwise by heating the infusible fiber in an inert gas such as argon, nitrogen or air at a temperature in the range of 1000 to 1700 ° C. be able to. Here, the infusible fiber to be mineralized is preferably one containing 8 to 16% by weight of oxygen. By containing oxygen in the infusible fiber as described above, surplus carbon existing in the mineralized fiber can be released as CO or CO 2 gas. When the oxygen content is less than 8% by weight, excess carbon in the mineralized fiber remains more than necessary, and segregates around the SiC crystal in the temperature rising process to stabilize the SiC. If the amount is more than 16% by weight, surplus carbon in the mineralized fiber is completely desorbed and a boundary carbon layer between the fibers is not generated, which is considered to adversely affect the mechanical properties of the material. It is done.

なお、前記不融化繊維は、無機化処理する前に予め不活性ガス中で150〜800℃で加熱処理することが望ましい。これにより、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ーの橋かけ反応をより進行させ、前駆体金属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。従って、無機化処理を効率よく安定に行うことが可能となる。   The infusible fiber is preferably heat-treated at 150 to 800 ° C. in an inert gas in advance before the mineralization treatment. As a result, while preventing oxygen uptake into the fiber, the crosslinking reaction of the polymer constituting the fiber is further advanced, and the excellent elongation of the infusible fiber from the precursor metal polymer is maintained, and the strength is further increased. Can be improved. Accordingly, it is possible to perform the mineralization treatment efficiently and stably.

前記予備形状物は、本発明に係る結合繊維体を得ることができるように、強化繊維又はその束と、無機化繊維又は不融化繊維とを混合したものである。   The preliminary shaped material is a mixture of reinforcing fibers or bundles thereof and mineralized fibers or infusible fibers so that the bonded fiber body according to the present invention can be obtained.

以上のようにして、本発明に係る繊維結合体を製造することができる。なお、本実施の形態においては、滑り層形成物質を用いて化学的気相蒸着法等によって強化繊維の表面に滑り層を形成させることとしているが、予備形状物の加熱反応において強化繊維から発生した炭素により当該繊維表面に滑り層を形成させることとしてもよい。   As described above, the fiber bonded body according to the present invention can be manufactured. In this embodiment, the slip layer is formed on the surface of the reinforcing fiber by a chemical vapor deposition method using the slip layer forming substance, but it is generated from the reinforcing fiber in the heating reaction of the preliminary shape. It is good also as forming a slipping layer on the said fiber surface with the done carbon.

本実施の形態の一例として説明する、強化繊維2と変形繊維1とを含む繊維結合体の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fiber coupling body containing the reinforced fiber 2 and the deformation | transformation fiber 1 demonstrated as an example of this Embodiment. 本実施の形態の一例として説明する、強化繊維の束3と変形繊維1とを含む繊維結合体の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fiber coupling body containing the bundle 3 of the reinforced fiber and the deformation | transformation fiber 1 demonstrated as an example of this Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 変形繊維
2 強化繊維
3 強化繊維の束
10 繊維結合体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Deformation fiber 2 Reinforcement fiber 3 Reinforcement fiber bundle 10 Fiber conjugate

Claims (13)

複数の、断面形状が多角形に変形し得る変形繊維と、複数の、円形断面状の強化繊維又はその束とを含む繊維結合体の製造方法であって、
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族からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する化合物を添加し、不活性ガス中、加熱反応して金属元素含有有機ケイ素重合体を調製する第1の工程と、
前記金属元素含有有機ケイ素重合体を溶融紡糸又は乾式紡糸することにより紡糸繊維を調製する第2の工程と、
前記紡糸繊維を酸素含有ガス中において、50〜170℃の範囲内の温度で加熱して不融化繊維を調製する第3の工程と、
前記不融化繊維を不活性ガス中で加熱処理することにより無機化して無機化繊維を作製する第4の工程と、
複数の前記無機化繊維と複数の前記強化繊維又はその束とを混合して予備形状物を作製する第5の工程と、
前記予備形状物を型内に仕込み、真空、あるいは、不活性ガス、還元ガス、及び炭化水素ガスからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるガス中で、1700〜2200℃の範囲内の温度で加圧する第6の工程と、
を含むことを特徴とする繊維結合体の製造方法。
A method of manufacturing a fiber bonded body including a plurality of deformable fibers whose cross-sectional shape can be deformed into polygons, and a plurality of circular cross-sectional reinforcing fibers or bundles thereof
A compound containing at least one metal element selected from the group consisting of 2A group, 3A group, and 3B group in polysilane having a molar ratio of carbon atom to silicon atom of 1.5 or more or a heated reaction product thereof A first step of preparing a metal element-containing organosilicon polymer by heating and reacting in an inert gas;
A second step of preparing a spun fiber by melt spinning or dry spinning the metal element-containing organosilicon polymer;
A third step of preparing the infusible fiber by heating the spun fiber in an oxygen-containing gas at a temperature in the range of 50 to 170 ° C .;
A fourth step in which the infusibilized fiber is mineralized by heat treatment in an inert gas to produce the mineralized fiber;
A fifth step of preparing a preform by mixing a plurality of the mineralized fibers and a plurality of the reinforcing fibers or bundles thereof;
The preliminary shape is charged into a mold, and at a temperature in the range of 1700 to 2200 ° C. in a vacuum or at least one gas selected from the group consisting of an inert gas, a reducing gas, and a hydrocarbon gas. A sixth step of applying pressure;
The manufacturing method of the fiber coupling body characterized by including.
複数の、断面形状が多角形に変形し得る変形繊維と、複数の、円形断面状の強化繊維又はその束とを含む繊維結合体の製造方法であって、
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族からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する化合物を添加し、不活性ガス中、加熱反応して金属元素含有有機ケイ素重合体を調製する第1の工程と、
前記金属元素含有有機ケイ素重合体を溶融紡糸又は乾式紡糸することにより紡糸繊維を調製する第2の工程と、
前記紡糸繊維を酸素含有ガス中において、50〜170℃の範囲内の温度で加熱して不融化繊維を調製する第3の工程と、
複数の前記不融化繊維と複数の前記強化繊維又はその束とを混合して予備形状物を作製する第4の工程と、
前記予備形状物を型内に仕込み、不活性ガス中で加熱処理することにより前記予備形状物中の不融化繊維を無機化した後、真空、あるいは、不活性ガス、還元ガス、及び炭化水素ガスからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるガス中で、1700〜2200℃の範囲内の温度で加圧する第5の工程と、
を含むことを特徴とする繊維結合体の製造方法。
A method of manufacturing a fiber bonded body including a plurality of deformable fibers whose cross-sectional shape can be deformed into polygons, and a plurality of circular cross-sectional reinforcing fibers or bundles thereof
A compound containing at least one metal element selected from the group consisting of 2A group, 3A group, and 3B group in polysilane having a molar ratio of carbon atom to silicon atom of 1.5 or more or a heated reaction product thereof A first step of preparing a metal element-containing organosilicon polymer by heating and reacting in an inert gas;
A second step of preparing a spun fiber by melt spinning or dry spinning the metal element-containing organosilicon polymer;
A third step of preparing the infusible fiber by heating the spun fiber in an oxygen-containing gas at a temperature in the range of 50 to 170 ° C .;
A fourth step of preparing a preliminary shape by mixing a plurality of the infusible fibers and a plurality of the reinforcing fibers or bundles thereof;
The preform is charged into a mold and heat treated in an inert gas to mineralize the infusible fiber in the preform, and then vacuum, or an inert gas, a reducing gas, and a hydrocarbon gas A fifth step of pressurizing at a temperature in the range of 1700 to 2200 ° C. in a gas consisting of at least one selected from the group consisting of:
The manufacturing method of the fiber coupling body characterized by including.
前記予備形状物中の前記強化繊維同士が相互に離間するように構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の繊維結合体の製造方法。   The method for producing a fiber bonded body according to claim 1 or 2, wherein the reinforcing fibers in the preliminary shape are configured to be separated from each other. 前記強化繊維の束を予めSiC前駆体樹脂又はセラミックスゾルに含浸することを特徴とする請求項1又は2に記載の繊維結合体の製造方法。   3. The method for producing a fiber bonded body according to claim 1, wherein the bundle of reinforcing fibers is impregnated in advance with a SiC precursor resin or a ceramic sol. 前記強化繊維が、当該繊維の表面に滑り層を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の繊維結合体の製造方法。   The said reinforcing fiber has a sliding layer on the surface of the said fiber, The manufacturing method of the fiber conjugate | bonding body in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記強化繊維は、セラミックス繊維、炭素繊維、及び高融点金属製の繊維からなる群から選ばれる1又は2以上の繊維であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の繊維結合体の製造方法。   6. The fiber bond according to claim 1, wherein the reinforcing fiber is one or two or more fibers selected from the group consisting of ceramic fibers, carbon fibers, and high melting point metal fibers. Body manufacturing method. 前記予備形状物は、複数の前記無機化繊維又は不融化繊維と、複数の前記強化繊維又はその束とが、1方向に引き揃えられていること、あるいは、織り込まれていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の繊維結合体の製造方法。   The preliminary-shaped object is characterized in that a plurality of the mineralized fibers or infusibilized fibers and a plurality of the reinforcing fibers or bundles thereof are aligned or woven in one direction. The manufacturing method of the fiber conjugate | bonded_body in any one of Claims 1-6. 実質的に最密充填構造で、複数の、円柱状の断面形状が多角形状に変形した変形繊維と、複数の、円形断面状の強化繊維又はその束とが結合した繊維結合体であって、
前記変形繊維は、2A族、3A族、及び3B族からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を含有し、主としてSiCの焼結構造からなる無機繊維であり、
前記変形繊維の表面に炭素を主成分とする境界層が形成されていることを特徴とする繊維結合体。
It is a fiber bonded body in which a plurality of deformed fibers whose cylindrical cross-sectional shape is deformed into a polygonal shape and a plurality of circular cross-sectional reinforcing fibers or bundles thereof are bonded in a substantially close-packed structure,
The deformed fiber contains at least one metal selected from the group consisting of Group 2A, Group 3A, and Group 3B, and is an inorganic fiber mainly composed of a sintered structure of SiC.
A fiber bonded body, wherein a boundary layer mainly composed of carbon is formed on a surface of the deformed fiber.
前記強化繊維同士が相互に離間するように構成されていることを特徴とする請求項8に記載の繊維結合体。   The fiber bonded body according to claim 8, wherein the reinforcing fibers are configured to be separated from each other. 前記強化繊維の束中の個々の強化繊維間に、SiC前駆体樹脂又はセラミックスゾルを無機化することによって得られる無機物が存在することを特徴とする請求項8に記載の繊維結合体。   9. The fiber bonded body according to claim 8, wherein an inorganic substance obtained by mineralizing the SiC precursor resin or the ceramic sol is present between the individual reinforcing fibers in the bundle of reinforcing fibers. 前記強化繊維が、当該繊維の表面に滑り層を有することを特徴とする請求項8又は9に記載の繊維結合体。   The fiber reinforced product according to claim 8 or 9, wherein the reinforcing fiber has a sliding layer on a surface of the fiber. 前記強化繊維は、セラミックス繊維、炭素繊維、及び高融点金属製の繊維からなる群から選ばれる1又は2以上の繊維であることを特徴とする請求項8〜11のいずれかに記載の繊維結合体の製造方法。   The fiber-bonding according to any one of claims 8 to 11, wherein the reinforcing fiber is one or two or more fibers selected from the group consisting of ceramic fibers, carbon fibers, and high melting point metal fibers. Body manufacturing method. 複数の前記変形繊維と、複数の前記強化繊維又はその束とが、1方向に引き揃えられていること、あるいは、織り込まれていることを特徴とする請求項8〜12のいずれかに記載の繊維結合体。

The plurality of deformed fibers and the plurality of reinforcing fibers or bundles thereof are aligned or woven in one direction, according to any one of claims 8 to 12. Fiber bonded body.

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KR20180082077A (en) * 2017-01-10 2018-07-18 (주) 데크카본 Method of manufacturing mat-typed silicon carbide fiber

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