JP2008222462A - METHOD OF MANUFACTURING SiC FIBER-BONDED CERAMIC - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a SiC fiber-bonded ceramic efficiently utilizing an effective surface area of a manufacturing apparatus while keeping the characteristics of the SiC fiber-bonded ceramic having excellent high temperature characteristics and fracture toughness. <P>SOLUTION: A prescribed inorganic fiber is obtained by adding a compound containing at least one or more kinds of metal elements of IIA group, IIIA group and IIIB group metal element into polysilane or a reactant resulting from heating it and after reacting the resultant by heating in an inert gas to obtain a metal element-containing organic silicon polymer, melt spinning the metal element-containing organic silicon polymer and further infusibilizing and mineralizing it. The inorganic fiber is formed into a preliminary formed body as a woven fabric and the SiC fiber-bonded ceramic is manufactured by placing the preliminary formed body with the side surfaces opened between carbon made upper and lower punches and heating at 1,700-2,200°C under 100-1,000 kg/cm<SP>2</SP>pressure in the vertical direction of the preliminary formed body in an atmosphere of one of vacuum, an inert gas, a reducing gas and hydrocarbon. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、緻密で耐熱性に優れたSiC繊維結合型セラミックスの製造方法に関する。特に、耐熱衝撃性及び高温特性が要求される緻密な部材、例えば、燃焼器、熱防護板、焼結用棚板及び高温試験用ジグ等に利用可能なSiC繊維結合型セラミックスの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a dense SiC fiber-bonded ceramic having excellent heat resistance. In particular, the present invention relates to a method for producing SiC fiber-bonded ceramics that can be used for dense members that are required to have thermal shock resistance and high temperature characteristics, such as combustors, thermal protection plates, sintering shelves, jigs for high temperature testing, and the like.

宇宙・航空機分野及びエネルギー・環境分野においては、高効率化や高性能化のため、耐酸化性に優れ、高温下においても長時間使用可能な構造材料が必要とされている。その有力な候補材料としては、単体のセラミックス、SiC繊維強化SiC基複合材料(以下、「SiC/SiC」という)及びSiC繊維結合型セラミックスが挙げられる。   In the space / aircraft field and the energy / environment field, there is a need for a structural material that has excellent oxidation resistance and can be used for a long time even at high temperatures in order to improve efficiency and performance. Examples of the promising candidate materials include single-piece ceramics, SiC fiber-reinforced SiC-based composite materials (hereinafter referred to as “SiC / SiC”), and SiC fiber-bonded ceramics.

炭化ケイ素、窒化ケイ素等に代表される単体セラミックスは、高い耐熱性及び硬度を有し、さらに表面加工によって優れた表面平滑性を示すことから、潤滑油の使えない高温領域又は極低温領域において、転がり軸受、すべり軸受等の摺動部品として使用されている。また、これらの単体セラミックスは、1300℃以上の高温においても優れた特性を示すことから、高効率ガスタービン用部材としても期待されている。しかし、単体セラミックスは固有の欠点として脆さを有しており、微小欠陥に敏感であるため、高温用構造材料としての信頼性に欠けるという問題がある。   Simple ceramics represented by silicon carbide, silicon nitride, etc. have high heat resistance and hardness, and also exhibit excellent surface smoothness by surface processing, so in a high temperature region or a very low temperature region where lubricating oil cannot be used, It is used as sliding parts such as rolling bearings and sliding bearings. Moreover, since these simple ceramics exhibit excellent characteristics even at a high temperature of 1300 ° C. or higher, they are also expected as members for high-efficiency gas turbines. However, simple ceramics have brittleness as an inherent defect and are sensitive to minute defects, so that there is a problem that reliability as a high-temperature structural material is lacking.

SiC/SiCは、繊維のブリッジングやクラックの偏向等の機構により、単体セラミックスの脆さを改善した材料である。このSiC/SiCは、CVI法(Chemical Vapor Infiltration)、PIP法(Polymer Infiltration and Pyrolysis)及びMI法(Melt Infiltration)によって製造される。CVI法は、気相法であり、ガス同士の反応によってSiCを繊維間に析出させる方法である。しかし、CVI法においては、SiCの析出速度が遅いため、製造に時間を要する。また、ガスの流れの不均一な部分においては、緻密性が得られないという問題がある。PIP法は、液相法であり、有機ケイ素ポリマーの含浸及び熱分解によってSiCを生成する方法である。PIP法についても、含浸と熱分解を数回繰り返すため製造に時間を要する、あるいは、含浸の不均一な部分においては緻密性が得られないというCVI法と同様の問題が生じる。MI法は、溶融Siを含浸する方法であり、繊維間に炭素源を分散した予備成形体中に溶融Siを含浸し、CとSiの反応によってSiCマトリックスを生成させ複合化する方法である。MI法においては、製造時間は短いものの、未反応Siが残存する、あるいは、反応の不均一な部分においては緻密性が得られないという問題が生じる。以上のように、SiC/SiCは、単体セラミックスに比べて優れた破壊靱性を有しているものの、上記いずれの方法によって製造しても、緻密性に劣るという問題がある。   SiC / SiC is a material in which the brittleness of a single ceramic is improved by a mechanism such as fiber bridging or crack deflection. This SiC / SiC is manufactured by the CVI method (Chemical Vapor Infiltration), the PIP method (Polymer Information and Pyrolysis), and the MI method (Melt Information). The CVI method is a gas phase method and is a method in which SiC is precipitated between fibers by a reaction between gases. However, in the CVI method, since the deposition rate of SiC is slow, production takes time. In addition, there is a problem that denseness cannot be obtained in a portion where the gas flow is not uniform. The PIP method is a liquid phase method in which SiC is generated by impregnation and thermal decomposition of an organosilicon polymer. Also in the PIP method, since the impregnation and thermal decomposition are repeated several times, the production takes time, or the same problem as in the CVI method that the denseness cannot be obtained in the non-impregnated portion occurs. The MI method is a method in which molten Si is impregnated, and is a method in which molten Si is impregnated in a preform in which a carbon source is dispersed between fibers, and a SiC matrix is generated by a reaction between C and Si to be combined. In the MI method, although the production time is short, there arises a problem that unreacted Si remains or denseness cannot be obtained in a non-uniform portion of the reaction. As described above, SiC / SiC has a fracture toughness superior to that of a single ceramic, but has a problem that it is inferior in compactness even if manufactured by any of the above methods.

SiC繊維結合型セラミックスは、アモルファス構造のSi−M−C−O繊維(Mは、2A族、3A族及び3B族のうち少なくとも1種以上の金属元素である)のみをホットプレスすることによって製造される。このアモルファス繊維は、高温高圧下において多結晶SiC繊維に構造が変化し、同時に最密充填構造の六角柱状に変形する。そのため、SiC繊維結合型セラミックスは、非常に緻密である。また、繊維の構造が変化する過程において、アモルファス繊維中の余剰な炭素が繊維表面に排出されて、繊維表面に層状に生成する。この繊維表面の炭素層は、亀裂の進展を偏向させるすべり層となるため、SiC繊維結合型セラミックスは、優れた破壊靱性を示す。このように、SiC繊維結合型セラミックスは、単体セラミックスの脆さ、及びSiC/SiCの不十分な緻密性を改善するものである。   SiC fiber-bonded ceramics are manufactured by hot pressing only amorphous Si-M-C-O fibers (M is at least one metal element of 2A group, 3A group, and 3B group). Is done. The structure of the amorphous fiber changes to a polycrystalline SiC fiber under high temperature and high pressure, and at the same time, deforms into a hexagonal column having a close-packed structure. Therefore, the SiC fiber bonded ceramics are very dense. Further, in the process of changing the structure of the fiber, surplus carbon in the amorphous fiber is discharged to the fiber surface and generated in a layered manner on the fiber surface. Since the carbon layer on the fiber surface becomes a slip layer that deflects the progress of cracks, the SiC fiber-bonded ceramic exhibits excellent fracture toughness. As described above, the SiC fiber-bonded ceramic improves the brittleness of the single ceramic and the insufficient denseness of SiC / SiC.

従来、SiC繊維結合型セラミックスは、C/Cモールドによって補強したカーボン製のダイスの中に、無機化繊維を積層した予備成形体を配置し、ホットプレス法等を用いて加熱加圧処理することにより製造されている(例えば、特開2004−131365号公報参照)。C/Cモールドによって補強したカーボンダイスの中に予備成形体を配置することにより、セラミックス粉末等を加圧焼結する際に、セラミックス粉末等が流出することを防止することができる。   Conventionally, SiC fiber-bonded ceramics are placed in a carbon die reinforced by a C / C mold, and a preformed body with inorganic fibers laminated is placed and heated and pressurized using a hot press method or the like. (See, for example, JP-A-2004-131365). By disposing the preform in a carbon die reinforced with a C / C mold, it is possible to prevent the ceramic powder and the like from flowing out when pressure-sintering the ceramic powder and the like.

特開2004−131365号公報JP 2004-131365 A

しかしながら、従来のSiC繊維結合型セラミックスの製造方法においては、装置炉内にC/Cモールド及びカーボンダイスのスペースが必要になるため、製造できるSiC繊維結合型セラミックスのサイズは、装置炉の有効面積に比べて小さくなるという問題がある。例えば、最高加圧力350ton、有効径400mmのホットプレス装置を用いる場合、カーボンダイスの占める割合が大きく、SiC繊維結合型セラミックスを成形できるサイズは、僅か180mm×180mm程度となる。このときの成形圧力は200ton程度であるため、装置の加圧能力には余裕がある。従って、従来の方法は、装置の性能を効率的に活用した製造方法とは言えない。また、SiC繊維結合型セラミックスの製造に適した新たな専用設備の導入には、膨大な設備投資が必要となるため、既存装置の能力を十分に活かし、装置炉内のスペースを有効に活用したSiC繊維結合型セラミックスの製造方法が望まれている。   However, in the conventional manufacturing method of SiC fiber-bonded ceramics, the space for the C / C mold and the carbon die is required in the apparatus furnace. Therefore, the size of the SiC fiber-bonded ceramics that can be manufactured is the effective area of the apparatus furnace. There is a problem that it becomes smaller than. For example, when using a hot press apparatus having a maximum pressure of 350 ton and an effective diameter of 400 mm, the carbon die occupies a large proportion, and the size capable of forming the SiC fiber-bonded ceramic is only about 180 mm × 180 mm. Since the molding pressure at this time is about 200 tons, the pressurization capacity of the apparatus has a margin. Therefore, the conventional method cannot be said to be a manufacturing method that efficiently utilizes the performance of the apparatus. In addition, the introduction of new dedicated equipment suitable for the production of SiC fiber-bonded ceramics requires enormous capital investment, so the existing equipment capacity was fully utilized and the space in the equipment furnace was effectively utilized. A method for producing SiC fiber bonded ceramics is desired.

そこで、本発明は、従来の方法によって製造されたSiC繊維結合型セラミックスの優れた特性を維持したまま、製造装置の有効面積を効率的に活用したSiC繊維結合型セラミックスの製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a method for producing SiC fiber-bonded ceramics that efficiently utilizes the effective area of the production apparatus while maintaining the excellent characteristics of SiC fiber-bonded ceramics produced by a conventional method. With the goal.

以上の目的を達成するため、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、特定の無機化繊維を製織した織物からなる予備成形体を用いることによって、C/Cモールドやカーボンダイスを使用することなく、カーボン製の上下パンチのみでSiC繊維結合型セラミックスの成形が可能であることを知見し、その結果、装置炉内の有効面積を最大限に活用し、既存装置を用いて従来より大きなサイズのSiC繊維結合型セラミックスが製造できることを見出した。すなわち、本発明は、ポリシラン又はその加熱反応物に、2A族、3A族及び3B族の金属元素のうち少なくとも1種以上の金属元素を含有する化合物を添加し、不活性ガス中で加熱反応することによって、金属元素含有有機ケイ素重合体を得る第1工程と、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って、紡糸繊維を得る第2工程と、前記紡糸繊維を酸素含有雰囲気中50〜170℃で加熱することによって、不融化繊維を得る第3工程と、前記不融化繊維を不活性ガス中で無機化することによって、無機化繊維を得る第4工程と、前記無機化繊維を製織し、その織物を所定の形状に裁断し積層することによって、予備成形体を得る第5工程と、前記予備成形体をカーボン製の上下パンチ間に側面を開放して配置し、真空、不活性ガス、還元ガス及び炭化水素いずれかの雰囲気中において、1700〜2200℃の温度及び前記予備成形体の垂直方向に100〜1000kg/cmの加圧下で加熱加圧処理を行う第6工程と、を備えたことを特徴とするSiC繊維結合型セラミックスの製造方法である。 In order to achieve the above object, as a result of intensive studies, the present inventors use a C / C mold and a carbon die by using a preform formed of a woven fabric of a specific mineralized fiber. Without knowing that it is possible to form SiC fiber-bonded ceramics with only carbon upper and lower punches, and as a result, the effective area in the equipment furnace is utilized to the maximum, and existing equipment is used to make it larger than before. It has been found that SiC fiber bonded ceramics of a size can be manufactured. That is, in the present invention, a compound containing at least one metal element among the metal elements of 2A group, 3A group, and 3B group is added to polysilane or a heating reaction product thereof, and the reaction is performed by heating in an inert gas. Thus, a first step of obtaining a metal element-containing organosilicon polymer, a second step of obtaining a spun fiber by melt spinning the metal element-containing organosilicon polymer, and the spinning fiber in an oxygen-containing atmosphere 50 A third step of obtaining an infusible fiber by heating at ~ 170 ° C, a fourth step of obtaining an inorganic fiber by mineralizing the infusible fiber in an inert gas, and the inorganic fiber Weaving, cutting and laminating the woven fabric into a predetermined shape, and stacking the pre-formed body with a fifth step for obtaining a preform, and placing the preform between the upper and lower punches made of carbon, vacuum Inert gas, in a reducing gas and hydrocarbon either atmosphere, the sixth step of performing heating and pressing treatment under a pressure of 100 to 1000 / cm 2 in the vertical direction of the temperature and the preform 1700-2200 ° C. And a method for producing SiC fiber-bonded ceramics.

以上のように、本発明に係るSiC繊維結合型セラミックスの製造方法によれば、高温特性及び破壊靭性に優れたSiC繊維結合型セラミックスの特性を維持したまま、製造装置の有効面積を効率的に活用してSiC繊維結合型セラミックスを製造することができる。従って、既存装置を用いて従来より大きなサイズのSiC繊維結合型セラミックスを製造できるので、製造コスト及び設備投資の削減にも有効である。   As described above, according to the manufacturing method of SiC fiber bonded ceramics according to the present invention, the effective area of the manufacturing apparatus can be efficiently increased while maintaining the characteristics of SiC fiber bonded ceramics excellent in high temperature characteristics and fracture toughness. It can be used to produce SiC fiber bonded ceramics. Therefore, SiC fiber-bonded ceramics having a larger size than conventional ones can be manufactured using existing equipment, which is effective in reducing manufacturing costs and capital investment.

本発明に係るSiC繊維結合型セラミックスの製造方法は、上記第1工程乃至第4工程によって得られた無機化繊維を用いること、及びその無機化繊維を織物状に製織して予備成形体を作製することを特徴とする。上記第1工程乃至第4工程によって得られた無機化繊維以外の無機化繊維を用いた場合は、無機化繊維を織物状に製織しても本願発明と同様の効果を得ることができない。   The SiC fiber-bonded ceramic manufacturing method according to the present invention uses the mineralized fibers obtained in the first to fourth steps, and weaves the mineralized fibers into a woven shape to produce a preform. It is characterized by doing. When mineralized fibers other than the mineralized fibers obtained in the first to fourth steps are used, the same effects as in the present invention cannot be obtained even if the mineralized fibers are woven into a woven shape.

以上のように、本発明に係るSiC繊維結合型セラミックスの製造方法によれば、従来の方法によって製造されたSiC繊維結合型セラミックスの優れた特性を維持したまま、製造装置の有効面積を効率的に活用したSiC繊維結合型セラミックスの製造方法を提供することができる。   As described above, according to the method for producing SiC fiber-bonded ceramics according to the present invention, the effective area of the production apparatus is efficiently maintained while maintaining the excellent characteristics of the SiC fiber-bonded ceramics produced by the conventional method. The manufacturing method of the SiC fiber bond type ceramics utilized for can be provided.

本発明に係るSiC繊維結合型セラミックスの製造方法は、以下の第1工程乃至第6工程からなる。   The method for producing a SiC fiber-bonded ceramic according to the present invention includes the following first to sixth steps.

第1工程
第1工程においては、前駆体重合体である金属元素含有有機ケイ素重合体を調製する。第1工程において用いられるポリシランは、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、ナトリウムを用いて1種類以上のジクロロシランを脱塩素反応させることによって得られる鎖状又は環状の重合体であり、その平均分子量は、通常300〜1000である。このポリシランは、化1に一般式を示すように、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、いずれの場合も、ケイ素原子に対する炭素原子の割合がモル比で1.5以上であることが望ましい。ケイ素原子に対する炭素原子の割合がモル比で1.5より少ないと、繊維中の炭素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において炭酸ガスとして脱離するため、繊維間の境界炭素層が均一に形成されにくくなるので好ましくない。
First Step In the first step, a metal element-containing organosilicon polymer that is a precursor polymer is prepared. The polysilane used in the first step is, for example, a chain obtained by dechlorinating one or more dichlorosilanes using sodium according to the method described in “Chemistry of organosilicon compounds” (Chemical Dojin, 1972). The average molecular weight is 300-1000 normally. This polysilane can have a hydrogen atom, a lower alkyl group, a phenyl group or a silyl group as a side chain of silicon, as shown in the general formula in Chemical Formula 1. It is desirable that the ratio is 1.5 or more in molar ratio. When the ratio of carbon atoms to silicon atoms is less than 1.5 in terms of molar ratio, the carbon in the fiber is desorbed as carbon dioxide in the temperature rising process until sintering, together with the oxygen introduced during infusibilization. For this reason, the boundary carbon layer between the fibers is hardly formed uniformly, which is not preferable.

Figure 2008222462
Figure 2008222462

第1工程において用いられるポリシランの代わりに、その加熱反応物を用いてもよい。ポリシランの加熱反応物は、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重合体は、それ自体公知の方法によって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、及び、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など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平均分子量は、通常1000〜5000である。   Instead of the polysilane used in the first step, the heated reaction product may be used. The heated reaction product of polysilane includes an organosilicon polymer partially containing a carbosilane bond in addition to the polysilane bond unit obtained by heating the above-described chain or cyclic polysilane. Such an organosilicon polymer can be prepared by a method known per se. Examples of the preparation method include a method in which a linear or cyclic polysilane is heated and reacted at a relatively high temperature of 400 to 700 ° C., and a phenyl group-containing polyborosiloxane is added to the polysilane to a relatively high temperature of 250 to 500 ° C. Examples thereof include a method of performing a heat reaction at a low temperature. The average molecular weight of the organosilicon polymer thus obtained is usually 1000 to 5000.

フェニル含有ポリボロシロキサンは、特開昭53-42300号公報及び特開昭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。   The phenyl-containing polyborosiloxane can be prepared according to the methods described in JP-A-53-42300 and JP-A-53-50299. For example, phenyl-containing polyborosiloxane can be prepared by a dehydrochlorination condensation reaction between boric acid and one or more diorganochlorosilanes, and the average molecular weight is usually 500 to 10,000. The addition amount of the phenyl group-containing polyborosiloxane is usually 15 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the polysilane.

上記のポリシラン、又はその加熱物である有機ケイ素重合体に対して、2A族、3A族及び3B族の金属元素のうち少なくとも1種以上の金属元素を含有する化合物を添加し、さらに、不活性ガス中において、通常250〜350℃の温度で1〜10時間反応することによって、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。前記金属元素は、最終的に得られるSiC繊維結合型セラミックス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るが、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、前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架重合体である。   A compound containing at least one kind of metal element of 2A group, 3A group and 3B group metal element is added to the above polysilane or the organosilicon polymer which is a heated product thereof, and further inert. By reacting in a gas at a temperature of usually 250 to 350 ° C. for 1 to 10 hours, a metal element-containing organosilicon polymer as a raw material can be prepared. The metal element is used in such a ratio that the content ratio of the metal element in the finally obtained SiC fiber-bonded ceramic is 0.05 to 4.0% by weight. The specific ratio is the teaching of the present invention. Can be determined appropriately by those skilled in the art. The metal element-containing organosilicon polymer 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.

第1工程で添加される、2A族、3A族及び3B族の金属元素のうち少なくとも1種以上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、及びシクロペンタジエニル化合物等を挙げることができる。具体的には、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、ホウ酸ブトキシド、及び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、ポリシラン又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ー中の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。   Examples of the compound containing at least one metal element selected from the group 2A, 3A and 3B metal elements added in the first step include alkoxides of the metal elements, acetylacetoxide compounds, carbonyl compounds, and A cyclopentadienyl compound etc. can be mentioned. Specific examples include beryllium acetylacetonate, magnesium acetylacetonate, yttrium acetylacetonate, cerium acetylacetonate, butanoic acid borate, and aluminum acetylacetonate. . All of these react with the Si-H bond in the organosilicon polymer produced during the reaction with polysilane or its heated reactant, and each metal element is bonded to Si directly or via other elements. It can be generated.

第2工程
第2工程においては、第1工程で得られた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って、紡糸繊維を得る。紡糸繊維は、溶融紡糸及び乾式紡糸等のそれ自体公知の方法によって、前駆重合体である金属元素含有有機ケイ素重合体を紡糸することにより得ることができる。
Second Step In the second step, a spun fiber is obtained by melt spinning the metal element-containing organosilicon polymer obtained in the first step. The 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.

第3工程
第3工程においては、第2工程で得られた紡糸繊維を酸素含有雰囲気中50〜170℃で加熱することによって、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ー間に酸素原子による橋架点を形成させて、次工程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、空気、酸素及びオゾンが例示される。不融化時間は不融化温度に依存するが、通常数分〜30時間である。不融化繊維中の酸素の含有量は、8〜16重量%になるように調整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。なお、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する。また、酸素含有量が16重量%よりも多い場合には、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されない。いずれの場合も、得られる材料の力学的特性に悪影響を及ぼすので、好ましくない。
Third Step In the third step, an infusible fiber is prepared by heating the spun fiber obtained in the second step 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 fiber so that the infusible fiber does not melt in the next mineralization step and adjacent fibers do not fuse. It is to be. Examples of the gas constituting the oxygen-containing atmosphere include air, oxygen, and ozone. The infusibilization time depends on the infusibilization temperature, but is usually several minutes to 30 hours. It is desirable to adjust the oxygen content in the infusible fiber to 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 in the temperature rising process until the final sintering. To do. When the oxygen content is less than 8% by weight, excess carbon in the inorganic fiber remains more than necessary, and segregates around the SiC crystal in the temperature rising process and stabilizes. Sintering is inhibited without going through the second phase of the grain boundary. Further, when the oxygen content is more than 16% by weight, surplus carbon in the inorganic fiber is completely desorbed, and a boundary carbon layer between the fibers is not generated. In either case, it adversely affects the mechanical properties of the resulting material, which is not preferable.

上記の不融化繊維は、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、アルゴン等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〜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架反応をより進行させて、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。   The infusible fiber is preferably preheated in an inert atmosphere. Nitrogen, argon, etc. can be illustrated as gas which comprises an inert atmosphere. The heating temperature is usually 150 to 800 ° C., and the heating time is several minutes to 20 hours. By preheating the infusibilized fiber in an inert atmosphere, while preventing the incorporation of oxygen into the fiber, the cross-linking reaction of the polymer constituting the fiber is further advanced, and the infusible fiber from the precursor polymer is excellent. The strength can be further improved while maintaining the elongation. Thereby, the mineralization of the next process can be performed stably with good workability.

第4工程
第4工程においては、第3工程で得られた不融化繊維を不活性ガス中において無機化することによって、無機化繊維を得る。この不融化繊維の無機化は、連続式又は回分式により、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中において、1000〜1700℃の温度で加熱処理して行う。
Fourth Step In the fourth step, mineralized fibers are obtained by mineralizing the infusible fibers obtained in the third step in an inert gas. The mineralization of the infusible fiber is performed by heat treatment at a temperature of 1000 to 1700 ° C. in an inert gas atmosphere such as argon by a continuous method or a batch method.

上記の方法により得られた無機化繊維は、主としてSiCの焼結構造からなる無機化繊維であって、酸素(O)0.01〜1重量%、並びに2A族、3A族及び3B族の金属原子のうち少なくとも1種以上の金属原子を含有している。この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、又はβ−SiC及びCの結晶質微粒子からなる。Cの微結晶及び極微量の酸素(O)の少なくとも一方を含有する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においては、SiC結晶間の強固な結合が得られる。仮に繊維中で破壊が起こる場合は、少なくとも30%以上の領域がSiCの結晶粒内において進行する。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。   The mineralized fiber obtained by the above method is a mineralized fiber mainly composed of a sintered structure of SiC, oxygen (O) 0.01 to 1% by weight, and metals of 2A group, 3A group, and 3B group It contains at least one metal atom among atoms. The inorganic fiber having a sintered structure of SiC is mainly composed of a polycrystalline sintered structure of β-SiC or crystalline fine particles of β-SiC and C. In a region in which β-SiC crystal particles containing at least one of C crystallites and a trace amount of oxygen (O) are sintered without intergranular second phase, strong bonds between SiC crystals are present. can get. If fracture occurs in the fiber, at least 30% of the region proceeds in the SiC crystal grains. In some cases, intergranular fracture regions and intergranular fracture regions between SiC crystals coexist.

また、上記の無機化繊維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族の金属元素としてはBe、Mg、Ca及びSrが、3A族の金属元素としてはSc及びYが、3B族の金属元素としてはB、Al及びGaが挙げられる。その中でも、特にBe、Mg、Y、B及びAlが好ましく用いられる。これらは、いずれもSiCの焼結助剤として公知の金属元素であり、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。この金属元素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、逆に、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ので、好ましくない。   Moreover, the ratio of the element which comprises said mineralized fiber is normally Si: 55-70 weight%, C: 30-45 weight%, O: 0.01-1 weight%, 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. The group 2A metal elements include Be, Mg, Ca, and Sr, the group 3A metal elements include Sc and Y, and the group 3B metal elements include B, Al, and Ga. Among these, Be, Mg, Y, B and Al are particularly preferably used. All of these are known metal elements as SiC sintering aids, and there are chelate compounds and alkoxide compounds that can react with the Si—H bond of the organosilicon polymer. If the proportion of this metal element is excessively small, sufficient crystallinity of the fiber material cannot be obtained, and conversely, if the proportion is excessively high, grain boundary fracture increases, leading to deterioration of mechanical properties. Therefore, it is not preferable.

第5工程
第5工程においては、第4工程で得られた無機化繊維を製織し、その織物を所定の形状に裁断し積層することによって、予備成形体を作製する。無機化繊維は、2次元織物の積層状態と同様の配向状態に製織される。製織方法としては、縦糸・横糸各2本ずつで循環し、いずれの糸も1本ごとに浮沈して交錯する平織り、縦糸・横糸3本以上から作られ、平織りのように交互に浮沈せず、連続的に浮沈した組織点で斜めに綾線をあらわす綾織り、及び縦糸・横糸5本以上で作られ、ただ1つの交錯点を一定の間隔に配置した朱子織等が挙げられる。しかし、これら織物の種類及び繊維の配向方向は、目的とする形状物に要求される特性により随時選択されるものであり、これらに限定されるものでなく、種々の織物の組合せであってもよい。
Fifth Step In the fifth step, the mineralized fiber obtained in the fourth step is woven, and the woven fabric is cut into a predetermined shape and laminated to prepare a preform. The mineralized fiber is woven in an orientation state similar to the laminated state of the two-dimensional fabric. The weaving method consists of a plain weave that circulates with two warp yarns and weft yarns, and each yarn floats and crosses one by one, and is made up of three or more warp yarns and weft yarns. Examples thereof include a twill weave that shows a twill line obliquely at the texture points that are continuously floated and submerged, and a satin weave that is made of five or more warps and wefts and has only one crossing point arranged at a constant interval. However, the types of these fabrics and the orientation directions of the fibers are selected as needed depending on the properties required for the target shape, and are not limited to these, and may be a combination of various fabrics. Good.

本発明に係るSiC繊維結合型セラミックスの製造方法においては、第1工程乃至第4工程により得られた無機化繊維を製織して、その織物から予備成形体を作製する。また、前記無機化繊維の特性から、マトリックス成分となるセラミックス粉末等を添加せずに、予備成形体を作製することができる。そのため、従来の製造方法とは異なり、カーボンダイスやC/Cモールドを装置炉内に配置することなしに、カーボン製の上下パンチのみを用いて、予備成形体の加熱加圧処理を行うことができる。よって、従来の製造方法と比べて、装置炉の同一の有効直径に対して、より大きなサイズの予備成形体を使用することができる。   In the method for producing a SiC fiber-bonded ceramic according to the present invention, the mineralized fibers obtained in the first to fourth steps are woven, and a preform is produced from the woven fabric. Further, from the characteristics of the mineralized fibers, a preform can be produced without adding ceramic powder or the like serving as a matrix component. Therefore, unlike the conventional manufacturing method, it is possible to heat and press the preform using only carbon upper and lower punches without placing a carbon die or C / C mold in the apparatus furnace. it can. Therefore, a preform having a larger size can be used for the same effective diameter of the apparatus furnace as compared with the conventional manufacturing method.

第6工程
第6工程においては、第5工程で得られた予備成形体を、カーボン製の上下パンチ間に側面を開放して配置し、真空、不活性ガス、還元ガス及び炭化水素いずれかの雰囲気中において、1700〜2200℃の温度及び予備成形体の垂直方向に100〜1000kg/cmの加圧下で加熱加圧処理することによって、SiC繊維結合型セラミックスを成形する。第6工程の加熱加圧処理には、それ自体公知のホットプレス装置を使用することができる。
In the sixth step, the sixth step, the preform obtained in the fifth step is arranged with the side surfaces opened between the upper and lower punches made of carbon, and any of vacuum, inert gas, reducing gas and hydrocarbon In an atmosphere, a SiC fiber-bonded ceramic is formed by heating and pressing at a temperature of 1700 to 2200 ° C. and a pressure of 100 to 1000 kg / cm 2 in the vertical direction of the preform. For the heat and pressure treatment in the sixth step, a publicly known hot press apparatus can be used.

第6工程においては、従来の製造方法とは異なり、カーボンダイスやC/Cモールドを装置炉内に配置することなしに、カーボン製の上下パンチのみを用いて、予備成形体の加熱加圧処理を行う。その結果、装置炉内の有効面積を最大限に活用し、既存装置を用いて従来より大きなサイズのSiC繊維結合型セラミックスが製造できることができる。   In the sixth step, unlike the conventional manufacturing method, the pre-molded body is heated and pressurized using only the upper and lower carbon punches without placing the carbon die or C / C mold in the apparatus furnace. I do. As a result, the effective area in the apparatus furnace can be utilized to the maximum, and a SiC fiber-bonded ceramic having a larger size than the conventional one can be manufactured using the existing apparatus.

予備成形体の上側にセットするカーボン製の上パンチは、加圧装置の可動ロッド側に固定して、加圧開始時に予備成形体に接触させてもよい。また、予備成形体を真垂直方向に加圧するため、上パンチ及び予備成形体の1以上の側面にガイドを設けてもよい。   The carbon upper punch set on the upper side of the preform may be fixed to the movable rod side of the pressurizing device and brought into contact with the preform at the start of pressurization. Moreover, in order to pressurize a preforming body in a completely perpendicular direction, you may provide a guide in one or more side surfaces of an upper punch and a preforming body.

得られたSiC繊維結合型セラミックスを構成する無機化繊維の全て又は大部分は、多角形状に変形し、最密充填に極めて近い構造に結合していることが好ましい。また、無機化繊維間の境界領域には、1〜100nmの炭素(C)を主成分とする境界層が形成されていることが好ましい。この構造を反映して、得られたSiC繊維結合型セラミックスは、1600℃における強度が室温強度の80%以上という極めて高い力学的特性を発現する。   It is preferable that all or most of the mineralized fibers constituting the obtained SiC fiber bonded ceramic are deformed into a polygonal shape and bonded to a structure extremely close to closest packing. Moreover, it is preferable that the boundary layer which has 1-100 nm of carbon (C) as a main component is formed in the boundary area | region between mineralized fibers. Reflecting this structure, the obtained SiC fiber-bonded ceramic exhibits very high mechanical properties such that the strength at 1600 ° C. is 80% or more of the room temperature strength.

次に、本発明に係るSiC繊維結合型セラミックスの製造方法を、実施例に基づいて説明する。得られたSiC繊維結合型セラミックスの力学的特性を評価するため、切欠き材及び平滑材の引張試験を実施した。SiC繊維結合型セラミックスは、切欠きによる応力集中の影響をほとんど受けないため、切欠き材の引張強度は、ほぼ正味断面応力基準に従うことが知られている。言い換えれば、切欠き材の引張強度は、切欠き部分を除いた正味断面積と同じ断面積を有する平滑材の引張強度とほぼ同じであると言える。このことから、実施例に係るSiC繊維結合型セラミックスの切欠き材の引張強度が、切欠き部分を除いた正味断面積と同じ断面積を有する平滑材の引張強度とほぼ同じであれば、優れた破壊靱性を有することを意味する。   Next, the manufacturing method of the SiC fiber bond type ceramics according to the present invention will be described based on examples. In order to evaluate the mechanical properties of the obtained SiC fiber-bonded ceramics, a tensile test was conducted on the notched material and the smooth material. Since SiC fiber-bonded ceramics are hardly affected by stress concentration due to the notch, it is known that the tensile strength of the notch material substantially follows the net cross-sectional stress standard. In other words, it can be said that the tensile strength of the notched material is substantially the same as the tensile strength of the smooth material having the same cross-sectional area as the net cross-sectional area excluding the notched portion. From this, it is excellent if the tensile strength of the notch material of the SiC fiber bonded ceramic according to the example is substantially the same as the tensile strength of the smooth material having the same cross-sectional area as the net cross-sectional area excluding the notch part. It means having high fracture toughness.

[引張試験]
切欠き材及び平滑材の高温引張試験は、油圧チャック式のサーボ型試験機を用いて、大気中、1400℃、クロスヘッド速度0.5mm/minの条件において行った。切欠き材の実破壊強度は、破断荷重を断面積(幅10mm×厚さ2mm)で除して求めた。また、平滑材の破壊強度も切欠き材と同様に、破断荷重を断面積(幅10mm×厚さ2mm)で除して求めた。
[Tensile test]
The high-temperature tensile test of the notched material and the smooth material was performed in the atmosphere at 1400 ° C. and a crosshead speed of 0.5 mm / min using a hydraulic chuck type servo-type tester. The actual breaking strength of the notched material was obtained by dividing the breaking load by the cross-sectional area (width 10 mm × thickness 2 mm). Further, the breaking strength of the smooth material was also obtained by dividing the breaking load by the cross-sectional area (width 10 mm × thickness 2 mm), similarly to the notched material.

(実施例1)
窒素ガス気流下において、ナトリウム400gを含有する無水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時間加熱環流して沈殿物を生成させた。この沈殿物をろ過し、メタノール、次いで水を用いて洗浄して、白色のポリジメチルシラン420gを得た。このポリジメチルシランの一般式を化2に示す。化2から明らかなように、得られたポリジメチルシランにおけるSi:Cの原子数比は1:2であり、従って、ケイ素原子に対する炭素原子の割合はモル比で1.5以上となる。次に、窒素ガス雰囲気下、n−ブチルエーテル中においてジフェニルジクロロシラン750g及びホウ酸124gを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り、フェニル基含有ポリボロシキサン530gを得た。得られたポリジメチルシラン100部に対してフェニル基含有ポリボロシロキサン4部を添加し、窒素ガス雰囲気中において、350℃で5時間熱縮合し、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)7部を添加し、窒素ガス気流下において310℃で架橋反応させることにより、ポリアルミノカルボシランを合成した。
(Example 1)
Under an atmosphere of nitrogen gas, 1 L of dimethyldichlorosilane was added dropwise while heating and refluxing anhydrous xylene containing 400 g of sodium, followed by heating and refluxing for 10 hours to generate a precipitate. The precipitate was filtered and washed with methanol and then with water to obtain 420 g of white polydimethylsilane. The general formula of this polydimethylsilane is shown in Chemical Formula 2. As apparent from Chemical Formula 2, the Si: C atomic ratio in the obtained polydimethylsilane is 1: 2, and therefore the ratio of carbon atoms to silicon atoms is 1.5 or more in terms of molar ratio. Next, in a nitrogen gas atmosphere, 750 g of diphenyldichlorosilane and 124 g of boric acid are heated at 100 to 120 ° C. in n-butyl ether, and the resulting white resinous material is further heated at 400 ° C. for 1 hour in vacuum. As a result, 530 g of a phenyl group-containing polyborosixane was obtained. 4 parts of a phenyl group-containing polyborosiloxane was added to 100 parts of the obtained polydimethylsilane, followed by thermal condensation at 350 ° C. for 5 hours in a nitrogen gas atmosphere to obtain a high molecular weight organosilicon polymer. Polyaluminocarbosilane was synthesized by adding 7 parts of aluminum-tri- (sec-butoxide) to a xylene solution in which 100 parts of this organosilicon polymer was dissolved, and performing a crosslinking reaction at 310 ° C. under a nitrogen gas stream. .

Figure 2008222462
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得られたポリアルミノカルボシランを245℃で溶融紡糸し、空気中140℃で5時間加熱処理した後、さらに窒素中300℃で10時間加熱して、不融化繊維を得た。続いて、窒素中1500℃でこの不融化繊維を連続焼成し、炭化ケイ素系連続無機繊維を合成した。   The obtained polyaluminocarbosilane 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. Subsequently, the infusible fiber was continuously fired at 1500 ° C. in nitrogen to synthesize a silicon carbide-based continuous inorganic fiber.

続いて、得られた炭化ケイ素系連続無機繊維を製織して朱子織物シートを作製し、長さ300mm×幅180mmに切断した後、50枚を積層して、予備成形体を得た。予備成形体のサイズは装置炉内の有効直径の制約を受けるが、実施例1においては、装置炉内にカーボンダイスやC/Cモールドを配置しないため、後述の比較例1と比べて、同一の有効直径に対してより大きなサイズの予備成形体を使用することができた。   Subsequently, the obtained silicon carbide-based continuous inorganic fiber was woven to produce a satin woven fabric sheet, cut into a length of 300 mm and a width of 180 mm, and then laminated with 50 sheets to obtain a preform. Although the size of the preform is limited by the effective diameter in the apparatus furnace, in Example 1, since the carbon die and the C / C mold are not arranged in the apparatus furnace, they are the same as in Comparative Example 1 described later. Larger preforms could be used for the effective diameter of.

次に、予備成形体をホットプレス装置にセットして、加熱加圧処理を行った。図1は、実施例1において使用した装置炉内を示す平面図である。また、図2は、装置炉内のA〜A’方向の断面図である。加熱加圧処理は、以下のようにして行なった。まず、装置炉3内において、カーボン製の上パンチ1及び下パンチ4の間に、予備成形体2を配置した。続いて、予備成形体2を、アルゴン雰囲気下、温度1900℃、圧力50MPaの条件でホットプレス成形することにより、長さ300mm×幅180mm、厚さ4mmのSiC繊維結合型セラミックスを得た。得られたSiC繊維結合型セラミックスは、後述の比較例1と比べると面積比で約1.67倍大きく、装置炉内のスペースをより有効に利用することができた。   Next, the preform was set in a hot press apparatus and subjected to heat and pressure treatment. 1 is a plan view showing the inside of an apparatus furnace used in Example 1. FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view in the A-A ′ direction in the apparatus furnace. The heat and pressure treatment was performed as follows. First, the preform 2 was placed between the upper punch 1 and the lower punch 4 made of carbon in the apparatus furnace 3. Subsequently, the preform 2 was hot press molded under an argon atmosphere at a temperature of 1900 ° C. and a pressure of 50 MPa to obtain a SiC fiber-bonded ceramic having a length of 300 mm × width of 180 mm and a thickness of 4 mm. The obtained SiC fiber-bonded ceramic was about 1.67 times larger in area ratio than Comparative Example 1 described later, and the space in the apparatus furnace could be used more effectively.

得られたSiC繊維結合型セラミックス材から切欠き材及び平滑材を採取して、引張試験を実施した。図3に切欠き材の平面図を、図4に切欠き材の正面図を、図5に切欠き部分の拡大図をそれぞれ示す。また、図6に平滑材の平面図を、図7に平滑材の正面図をそれぞれ示す。切欠き材及び平滑材ともに、長さ150mm×幅10mmの寸法とした。切欠き材には、試験片の両側面に、長さ1mm、幅0.5mmの切欠き部分を設けた。切欠き材及び平滑材の両端部の上下面には、銅製タブを取り付けた。銅製タブの取り付けは、無機系接着剤(アロンセラミック)で接着後、市販のクリップにより90℃で10〜12時間保持して行った。銅製タブは、試験片を直接グリップした場合に生じるグリップ箇所の破壊を防ぎ、試験片の正確な高温強度を測定するために取り付けられる。上述の方法により切欠き材及び平滑材の引張強度を測定したところ、それぞれ平均154MPa及び198MPaであった。切欠き材の引張強度が、切欠き先端の応力集中の影響を受けずに正味断面基準に従うとすると、切欠き材の引張強度σは、式(1)で表すことができる。ここで、σは平滑材の引張強度(198MPa)、aは片側の切欠き長さ(1mm)、Wは試験片の幅(10mm)を示す。式(1)より、切欠き材の引張強度は158.4MPaとなる。実際に測定した切欠き材の実破壊強度は、154MPaであり、式(1)で求めた値にほぼ等しい。このことから、実施例1に係るSiC繊維結合型セラミックスは、切欠き等による応力集中に起因する強度低下はなく、高温における破壊靭性に優れていることが分かる。この結果は、カーボンダイス等を使用して成形した比較例1のSiC繊維結合型セラミックスの結果と、ほぼ同等である。以上から、実施例1では、SiC繊維結合型セラミックスの特性を低下させることなく、装置炉内の有効面積を活用して、従来よりも1.67倍大きなサイズのSiC繊維結合型セラミックスを製造できたことが分かる。 A notch material and a smooth material were sampled from the obtained SiC fiber-bonded ceramic material, and a tensile test was performed. 3 is a plan view of the notch material, FIG. 4 is a front view of the notch material, and FIG. 5 is an enlarged view of the notch portion. 6 is a plan view of the smoothing material, and FIG. 7 is a front view of the smoothing material. Both the notch material and the smooth material had a length of 150 mm and a width of 10 mm. In the cutout material, cutout portions having a length of 1 mm and a width of 0.5 mm were provided on both side surfaces of the test piece. Copper tabs were attached to the upper and lower surfaces of both ends of the notched material and the smooth material. The attachment of the copper tab was carried out by adhering with an inorganic adhesive (Aron Ceramic) and holding at 90 ° C. for 10 to 12 hours with a commercially available clip. The copper tab is attached to prevent the breakage of the grip portion that occurs when the specimen is directly gripped and to measure the exact high temperature strength of the specimen. When the tensile strength of the notched material and the smooth material was measured by the above-described method, the average was 154 MPa and 198 MPa, respectively. Assuming that the tensile strength of the notch material follows the net cross-sectional standard without being affected by the stress concentration at the notch tip, the tensile strength σ g of the notch material can be expressed by equation (1). Here, σ f is the tensile strength (198 MPa) of the smooth material, a is the notch length (1 mm) on one side, and W is the width (10 mm) of the test piece. From the formula (1), the notch material has a tensile strength of 158.4 MPa. The actual fracture strength of the notched material actually measured is 154 MPa, which is substantially equal to the value obtained by the equation (1). From this, it can be seen that the SiC fiber-bonded ceramic according to Example 1 is excellent in fracture toughness at high temperature without causing strength reduction due to stress concentration due to notches or the like. This result is almost equivalent to the result of the SiC fiber bonded ceramic of Comparative Example 1 formed using a carbon die or the like. From the above, in Example 1, SiC fiber-bonded ceramics having a size 1.67 times larger than the conventional one can be manufactured by utilizing the effective area in the apparatus furnace without deteriorating the characteristics of the SiC fiber-bonded ceramics. I understand that.

Figure 2008222462
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(比較例1)
実施例1と同様の方法によって合成した炭化ケイ素系連続無機繊維を製織して、朱子織物シートを作製し、長さ180mm×幅180mmに切断した後、50枚を積層して、予備成形体を得た。比較例1においては、後述のように、装置炉内にカーボンダイス及びC/Cモールドを設置したため、装置炉内の有効直径に対して比較的小さなサイズの予備成形体しか使用することができなかった。続いて、予備成形体をホットプレス装置にセットして、加熱加圧処理を行った。図8は、比較例1において使用した装置炉内を示す平面図である。また、図9は、装置炉内のA〜A’方向の断面図である。比較例1では、装置炉3内において、C/Cモールド6によって補強したカーボンダイス5を下パンチ4の上面に設置し、カーボンダイス5の中に予備成形体2を配置した。さらに、予備成形体2の上面にカーボンダイス5’を配置して、アルゴン雰囲気下、温度1900℃、圧力50MPaの条件でホットプレス成形することにより、長さ180mm×幅180mm、厚さ4mmのSiC繊維結合型セラミックスを得た。
(Comparative Example 1)
Weaving silicon carbide-based continuous inorganic fibers synthesized by the same method as in Example 1 to produce a satin fabric sheet, cutting it into a length of 180 mm × width of 180 mm, laminating 50 sheets, Obtained. In Comparative Example 1, as described later, since the carbon die and the C / C mold were installed in the apparatus furnace, only a preform having a relatively small size with respect to the effective diameter in the apparatus furnace can be used. It was. Subsequently, the preform was set in a hot press apparatus and subjected to heat and pressure treatment. FIG. 8 is a plan view showing the inside of the apparatus furnace used in Comparative Example 1. FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view in the AA ′ direction in the apparatus furnace. In Comparative Example 1, the carbon die 5 reinforced by the C / C mold 6 was placed on the upper surface of the lower punch 4 in the apparatus furnace 3, and the preform 2 was placed in the carbon die 5. Further, a carbon die 5 ′ is arranged on the upper surface of the preform 2 and hot press molding is performed in an argon atmosphere under the conditions of a temperature of 1900 ° C. and a pressure of 50 MPa, so that SiC of length 180 mm × width 180 mm and thickness 4 mm is obtained. A fiber-bonded ceramic was obtained.

得られたSiC繊維結合型セラミックス材より切欠き材及び平滑材を採取して、実施例1と同様の引張試験を実施した。比較例1の引張実験において用いた切欠き材及び平滑材の形状は、実施例1に係る図3〜図7に示したものと同様である。実施例1と同様の高温引張試験を行なった結果、切欠き材及び平滑材の引張強度は、それぞれ平均155MPa及び201MPaであった。切欠き材の引張強度が、切欠き先端の応力集中の影響を受けずに正味断面基準に従うとすると、切欠き材の引張強度σは、上記の式(1)で表すことができる。ここで、σは平滑材の引張強度(201MPa)、aは片側の切欠き長さ(1mm)、Wは試験片の幅(10mm)を示している。式(1)より、切欠き材の引張強度は160.8MPaとなる。実際に測定した切欠き材の実破壊強度は155MPaであり、式(1)で求めた値にほぼ等しい。以上から、比較例1に係るSiC繊維結合型セラミックスは、切欠き等による応力集中に起因する強度低下はなく、高温における破壊靭性に優れていることが分かる。しかし、装置炉内の有効直径400mmに対して、得られたSiC繊維結合型セラミックスは長さ180mm×幅180mmであり、装置炉内の有効面積を十分に活用することができなかった。 A notch material and a smooth material were sampled from the obtained SiC fiber-bonded ceramic material, and the same tensile test as in Example 1 was performed. The shapes of the notch material and the smooth material used in the tensile experiment of Comparative Example 1 are the same as those shown in FIGS. 3 to 7 according to Example 1. As a result of conducting the same high-temperature tensile test as in Example 1, the tensile strengths of the notched material and the smooth material were 155 MPa and 201 MPa on average, respectively. Assuming that the tensile strength of the notch material follows the net cross-sectional standard without being affected by the stress concentration at the notch tip, the tensile strength σ g of the notch material can be expressed by the above equation (1). Here, σ f is the tensile strength (201 MPa) of the smooth material, a is the notch length (1 mm) on one side, and W is the width (10 mm) of the test piece. From equation (1), the tensile strength of the notch is 160.8 MPa. The actual fracture strength of the notch material actually measured is 155 MPa, which is substantially equal to the value obtained by the equation (1). From the above, it can be seen that the SiC fiber-bonded ceramic according to Comparative Example 1 is excellent in fracture toughness at a high temperature without causing a decrease in strength due to stress concentration due to a notch or the like. However, for the effective diameter of 400 mm in the apparatus furnace, the obtained SiC fiber bonded ceramic was 180 mm long × 180 mm wide, and the effective area in the apparatus furnace could not be fully utilized.

(比較例2)
実施例1と同様の方法により炭化ケイ素系連続無機繊維を合成し、長さ1mm〜2mmの短繊維を調製した。この短繊維を10重量%のポリビニルアルコール(PVA)溶液と混合した後、離型剤を塗布した型内に入れて100℃で乾燥し、これを長さ180mm×幅180mm、厚さ30mmに切断して予備成形体を得た。この予備成形体を、実施例1と同様に、カーボン製の上下パンチ間に側面を開放して配置し、アルゴン雰囲気下、温度1900℃、圧力50MPaの条件でホットプレス成形した。
(Comparative Example 2)
Silicon carbide-based continuous inorganic fibers were synthesized in the same manner as in Example 1 to prepare short fibers having a length of 1 mm to 2 mm. After mixing this short fiber with a 10% by weight polyvinyl alcohol (PVA) solution, it is put in a mold coated with a release agent and dried at 100 ° C., and this is cut into a length of 180 mm × a width of 180 mm and a thickness of 30 mm. Thus, a preform was obtained. In the same manner as in Example 1, this preform was placed between the upper and lower carbon punches with the side surfaces opened, and hot press molded in an argon atmosphere under conditions of a temperature of 1900 ° C. and a pressure of 50 MPa.

比較例2においては、成形中に、予備成形体の端部の短繊維が上下パンチ外にはみ出したことにより、端部に十分な圧力がかからず、得られた成形体の端部に気孔が発生していた。さらに、予備成形体の端部が型崩れしたことにより、圧力が端部以外の箇所に集中したため、上パンチにクラックが入っていた。比較例2においては、実施例1とは異なり炭化ケイ素系連続無機繊維を織物状に製織しなかったため、上下パンチのみでは予備成形体の形状を維持することが困難となり、安定した形状の成形体を得ることができなかったものと考えられる。   In Comparative Example 2, the short fibers at the end of the preform formed out of the upper and lower punches during molding, so that sufficient pressure was not applied to the end and pores were formed at the end of the obtained molded body. Had occurred. Furthermore, since the end portion of the preform was out of shape, the pressure was concentrated on a portion other than the end portion, and the upper punch was cracked. In Comparative Example 2, unlike Example 1, the silicon carbide-based continuous inorganic fibers were not woven into a woven shape, so that it was difficult to maintain the shape of the preform with only the upper and lower punches, and the molded product having a stable shape. It is thought that it was not able to get.

実施例1に係る装置炉内を示す平面図である。2 is a plan view showing the inside of an apparatus furnace according to Embodiment 1. FIG. 実施例1に係る装置炉内のA−A’方向の断面図である。2 is a cross-sectional view in the A-A ′ direction in the apparatus furnace according to Embodiment 1. FIG. 実施例1に係る引張実験で用いた切欠き材の平面図である。3 is a plan view of a notch material used in a tensile experiment according to Example 1. FIG. 実施例1に係る引張実験で用いた切欠き材の正面図である。3 is a front view of a notch material used in a tensile experiment according to Example 1. FIG. 実施例1に係る引張実験で用いた切欠き材の切欠き部分の拡大図である。3 is an enlarged view of a notch portion of a notch material used in a tensile experiment according to Example 1. FIG. 実施例1に係る引張実験で用いた平滑材の平面図である。3 is a plan view of a smooth material used in a tensile experiment according to Example 1. FIG. 実施例1に係る引張実験で用いた平滑材の正面図である。1 is a front view of a smooth material used in a tensile experiment according to Example 1. FIG. 比較例1に係る装置炉内を示す平面図である。6 is a plan view showing the inside of an apparatus furnace according to Comparative Example 1. FIG. 比較例1に係る装置炉内のB−B’方向の断面図である。6 is a cross-sectional view in the B-B ′ direction in the apparatus furnace according to Comparative Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…上パンチ、2…予備成形体、3…装置炉、4…下パンチ、5、5’…カーボンダイス、6…C/Cモールド   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Upper punch, 2 ... Preliminary molded object, 3 ... Apparatus furnace, 4 ... Lower punch, 5, 5 '... Carbon die, 6 ... C / C mold

Claims (2)

ポリシラン又はその加熱反応物に、2A族、3A族及び3B族の金属元素のうち少なくとも1種以上の金属元素を含有する化合物を添加し、不活性ガス中で加熱反応することによって、金属元素含有有機ケイ素重合体を得る第1工程と、
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って、紡糸繊維を得る第2工程と、
前記紡糸繊維を酸素含有雰囲気中50〜170℃で加熱することによって、不融化繊維を得る第3工程と、
前記不融化繊維を不活性ガス中で無機化することによって、無機化繊維を得る第4工程と、
前記無機化繊維を製織し、その織物を所定の形状に裁断し積層することによって、予備成形体を得る第5工程と、
前記予備成形体をカーボン製の上下パンチ間に側面を開放して配置し、真空、不活性ガス、還元ガス及び炭化水素いずれかの雰囲気中において、1700〜2200℃の温度及び前記予備成形体の垂直方向に100〜1000kg/cmの加圧下で加熱加圧処理を行う第6工程と、
を備えたことを特徴とするSiC繊維結合型セラミックスの製造方法。
By adding a compound containing at least one metal element among the metal elements of 2A group, 3A group, and 3B group to polysilane or its heated reaction product, and reacting by heating in an inert gas, the metal element content A first step of obtaining an organosilicon polymer;
A second step of obtaining a spun fiber by melt spinning the metal element-containing organosilicon polymer;
A third step of obtaining an infusible fiber by heating the spun fiber at 50 to 170 ° C. in an oxygen-containing atmosphere;
A fourth step of obtaining the mineralized fiber by mineralizing the infusible fiber in an inert gas;
A fifth step of weaving the mineralized fiber, cutting the fabric into a predetermined shape and laminating to obtain a preform,
The preform is placed with an open side surface between upper and lower carbon punches, and in a vacuum, an inert gas, a reducing gas, or a hydrocarbon atmosphere, a temperature of 1700 to 2200 ° C. and A sixth step of performing heat and pressure treatment under pressure of 100 to 1000 kg / cm 2 in the vertical direction;
A method for producing SiC fiber-bonded ceramics, comprising:
前記第4工程は、不活性ガス中において前記不融化繊維を予備加熱した後に、前記不融化繊維の無機化を行なうことを特徴とする請求項1記載のSiC繊維結合型セラミックスの製造方法。   2. The method for producing a SiC fiber-bonded ceramic according to claim 1, wherein in the fourth step, the infusible fiber is mineralized after preheating the infusible fiber in an inert gas.
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