JP2012012268A - 銅を含むセラミックス繊維強化複合材料とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的強度にすぐれ、かつ効率よく製造することが可能となる、シリコンと銅の合金が含有された繊維強化セラミックス複合材料を提供する。
【解決手段】
炭化ケイ素とカーボンのうち少なくとも１つからなる基材部と、炭化ケイ素繊維と炭素繊維のうち少なくとも１つからなる強化繊維と、Ｃｕ_３Ｓｉ合金とシリコンからなる充填部から構成され、前記Ｃｕ_３Ｓｉ合金が総重量の０．５重量％以上４０重量％以下である繊維強化セラミックス複合材料とすることで、曲げ強度と破壊エネルギーが向上される。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス複合材料、特に強化用繊維と銅を含むセラミックス繊維強化複合材料とその製造方法に関する。

近年、自動車や鉄道車両用のブレーキディスクの素材として、例えば、炭素や炭化ケイ素を主成分とし、これに各種強化繊維を混合し、溶融されたシリコンを含浸するというプロセスを経て作製される、複合セラミックス材料の開発が進められている。

このうち、溶融されたシリコンを含浸する方法においては、シリコン単体ではなくケイ素と各種の金属との合金にして、これを含浸させる方法が知られている。

例えば、特許文献１には、ＳｉＣセラミックスを強化材とし、Ｓｉ合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料において、Ｓｉ合金マトリックス中のＳｉの含有率を６０〜３０質量％、Ｃｕの含有率を４０〜７０質量％とすることにより、靭性を３．５ Ｍ Ｎ ／ ｍ ^{３ ／ ２} 以上に改善するという技術が開示されている。

また、特許文献２には、Ｓｉ-Ｃｕ合金マトリックス中に炭素繊維強化材が複合化された金属−セラミックス複合材料は、軽量で高強度であるが、マトリックス中のＳｉが脆性材料であるため耐衝撃性に劣るという課題に対して、複合材料中の炭素繊維強化材の含有率を２０〜６０体積％、かつ、Ｓｉ-Ｃｕ合金中のＣｕ濃度を１０〜９０質量％とすることにより、耐衝撃性に優れた金属−炭素繊維複合材料を製造できるという技術が開示されている。

特開２００４−３５３０７号公報 特開２００４−４３８６１号公報

特許文献１に開示されている技術は、複合材料がＳｉ-Ｃｕ合金をマトリックスとしてＳｉＣの多孔体を強化材として構成されている。よって、炭化ケイ素をマトリックスとした複合材料と比べると、特にクラックの発生に対する抑制効果という点では、十分とは言いがたい。

特許文献２に開示されている技術は、複合材料がＳｉ-Ｃｕ合金と強化繊維のみで構成されている。そのため、強化繊維によるクラック発生に対する抑制効果はあるが、Ｓｉ-Ｃｕ合金がマトリックス部であるために、強度や耐衝撃性の点では劣るという問題があった。

また、特許文献１と特許文献２に開示されている技術を組み合わせ、炭化ケイ素の多孔体、強化繊維、シリコンと銅の合金とシリコンからなる複合材料を作製しようとしたとき、これらの構成要素のバランスが重要となるが、これらの技術の適用だけでは、クラックの発生を抑制しつつ、強度や耐衝撃性に優れた複合材料とすることは困難であった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、機械的強度にすぐれ、かつ効率よく製造することが可能となる、シリコンと銅の合金が含有された繊維強化セラミックス複合材料とその製造方法を提供するものである。

本発明に係るセラミックス繊維強化複合材料は、炭化ケイ素とカーボンのうち少なくとも１つからなる基材部と、炭化ケイ素繊維と炭素繊維のうち少なくとも１つからなる強化繊維と、Ｃｕ_３Ｓｉ合金とシリコンからなる充填部と、から構成され、前記Ｃｕ_３Ｓｉ合金が総重量の０．５重量％以上４０重量％以下であることを特徴とする。このような構成をとることで、従来と比べて強度が向上したシリコンと銅の合金が含有されたセラミックス繊維強化複合材料とすることが可能となる。

また、本発明に係るセラミックス繊維強化複合材料の製造方法は、強化繊維と基材部からなる気孔率５％以上５０％以下の部材の気孔内に、シリコンと銅からなる溶融金属を、含浸により充填して充填部としたことを特徴とする。このような構成をとることで、セラミックス繊維強化複合材料内に、Ｃｕ_３Ｓｉ合金とシリコンを均一に含有させることで、従来と比べて強度が向上した、シリコンと銅の合金が含有されたセラミックス繊維強化複合材料を製造することができる。

本発明によれば、より強度の向上した強化用繊維と銅を含むセラミックス繊維強化複合材料を提供することが可能となる。

本発明に係るセラミックス繊維強化複合材料の、一断面からみた構造を示す概念図。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、セラミックス繊維強化複合
材料の断面構造を示す概念図。

本発明に係るセラミックス繊維強化複合材料は、炭化ケイ素とカーボンのうち少なくとも１つからなる基材部と、炭化ケイ素繊維と炭素繊維のうち少なくとも１つからなる強化繊維と、Ｃｕ_３Ｓｉ合金とシリコンからなる充填部と、から構成され、前記Ｃｕ_３Ｓｉ合金が総重量の０．５重量％以上４０重量％以下である。

基材部は、炭化ケイ素と、カーボンのうち少なくとも１つからなる。ここで基材部は、公知の材料と技術を適用でき、特にその形態や製造方法は限定されない。また、基材部が複数の材料から構成される場合も、特にそれぞれの材料の比率、形態が限定されるものではないが、後述する含浸法を適用でき、各種物性も良好な点を考慮すると、主たる成分は炭化ケイ素であることが好ましい。

強化繊維は、炭化ケイ素繊維と炭素繊維のうち少なくとも１つからなる。用途に応じて炭化ケイ素繊維と炭素繊維は、それぞれ単独でも両方とも含有していてもよい。なお、セラミックス繊維強化複合材料製造時の、例えば２０００℃以上の高温プロセスにおける耐久性を考慮した場合は、炭素繊維であることがより好ましい。

また、繊維の形状、サイズも特に限定されるものではなく、直径が数μｍから数十μｍ程度、長さが数ミリ程度のいわゆる短繊維が単独で分散した状態、短繊維が集合して繊維束となった状態、基材部の内部では連続した形状のいわゆる長繊維の状態、のいずれの形態で存在してもよく、これらが適時組み合わされた構成をとっていてもよい。なお、セラミックス繊維強化複合材料全体の強度のバランスを考慮すると、強化繊維の含有量は、セラミックス繊維強化複合材料全体の体積比で、１５％以上２５％以下が好ましく、２０％がさらに好ましい。

さらに、本発明に係るセラミックス繊維強化複合材料は、Ｃｕ_３Ｓｉ合金とシリコンからなる充填部とから構成され、前記Ｃｕ_３Ｓｉ合金が総重量の０．５重量％以上４０重量％以下である。

セラミックス繊維強化複合材料に銅を添加すること、および銅の添加方法として、炭化ケイ素の基材に、シリコンと銅を溶かした溶融シリコンを含浸させる含浸法を適用することは、以前から知られている。しかし炭化ケイ素が主たる基材成分で、炭素繊維を強化繊維としたセラミックス繊維強化複合材料に対して、どの程度の銅が混合されていればよいか、また、基材全体に均一に銅を含有させる条件として何が必要かであるか、従来曖昧であった。

炭化ケイ素を主成分としたセラミックス繊維強化複合材料中において、特に好ましい製法である含浸法によって、炭化ケイ素からなる基材部の気孔部に対して銅を含む溶融シリコンを充填したのちに銅が気孔の細部まで行き渡った場合、銅はＣｕ_３Ｓｉ合金の形態で存在する。

銅とシリコンは、シリコンの融点以上に加熱すると、共に融解して均一な混合液体となる。この状態で、例え
ば主たる成分が炭化ケイ素からなる基材に含浸させると、別途添加された炭素材料とシリコンが反応して、基材
部の気孔部内表面に炭化ケイ素の界面を形成する。そして、シリコンの融点以下に冷却すると、混合液体はシリ
コンとＣｕ_３Ｓｉ合金それぞれの形態で固化する。このとき、含浸して固化したシリコン中には、銅はほとんど
含有されていない。

従って、炭化ケイ素の基材の気孔部に対して、隅々までシリコンと銅の溶融合金が行き渡っている状態では、
含浸後の銅がＣｕ_３Ｓｉ合金の形態である。さらに、含浸後の銅とシリコンが重量比で１：１から１：２の範囲
になるように、各材料の配合比を調整することが好ましい。この比を外れると、溶融したシリコンと銅の合金の
、炭化ケイ素にする濡れ性が悪化して、毛細管現象による基材の気孔部に隅々まで充填されるという現象が起こ
らず、セラミックス中に金属を均一に含有させるという点から好ましくない。

また、Ｃｕ_３Ｓｉ合金は、セラミックス繊維強化複合材料の総重量の０．５重量％以上４０重量％以下である。総重量の０．５重量％未満では、誤差範囲にとどまるので、銅を添加する効果が発揮されず、コスト増や工程増というデメリットのみが顕著になり好ましくない。しかし、Ｃｕ_３Ｓｉ合金の含有量増加に伴い、曲げ強度および破壊エネルギーは大きくなるが、Ｃｕ_３Ｓｉ合金自体は炭化ケイ素に比べると低強度でかつ脆いため、総重量の４０重量％を超えると、反対に機械特性が大きく低下してしまうのでやはり好ましくない。より好ましい範囲は、１重量％以上３０重量％以下、さらに好ましい範囲は、５重量％以上２０重量％以下である。

そして、本発明に係るセラミックス繊維強化複合材料の製造方法は、強化繊維と基材部からなる気孔率５％以上５０％以下の部材の気孔内に、シリコンと銅からなる溶融金属を、含浸により充填して充填部としたことを特徴とする。

Ｃｕ_３Ｓｉ合金を、機械強度が十分高くなる最適な含有量で、かつ基材全体に均一に充填して、これを充填部
とするには、含浸法が適している。そして、このときの基材部の気孔率が５％未満では、基材全体の重量比に対する銅の割合が少なすぎて、例えばブレーキ材に適用した場合に、強度および破壊エネルギー上昇硬化が十分発揮されず、好ましくない。一方、気孔率が５０％を越えると、基材全体の重量比に対する炭素繊維の割合が減り、脆性材料としてのシリコン、銅の作用が相対的に大きくなり、同じくブレーキ材に適用した場合の、耐衝撃性が十分発揮されず、こちらも好ましくない。

Ｃｕ_３Ｓｉ合金とシリコンの含有量は、含浸時の銅とシリコンの重量比で調整することができる。なお、含浸の妨げにならない範囲においては、シリコンと銅以外の金属元素が含まれていても構わない。

以上のように、本発明によれば、Ｃｕ_３Ｓｉ合金の含有量、好ましくは基材の気孔率を最適化することで、より強度の向上した強化用繊維と銅を含むセラミックス繊維強化複合材料を提供することが可能となる。

以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づき説明するが、本発明はこの実施例により限定されるものではない。

炭素繊維として（株）東レ製のカーボン繊維トレカを、炭化ケイ素原料として屋久島電工（株）ＯＹ−１５を、シリコン含浸時の炭化ケイ素化原料として住友ベークライト（株）製のフェノール原料スミライトレジンを、それぞれ準備した。そして、これらを混合し
φ５０×４０（ｍｍ）の円盤材の形状に加圧成形した。その後、Ａｒ雰囲気下２０００℃で２時間焼成して炭素繊維／炭化ケイ素コンポジットを形成し、さらにこの炭素繊維／炭化ケイ素コンポジットに対して、減圧雰囲気下１４５０℃で２時間保持して、シリコンと銅の含浸処理を行ったサンプルを得た。

表１は、Ｃｕ_３Ｓｉ合金の含有率を変化させた場合の、セラミックス繊維強化複合材料における曲げ強さと破壊エネルギーを比較したものである。ここで、炭素繊維はセラミックス繊維強化複合材料の体積比で２０％となる割合を添加した。また、炭化ケイ素原料はシリコン含浸で炭化ケイ素化に必要な分量を調整して添加した。さらに、Ｃｕ_３Ｓｉ合金の含有率が表１の比率になるように、含浸時のシリコンと銅の重量比を適時調整した。

評価方法として、セラミックス繊維強化複合材料中に含まれる銅の量は、ＩＣＰ−ＭＳにより定量測定した。また、曲げ強さと破壊エネルギーは、得られたセラミックス繊維強化複合材料を所定の形状に加工して、曲げ強さの測定を日本工業規格ＪＩＳ
Ｒ １６６３「長繊維強化セラミックス複合材料の曲げ強さ試験方法」に、破壊エネルギーの測定を日本セラミックス協会規格ＪＣＲＳ−２０１「シェブロンノッチ試験片の準静的３点曲げ破壊によるセラミック系複合材料の破壊エネルギー試験方法」に、それぞれ準拠して測定した。

表１から分るように、本発明の実施範囲におけるセラミックス繊維強化複合材料は、曲げ強度、破壊エネルギーが、どちらも比較例の平均値と比べて１０％以上向上しており、本発明の効果が得られていることが確認された。

本発明は、自動車や鉄道車両などのブレーキ用部材として特に好適であるが、軽量で高強度である利点を活かし、例えば、高速回転部の流体用メカニカルシール部材などにも適用できる。

1…繊維強化セラミックス複合材料
21…炭化ケイ素からなる基材部、22…Ｃｕ_３Ｓｉ合金とシリコンからなる充填部
3…強化繊維

Claims (2)

1. 炭化ケイ素とカーボンのうち少なくとも１つからなる基材部と、炭化ケイ素繊維と炭素繊維のうち少なくとも１つからなる強化繊維と、Ｃｕ_３Ｓｉ合金とシリコンからなる充填部と、から構成され、前記Ｃｕ_３Ｓｉ合金が総重量の０．５重量％以上４０重量％以下であることを特徴とする繊維強化セラミックス複合材料。
2. 強化繊維と基材部からなる気孔率５％以上５０％以下の部材の気孔内に、シリコンと銅からなる溶融金属を、含浸により充填して充填部としたことを特徴とする、請求項１記載の繊維強化セラミックス複合材料の製造方法。