JP2022161583A - Reinforcing fiber-containing ceramic composition, fiber-reinforced ceramic matrix composite, and method for producing fiber-reinforced ceramic matrix composite - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強化用繊維含有セラミックス組成物、繊維強化セラミックス基複合体、および繊維強化セラミックス基複合体の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a reinforcing fiber-containing ceramic composition, a fiber-reinforced ceramic matrix composite, and a method for producing a fiber-reinforced ceramic matrix composite.
従来、セラミックスを母相(セラミックスマトリックス)とするセラミックス基複合体の開発が進められている。一般に、セラミックスは、耐熱性、耐摩耗性および強度等に優れた材料であるが、硬くて脆い性質を有している。このため、セラミックス基複合体の製造においては、セラミックスマトリックスに強化用繊維を含有させ、これにより、当該セラミックスマトリックスの靭性が強化されている。 Conventionally, the development of ceramic matrix composites using ceramics as a parent phase (ceramic matrix) has progressed. In general, ceramics are materials that are excellent in heat resistance, abrasion resistance, strength, etc., but are hard and brittle. For this reason, in the production of ceramic matrix composites, reinforcing fibers are added to the ceramic matrix to enhance the toughness of the ceramic matrix.
上記のように強化されたセラミックスマトリックスを含有するセラミックス基複合体(以下、繊維強化セラミックス基複合体という)は、強化用繊維に含浸したセラミックス粒子の焼結またはセラミックス前駆体オリゴマーの焼成等の手法によって得ることができる。例えば、特許文献1には、セラミックス粒子を含有するスラリーをセラミックス繊維の空隙に含浸させ、その後、これらセラミックス繊維とスラリーとの含浸体を焼成することにより、当該スラリー中のセラミックス粒子を焼結する手法が開示されている。また、特許文献2には、セラミックス前駆体オリゴマー(例えばホウ素含有オルガノシラザンポリマー)を強化用繊維に含浸して焼成する工程を繰り返す手法が開示されている。 A ceramic matrix composite containing a ceramic matrix reinforced as described above (hereinafter referred to as a fiber-reinforced ceramic matrix composite) is prepared by sintering ceramic particles impregnated in reinforcing fibers or firing a ceramic precursor oligomer. can be obtained by For example, in Patent Document 1, voids of ceramic fibers are impregnated with a slurry containing ceramic particles, and then the impregnated body of the ceramic fibers and the slurry is fired to sinter the ceramic particles in the slurry. A method is disclosed. Further, Patent Document 2 discloses a method of repeating a step of impregnating a reinforcing fiber with a ceramic precursor oligomer (for example, a boron-containing organosilazane polymer) and firing the reinforcing fiber.
しかしながら、特許文献1に例示されるように、セラミックス粒子を用いる場合は、セラミックス粒子の焼結を例えば1600℃以上という高温で行う必要があるため、強化用繊維が高温の熱によって劣化する恐れがある。また、特許文献2に例示されるように、セラミックス前駆体オリゴマーを用いる場合は、上記セラミックス粒子の場合に比べて低温でセラミックスマトリックスを形成できるものの、セラミックス前駆体オリゴマーには焼成時に部分的な結晶化が起こり易い。このため、セラミックスマトリックスの均一性が不足して微小なクラックが発生し易くなることから、セラミックスマトリックスの強度が低下する恐れがある。 However, as exemplified in Patent Document 1, when ceramic particles are used, it is necessary to sinter the ceramic particles at a high temperature of, for example, 1600° C. or higher. be. Further, as exemplified in Patent Document 2, when a ceramic precursor oligomer is used, a ceramic matrix can be formed at a lower temperature than in the case of the ceramic particles, but the ceramic precursor oligomer has partial crystals during firing. change easily. For this reason, the uniformity of the ceramics matrix is insufficient, and minute cracks are likely to occur, which may reduce the strength of the ceramics matrix.
すなわち、高強度な繊維強化セラミックス基複合体を得るためには、繊維強化セラミックス基複合体の製造に用いられるセラミックスマトリックス(以下、強化用繊維含有セラミックス組成物という)が均一な状態で安定して存在することが重要である。 That is, in order to obtain a high-strength fiber-reinforced ceramic matrix composite, the ceramic matrix (hereinafter referred to as a reinforcing fiber-containing ceramic composition) used in the production of the fiber-reinforced ceramic matrix composite must be stable in a uniform state. Being present is important.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、均一な状態で安定して存在することができる強化用繊維含有セラミックス組成物、これを用いた繊維強化セラミックス基複合体およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a reinforcing fiber-containing ceramic composition that can exist stably in a uniform state, a fiber-reinforced ceramic matrix composite using the same, and a method for producing the same. intended to provide
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る強化用繊維含有セラミックス組成物は、強化用繊維とセラミックス前駆体ポリマーとを含有する強化用繊維含有セラミックス組成物であって、前記セラミックス前駆体ポリマーは、ポリメタロキサンを含有し、前記ポリメタロキサンは、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、Sb、Hf、Ta、WおよびBiからなる群より選ばれる金属原子と酸素原子との繰り返し構造を有し、かつ、前記金属原子に直結した水酸基を前記繰り返し構造の一部に有する、ことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a reinforcing fiber-containing ceramic composition according to the present invention is a reinforcing fiber-containing ceramic composition containing reinforcing fibers and a ceramic precursor polymer, The ceramic precursor polymer contains polymetalloxane, and the polymetalloxane is Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, It has a repeating structure of a metal atom selected from the group consisting of Nb, Mo, In, Sn, Sb, Hf, Ta, W and Bi and an oxygen atom, and a hydroxyl group directly attached to the metal atom is a hydroxyl group of the repeating structure. It is characterized by having a part.
また、本発明に係る強化用繊維含有セラミックス組成物は、上記の発明において、前記ポリメタロキサンの前記金属原子が、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、Sb、Hf、Ta、WおよびBiより選ばれる2種類以上の金属原子である、ことを特徴とする。 Further, in the reinforcing fiber-containing ceramic composition according to the present invention, in the above invention, the metal atoms of the polymetalloxane are Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, It is characterized by being two or more metal atoms selected from Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, In, Sn, Sb, Hf, Ta, W and Bi.
また、本発明に係る強化用繊維含有セラミックス組成物は、上記の発明において、前記強化用繊維の繊維径が、0.1μm以上200μm以下である、ことを特徴とする。 Further, the reinforcing fiber-containing ceramic composition according to the present invention is characterized in that the reinforcing fiber has a fiber diameter of 0.1 μm or more and 200 μm or less.
また、本発明に係る強化用繊維含有セラミックス組成物は、上記の発明において、前記強化用繊維が、不織布状の繊維である、ことを特徴とする。 Further, the reinforcing fiber-containing ceramic composition according to the present invention is characterized in that the reinforcing fiber is a non-woven fabric fiber.
また、本発明に係る強化用繊維含有セラミックス組成物は、上記の発明において、前記ポリメタロキサンの重量平均分子量が、1万以上200万以下である、ことを特徴とする。 Further, in the reinforcing fiber-containing ceramic composition according to the present invention, in the above invention, the polymetalloxane has a weight average molecular weight of 10,000 or more and 2,000,000 or less.
また、本発明に係る強化用繊維含有セラミックス組成物は、上記の発明において、前記ポリメタロキサンに含まれる前記金属原子のうちの10mol%以上がZrである、ことを特徴とする。 Further, the reinforcing fiber-containing ceramic composition according to the present invention is characterized in that, in the above invention, 10 mol % or more of the metal atoms contained in the polymetalloxane are Zr.
また、本発明に係る強化用繊維含有セラミックス組成物は、上記の発明において、前記強化用繊維が、セラミックス繊維、ポリメタロキサンからなる繊維およびポリメタロキサンの焼成体からなる繊維のうちより選ばれる1種類以上である、ことを特徴とする。 In the ceramic composition containing reinforcing fibers according to the present invention, the reinforcing fibers are selected from ceramic fibers, fibers made of polymetalloxane, and fibers made of a sintered body of polymetalloxane. It is characterized by being one or more types.
また、本発明に係る強化用繊維含有セラミックス組成物は、上記の発明において、前記強化用繊維が金属原子を含有し、前記強化用繊維に含まれる金属原子のうちの10mol%以上がAlである、ことを特徴とする。 Further, in the reinforcing fiber-containing ceramic composition according to the present invention, in the above invention, the reinforcing fibers contain metal atoms, and 10 mol % or more of the metal atoms contained in the reinforcing fibers are Al. , characterized in that
また、本発明に係る強化用繊維含有セラミックス組成物は、上記の発明において、前記強化用繊維がアルミナ系セラミックス繊維である、ことを特徴とする。 Further, the reinforcing fiber-containing ceramic composition according to the present invention is characterized in that the reinforcing fiber is an alumina-based ceramic fiber in the above invention.
また、本発明に係る繊維強化セラミックス基複合体は、上記の発明のいずれか一つに記載の強化用繊維含有セラミックス組成物を焼成してなる、ことを特徴とする。 Further, a fiber-reinforced ceramic matrix composite according to the present invention is characterized by firing the reinforcing fiber-containing ceramic composition according to any one of the above inventions.
また、本発明に係る繊維強化セラミックス基複合体の製造方法は、強化用繊維とセラミックス前駆体ポリマーとを含有する繊維強化セラミックス基複合体の製造方法であって、前記セラミックス前駆体ポリマーを前記強化用繊維に含浸する含浸工程と、前記強化用繊維に含浸した前記セラミックス前駆体ポリマーを焼成する焼成工程と、を含み、前記セラミックス前駆体ポリマーは、ポリメタロキサンを含有し、前記ポリメタロキサンは、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、Sb、Hf、Ta、WおよびBiからなる群より選ばれる金属原子と酸素原子との繰り返し構造を有し、かつ、前記金属原子に直結した水酸基を前記繰り返し構造の一部に有する、ことを特徴とする。 Further, a method for producing a fiber-reinforced ceramic matrix composite according to the present invention is a method for producing a fiber-reinforced ceramic matrix composite containing reinforcing fibers and a ceramic precursor polymer, wherein the ceramic precursor polymer is used for the reinforcement. and a firing step of firing the ceramic precursor polymer impregnated into the reinforcing fiber, wherein the ceramic precursor polymer contains polymetalloxane, and the polymetalloxane is , Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, In, Sn, Sb, Hf, Ta, W and Bi It is characterized by having a repeating structure of a metal atom selected from the group and an oxygen atom, and having a hydroxyl group directly linked to the metal atom as part of the repeating structure.
本発明によれば、均一な状態で安定して存在することができる強化用繊維含有セラミックス組成物、これを用いた繊維強化セラミックス基複合体およびその製造方法を提供することができるという効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the present invention, it is possible to provide a reinforcing fiber-containing ceramic composition that can stably exist in a uniform state, a fiber-reinforced ceramic matrix composite using the same, and a method for producing the same. .
以下、本発明に係る強化用繊維含有セラミックス組成物、繊維強化セラミックス基複合体、および繊維強化セラミックス基複合体の製造方法の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、目的や用途に応じて種々に変更して実施することができる。 Preferred embodiments of the reinforcing fiber-containing ceramic composition, the fiber-reinforced ceramic matrix composite, and the method for producing the fiber-reinforced ceramic matrix composite according to the present invention are described below in detail. It should be noted that the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with various modifications according to the purpose and application.
(強化用繊維含有セラミックス組成物)
本発明の実施形態に係る強化用繊維含有セラミックス組成物は、強化用繊維とセラミックス前駆体ポリマーとを含有する組成物である。この強化用繊維含有セラミックス組成物において、セラミックス前駆体ポリマーは、ポリメタロキサンを含有するものである。このポリメタロキサンは、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、Sb、Hf、Ta、WおよびBiからなる群より選ばれる金属原子と酸素原子との繰り返し構造を有し、かつ、当該金属原子に直結した水酸基を当該繰り返し構造の一部に有している。
(Reinforcing Fiber-Containing Ceramic Composition)
A reinforcing fiber-containing ceramic composition according to an embodiment of the present invention is a composition containing reinforcing fibers and a ceramic precursor polymer. In this reinforcing fiber-containing ceramic composition, the ceramic precursor polymer contains polymetalloxane. This polymetalloxane includes Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, In, Sn, Sb, Hf, Ta, It has a repeating structure of a metal atom selected from the group consisting of W and Bi and an oxygen atom, and has a hydroxyl group directly linked to the metal atom as part of the repeating structure.
以下では、説明の便宜上、本発明の実施形態に係る強化用繊維含有セラミックス組成物を強化用繊維含有セラミックス組成物(X)と称し、強化用繊維含有セラミックス組成物(X)に含まれるセラミックス前駆体ポリマーをセラミックス前駆体ポリマー(A)と称し、セラミックス前駆体ポリマー(A)に含まれるポリメタロキサンをポリメタロキサン(α)と称し、強化用繊維含有セラミックス組成物(X)に含まれる強化用繊維を強化用繊維(B)と称する場合がある。 Hereinafter, for convenience of explanation, the reinforcing fiber-containing ceramic composition according to the embodiment of the present invention is referred to as a reinforcing fiber-containing ceramic composition (X), and the ceramic precursor contained in the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) The body polymer is called a ceramic precursor polymer (A), the polymetalloxane contained in the ceramic precursor polymer (A) is called a polymetalloxane (α), and the reinforcing fiber contained in the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) The fiber for reinforcement may be referred to as a reinforcing fiber (B).
(セラミックス前駆体ポリマー(A))
セラミックス前駆体ポリマー(A)は、強化用繊維含有セラミックス組成物(X)を構成する一成分である。セラミックス前駆体ポリマー(A)は、強化用繊維(B)に含浸した状態で焼成されることにより、強化用繊維(B)によって靭性等の物性が強化されたセラミックスマトリックスとなり得る。このセラミックスマトリックスは、本発明の実施形態に係る繊維強化セラミックス基複合体を構成するマトリックスである。このようなセラミックス前駆体ポリマー(A)は、以下に示すポリメタロキサン(α)を含有している。
(Ceramic precursor polymer (A))
The ceramic precursor polymer (A) is one component that constitutes the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X). The ceramic precursor polymer (A) can be sintered in a state impregnated with the reinforcing fibers (B) to form a ceramic matrix whose physical properties such as toughness are reinforced by the reinforcing fibers (B). This ceramic matrix is a matrix that constitutes the fiber-reinforced ceramic matrix composite according to the embodiment of the present invention. Such a ceramic precursor polymer (A) contains polymetalloxane (α) shown below.
(ポリメタロキサン(α))
ポリメタロキサンとは、一般に、金属-酸素-金属結合(以下、M-O結合という)を主鎖とする高分子である。本発明におけるポリメタロキサン(α)は、主鎖中に、M-O結合の繰り返し構造(すなわち金属原子と酸素原子との繰り返し構造)を有している。このようなポリメタロキサン(α)のM-O結合の繰り返し構造を構成する金属原子は、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、Sb、Hf、Ta、WおよびBiからなる群より選ばれる。さらに、ポリメタロキサン(α)は、M-O結合の繰り返し構造の一部に、上記金属原子に直結した水酸基を有している。ポリメタロキサン(α)が上記の金属原子および水酸基を有することにより、耐熱性の高いセラミックス前駆体ポリマー(A)が得られるとともに、セラミックス前駆体ポリマー(A)の結晶化を低減することができる。
(Polymetalloxane (α))
Polymetalloxane is generally a polymer having a metal-oxygen-metal bond (hereinafter referred to as MO bond) as a main chain. The polymetalloxane (α) in the present invention has a repeating structure of MO bonds (that is, a repeating structure of metal atoms and oxygen atoms) in the main chain. Metal atoms constituting the repeating structure of the MO bond of such polymetalloxane (α) include Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Selected from the group consisting of Y, Zr, Nb, Mo, In, Sn, Sb, Hf, Ta, W and Bi. Furthermore, the polymetalloxane (α) has a hydroxyl group directly linked to the metal atom as part of the repeating structure of the MO bond. By having the above metal atoms and hydroxyl groups in the polymetalloxane (α), a highly heat-resistant ceramics precursor polymer (A) can be obtained, and crystallization of the ceramics precursor polymer (A) can be reduced. .
また、ポリメタロキサン(α)の上記金属原子は、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、Sb、Hf、Ta、WおよびBiからなる群より選ばれる2種類以上の金属原子であることが好ましい。ポリメタロキサン(α)がM-O結合の繰り返し構造中に上記好適な2種類以上の金属原子を有することにより、セラミックス前駆体ポリマー(A)を焼成する際の結晶化を低減できるとともに、ポリメタロキサン(α)の有機溶媒への溶解性が向上し、高分子量のポリメタロキサン(α)を得ることが容易となる。 The metal atoms of the polymetalloxane (α) include Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, In, Two or more metal atoms selected from the group consisting of Sn, Sb, Hf, Ta, W and Bi are preferred. When the polymetalloxane (α) has two or more of the above preferred metal atoms in the repeating structure of the MO bond, crystallization during firing of the ceramic precursor polymer (A) can be reduced, and the polymetalloxane (α) can be The solubility of the metalloxane (α) in organic solvents is improved, making it easier to obtain a high-molecular-weight polymetalloxane (α).
ポリメタロキサン(α)の重量平均分子量は、1万以上200万以下であることが好ましい。ポリメタロキサン(α)の重量平均分子量を1万以上200万以下の範囲内とすることにより、強化用繊維含有セラミックス組成物(X)の加工性を向上させることができる。特に、ポリメタロキサン溶液の曳糸性が発現するため、後述する強化用繊維(B)をポリメタロキサン(a)によって構成する場合、強化用繊維(B)への加工性が良好となる。また、ポリメタロキサン(α)の重量平均分子量を1万以上とすることにより、セラミックス前駆体ポリマー(A)の耐クラック性が向上し、後述する焼成工程においても、クラックのない均質な強化用繊維含有セラミックス組成物(X)を得ることができる。 The weight average molecular weight of the polymetalloxane (α) is preferably 10,000 or more and 2,000,000 or less. By setting the weight average molecular weight of the polymetalloxane (α) within the range of 10,000 to 2,000,000, the workability of the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) can be improved. In particular, the spinnability of the polymetalloxane solution is exhibited, so that when the reinforcing fiber (B) described later is composed of the polymetalloxane (a), the processability of the reinforcing fiber (B) is improved. In addition, by setting the weight average molecular weight of the polymetalloxane (α) to 10,000 or more, the crack resistance of the ceramic precursor polymer (A) is improved, and even in the firing process described later, a homogeneous reinforcing material without cracks is obtained. A fiber-containing ceramic composition (X) can be obtained.
上記のようなポリメタロキサン(α)の重量平均分子量の下限値は、5万以上であることがより好ましく、20万以上であることが特に好ましい。また、ポリメタロキサン(α)の重量平均分子量の上限値は、150万以下であることがより好ましく、100万以下であることが特に好ましい。 The lower limit of the weight average molecular weight of the polymetalloxane (α) as described above is more preferably 50,000 or more, particularly preferably 200,000 or more. Moreover, the upper limit of the weight average molecular weight of the polymetalloxane (α) is more preferably 1,500,000 or less, and particularly preferably 1,000,000 or less.
本発明における重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)で測定されるポリスチレン換算の値をいう。ポリメタロキサン(α)の重量平均分子量は、以下の方法によって求められる。例えば、ポリメタロキサン(α)を0.2wt%となるように展開溶媒に溶解させ、試料溶液とする。次いで、試料溶液を多孔質ゲルおよび展開溶媒が充填されたカラムに注入する。カラム溶出物を示差屈折率検出器により検出し、溶出時間を解析することにより、重量平均分子量が求められる。なお、展開溶媒としては、ポリメタロキサン(α)を0.2wt%の濃度で溶解させることができるものが選ばれる。ポリメタロキサン(α)が0.02mol/dm3の塩化リチウムおよびN-メチル-2-ピロリドンの溶液に溶解する場合は、展開溶媒として、この溶液が用いられる。 The weight average molecular weight in the present invention refers to a polystyrene-equivalent value measured by gel permeation chromatography (GPC). The weight average molecular weight of polymetalloxane (α) is determined by the following method. For example, 0.2 wt % of polymetalloxane (α) is dissolved in a developing solvent to obtain a sample solution. Next, the sample solution is injected into the column filled with porous gel and developing solvent. The weight average molecular weight is obtained by detecting the column eluate with a differential refractive index detector and analyzing the elution time. As the developing solvent, a solvent capable of dissolving polymetalloxane (α) at a concentration of 0.2 wt % is selected. When polymetalloxane (α) is dissolved in a solution of 0.02 mol/dm 3 of lithium chloride and N-methyl-2-pyrrolidone, this solution is used as the developing solvent.
ポリメタロキサン(α)の構造単位には特に制限はないが、ポリメタロキサン(α)は、下記一般式(1)で表される構造単位および下記一般式(2)で表される構造単位のうち少なくとも一つを有するポリメタロキサンであることが好ましい。 The structural unit of the polymetalloxane (α) is not particularly limited, but the polymetalloxane (α) is a structural unit represented by the following general formula (1) and a structural unit represented by the following general formula (2) Polymetalloxane having at least one of
一般式(1)および一般式(2)において、R1およびR3は、水素原子、炭素数1~12のアルキル基、一般式(3)で表される置換基、またはメタロキサン結合を有する基の中から任意に選ばれる。R2は、水酸基(ヒドロキシ基)、炭素数1~12のアルキル基、炭素数5~12の脂環式アルキル基、炭素数1~12のアルコキシ基、炭素数6~30の芳香族基、炭素数6~30のフェノキシ基、炭素数10~30のナフトキシ基の中から任意に選ばれる。R1、R2およびR3は、複数存在する場合はそれぞれ同じであっても異なっていてもよい。R4は、水酸基、炭素数1~12のアルキル基、炭素数5~12の脂環式アルキル基、炭素数1~12のアルコキシ基、炭素数6~30の芳香族基、シロキサン結合を有する基の中から任意に選ばれる。金属原子Mは、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、Sb、Hf、Ta、WおよびBiからなる群より選ばれる金属原子を示す。整数mは、金属原子Mの価数を示す整数である。整数aは、0~(m-2)の整数である。整数bは、1~(m-2)の整数である。 In general formulas (1) and (2), R 1 and R 3 are a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, a substituent represented by general formula (3), or a group having a metalloxane bond. arbitrarily selected from R 2 is a hydroxyl group (hydroxy group), an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, an alicyclic alkyl group having 5 to 12 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 12 carbon atoms, an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms, It is arbitrarily selected from a phenoxy group having 6 to 30 carbon atoms and a naphthoxy group having 10 to 30 carbon atoms. R 1 , R 2 and R 3 may be the same or different when a plurality of R 1 , R 2 and R 3 are present. R 4 is a hydroxyl group, an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, an alicyclic alkyl group having 5 to 12 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 12 carbon atoms, an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms, and a siloxane bond. arbitrarily selected from among the groups. Metal atom M is Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, In, Sn, Sb, Hf, Ta, W and Bi. The integer m is an integer indicating the valence of the metal atom M. The integer a is an integer from 0 to (m-2). The integer b is an integer from 1 to (m-2).
一般式(3)において、R5およびR6は、それぞれ独立に、水素原子または炭素数1~8のアルキル基である。R7は、水素原子、炭素数1~8のアルキル基または炭素数1~8のアルキルカルボニル基である。cは1~6の整数であり、dは1~5の整数である。 In general formula (3), R 5 and R 6 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms. R 7 is a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms or an alkylcarbonyl group having 1 to 8 carbon atoms. c is an integer of 1-6 and d is an integer of 1-5.
炭素数1~12のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、s-ブチル基、t-ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、2-エチルヘキシル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基等が挙げられる。 Examples of alkyl groups having 1 to 12 carbon atoms include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, s-butyl group, t-butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group and octyl group. , 2-ethylhexyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group and the like.
炭素数5~12の脂環式アルキル基としては、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基、シクロノニル基、シクロデシル基等が挙げられる。 The alicyclic alkyl group having 5 to 12 carbon atoms includes cyclopentyl group, cyclohexyl group, cycloheptyl group, cyclooctyl group, cyclononyl group, cyclodecyl group and the like.
炭素数1~12のアルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、イソプロポキシ基、ブトキシ基、イソブトキシ基、s-ブトキシ基、t-ブトキシ基、ペントキシ基、ヘキシロキシ基、ヘプトキシ基、オクトキシ基、2-エチルヘキシリキシ基、ノニル基、デシロキシ基等が挙げられる。 Examples of alkoxy groups having 1 to 12 carbon atoms include methoxy, ethoxy, propoxy, isopropoxy, butoxy, isobutoxy, s-butoxy, t-butoxy, pentoxy, hexyloxy, heptoxy, and octoxy. group, 2-ethylhexyloxy group, nonyl group, decyloxy group and the like.
炭素数6~30の芳香族基としては、フェニル基、フェノキシ基、ベンジル基、フェニルエチル基、ナフチル基等が挙げられる。 Examples of aromatic groups having 6 to 30 carbon atoms include phenyl group, phenoxy group, benzyl group, phenylethyl group, naphthyl group and the like.
炭素数6~30のフェノキシ基としては、フェノキシ基、メチルフェノキシ基、エチルフェノキシ基、プロピルフェノキシ基、メトキシフェノキシ基、エトキシフェノキシ基、プロポキシフェノキシ基等が挙げられる。 The phenoxy group having 6 to 30 carbon atoms includes phenoxy group, methylphenoxy group, ethylphenoxy group, propylphenoxy group, methoxyphenoxy group, ethoxyphenoxy group, propoxyphenoxy group and the like.
炭素数10~30のナフトキシ基としては、ナフトキシ基、メチルナフトキシ基、エチルナフトキシ基、プロピルナフトキシ基、メトキシナフトキシ基、エトキシナフトキシ基、プロポキシナフトキシ基等が挙げられる。 The naphthoxy group having 10 to 30 carbon atoms includes naphthoxy group, methylnaphthoxy group, ethylnaphthoxy group, propylnaphthoxy group, methoxynaphthoxy group, ethoxynaphthoxy group, propoxynaphthoxy group and the like.
一般式(1)および一般式(2)において、R1およびR3がメタロキサン結合を有する基である場合とは、R1およびR3が酸素原子を介して他のポリメタロキサン分子と結合していることを指す。また、一般式(2)におけるR4がシロキサン結合を有する基である場合とは、R4が酸素原子を介して他のSiと結合していることを指す。 In general formulas (1) and (2), when R 1 and R 3 are groups having a metalloxane bond, R 1 and R 3 are bonded to other polymetalloxane molecules via oxygen atoms. It means that Moreover, the case where R 4 in the general formula (2) is a group having a siloxane bond means that R 4 is bonded to another Si via an oxygen atom.
ポリメタロキサン(α)が一般式(1)で表される構造単位および一般式(2)で表される構造単位のうち少なくとも一つを有することにより、ポリメタロキサン(α)の他成分との相溶性が向上する。そのため、後述するポリメタロキサン合成時に析出することなく重合させることができるため、重量平均分子量が1万以上200万以下であるポリメタロキサン(α)を容易に得ることができる。 By having at least one of the structural units represented by the general formula (1) and the structural unit represented by the general formula (2), the polymetalloxane (α) and other components of the polymetalloxane (α) compatibility is improved. Therefore, it can be polymerized without precipitation during the synthesis of the polymetalloxane, which will be described later, so that the polymetalloxane (α) having a weight-average molecular weight of 10,000 or more and 2,000,000 or less can be easily obtained.
また、ポリメタロキサン(α)は、一般式(1)で表される構造単位および一般式(2)で表される構造単位のうち少なくとも一つに含まれる金属原子Mと直結した水酸基を有している。一般式(1)および一般式(2)において、金属原子Mは、ポリメタロキサン(α)の主鎖中に含まれるM-O結合の繰り返し構造の金属原子である。したがって、ポリメタロキサン(α)が一般式(1)で表される構造単位を有する場合、一般式(1)中のR2の少なくとも一つは水酸基である。ポリメタロキサン(α)が一般式(2)で表される構造単位を有する場合、一般式(2)中のR3の少なくとも一つは水素原子である。すなわち、一般式(2)中の(-OR3)基の少なくとも一つは、水酸基である。ポリメタロキサン(α)は、このように水酸基を有することにより、長期保管時においても粘度の上昇が小さい、保存安定性に優れたポリメタロキサンとすることができる。このようなポリメタロキサン(α)を含有するセラミックス前駆体ポリマー(A)は、安定性に優れたものとなる。 In addition, the polymetalloxane (α) has a hydroxyl group directly connected to the metal atom M contained in at least one of the structural units represented by the general formula (1) and the structural units represented by the general formula (2). is doing. In the general formulas (1) and (2), the metal atom M is a metal atom having a repeating structure of MO bonds contained in the main chain of the polymetalloxane (α). Therefore, when the polymetalloxane (α) has a structural unit represented by general formula (1), at least one of R 2 in general formula (1) is a hydroxyl group. When the polymetalloxane (α) has a structural unit represented by general formula (2), at least one of R 3 in general formula (2) is a hydrogen atom. That is, at least one (--OR 3 ) group in general formula (2) is a hydroxyl group. The polymetalloxane (α) having hydroxyl groups in this way can be made into a polymetalloxane having excellent storage stability with little increase in viscosity even during long-term storage. The ceramic precursor polymer (A) containing such polymetalloxane (α) has excellent stability.
また、ポリメタロキサン(α)は、一般式(2)で表される構造単位を少なくとも有することが好ましい。一般式(2)で表される構造単位を有するポリメタロキサン(α)は、(R4 3SiO-)基を有することにより、他成分との相溶性を著しく向上させる。そのため、このポリメタロキサン(α)は、有機溶剤中に一層安定して存在する。このようなポリメタロキサン(α)は、有機溶剤中におけるセラミックス前駆体ポリマー(A)の安定した存在に寄与することができる。さらに、ポリメタロキサン(α)が(R4 3SiO-)基を有することにより、ポリメタロキサン(α)の縮合応力が緩和されるため、焼成時にクラックが生じにくい均質なセラミックス前駆体ポリマー(A)を容易に得ることができる。 Moreover, the polymetalloxane (α) preferably has at least a structural unit represented by general formula (2). The polymetalloxane (α) having the structural unit represented by the general formula (2) has (R 4 3 SiO—) groups, thereby remarkably improving compatibility with other components. Therefore, this polymetalloxane (α) exists more stably in the organic solvent. Such a polymetalloxane (α) can contribute to the stable existence of the ceramic precursor polymer (A) in the organic solvent. Furthermore, since the polymetalloxane (α) has (R 4 3 SiO—) groups, the condensation stress of the polymetalloxane (α) is relaxed, so that a homogeneous ceramic precursor polymer ( A) can be easily obtained.
また、ポリメタロキサン(α)は、一般式(1)で表される構造単位および一般式(2)で表される構造単位をそれぞれ有することが、特に好ましい。 Moreover, it is particularly preferable that the polymetalloxane (α) has a structural unit represented by general formula (1) and a structural unit represented by general formula (2).
一般式(2)中の(R4 3SiO-)基としては、トリヒドロキシシロキシ基、トリメチルシロキシ基、トリエチルシロキシ基、トリプロピルシロキシ基、トリイソプロピルシロキシ基、トリブチルシロキシ基、トリイソブチルシロキシ基、トリ-s-ブチルシロキシ基、トリ-t-ブチルシロキシ基、トリシクロヘキシルシロキシ基、トリメトキシシロキシ基、トリエトキシシロキシ基、トリプロポキシシロキシ基、トリイソプロポキシシロキシ基、トリブトキシシロキシ基、トリフェニルシロキシ基、ヒドロキシジフェニルシロキシ基、メチルジフェニルシロキシ基、エチルジフェニルシロキシ基、プロピルジフェニルシロキシ基、ジヒドロキシ(フェニル)シロキシ基、ジメチル(フェニル)シロキシ基、ジエチル(フェニル)シロキシ基、ジプロピル(フェニル)シロキシ基、トリナフチルシロキシ基、ヒドロキシジナフチルシロキシ基、メチルジナフチルシロキシ基、エチルジナフチルシロキシ基、プロピルジナフチルシロキシ基、ジヒドロキシ(ナフチル)シロキシ基、ジメチル(ナフチル)シロキシ基、ジエチル(ナフチル)シロキシ基、ジプロピル(ナフチル)シロキシ基等が挙げられる。 The (R 4 3 SiO—) group in general formula (2) includes a trihydroxysiloxy group, a trimethylsiloxy group, a triethylsiloxy group, a tripropylsiloxy group, a triisopropylsiloxy group, a tributylsiloxy group, a triisobutylsiloxy group, tri-s-butylsiloxy group, tri-t-butylsiloxy group, tricyclohexylsiloxy group, trimethoxysiloxy group, triethoxysiloxy group, tripropoxysiloxy group, triisopropoxysiloxy group, tributoxysiloxy group, triphenylsiloxy group a hydroxydiphenylsiloxy group, a methyldiphenylsiloxy group, an ethyldiphenylsiloxy group, a propyldiphenylsiloxy group, a dihydroxy(phenyl)siloxy group, a dimethyl(phenyl)siloxy group, a diethyl(phenyl)siloxy group, a dipropyl(phenyl)siloxy group, trinaphthylsiloxy group, hydroxydinaphthylsiloxy group, methyldinaphthylsiloxy group, ethyldinaphthylsiloxy group, propyldinaphthylsiloxy group, dihydroxy(naphthyl)siloxy group, dimethyl(naphthyl)siloxy group, diethyl(naphthyl)siloxy group, A dipropyl(naphthyl)siloxy group and the like can be mentioned.
ポリメタロキサン(α)の耐熱性の観点から、R4は、炭素数1~4のアルキル基であるか、フェニル基であることが好ましい。炭素数1~4のアルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t-ブチル基が挙げられる。すなわち、好ましい(R4 3SiO-)基としては、トリメチルシロキシ基、トリエチルシロキシ基、トリプロピルシロキシ基、トリイソプロピルシロキシ基、トリブチルシロキシ基、トリイソブチルシロキシ基、トリ-s-ブチルシロキシ基、トリ-t-ブチルシロキシ基、メチルジフェニルシロキシ基、エチルジフェニルシロキシ基、プロピルジフェニルシロキシ基、ジヒドロキシ(フェニル)シロキシ基、ジメチル(フェニル)シロキシ基、ジエチル(フェニル)シロキシ基、ジプロピル(フェニル)シロキシ基等が挙げられる。 From the viewpoint of heat resistance of the polymetalloxane (α), R 4 is preferably an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or a phenyl group. Specific examples of alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group and t-butyl group. That is, preferred (R 4 3 SiO—) groups include trimethylsiloxy, triethylsiloxy, tripropylsiloxy, triisopropylsiloxy, tributylsiloxy, triisobutylsiloxy, tri-s-butylsiloxy, and tri-s-butylsiloxy. -t-butylsiloxy group, methyldiphenylsiloxy group, ethyldiphenylsiloxy group, propyldiphenylsiloxy group, dihydroxy(phenyl)siloxy group, dimethyl(phenyl)siloxy group, diethyl(phenyl)siloxy group, dipropyl(phenyl)siloxy group, etc. is mentioned.
また、(R4 3SiO-)基の含有量は、ポリメタロキサン(α)中の金属原子Mのモル数に対するSi(シリコン原子)のモル数の比率で表した場合に、1モル%以上250モル%以下であることが好ましく、10モル%以上200モル%以下であることがより好ましい。(R4 3SiO-)基の含有量を上記の範囲とすることで、このポリメタロキサン(α)の他成分との相溶性が、さらに向上する。そのため、このポリメタロキサン(α)は、有機溶剤中で特に安定して存在する。 The content of (R 4 3 SiO—) groups is 1 mol % or more when expressed as the ratio of the number of moles of Si (silicon atoms) to the number of moles of metal atoms M in the polymetalloxane (α). It is preferably 250 mol % or less, more preferably 10 mol % or more and 200 mol % or less. By setting the content of the (R 4 3 SiO—) group within the above range, the compatibility of the polymetalloxane (α) with other components is further improved. Therefore, this polymetalloxane (α) exists particularly stably in organic solvents.
また、一般式(1)および一般式(2)において、R1およびR3は、双方とも、一般式(3)で表される置換基を少なくとも一つ有していることがより好ましい。一般式(3)で表される置換基の構造をR1およびR3の双方が有することにより、ポリメタロキサン(α)を高濃度に調整した場合であっても、ポリメタロキサン(α)同士の干渉を抑制することができ、この結果、ポリメタロキサン(α)の粘度上昇等の状態変化を防ぐことができる。一般式(3)で表される置換基の合成方法は特に限定されないが、例えば、金属アルコキシドと特定構造を持つアルコールとを所定のモル比で反応させることにより、一般式(3)で表される置換基を得ることができる。 In general formulas (1) and (2), both R 1 and R 3 more preferably have at least one substituent represented by general formula (3). Both R 1 and R 3 have the substituent structure represented by the general formula (3), so that even when the polymetalloxane (α) is adjusted to a high concentration, the polymetalloxane (α) Interference between them can be suppressed, and as a result, it is possible to prevent state changes such as an increase in the viscosity of the polymetalloxane (α). Although the method for synthesizing the substituent represented by general formula (3) is not particularly limited, for example, by reacting a metal alkoxide and an alcohol having a specific structure at a predetermined molar ratio, Substituents can be obtained.
特に制限はないが、上記特定構造を持つアルコールの具体例としては、2-メトキシエタノール、3-メトキシプロパノール、4-メトキシブタノール、5-メトキシヘキサノール、1-メトキシプロパン-2-オール、2-メトキシプロパノール、2-エトキシエタノール、3-エトキシプロパノール、4-エトキシブタノール、5-エトキシヘキサノール、1-エトキシプロパン-2-オール、2-エトキシプロパノール、2-プロポキシエタノール、3-プロポキシプロパノール、4-プロポキシブタノール、5-プロポキシヘキサノール、1-プロポキシプロパン-2-オール、2-プロポキシプロパノール、2-ブトキシエタノール、3-ブトキシプロパノール、4-ブトキシブタノール、5-ブトキシヘキサノール、1-ブトキシプロパン-2-オール、2-ブトキシプロパノール等が挙げられる。 Although not particularly limited, specific examples of alcohols having the above specific structure include 2-methoxyethanol, 3-methoxypropanol, 4-methoxybutanol, 5-methoxyhexanol, 1-methoxypropan-2-ol, 2-methoxy Propanol, 2-ethoxyethanol, 3-ethoxypropanol, 4-ethoxybutanol, 5-ethoxyhexanol, 1-ethoxypropan-2-ol, 2-ethoxypropanol, 2-propoxyethanol, 3-propoxypropanol, 4-propoxybutanol , 5-propoxyhexanol, 1-propoxypropan-2-ol, 2-propoxypropanol, 2-butoxyethanol, 3-butoxypropanol, 4-butoxybutanol, 5-butoxyhexanol, 1-butoxypropan-2-ol, 2 -butoxypropanol and the like.
また、上記特定構造を持つアルコールの具体例としては、2-(2-メトキシエトキシ)エタノール、3-(3-メトキシプロポキシ)プロパノール、4-(4-メトキシブトキシ)ブタノール、5-(5-メトキシヘキシロキシ)ヘキサノール、1-((1-メトキシプロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-オール、2-(2-メトキシプロポキシ)プロパノール、2-(2-エトキシエトキシ)エタノール、3-(3-エトキシプロポキシ)プロパノール、4-(4-エトキシブトキシ)ブタノール、5-(5-エトキシヘキシロキシ)ヘキサノール、1-((1-エトキシプロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-オール、2-(2-エトキシプロポキシ)プロパノール等が挙げられる。 Further, specific examples of alcohols having the above specific structure include 2-(2-methoxyethoxy)ethanol, 3-(3-methoxypropoxy)propanol, 4-(4-methoxybutoxy)butanol, 5-(5-methoxy hexyloxy)hexanol, 1-((1-methoxypropan-2-yl)oxy)propan-2-ol, 2-(2-methoxypropoxy)propanol, 2-(2-ethoxyethoxy)ethanol, 3-(3 -ethoxypropoxy)propanol, 4-(4-ethoxybutoxy)butanol, 5-(5-ethoxyhexyloxy)hexanol, 1-((1-ethoxypropan-2-yl)oxy)propan-2-ol, 2- (2-ethoxypropoxy)propanol and the like.
また、上記特定構造を持つアルコールの具体例としては、2-(2-プロポキシエトキシ)エタノール、3-(3-プロポキシプロポキシ)プロパノール、4-(4-プロポキシブトキシ)ブタノール、5-(5-プロポキシヘキシロキシ)ヘキサノール、1-((1-プロポキシプロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-オール、2-(2-プロポキシプロポキシ)プロパノール、2-(2-ブトキシエトキシ)エタノール、3-(3-ブトキシプロポキシ)プロパノール、4-(4-ブトキシブトキシ)ブタノール、5-(5-ブトキシヘキシロキシ)ヘキサノール、1-((1-ブトキシプロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-オール、2-(2-ブトキシプロポキシ)プロパノール等が挙げられる。 Further, specific examples of alcohols having the above specific structures include 2-(2-propoxyethoxy)ethanol, 3-(3-propoxypropoxy)propanol, 4-(4-propoxybutoxy)butanol, 5-(5-propoxy hexyloxy)hexanol, 1-((1-propoxypropan-2-yl)oxy)propan-2-ol, 2-(2-propoxypropoxy)propanol, 2-(2-butoxyethoxy)ethanol, 3-(3 -butoxypropoxy)propanol, 4-(4-butoxybutoxy)butanol, 5-(5-butoxyhexyloxy)hexanol, 1-((1-butoxypropan-2-yl)oxy)propan-2-ol, 2- (2-butoxypropoxy)propanol and the like.
また、上記特定構造を持つアルコールの具体例としては、2-(2-(2-メトキシエトキシ)エトキシ)エタノール、3-(3-(3-メトキシプロポキシ)プロポキシ)プロパノール、4-(4-(4-メトキシブトキシ)ブトキシ)ブタノール、5-(5-(5-メトキシヘキシロキシ)ヘキシロキシ)ヘキサノール、1-((1-((1-メトキシプロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-オール、2-(2-(2-メトキシプロポキシ)プロポキシ)プロパノール、2-(2-(2-エトキシエトキシ)エトキシ)エタノール、3-(3-(3-エトキシプロポキシ)プロポキシ)プロパノール、4-(4-(4-エトキシブトキシ)ブトキシ)ブタノール、5-(5-(5-エトキシヘキシロキシ)ヘキシロキシ)ヘキサノール、1-((1-((1-エトキシプロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-オール、2-(2-(2-エトキシプロポキシ)プロポキシ)プロパノール等が挙げられる。 Further, specific examples of alcohols having the above specific structure include 2-(2-(2-methoxyethoxy)ethoxy)ethanol, 3-(3-(3-methoxypropoxy)propoxy)propanol, 4-(4-( 4-Methoxybutoxy)butoxy)butanol, 5-(5-(5-methoxyhexyloxy)hexyloxy)hexanol, 1-((1-((1-methoxypropan-2-yl)oxy)propan-2-yl) oxy)propan-2-ol, 2-(2-(2-methoxypropoxy)propoxy)propanol, 2-(2-(2-ethoxyethoxy)ethoxy)ethanol, 3-(3-(3-ethoxypropoxy)propoxy ) propanol, 4-(4-(4-ethoxybutoxy)butoxy)butanol, 5-(5-(5-ethoxyhexyloxy)hexyloxy)hexanol, 1-((1-((1-ethoxypropan-2-yl )oxy)propan-2-yl)oxy)propan-2-ol, 2-(2-(2-ethoxypropoxy)propoxy)propanol and the like.
また、上記特定構造を持つアルコールの具体例としては、2-(2-(2-プロポキシエトキシ)エトキシ)エタノール、3-(3-(3-プロポキシプロポキシ)プロポキシ)プロパノール、4-(4-(4-プロポキシブトキシ)ブトキシ)ブタノール、5-(5-(5-プロポキシヘキシロキシ)ヘキシロキシ)ヘキサノール、1-((1-((1-プロポキシプロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-オール、2-(2-(2-プロポキシプロポキシ)プロポキシ)プロパノール、2-(2-(2-ブトキシエトキシ)エトキシ)エタノール、3-(3-(3-ブトキシプロポキシ)プロポキシ)プロパノール、4-(4-(4-ブトキシブトキシ)ブトキシ)ブタノール、5-(5-(5-ブトキシヘキシロキシ)ヘキシロキシ)ヘキサノール、1-((1-((1-ブトキシプロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-オール、2-(2-(2-ブトキシプロポキシ)プロポキシ)プロパノール等が挙げられる。 Further, specific examples of alcohols having the above specific structure include 2-(2-(2-propoxyethoxy)ethoxy)ethanol, 3-(3-(3-propoxypropoxy)propoxy)propanol, 4-(4-( 4-propoxybutoxy)butoxy)butanol, 5-(5-(5-propoxyhexyloxy)hexyloxy)hexanol, 1-((1-((1-propoxypropan-2-yl)oxy)propan-2-yl) oxy)propan-2-ol, 2-(2-(2-propoxypropoxy)propoxy)propanol, 2-(2-(2-butoxyethoxy)ethoxy)ethanol, 3-(3-(3-butoxypropoxy)propoxy ) propanol, 4-(4-(4-butoxybutoxy)butoxy)butanol, 5-(5-(5-butoxyhexyloxy)hexyloxy)hexanol, 1-((1-((1-butoxypropan-2-yl )oxy)propan-2-yl)oxy)propan-2-ol, 2-(2-(2-butoxypropoxy)propoxy)propanol and the like.
上述した一般式(1)および一般式(2)中の金属原子M、すなわち、ポリメタロキサン(α)中の金属原子Mは、Al、TiおよびZrからなる群より選ばれる金属原子を1種類以上含むことが好ましい。これにより、ポリメタロキサン(α)の合成原料となる金属アルコキシドが安定に存在するため、高分子量のポリメタロキサン(α)を得ることが容易となる。 The metal atom M in the general formulas (1) and (2) described above, that is, the metal atom M in the polymetalloxane (α) is one kind of metal atom selected from the group consisting of Al, Ti and Zr. It is preferable to include the above. As a result, the metal alkoxide as a raw material for synthesizing the polymetalloxane (α) is stably present, making it easy to obtain the polymetalloxane (α) having a high molecular weight.
また、ポリメタロキサン(α)中の金属原子MにZr(ジルコニウム原子)が含まれる場合、ポリメタロキサン(α)に含まれる全ての金属原子MのうちのZrの比率は、10mol%以上100mol%以下の範囲であることが好ましい。当該Zrの比率を上記の範囲とすることにより、強化用繊維含有セラミックス組成物(X)中で二酸化ジルコニウムの結晶が生じる。二酸化ジルコニウムの融点は2715℃という高温であるため、耐熱性に優れた強化用繊維含有セラミックス組成物(X)を得ることができる。さらには、高靭性のセラミックス前駆体ポリマー(A)を得ることができ、これにより、セラミックス前駆体ポリマー(A)の焼成時におけるクラックをより発生し難くすることができる。なお、ポリメタロキサン(α)に含まれる当該Zrの比率は、20mol%以上であることがより好ましく、30mol%以上であることが特に好ましい。 Further, when Zr (zirconium atom) is contained in the metal atoms M in the polymetalloxane (α), the ratio of Zr among all the metal atoms M contained in the polymetalloxane (α) is 10 mol% or more and 100 mol. % or less. By setting the ratio of Zr in the above range, crystals of zirconium dioxide are generated in the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X). Since the melting point of zirconium dioxide is as high as 2715° C., a reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) having excellent heat resistance can be obtained. Furthermore, it is possible to obtain a ceramic precursor polymer (A) with high toughness, thereby making it more difficult for cracks to occur during firing of the ceramic precursor polymer (A). The ratio of Zr contained in the polymetalloxane (α) is more preferably 20 mol % or more, particularly preferably 30 mol % or more.
(ポリメタロキサン(α)の合成方法)
本発明におけるポリメタロキサン(α)の合成方法は、特に制限はないが、下記一般式(4)で表される化合物および下記一般式(5)で表される化合物のうち少なくとも一つを、必要に応じて加水分解し、その後、部分縮合および重合させる縮重合工程を含むことが好ましい。
(Method for synthesizing polymetalloxane (α))
The method for synthesizing the polymetalloxane (α) in the present invention is not particularly limited, but at least one of the compounds represented by the following general formula (4) and the following general formula (5) It is preferable to include a polycondensation step of hydrolyzing as necessary, followed by partial condensation and polymerization.
一般式(4)および一般式(5)において、R5は、上述した一般式(1)中のR1と同一であり、R6は、上述した一般式(2)中のR3と同一である。 In general formulas (4) and (5), R 5 is the same as R 1 in general formula (1) above, and R 6 is the same as R 3 in general formula (2) above. is.
本発明において、部分縮合とは、加水分解物中の全てのM-OHを縮合させるのではなく、得られるポリメタロキサン(α)中に、上記全てのM-OHのうち一部のM-OHを残存させることを指す。後述する一般的な縮合条件であれば、ポリメタロキサン(α)中に上記一部のM-OHが残存することは、一般的なことである。残存させるM-OHの量は、特に制限されない。 In the present invention, partial condensation does not mean that all M-OH in the hydrolyzate is condensed, but part of all M-OH in the resulting polymetalloxane (α). It refers to leaving OH. Under general condensation conditions, which will be described later, it is common for some of the M-OH to remain in the polymetalloxane (α). The amount of M-OH to remain is not particularly limited.
一般式(4)で表される化合物としては、特に制限はないが、国際公開第2017/90512号に記載された金属アルコキシド等が挙げられる。 The compound represented by the general formula (4) is not particularly limited, and examples thereof include metal alkoxides described in International Publication No. 2017/90512.
一般式(5)で表される化合物としては、特に制限はないが、同文献における一般式(2)で表される化合物として例示された化合物等が挙げられる。例示された化合物の中でも、特に、トリプロポキシ(トリメチルシロキシ)チタン、トリイソプロポキシ(トリメチルシロキシ)チタン、トリブトキシ(トリメチルシロキシ)チタン、トリプロポキシ(トリメチルシロキシ)ジルコニウム、トリイソプロポキシ(トリメチルシロキシ)ジルコニウム、トリブトキシ(トリメチルシロキシ)ジルコニウム、ジプロポキシ(トリメチルシロキシ)アルミニウム、ジイソプロポキシ(トリメチルシロキシ)アルミニウム、ジブトキシ(トリメチルシロキシ)アルミニウム、ジ-s-ブトキシ(トリメチルシロキシ)アルミニウムが、一般式(5)で表される化合物として好ましく用いられる。 The compound represented by the general formula (5) is not particularly limited, but examples thereof include the compounds exemplified as the compound represented by the general formula (2) in the literature. Tripropoxy(trimethylsiloxy)titanium, triisopropoxy(trimethylsiloxy)titanium, tributoxy(trimethylsiloxy)titanium, tripropoxy(trimethylsiloxy)zirconium, triisopropoxy(trimethylsiloxy)zirconium, among other exemplified compounds, Tributoxy(trimethylsiloxy)zirconium, dipropoxy(trimethylsiloxy)aluminum, diisopropoxy(trimethylsiloxy)aluminum, dibutoxy(trimethylsiloxy)aluminum, and di-s-butoxy(trimethylsiloxy)aluminum are represented by the general formula (5). It is preferably used as a compound that
上記各化合物の加水分解、部分縮合および重合には、一般的な方法を用いることができる。例えば、加水分解の反応条件は、溶媒中、上記金属アルコキシドに水を1~180分かけて添加した後、室温~110℃で1~180分、反応させる、という条件であることが好ましい。このような条件で加水分解反応を行うことにより、加水分解の急激な反応を抑制することができる。加水分解の反応温度は、30℃~150℃であることが好ましい。また、加水分解の際には、必要に応じて触媒を添加してもよい。 General methods can be used for hydrolysis, partial condensation and polymerization of the above compounds. For example, the reaction conditions for hydrolysis are preferably such that water is added to the metal alkoxide in a solvent over 1 to 180 minutes, and then reacted at room temperature to 110° C. for 1 to 180 minutes. By carrying out the hydrolysis reaction under such conditions, rapid hydrolysis reaction can be suppressed. The hydrolysis reaction temperature is preferably 30°C to 150°C. Moreover, in the case of hydrolysis, a catalyst may be added as necessary.
また、部分縮合および重合の反応条件は、上記金属アルコキシドの加水分解反応により加水分解体を得た後、反応液をそのまま50℃~180℃で1~100時間、加熱する、という条件であることが好ましい。また、ポリメタロキサン(α)の重合度を上げるために、再加熱または触媒を添加しても構わない。また、必要に応じて加水分解反応後に、生成アルコール等を加熱および減圧のうち少なくとも一方によって適量、留出させて除去し、その後に任意の溶媒を添加しても構わない。 Further, the reaction conditions for the partial condensation and polymerization are such that after the hydrolyzate is obtained by the hydrolysis reaction of the metal alkoxide, the reaction solution is heated as it is at 50° C. to 180° C. for 1 to 100 hours. is preferred. Moreover, in order to increase the degree of polymerization of the polymetalloxane (α), it may be reheated or a catalyst may be added. Further, if necessary, after the hydrolysis reaction, an appropriate amount of the produced alcohol or the like may be distilled off by at least one of heating and pressure reduction, and then an arbitrary solvent may be added.
上記の溶媒としては、特に限定されるものではないが、アルコール性水酸基を有する化合物(すなわちアルコール系溶媒)やエステル類、エーテル類、ケトン類が好適に用いられる。これらの溶媒を用いることにより、ポリメタロキサン(α)の安定性を向上させることができる。 Although the solvent is not particularly limited, compounds having an alcoholic hydroxyl group (that is, alcoholic solvents), esters, ethers, and ketones are preferably used. By using these solvents, the stability of polymetalloxane (α) can be improved.
アルコール系溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、n-プロパノール、イソプロパノール、n-ブタノール、イソブタノール、t-ブタノール、アセトール、3-ヒドロキシ-3-メチル-2-ブタノン、5-ヒドロキシ-2-ペンタノン、4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノン(ジアセトンアルコール)、乳酸エチル、乳酸ブチル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノn-プロピルエーテル、プロピレングリコールモノn-ブチルエーテル、プロピレングリコールモノt-ブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、3-メトキシ-1-ブタノール、3-メチル-3-メトキシ-1-ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコールモノn-ブチルエーテル、トリプロピレングリコールモノn-ブチルエーテル等が挙げられる。 Examples of alcohol solvents include methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, isobutanol, t-butanol, acetol, 3-hydroxy-3-methyl-2-butanone, 5-hydroxy-2-pentanone. , 4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone (diacetone alcohol), ethyl lactate, butyl lactate, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, propylene glycol mono-n-propyl ether, propylene glycol mono-n-butyl ether, Propylene glycol mono-t-butyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, 3-methoxy-1-butanol, 3-methyl-3-methoxy-1-butanol, ethylene glycol, propylene glycol, dipropylene Glycol mono-n-butyl ether, tripropylene glycol mono-n-butyl ether and the like can be mentioned.
エステル類の溶媒としては、例えば、酢酸エチル、酢酸-n-プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸-n-ブチル、酢酸イソブチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、3-メトキシ-1-ブチルアセテート、3-メチル-3-メトキシ-1-ブチルアセテート、アセト酢酸エチル、シクロヘキサノールアセテート等が挙げられる。 Ester solvents include, for example, ethyl acetate, n-propyl acetate, isopropyl acetate, n-butyl acetate, isobutyl acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, 3-methoxy-1-butyl acetate, 3-methyl-3 -Methoxy-1-butyl acetate, ethyl acetoacetate, cyclohexanol acetate and the like.
エーテル類の溶媒としては、例えば、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジn-ブチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、ジプロピレングリコールジメチルエーテル等が挙げられる。 Examples of ether solvents include diethyl ether, diisopropyl ether, di-n-butyl ether, diphenyl ether, diethylene glycol ethyl methyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, dipropylene glycol dimethyl ether, and the like. is mentioned.
ケトン類の溶媒としては、例えば、メチルイソブチルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセチルアセトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、シクロヘプタノン、ジシクロヘキシルケトン等が挙げられる。 Examples of solvents for ketones include methyl isobutyl ketone, diisopropyl ketone, diisobutyl ketone, acetylacetone, cyclopentanone, cyclohexanone, cycloheptanone, and dicyclohexyl ketone.
その他の好ましく使用できる溶媒としては、例えば、炭酸プロピレン、N-メチルピロリドン等が挙げられる。 Other solvents that can be preferably used include, for example, propylene carbonate and N-methylpyrrolidone.
また、加水分解反応に用いる水の添加量を調整することにより、一般式(3)で表される化合物および一般式(4)で表される化合物のうち少なくとも一方の加水分解率を調整することができる。当該水の添加量は、アルコキシ基の1molに対して0.1mol以上2mol以下であることが好ましい。 Further, the hydrolysis rate of at least one of the compound represented by the general formula (3) and the compound represented by the general formula (4) can be adjusted by adjusting the amount of water used for the hydrolysis reaction. can be done. The amount of water to be added is preferably 0.1 mol or more and 2 mol or less per 1 mol of the alkoxy group.
また、必要に応じて添加される上記触媒としては、特に制限はないが、酸性触媒または塩基性触媒が好ましく用いられる。酸触媒の具体例としては、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、リン酸、酢酸、トリフルオロ酢酸、ギ酸、多価カルボン酸あるいはその無水物、イオン交換樹脂が挙げられる。塩基触媒の具体例としては、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、トリヘプチルアミン、トリオクチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジイソブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジヘプチルアミン、ジオクチルアミン、トリエタノールアミン、ジエタノールアミン、ジシクロヘキシルアミン、ジシクロヘキシルメチルアミン、2,6-ルチジン、2,2,4,4-テトラメチルピペリジン、2,2,4,4-テトラメチルピペリドン、アミノ基を有するアルコキシシラン、イオン交換樹脂が挙げられる。 The catalyst added as necessary is not particularly limited, but an acidic catalyst or a basic catalyst is preferably used. Specific examples of acid catalysts include hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, acetic acid, trifluoroacetic acid, formic acid, polyvalent carboxylic acids or their anhydrides, and ion exchange resins. Specific examples of basic catalysts include triethylamine, tripropylamine, tributylamine, tripentylamine, trihexylamine, triheptylamine, trioctylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, diisobutylamine, dipentylamine, and dihexylamine. , diheptylamine, dioctylamine, triethanolamine, diethanolamine, dicyclohexylamine, dicyclohexylmethylamine, 2,6-lutidine, 2,2,4,4-tetramethylpiperidine, 2,2,4,4-tetramethylpipe Lydone, alkoxysilanes having an amino group, and ion exchange resins can be mentioned.
これらの中でも、より好ましい触媒は、塩基触媒である。塩基触媒を用いることにより、特に高分子量のポリメタロキサン(α)を得ることができる。塩基触媒の中でも、トリプロピルアミン、トリイソブチルアミン、トリペンチルアミン、トリイソペンチルアミン、トリヘキシルアミン、トリヘプチルアミン、トリオクチルアミン、ジブチルアミン、ジイソブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジヘプチルアミン、ジオクチルアミン、ジシクロヘキシルアミン、ジシクロヘキシルメチルアミン、2,6-ルチジン、2,2,4,4-テトラメチルピペリジン、2,2,4,4-テトラメチルピペリドンが特に好ましい。 Among these, more preferred catalysts are base catalysts. By using a basic catalyst, a polymetalloxane (α) having a particularly high molecular weight can be obtained. Among the base catalysts, tripropylamine, triisobutylamine, tripentylamine, triisopentylamine, trihexylamine, triheptylamine, trioctylamine, dibutylamine, diisobutylamine, dipentylamine, dihexylamine, diheptylamine, Dioctylamine, dicyclohexylamine, dicyclohexylmethylamine, 2,6-lutidine, 2,2,4,4-tetramethylpiperidine, 2,2,4,4-tetramethylpiperidone are particularly preferred.
(有機溶剤)
本発明の実施形態に係る強化用繊維含有セラミックス組成物(X)に用いられるセラミックス前駆体ポリマー(A)は、上述したポリメタロキサン(α)に加えて有機溶媒を含有することが好ましい。これにより、セラミックス前駆体ポリマー(A)の粘度を所望の粘度に調整することができる。この結果、セラミックス前駆体ポリマー(A)は、強化用繊維(B)への含浸に適した流動性を有することができる。以下では、説明の便宜上、セラミックス前駆体ポリマー(A)に含まれる有機溶剤を有機溶剤(β)と称する場合がある。
(Organic solvent)
The ceramic precursor polymer (A) used in the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) according to the embodiment of the present invention preferably contains an organic solvent in addition to the polymetalloxane (α) described above. Thereby, the viscosity of the ceramic precursor polymer (A) can be adjusted to a desired viscosity. As a result, the ceramic precursor polymer (A) can have fluidity suitable for impregnation into the reinforcing fibers (B). Hereinafter, for convenience of explanation, the organic solvent contained in the ceramic precursor polymer (A) may be referred to as the organic solvent (β).
このような有機溶剤(β)としては、ポリメタロキサン(α)の合成で得られるポリメタロキサン溶液に含まれる溶媒を用いることができる。または、有機溶剤(β)は、ポリメタロキサン溶液に追加してもよい。 As such an organic solvent (β), a solvent contained in the polymetalloxane solution obtained in the synthesis of the polymetalloxane (α) can be used. Alternatively, the organic solvent (β) may be added to the polymetalloxane solution.
有機溶剤(β)は、特に制限されないが、ポリメタロキサン(α)の合成で用いられた溶剤と同様のものであることが好ましい。さらに好ましい有機溶剤(β)は、非プロトン極性溶剤である。有機溶剤(β)として非プロトン性極性溶剤を用いることにより、ポリメタロキサン(α)と有機溶剤(β)との相互作用が生じるため、これらを含有するセラミックス前駆体ポリマー(A)の粘度を高いものとすることができる。これにより、セラミックス前駆体ポリマー(A)は、強化用繊維(B)に含浸した際、強化用繊維(B)の繊維間に留まり易くなる。 Although the organic solvent (β) is not particularly limited, it is preferably the same solvent as used in the synthesis of the polymetalloxane (α). More preferred organic solvents (β) are aprotic polar solvents. By using an aprotic polar solvent as the organic solvent (β), an interaction between the polymetalloxane (α) and the organic solvent (β) occurs. can be high. This makes it easier for the ceramic precursor polymer (A) to stay between the reinforcing fibers (B) when impregnated into the reinforcing fibers (B).
非プロトン性極性溶剤の具体例として、例えば、アセトン、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、ジメトキシエタン、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド(DMAc、165℃)、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、テトラメチル尿素、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、ジメチルスルホキシド、N-メチルピロリドン、γ-ブチロラクトン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、炭酸プロピレン、N,N’-ジメチルプロピレン尿素等が挙げられる。 Specific examples of aprotic polar solvents include acetone, tetrahydrofuran, ethyl acetate, dimethoxyethane, N,N-dimethylformamide, dimethylacetamide (DMAc, 165°C), dipropylene glycol dimethyl ether, tetramethyl urea, diethylene glycol ethylmethyl. Ether, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone, γ-butyrolactone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate, N,N'-dimethylpropylene urea and the like.
(他の成分)
本発明の実施形態に係る強化用繊維含有セラミックス組成物(X)に用いられるセラミックス前駆体ポリマー(A)は、上述したポリメタロキサン(α)等に加え、その他の成分を含有していてもよい。その他の成分としては、界面活性剤、架橋剤、架橋促進剤等が挙げられる。
(other ingredients)
The ceramic precursor polymer (A) used in the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) according to the embodiment of the present invention may contain other components in addition to the polymetalloxane (α) and the like described above. good. Other components include surfactants, cross-linking agents, cross-linking accelerators, and the like.
界面活性剤は、セラミックス前駆体ポリマー(A)中の有機溶剤(β)の乾燥速度を制御するために用いられることが好ましい。界面活性剤は、セラミックス前駆体ポリマー(A)等を含有する強化用繊維含有セラミックス組成物(X)に残存していてもよいし、この強化用繊維含有セラミックス組成物(X)を焼成する等して得られる繊維強化セラミックス基複合体に残存していてもよい。 A surfactant is preferably used to control the drying speed of the organic solvent (β) in the ceramic precursor polymer (A). The surfactant may remain in the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) containing the ceramic precursor polymer (A), etc., or the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) may be fired. may remain in the fiber-reinforced ceramic matrix composite obtained by
界面活性剤の種類には、特に制限はない。例えば、界面活性剤として、“メガファック(登録商標)”F142D、同F172、同F173、同F183、同F444、同F445、同F470、同F475、同F477(以上、DIC社製)、NBX-15、FTX-218、DFX-18(ネオス社製)等のフッ素系界面活性剤、BYK-333、BYK-301、BYK-331、BYK-345、BYK-307(ビックケミージャパン社製)等のシリコーン系界面活性剤、ポリアルキレンオキシド系界面活性剤、ポリ(メタ)アクリレート系界面活性剤等を用いることができる。界面活性剤としては、これらを2種類以上用いてもよい。 The type of surfactant is not particularly limited. For example, as a surfactant, "Megafac (registered trademark)" F142D, F172, F173, F183, F444, F445, F470, F475, F477 (manufactured by DIC Corporation), NBX- 15, fluorine-based surfactants such as FTX-218 and DFX-18 (manufactured by Neos), BYK-333, BYK-301, BYK-331, BYK-345, BYK-307 (manufactured by BYK-Chemie Japan), etc. Silicone-based surfactants, polyalkylene oxide-based surfactants, poly(meth)acrylate-based surfactants, and the like can be used. Two or more of these surfactants may be used.
また、セラミックス前駆体ポリマー(A)中の界面活性剤の含有量は、ポリメタロキサン(α)の100重量部に対して、0.001重量部以上10重量部以下であることが好ましく、0.01重量部以上1重量部以下であることがより好ましい。 Further, the content of the surfactant in the ceramic precursor polymer (A) is preferably 0.001 parts by weight or more and 10 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the polymetalloxane (α). It is more preferably 0.01 part by weight or more and 1 part by weight or less.
架橋剤および架橋促進剤は、セラミックス前駆体ポリマー(A)の焼結体の強度を向上させるために用いられることが好ましい。架橋剤および架橋促進剤の種類には、特に制限はない。例えば、架橋剤および架橋促進剤として、モノ-s-ブトキシアルミニウムジイソプロピレート、アルミニウム-s-ブチレート、エチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート、アルミニウムトリス(エチルアセテート)、アルキルアセトアルミニウムジイソプロピレート、アルミニウムモノアセチルアセトネートビス(エチルアセトアセテート)、アルミニウムトリス(アセチルアセトネート)、ジルコニウムトリス(アセチルアセテート)、ジルコニウムトリス(エチルアセトアセテート)、チタントリス(アセチルアセテート)、チタントリス(エチルアセトアセテート)等を用いることができる。 The cross-linking agent and cross-linking accelerator are preferably used to improve the strength of the sintered body of the ceramic precursor polymer (A). There are no particular restrictions on the types of cross-linking agents and cross-linking accelerators. For example, as cross-linking agents and cross-linking accelerators, mono-s-butoxyaluminum diisopropylate, aluminum-s-butyrate, ethylacetoacetate aluminum diisopropylate, aluminum tris(ethyl acetate), alkylacetoaluminum diisopropylate, aluminum mono Acetylacetonate bis (ethylacetoacetate), aluminum tris (acetylacetonate), zirconium tris (acetylacetate), zirconium tris (ethylacetoacetate), titanium tris (acetylacetate), titanium tris (ethylacetoacetate), etc. are used. be able to.
また、セラミックス前駆体ポリマー(A)中の架橋剤および架橋促進剤の含有量は、合計量で、ポリメタロキサン(α)の100重量部に対して、0.1重量部以上50重量部以下であることが好ましく、1重量部以上20重量部以下であることがさらに好ましい。架橋剤および架橋促進剤は、それぞれ単独で用いてもよいし、両者を組み合わせて用いてもよい。 The total content of the cross-linking agent and the cross-linking accelerator in the ceramic precursor polymer (A) is 0.1 parts by weight or more and 50 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the polymetalloxane (α). and more preferably 1 part by weight or more and 20 parts by weight or less. The cross-linking agent and the cross-linking accelerator may be used alone or in combination.
(強化用繊維(B))
強化用繊維(B)は、強化用繊維含有セラミックス組成物(X)を構成する一成分である。強化用繊維含有セラミックス組成物(X)において、強化用繊維(B)は、上述したセラミックス前駆体ポリマー(A)を含浸した状態となっている。強化用繊維(B)は、含浸したセラミックス前駆体ポリマー(A)の焼結体の強度および靭性等の物性を強化する。
(Reinforcing fiber (B))
The reinforcing fiber (B) is one component constituting the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X). In the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X), the reinforcing fibers (B) are impregnated with the ceramic precursor polymer (A) described above. The reinforcing fibers (B) reinforce physical properties such as strength and toughness of the sintered body of the impregnated ceramic precursor polymer (A).
例えば、強化用繊維(B)としては、炭化ケイ素繊維(SiC繊維)、金属繊維、セラミックス繊維、ポリメタロキサンからなる繊維、ポリメタロキサンの焼成体からなる繊維等が挙げられる。SiC繊維としては、公知のものを用いることができる。金属繊維としては、Al、Ti、Cr、Fe、Ni、Cu等の金属または合金を含有する公知の金属繊維を用いることができる。これらの中でも、強化用繊維(B)は、セラミックス繊維、ポリメタロキサンからなる繊維、ポリメタロキサンの焼成体からなる繊維のうちより選ばれる1種類以上であることが好ましい。 Examples of reinforcing fibers (B) include silicon carbide fibers (SiC fibers), metal fibers, ceramic fibers, fibers made of polymetalloxane, and fibers made of a sintered body of polymetalloxane. A known SiC fiber can be used. As the metal fibers, known metal fibers containing metals or alloys such as Al, Ti, Cr, Fe, Ni, and Cu can be used. Among these, the reinforcing fiber (B) is preferably one or more selected from ceramic fiber, polymetalloxane fiber, and polymetalloxane sintered body fiber.
セラミックス繊維としては、高耐熱性の観点から、Al、Ti、Zr等の金属の酸化物を含有する酸化物系セラミックス繊維が好ましい。このような酸化物系セラミックス繊維の中でも、強化用繊維(B)は、Al2O3等のアルミニウム酸化物を含有するアルミナ系セラミックス繊維であることがより好ましい。さらには、入手し易さの観点から、強化用繊維(B)は、アルミナ繊維またはムライト繊維であることが特に好ましい。 From the viewpoint of high heat resistance, the ceramic fibers are preferably oxide-based ceramic fibers containing oxides of metals such as Al, Ti, and Zr. Among such oxide-based ceramic fibers, the reinforcing fibers (B) are more preferably alumina-based ceramic fibers containing an aluminum oxide such as Al 2 O 3 . Furthermore, from the viewpoint of availability, the reinforcing fiber (B) is particularly preferably alumina fiber or mullite fiber.
ポリメタロキサンからなる繊維(以下、ポリメタロキサン繊維という)は、ポリメタロキサン含有組成物を紡糸して得られる糸状物によって構成される繊維である。ポリメタロキサン含有組成物は、ポリメタロキサンと有機溶剤等の成分とを含有する組成物である。ポリメタロキサン含有組成物中のポリメタロキサンは、上述したポリメタロキサン(a)と同じものであっても異なるものであってもよい。また、ポリメタロキサン含有組成物中のポリメタロキサン以外の上記成分は、上述したセラミックス前駆体ポリマー(A)に含有され得る有機溶剤(β)や他の成分と同じものであってもよいし異なるものであってもよい。 A fiber made of polymetalloxane (hereinafter referred to as a polymetalloxane fiber) is a fiber composed of a filamentous material obtained by spinning a polymetalloxane-containing composition. A polymetalloxane-containing composition is a composition containing a polymetalloxane and a component such as an organic solvent. The polymetalloxane in the polymetalloxane-containing composition may be the same as or different from polymetalloxane (a) described above. Further, the components other than polymetalloxane in the polymetalloxane-containing composition may be the same as the organic solvent (β) and other components that may be contained in the ceramic precursor polymer (A) described above. It can be different.
ポリメタロキサン含有組成物を紡糸して糸状物を得る紡糸工程では、公知の紡糸方法を用いることができる。例えば、この紡糸方法として、乾式紡糸法、湿式紡糸法、乾湿式紡糸法、エレクトロスピニング法が挙げられる。 A known spinning method can be used in the spinning step of spinning the polymetalloxane-containing composition to obtain a filamentous material. For example, the spinning method includes a dry spinning method, a wet spinning method, a dry-wet spinning method, and an electrospinning method.
乾式紡糸法とは、ポリメタロキサン含有組成物を充填し、細孔を有する口金から負荷によって雰囲気中に押し出し、有機溶剤を蒸発させて糸状物とする方法である。この方法では、ポリメタロキサン含有組成物を充填後に加熱し、押し出しの際に粘度を低減させてもよい。また、ポリメタロキサン含有組成物を加熱雰囲気中に押し出し、有機溶剤の蒸発速度を制御してもよい。ポリメタロキサン含有組成物を押し出し後に、糸状物を回転するローラーや高速の空気流により延伸することもできる。 The dry spinning method is a method of filling a polymetalloxane-containing composition, extruding it into the atmosphere from a spinneret having fine pores under a load, and evaporating the organic solvent to form a filamentous material. In this method, the polymetalloxane-containing composition may be heated after filling to reduce viscosity during extrusion. Alternatively, the polymetalloxane-containing composition may be extruded into a heated atmosphere to control the evaporation rate of the organic solvent. After extruding the polymetalloxane-containing composition, the filamentous material can be stretched by rotating rollers or high-speed airflow.
湿式紡糸とは、ポリメタロキサン含有組成物を、細孔を有する口金から負荷によって凝固浴中に押し出し、有機溶剤を除去し、糸状物とする方法である。凝固浴としては、水や極性溶剤が好ましく用いられる。また、乾湿式紡糸とは、ポリメタロキサン含有組成物を、雰囲気中に押し出し、その後、凝固浴に浸漬し、有機溶剤を除去し、糸状物とする方法である。 Wet spinning is a method in which a polymetalloxane-containing composition is extruded from a spinneret having fine pores into a coagulation bath under a load to remove the organic solvent and form a filamentous material. Water or a polar solvent is preferably used as the coagulation bath. Dry-wet spinning is a method in which the polymetalloxane-containing composition is extruded into an atmosphere, and then immersed in a coagulation bath to remove the organic solvent to form filaments.
エレクトロスピニング法とは、ポリメタロキサン含有組成物を充填したノズルに高電圧を印加することによって、ノズル先端の液滴に電荷がたまり、それが互いに反発することで液滴が広がり、溶液流が引き伸ばされることで紡糸する方法である。この方法では、細径の糸状物を得ることが可能である。そのため、エレクトロスピニング法によると、数十nm~数μmの径の細い糸状物を得ることができる。 In the electrospinning method, by applying a high voltage to a nozzle filled with a polymetalloxane-containing composition, a charge accumulates in the droplet at the tip of the nozzle. It is a method of spinning by being stretched. With this method, it is possible to obtain filaments with a small diameter. Therefore, according to the electrospinning method, it is possible to obtain a fine filamentous material with a diameter of several tens of nanometers to several microns.
これらの中でも、上記紡糸工程での紡糸方法としては、特に、乾式紡糸法またはエレクトロスピニング法を好ましく用いることができる。また、上記紡糸工程では、得られた糸状物に対して、乾燥処理、水蒸気処理、熱水処理、或いはこれらを組み合わせた処理が必要に応じて行われてもよい。 Among these, the dry spinning method or the electrospinning method can be preferably used as the spinning method in the spinning step. Moreover, in the above-mentioned spinning step, the obtained filamentous material may be subjected to drying treatment, steam treatment, hot water treatment, or a combination of these treatments, if necessary.
ポリメタロキサンの焼成体からなる繊維(以下、金属酸化物繊維という)は、上述した紡糸工程によるポリメタロキサン含有組成物の糸状物をさらに焼成する等の手法によって得られる繊維である。 A fiber composed of a fired body of polymetalloxane (hereinafter referred to as a metal oxide fiber) is a fiber obtained by a method such as further firing the filamentous material of the polymetalloxane-containing composition obtained by the spinning process described above.
金属酸化物繊維を得るための焼成工程では、上述した紡糸工程において紡糸して得られた糸状物が、例えば200℃以上2000℃以下の温度で焼成される。これにより、架橋反応の進行とともに、有機基等の有機成分が上記糸状物から除去される。この結果、強度に優れた金属酸化物繊維を得ることができる。この焼成工程における焼成の温度は、より好ましくは、400℃以上1500℃以下である。 In the firing step for obtaining the metal oxide fiber, the filamentous material obtained by spinning in the spinning step described above is fired at a temperature of, for example, 200°C or higher and 2000°C or lower. As a result, the organic component such as the organic group is removed from the filamentous material as the cross-linking reaction progresses. As a result, a metal oxide fiber having excellent strength can be obtained. The firing temperature in this firing step is more preferably 400° C. or higher and 1500° C. or lower.
上記焼成工程における糸状物の焼成方法は、特に制限されるものではない。例えば、この焼成方法として、空気雰囲気中で焼成する方法や、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気中で焼成する方法や、真空中で焼成する方法等が挙げられる。 A method for firing the filamentous material in the firing step is not particularly limited. Examples of the sintering method include a method of sintering in an air atmosphere, a method of sintering in an inert atmosphere such as nitrogen or argon, and a method of sintering in a vacuum.
また、上記焼成工程では、得られた金属酸化物繊維を水素のような還元雰囲気中でさらに焼成してもよい。また、上記焼成工程では、糸状物に張力を加えながら、当該糸状物を焼成してもよい。このような方法により、連続した緻密な金属酸化物繊維を得ることができる。 Moreover, in the firing step, the obtained metal oxide fibers may be further fired in a reducing atmosphere such as hydrogen. Moreover, in the firing step, the filamentous material may be fired while applying tension to the filamentous material. By such a method, continuous and dense metal oxide fibers can be obtained.
強化用繊維(B)が上述の金属酸化物繊維である場合、金属酸化物繊維の製造に供されるポリメタロキサン含有組成物は、有機高分子を含むことが好ましい。有機高分子とは、主鎖に炭素を含む高分子を指す。有機高分子の具体例として、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、セルロース、アクリル樹脂、セルロース等が挙げられる。 When the reinforcing fibers (B) are the metal oxide fibers described above, the polymetalloxane-containing composition used for producing the metal oxide fibers preferably contains an organic polymer. An organic polymer refers to a polymer containing carbon in its main chain. Specific examples of organic polymers include polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, cellulose, acrylic resin, and cellulose.
ポリメタロキサン含有組成物中の有機高分子の含有量は、当該ポリメタロキサン含有組成物中に含まれるポリメタロキサンの重量に対し、1重量%以下であることが好ましく、0.5重量%以下であることがさらに好ましい。有機高分子を上記の濃度で含ませることで、上記焼成工程において、得られる金属酸化物繊維の空孔や亀裂の発生を抑制することができる。これにより、当該金属酸化物繊維の強度が向上する。 The content of the organic polymer in the polymetalloxane-containing composition is preferably 1% by weight or less, and 0.5% by weight, based on the weight of the polymetalloxane contained in the polymetalloxane-containing composition. More preferably: By including the organic polymer at the above concentration, it is possible to suppress the occurrence of voids and cracks in the obtained metal oxide fiber in the above baking step. This improves the strength of the metal oxide fiber.
また、上記金属酸化物繊維の製造に供されるポリメタロキサン含有組成物は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属をいずれも含まないことが好ましい。アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属が当該組成物中に含まれると、上記焼成工程において、架橋度の低下を引き起こす。このため、アルカリ金属およびアルカリ土類金属をいずれも含まないことにより、高架橋となり、得られる金属酸化物繊維の強度が向上する。上記金属酸化物繊維の製造に供されるポリメタロキサン含有組成物は、Na、Mg、KおよびCaの各原子をいずれも含まないことが特に好ましい。 Moreover, the polymetalloxane-containing composition used for the production of the metal oxide fiber preferably contains neither alkali metals nor alkaline earth metals. When alkali metals or alkaline earth metals are contained in the composition, the degree of cross-linking is lowered in the baking step. Therefore, by containing neither an alkali metal nor an alkaline earth metal, a high cross-link is formed, and the strength of the obtained metal oxide fiber is improved. It is particularly preferred that the polymetalloxane-containing composition used for producing the metal oxide fiber does not contain any of Na, Mg, K and Ca atoms.
また、上記金属酸化物繊維の製造に供されるポリメタロキサン含有組成物は、珪酸、珪酸塩、シリカゲル、珪酸エステル、ホウ酸、ホウ酸塩およびホウ酸エステルをいずれも含まないことが好ましい。ポリメタロキサン含有組成物が上記の化合物を含むことにより、得られる金属酸化物繊維の低融点化を引き起こす。そのため、上記化合物を含まないことにより、高融点の金属酸化物繊維となり、当該金属酸化物繊維の耐熱性が向上する。 The polymetalloxane-containing composition used for producing the metal oxide fiber preferably contains no silicic acid, silicate, silica gel, silicic acid ester, boric acid, borate, or borate ester. Including the above compound in the polymetalloxane-containing composition causes the metal oxide fiber to be obtained to have a low melting point. Therefore, by not including the above compound, the metal oxide fiber has a high melting point, and the heat resistance of the metal oxide fiber is improved.
上述したような強化用繊維(B)の繊維径は、例えば、強化用繊維(B)を構成する複数の糸状繊維の平均繊維径であり、0.1μm以上200μm以下であることが好ましい。 The fiber diameter of the reinforcing fibers (B) as described above is, for example, the average fiber diameter of a plurality of filamentous fibers constituting the reinforcing fibers (B), and is preferably 0.1 μm or more and 200 μm or less.
なお、強化用繊維(B)の繊維径は、以下の方法によって求められる。例えば、台紙に接着テープを貼り、その上に繊維径を測定する糸状繊維を水平に接着し、これを繊維試験片とする。この繊維試験片を電子顕微鏡で上面から観察し、像の幅を繊維径とする。繊維径は、長さ方向に沿って3回測定し、平均した値とする。この操作を無作為に選択した20本の糸状繊維について行い、得られる繊維径を平均し、平均繊維径とする。 The fiber diameter of the reinforcing fibers (B) is obtained by the following method. For example, an adhesive tape is pasted on a mount, and filamentous fibers for measuring the fiber diameter are horizontally adhered thereon to obtain a fiber test piece. This fiber test piece is observed from above with an electron microscope, and the width of the image is defined as the fiber diameter. The fiber diameter is measured three times along the length direction and taken as an average value. This operation is performed on 20 randomly selected filamentous fibers, and the obtained fiber diameters are averaged to obtain the average fiber diameter.
また、強化用繊維(B)の状態は、織布(長繊維の織物等)または不織布のいずれの状態であってもよい。特に、製造し易さの観点から、強化用繊維(B)は、不織布状の繊維であることが好ましい。 In addition, the state of the reinforcing fibers (B) may be either a woven fabric (long-fiber fabric, etc.) or a non-woven fabric. In particular, from the viewpoint of ease of production, the reinforcing fibers (B) are preferably non-woven fabric fibers.
また、強化用繊維(B)は、Al、Ti、Zr等の金属原子を含有する繊維であることが好ましい。例えば、強化用繊維(B)中の金属原子としては、上述したポリメタロキサン(α)に含まれる金属原子と同じものが挙げられる。特に、強化用繊維(B)に含まれる金属原子のうちの10mol%以上は、Al(アルミニウム原子)であることが好ましい。 Further, the reinforcing fibers (B) are preferably fibers containing metal atoms such as Al, Ti and Zr. For example, the metal atoms in the reinforcing fiber (B) include the same metal atoms as those included in the polymetalloxane (α) described above. In particular, 10 mol % or more of the metal atoms contained in the reinforcing fibers (B) are preferably Al (aluminum atoms).
(繊維強化セラミックス基複合体)
本発明の実施形態に係る繊維強化セラミックス基複合体は、上述した強化用繊維含有セラミックス組成物(X)を焼成してなる複合体である。すなわち、当該繊維強化セラミックス基複合体は、セラミックス前駆体ポリマー(A)を強化用繊維(B)に含浸させてなる強化用繊維含有セラミックス組成物(X)の焼成体である。以下では、説明の便宜上、本発明の実施形態に係る繊維強化セラミックス基複合体を繊維強化セラミックス基複合体(Z)と称する場合がある。
(Fiber-reinforced ceramic matrix composite)
A fiber-reinforced ceramic matrix composite according to an embodiment of the present invention is a composite obtained by firing the above-described reinforcing fiber-containing ceramic composition (X). That is, the fiber-reinforced ceramic matrix composite is a sintered body of the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) obtained by impregnating the reinforcing fiber (B) with the ceramic precursor polymer (A). Hereinafter, for convenience of explanation, the fiber-reinforced ceramics matrix composite according to the embodiment of the present invention may be referred to as a fiber-reinforced ceramics matrix composite (Z).
繊維強化セラミックス基複合体(Z)は、セラミックスマトリックスと、当該セラミックスマトリックスを強化する強化用繊維とによって構成される。繊維強化セラミックス基複合体(Z)のセラミックスマトリックスは、強化用繊維含有セラミックス組成物(X)に含まれるセラミックス前駆体ポリマー(A)、すなわち、強化用繊維(B)に含浸した状態のセラミックス前駆体ポリマー(A)の焼結体である。繊維強化セラミックス基複合体(Z)の強化用繊維は、強化用繊維含有セラミックス組成物(X)に含まれる強化用繊維(B)である。 The fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) is composed of a ceramic matrix and reinforcing fibers that reinforce the ceramic matrix. The ceramic matrix of the fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) is the ceramic precursor polymer (A) contained in the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X), that is, the ceramic precursor impregnated with the reinforcing fiber (B). It is a sintered body of polymer (A). The reinforcing fibers of the fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) are the reinforcing fibers (B) contained in the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X).
(繊維強化セラミックス基複合体の製造方法)
本発明の実施形態に係る繊維強化セラミックス基複合体の製造方法は、強化用繊維(B)とセラミックス前駆体ポリマー(A)とを含有する繊維強化セラミックス基複合体(Z)を製造する製造方法である。この製造方法は、セラミックス前駆体ポリマー(A)を強化用繊維(B)に含浸する含浸工程と、強化用繊維(B)に含浸したセラミックス前駆体ポリマー(A)を焼成する焼成工程と、を含む。また、この製造方法に用いられるセラミックス前駆体ポリマー(A)は、上述したポリメタロキサン(a)を含有する。ポリメタロキサン(a)は、上述した金属原子と酸素原子との繰り返し構造を有し、かつ、当該前記繰り返し構造の一部に、上述した金属原子に直結した水酸基を有する。
(Manufacturing method of fiber-reinforced ceramic matrix composite)
A method for producing a fiber-reinforced ceramic matrix composite according to an embodiment of the present invention is a production method for producing a fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) containing reinforcing fibers (B) and a ceramic precursor polymer (A). is. This manufacturing method includes an impregnation step of impregnating the reinforcing fibers (B) with the ceramic precursor polymer (A), and a firing step of firing the ceramic precursor polymer (A) impregnated into the reinforcing fibers (B). include. Moreover, the ceramic precursor polymer (A) used in this production method contains the polymetalloxane (a) described above. Polymetalloxane (a) has a repeating structure of the above-described metal atoms and oxygen atoms, and has hydroxyl groups directly linked to the above-described metal atoms in part of the repeating structure.
(含浸工程)
繊維強化セラミックス基複合体(Z)の製造方法における含浸工程では、上述したポリメタロキサン(α)と有機溶剤(β)等の他の成分とを必要に応じて混合し、これにより、少なくともポリメタロキサン(α)を含有するセラミックス前駆体ポリマー(A)の溶液(スラリー)を作製する。その後、このセラミックス前駆体ポリマー(A)の溶液に、織布状または不織布状の強化用繊維(B)を浸漬する。これにより、強化用繊維(B)にセラミックス前駆体ポリマー(A)を含浸させる。この結果、セラミックス前駆体ポリマー(A)と強化用繊維(B)とを含有する強化用繊維含有セラミックス組成物(X)が得られる。
(Impregnation process)
In the impregnation step in the method for producing the fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z), the above-mentioned polymetalloxane (α) and other components such as the organic solvent (β) are mixed as necessary, thereby at least poly A solution (slurry) of ceramic precursor polymer (A) containing metalloxane (α) is prepared. After that, the woven or non-woven reinforcing fibers (B) are immersed in the solution of the ceramic precursor polymer (A). Thereby, the reinforcing fibers (B) are impregnated with the ceramic precursor polymer (A). As a result, a reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) containing the ceramic precursor polymer (A) and the reinforcing fiber (B) is obtained.
また、繊維強化セラミックス基複合体(Z)の製造方法は、上記含浸工程による強化用繊維含有セラミックス組成物(X)の積層体を形成する積層工程を含んでいてもよい。この積層工程は、上記含浸工程が行われた後、後述する焼成工程の前に、必要に応じて行われる。 Moreover, the method for producing the fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) may include a lamination step of forming a laminate of the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) by the impregnation step. This lamination step is performed as necessary after the impregnation step is performed and before the firing step described later.
例えば、この積層工程では、上記含浸工程によって得られる強化用繊維含有セラミックス組成物(X)を複数準備し、これら複数の強化用繊維含有セラミックス組成物(X)を層状にプレス加工する。これにより、強化用繊維含有セラミックス組成物(X)からなる層を複数(例えば2~5層)積層した積層体を作製することができる。当該積層体の積層数は、複数であればよく、特に2~5層に限定されない。 For example, in this lamination step, a plurality of reinforcing fiber-containing ceramic compositions (X) obtained by the impregnation step are prepared, and these plurality of reinforcing fiber-containing ceramic compositions (X) are pressed into layers. As a result, a laminate can be produced by laminating a plurality of layers (for example, 2 to 5 layers) comprising the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X). The number of laminations of the laminate may be plural, and is not particularly limited to 2 to 5 layers.
また、この積層工程では、得られた強化用繊維含有セラミックス組成物(X)の積層体を加熱処理によって硬化してもよい。この加熱処理の温度条件は、例えば、80℃以上300℃以下であることが好ましい。 Moreover, in this lamination step, the obtained laminate of the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) may be cured by heat treatment. The temperature condition of this heat treatment is preferably 80° C. or higher and 300° C. or lower, for example.
(焼成工程)
繊維強化セラミックス基複合体(Z)の製造方法では、上述した含浸工程または積層工程が行われた後、上述した強化用繊維含有セラミックス組成物(X)を焼成する焼成工程が行われる。
(Baking process)
In the method for producing the fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z), after the impregnation step or lamination step described above is performed, a firing step of firing the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) described above is performed.
この焼成工程では、上記含浸工程によって得られた強化用繊維含有セラミックス組成物(X)を、シート状等の所望の形状に造形した後、所定の温度条件で加熱することによって焼成する。これにより、強化用繊維含有セラミックス組成物(X)中のセラミックス前駆体ポリマー、すなわち、強化用繊維(B)に含浸した状態のセラミックス前駆体ポリマー(A)を焼成する。この結果、上記状態のセラミックス前駆体ポリマー(A)が焼結されて焼結体になるとともに、セラミックス前駆体ポリマー(A)の焼結体からなるセラミックスマトリックスと、当該セラミックスマトリックスを強化する強化用繊維(B)とを含有する繊維強化セラミックス基複合体(Z)が得られる。 In this sintering step, the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) obtained in the impregnation step is shaped into a desired shape such as a sheet, and then sintered by heating under predetermined temperature conditions. Thereby, the ceramic precursor polymer in the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X), that is, the ceramic precursor polymer (A) impregnated with the reinforcing fiber (B) is fired. As a result, the ceramic precursor polymer (A) in the above state is sintered to form a sintered body, and a ceramic matrix comprising the sintered body of the ceramic precursor polymer (A) and a reinforcing material for strengthening the ceramic matrix A fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) containing the fibers (B) is obtained.
或いは、この焼成工程では、上記含浸工程後の積層工程によって得られた強化用繊維含有セラミックス組成物(X)の積層体を、所定の温度条件で加熱することによって焼成する。これにより、上記積層体中のセラミックス前駆体ポリマー(A)を焼成して、このセラミックス前駆体ポリマー(A)の焼結体からなるセラミックスマトリックスと、当該セラミックスマトリックスを強化する強化用繊維(B)とを含有する繊維強化セラミックス基複合体(Z)が得られる。 Alternatively, in this sintering step, the laminate of the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) obtained in the layering step after the impregnation step is sintered by heating under predetermined temperature conditions. As a result, the ceramic precursor polymer (A) in the laminate is sintered to produce a ceramic matrix composed of a sintered compact of the ceramic precursor polymer (A) and reinforcing fibers (B) that reinforce the ceramic matrix. A fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) containing and is obtained.
上記焼成工程における強化用繊維含有セラミックス組成物(X)の焼成温度は、1000℃以上1550℃以下であることが好ましく、1400℃以上1550℃以下であることがより好ましい。この焼成温度の上限値を1550℃以下とすることにより、繊維強化セラミックス基複合体(Z)に含まれる強化用繊維(B)の高熱による劣化を抑制することができる。この結果、繊維強化セラミックス基複合体(Z)中のセラミックスマトリックスの高熱による強度低下を抑制することができる。 The firing temperature of the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) in the firing step is preferably 1000°C or higher and 1550°C or lower, and more preferably 1400°C or higher and 1550°C or lower. By setting the upper limit of the firing temperature to 1550° C. or less, it is possible to suppress deterioration of the reinforcing fibers (B) contained in the fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) due to high heat. As a result, reduction in strength of the ceramic matrix in the fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) due to high heat can be suppressed.
また、繊維強化セラミックス基複合体(Z)の製造方法は、上記焼成工程によって得られた繊維強化セラミックス基複合体(Z)を緻密化する緻密化工程が行われてもよい。この緻密化工程は、上述した焼成工程が行われた後、必要に応じて行われる。 Moreover, the method for producing the fiber-reinforced ceramics matrix composite (Z) may include a densification step of densifying the fiber-reinforced ceramics matrix composite (Z) obtained by the firing step. This densification step is performed as necessary after the firing step described above is performed.
例えば、この緻密化工程では、繊維強化セラミックス基複合体(Z)中の強化用繊維(B)にセラミックス前駆体ポリマー(A)をさらに含浸させる工程と、繊維強化セラミックス基複合体(Z)の強化用繊維(B)に含浸したセラミックス前駆体ポリマー(A)を乾燥する工程と、この乾燥後のセラミックス前駆体ポリマー(A)を焼成する工程とを繰り返し行う。これにより、繊維強化セラミックス基複合体(Z)に含まれるセラミックス前駆体ポリマー(A)の焼結体(すなわちセラミックスマトリックス)が緻密化され、この結果、より高強度な繊維強化セラミックス基複合体(Z)を得ることができる。 For example, in this densification step, the step of further impregnating the reinforcing fibers (B) in the fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) with the ceramic precursor polymer (A); A step of drying the ceramic precursor polymer (A) impregnated into the reinforcing fibers (B) and a step of firing the dried ceramic precursor polymer (A) are repeated. As a result, the sintered body (that is, the ceramic matrix) of the ceramic precursor polymer (A) contained in the fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) is densified, resulting in a higher strength fiber-reinforced ceramic matrix composite ( Z) can be obtained.
なお、この緻密化工程における焼成温度は、上述した焼成工程と同じ温度条件に設定することができる。また、上述した焼成工程および緻密化工程の各焼成は、常圧下、加圧下または減圧下のいずれの雰囲気下で行われてもよい。 The firing temperature in this densification step can be set to the same temperature conditions as in the firing step described above. Moreover, each firing in the firing step and the densification step described above may be performed under any atmosphere of normal pressure, increased pressure, or reduced pressure.
以上、説明したように、本発明の実施形態に係る強化用繊維含有セラミックス組成物(X)は、上述したポリメタロキサン(α)を有するセラミックス前駆体ポリマー(A)と強化用繊維(B)とを含有するようにし、ポリメタロキサン(α)は、上述した特定の金属原子群より選ばれる金属原子と酸素原子との繰り返し構造を有し、かつ、この繰り返し構造の一部に、当該金属原子に直結した水酸基を有するようにしている。このため、強化用繊維含有セラミックス組成物(X)の焼成温度を、セラミックス粒子を含有するセラミックス組成物の場合に比べて低くして、強化用繊維(B)の高熱による劣化を抑制できるとともに、均一な状態で安定して存在し得る強化用繊維含有セラミックス組成物(X)を得ることができる。 As described above, the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) according to the embodiment of the present invention comprises the ceramic precursor polymer (A) having the polymetalloxane (α) and the reinforcing fiber (B). and the polymetalloxane (α) has a repeating structure of a metal atom and an oxygen atom selected from the specific metal atom group described above, and part of this repeating structure contains the metal It is designed to have a hydroxyl group directly connected to the atom. For this reason, the firing temperature of the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) can be made lower than in the case of the ceramic composition containing ceramic particles, thereby suppressing deterioration of the reinforcing fiber (B) due to high heat, and A reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) that can stably exist in a uniform state can be obtained.
また、本発明の実施形態に係る繊維強化セラミックス基複合体(Z)は、上記のような強化用繊維含有セラミックス組成物(X)を焼成してなるので、高強度および高耐熱性を兼ね備えたものとすることが可能である。このような繊維強化セラミックス基複合体(Z)は、高耐熱性を活かして、電気炉や建材等の断熱材、或いは放熱材として用いることができる。また、繊維強化セラミックス基複合体(Z)は、高耐熱および高強度の特性を活かして、航空機のエンジンタービン等の部材や、ロケット等の宇宙用途の部材として用いることができる。 Further, the fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) according to the embodiment of the present invention is obtained by firing the reinforcing fiber-containing ceramic composition (X) as described above, so that it has both high strength and high heat resistance. It is possible to assume Such a fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) can be used as a heat insulating material or a heat radiating material for electric furnaces, building materials, etc., by taking advantage of its high heat resistance. In addition, the fiber-reinforced ceramic matrix composite (Z) can be used as members of aircraft engine turbines and the like, and members for space applications such as rockets, taking advantage of its high heat resistance and high strength properties.
以下、合成例、実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例によって限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Synthesis Examples and Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.
(合成例および実施例で用いた材料)
下記の合成例および実施例で用いた材料は、以下の通り略称で示されるものである。
DMIB:N,N’-ジメチルイソブチルアミド(三菱ガス化学社製)
TPnB:1-((1-((1-ブトキシプロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-イル)オキシ)プロパン-2-オール(シグマ アルドリッチ社製)
(Materials used in Synthesis Examples and Examples)
Materials used in the Synthesis Examples and Examples below are abbreviated as follows.
DMIB: N,N'-dimethylisobutyramide (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc.)
TPnB: 1-((1-((1-butoxypropan-2-yl)oxy)propan-2-yl)oxy)propan-2-ol (manufactured by Sigma-Aldrich)
(固形分濃度)
下記の合成例および実施例等において、ポリメタロキサン溶液の固形分濃度は、以下の方法によって求めた。具体的には、アルミニウムカップにポリメタロキサン溶液を1.0g秤取し、ホットプレートを用いて250℃で30分間加熱して液分を蒸発させ、加熱後のアルミニウムカップに残った固形分を秤量することにより、ポリメタロキサン溶液の固形分濃度を求めた。
(Solid content concentration)
In the following Synthesis Examples, Examples, etc., the solid content concentration of the polymetalloxane solution was obtained by the following method. Specifically, 1.0 g of polymetalloxane solution was weighed into an aluminum cup, heated at 250° C. for 30 minutes using a hot plate to evaporate the liquid content, and the solid content remaining in the aluminum cup after heating was removed. The solid content concentration of the polymetalloxane solution was determined by weighing.
(赤外分光分析)
フーリエ変換型赤外分光(以下、FT-IRと略す)による赤外分光分析は、以下の方法によって行った。具体的には、まず、フーリエ変換型赤外分光計(島津製作所社製FT720)を用いて、シリコンウェハを2枚重ねたものを測定し、それをベースラインとした。ついで、金属化合物あるいはその溶液をシリコンウェハ上に1滴垂らし、それを別のシリコンウェハで挟むことにより、測定試料を作製した。測定試料の吸光度とベースラインの吸光度との差から、金属化合物あるいはその溶液の吸光度を算出し、吸収ピークを読み取った。
(Infrared spectroscopic analysis)
Infrared spectroscopic analysis by Fourier transform infrared spectroscopy (hereinafter abbreviated as FT-IR) was performed by the following method. Specifically, first, using a Fourier transform infrared spectrometer (FT720 manufactured by Shimadzu Corporation), two stacked silicon wafers were measured and used as a baseline. Then, a drop of the metal compound or its solution was placed on a silicon wafer and sandwiched between other silicon wafers to prepare a measurement sample. The absorbance of the metal compound or its solution was calculated from the difference between the absorbance of the measurement sample and the absorbance of the baseline, and the absorption peak was read.
(重量平均分子量の測定)
重量平均分子量(Mw)は、以下の方法によって求めた。具体的には、展開溶媒として、N-メチル-2-ピロリドン(以下、NMPと略す)に塩化リチウムを溶解し、0.02mol/dm3の塩化リチウムおよびNMPの溶液を作製した。展開溶媒にポリメタロキサンを0.2wt%となるように溶解し、これを試料溶液とした。展開溶媒を多孔質ゲルカラム(東ソー社製TSKgel(α-M、α-3000の各1本))に流速0.5mL/minで充填し、ここに試料溶液(0.2mL)を注入した。カラム溶出物を示差屈折率検出器(昭和電工社製RI-201型)によって検出し、溶出時間を解析することにより、重量平均分子量(Mw)を求めた。
(Measurement of weight average molecular weight)
A weight average molecular weight (Mw) was obtained by the following method. Specifically, lithium chloride was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP) as a developing solvent to prepare a 0.02 mol/dm 3 solution of lithium chloride and NMP. Polymetalloxane was dissolved in a developing solvent so as to be 0.2 wt %, and this was used as a sample solution. A porous gel column (TSKgel (α-M, α-3000, one column each) manufactured by Tosoh Corporation) was filled with the developing solvent at a flow rate of 0.5 mL/min, and the sample solution (0.2 mL) was injected therein. The column eluate was detected with a differential refractive index detector (RI-201, manufactured by Showa Denko), and the weight average molecular weight (Mw) was determined by analyzing the elution time.
(円柱による押し込み試験)
円柱による押し込み試験は、エー・アンド・デイ社製のフォーステスター“MCT-2150”を用いて行った。具体的には、このフォーステスターに、先端直径が15mmの円柱状をなす受圧板をセットし、compresiveモードにおいて、10mm/mの速度で試料の押し込み強度を測定することにより、当該試料の破壊強度を測定した。
(Indentation test using a cylinder)
The cylinder indentation test was performed using a force tester "MCT-2150" manufactured by A&D. Specifically, a cylindrical pressure-receiving plate with a tip diameter of 15 mm was set in this force tester, and in compressive mode, the pushing strength of the sample was measured at a speed of 10 mm/m, and the breaking strength of the sample was measured. was measured.
(合成例1)
合成例1では、特許第6327366号に記載された合成例8と同様の方法により、トリプロポキシ(トリメチルシロキシ)ジルコニウムを合成した。
(Synthesis example 1)
In Synthesis Example 1, tripropoxy(trimethylsiloxy)zirconium was synthesized in the same manner as in Synthesis Example 8 described in Japanese Patent No. 6,327,366.
(合成例2)
合成例2では、ジ-s-ブトキシ(トリメチルシロキシ)アルミニウムを合成した。具体的には、容量500mLの三口フラスコに、トリ-s-ブトキシアルミニウム(24.6g(0.1mol))を仕込み、この三口フラスコを40℃のオイルバスに浸けて30分間撹拌した。その後、この三口フラスコ内に、滴下ロートを用いてトリメチルシラノール(9.0g(0.1mol))を1時間かけて添加し、添加後、この三口フラスコ内をさらに1時間撹拌した。この三口フラスコの内容物を200mLのナス型フラスコに移し、生成したs-ブタノールを減圧留去することにより、無色液体のアルミニウム化合物を得た。
(Synthesis example 2)
In Synthesis Example 2, di-s-butoxy(trimethylsiloxy)aluminum was synthesized. Specifically, tri-s-butoxyaluminum (24.6 g (0.1 mol)) was placed in a 500 mL three-necked flask, and the three-necked flask was immersed in an oil bath at 40° C. and stirred for 30 minutes. After that, trimethylsilanol (9.0 g (0.1 mol)) was added into the three-necked flask using a dropping funnel over 1 hour, and after the addition, the inside of the three-necked flask was further stirred for 1 hour. The content of this three-necked flask was transferred to a 200 mL eggplant-shaped flask, and the produced s-butanol was distilled off under reduced pressure to obtain a colorless liquid aluminum compound.
このアルミニウム化合物をFT-IRによって赤外分光分析すると、Al-O-Siの吸収ピーク(949cm-1)が確認され、シラノールの吸収ピーク(883cm-1)が存在しなかった。このことから、得られたアルミニウム化合物がジ-s-ブトキシ(トリメチルシロキシ)アルミニウムであることを確認した。 Infrared spectroscopic analysis of this aluminum compound by FT-IR confirmed an Al--O--Si absorption peak (949 cm.sup.-1 ) and no silanol absorption peak (883 cm.sup. -1 ). From this, it was confirmed that the obtained aluminum compound was di-s-butoxy(trimethylsiloxy)aluminum.
(合成例3)
合成例3では、ジルコニウム化合物(Z-1)を合成した。具体的には、容量500mLの三口フラスコに、トリプロポキシ(トリメチルシロキシ)ジルコニウム(35.8g(0.1mol))を仕込み、この三口フラスコを40℃のオイルバスに浸けて30分間撹拌した。その後、この三口フラスコ内に、滴下ロートを用いてTPnB(24.8g(0.1mol))を1時間かけて添加し、添加後、この三口フラスコ内をさらに1時間撹拌した。この三口フラスコの内容物を200mLのナス型フラスコに移し、生成したプロパノールを減圧留去することにより、無色液体のジルコニウム化合物(Z-1)を得た。
(Synthesis Example 3)
In Synthesis Example 3, a zirconium compound (Z-1) was synthesized. Specifically, tripropoxy(trimethylsiloxy)zirconium (35.8 g (0.1 mol)) was placed in a 500 mL three-necked flask, and the three-necked flask was immersed in an oil bath at 40° C. and stirred for 30 minutes. After that, TPnB (24.8 g (0.1 mol)) was added into the three-necked flask using a dropping funnel over 1 hour, and after the addition, the inside of the three-necked flask was further stirred for 1 hour. The content of this three-necked flask was transferred to a 200 mL eggplant-shaped flask, and the produced propanol was distilled off under reduced pressure to obtain a colorless liquid zirconium compound (Z-1).
このジルコニウム化合物(Z-1)をFT-IRによって赤外分光分析すると、プロポキシ由来の吸収(1122cm-1)が減少し、新たにTPnBとジルコニウムとの結合に由来するピーク(1095cm-1)が確認された。また、Zr-O-Siの吸収ピーク(968cm-1)も確認されたことから、得られたジルコニウム化合物(Z-1)が下記の化学式で表される構造のジルコニウム化合物であることを確認した。 When this zirconium compound (Z-1) was subjected to infrared spectroscopic analysis by FT-IR, the absorption (1122 cm -1 ) derived from propoxy decreased, and a new peak (1095 cm -1 ) derived from the bond between TPnB and zirconium appeared. confirmed. Moreover, since the absorption peak (968 cm −1 ) of Zr—O—Si was also confirmed, it was confirmed that the obtained zirconium compound (Z-1) was a zirconium compound having a structure represented by the following chemical formula. .
(合成例4)
合成例4では、ポリメタロキサン(A-1)溶液を合成した。具体的には、合成例3で合成したジルコニウム化合物(Z-1)(54.6g(0.10mol))と、溶媒としてのDMIB(5.0g)とを混合し、これを溶液1とした。また、水(3.60g(0.20mol))と、水希釈溶媒としてのイソプロピルアルコール(50.0g)と、重合触媒としてのトリブチルアミン(0.37g(0.02mol))とを混合し、これを溶液2とした。以下、イソプロピルアルコールは、IPAと略記する。
(Synthesis Example 4)
In Synthesis Example 4, a polymetalloxane (A-1) solution was synthesized. Specifically, the zirconium compound (Z-1) (54.6 g (0.10 mol)) synthesized in Synthesis Example 3 and DMIB (5.0 g) as a solvent were mixed to obtain Solution 1. . Further, water (3.60 g (0.20 mol)), isopropyl alcohol (50.0 g) as a water-diluting solvent, and tributylamine (0.37 g (0.02 mol)) as a polymerization catalyst are mixed, This was referred to as solution 2. Hereinafter, isopropyl alcohol is abbreviated as IPA.
容量500mLの三口フラスコに、溶液1の全量を仕込み、この三口フラスコを40℃のオイルバスに浸けて30分間撹拌した。その後、加水分解を目的として溶液2の全量を滴下ロートに充填し、1時間かけて、この三口フラスコ内に添加した。溶液2の添加中、この三口フラスコ内の容液に析出は生じず、この溶液は均一な淡黄色透明溶液であった。溶液2の添加後、さらに1時間撹拌し、ヒドロキシ基含有の金属化合物を生成した。その後、重縮合を目的として、このオイルバスを30分間かけて140℃まで昇温した。昇温開始から1時間後に、この溶液の内温が100℃に到達し、そこから、この溶液を2時間、加熱撹拌した。このときの溶液の内温は、100~130℃であった。反応中に、IPA、プロパノールおよび水が留出した。加熱攪拌中、この三口フラスコ内の容液に析出は生じず、この溶液は均一な透明溶液であった。 A three-necked flask with a volume of 500 mL was charged with the entire amount of Solution 1, and this three-necked flask was immersed in an oil bath at 40° C. and stirred for 30 minutes. Then, for the purpose of hydrolysis, the dropping funnel was filled with the entire amount of solution 2, and added into the three-necked flask over 1 hour. During the addition of solution 2, precipitation did not occur in the liquid in the three-necked flask, and this solution was a uniform pale yellow transparent solution. After addition of Solution 2, stirring was continued for an additional hour to produce a hydroxy group-containing metal compound. Thereafter, the oil bath was heated to 140° C. over 30 minutes for the purpose of polycondensation. After 1 hour from the start of heating, the internal temperature of this solution reached 100° C., and the solution was heated and stirred for 2 hours. The internal temperature of the solution at this time was 100 to 130°C. IPA, propanol and water were distilled out during the reaction. During the heating and stirring, no precipitation occurred in the liquid in the three-necked flask, and the solution was a uniform transparent solution.
加熱終了後、この三口フラスコ内の容液を室温まで冷却し、これにより、ポリメタロキサン(A-1)溶液を得た。得られたポリメタロキサン(A-1)溶液の外観は、淡黄色透明であった。得られたポリメタロキサン(A-1)溶液の不揮発分は、39.57質量%であり、当該溶液の粘度は、304cPあった。 After heating, the solution in the three-necked flask was cooled to room temperature to obtain a polymetalloxane (A-1) solution. The appearance of the obtained polymetalloxane (A-1) solution was pale yellow and transparent. The resulting polymetalloxane (A-1) solution had a non-volatile content of 39.57% by mass and a viscosity of 304 cP.
ポリメタロキサン(A-1)溶液をFT-IRによって赤外分光分析すると、トリプロピレングリコールモノブチルエーテルとジルコニウムとの結合に由来するピーク(1095cm-1)およびZr-O-Siの吸収ピーク(968cm-1)が確認された。このことから、ポリメタロキサン(A-1)溶液中のポリメタロキサン(A-1)は、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル基およびトリメチルシロキシ基を側鎖に有するポリメタロキサンであることを確認した。ポリメタロキサン(A-1)の重量平均分子量(Mw)は、ポリスチレン換算において253,000であった。 When the polymetalloxane (A-1) solution was analyzed by infrared spectroscopy by FT-IR, the peak (1095 cm -1 ) derived from the bond between tripropylene glycol monobutyl ether and zirconium and the absorption peak of Zr-O-Si (968 cm -1 ) was confirmed. From this, it was confirmed that the polymetalloxane (A-1) in the polymetalloxane (A-1) solution was a polymetalloxane having a tripropylene glycol monobutyl ether group and a trimethylsiloxy group in its side chains. The weight average molecular weight (Mw) of polymetalloxane (A-1) was 253,000 in terms of polystyrene.
また、ポリメタロキサン(A-1)溶液を密封容器に入れ、23℃で7日保管した際の当該ポリメタロキサン(A-1)溶液の粘度変化は10%未満であった。このことから、ポリメタロキサン(A-1)が保存安定性に優れるものであることを確認した。 Further, when the polymetalloxane (A-1) solution was placed in a sealed container and stored at 23° C. for 7 days, the change in viscosity of the polymetalloxane (A-1) solution was less than 10%. From this, it was confirmed that polymetalloxane (A-1) is excellent in storage stability.
(実施例1)
実施例1では、デンカ社製のアルミナ繊維“デンカアルセン B80”(Al2O3:80.3%、SiO2:19.5%)を乳鉢に8.0g入れて磨り潰し、これにポリメタロキサン(A-1)溶液(5.054g(固形分換算2.0g))を加えて、これらを混合した。これにより、強化用繊維含有セラミックス組成物(S-1)を作製した。
(Example 1)
In Example 1, 8.0 g of alumina fiber "Denka Arsen B80" (Al 2 O 3 : 80.3%, SiO 2 : 19.5%) manufactured by Denka Co., Ltd. was put in a mortar and ground. A xane (A-1) solution (5.054 g (2.0 g in terms of solid content)) was added and mixed. Thus, a reinforcing fiber-containing ceramic composition (S-1) was produced.
強化用繊維含有セラミックス組成物(S-1)を、アズワン社製の熱プレス用金型“品番:1-6002-18”に3.0g入れ、0.5MPaの圧力でプレスすることにより、直径14mmの円柱状に成形した。このとき、プレス温度は100℃とし、プレス時間は5分間とした。この成形後の強化用繊維含有セラミックス組成物(S-1)を、電気マッフル炉(ADVANTEC社製、FUW263PA)を用いて、空気雰囲気下、昇温速度10℃/分、温度1100℃で10分間焼成した。これにより、繊維強化セラミックス基複合体(S-1A)を得た。 3.0 g of the reinforcing fiber-containing ceramic composition (S-1) was placed in a hot press mold manufactured by AS ONE Co., Ltd. "Product number: 1-6002-18" and pressed at a pressure of 0.5 MPa to reduce the diameter It was molded into a 14 mm cylindrical shape. At this time, the press temperature was 100° C. and the press time was 5 minutes. The molded reinforcing fiber-containing ceramic composition (S-1) was heated at a temperature of 1100° C. for 10 minutes in an air atmosphere at a heating rate of 10° C./min using an electric muffle furnace (FUW263PA manufactured by ADVANTEC). Baked. As a result, a fiber-reinforced ceramic matrix composite (S-1A) was obtained.
さらに、繊維強化セラミックス基複合体(S-1A)を、高温加熱炉(中外プロックス社製、HST125-17.5F)を用いて、空気雰囲気下、昇温速度3℃/分、温度1500℃で60分間焼成した。これにより、繊維強化セラミックス基複合体(S-1B)を得た。 Furthermore, the fiber-reinforced ceramic matrix composite (S-1A) was heated at a temperature of 1500°C in an air atmosphere at a heating rate of 3°C/min using a high-temperature heating furnace (manufactured by Chugai Prox Co., Ltd., HST125-17.5F). Bake for 60 minutes. As a result, a fiber-reinforced ceramic matrix composite (S-1B) was obtained.
得られた繊維強化セラミックス基複合体(S-1A)および繊維強化セラミックス基複合体(S-1B)の各々について、円柱による押し込み試験を行い、これらの破壊強度を測定した。この結果、繊維強化セラミックス基複合体(S-1A)の破壊強度は2.81MPaであり、繊維強化セラミックス基複合体(S-1B)の破壊強度は3.44MPaであった。 Each of the obtained fiber-reinforced ceramic matrix composite (S-1A) and fiber-reinforced ceramic matrix composite (S-1B) was subjected to an indentation test using a cylinder to measure their breaking strength. As a result, the breaking strength of the fiber-reinforced ceramic matrix composite (S-1A) was 2.81 MPa, and the breaking strength of the fiber-reinforced ceramic matrix composite (S-1B) was 3.44 MPa.
なお、本発明は、上述した実施形態によって限定されるものではなく、上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。その他、上述した実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例および運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the present invention also includes a configuration obtained by appropriately combining each of the above-described constituent elements. In addition, other embodiments, examples, operation techniques, etc. made by those skilled in the art based on the above-described embodiments are all included in the scope of the present invention.
Claims (11)
前記セラミックス前駆体ポリマーは、ポリメタロキサンを含有し、
前記ポリメタロキサンは、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、Sb、Hf、Ta、WおよびBiからなる群より選ばれる金属原子と酸素原子との繰り返し構造を有し、かつ、前記金属原子に直結した水酸基を前記繰り返し構造の一部に有する、
ことを特徴とする強化用繊維含有セラミックス組成物。 A reinforcing fiber-containing ceramic composition containing reinforcing fibers and a ceramic precursor polymer,
The ceramic precursor polymer contains polymetalloxane,
The polymetalloxane includes Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, In, Sn, Sb, Hf, Ta, Having a repeating structure of a metal atom selected from the group consisting of W and Bi and an oxygen atom, and having a hydroxyl group directly linked to the metal atom as part of the repeating structure,
A reinforcing fiber-containing ceramic composition characterized by:
ことを特徴とする請求項1に記載の強化用繊維含有セラミックス組成物。 The metal atoms of the polymetalloxane are Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, In, Sn, Sb, Two or more metal atoms selected from Hf, Ta, W and Bi,
The reinforcing fiber-containing ceramic composition according to claim 1, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1または2に記載の強化用繊維含有セラミックス組成物。 The reinforcing fiber has a fiber diameter of 0.1 μm or more and 200 μm or less.
The reinforcing fiber-containing ceramic composition according to claim 1 or 2, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1または2に記載の強化用繊維含有セラミックス組成物。 The reinforcing fiber is a non-woven fiber,
The reinforcing fiber-containing ceramic composition according to claim 1 or 2, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一つに記載の強化用繊維含有セラミックス組成物。 The polymetalloxane has a weight average molecular weight of 10,000 or more and 2,000,000 or less.
The reinforcing fiber-containing ceramic composition according to any one of claims 1 to 4, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1~5のいずれか一つに記載の強化用繊維含有セラミックス組成物。 10 mol% or more of the metal atoms contained in the polymetalloxane are Zr,
The reinforcing fiber-containing ceramic composition according to any one of claims 1 to 5, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1~6のいずれか一つに記載の強化用繊維含有セラミックス組成物。 The reinforcing fibers are one or more selected from among ceramic fibers, fibers made of polymetalloxane, and fibers made of a sintered body of polymetalloxane.
The reinforcing fiber-containing ceramic composition according to any one of claims 1 to 6, characterized in that:
前記強化用繊維に含まれる金属原子のうちの10mol%以上がAlである、
ことを特徴とする請求項7に記載の強化用繊維含有セラミックス組成物。 The reinforcing fibers contain metal atoms,
10 mol% or more of the metal atoms contained in the reinforcing fiber are Al,
The reinforcing fiber-containing ceramic composition according to claim 7, characterized in that:
ことを特徴とする請求項7または8に記載の強化用繊維含有セラミックス組成物。 The reinforcing fibers are alumina-based ceramic fibers,
The reinforcing fiber-containing ceramic composition according to claim 7 or 8, characterized in that:
ことを特徴とする繊維強化セラミックス基複合体。 obtained by firing the reinforcing fiber-containing ceramic composition according to any one of claims 1 to 9,
A fiber-reinforced ceramic matrix composite characterized by:
前記セラミックス前駆体ポリマーを前記強化用繊維に含浸する含浸工程と、
前記強化用繊維に含浸した前記セラミックス前駆体ポリマーを焼成する焼成工程と、
を含み、
前記セラミックス前駆体ポリマーは、ポリメタロキサンを含有し、
前記ポリメタロキサンは、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、Sb、Hf、Ta、WおよびBiからなる群より選ばれる金属原子と酸素原子との繰り返し構造を有し、かつ、前記金属原子に直結した水酸基を前記繰り返し構造の一部に有する、
ことを特徴とする繊維強化セラミックス基複合体の製造方法。 A method for producing a fiber-reinforced ceramic matrix composite containing reinforcing fibers and a ceramic precursor polymer,
an impregnation step of impregnating the reinforcing fibers with the ceramic precursor polymer;
a sintering step of sintering the ceramic precursor polymer impregnated in the reinforcing fibers;
including
The ceramic precursor polymer contains polymetalloxane,
The polymetalloxane includes Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, In, Sn, Sb, Hf, Ta, Having a repeating structure of a metal atom selected from the group consisting of W and Bi and an oxygen atom, and having a hydroxyl group directly linked to the metal atom as part of the repeating structure,
A method for producing a fiber-reinforced ceramic matrix composite, characterized by:
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