JP2021179041A - Silicon carbide fiber and manufacturing method thereof - Google Patents
Silicon carbide fiber and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP2021179041A JP2021179041A JP2020084781A JP2020084781A JP2021179041A JP 2021179041 A JP2021179041 A JP 2021179041A JP 2020084781 A JP2020084781 A JP 2020084781A JP 2020084781 A JP2020084781 A JP 2020084781A JP 2021179041 A JP2021179041 A JP 2021179041A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- silicon carbide
- fiber
- carbide fiber
- ave
- crystal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 242
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 239
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 203
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 65
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 33
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 claims abstract description 29
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims abstract description 10
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 14
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims description 8
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 4
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 abstract description 21
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 31
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 18
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 description 17
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 239000011153 ceramic matrix composite Substances 0.000 description 4
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 239000002759 woven fabric Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 2
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 2
- 238000007380 fibre production Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- INZDTEICWPZYJM-UHFFFAOYSA-N 1-(chloromethyl)-4-[4-(chloromethyl)phenyl]benzene Chemical compound C1=CC(CCl)=CC=C1C1=CC=C(CCl)C=C1 INZDTEICWPZYJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QIJNJJZPYXGIQM-UHFFFAOYSA-N 1lambda4,2lambda4-dimolybdacyclopropa-1,2,3-triene Chemical compound [Mo]=C=[Mo] QIJNJJZPYXGIQM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 229910039444 MoC Inorganic materials 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-BJUDXGSMSA-N Nitrogen-13 Chemical compound [13N] QJGQUHMNIGDVPM-BJUDXGSMSA-N 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003902 SiCl 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011184 SiC–SiC matrix composite Substances 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910026551 ZrC Inorganic materials 0.000 description 1
- OTCHGXYCWNXDOA-UHFFFAOYSA-N [C].[Zr] Chemical compound [C].[Zr] OTCHGXYCWNXDOA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021431 alpha silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N chromium carbide Chemical compound [Cr]#C[Cr]C#[Cr] UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000009990 desizing Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- WHJFNYXPKGDKBB-UHFFFAOYSA-N hafnium;methane Chemical compound C.[Hf] WHJFNYXPKGDKBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000007561 laser diffraction method Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UNASZPQZIFZUSI-UHFFFAOYSA-N methylidyneniobium Chemical compound [Nb]#C UNASZPQZIFZUSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N methylidynetantalum Chemical compound [Ta]#C NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 silane compound Chemical class 0.000 description 1
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 229910003468 tantalcarbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 229910003470 tongbaite Inorganic materials 0.000 description 1
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Inorganic Fibers (AREA)
Abstract
Description
本発明は、耐クリープ性に優れる炭化珪素繊維及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon carbide fiber having excellent creep resistance and a method for producing the same.
従来、セラミック繊維又は炭素繊維からなる補強材を含有し、セラミックスからなるマトリックスにより密度が高められたセラミックマトリックス複合材料(CMC)は,耐熱金属材料と比べて軽量であり、モノリシックセラミック材料と比べて破壊エネルギーが大きいことが知られている。そして、補強材として、軽量且つ高強度であり、耐熱性に優れる炭化珪素繊維を利用した繊維強化SiC/SiC複合材料が、航空機用ジェットエンジンにおける燃焼器をはじめとする航空宇宙エンジン用構造部材、発電用ガスタービンにおける高温部品、その他、各種プラントにおける高温部品等に適用されている。このような炭化珪素繊維としては、以下の技術が知られている。 Conventionally, a ceramic matrix composite material (CMC), which contains a reinforcing material made of ceramic fiber or carbon fiber and whose density is increased by a matrix made of ceramic, is lighter than a heat-resistant metal material and is lighter than a monolithic ceramic material. It is known that the destructive energy is large. As a reinforcing material, a fiber-reinforced SiC / SiC composite material using silicon carbide fiber, which is lightweight, has high strength, and has excellent heat resistance, is used as a structural member for an aerospace engine such as a combustor in an aircraft jet engine. It is applied to high-temperature parts in gas turbines for power generation and other high-temperature parts in various plants. The following techniques are known as such silicon carbide fibers.
特許文献1には、炭化珪素が繊維の90重量%を超える部分を構成し、且つ繊維の横断面の前面にわたって実質的に均質である炭化珪素繊維が開示されている。
また、特許文献2には、密度が2.7〜3.2g/cm3であり、Si:50〜70重量%、C:28〜45重量%、Al:0.05〜3.8重量%、O:0.05〜1.5重量%、及びB:0.05〜0.5重量%からなり、SiCの焼結構造を有する結晶性炭化ケイ素系繊維であって、繊維断面における余剰Cの面積割合で示す余剰C占有率が0.05%〜10%である結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維が開示されている。
Further, in
J.J.Shaらの文献(Journal of Nuclear Materials 329−333(2004) 592−596参照)において、「炭化珪素繊維を、例えば、1800℃といった高温の均一環境下に曝すと、例えば、図13に示すように、炭化珪素結晶が均一に粒成長し、結晶粒径に比例して内在する気孔(欠陥)も成長した炭化珪素繊維7が得られる。その結果、繊維表面近傍の粗大欠陥が破壊起点として作用するために、繊維強度(引張強さ)が大幅に低下する。その一方で、結晶粒子の粗大化は粒界滑りによる高温変形の抑制に有効であり、繊維強度(引張強さ)よりも小さい応力域において耐クリープ性が向上する。」旨の内容が記載されている。これより、繊維強度(引張強さ)の低下を極力抑制し耐クリープ性を向上させるには、繊維表面近傍の炭化珪素結晶を小さいままにして繊維内部の炭化珪素結晶を大きくするといった、従来と異なる特異組織の炭化珪素繊維が有効と考えられる。
本発明の目的は、耐クリープ性に優れた炭化珪素繊維及びその製造方法並びに炭化珪素繊維を含む複合材料を提供することである。
J. J. In the literature of Sha et al. (See Journal of Natural Materials 329-333 (2004) 592-596), "when the silicon carbide fiber is exposed to a high temperature uniform environment such as, for example, 1800 ° C., as shown in FIG. 13, for example. , Silicon carbide crystals 7 are obtained in which the silicon carbide crystals are uniformly grown and the pores (defects) inherent in the crystals are also grown in proportion to the crystal grain size. As a result, coarse defects near the fiber surface act as a fracture starting point. Therefore, the fiber strength (tensile strength) is significantly reduced. On the other hand, the coarsening of the crystal particles is effective in suppressing high-temperature deformation due to grain boundary slip, and the stress is smaller than the fiber strength (tensile strength). The creep resistance is improved in the region. " From this, in order to suppress the decrease in fiber strength (tensile strength) as much as possible and improve creep resistance, the silicon carbide crystal near the fiber surface is kept small and the silicon carbide crystal inside the fiber is enlarged. Silicon carbide fibers with different specific structures are considered to be effective.
An object of the present invention is to provide a silicon carbide fiber having excellent creep resistance, a method for producing the same, and a composite material containing the silicon carbide fiber.
本発明は、以下に示される。
1.炭化珪素を含む炭化珪素繊維の断面を見た場合に、該炭化珪素繊維の表面から中心に向かって0.5μmまでの領域(以下、「表層領域」ともいう)における炭化珪素結晶の粒径の平均値d1ave、及び、該炭化珪素繊維の中心から半径0.4μmの円領域(以下、「中心領域」ともいう)における炭化珪素結晶の粒径の平均値d2aveの間で(d1ave/d2ave)<0.90の関係を有することを特徴とする炭化珪素繊維。
2.上記粒径の平均値d1aveが35nm以下である上記項1に記載の炭化珪素繊維。
3.上記炭化珪素繊維の表面は、炭化珪素における一部の炭素原子が窒素原子に置換された窒素原子含有炭化珪素を含む上記項1又は2に記載の炭化珪素繊維。
4.上記窒素原子の含有割合が0.1〜5原子%である上記項3に記載の炭化珪素繊維。
5.上記炭化珪素がβ−SiCであり、該β−SiCの含有割合が、上記炭化珪素繊維の全体に対して50体積%以上である上記項1乃至4のいずれか一項に記載の炭化珪素繊維。
6.炭化珪素における一部の炭素原子が窒素原子に置換された窒素原子含有炭化珪素を表面に備えることを特徴とする炭化珪素繊維。
7.上記項1乃至6のいずれか一項に記載の炭化珪素繊維を製造する方法であって、0℃以下とした窒素雰囲気下、炭化珪素を含む繊維にレーザーを照射する改質工程を備えることを特徴とする炭化珪素繊維の製造方法。
8.上記項1乃至6のいずれか一項に記載の炭化珪素繊維を含むことを特徴とする複合材料。
The present invention is shown below.
1. 1. When looking at the cross section of the silicon carbide fiber containing silicon carbide, the particle size of the silicon carbide crystal in the region from the surface to the center of the silicon carbide fiber up to 0.5 μm (hereinafter, also referred to as “surface layer region”). Between the average value d1 ave and the average value d2 ave of the particle size of the silicon carbide crystal in the circular region (hereinafter, also referred to as “central region”) having a radius of 0.4 μm from the center of the silicon carbide fiber (d1 ave /). A silicon carbide fiber having a relationship of d2 ave) <0.90.
2. 2.
3. 3.
4.
5.
6. A silicon carbide fiber comprising a nitrogen atom-containing silicon carbide in which a part of carbon atoms in silicon carbide is replaced with a nitrogen atom on the surface.
7. The method for producing a silicon carbide fiber according to any one of
8. A composite material comprising the silicon carbide fiber according to any one of
本発明の炭化珪素繊維によれば、表層領域における炭化珪素結晶の平均粒径d1aveが表層領域における炭化珪素結晶の平均粒径d2aveよりも小さいため、耐クリープ性に優れる。本発明の炭化珪素繊維を、炭化珪素セラミックスからなるマトリックスの中に分散させて炭化珪素繊維強化複合材料とした場合には、例えば、1400℃といった高い温度において、十分な強度及び耐クリープ性を得ることができる。このような高い温度において、炭化珪素繊維強化複合材料に含まれる炭化珪素繊維を構成する結晶の粒成長が抑制されるためである。
本発明の炭化珪素繊維の製造方法によれば、耐クリープ性に優れる炭化珪素繊維を効率よく製造することができる。
本発明の複合材料は、例えば、セラミックスからなるマトリックスの中に、上記本発明の炭化珪素繊維が分散されてなる炭化珪素繊維強化複合材料とすることができ、炭化珪素セラミックスからなるマトリックスの中に分散させて炭化珪素繊維強化複合材料とした場合には、例えば、1400℃といった高い温度における構造安定性、強度、耐クリープ性等において、耐久性に優れた物品の原料として好適である。
According to the silicon carbide fiber of the present invention, since the average particle size d1 ave of the silicon carbide crystal in the surface layer region is smaller than the average particle size d2 ave of the silicon carbide crystal in the surface layer region, the creep resistance is excellent. When the silicon carbide fiber of the present invention is dispersed in a matrix made of silicon carbide ceramics to obtain a silicon carbide fiber reinforced composite material, sufficient strength and creep resistance are obtained at a high temperature of, for example, 1400 ° C. be able to. This is because at such a high temperature, the grain growth of the crystals constituting the silicon carbide fiber contained in the silicon carbide fiber reinforced composite material is suppressed.
According to the method for producing a silicon carbide fiber of the present invention, a silicon carbide fiber having excellent creep resistance can be efficiently produced.
The composite material of the present invention can be, for example, a silicon carbide fiber reinforced composite material in which the silicon carbide fibers of the present invention are dispersed in a matrix made of ceramics, and is contained in a matrix made of silicon carbide ceramics. When dispersed to form a silicon carbide fiber reinforced composite material, it is suitable as a raw material for articles having excellent durability in terms of structural stability, strength, creep resistance and the like at high temperatures such as 1400 ° C.
図1、図3及び図13は、略円形の結晶を隣り合わせて描いたため、結晶どうしの間に空隙がある繊維が示されているが、実際の繊維は、結晶どうしが密に配置した、内部に空隙のない繊維である。 In FIGS. 1, 3 and 13, since substantially circular crystals are drawn side by side, fibers having voids between the crystals are shown, but in the actual fibers, the crystals are densely arranged inside. It is a fiber with no voids.
本発明の炭化珪素繊維は、一般に、円形(略円形を含む)の断面を有する、直径(繊維径)が10〜15μmの繊維であり、例えば、図1に示す断面構造を有する。本発明においては、繊維の表面から中心に向かって0.5μmまでの領域(表層領域)における炭化珪素結晶の粒径d1の平均値d1ave、及び、繊維の中心から半径0.4μmの円領域(中心領域)における炭化珪素結晶の粒径d2の平均値d2aveの間で下記式(1)を満たす。尚、平均値d1ave及び平均値d2aveの測定方法は、〔実施例〕に示される。
(d1ave/d2ave)<0.90 (1)
The silicon carbide fiber of the present invention is generally a fiber having a circular (including substantially circular) cross section and a diameter (fiber diameter) of 10 to 15 μm, and has, for example, the cross-sectional structure shown in FIG. In the present invention, the average value d1 ave of the particle size d1 of the silicon carbide crystal in the region (surface layer region) from the surface to the center of the fiber to 0.5 μm, and the circular region having a radius of 0.4 μm from the center of the fiber. The following formula (1) is satisfied between the average value d2 ave of the particle size d2 of the silicon carbide crystal in (central region). The measuring method of the average value d1 ave and the average value d2 ave is shown in [Example].
(D1 ave / d2 ave ) <0.90 (1)
表層領域における炭化珪素結晶の粒径d1は、好ましくは1〜100nm、より好ましくは2〜50nmである。また、平均粒径d1aveは、好ましくは35nm以下、より好ましくは20〜30nmである。
中心領域における炭化珪素結晶の粒径d2は、d2>d1であり、好ましくは2〜200nm、より好ましくは5〜100nmである。また、平均粒径d2aveは、好ましくは25nm以上、より好ましくは25〜40nmである。
上記のように、本発明の炭化珪素繊維は、表層領域における炭化珪素結晶が、表層領域における炭化珪素結晶よりも小さい構造を有する。本発明の炭化珪素繊維は、炭化珪素結晶のサイズが全体としてほぼ均一であり、炭化珪素結晶の粒径が上記粒径d1と同等である炭化珪素繊維に比べて、引張強さがやや劣る傾向にあるが、より優れた耐クリープ性を得ることができる。このような性能を発揮するd1ave/d2aveは、好ましくは0.5〜0.9、より好ましくは0.7〜0.9である。
The particle size d1 of the silicon carbide crystal in the surface layer region is preferably 1 to 100 nm, more preferably 2 to 50 nm. The average particle size d1 ave is preferably 35 nm or less, more preferably 20 to 30 nm.
The particle size d2 of the silicon carbide crystal in the central region is d2> d1, preferably 2 to 200 nm, and more preferably 5 to 100 nm. The average particle size d2 ave is preferably 25 nm or more, more preferably 25 to 40 nm.
As described above, the silicon carbide fiber of the present invention has a structure in which the silicon carbide crystal in the surface layer region is smaller than the silicon carbide crystal in the surface layer region. The silicon carbide fiber of the present invention tends to be slightly inferior in tensile strength as compared with the silicon carbide fiber in which the size of the silicon carbide crystal is substantially uniform as a whole and the particle size of the silicon carbide crystal is the same as the particle size d1. However, better creep resistance can be obtained. The d1 ave / d2 ave exhibiting such performance is preferably 0.5 to 0.9, and more preferably 0.7 to 0.9.
本発明の炭化珪素繊維の構成材料は、その全体に対して少なくとも50体積%が炭化珪素であれば、特に限定されない。即ち、本発明の炭化珪素繊維は、炭化珪素のみからなるものであってよいし、炭化珪素と、他の成分とからなるものであってもよい。他の成分としては、炭素、ホウ素、Al、Ti、Zr等が挙げられる。
上記炭化珪素としては、α−SiC及びβ−SiCが知られているが、繊維のフレキシビリティ発現の観点からβ−SiCが特に好ましい。本発明の炭化珪素繊維がβ−SiCを主とする場合、その含有割合の下限は、好ましくは50体積%、より好ましくは80体積%である。
The constituent material of the silicon carbide fiber of the present invention is not particularly limited as long as it is at least 50% by volume of silicon carbide with respect to the whole. That is, the silicon carbide fiber of the present invention may be composed of only silicon carbide, or may be composed of silicon carbide and other components. Examples of other components include carbon, boron, Al, Ti, Zr and the like.
As the silicon carbide, α-SiC and β-SiC are known, but β-SiC is particularly preferable from the viewpoint of exhibiting the flexibility of the fiber. When the silicon carbide fiber of the present invention is mainly composed of β-SiC, the lower limit of the content ratio is preferably 50% by volume, more preferably 80% by volume.
本発明の炭化珪素繊維は、その表面の少なくとも一部に、炭化珪素における一部の炭素原子が窒素原子に置換された窒素原子含有炭化珪素を含むことが好ましい。即ち、表層領域は、窒素原子含有炭化珪素を含むことが好ましい。
本発明の炭化珪素繊維が窒素原子含有炭化珪素を含む場合、この窒素原子含有炭化珪素に由来する窒素原子の含有割合は、繊維全体に対して、好ましくは0.1原子%以上、より好ましくは0.1〜5原子%である。
It is preferable that at least a part of the surface of the silicon carbide fiber of the present invention contains nitrogen atom-containing silicon carbide in which some carbon atoms in silicon carbide are replaced with nitrogen atoms. That is, the surface layer region preferably contains silicon carbide containing a nitrogen atom.
When the silicon carbide fiber of the present invention contains a nitrogen atom-containing silicon carbide, the content ratio of the nitrogen atom derived from the nitrogen atom-containing silicon carbide is preferably 0.1 atom% or more, more preferably 0.1 atom% or more, based on the whole fiber. It is 0.1 to 5 atomic%.
他の本発明の炭化珪素繊維1は、炭化珪素における一部の炭素原子が窒素原子に置換された窒素原子含有炭化珪素3を表面に備える繊維である(図1参照)。
この炭化珪素繊維において、その断面を見た場合に、繊維の表面から中心に向かって0.5μmまでの領域における炭化珪素結晶の粒径の平均値d1ave、及び、繊維の中心から半径0.4μmの円領域における炭化珪素結晶の粒径の平均値d2aveの間で(d1ave/d2ave)<0.90の関係を有することが好ましい。
The other
When the cross section of the silicon carbide fiber is viewed, the average value d1 ave of the particle size of the silicon carbide crystal in the region from the surface of the fiber to 0.5 μm toward the center and the radius from the center of the fiber are 0. It is preferable to have a relationship of (d1 ave / d2 ave ) <0.90 between the average value d2 ave of the particle size of the silicon carbide crystal in the circular region of 4 μm.
窒素原子含有炭化珪素を表面に含む炭化珪素繊維を用いて、セラミックマトリックス複合材料又はそれを含む部材を製造する場合には、例えば、1200℃〜1400℃の温度で処理されても、繊維表面の窒素原子の存在により、炭化珪素結晶の粒成長を抑制することができる。また、セラミックマトリックス複合材料を含む部材が、上記の高い温度条件で使用される場合にも、含まれる炭化珪素繊維における結晶の粒成長を抑制することができる。 When a ceramic matrix composite material or a member containing the ceramic matrix composite material is manufactured using a silicon carbide fiber having a surface containing silicon carbide containing a nitrogen atom, for example, even if it is treated at a temperature of 1200 ° C to 1400 ° C, the surface of the fiber can be treated. The presence of nitrogen atoms can suppress the grain growth of silicon carbide crystals. Further, even when the member containing the ceramic matrix composite material is used under the above-mentioned high temperature conditions, it is possible to suppress the grain growth of crystals in the contained silicon carbide fibers.
本発明において、上記式(1)を満たす炭化珪素繊維、又は、炭化珪素における一部の炭素原子が窒素原子に置換された窒素原子含有炭化珪素を表面に備える繊維を製造する方法は、0℃以下とした窒素雰囲気下、炭化珪素を含む繊維にレーザーを照射する改質工程を備えるものである。 In the present invention, the method for producing a silicon carbide fiber satisfying the above formula (1) or a fiber having a nitrogen atom-containing silicon carbide on which a part of carbon atoms in the silicon carbide is replaced with a nitrogen atom is 0 ° C. It is provided with a modification step of irradiating a fiber containing silicon carbide with a laser under the following nitrogen atmosphere.
本発明の製造方法において、レーザーを照射する物品は、炭化珪素を含む繊維であり、繊維一本であってよいし、繊維束であってもよい(以下、これらを「炭化珪素繊維原料」という)。上記繊維の構成材料は、その全体に対して少なくとも50体積%が炭化珪素であることが好ましい。即ち、上記繊維は、炭化珪素のみからなるものであってよいし、炭化珪素と、他の成分とからなるものであってもよい。特に好ましい炭化珪素は、β−SiCである。尚、上記繊維は、炭化珪素結晶を主とするコア部と、このコア部の表面の一部に、更に無機物が付着した被覆部とを有する繊維であってもよい。この無機物は、特に限定されず、例えば、窒化ホウ素、炭素、希土類元素を含むシリケート等からなるものとすることができる。また、無機物の付着形態は、例えば、膜、板状、粒状等とすることができる。 In the production method of the present invention, the article to be irradiated with the laser is a fiber containing silicon carbide, which may be a single fiber or a fiber bundle (hereinafter, these are referred to as "silicon carbide fiber raw materials"). ). The constituent material of the fiber is preferably silicon carbide in an amount of at least 50% by volume based on the whole. That is, the fiber may be composed of only silicon carbide, or may be composed of silicon carbide and other components. A particularly preferred silicon carbide is β-SiC. The fiber may be a fiber having a core portion mainly composed of silicon carbide crystals and a coating portion to which an inorganic substance is further attached to a part of the surface of the core portion. This inorganic substance is not particularly limited, and may consist of, for example, boron nitride, carbon, a silicate containing a rare earth element, or the like. Further, the adhered form of the inorganic substance can be, for example, a film, a plate, a granular substance, or the like.
本発明に係る改質工程では、0℃以下とした窒素雰囲気下、炭化珪素繊維原料にレーザーを照射する。用いるレーザーは、特に限定されず、窒素を吸収しない波長、例えば、0.65〜2μmの波長のレーザーを用いることが好ましい。本発明においては、ファイバーレーザー、Nd:YAGレーザー、Nd:YVOレーザー、Nd:YLFレーザー、チタンサファイアレーザー等を用いることができる。
レーザーの出力は、好ましくは1000〜3000W/cm2、より好ましくは1500〜2500W/cm2である。また、照射時間は、特に限定されない。後述するように、レーザーを、スキャンさせながら炭化珪素繊維原料に照射することができるが、この場合、掃引速度は、好ましくは0.5〜5mm/s、より好ましくは1.0〜3mm/sである。
In the reforming step according to the present invention, the silicon carbide fiber raw material is irradiated with a laser under a nitrogen atmosphere at 0 ° C. or lower. The laser used is not particularly limited, and it is preferable to use a laser having a wavelength that does not absorb nitrogen, for example, a laser having a wavelength of 0.65 to 2 μm. In the present invention, a fiber laser, an Nd: YAG laser, an Nd: YVO laser, an Nd: YLF laser, a titanium sapphire laser and the like can be used.
The output of the laser is preferably 1000 to 3000 W / cm 2 , more preferably 1500 to 2500 W / cm 2 . Further, the irradiation time is not particularly limited. As will be described later, the silicon carbide fiber raw material can be irradiated with a laser while scanning. In this case, the sweep rate is preferably 0.5 to 5 mm / s, more preferably 1.0 to 3 mm / s. Is.
また、上記改質工程における窒素雰囲気は、酸素分圧が極めて低い気体又は液体により形成されるものであって、窒素は、気体又は液体である。本発明においては、レーザー照射の際の温度の上限を0℃、好ましくは−20℃、より好ましくは−180℃とする。本発明においては、液体窒素が好ましく、炭化珪素繊維原料を液体窒素の中に浸漬した状態でレーザーを照射することが特に好ましい。 Further, the nitrogen atmosphere in the reforming step is formed by a gas or liquid having an extremely low oxygen partial pressure, and the nitrogen is a gas or a liquid. In the present invention, the upper limit of the temperature at the time of laser irradiation is 0 ° C., preferably −20 ° C., more preferably −180 ° C. In the present invention, liquid nitrogen is preferable, and it is particularly preferable to irradiate the laser with the silicon carbide fiber raw material immersed in the liquid nitrogen.
図2は、本発明の製造方法で用いる装置の典型例を示す説明図である。
図2は、炭化珪素繊維原料(繊維5又は繊維束11)を液体窒素12の中に浸漬した状態でレーザー18を炭化珪素繊維原料に照射する製造装置10の概略図である。レーザー18の照射方法は、炭化珪素繊維原料のサイズ等により、適宜、選択されるが、例えば、炭化珪素繊維原料の大部分を改質する場合には、炭化珪素繊維原料を固定した状態でレーザーをスキャンさせながら若しくは光拡散レンズを介して光路を変化させながら照射する方法、又は、炭化珪素繊維原料を移動させながら光路を固定したレーザーを照射する方法を適用することが好ましい。これらの方法においては、炭化珪素繊維原料を径方向に回転させながらレーザーを照射してもよい。図2の製造装置10は、炭化珪素繊維原料を固定した状態で、ファイバーレーザー14から発振されたレーザー18を、ガルバノメーター15を介してスキャンさせながら照射する構成としているが、本発明は、この装置に限定されない。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a typical example of the apparatus used in the manufacturing method of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of a
図示しない他の製造装置として、炭化珪素繊維原料を密閉系で載置するチャンバーと、該チャンバー内において炭化珪素繊維原料を0℃以下に冷却する冷却手段と、該チャンバーに窒素ガスを供給する窒素ガス供給手段と、レーザー照射手段とを備える装置を用いることもできる。 As other manufacturing equipment (not shown), a chamber in which the silicon carbide fiber raw material is placed in a closed system, a cooling means for cooling the silicon carbide fiber raw material to 0 ° C. or lower in the chamber, and nitrogen for supplying nitrogen gas to the chamber. A device including a gas supply means and a laser irradiation means can also be used.
上記改質工程において、炭化珪素繊維原料が0℃以下の窒素雰囲気下に曝されているため、上記の好ましい波長、即ち、0.65〜2.0μmの波長のレーザーが炭化珪素繊維原料に照射されると、レーザーが窒素中を透過し炭化珪素繊維原料の内部を、瞬時に1500℃以上(推定)に加熱する。一方、炭化珪素繊維原料の表面は、0℃以下の窒素雰囲気下に曝されているため表面近傍の温度上昇が抑えられ、その結果として、炭化珪素繊維原料の表面近傍の粒成長が内部に比べて抑制される(図3参照)。 In the reforming step, since the silicon carbide fiber raw material is exposed to a nitrogen atmosphere of 0 ° C. or lower, the above-mentioned preferable wavelength, that is, a laser having a wavelength of 0.65 to 2.0 μm irradiates the silicon carbide fiber raw material. Then, the laser permeates through the nitrogen and instantly heats the inside of the silicon carbide fiber raw material to 1500 ° C. or higher (estimated). On the other hand, since the surface of the silicon carbide fiber raw material is exposed to a nitrogen atmosphere of 0 ° C. or lower, the temperature rise near the surface is suppressed, and as a result, the grain growth near the surface of the silicon carbide fiber raw material is higher than that inside. Is suppressed (see FIG. 3).
上記改質工程において、0℃以下とした窒素雰囲気下、炭化珪素繊維原料にレーザーを照射すると、炭化珪素における一部の炭素原子が窒素原子に置換された窒素原子含有炭化珪素を表面に備える繊維を製造することができる。尚、炭化珪素繊維原料として、炭化珪素結晶を主とするコア部と、このコア部の表面の一部に、窒化ホウ素等の無機物が付着した被覆部とを有する繊維を改質工程に供した場合には、被覆部の存在しない露出したコア部の表面において、炭化珪素における一部の炭素原子が窒素原子に置換された窒素原子含有炭化珪素を備える繊維を得ることができる。この場合、レーザー照射によって、被覆部が変性又は変質されることは少ないため、得られた繊維は、本発明の炭化珪素繊維を構成する部分と、その表面の一部における被覆部とを備える本発明の複合材料となり得る。 In the above-mentioned reforming step, when the silicon carbide fiber raw material is irradiated with a laser under a nitrogen atmosphere of 0 ° C. or lower, a fiber having a nitrogen atom-containing silicon carbide in which some carbon atoms in the silicon carbide are replaced with nitrogen atoms is provided on the surface. Can be manufactured. As the silicon carbide fiber raw material, a fiber having a core portion mainly composed of silicon carbide crystals and a coating portion having an inorganic substance such as boron nitride attached to a part of the surface of the core portion was subjected to a modification step. In some cases, it is possible to obtain a fiber having nitrogen atom-containing silicon carbide in which some carbon atoms in silicon carbide are replaced with nitrogen atoms on the surface of the exposed core portion in which the coating portion is not present. In this case, since the coating portion is rarely modified or altered by laser irradiation, the obtained fiber includes a portion constituting the silicon carbide fiber of the present invention and a coating portion on a part of the surface thereof. It can be a composite material of the invention.
本発明の複合材料は、上記本発明の炭化珪素繊維を含むものであり、好適な一例としては、セラミックス又は樹脂からなるマトリックスの中に炭化珪素繊維が分散しつつ含まれる複合材料である。マトリックスを構成する材料は、特に好ましくは、セラミックスであり、炭化珪素、アルミナ、炭化チタン、炭化バナジウム、炭化クロム、炭化スカンジウム、炭化ジルコニウム、炭化ニオブ、炭化モリブデン、炭化ハフニウム、炭化タンタル等とすることができる。尚、本発明の複合材料に含まれる炭化珪素繊維の形態は、特に限定されず、繊維どうしが接触状態にあるもの(織物等)、及び、繊維どうしが非接触状態にあるもののいずれでもよい。
上記セラミックスをマトリックスとする複合材料における、上記本発明の炭化珪素繊維の含有割合は、マトリックスを構成するセラミックス100質量部に対して、好ましくは20〜80質量部、より好ましくは30〜60質量部である。
The composite material of the present invention contains the above-mentioned silicon carbide fibers of the present invention, and a suitable example is a composite material in which the silicon carbide fibers are dispersed and contained in a matrix made of ceramics or a resin. The material constituting the matrix is particularly preferably ceramics, and may be silicon carbide, alumina, titanium carbide, vanadium carbide, chromium carbide, scandium carbide, zirconium carbide, niobium carbide, molybdenum carbide, hafnium carbide, tantalum carbide and the like. Can be done. The form of the silicon carbide fiber contained in the composite material of the present invention is not particularly limited, and may be either one in which the fibers are in contact with each other (woven fabric or the like) or one in which the fibers are in a non-contact state.
The content ratio of the silicon carbide fiber of the present invention in the composite material using the ceramic as a matrix is preferably 20 to 80 parts by mass, more preferably 30 to 60 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the ceramics constituting the matrix. Is.
上記セラミックスをマトリックスとする複合材料において、織物(平織、多重織、3次元織等)を用いて、所定形状の部材等とする場合、織物からなるプリフォームの繊維どうしの空隙に炭化珪素を充填形成する製造方法が適用されるが、具体例は以下に示される。
(1)SiCl4等のシラン化合物と、C3H8等の炭化水素を、炭化珪素を生成させる原料ガスとしてプリフォーム内に供給して、これら原料ガスの熱分解反応等によって炭化珪素マトリックスを形成する方法
(2)金属珪素粉末及び炭素粉末の混合物をプリフォーム中に含浸させた後、これらを反応させて炭化珪素マトリックスを形成する方法
(3)炭化珪素前駆体ポリマーをプリフォームに含浸させた後、焼成してセラミック化させて炭化珪素マトリックスを形成する方法
(4)炭化珪素粉末及び炭素粉末の混合物をプリフォームに含浸させた後、溶融した珪素を注入することでこの珪素と炭素粉末とを反応させて炭化珪素マトリックスを形成する方法
(5)炭化珪素粉末及び焼結助剤をプリフォームに含浸させて予備成形体を作成した後、加圧焼結させて炭化珪素マトリックスを形成する方法
In the composite material using the ceramics as a matrix, when a woven fabric (plain weave, multiple weave, three-dimensional weave, etc.) is used to form a member having a predetermined shape, silicon carbide is filled in the voids between the fibers of the preform made of the woven fabric. A manufacturing method for forming is applied, and specific examples are shown below.
(1) A silane compound such as SiCl 4 and a hydrocarbon such as C 3 H 8 are supplied into a preform as a raw material gas for producing silicon carbide, and a silicon carbide matrix is formed by a thermal decomposition reaction of these raw material gases. Method of forming (2) A method of impregnating a mixture of metallic silicon powder and carbon powder into a preform and then reacting them to form a silicon carbide matrix (3) Impregnating the preform with a silicon carbide precursor polymer. After that, a method of calcining and ceramicizing to form a silicon carbide matrix (4) After impregnating a preform with a mixture of silicon carbide powder and carbon powder, the silicon and carbon powder are injected by injecting molten silicon. (5) A method of impregnating a preform with silicon carbide powder and a sintering aid to prepare a preformed body, and then pressure-stituting to form a silicon carbide matrix. Method
本発明において、セラミックスをマトリックスとする複合材料として、例えば、本発明の炭化珪素繊維を、炭化珪素セラミックスからなるマトリックスの中に分散させて炭化珪素繊維強化複合材料とした場合には、1400℃程度の高い温度において、強度、靭性等の要求される、航空機用ジェットエンジンにおける燃焼器をはじめとする航空宇宙エンジン用構造部材、発電用ガスタービンにおける高温部品、その他、各種プラントにおける高温部品等の構造材料として好適である。従来、公知の炭化珪素繊維を、炭化珪素セラミックスからなるマトリックスの中に分散させて炭化珪素繊維強化複合材料とした場合には、上記の高い温度において、炭化珪素繊維を構成する結晶の粒成長が顕著であり、十分な強度及び耐クリープ性を得ることができなかったが、本発明の炭化珪素繊維を含む複合材料を用いると、上記の高い温度において、炭化珪素繊維を構成する結晶の粒成長が抑制され、且つ、構造安定性、強度及び耐クリープ性に優れた部材を得ることができる。 In the present invention, as a composite material using ceramics as a matrix, for example, when the silicon carbide fiber of the present invention is dispersed in a matrix made of silicon carbide ceramics to obtain a silicon carbide fiber reinforced composite material, the temperature is about 1400 ° C. Structures of aerospace engine structural members such as combustors in aircraft jet engines, high-temperature parts in power generation gas turbines, and other high-temperature parts in various plants, which are required to have strength and toughness at high temperatures. Suitable as a material. When conventionally known silicon carbide fibers are dispersed in a matrix made of silicon carbide ceramics to obtain a silicon carbide fiber reinforced composite material, grain growth of crystals constituting the silicon carbide fibers occurs at the above-mentioned high temperature. Although it was remarkable and sufficient strength and creep resistance could not be obtained, when the composite material containing the silicon carbide fiber of the present invention was used, the grain growth of the crystals constituting the silicon carbide fiber was carried out at the above-mentioned high temperature. It is possible to obtain a member having excellent structural stability, strength and creep resistance.
以下、実施例を挙げて、本発明の実施の形態を更に具体的に説明する。但し、本発明は、これらの実施例に何ら制約されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
1.炭化珪素繊維原料
実施例及び比較例で用いる炭化珪素繊維原料は、NGSアドバンストファイバー社製炭化ケイ素連続繊維「Hi−Nicalon TypeS」(商品名)を、80℃の蒸留水に30分間浸漬することによりデサイジングした繊維束である。この製品は、β−SiCからなる繊維500本からなる、長さが200mmの繊維束である。そして、繊維1本あたりの断面形状は円形であり、直径(繊維径)は10μmであるが、デサイジング後の繊維径もほぼ同じである。
1. 1. Silicon Carbide Fiber Raw Material The silicon carbide fiber raw material used in Examples and Comparative Examples is obtained by immersing silicon carbide continuous fiber "Hi-Nicalon TypeS" (trade name) manufactured by NGS Advanced Fiber Co., Ltd. in distilled water at 80 ° C. for 30 minutes. It is a dessized fiber bundle. This product is a fiber bundle having a length of 200 mm and consisting of 500 fibers made of β-SiC. The cross-sectional shape of each fiber is circular, and the diameter (fiber diameter) is 10 μm, but the fiber diameter after desizing is also substantially the same.
2.改質炭化珪素繊維の製造及び評価
上記の炭化珪素繊維原料を熱処理に供して、改質炭化珪素繊維を製造し、以下の評価を行った。
(1)改質炭化珪素繊維の断面における表層領域の炭化珪素結晶の粒径の平均値d1ave及び中心領域の炭化珪素結晶の粒径の平均値d2ave並びに(d1ave/d2ave)の算出
改質炭化珪素繊維の製造前後の断面を透過型電子顕微鏡により撮影し、表層領域及び中心領域に炭化珪素結晶を含む画像を得た。表層領域における結晶粒径測定対象は、繊維の表面から中心に向かって0.5μmまでの領域の炭化珪素結晶とし、中心領域における結晶粒径測定対象は、繊維の中心から半径0.4μmの円領域の炭化珪素結晶とした。観察される炭化珪素結晶それぞれに対して面積を算出し、炭化珪素結晶が円形であると仮定して面積値から直径に換算して、炭化珪素結晶1つの粒径を得た。各領域において100個以上の炭化珪素結晶の粒径から、粒径に対する面積率を示すグラフを作成し、平均値d1ave及びd2aveを算出し、これらの値から(d1ave/d2ave)を算出した。
(2)引張強さの測定
はじめに、測定用繊維1本ずつに対して、レーザー回折法により直径(df)を測定した。得られたdfから、繊維の断面積(Af)を算出した。
次に、図12に示すように、測定用繊維を中央が切り抜かれた台紙21の切り抜き部の中央に配置されるように上下を接着剤22で固定し、その後、両端部を切断し、引張強さ測定用の試験片20を作製した。この試験片20をインストロン社製「5940シングルコラム卓上型試験機」(商品名)にセットして、定変位速度1mm/分、標点間距離25mmの条件で引張破断させ、引張荷重の最大値(Ff)を得た。
上記のAfとFfとから、下記式(2)を用いて、引張強さ(σf)を算出した。
σf=Ff/Af (2)
2. 2. Production and Evaluation of Modified Silicon Carbide Fiber The above-mentioned raw material of silicon carbide fiber was subjected to heat treatment to produce modified silicon carbide fiber, and the following evaluation was performed.
(1) Calculation of the average value d1 ave of the particle size of the silicon carbide crystal in the surface layer region and the average value d2 ave and (d1 ave / d2 ave ) of the particle size of the silicon carbide crystal in the central region in the cross section of the modified silicon carbide fiber. Cross sections of the modified silicon carbide fiber before and after production were photographed with a transmission electron microscope to obtain images containing silicon carbide crystals in the surface layer region and the central region. The crystal grain size measurement target in the surface layer region is a silicon carbide crystal in the region from the surface of the fiber to 0.5 μm toward the center, and the crystal grain size measurement target in the central region is a circle with a radius of 0.4 μm from the center of the fiber. Silicon carbide crystals in the region were used. The area was calculated for each of the observed silicon carbide crystals, and the particle size of one silicon carbide crystal was obtained by converting the area value into the diameter assuming that the silicon carbide crystal was circular. From the particle size of 100 or more silicon carbide crystals in each region, a graph showing the area ratio to the particle size is created, the average values d1 ave and d2 ave are calculated, and (d1 ave / d2 ave ) is calculated from these values. Calculated.
The measurement beginning of (2) tensile strength, relative to each measuring fiber one, was measured diameter (d f) by a laser diffraction method. From the obtained d f , the cross-sectional area (A f ) of the fiber was calculated.
Next, as shown in FIG. 12, the upper and lower parts of the measurement fiber are fixed with an adhesive 22 so as to be arranged in the center of the cutout portion of the
From the above A f and F f , the tensile strength (σ f ) was calculated using the following equation (2).
σ f = F f / A f (2)
デサイジング済の繊維束11から取り出した炭化珪素繊維11x(レーザー照射前)の断面における表層領域及び中心領域の炭化珪素結晶を含む画像から、結晶粒径に対する面積率を示すグラフである図4及び図5を作成し、(d1ave/d2ave)=0.90を得た。また、引張強さを測定したところ、4.16GPaであった(表1参照)。
FIG. 4 is a graph showing the area ratio with respect to the crystal grain size from the image including the silicon carbide crystals in the surface layer region and the central region in the cross section of the
実施例1
改質炭化珪素繊維の製造のために、図2の改質炭化珪素繊維製造装置10を用いた。図2の装置10は、内容積1200cm3のガラス容器の中に、上記デサイジング済の繊維束11及び液体窒素12を入れ、SPI Lasers社製ファイバーレーザー14から発振したレーザー18を、ガルバノメーター15を介して繊維束11に照射し熱処理する装置である。尚、レーザー照射時の繊維束の温度を、チノー社製放射温度計16により測定した。
図2の構成で、繊維束11の長さ60mmの部分に、レーザー(波長:1070±10nm、出力:2000W/cm2)を、毎秒1.1mmで掃引させながら照射した。掃引回数は1回とした。また、繊維束11におけるレーザー照射部の温度は1800℃であった。
Example 1
For the production of the modified silicon carbide fiber, the modified silicon carbide
In the configuration of FIG. 2, a 60 mm long portion of the fiber bundle 11 was irradiated with a laser (wavelength: 1070 ± 10 nm, output: 2000 W / cm 2 ) while being swept at 1.1 mm per second. The number of sweeps was one. Further, the temperature of the laser irradiation portion in the
レーザー照射後の繊維束から改質炭化珪素繊維(β−SiCを主とする繊維)を取り出して、上記(1)及び(2)の評価を行った。その結果を表1に示す。表層領域及び中心領域の炭化珪素結晶を含む画像から得られた、結晶粒径に対する面積率を示すグラフを、それぞれ、図6及び図7に示した。 Modified silicon carbide fibers (fibers mainly composed of β-SiC) were taken out from the fiber bundle after laser irradiation, and the above (1) and (2) were evaluated. The results are shown in Table 1. Graphs showing the area ratio with respect to the crystal grain size obtained from the images containing the silicon carbide crystals in the surface layer region and the central region are shown in FIGS. 6 and 7, respectively.
実施例2
レーザーの掃引回数を5回とした以外は、実施例1と同様の操作を行って、改質炭化珪素繊維(β−SiCを主とする繊維)を得た。そして、上記(1)及び(2)の評価を行い得られた結果を表1に示す。表層領域及び中心領域の炭化珪素結晶を含む画像から得られた、結晶粒径に対する面積率を示すグラフを、それぞれ、図8及び図9に示した。
Example 2
A modified silicon carbide fiber (a fiber mainly composed of β-SiC) was obtained by performing the same operation as in Example 1 except that the number of times of sweeping the laser was set to 5. Table 1 shows the results obtained by performing the evaluations of (1) and (2) above. Graphs showing the area ratio with respect to the crystal grain size obtained from the images containing the silicon carbide crystals in the surface layer region and the central region are shown in FIGS. 8 and 9, respectively.
比較例1
上記デサイジング済の繊維束を、カーボンヒーター炉の中に載置し、内部をアルゴンガス雰囲気、全圧を1atmとして、室温から1700℃までは30℃/分、1700℃から1800℃までは10℃/分の各昇温速度で加熱し、1800℃に達した後、加熱を停止した。得られた改質炭化珪素繊維(β−SiCを主とする繊維)に対して、上記(1)及び(2)の評価を行い得られた結果を表1に示す。表層領域及び中心領域の炭化珪素結晶を含む画像から得られた、結晶粒径に対する面積率を示すグラフを、それぞれ、図10及び図11に示した。
Comparative Example 1
The dessized fiber bundle is placed in a carbon heater furnace, the inside is an argon gas atmosphere, the total pressure is 1 atm, and the temperature is 30 ° C / min from room temperature to 1700 ° C, and 10 from 1700 ° C to 1800 ° C. The heating was performed at each heating rate of ° C./min, and after reaching 1800 ° C., the heating was stopped. Table 1 shows the results obtained by evaluating the above-mentioned (1) and (2) with respect to the obtained modified silicon carbide fiber (fiber mainly composed of β-SiC). Graphs showing the area ratio with respect to the crystal grain size obtained from the images containing the silicon carbide crystals in the surface layer region and the central region are shown in FIGS. 10 and 11, respectively.
以上の実験より、比較例1により得られた改質炭化珪素繊維は、引張強さが3.02GPaであり、未処理の繊維の引張強さ(4.16GPa)からの低下が顕著であったのに対し、実施例1及び2により得られた改質炭化珪素繊維の引張強さは、それぞれ、3.92GPa及び3.47GPaであり、強度低下が抑制された。 From the above experiments, the modified silicon carbide fiber obtained in Comparative Example 1 had a tensile strength of 3.02 GPa, and the tensile strength of the untreated fiber was significantly reduced from the tensile strength (4.16 GPa). On the other hand, the tensile strengths of the modified silicon carbide fibers obtained in Examples 1 and 2 were 3.92 GPa and 3.47 GPa, respectively, and the decrease in strength was suppressed.
本発明の炭化珪素繊維は、軽量且つ高強度であり、耐熱性に優れるため、セラミックス又は樹脂からなるマトリックスの中に炭化珪素繊維が分散しつつ含まれる複合材料の製造原料として好適である。特に、セラミックスからなるマトリックスに分散させてなる複合材料は、航空機用ジェットエンジンにおける燃焼器をはじめとする航空宇宙エンジン用構造部材、発電用ガスタービンにおける高温部品、その他、各種プラントにおける高温部品等の構造材料として好適である。 Since the silicon carbide fiber of the present invention is lightweight, has high strength, and has excellent heat resistance, it is suitable as a raw material for producing a composite material in which the silicon carbide fiber is dispersed and contained in a matrix made of ceramics or a resin. In particular, composite materials dispersed in a matrix made of ceramics include structural members for aerospace engines such as combustors in jet engines for aircraft, high-temperature parts in gas turbines for power generation, and other high-temperature parts in various plants. Suitable as a structural material.
1:炭化珪素繊維
2:表層領域の炭化珪素結晶
3:窒素原子含有炭化珪素結晶
4:中心領域の炭化珪素結晶
5:炭化珪素繊維原料(繊維)
7:均一加熱された炭化珪素繊維
10:炭化珪素繊維製造装置
11:炭化珪素繊維原料(デサイジング済の繊維束)
11x:炭化珪素繊維原料(デサイジング済の繊維)
12:液体窒素
13:ガラス容器
14:ファイバーレーザー
15:ガルバノメーター
16:放射温度計
18:レーザー
20:引張強さ測定用の試験片
21:台紙
22:接着剤
1: Silicon carbide fiber 2: Silicon carbide crystal in the surface layer region 3: Silicon carbide crystal containing nitrogen atom 4: Silicon carbide crystal in the central region 5: Silicon carbide fiber raw material (fiber)
7: Uniformly heated silicon carbide fiber 10: Silicon carbide fiber manufacturing apparatus 11: Silicon carbide fiber raw material (resizing fiber bundle)
11x: Silicon carbide fiber raw material (dessized fiber)
12: Liquid nitrogen 13: Glass container 14: Fiber laser 15: Galvanometer 16: Radiation thermometer 18: Laser 20: Test piece for measuring tensile strength 21: Mount 22: Adhesive
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020084781A JP7489230B2 (en) | 2020-05-13 | 2020-05-13 | Silicon carbide fiber and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020084781A JP7489230B2 (en) | 2020-05-13 | 2020-05-13 | Silicon carbide fiber and its manufacturing method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021179041A true JP2021179041A (en) | 2021-11-18 |
JP7489230B2 JP7489230B2 (en) | 2024-05-23 |
Family
ID=78511029
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020084781A Active JP7489230B2 (en) | 2020-05-13 | 2020-05-13 | Silicon carbide fiber and its manufacturing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7489230B2 (en) |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016188439A (en) | 2015-03-30 | 2016-11-04 | 宇部興産株式会社 | Crystalline silicon carbide-based ceramic fiber and manufacturing method therefor |
JP2018135224A (en) | 2017-02-20 | 2018-08-30 | 一般財団法人ファインセラミックスセンター | Production method of silicon carbide sintered body |
US10745803B2 (en) | 2017-06-15 | 2020-08-18 | Rolls-Royce High Temperature Composites Inc. | Method of forming a moisture-tolerant coating on a silicon carbide fiber |
-
2020
- 2020-05-13 JP JP2020084781A patent/JP7489230B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP7489230B2 (en) | 2024-05-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Binner et al. | Selection, processing, properties and applications of ultra-high temperature ceramic matrix composites, UHTCMCs–a review | |
Bunsell et al. | A review of the development of three generations of small diameter silicon carbide fibres | |
Dong et al. | Microstructural evolution and mechanical performances of SiC/SiC composites by polymer impregnation/microwave pyrolysis (PIMP) process | |
EP2639211B1 (en) | Sic ceramic material and sic ceramic structure, and production method for same | |
JP5978105B2 (en) | Silicon carbide ceramic joined body and method for producing silicon carbide ceramic joined body | |
Danko et al. | Comparison of microwave hybrid and conventional heating of preceramic polymers to form silicon carbide and silicon oxycarbide ceramics | |
Li et al. | Fabrication of 2D C/ZrC–SiC composite and its structural evolution under high-temperature treatment up to 1800° C | |
US5294387A (en) | Method of producing fiber-reinforced and particle-dispersion reinforced mullite composite material | |
US5211999A (en) | Laminated composite composed of fiber-reinforced ceramics and ceramics and method of producing same | |
Pippel et al. | Structure and composition of interlayers in joints between SiC bodies | |
Gogotsi et al. | Low‐temperature oxidation, hydrothermal corrosion, and their effects on properties of SiC (Tyranno) fibers | |
Nakano et al. | Fabrication and mechanical properties of carbon fiber reinforced silicon carbide composites | |
JP6658897B2 (en) | Ceramic based composite material and method for producing the same | |
Chen et al. | Evolution of microstructure and tensile strength of Cansas-II SiC fibers under air oxidizing atmosphere | |
Mei et al. | Strengthening three‐dimensional printed ultra‐light ceramic lattices | |
Bae et al. | Fabrication and high-temperature performance evaluation of silicon carbide–Hafnium carbide nanocomposite fiber | |
Li et al. | Property evolvements in SiCf/SiC composites fabricated by combination of PIP and electrophoretic deposition at different pyrolysis temperatures | |
JP2765543B2 (en) | Reaction sintered ceramics and method for producing the same | |
JP7489230B2 (en) | Silicon carbide fiber and its manufacturing method | |
Foulds et al. | Tough silicon nitride matrix composites using textron silicon carbide monofilaments | |
Pramanik et al. | Current advancements in ceramic matrix composites | |
CN113748096B (en) | Method of manufacturing CMC component | |
EP0351113B1 (en) | Fiber-reinforced and particle-dispersion reinforced mullite composite material and method of producing the same | |
US5296171A (en) | Method for fabricating a ceramic fiber reinforced composite material | |
Bunsell | Small-diameter silicon carbide fibers |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230309 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20231130 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20231226 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240122 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240423 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240513 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7489230 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |