JP2013136489A - 複合材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】割れがなく高ヤング率かつ高硬度の複合材料およびそ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であって、炭化ホウ素の強化材は、ネットワーク構造を有し、充填率８０％以上である。このように、本発明の複合材料は、炭化ホウ素の強化材がネットワーク構造を有し、充填率が８０％以上なので、割れがなく高ヤング率かつ高硬度の複合材料を得ることができる。このような複合材料は高性能な耐衝撃材料として応用できる。
【選択図】なし

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およびそ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）が耐衝撃部材等として利用されている。Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料は、炭化ホウ素のプリフォームに金属ケイ素を含浸させることで製造される。しかし、含浸によりＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料には割れが生じうるため、これを防止するための方法が提案されている。例えば、特許文献１、２記載の方法は、含浸時のケイ素と炭化ホウ素とによる反応が割れの一因になることに注目し、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、この溶解材料をプリフォームに含浸させて割れを防止しようとしている。

また、一方で炭化ケイ素セラミックスの多孔体に金属を加圧浸透させる技術が知られている。例えば、特許文献３記載の方法では、炭化ケイ素セラミック多孔体を焼結し、アルミニウムを加圧浸透している。また、特許文献４記載の方法は、炭化ケイ素粉末にシリコン粉末および炭素粉末を混ぜてプリフォームを成形している。そして、１４００℃以上で加熱することでケイ素および炭素を炭化ケイ素化し、そのようにして準備したプリフォームに金属ケイ素を加圧浸透している。特許文献５記載の方法は、炭化ケイ素の微粉を用い、常圧高温で仮焼結したプリフォームに金属ケイ素を含浸させている。

特表２００７−５１３８５４号公報 特開２０１１−１３２０９３号公報 特開２０００−３３６４３８号公報 特開２０１０−０８３７１５号公報 特開２００７−２３０８２２号公報

上記の特許文献１記載のように、従来、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料の製造時に発生しうるクラックを防止するための方法が提案されているが、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料において、金属ケイ素の含浸時に生じるクラックやメタルベインによる割れを十分に防止できていない。

通常、炭化ホウ素のプリフォームはバインダを含んでおり、ケイ素含浸前に脱脂を行なう。この脱脂により、プリフォームの強度は、脱脂前の１／２以下の例えば１０ＭＰａ弱まで低下し、脱脂後や金属ケイ素の含浸中に割れが生ずる場合もある。特許文献２〜４には、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料等に関してプリフォームを形成する技術が記載されているが、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料では、炭化ケイ素のプリフォームの脱脂体強度は炭化ホウ素のプリフォームのそれの倍以上であり、ＳｉＣを強化材とする複合材料には含浸時の割れの問題は生じ難い。充填率を上げるためにはプリフォームの粒子間の気孔を小さくする必要があるが、強度保持のためバインダ添加が必要である炭化ホウ素プリフォームでの高充填化は現状では達成されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、割れがなく高ヤング率かつ高硬度の複合材料およびそ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であって、炭化ホウ素の強化材は、ネットワーク構造を有し、充填率８０％以上であることを特徴としている。

このように、本発明の複合材料は、炭化ホウ素の強化材がネットワーク構造を有し、充填率が８０％以上なので、割れがなく高ヤング率かつ高硬度の複合材料を得ることができる。このような複合材料は高性能な耐衝撃材料として応用できる。

（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、炭化ホウ素の粒体を加圧しつつ加熱し、ネットワーク構造を有し、充填率８０％以上の多孔体の炭化ホウ素のプリフォームを作製する工程と、金属ケイ素を含む溶融材料を、炭化ホウ素の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、本願発明の複合材料の製造方法では、充填率８０％以上でネットワーク構造を有する多孔体の炭化ホウ素のプリフォームを作製するため、プリフォームの強度を高くすることができる。また、バインダを介さず、粒子同士によりネットワーク構造を形成するため、脱脂による強度低下も生じない。そのため、溶融材料の含浸時に高い保形力を維持でき、クラックやメタルベインによる割れを防止できる。

（３）また、本発明の複合材料の製造方法は、前記炭化ホウ素の粒体の加熱を、放電プラズマ焼結法で行なうことを特徴としている。これにより、充填率８０％以上のネットワーク構造を有する多孔体のプリフォームを作製できる。その結果、複合材料のヤング率や硬度を高くすることができ、複合材料を高性能な耐衝撃用材料にも応用できる。

本発明によれば、複合材料のヤング率や硬度を高くすることができる。そして、このような複合材料を高性能な耐衝撃用材料にも応用できる。

以下に、本発明の実施形態を説明する。

（複合材料の構成）
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形成されている。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。用いられる浸透材は、金属ケイ素の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。

炭化ホウ素の強化材は、ネットワーク構造を有し、充填率８０％以上である。ネットワーク構造とは、粒子間のネッキングにより構成された網目構造をいう。これにより、複合材料のヤング率や硬度を高くすることができる。そして、このような複合材料を高性能な耐衝撃用材料にも応用できる。

（プリフォームの作製）
上記のように構成される複合材料の製造方法を説明する。まず、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を作製する。その際には、炭化ホウ素の粒体を加圧しつつ加熱し、ネットワーク構造を有する多孔体の炭化ホウ素のプリフォームを作製する。例えば、カーボン治具により炭化ホウ素の粒体を加圧しながら、ヒータにより加熱することでプリフォームの作製が可能である。

プリフォームの作製時には、粒体を直接、加圧しつつ加熱するため、バインダを介さず粒子同士が結合し、ネッキングを形成できる。そして、プリフォームの強度が高くなり、脱脂による強度低下もなくなる。その結果、後述の金属ケイ素の含浸中も、プリフォームは高い保形力を維持でき、クラックやメタルベインによる割れが発生する可能性を軽減できる。

炭化ホウ素の粒体における各粒子の粒径が細かいほど、かつ粒子径分布が狭いほど、焼結条件をより低温かつ低圧にすることが可能である。

プリフォームを作製する際に、炭化ホウ素の粒体の加熱は、放電プラズマ焼結法で行なうことが好ましい。プリフォームの作製には、反応焼結法、雰囲気焼結法等、その他の方法も考えられるが、バインダ等の添加物が必須でなく、また数十ＭＰａ程度の比較的低圧で多孔体を製作できることから、放電プラズマ焼結法が優れている。

プリフォームの充填率は、加圧加熱時にスペーサ等でプリフォームの厚みを固定した上で加圧して、体積の制限と原料粒体の投入量により制御できる。スペーサ等を用いずに加熱加圧条件により制御することも可能であるが、ロット間のバラツキは大きくなる。

このようにして充填率８０％以上のネットワーク構造を有する多孔体のプリフォームを作製できる。なお、放電プラズマ焼結法を行なう場合でも、必要に応じてＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ等バインダとなるものを炭化ホウ素の粒体に添加してもよいが、その場合には脱脂による強度低下が生じうる。

次に、容器内にプリフォームを設置する。容器は、有底開口の容器であり、後述する溶融金属を保持して、設置されたプリフォームへ浸透させるのに用いられる。プリフォームの設置の際には、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料のセッター上に設置してもよい。

（ドープ）
一方、金属ケイ素を含む溶融材料を準備する。その際には、炭化ホウ素含有材料を溶融金属ケイ素に混合し事前に溶解（ドープ）させて準備することもできる。炭化ホウ素含有材料には、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料の端材を用いることができる。また、炭化ホウ素含有材料は、塊状でも、粉末でもよい。

ドープにより金属ケイ素に炭化ホウ素含有材料が溶けて反応し、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ができる。そして、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。

（プリフォームへの含浸）
このようにして得られた溶融材料を１４５０℃以上１５００℃以下でプリフォームへ含浸させる。その際には、容器を１４５０℃以上１５００℃以下に維持しつつ、溶融材料を容器に投入する。含浸の方法は、例えば非加圧浸透が用いられる。含浸工程では、プリフォームを容器の底から浮かせてもよい。

金属ケイ素の含浸に際し、炭化ホウ素と金属ケイ素とはもともと濡れ性が良く、含浸の駆動力となるカーボン分がプリフォームの焼結に使用するカーボン治具から少量（０．５パーセント程度）混入するため、特にカーボン添加の操作を行なわなくても、十分に金属ケイ素の含浸は可能である。なお、上記の少量のカーボンにより、金属ケイ素の含浸後に少量（１パーセント前後）の炭化ケイ素が生成する。

（冷却、取り出し）
含浸工程を行なった後は、容器内を自然冷却し、室温まで冷却する。このようにして冷却された複合材料を容器から分離して取り出す。その結果、炭化ホウ素の充填率が８０％以上の複合材料を作製することができる。そして、複合材料のヤング率や硬度を高くすることができる。得られた複合材料は、設計通りに加工され、例えば耐衝撃材料として用いることができる。

（実施例１）
直径１００ｍｍ、厚さ６．０ｍｍの円板状の炭化ホウ素のプリフォームを放電プラズマ焼結法により作製した。プリフォームの作製は、原料として炭化ホウ素の粉末（粒径２μｍ）を１１０ｇ投入し、１９００℃で３０ＭＰａの圧力をかけ、１０分間保持して行なった。その結果、充填率９３％、厚み６．０ｍｍのプリフォームが得られた。このようにして、１０枚のプリフォームを作製して浸用容器内に設置し、金属ケイ素を含浸し、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料を得た。

（実施例２）
原料投入量を１０５ｇに変更し、その他の条件は同じにして炭化ホウ素のプリフォームを作製した。その結果、充填率８９％、厚み６．０ｍｍのプリフォームが得られた。このようにして、１０枚のプリフォームを作製して浸用容器内に設置し、金属ケイ素を含浸し、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料を得た。

（実施例３）
原料投入量を９８ｇに変更し、その他の条件は同じにして炭化ホウ素のプリフォームを作製した。その結果、充填率８３％、厚み６．０ｍｍのプリフォームが得られた。このようにして、１０枚のプリフォームを作製して浸用容器内に設置し、金属ケイ素を含浸し、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料を得た。

（比較例１）
炭化ホウ素粉末にバインダとして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、直径１００ｍｍ、厚さ６．０ｍｍの円板状の炭化ホウ素のプリフォームを作成した。このようにして、１０枚のプリフォームを作製して浸用容器内に設置し、金属ケイ素を含浸し、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料を得た。

（実験結果）
表１は、セラミック焼結体、比較例および実施例のプリフォームおよび生成物の特性を示す表である。表１には、炭化ホウ素および炭化ケイ素のセラミック焼結体の特性も、参考のために記載している。比較例１では、プリフォームの一部で脱脂中にクラックが発生し、そのクラックは金属ケイ素の含浸後の複合材料にメタルベインとして残った。これに対し、実施例１〜３のいずれにもメタルベインは発生しなかった。

このように実施例１〜３では、比較例１に比べ炭化ホウ素の充填率を高くでき、その結果高ヤング率かつ高硬度の複合材料を得ることができた。また、実施例１〜３の硬度に関しては、炭化ケイ素セラミック焼結体よりも高く、炭化ホウ素セラミック焼結体に近い値を得ることができた。また、実施例１〜３の曲げ強度も、比較例１のものよりも著しく向上し、セラミックに近いレベルとなった。

Claims (3)

1. 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であって、
   炭化ホウ素の強化材は、ネットワーク構造を有し、充填率８０％以上であることを特徴とする複合材料。
2. 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、
   炭化ホウ素の粒体を加圧しつつ加熱し、ネットワーク構造を有し、充填率８０％以上の多孔体の炭化ホウ素のプリフォームを作製する工程と、
   金属ケイ素を含む溶融材料を、炭化ホウ素の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。
3. 前記炭化ホウ素の粒体の加熱は、放電プラズマ焼結法で行なうことを特徴とする請求項２記載の複合材料の製造方法。