JP2019172503A - SiC繊維強化SiC複合材料の製造方法 - Google Patents
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SiC繊維からなる骨材の間にSiCからなるマトリックスが充填されたSiC繊維強化SiC複合材料は、様々な製造方法がある。
なお、50〜80重量%は23.5〜55.6vol%に相当する。
以下、本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法について詳述する。
本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法は、SiC繊維からなる骨材に、水とSiC粒子とからなるスラリーを含浸し、乾燥する第1含浸工程と、上記第1含浸工程の後に、SiC前駆体と有機溶媒とからなるSiC前駆体溶液を含浸し、乾燥、焼成する第2含浸工程と、を有することを特徴とする。
(1)第1含浸工程
本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法における第1含浸工程では、SiC繊維からなる骨材に、水とSiC粒子とからなるスラリーを含浸し、乾燥する。
上面側部材11は黒鉛からなる平板であり、積層布状体10と接する側の第1主面11aと、第1主面11aと反対側の第2主面11bとを有している。上面側部材11は、第1主面11aから第2主面11bまで貫通する複数個の貫通孔13を有している。
下面側部材12も黒鉛製の平板であり、積層布状体10と接する側の第1主面12aと、第1主面12aと反対側の第2主面12bとを有している。下面側部材12は、第1主面12aから第2主面12bまで貫通する複数個の貫通孔14を有している。
当然ながら、特に上記のような準備をしなくても、SiC繊維からなる骨材が所定の形状を有する場合には、そのまま骨材として使用することができる。
上記スラリーにおけるSiC粒子の含有割合は、50〜80重量%であることが望ましい。
水とSiC粒子とからなるスラリーを含浸し、乾燥する第1含浸工程では、SiC粒子をSiC繊維の間に充填することが主な目的であり、SiC粒子が充填された状態でSiC繊維の間にSiC粒子を固定することは難しい。このため、SiC繊維の間に充填されたSiC粒子の固定は不充分であり、SiC繊維の間から脱落しやすい。従って、2回以上、繰り返し含浸工程を繰り返すと、一旦充填されたSiC粒子の流出につながってしまう。本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法によれば、スラリーの含浸回数は、1回であるので、効率よくSiC繊維の間にSiC粒子を充填することができる。
SiC粒子の平均粒子径が上記範囲内であると、少ない量の水で粘度の低いスラリーを得ることができ、効率よくSiC粒子をSiC繊維の間に充填することができる。小さな空隙であっても、SiC粒子がSiC繊維の間に充填されやすい。
上記真空加圧含浸法では、まず、水とSiC粒子とからなるスラリーが投入された容器中のスラリーにSiC繊維からなる骨材を浸漬する。続いて、骨材が浸漬された容器を圧力容器に搬入し、一旦真空状態にし、SiC繊維束等の内部に存在する気体を排除した後、圧力を印加してSiC繊維の間やその表面にSiC粒子を充填する。
本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法における第2含浸工程では、上記第1含浸工程の後に、SiC前駆体と有機溶媒とからなるSiC前駆体溶液を含浸し、乾燥、焼成する。
上記第2含浸工程では、SiC前駆体溶液の濃度が上記範囲であると、SiC前駆体溶液が充分に高いSiC転化の収率を有するので、SiC粒子同士やSiC繊維とSiC粒子とを強固に結合することができる。また、粘度を低くすることができるので充填されたSiC粒子同士の間に形成された隙間やSiC繊維とSiC粒子との隙間にまで浸透させることができる。
第2含浸工程は、SiC粒子をSiC繊維からなる骨材の内部や表面に固定化することが重要な役割であり、SiC粒子同士の間に形成された隙間やSiC繊維とSiC粒子との隙間にまでSiC前駆体溶液を浸透させることが可能な条件で含浸することが好ましい。このため、複数回に分けて少しずつ含浸させることにより、SiC粒子同士の間に形成された隙間やSiC繊維とSiC粒子との隙間にまでSiC前駆体溶液を浸透させることができ、その結果、SiC繊維の間に充填されたSiC粒子との強固な結合を形成するとともに、SiC繊維にSiC粒子をしっかりと固定することができる。
その後、SiC粒子同士の間に形成された隙間やSiC繊維とSiC粒子との隙間にSiC前駆体を浸透させた骨材を、例えば70〜150℃、0.1〜15時間乾燥させ、溶媒を除去する。
本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記第2含浸工程の後に、CVI法でSiCを沈積するCVI工程をさらに有することが望ましい。
CVI法で得られるSiCは、前駆体を焼成することにより得られるSiCより緻密であるので、上記第2含浸工程の後に、CVI法でSiCを沈積するCVI工程をさらに有すると、SiC繊維強化SiC複合材料の表面がCVI法で形成されたSiCで覆われ、強固で耐食性のあるSiC繊維強化SiC複合材料を得ることができる。また、本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、SiC粒子同士の間に形成された隙間やSiC繊維とSiC粒子との隙間にSiC前駆体を含浸するPIP法で予めSiCを含浸させており、CVI法で原料ガスが浸透しにくい内部まで空隙を充填できるので、強固なSiC繊維強化SiC複合材料を得ることができる。
以下に、本発明をより具体的に説明する具体例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
SiC繊維を用いた平織りのクロスを準備した。SiC繊維からなるクロスは、宇部興産株式会社製チラノSAを使用した。SiC繊維の太さは、10μmで、繊維束のフィラメント数は800本であった。クロスの状態でCVD炉に搬入し、熱分解炭素及びCVD−SiCをSiC繊維の表面にコーティングした。SiC繊維の表面に形成された熱分解炭素層は、後工程で形成されるSiCからなるマトリックスと、SiC繊維とが一体化することを防止する役割を果たす。得られた熱分解炭素層の厚さは 420nmであった。
具体的には、平織りのクロスを7枚積層し、図1(a)及び(b)に示した固定治具を用い、上面側部材及び下面側部材の間に積層されたクロスを把持した後、CVD炉に入れ、CVI法により積層された布状体の間に熱分解炭素層、CVD−SiC層を順に形成し、複数枚の布状体を接着し、骨材とした。熱分解炭素層は、骨材とマトリックスとの一体化を防止するための界面層として形成し、CVD−SiC層は、形状保持を目的として形成した。
上記の方法により準備された骨材にSiC粒子と水とからなるスラリーを含浸した。スラリーは、水25.1重量%と、SiC粒子72重量%と、分散剤2.9重量%(SiC粒子100重量部に対して4重量部)で構成され、25℃における粘度は0.75Pa・sであった。SiC粒子は、平均粒子径が0.35μmのSiCであった。
含浸は、クロスを圧力容器に入れ、絶対圧力が20kPa以下になるまで一旦真空引きした後、窒素ガスで加圧した。加圧の圧力は0.9MPaであった。
次に、スラリーを含浸したクロスを乾燥機に入れ、80℃で2時間乾燥させた。
第2含浸工程では、上記第1浸漬工程でスラリーを用いてSiC粒子を含浸した骨材を容器中のSiC前駆体溶液に浸漬し、骨材が入れられた容器を圧力容器に搬入し、絶対圧力が20kPa以下になるまで真空引きした後、大気圧まで加圧することにより行った。SiC前駆体はポリカルボシランを用い、溶媒にはキシレンを用いた。SiC前駆体溶液におけるSiC前駆体であるカルボシランの濃度は、45重量%であった。
比較例と条件を揃えるため、初回におけるSiC前駆体溶液の温度を100℃に設定して行った。初回の含浸を行った後、110℃で15時間乾燥して溶媒を除去し、その後、Ar雰囲気下で1250℃まで温度を上昇して焼成し、1hr保持し、ポリカルボシランをSiC化させた。
上記した一連の第2含浸工程を繰り返し4回行った。但し、2回目以降は含浸の温度を25℃で行った。このようにして、本発明のSiC繊維強化SiC複合材料を得た。
骨材として用いたSiC繊維の表面の熱分解炭素に代えてBNをコーティングしたこと以外は、実施例1と同様にSiC繊維強化SiC複合材料を作製した。
なお、SiC繊維の表面のBN層の厚さは 40nmであった。
比較例1は、実施例1と比較して、第1含浸工程を行わず、第2含浸工程のみを行った。そして、第2含浸工程の条件を実施例1とは変え、SiC繊維強化SiC複合材料を得た。
この工程では、実施例1と同様に前処理した骨材を、容器中のSiC前駆体とSiC粒子を有する溶液に浸漬し、骨材が入れられた容器を圧力容器に搬入し、絶対圧力が20kPa以下になるまで真空引きした後、加圧することにより行った。加圧時の圧力は、1回目が900kPa、2〜6回が大気圧であった。
初回はSiC粒子の含有割合が高く、それ以降は含有割合の低いSiCスラリーを含浸した。具体的には、初回はSiC粒子60重量%、ポリカルボシラン18重量%、キシレン32重量%、2〜6回目はSiC粒子25重量%、ポリカルボシラン34重量%、キシレン41重量%のスラリーを使用した。
骨材として用いたSiC繊維の表面の熱分解炭素に代えてBNをコーティングしたこと以外は、比較例1と同様にしてSiC繊維強化SiC複合材料を作製した。
なお、SiC繊維の表面のBN層の厚さは40nmであった。
かさ密度は、直方体に切り出されたSiC繊維強化SiC複合材料の重量と寸法を測定することにより算出した。
空隙率は、断面積全体のうち、マトリックスと骨材が存在しない領域の面積比を画像処理によって算出した。
かさ密度の算出結果及び空隙率の算出結果を下記の表2に示す。
また、実施例1及び実施例2では、分散剤を添加した水を溶媒として使用したので第1含浸工程において低粘度で多くのSiC粒子を積層クロス内に含有させることができ、効率よく含浸することができた。
図2(a)〜図5(a)が断面写真であり、図2(b)〜図5(b)は、マトリックスの拡大SEM写真である。
なお、図2(a)〜図5(a)の各断面写真において、空隙部分は画像処理によって白色になるよう処理してある。
10 積層布状体
11 上面側部材
11a 上面側部材の第1主面
11b 上面側部材の第2主面
12 下面側部材
12a 下面側部材の第1主面
12b 下面側部材の第2主面
13,14 貫通孔
Claims (8)
- SiC繊維からなる骨材に、水とSiC粒子とからなるスラリーを含浸し、乾燥する第1含浸工程と、
前記第1含浸工程の後に、SiC前駆体と有機溶媒とからなるSiC前駆体溶液を含浸し、乾燥、焼成する第2含浸工程と、
を有することを特徴とするSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。 - 前記スラリーにおけるSiC粒子の含有割合は、50〜80重量%である請求項1に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。
- 前記第1含浸工程における前記スラリーの含浸回数は、1回である請求項1又は2に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。
- 前記SiC粒子の平均粒子径は、0.1〜10μmである請求項1〜3のいずれか一項に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。
- 前記スラリーは、分散剤をSiC粒子100重量部に対して2〜5重量部含む請求項1〜4のいずれか一項に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。
- 前記SiC前駆体溶液におけるSiC前駆体の濃度は、30〜60重量%である請求項1〜5のいずれか一項に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。
- 前記第2含浸工程における含浸回数は、2〜6回である請求項1〜6のいずれか一項に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。
- 前記第2含浸工程の後に、CVI法でSiCを沈積するCVI工程をさらに有する請求項1〜7のいずれか一項に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。
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