JP2010064954A - SiC/Al系複合材料及びその製法 - Google Patents
SiC/Al系複合材料及びその製法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】まず、含浸促進材であるチタニア(TiO2)と炭化ケイ素粉末とを、炭化ケイ素に対する含浸促進材の粒径比が1/10以下、炭化ケイ素に対する含浸促進材の体積比が0.15以上となるように混合した混合粉末を作製し該混合粉末を成形してプリフォーにする。このプリフォームをカーボン坩堝に入れ、プリフォーム上にAl合金インゴットを載置した状態で、真空雰囲気下で1200℃に加熱することにより、Al合金をプリフォームに含浸させて含浸体とする。その後、含浸体を徐々に冷却することによりSiC/Al系複合材料を得る。
【選択図】図1
Description
3TiO2+13Al→2Al2O3+3Al3Ti+△H
以下のようにして混合粉末の調合とプリフォームの成形を行った。すなわち、平均粒径が約47μmのSiC粒子(GC系(緑色):純度98%以上)と平均粒径が約1μmの添加材(TiO2(試験例1)、ZrO2(試験例2)、NiO(試験例3)、Fe2O3(試験例4)、SiO2(試験例5)、Cr2O3(試験例6)、CuO(試験例7))を乾式で袋混合した。このときのSiC粒子に対する含浸促進材の体積比は、0.30とした。その後、イソプロピルアルコール(IPA)を溶媒とし、ナイロン製のポット、φ5mmのアルミナ玉石を用いて湿式混合した。混合後、スラリーを取り出し、窒素気流中110℃で乾燥し、調合粉末とした。得られた調合粉末をカーボンシートを敷き詰めた有底筒状のカーボン坩堝中に充填し、約50MPaにて一軸加圧成形を行い、直径30mm、高さ 5mmの円柱状のプリフォームとした。なお、添加材なしのSiC粒子についてもプリフォームを作製した(試験例8)。
平均粒径が約3〜200μmのSiC粒子(GC系(緑色):純度98%以上)と平均粒径が約0.3〜1μmの含浸促進材TiO2とを用いて、炭化ケイ素に対する含浸促進材の体積比を0.10〜0.50とし、上述した試験例1〜8の方法に準じて、プリフォームを作製し、そのプリフォーム上にAl合金(JIS規格でAC4C(Al−Si−Mg系))のインゴットを載置し、雰囲気炉にセッティングした。その後、約1Paの真空下にて、500℃で30分間の均熱化後、昇温速度10K/minで所定の含浸温度(1200℃,1000℃)まで加熱し、その温度で30分間保持したあと、徐冷してカーボン坩堝からSiC/Al系複合材料を取り出した。なお、試験例15では、真空下ではなく、アルゴンガス気流下で加熱した。具体的には、最初に約1Paの真空に引いた後、アルゴンガスを3L/minの流量で流しながら加熱した。
試験例17,11,18について、各種の物性(密度、曲げ強度、ヤング率、熱伝導率、熱膨張係数)を測定した。また、試験例22として、SiC体積率を60vol%とした以外は試験例18と同条件でSiC/Al系複合材料を作製した。更に、試験例23として、従来の加圧含浸法によりSiC/Al複合材料を作製した。具体的には、含浸促進材を添加しない以外は試験例1〜8の手順に準じてカーボン坩堝中にSiC粒子を充填後、成形してプリフォームを作製した。そして、SiC粉末が充填されたカーボン坩堝の外周を断熱材であるセラミックファイバーシートで囲み、その後電気炉へ入れ大気中250℃で加熱した。電気炉加熱後、200℃に予熱した溶湯鍛造装置中の金型内に配置し、その上から溶湯温度700℃の溶融Alをプリフォーム上へ注ぎ、ピストン加圧力80MPaの条件で加圧含浸して複合材を製造した。ここで、試験例22は実施例に相当し、試験例23は比較例に相当する。これらの試験例22,23についても、先ほどと同様の物性を測定した。測定結果を表3に示す。なお、物性の測定方法は以下の通り。
(2)密度:純水を媒体としてアルキメデス法により測定した。
(3)曲げ強度:JISR1601に準じて4点曲げ試験を行い、曲げ強度を算出した。また、ヤング率については応力−歪曲線より弾性変形域を示す直線部から算出した。
(4)熱伝導率:JISR1611に準じ、室温にてレーザーフラッシュ法(真空理工製、TC−7000)により測定した。
(5)熱膨張係数:JISR1618に準じ、理学電機工業製のTMA8310を用いて測定した。測定条件は、昇温速度10K/min、Ar雰囲気とした。また、明細書記載の測定値は40−150℃でのデータとした。
試験例11につき、走査型電子顕微鏡(SEM)による微構造観察と、エネルギー分散型X線分光分析(EDS)による元素マッピングを行った。図2に断面SEM像、図3にEDSマッピング像を示す。EDSマッピング像より、試験例11のSiC/Al系複合材料は、炭化ケイ素のセラミックス粒子多孔体の孔内にアルミニウムを主成分とするマトリックスが充填された構造であること、マトリックス中にAl−Ti系化合物(Al3Ti)が存在することがわかった。なお、マトリックス中にAl2O3とAl−Ti系化合物が含まれるのは、前記の発熱反応が進行したためと考えられる。また、XRD解析を行い、主相がSiC,Al−Ti系化合物,金属Al,Al2O3からなることを確認した。
Claims (5)
- 炭化ケイ素のセラミックス粒子多孔体の孔内にアルミニウムを主成分とするマトリックスが充填された構造のSiC/Al系複合材料であって、
前記マトリックスには、金属アルミニウムとアルミナのほかに、アルミニウム−チタン系化合物及びアルミニウム−ジルコニウム系化合物の少なくとも一方が含まれている、
SiC/Al系複合材料。 - ヤング率が200GPa以上、熱膨張係数が8ppm/K以下である、
請求項1に記載のSiC/Al系複合材料。 - (a)チタニア(TiO2)及びジルコニア(ZrO2)の少なくとも一方の含浸促進材と炭化ケイ素粉末とを、炭化ケイ素に対する含浸促進材の粒径比が1/10以下、炭化ケイ素に対する含浸促進材の体積比が0.15以上となるように混合した混合粉末を作製するか又は該混合粉末を成形してプリフォームにする工程と、
(b)前記混合粉末又は前記プリフォームをアルミニウム又はアルミニウム合金と接触させた状態で、減圧下又は非加圧の不活性ガス雰囲気下で1000℃以上に加熱することにより、アルミニウム又はアルミニウム合金を前記混合粉末又は前記プリフォームに含浸させて含浸体とする工程と、
(c)前記含浸体を冷却することによりSiC/Al系複合材料を得る工程と、
を含むSiC/Al系複合材料の製法。 - 前記工程(b)では、真空雰囲気下で含浸させる、
請求項3に記載のSiC/Al系複合材料の製法。 - 前記工程(b)では、1200℃以上に加熱する、
請求項3又は4に記載のSiC/Al系複合材料の製法。
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