JP2011132093A

JP2011132093A - 複合材料の製造方法

Info

Publication number: JP2011132093A
Application number: JP2009294964A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Shimizu; 義久清水; Mamoru Ishii; 守石井
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: JP5462618B2

Abstract

【課題】プリフォームへの含浸時の反応を軽減することができ、クラックの発生を防止することができる複合材料の製造方法を提供する。
【解決手段】炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる複合材料の製造方法であって、炭化ホウ素のプリフォーム１３０から分離して、溶融金属ケイ素に炭化ホウ素含有材料１４０を混合し事前溶解させ、炭化ホウ素含有材料１４０を混合した事前溶解材料をプリフォーム１３０に含浸させる。このように、金属ケイ素の含浸前に金属ケイ素に炭化ホウ素を溶け込ませることで、プリフォーム１３０への含浸時の反応を軽減することができ、クラックを防止することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる複合材料の製造方法に関する。

近年、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとの複合材料（以下、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料）が様々な分野で利用されている。このような複合材料の製造工程において金属ケイ素を炭化ホウ素のプリフォームへ含浸させる際に炭化ホウ素の強化材と反応し、クラックが生じる場合がある。そして、このようなクラックの防止するための炭化ホウ素複合体の製造方法が提案されている（たとえば特許文献１参照）。

特許文献１記載の炭化ホウ素複合体の製造方法は、反応性炭素質成分の不在の下で溶浸を行い、ケイ素化した炭化ホウ素を製造する。そして、ケイ素溶浸材が炭化ホウ素に接触する前に、ホウ素源もしくは炭素源、またはホウ素と炭素の両方をケイ素中に合金化または溶解させることによって炭化ホウ素と溶浸中のケイ素との反応を抑制している。

特表２００７−５１３８５４号公報

図９、図１０は、このような従来の炭化ホウ素複合体の製造方法の一場面を示す断面図である。図９、図１０に示すように、容器９１０内に炭化ホウ素のプリフォーム９３０および炭化ホウ素含有材料９４０を配置しておき、溶融金属９５０をプリフォーム９３０に含有させることで、上記の炭化ホウ素複合体を製造することができる。

しかしながら、特許文献１記載の炭化ホウ素複合体の製造方法は、炭化ホウ素成分を事前に金属ケイ素に溶解させることにより炭化ホウ素プリフォームに含浸させているが、十分に事前溶解しないうちに含浸が行われるとクラックが発生しやすくなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、プリフォーム含浸時の反応を軽減することができ、クラックの発生を防止できる複合材料の製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の複合材料の製造方法は、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる複合材料の製造方法であって、炭化ホウ素のプリフォームから分離して、溶融金属ケイ素に炭化ホウ素含有材料を混合し事前溶解させ、前記炭化ホウ素含有材料を混合した事前溶解材料を前記プリフォームに含浸させることを特徴としている。

このように、金属ケイ素の含浸前に金属ケイ素に炭化ホウ素を溶け込ませることで、プリフォームへの含浸時の反応を軽減することができ、クラックを防止することができる。

（２）また、本発明の複合材料の製造方法は、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる複合材料の製造方法であって、外容器内に溶融金属を浸透可能にする内容器を設置し、前記外容器内で内容器外に炭化ホウ素のプリフォームを設置し、前記内容器内に金属ケイ素および炭化ホウ素含有材料を設置する工程と、前記内容器内で金属ケイ素を溶融させ、前記炭化ホウ素含有材料を溶融金属ケイ素に混合し事前溶解させ、事前溶解材料を生成する工程と、前記事前溶解材料に前記内容器を浸透させ、前記内容器を浸透した事前溶解材料を前記プリフォームに含浸させる工程とを含むことを特徴としている。

このように、あらかじめ内容器内で溶融金属ケイ素に炭化ホウ素を溶け込ませ、その事前溶解材料の内容器からの浸透を利用して、プリフォームに含浸させることで、プリフォーム含浸時の反応を軽減することができ、クラックを防止することができる。

（３）また、本発明の複合材料の製造方法は、前記内容器は、カーボン製シートにより形成されていることを特徴としている。これにより、溶融ケイ素がカーボンと反応しつつ、内容器を浸透するため、溶融金属をプリフォームに含浸させることができる。

本発明によれば、プリフォーム含浸時の反応を軽減することができ、クラックの発生を防止できる。

第１の実施形態に係る複合材料の製造方法の一場面を示す平面図である。第１の実施形態に係る複合材料の製造方法の一場面を示す断面図である。第１の実施形態に係る複合材料の製造方法の一場面を示す断面図である。第１の実施形態に係る複合材料の製造方法の一場面を示す断面図である。第１の実施形態に係る複合材料の製造方法の一場面を示す断面図である。第２の実施形態に係る複合材料の製造方法の一場面を示す断面図である。第２の実施形態に係る複合材料の製造方法の一場面を示す断面図である。第２の実施形態に係る複合材料の製造方法の一場面を示す断面図である。従来の複合材料の製造方法の一場面を示す断面図である。従来の複合材料の製造方法の一場面を示す断面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
本発明に係るＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料（複合材料）は、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなり、マトリックス中に強化材が分散した構造を有している。Ｂ_４Ｃ／Ｓｉは、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ、ボロンカーバイド）のプリフォームに金属ケイ素を含浸することで得られる。用いられる金属ケイ素は、単体でも合金でもよい。なお、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料は、実質的に炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなるものであり、若干の不純物を含んでいてもよい。

図１は、複合材料の製造方法の一場面を示す平面図、図２〜図５は、複合材料の製造方法の一場面を示す断面図である。図１および図２に示すように、まず外容器１１０内に、内容器１２０を設置し、外容器１１０の内で、内容器１２０の外に、炭化ホウ素のセラミック多孔質体からなるプリフォーム１３０を設置する。なお、図２は、図１の断面Ａを矢印の方向から見た断面図である。

外容器１１０は、有底開口の容器であり、溶融金属ケイ素１５０の含浸時に金属を保持する。そして、内容器１２０は、有底開口の容器であり、溶融金属を保持しうるが、容器の壁が孔径の細かい多孔体で形成されている。したがって、溶融金属を保持しつつ、所定時間後は浸透により透過する。このように、内容器１２０は、所定時間、溶融金属を分離できるものが好ましい。このような内容器１２０は、カーボン製シートを折り込んで作製できる。これにより、溶融金属ケイ素１５０を溶融させたとき、溶融金属がカーボンと反応しつつ、内容器を浸透するため、内容器１２０を透過した溶融金属をプリフォームに含浸させることができる。

カーボン製シートは、比重１程度の多孔体であることが好ましく、その場合の厚さは、０．４〜０．８ｍｍ程度であることが好ましい。なお、内容器１２０は、金属ケイ素とは濡れ性の悪い窒化ホウ素の箱に細かい孔を開けて事前溶解材料を浸み出させるものでもよい。このように、内容器１２０は、必ずしも上記のような形態に限られるものではなく、金属ケイ素１５０への炭化ホウ素含有材料の事前溶解および、事前溶解材料のプリフォーム１３０への含浸を妨げることがなければどのような仕切りでもよい。

次に、内容器１２０内に、炭化ホウ素含有材料１４０および金属ケイ素１５０を設置し、図３に示すように金属ケイ素１５０を溶融させる。炭化ホウ素含有材料１４０は、溶融させる金属ケイ素１５０に対して所定の割合以上含まれたものであればよく、たとえばＢ４Ｃ／Ｓｉ複合材料の端材でよい。また、炭化ホウ素含有材料１４０は、塊状であってもよく、粉末であってもよいが、炭化ホウ素を重量比で４０％以上含むことが好ましい。

これにより、図４に示すように含浸前に分離された金属ケイ素１５０に炭化ホウ素含有材料１４０が溶けて反応し、事前溶解材料１５５が生成される。このように、含浸前に金属にプリフォームを構成する材料を溶け込ませることで、プリフォーム１３０への含浸時の反応を軽減することができ、クラックを防止することができる。

次に、時間を超えると内容器１２０の側壁から事前溶解材料１５５が浸み出す。そして、図５に示すように、事前溶解材料１５５をプリフォーム１３０に含浸させる。なお、含浸工程において、溶融した金属ケイ素１５０が直接に接触しないように治具を設け、プリフォーム１３０を外容器１１０の底から浮かせてもよい。

次に、外容器１１０内を自然冷却し、室温まで冷却する。このようにして冷却された複合材料１６０を外容器１１０から分離して取り出すことで、複合材料１６０を得ることができる。得られた複合材料１６０は、たとえば耐衝撃材料として用いることができる。

［第２の実施形態］
上記の実施形態では、事前溶解材料１５５を、直接、プリフォーム１３０に含浸させるが、熱膨張率を考慮し両者の間にＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料のセッターを介してもよい。炭化ホウ素の熱膨張率は４．５×１０^−６／Ｋ、ケイ素の熱膨張率は２．６×１０^−６／Ｋであるため、金属ケイ素の熱膨張率は、強化材を形成する炭化ホウ素の熱膨張率より小さく、（金属ケイ素の熱膨張率）＜（複合材料の熱膨張率）＜（炭化ホウ素の熱膨張率）の関係が成立している。Ｂ_４Ｃ／Ｓｉの熱膨張率は３．０×１０^−６／Ｋである。

図６〜図８は、複合材料２６０の製造方法の一場面を示す断面図である。図６に示すように、まず外容器１１０内に、セッター２７０を敷き、セッター２７０上に、セラミック多孔質体の炭化ホウ素のプリフォーム１３０を設置する。

次に、図７に示すように、内容器１２０内に設置した金属ケイ素１５０を溶融させる。そして、内容器１２０内で炭化ホウ素含有材料１４０を金属ケイ素１５０に溶かし、事前反応させておく。このようにして、生成された事前溶解材料１５５を、セッター２７０を介してプリフォーム１３０に含浸させる。セッター２７０を介して事前溶解材料１５５をプリフォーム１３０に含浸させるため、複合材料２６０は、残留金属ケイ素１５０に、直接、接触しない。

事前溶解材料１５５は、金属ケイ素が主成分であり、プリフォーム１３０を形成するセラミックスの熱膨張率より小さい熱膨張率を有する。したがって、含浸させる事前溶解材料１５５の熱膨張率は、得られる複合材料２６０の熱膨張率より小さい。仮にセッター２７０を設けていなければ、冷却時の複合材料２６０の収縮により複合材料２６０に引張力が生じるが、本実施形態ではＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料のセッター２７０を設けているため、引張力を小さくすることができる。なお、事前溶解材料１５５が直接に接触しないようにセッター２７０上に治具を設け、プリフォーム１３０をセッター２７０から浮かせてもよい。

次に、図８に示すように、外容器１１０内を自然冷却し、室温まで冷却する。複合材料２６０は、セッター２７０および事前溶解材料１５５とともに冷却により収縮するが、材質に応じて収縮率が異なる。複合材料２６０の収縮率は、金属ケイ素１５０よりもセッター２７０の収縮率に近い。したがって、セッター２７０には金属ケイ素１５０による引張力が働くが、複合材料２６０に働く引張力はセッター２７０によるもののみとなり小さくなる。その結果、形成された複合材料２６０にクラックが発生し難くなる。このようにして冷却された複合材料２６０をセッター２７０から分離して取り出すことで、複合材料２６０を得ることができる。

なお、上記のセッター２７０として炭化ホウ素セラミック多孔質体で形成されているものを用いることもできる。その場合、セッター２７０を介して事前溶解材料１５５をプリフォーム１３０に含浸させるとセッター２７０にも事前溶解材料１５５が含浸する。

この場合も、事前溶解材料１５５が含浸したセッター２７０が複合材料２６０に直接に接触することになり、複合材料２６０は、残留金属ケイ素１５０と接触しない。そして、（金属の熱膨張率）＜（含浸工程後のセッターの熱膨張率）の関係が成り立ち、含浸工程に利用した後のセッター２７０は、製造される複合材料２６０の熱膨張率以上の熱膨張率を有する。したがって、複合材料２６０は冷却時に外部との熱膨張差により受ける引張力が小さくなり、複合材料２６０にクラックが発生し難くなる。

このようにプリフォーム１３０の下に、複合材料２６０と同様若しくは事前溶解材料１５５よりもプリフォーム１３０との熱膨張差が小さい材質のセッター２７０を敷き浸透することにより、冷却収縮による引張力が軽減される。そして、複合材料２６０の金属含浸時の残留合金における影響から発生する複合材料２６０の割れ・クラックを抑制することができる。特に、複合材料２６０を耐衝撃部材として使用する際には、クラックのような不良は人命にも関わるため、効果が大きい。

（実施例）

市販の炭化ホウ素粉末（平均粒径２３μｍ、純度９５％以上）にバインダーとして１２．８％と水６０％を混合したスラリーを型に流しこみ成形したものを、１５０℃で焼成し、密度１．３０ｇ／ｃｍ^３の炭化ホウ素プリフォームを作成した。作成したプリフォームは外容器１１０内に設置した。また、カーボン製シートを折り込んで形成した内容器には、炭化ホウ素含有材料としてのＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料および含浸に必要量のケイ素合金を入れた。そして、１，４１０℃で４時間加熱してケイ素合金を溶融させた後、１，５５０℃で２４時間加熱し、事前溶解材料を内容器から透過させると同時に、さらに透過した事前溶解材料をプリフォームに含浸させた。

Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料のセッター上にプリフォームを設置した以外は、実施例１の条件と同様にして含浸を行なった。

（結果）
実施例１として、ＳｉＣ等による変質部分のない複合材料を得ることができた。実施例１の複合材料には、クラックは見つからなかった。実施例２は、さらにセッターの設置により残留合金に接触せず浸透を行なうことができた。実施例２の複合材料にもクラックなどの不具合は発生していなかった。

１１０外容器
１２０内容器
１３０プリフォーム
１４０炭化ホウ素含有材料
１５０金属ケイ素
１５５事前溶解材料
１６０、２６０Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料（複合材料）
２７０セッター

Claims

炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる複合材料の製造方法であって、
炭化ホウ素のプリフォームから分離して、溶融金属ケイ素に炭化ホウ素含有材料を混合し事前溶解させ、
前記炭化ホウ素含有材料を混合した事前溶解材料を前記プリフォームに含浸させることを特徴とする複合材料の製造方法。
炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる複合材料の製造方法であって、
外容器内に溶融金属を浸透可能にする内容器を設置し、前記外容器内で内容器外に炭化ホウ素のプリフォームを設置し、前記内容器内に金属ケイ素および炭化ホウ素含有材料を設置する工程と、
前記内容器内で金属ケイ素を溶融させ、前記炭化ホウ素含有材料を溶融金属ケイ素に混合し事前溶解させ、事前溶解材料を生成する工程と、
前記事前溶解材料に前記内容器を浸透させ、前記内容器を浸透した事前溶解材料を前記プリフォームに含浸させる工程と、を含むことを特徴とする複合材料の製造方法。
前記内容器は、カーボン製シートにより形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の複合材料の製造方法。