JP2008201611A - Titanium carbide-impregnated carbon fiber-reinforced carbon composite - Google Patents

Titanium carbide-impregnated carbon fiber-reinforced carbon composite Download PDF

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JP2008201611A JP2007038159A JP2007038159A JP2008201611A JP 2008201611 A JP2008201611 A JP 2008201611A JP 2007038159 A JP2007038159 A JP 2007038159A JP 2007038159 A JP2007038159 A JP 2007038159A JP 2008201611 A JP2008201611 A JP 2008201611A
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Kazuo Sugiyama
和夫 杉山
Yusuke Tabata
勇祐 田端
Takao Nakagawa
隆夫 中川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a C/C composite manufactured by a low temperature treatment and having improved oxidation resistance. <P>SOLUTION: A part or the whole of a base material comprising the carbon fiber-reinforced carbon composite (C/C) has a titanium carbide impregnated layer. In the manufacture of the composite, the composite is obtained by applying a coating liquid comprising metal titanium and a carbon source on the base material comprising the carbon fiber-reinforced carbon composite (C/C) and next, applying high frequency induction heating on the base material coated with the coating liquid. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、炭化チタン含浸炭素繊維強化炭素複合材料及び高周波誘導加熱を用いる前記複合材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a titanium carbide-impregnated carbon fiber reinforced carbon composite material and a method for producing the composite material using high frequency induction heating.

C/Cコンポジットは軽量性と機械的強度、不活性雰囲気における耐熱性に優れた高性能材料である。そのため自動車・航空機の構造材や産業用ロボットなどさまざまな分野での利用が期待されている。しかし、C/Cコンポジットは、高温大気中での耐酸化性の低さが問題である。   C / C composite is a high-performance material with excellent lightness, mechanical strength, and heat resistance in an inert atmosphere. Therefore, it is expected to be used in various fields such as automobile / aircraft structural materials and industrial robots. However, C / C composites have a problem of low oxidation resistance in a high-temperature atmosphere.

炭素材料に、高温耐酸化性能を付与する方法として炭素繊維強化炭素複合材 (以下C/Cと呼ぶ)の表面を炭化物等でセラミックス化する方法(あるいは、さらにその上にガラス等によるコーティングをおこなう方法)は良く知られており、米国のスペースシャトルの耐熱・耐酸化材料の製造法としても採用されている。しかし、この方法で十分な耐酸化性能を有するC/Cを得るためには、当該表層SiCの層厚を大きくした上で、当該表層SiCに多量のガラス等を含浸/固定化して、酸素等の母材C/Cの損傷を引き起こすガス成分等の拡散を防止することが必要であった。そのため基材となるC/Cの大きい強度低下が発生するので、C/Cの厚みを大きくすることが必要となり、C/Cの特徴である軽量性が犠牲となっていた。   As a method for imparting high-temperature oxidation resistance to a carbon material, a method of converting the surface of a carbon fiber reinforced carbon composite (hereinafter referred to as C / C) into a ceramic with a carbide or the like (or further coating with glass or the like thereon) Method) is well known and is also used as a method for producing heat and oxidation resistant materials for US space shuttles. However, in order to obtain C / C having sufficient oxidation resistance performance by this method, the surface layer SiC is increased in thickness, and then impregnated / fixed with a large amount of glass or the like in the surface layer SiC. It was necessary to prevent the diffusion of gas components and the like that cause damage to the base material C / C. For this reason, since the strength of C / C as a base material is greatly reduced, it is necessary to increase the thickness of C / C, and the light weight characteristic of C / C is sacrificed.

そこで、耐酸化性能、特に高速気流等の高速高温な外力の繰り返し負荷に対して強い耐酸化性能を有する炭素繊維強化炭素複合材料の提供が望まれ、炭素繊維強化炭素複合材料 (C/C)の表面に気相化学蒸着法によって緻密な耐酸化性能を有する被覆層(CVD層)を有し、さらにその表面に無定形材料によるオーバーコート層を有する炭素繊維強化炭素 複合材料において、該CVD層が表面に凹凸を有するCVD層であることを特徴とする炭素繊維強化炭素複合材料が提案されている(特許文献1) 。   Therefore, it is desired to provide a carbon fiber reinforced carbon composite material having a high oxidation resistance performance against oxidation load, particularly high-speed high-temperature external load such as high-speed airflow, and the carbon fiber-reinforced carbon composite material (C / C). A carbon fiber reinforced carbon composite material having a coating layer (CVD layer) having a dense oxidation resistance by vapor phase chemical vapor deposition on the surface thereof, and further having an overcoat layer made of an amorphous material on the surface thereof. A carbon fiber reinforced carbon composite material characterized in that is a CVD layer having irregularities on the surface has been proposed (Patent Document 1).

また、軽量かつ高強度で高速回転性に優れ、ジェットエンジンやガスタービンのような高速で回転する機械の回転軸を支持する軸受として好適に使用し得る転動装置を提供することを目的として、転動体を保持する保持器を、密度が3.5g/cm3以下であって焼成後に溶融金属 を含浸された炭素繊維強化炭素複合材料から形成することが提案されている(特許文献2)。 In addition, for the purpose of providing a rolling device that can be suitably used as a bearing that supports a rotating shaft of a machine that rotates at a high speed, such as a jet engine or a gas turbine, is lightweight, high-strength, and excellent in high-speed rotation. It has been proposed to form a cage for holding rolling elements from a carbon fiber reinforced carbon composite material having a density of 3.5 g / cm 3 or less and impregnated with molten metal after firing (Patent Document 2).

特許文献2には、炭素繊維強化炭素複合材料に溶融金属を加圧などして含浸する場合、炭素繊維強化炭素複合材料を溶融金属の融点よりも100℃〜250℃高い温度で予め予熱し、その後、溶融金属の融点よりも50℃〜250℃高い温度で溶融金属を炭素繊維強化炭素 複合材料に加圧含浸すると、溶融金属が炭素繊維強化炭素複合材料中に十分に含浸されるので好ましい、と記載されている。   In Patent Document 2, when the carbon fiber reinforced carbon composite material is impregnated with a molten metal by pressurization or the like, the carbon fiber reinforced carbon composite material is preheated at a temperature higher by 100 ° C. to 250 ° C. than the melting point of the molten metal, Thereafter, when the carbon fiber reinforced carbon composite material is impregnated with a molten metal at a temperature 50 ° C. to 250 ° C. higher than the melting point of the molten metal, the molten metal is preferably impregnated in the carbon fiber reinforced carbon composite material. It is described.

さらに、宇宙航空用等の超耐熱複合材料に好適な素材を提供することを目的として、金属蒸気と炭素繊維強化炭素複合材とを該複合材の表面で反応させ、該複合材表面に金属炭化物層を形成する、表面被覆炭素繊維強化炭素複合材の製造方法が提案されている(特許文献3)。この方法によれば、炭素繊維強化炭素複合材と金属炭化物層との界面に剥離がなく、しかも、亀裂がない金属炭化物層を炭素繊維強化炭素複合材の表面に形成することができる、と記載されている。   Furthermore, for the purpose of providing a material suitable for a super heat resistant composite material for aerospace use or the like, a metal vapor and a carbon fiber reinforced carbon composite material are reacted on the surface of the composite material, and a metal carbide is formed on the composite material surface. A method for producing a surface-coated carbon fiber reinforced carbon composite material that forms a layer has been proposed (Patent Document 3). According to this method, the interface between the carbon fiber reinforced carbon composite material and the metal carbide layer is free from peeling, and a metal carbide layer without cracks can be formed on the surface of the carbon fiber reinforced carbon composite material. Has been.

特許文献3に記載の方法では、金属蒸気とC/C複合材との反応により金属炭化物層が形成されるが、この被覆層表面は、完全に金属炭化物となり、一方、被覆層内部は、金属炭化物と炭素との複合物が形成される。この複合物中の金属炭化物と炭素との割合は、C/C複合材の表面から内部にむけて炭素が徐々に増加し、いわゆる傾斜機能構造を形成するものである。
特開平8−239285号公報 特開2002−327754号公報 特開平5−124147号公報
In the method described in Patent Document 3, a metal carbide layer is formed by a reaction between metal vapor and a C / C composite material. The surface of the coating layer is completely metal carbide, while the inside of the coating layer is a metal A composite of carbide and carbon is formed. The ratio of the metal carbide and carbon in the composite is such that carbon gradually increases from the surface to the inside of the C / C composite to form a so-called functionally graded structure.
JP-A-8-239285 JP 2002-327754 A Japanese Patent Laid-Open No. 5-124147

特許文献1に記載のCVD法による成膜処理は、長時間を要することから材料が高コストとなるため航空宇宙分野など限られた用途で使用されるに留まっている。   The film forming process by the CVD method described in Patent Document 1 takes a long time, so that the material becomes expensive, so that it is only used in limited applications such as the aerospace field.

また、特許文献2に記載の金属を含浸された炭素繊維強化炭素複合材料は、炭素繊維強化炭素複合材料を溶融金属の融点よりも100℃〜250℃高い温度で予め予熱し、その後、溶融金属の融点よりも50℃〜250℃高い温度で溶融金属を炭素繊維強化炭素複合材料に加圧含浸することで製造されるが、非常に高温での処理が必要である。   Moreover, the carbon fiber reinforced carbon composite material impregnated with the metal described in Patent Document 2 is preheated at a temperature higher by 100 ° C. to 250 ° C. than the melting point of the molten metal, and then the molten metal Although it is manufactured by pressure impregnating a molten metal into a carbon fiber reinforced carbon composite material at a temperature 50 ° C. to 250 ° C. higher than the melting point, it requires a treatment at a very high temperature.

特許文献3に記載の金属炭化物表面被覆炭素繊維強化炭素複合材は、優れた耐酸化性を有するものである。しかし、その製造には、炭化物の原料となる金属を蒸気として、炭素繊維強化炭素複合材と反応させる必要がある。炭化チタンの場合、チタンの融点は1675℃であり、特許文献3の実施例2では、炭化チタン表面被覆炭素繊維強化炭素複合材の製造に、1850℃の温度を要している。   The metal carbide surface-coated carbon fiber reinforced carbon composite described in Patent Document 3 has excellent oxidation resistance. However, for the production thereof, it is necessary to react the carbon, which is the raw material of the carbide, with the carbon fiber reinforced carbon composite material as a vapor. In the case of titanium carbide, the melting point of titanium is 1675 ° C., and in Example 2 of Patent Document 3, a temperature of 1850 ° C. is required for producing the titanium carbide surface-coated carbon fiber reinforced carbon composite material.

そこで本発明の目的は、より低温の処理で製造できる、耐酸化性が向上したC/Cコンポジットを提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a C / C composite having improved oxidation resistance that can be produced by a lower temperature treatment.

本発明者らは、高周波誘導加熱法を用いることで、金属チタンの融点よりも低い加熱温度であっても炭化チタン表面含浸層を有する炭素・金属系複合材料を製造できることを見いだし、さらに、この複合材料が優れた耐酸化性を有することを見いだして、本発明を完成させた。   The present inventors have found that by using a high frequency induction heating method, a carbon / metal composite material having a titanium carbide surface-impregnated layer can be produced even at a heating temperature lower than the melting point of titanium metal. The present invention was completed by finding that the composite material has excellent oxidation resistance.

上記課題を解決する本発明は以下の通である。
[1]炭素繊維強化炭素複合材(C/C)からなる基材の表面の一部または全部に炭化チタン含浸層を有する複合材料。
[2]炭化チタン含浸層の厚みが1μm〜10mmの範囲である[1]に記載の複合材料。
[3]炭化チタン含浸層は、非傾斜構造を有する[1]または[2]に記載の複合材料。
[4]炭化チタン含浸層は、酸化チタンを含有する[1]〜[3]のいずれかに記載の複合材料。
[5]炭素繊維強化炭素複合材(C/C)からなる基材に金属チタンと炭素源を含むコーティング液を塗布し、次いで、コーティング液を塗布した基材に高周波誘導加熱を施して、[1]〜[4]のいずれかに記載の複合材料を得る、複合材料の製造方法。
[6]コーティング液に含まれる金属チタンが、金属チタン粉末である[5]に記載の製造方法。
[7]金属チタン粉末は、平均粒子径が100μm〜2mmの範囲である[5]または[6]に記載の製造方法。
[8]炭素源は、炭化水素化合物である[5]〜[7]のいずれかに記載の製造方法。
[9]炭化水素化合物は、ポリビニルアルコールである[8]に記載の製造方法。
[10]高周波誘導加熱温度が1550〜1650℃である[5]〜[9]のいずれかに記載の製造方法。
The present invention for solving the above problems is as follows.
[1] A composite material having a titanium carbide impregnated layer on part or all of the surface of a base material made of a carbon fiber reinforced carbon composite material (C / C).
[2] The composite material according to [1], wherein the titanium carbide impregnated layer has a thickness in the range of 1 μm to 10 mm.
[3] The composite material according to [1] or [2], wherein the titanium carbide impregnated layer has a non-gradient structure.
[4] The composite material according to any one of [1] to [3], wherein the titanium carbide impregnated layer contains titanium oxide.
[5] A coating liquid containing titanium metal and a carbon source is applied to a base material made of a carbon fiber reinforced carbon composite material (C / C), and then high frequency induction heating is applied to the base material to which the coating liquid is applied, [1] A method for producing a composite material, wherein the composite material according to any one of [4] is obtained.
[6] The production method according to [5], wherein the titanium metal contained in the coating liquid is a titanium metal powder.
[7] The production method according to [5] or [6], wherein the metal titanium powder has an average particle diameter in the range of 100 μm to 2 mm.
[8] The production method according to any one of [5] to [7], wherein the carbon source is a hydrocarbon compound.
[9] The production method according to [8], wherein the hydrocarbon compound is polyvinyl alcohol.
[10] The production method according to any one of [5] to [9], wherein the high-frequency induction heating temperature is 1550 to 1650 ° C.

本発明によれば、優れた耐酸化性を有する、炭化チタン表面含浸層を有する炭素・金属系複合材料を提供することができる。さらに本発明によれば、上記炭素・金属系複合材料を、高周波誘導加熱法を用いることで、金属チタンの融点よりも低い加熱温度で、かつ短時間に製造できる。   According to the present invention, it is possible to provide a carbon / metal composite material having a titanium carbide surface impregnated layer having excellent oxidation resistance. Furthermore, according to the present invention, the carbon-metal composite material can be produced in a short time at a heating temperature lower than the melting point of titanium metal by using a high frequency induction heating method.

[炭素・金属系複合材料]
本発明は、炭素・金属系複合材料に関し、炭素繊維強化炭素複合材(C/C)からなる基材の表面の一部または全部に炭化チタン含浸層を有する複合材料である。
[Carbon / metal composite materials]
The present invention relates to a carbon / metal composite material, which is a composite material having a titanium carbide impregnated layer on part or all of the surface of a substrate made of a carbon fiber reinforced carbon composite material (C / C).

基材として用いる炭素繊維強化炭素複合材(以下C/Cと略記する)は、炭素繊維を強化繊維とし、炭素をマトリックスとする複合材料である。炭素繊維としては、ピッチ系、ポリアクリロニトリル系およびレーヨン系等が挙げられるが、ピッチ系が最も好ましい。またこれらのうち二種以上を組み合わせて使用することもできる。マトリックス炭素はその製造方法により様々な性質を持つ。有機物の熱分解によるものとしては、大別して二種類あり、一つは熱硬化性樹脂の熱分解によるものであり、具体的にはフェノール樹脂、フラン樹脂などの熱分解によるものが挙げられる。もう一つは熱可塑性樹脂の熱分解によるものであり、具体的には石油系ピッチ、石炭系ピッチなどの熱分解によるものが挙げられる。さらに気相析出によるものも有効で、具体的にはメタン、プロパン、ブタン、四塩化炭素、ベンゼンなどの気相析出によるものがあげられる。このように本発明を構成する繊維強化複合材料 のマトリックスとしては、多くの種類を挙げることができるが、いずれも有効であり、以上に挙げたマトリックスは単独はもちろん、二種類以上のマトリックスを組み合わせて用いた繊維強化複合材料であっても、本発明の効果を妨げるものではない。   A carbon fiber reinforced carbon composite material (hereinafter abbreviated as C / C) used as a base material is a composite material having carbon fibers as reinforcing fibers and carbon as a matrix. Examples of carbon fibers include pitch, polyacrylonitrile, rayon, and the like, with pitch being most preferred. Two or more of these can also be used in combination. Matrix carbon has various properties depending on its production method. There are roughly two types of organic substances due to thermal decomposition. One is based on thermal decomposition of thermosetting resins, and specific examples include those based on thermal decomposition of phenol resins, furan resins, and the like. The other is due to thermal decomposition of a thermoplastic resin, and specific examples include those due to thermal decomposition of petroleum pitch, coal pitch, and the like. In addition, vapor deposition is also effective, and specific examples include vapor deposition of methane, propane, butane, carbon tetrachloride, benzene, and the like. As described above, the matrix of the fiber reinforced composite material constituting the present invention can include many types, but all of them are effective, and the above-mentioned matrix can be combined alone or in combination of two or more types. Even the fiber-reinforced composite material used in this manner does not hinder the effects of the present invention.

本発明の炭素・金属系複合材料は、基材の表面の一部または全部に炭化チタン含浸層を有する。炭化チタン含浸層の厚みは、1μm〜10mmの範囲であることが、優れた耐酸化性を有するという観点から好ましい。炭化チタン含浸層の厚みは、好ましくは10μm〜1mmの範囲であり、より好ましくは100μm〜500μmの範囲である。   The carbon / metal composite material of the present invention has a titanium carbide impregnated layer on a part or all of the surface of the substrate. The thickness of the titanium carbide impregnated layer is preferably in the range of 1 μm to 10 mm from the viewpoint of having excellent oxidation resistance. The thickness of the titanium carbide impregnated layer is preferably in the range of 10 μm to 1 mm, more preferably in the range of 100 μm to 500 μm.

炭化チタン含浸層は、C/Cの表面にTiCが含浸した層であり、実質的に、非傾斜構造を有する。本発明の炭素・金属系複合材料は、後述のように、C/Cの表面に設けた金属チタンと炭素源を含むコーティング膜を高周波誘導加熱することで、形成するものであり、TiCは、主に、金属チタンと炭素源との反応により生成し、このTiCがC/Cの細孔に含浸して、炭化チタン含浸層は形成される。金属チタンの一部は、C/Cの炭素とも反応する可能性はあるが、炭素源と反応しTiCとなるものが実質的には優位であり、そのため、炭化チタン含浸層は、実質的に、非傾斜構造を有するものである。   The titanium carbide impregnated layer is a layer in which the surface of C / C is impregnated with TiC, and has a substantially non-graded structure. The carbon / metal composite material of the present invention is formed by high frequency induction heating of a coating film containing titanium metal and a carbon source provided on the surface of C / C, as will be described later. The titanium carbide-impregnated layer is formed mainly by the reaction between titanium metal and a carbon source, and this TiC is impregnated into the C / C pores. Although some of the titanium metal may react with C / C carbon, the one that reacts with the carbon source to become TiC is substantially superior, so that the titanium carbide impregnated layer is substantially It has a non-inclined structure.

炭化チタン含浸層が、非傾斜構造を有するということは、C/Cが本来有する構造を実質的に破壊せずに、炭化チタン含浸層が形成されていることを意味し、本発明によれば、C/Cの優れた特性と炭化チタン含浸層による耐酸化性の向上という2つの利点を併せ持つ材料が提供される。炭化チタン含浸層が、非傾斜構造を有することは、炭化チタン含浸層の断面をEPMAで観察することで、確認できる。   That the titanium carbide impregnated layer has a non-tilted structure means that the titanium carbide impregnated layer is formed without substantially destroying the structure originally possessed by C / C. , A material having both the advantages of excellent C / C characteristics and improved oxidation resistance due to the titanium carbide impregnated layer is provided. It can be confirmed that the titanium carbide impregnated layer has a non-tilted structure by observing the cross section of the titanium carbide impregnated layer with EPMA.

本発明の炭素・金属系複合材料の炭化チタン含浸層は、製造上の理由で酸化チタンを含有することがある。本発明の炭素・金属系複合材料の炭化チタン含浸層が、炭化チタンのみからなるか、微量または少量の酸化チタンを含有するかは、XPSの測定により、確認できる。但し、酸化チタンの含有は、炭化チタンの特性を損なわない範囲にすることが適当である。   The titanium carbide impregnated layer of the carbon / metal composite material of the present invention may contain titanium oxide for manufacturing reasons. Whether the titanium carbide-impregnated layer of the carbon / metal composite material of the present invention consists of titanium carbide alone or contains a trace amount or a small amount of titanium oxide can be confirmed by XPS measurement. However, it is appropriate that the content of titanium oxide is within a range that does not impair the characteristics of titanium carbide.

[複合材料の製造方法]
本発明は、上記本発明の炭素・金属系複合材料の製造方法を包含する。この製造方法は、炭素繊維強化炭素複合材(C/C)からなる基材に金属チタンを含むコーティング液を塗布し、次いで、コーティング液を塗布した基材を高周波誘導加熱して、本発明の複合材料を得る方法である。
[Production method of composite material]
The present invention includes the method for producing the carbon-metal composite material of the present invention. In this production method, a coating liquid containing titanium metal is applied to a base material made of a carbon fiber reinforced carbon composite material (C / C), and then the base material to which the coating liquid is applied is heated by high-frequency induction, This is a method for obtaining a composite material.

基材として用いる炭素繊維強化炭素複合材(C/C)は前述の通である。基材の金属チタン含浸層を形成したい部分に金属チタンを含むコーティング液を塗布する。基材の全表面にコーティング液を塗布する場合、コーティング液に基材を浸漬しても良い。コーティング液の塗布量は、コーティング液に含まれる金属チタンの量(濃度)と形成したい金属チタン含浸層の厚みを考慮して適宜決定出来る。   The carbon fiber reinforced carbon composite material (C / C) used as the substrate is as described above. A coating liquid containing metallic titanium is applied to a portion of the base material where the metallic titanium impregnated layer is to be formed. When applying a coating liquid to the whole surface of a base material, you may immerse a base material in a coating liquid. The coating amount of the coating liquid can be appropriately determined in consideration of the amount (concentration) of metallic titanium contained in the coating liquid and the thickness of the metallic titanium impregnated layer to be formed.

金属チタンを含むコーティング液は、具体的には、金属チタン粉末と炭素源を含むものである。金属チタン粉末は、誘導加熱によりC/Cが有する間隙に含浸し易い等の観点から、平均粒子径が100μm〜2mmの範囲の微粉末を用いることが好ましい。金属チタン粉末の平均粒子径は、好ましい200〜800μmの範囲、より好ましくは400〜600μmの範囲である。   Specifically, the coating liquid containing metallic titanium contains metallic titanium powder and a carbon source. The metal titanium powder is preferably a fine powder having an average particle diameter in the range of 100 μm to 2 mm from the viewpoint of easy impregnation into the gap of C / C by induction heating. The average particle diameter of the titanium metal powder is preferably in the range of 200 to 800 μm, more preferably in the range of 400 to 600 μm.

金属チタンを含むコーティング液に含まれる炭素源は、炭化チタン含浸層を形成する目的で用いる。金属チタンを高温でC/Cに含浸させると、C/Cと金属チタンの界面で炭素とチタンが反応してTiCが生成するが、金属チタンを含むコーティング液に炭素源を含めることで、大部分の金属チタンは炭素源と反応してTiCを形成する。   The carbon source contained in the coating liquid containing titanium metal is used for the purpose of forming a titanium carbide impregnated layer. When C / C is impregnated with metallic titanium at high temperature, carbon and titanium react at the interface between C / C and metallic titanium to produce TiC. However, by including a carbon source in the coating liquid containing metallic titanium, Part of the titanium metal reacts with the carbon source to form TiC.

炭素源は、例えば、炭化水素化合物であることができるが、例えば、活性炭等であることもできる。但し、活性炭等の粒状物を用いる場合には、C/Cの細孔への拡散の容易さを考慮して、平均粒子径は、金属チタン粒子と同様の範囲とすることが適当である。炭化水素化合物としては、常温で液体または流動体であるものが、コーティング液とする観点から好ましい。炭化水素化合物としては、例えば、ポリビニルアルコール等を用いることができる。コーティング液の溶媒は、上述の金属チタン粉末及び炭素源を均一に分散または溶解できるものであれば特に制限なく使用出来る。溶媒として炭化水素化合物を用いることもでき、その場合、溶媒と炭素源として兼用することもできるか。炭素源の種類とその使用量は、金属チタンが優先的に炭素源と反応してTiCの含浸層を形成できること等を考慮して適宜決定できる。   The carbon source can be, for example, a hydrocarbon compound, but can also be, for example, activated carbon. However, when using a granular material such as activated carbon, it is appropriate that the average particle diameter is in the same range as that of the metal titanium particles in consideration of the ease of diffusion into the C / C pores. As the hydrocarbon compound, those which are liquid or fluid at normal temperature are preferable from the viewpoint of coating liquid. As the hydrocarbon compound, for example, polyvinyl alcohol or the like can be used. The solvent of the coating solution can be used without any particular limitation as long as it can uniformly disperse or dissolve the above-described metal titanium powder and carbon source. A hydrocarbon compound can also be used as the solvent, and in that case, can the solvent be used as a carbon source? The type of carbon source and the amount of carbon source used can be appropriately determined in consideration of the fact that metallic titanium can preferentially react with the carbon source to form an impregnated layer of TiC.

コーティング液を塗布した基材を高周波誘導加熱する。金属チタン(Ti)の融点は、1668 ℃である。本発明の方法では、高周波誘導加熱温度を、金属チタン(Ti)の融点より低い、例えば、1550〜1650℃とすることで、炭化チタン含浸層を形成することができる。これは表面に塗布したTiが誘導加熱により直接加熱され、融点以上の温度に到達しているためであると推察される。勿論、金属チタン(Ti)の融点より高い温度に設定することもできる。   The base material coated with the coating solution is heated by high frequency induction. The melting point of metallic titanium (Ti) is 1668 ° C. In the method of the present invention, the titanium carbide impregnated layer can be formed by setting the high frequency induction heating temperature to be lower than the melting point of titanium metal (Ti), for example, 1550 to 1650 ° C. This is presumably because Ti applied to the surface was directly heated by induction heating and reached a temperature higher than the melting point. Of course, it can also be set to a temperature higher than the melting point of titanium metal (Ti).

高周波誘導加熱は、コーティング液を塗布した基材を反応用の容器、例えば、炭素製のケース(本体と蓋からなり、ケース内を略密閉状態にできる。但し、内圧をリークする機構を有することが安全上、好ましい。)に収納し、その外側から高周波誘導することで行うことができる。加熱温度は、例えば、反応用の容器の外壁を赤外線放射温度計で測定することで求めることができる。   In the high frequency induction heating, a base material coated with a coating liquid is made into a reaction container, for example, a carbon case (consisting of a main body and a lid, and the inside of the case can be substantially sealed. However, it has a mechanism for leaking internal pressure. Is preferable in terms of safety.) And can be performed by high-frequency induction from the outside. The heating temperature can be determined, for example, by measuring the outer wall of the reaction container with an infrared radiation thermometer.

高周波誘導加熱の時間は、例えば、1分間〜1時間とすることができる。但し、加熱の時間は、コーティング液の組成、塗布量、C/Cの種類等を考慮して、適宜決定できる。   The time of high frequency induction heating can be made into 1 minute-1 hour, for example. However, the heating time can be appropriately determined in consideration of the composition of the coating liquid, the coating amount, the type of C / C, and the like.

本発明の製造方法では、上記コーティング液の塗布と高周波誘導加熱を2回以上繰り返し行うこともできる。コーティング液の塗布と高周波誘導加熱を2回以上繰り返し行うことで、炭化チタン含浸層の厚みを増すこともできる。   In the production method of the present invention, application of the coating liquid and high-frequency induction heating can be repeated twice or more. The thickness of the titanium carbide impregnated layer can be increased by repeatedly applying the coating liquid and high frequency induction heating twice or more.

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

[実験方法]
高周波誘導加熱装置
図1に実験に用いた装置のチャンバー部の概略図を示す。コイルの内側にカーボンケースを置いた状態でコイルに高周波の交流を流すと電磁誘導によりケースに誘導電流が生じ、この電流とケースとの間のジュール熱によりケースが直接加熱され、効率的に昇温させることができる。
[experimental method]
High-frequency induction heating apparatus Fig. 1 shows a schematic view of the chamber portion of the apparatus used in the experiment. When a high-frequency alternating current is passed through the coil with the carbon case inside the coil, an induction current is generated in the case by electromagnetic induction, and the case is directly heated by Joule heat between the current and the case, and the temperature rises efficiently. Can be warmed.

金属試料の含浸
炭化物を形成しやすいことが知られているSi、Ti、Mo、Wの粉末をC/Cコンポジット(以下、基材)表面に1 mmol/cm2添着し、誘導加熱装置を用いて含浸処理を行った。粉末の添着は、粉末に5 wt%-PVA溶液とn-ブタノールを加えたスラリーとし、これを塗付して乾燥させることで行った。処理は、初圧を0.5気圧としたAr置換雰囲気下で行った。処理時間は10 minとし、リーク弁を用いて処理温度での圧力が1気圧を超えることのないように調整した。
1 mmol / cm 2 of Si, Ti, Mo, W powder, which is known to easily form impregnated carbides of metal samples, is applied to the surface of C / C composite (hereinafter referred to as “base material”), and an induction heating device is used. The impregnation treatment was performed. The powder was attached by making a slurry obtained by adding a 5 wt% -PVA solution and n-butanol to the powder, and applying and drying the slurry. The treatment was performed in an Ar substitution atmosphere with an initial pressure of 0.5 atm. The treatment time was 10 min, and the pressure at the treatment temperature was adjusted using a leak valve so that it did not exceed 1 atm.

また、SiおよびTiの二成分系金属含浸試料による耐酸化性の向上も試みた。第二成分の添加量を10 wt%とし、1昼夜の混合後、単成分系と同様の添着法・処理法で基材に含浸させた。   We also tried to improve oxidation resistance by using binary metal impregnated samples of Si and Ti. The addition amount of the second component was 10 wt%, and after mixing for one day and night, the substrate was impregnated by the same attachment method and treatment method as the single component system.

金属酸化物試料の含浸
W、Moについて、金属に比べて融点がずっと低い酸化物を用いた含浸処理を行った。またMoO3、WO3と同様に炭化物を形成しやすく、酸化物とすることで融点が低下する金属であるVの酸化物V2O5の含浸処理もあわせて行った。添着量、添着方法及び含浸処理時間は金属の場合と同様である。処理温度はMoO3、V2O5では900 ℃、WO3では1500 ℃とした。
Impregnation of metal oxide sample
W and Mo were impregnated with an oxide having a much lower melting point than metals. Further, similarly to MoO 3 and WO 3 , an impregnation treatment of V oxide V 2 O 5 , which is a metal that easily forms carbides and whose melting point is lowered by using an oxide, was also performed. The amount of deposition, the deposition method and the impregnation treatment time are the same as in the case of metal. The treatment temperature was 900 ° C. for MoO 3 and V 2 O 5 , and 1500 ° C. for WO 3 .

耐酸化性の評価
未処理の基材と含浸処理により調製した試料の耐酸化性は、マッフル炉を用いた大気中の高温加熱酸化を行い評価した。温度は500 ℃および600 ℃とし、5時間ごとに重量を測定しながら50時間の酸化を行い、重量残存率の推移から耐酸化性を評価した。
Evaluation of oxidation resistance The oxidation resistance of the untreated substrate and the sample prepared by the impregnation treatment was evaluated by high-temperature heat oxidation in the atmosphere using a muffle furnace. The temperature was set to 500 ° C. and 600 ° C., and oxidation was performed for 50 hours while measuring the weight every 5 hours. The oxidation resistance was evaluated from the transition of the residual weight ratio.

処理条件の検討
各種含浸試料の強制酸化実験の結果をもとに、耐酸化性の最も向上したTiについて条件を変更した含浸処理を行った。処理温度、処理時間、添着量、処理回数を変更し処理条件が試料に与える影響を検証した。
Examination of treatment conditions Based on the results of forced oxidation experiments on various impregnated samples, the impregnation treatment was carried out by changing the conditions for Ti with the most improved oxidation resistance. The effect of the processing conditions on the sample was verified by changing the processing temperature, processing time, amount of attachment, and number of processing.

C/Cコンポジットの特性
TG-DTAで温度に対する重量推移を検証したところ、500〜600 ℃の範囲で重量減少が始まることが確認された。大気雰囲気での加熱酸化の結果、図2 に示したように550 ℃では重量の減少は微小であるが600 ℃では急激に重量が減少した。この結果を踏まえて、本実験では耐酸化性の目標温度を600 ℃に設定した。
Characteristics of C / C composite
When the weight transition with respect to temperature was verified by TG-DTA, it was confirmed that the weight reduction started in the range of 500 to 600 ° C. As a result of the thermal oxidation in the atmosphere, as shown in Fig. 2, the weight loss was small at 550 ° C, but at 600 ° C, the weight decreased rapidly. Based on this result, the target temperature for oxidation resistance was set to 600 ° C in this experiment.

金属含浸試料
1500 ℃処理でのSiと1600 ℃処理でのTiの含浸が確認されたが、Mo、Wは本実験での処理条件では溶融に至らなかった。
Si、Tiを含浸させた試料について、SEMで表面を観察した結果、Siを用いた試料の表面は粒子が付着している状態がほとんどであったのに対し、Tiを用いた試料では図3のように焼結体状の滑らかな表面が得られることがわかった。また断面を観察したところ、どちらの試料でも表層付近の炭素繊維間の空隙に金属が見られ、表面細孔からの金属の含浸が確認された。特にTiを含浸させた試料では図4のように表層付近の空隙をTiが充填していることが明らかとなった。
Metal impregnated sample
Although impregnation of Si at 1500 ° C treatment and Ti at 1600 ° C treatment was confirmed, Mo and W did not melt under the treatment conditions in this experiment.
As a result of observing the surface with SEM for the sample impregnated with Si and Ti, the surface of the sample using Si was mostly attached with particles, whereas in the sample using Ti, Fig. 3 Thus, it was found that a smooth surface of a sintered body was obtained. When the cross section was observed, metal was observed in the gap between the carbon fibers in the vicinity of the surface layer in both samples, and the impregnation of the metal from the surface pores was confirmed. In particular, in the sample impregnated with Ti, it was clarified that Ti filled the voids near the surface layer as shown in FIG.

またSi、Tiを含浸させた試料をXRDで分析したところ、どちらの試料でも基材と炭化物のピークのみが検出された(図5)。金属のピークが確認できなかったことから、溶融した金属は反応性が高く、ほぼ全量がバインダーに含まれる炭素か炭素繊維と反応したと考えられる。これはSiC及びTiCの標準生成自由エネルギーが負の値をとることに沿った結果である。   When XRD analysis was performed on samples impregnated with Si and Ti, only the base material and carbide peaks were detected in both samples (FIG. 5). Since the metal peak could not be confirmed, the molten metal is highly reactive, and it is considered that almost the entire amount reacted with carbon or carbon fiber contained in the binder. This is the result along with the standard free energy of formation of SiC and TiC taking negative values.

図6に600 ℃の酸化雰囲気における基材および含浸試料の重量推移を示す。両試料の耐酸化性が基材に比べて向上しているのは明らかである。また、SiはAlやTiと二成分系にすることで耐酸化性が向上した。しかしTiではSiやAlとの二成分系により耐酸化性は低下した。
単成分、二成分系を合わせて比較した結果、Tiを含浸させた試料で耐酸化性の向上が最も向上することが分かった。これは炭素繊維とTi融液との接触界面での耐酸化性物質TiCの形成と、表面付近の空隙の充填されることによる試料内部への酸素供給経路の遮断に起因するものである。
Figure 6 shows the change in weight of the base material and the impregnated sample in an oxidizing atmosphere at 600 ° C. It is clear that the oxidation resistance of both samples is improved compared to the substrate. In addition, oxidation resistance was improved by using Si as a binary system with Al and Ti. However, oxidation resistance of Ti decreased due to the binary system with Si and Al.
As a result of comparing the single component and binary components together, it was found that the improvement in oxidation resistance was most improved in the sample impregnated with Ti. This is due to the formation of the oxidation-resistant substance TiC at the contact interface between the carbon fiber and the Ti melt, and the interruption of the oxygen supply path to the inside of the sample by filling the voids near the surface.

金属酸化物含浸試料
酸化物の含浸処理の結果、900 ℃で処理したV2O5、MoO3で良好な含浸が得られた。これは酸化物が還元される前に、それぞれの酸化物の融点に到達したためであると考えられる。XRDでの分析の結果、どちらの試料を用いた場合でも、含浸された酸化物は炭化物を形成していることが確認された。
しかし、図7に示したように試料の耐酸化性は未処理のC/Cコンポジットと比べて著しく低下し、500 ℃の加熱酸化にも耐えられなくなった。これは含浸処理で得られた炭化物の耐酸化性が低く、試験雰囲気で容易に酸化物へと戻り、炭素繊維表面に生じた酸化物が酸化触媒として作用するためであると考えられる。
WO3を用いた試料でも、誘導加熱装置による1500 ℃での処理により炭化物が得られた。表面が耐酸化性物質に改質されており、またその表面が酸化されても生じる酸化物の酸化触媒作用が小さいため、500 ℃での耐酸化性は向上した。
しかし600℃、50時間の酸化試験での重量推移は未処理と変わらず、TiやSiを上回る耐酸化性を得ることはできなかった。
As a result of the impregnation treatment of the metal oxide impregnated sample oxide, good impregnation was obtained with V 2 O 5 and MoO 3 treated at 900 ° C. This is presumably because the melting point of each oxide was reached before the oxide was reduced. As a result of XRD analysis, it was confirmed that the impregnated oxide formed a carbide in either sample.
However, as shown in FIG. 7, the oxidation resistance of the sample was significantly lower than that of the untreated C / C composite and could not withstand the thermal oxidation at 500 ° C. This is presumably because the carbide obtained by the impregnation treatment has low oxidation resistance, easily returns to oxide in the test atmosphere, and the oxide generated on the carbon fiber surface acts as an oxidation catalyst.
Even in the sample using WO 3 , carbide was obtained by treatment at 1500 ° C. using an induction heating apparatus. The oxidation resistance at 500 ° C. was improved because the surface was modified with an oxidation-resistant substance and the oxidation catalytic action of the oxide generated even when the surface was oxidized was small.
However, the change in weight in the oxidation test at 600 ° C. for 50 hours was the same as that of untreated, and oxidation resistance exceeding Ti and Si could not be obtained.

以上より、C/Cコンポジットの耐酸化性の向上にはTiを含浸させて、TiC含浸層を形成することが最も効果的であることが分かった。そこで、含浸条件を変更した試料を調製し、その影響を検討した。   From the above, it was found that it is most effective to improve the oxidation resistance of the C / C composite by impregnating Ti to form a TiC impregnated layer. Therefore, samples with different impregnation conditions were prepared and the effects were examined.

Ti含浸の考察と処理条件による相違
本研究ではTiの融点(1668 ℃)より低い処理温度(1600 ℃)で含浸を行うことができた。これは表面に塗付したTiが誘導加熱により直接加熱され、融点以上の温度に到達しているためであると推察される。
図8に示したEPMAの結果から含浸したTiの分布に傾斜的な変化は見られなかった。これは表面の細孔から含浸され、隙間を通ってきたTi融液が炭素繊維束の層によってTi融液がせき止められたためであると考えられる。
また表面の結合状態をXPSにより分析した結果、図9に示すように表面はTiCが主成分となっていることが確認された。
Consideration of Ti impregnation and differences due to processing conditions In this study, impregnation was possible at a processing temperature (1600 ° C) lower than the melting point of Ti (1668 ° C). This is presumably because Ti applied on the surface was directly heated by induction heating and reached a temperature higher than the melting point.
From the EPMA results shown in FIG. 8, there was no gradual change in the distribution of Ti impregnated. This is thought to be because the Ti melt impregnated from the pores on the surface and passed through the gap was dammed up by the carbon fiber bundle layer.
As a result of analyzing the bonding state of the surface by XPS, it was confirmed that the surface was mainly composed of TiC as shown in FIG.

設定処理温度の変更を試みた結果、1550 ℃でもTiが良好に溶融含浸されることが確認された。しかし、含浸される深さは1600 ℃に比べ浅くなり、含浸性は低下した。
添着量(Tiの含浸量)を変更したところ、Tiの添着量の増大に比例して含浸される深さも増大した。一方、添着量を等しくした試料の処理時間を変更した場合では、含浸深さに変化は見られなかった。
これらの結果から、高温の処理によりTiの含浸性が増し、含浸される深さは時間によらず、Tiの添着量に影響されることが明らかとなった。
さらに、処理回数を増加させることで耐酸化性が向上することがわかった。これは1回目の処理でTiCに改質された表面上にTiC層が構築され、耐酸化性を有する被覆層の厚みが増すためであると考えられる。
As a result of attempting to change the set processing temperature, it was confirmed that Ti was satisfactorily melted and impregnated even at 1550 ° C. However, the impregnation depth was shallower than 1600 ° C., and the impregnation property decreased.
When the amount of impregnation (Ti impregnation amount) was changed, the depth of impregnation increased in proportion to the increase in the amount of Ti impregnation. On the other hand, when the treatment time of the sample with the same amount of impregnation was changed, no change was seen in the impregnation depth.
From these results, it was clarified that the impregnation property of Ti was increased by high-temperature treatment, and the impregnation depth was influenced by the amount of Ti addition regardless of time.
Furthermore, it has been found that the oxidation resistance is improved by increasing the number of treatments. This is considered to be because the TiC layer is constructed on the surface modified to TiC by the first treatment, and the thickness of the coating layer having oxidation resistance is increased.

C/CコンポジットにTiを含浸させ複合材料化することで、試料表面をTiCに改質し、600 ℃における耐酸化性を向上させることに成功した。この処理は、高周波誘導加熱装置を用いることで、Tiの融点以下の処理温度で行うことができることを見出した。また「室温の状態から処理温度までの昇温」と「含浸」を合わせた一連の処理時間を30分以下とする「処理の短時間化」を実現した。   The sample surface was modified to TiC by impregnating Ti into a C / C composite and succeeded in improving the oxidation resistance at 600 ° C. It has been found that this treatment can be performed at a treatment temperature not higher than the melting point of Ti by using a high frequency induction heating device. In addition, we realized "shortening of processing time" by reducing the series of processing time of "temperature increase from room temperature to processing temperature" and "impregnation" to 30 minutes or less.

本発明の複合材料は、自動車・航空機の構造材や産業用ロボットなどさまざまな分野での利用が期待されている。特に、本発明の複合材料は、優れた耐酸化性を有することから、その用途が広がることも期待される。   The composite material of the present invention is expected to be used in various fields such as automobile / aircraft structural materials and industrial robots. In particular, since the composite material of the present invention has excellent oxidation resistance, its use is expected to expand.

実施例の実験に用いた装置のチャンバー部の概略図を示す。The schematic of the chamber part of the apparatus used for the experiment of the Example is shown. TG-DTAで、大気雰囲気での温度に対するC/Cコンポジットの重量推移を検証した結果を示す。The result of verifying the weight transition of the C / C composite with respect to the temperature in the air atmosphere by TG-DTA is shown. SiまたはTiを含浸させた試料のSEM表面観察結果を示す。The SEM surface observation result of the sample impregnated with Si or Ti is shown. SiまたはTiを含浸させた試料のSEM断面観察結果を示す。The SEM cross-sectional observation result of the sample which impregnated Si or Ti is shown. SiまたはTiを含浸させた試料のXRD分析結果を示す。The XRD analysis result of the sample which impregnated Si or Ti is shown. 600 ℃の酸化雰囲気における基材およびSiまたはTi含浸試料の重量推移を示す。The change in the weight of the substrate and the Si or Ti impregnated sample in an oxidizing atmosphere at 600 ° C is shown. 500 ℃の酸化雰囲気における基材および酸化物含浸試料の重量推移を示す。The weight transition of the base material and the oxide impregnated sample in an oxidizing atmosphere at 500 ° C. is shown. Ti含浸試料のEPMAの結果を示す。The result of EPMA of Ti impregnated sample is shown. Ti含浸試料の表面の結合状態をXPSにより分析した結果を示す。The result of analyzing the bonding state of the surface of the Ti impregnated sample by XPS is shown.

Claims (10)

炭素繊維強化炭素複合材(C/C)からなる基材の表面の一部または全部に炭化チタン含浸層を有する複合材料。 A composite material having a titanium carbide-impregnated layer on part or all of the surface of a substrate made of a carbon fiber reinforced carbon composite material (C / C). 炭化チタン含浸層の厚みが1μm〜10mmの範囲である請求項1に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the titanium carbide impregnated layer has a thickness in the range of 1 μm to 10 mm. 炭化チタン含浸層は、非傾斜構造を有する請求項1または2に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the titanium carbide impregnated layer has a non-tilted structure. 炭化チタン含浸層は、酸化チタンを含有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the titanium carbide impregnated layer contains titanium oxide. 炭素繊維強化炭素複合材(C/C)からなる基材に金属チタンと炭素源を含むコーティング液を塗布し、次いで、コーティング液を塗布した基材に高周波誘導加熱を施して、請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合材料を得る、複合材料の製造方法。 A coating liquid containing titanium metal and a carbon source is applied to a base material made of a carbon fiber reinforced carbon composite material (C / C), and then high frequency induction heating is applied to the base material to which the coating liquid has been applied. 5. A method for producing a composite material, wherein the composite material according to any one of 4 is obtained. コーティング液に含まれる金属チタンが、金属チタン粉末である請求項5に記載の製造方法。 The production method according to claim 5, wherein the metal titanium contained in the coating liquid is a titanium metal powder. 金属チタン粉末は、平均粒子径が100μm〜2mmの範囲である請求項5または6に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 5 or 6, wherein the metal titanium powder has an average particle diameter in a range of 100 µm to 2 mm. 炭素源は、炭化水素化合物である請求項5〜7のいずれか1項に記載の製造方法。 The production method according to claim 5, wherein the carbon source is a hydrocarbon compound. 炭化水素化合物は、ポリビニルアルコールである請求項8に記載の製造方法。 The production method according to claim 8, wherein the hydrocarbon compound is polyvinyl alcohol. 高周波誘導加熱温度が1550〜1650℃である請求項5〜9のいずれか1項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 5 to 9, wherein the high-frequency induction heating temperature is 1550 to 1650 ° C.
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