JP2696387B2 - 繊維強化ｂ▲下４▼ｃ複合体の製造方法 - Google Patents
繊維強化ｂ▲下４▼ｃ複合体の製造方法Info
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- JP2696387B2 JP2696387B2 JP1096907A JP9690789A JP2696387B2 JP 2696387 B2 JP2696387 B2 JP 2696387B2 JP 1096907 A JP1096907 A JP 1096907A JP 9690789 A JP9690789 A JP 9690789A JP 2696387 B2 JP2696387 B2 JP 2696387B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高強度・高靭性を有する連続繊維で強化し
たB4C複合体の製造方法に関する。
たB4C複合体の製造方法に関する。
B4C（炭化ホウ素）は、熱的安定性、化学的耐食性、
中性子吸収能力に優れるうえに高硬度、低比重などの特
性を保有しているが、靭性に乏しいため構造材料への実
用化が遅れている。
中性子吸収能力に優れるうえに高硬度、低比重などの特
性を保有しているが、靭性に乏しいため構造材料への実
用化が遅れている。
近年、セラミックスの高靭化を目的とした各種の複合
材研究がなされている。B4C系については、例えばAl系
の焼結助剤を用いた焼結体とその製造方法（特開昭59−
184767号公報）、「粒子分散強化によるB4Cセラミック
スの高靭化〔日本セラミックス協会、第27回セラミック
ス基礎科学討論会要旨集P212（1989）〕などが報告され
ているが、強度と靭性の調和がとれた焼結体は未だに得
られていない。
材研究がなされている。B4C系については、例えばAl系
の焼結助剤を用いた焼結体とその製造方法（特開昭59−
184767号公報）、「粒子分散強化によるB4Cセラミック
スの高靭化〔日本セラミックス協会、第27回セラミック
ス基礎科学討論会要旨集P212（1989）〕などが報告され
ているが、強度と靭性の調和がとれた焼結体は未だに得
られていない。
B4C焼結体は他のセラミックスと同様に本来的な脆弱
な材料であり、一度発生した亀裂は容易に焼結体組織全
体に伝播して破壊に至る。これはB4C焼結体の低い破壊
エネルギーに基づいて起こる現象であるため、十分な高
靭化を得るためには粒子あるいは繊維などによる強化相
を複合化することにより破壊エネルギーの増大化を図る
ことが有効である。但し、この場合に導入される強化相
は、亀裂の進行に対して強い抵抗を示し、マトリックス
であるB4Cと化学的に反応しないか反応しても強化相の
特性劣化を伴わず、さらに熱膨張率の違いによってマト
リックスとの間に生じる残留熱応力の影響で焼結体構造
に複合欠陥の発生を招くことのない物質であることが望
ましい。
な材料であり、一度発生した亀裂は容易に焼結体組織全
体に伝播して破壊に至る。これはB4C焼結体の低い破壊
エネルギーに基づいて起こる現象であるため、十分な高
靭化を得るためには粒子あるいは繊維などによる強化相
を複合化することにより破壊エネルギーの増大化を図る
ことが有効である。但し、この場合に導入される強化相
は、亀裂の進行に対して強い抵抗を示し、マトリックス
であるB4Cと化学的に反応しないか反応しても強化相の
特性劣化を伴わず、さらに熱膨張率の違いによってマト
リックスとの間に生じる残留熱応力の影響で焼結体構造
に複合欠陥の発生を招くことのない物質であることが望
ましい。
本発明は、上記の観点から強化相の形成について多角
的に研究を重ねた結果得られたもので、その目的とする
ところは連続繊維を複合化することによって破壊エネル
ギーの大きな、すなわち靭性の高いB4C焼結体の製造方
法を提供することにある。
的に研究を重ねた結果得られたもので、その目的とする
ところは連続繊維を複合化することによって破壊エネル
ギーの大きな、すなわち靭性の高いB4C焼結体の製造方
法を提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明による繊維強化B4
C複合体の製造方法は、熱硬化性樹脂溶液にB4C粉末およ
びAl系焼結助剤を添加混合して泥漿スラリーを形成し、
該泥漿スラリーに炭素あるいはSiCの連続繊維を浸漬し
てプリプレグ化したのち、非酸化性雰囲気中で温度1600
〜2000℃、圧力150kg/cm2以上の熱圧条件によりホット
プレスすることを構成上の特徴とする。
C複合体の製造方法は、熱硬化性樹脂溶液にB4C粉末およ
びAl系焼結助剤を添加混合して泥漿スラリーを形成し、
該泥漿スラリーに炭素あるいはSiCの連続繊維を浸漬し
てプリプレグ化したのち、非酸化性雰囲気中で温度1600
〜2000℃、圧力150kg/cm2以上の熱圧条件によりホット
プレスすることを構成上の特徴とする。
マトリックスとなるB4Cには可及的に微細な粉末が適
用され、平均粒子径として50μｍを越える粉末では焼結
性が悪く十分な強度特性は得られない。好ましい粉末粒
度は、平均粒子径で10μｍ以下とすることである。
用され、平均粒子径として50μｍを越える粉末では焼結
性が悪く十分な強度特性は得られない。好ましい粉末粒
度は、平均粒子径で10μｍ以下とすることである。
焼結助剤としては、AlまたはAlB2のようなAl系の化合
物が使用される。この添加量はB4C粉末に対しAl量とし
て10重量％以下になるように設定することが好適であ
り、10重量％を上廻る添加は焼結中に繊維物質と反応を
起こして強化特性を低下させる危険性を招く。
物が使用される。この添加量はB4C粉末に対しAl量とし
て10重量％以下になるように設定することが好適であ
り、10重量％を上廻る添加は焼結中に繊維物質と反応を
起こして強化特性を低下させる危険性を招く。
これらB4C粉末およびAl系焼結助剤は、熱硬化性樹脂
溶液に混合分散させて泥漿スラリーを形成する。熱硬化
性樹脂溶液は、例えばポリシラスチレン樹脂、エポキシ
樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を適宜な有機溶
媒に溶解希釈して作成されるが、この際に使用する熱硬
化性樹脂は熱処理時の炭素残留率が低いものを選択する
ことが望ましい。この理由は、後工程の熱圧処理時に多
量の炭素成分が生成残留すると焼結性を阻害する原因に
なるからである。
溶液に混合分散させて泥漿スラリーを形成する。熱硬化
性樹脂溶液は、例えばポリシラスチレン樹脂、エポキシ
樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を適宜な有機溶
媒に溶解希釈して作成されるが、この際に使用する熱硬
化性樹脂は熱処理時の炭素残留率が低いものを選択する
ことが望ましい。この理由は、後工程の熱圧処理時に多
量の炭素成分が生成残留すると焼結性を阻害する原因に
なるからである。
強化材となる繊維物質には、ピッチ系またはポリアク
リロニトリル系の炭素繊維あるいはSiC繊維が長尺な連
続繊維の形態で使用される。
リロニトリル系の炭素繊維あるいはSiC繊維が長尺な連
続繊維の形態で使用される。
複合化は、これらの連続繊維を上記の泥漿スラリーに
浸漬してプリプレグ化することによりおこなわれる。具
体的手段としては、例えば泥漿スラリーに繊維を連続的
に浸しながらフィラメントワインディング法を用いて成
形体とし、ついで半硬化してプリプレグ化する方法など
が採られる。
浸漬してプリプレグ化することによりおこなわれる。具
体的手段としては、例えば泥漿スラリーに繊維を連続的
に浸しながらフィラメントワインディング法を用いて成
形体とし、ついで半硬化してプリプレグ化する方法など
が採られる。
プリプレグは所望の形態に積層成形したのち揮発成分
を十分に脱脂し、Arあるいは真空などの非酸化性雰囲気
中で温度1600〜2000℃、圧力150kg/cm2以上の熱圧条件
によりホットプレスする。温度が1600℃未満で圧力が15
0kg/cm2を下廻る条件では焼結が円滑に進行せず、また2
000℃を越える加熱はもはや複合材の焼結性の向上には
つながらない。
を十分に脱脂し、Arあるいは真空などの非酸化性雰囲気
中で温度1600〜2000℃、圧力150kg/cm2以上の熱圧条件
によりホットプレスする。温度が1600℃未満で圧力が15
0kg/cm2を下廻る条件では焼結が円滑に進行せず、また2
000℃を越える加熱はもはや複合材の焼結性の向上には
つながらない。
本発明の繊維強化B4C複合体は、上記のホットプレス
焼結によって製造される。
焼結によって製造される。
一般に、繊維をマトリックスに複合強化する場合の特
性向上の度合は、繊維とマトリックス物質間の熱膨張率
の違いによって生じる残留応力などによる力学的な要因
と、化学的な反応性に基づく要因に兼ね合いにより大き
く支配される。
性向上の度合は、繊維とマトリックス物質間の熱膨張率
の違いによって生じる残留応力などによる力学的な要因
と、化学的な反応性に基づく要因に兼ね合いにより大き
く支配される。
例えば、熱膨張率が極端に異なる物質を複合化する場
合には製造工程における加熱・冷却過程においてクラッ
クや気孔の発生を促して機械的特性の低下を招き、他
方、繊維とマトリックスとの化学的な反応が著しくなる
と強化作用を減退させて同様に機械的特性を低下させ
る。
合には製造工程における加熱・冷却過程においてクラッ
クや気孔の発生を促して機械的特性の低下を招き、他
方、繊維とマトリックスとの化学的な反応が著しくなる
と強化作用を減退させて同様に機械的特性を低下させ
る。
本発明の方法によると、連続繊維とマトリックスとの
間に強化機構に有効な力学的、化学的な作用が生じ、更
に焼結助剤を構成するAl系成分がB4Cの焼結を促進する
ばかりでなく適度な界面反応を起こして結合を向上させ
るために機能する。
間に強化機構に有効な力学的、化学的な作用が生じ、更
に焼結助剤を構成するAl系成分がB4Cの焼結を促進する
ばかりでなく適度な界面反応を起こして結合を向上させ
るために機能する。
これらの作用が相乗的に寄与して材質強度ならびに靭
性の向上改善をもたらす。
性の向上改善をもたらす。
マトリックスとして平均粒子径１μｍおよび２μｍの
B4C粉末〔共立窯業（株）製〕、焼結助剤に平均粒子径4
0μｍのAlおよび／またはAlB2粉末（セラック社製）を
用い、これらをボールミルで24時間に亘り混合したのち
ポリシラスチレン樹脂（日本曹達（株）製）またはフェ
ノール樹脂の溶液を加え、真空混合機により30分間処理
して泥漿スラリーを作成した。
B4C粉末〔共立窯業（株）製〕、焼結助剤に平均粒子径4
0μｍのAlおよび／またはAlB2粉末（セラック社製）を
用い、これらをボールミルで24時間に亘り混合したのち
ポリシラスチレン樹脂（日本曹達（株）製）またはフェ
ノール樹脂の溶液を加え、真空混合機により30分間処理
して泥漿スラリーを作成した。
上記の泥漿スラリーに、ピッチ系の炭素繊維（ペトカ
・カーボニック社製）、ポリアクリロニトリル系の炭素
繊維〔東邦レーヨン（株）製〕およびSiC繊維の連続フ
ィラメント（トウ）を十分に浸しながらフィラメントワ
インディングによりボビンに巻き付け、半硬化してプリ
プレグ化した。引続き半乾きの状態で金属プレスにより
板状に成形し、溶媒を揮発させたのち1500kg/cm2の圧力
で静水圧プレスした。成形体をArガスに保持された炉中
でゆっくり昇温し700℃で１時間焼成したのち、1600〜2
000℃の温度段階で繊維方向と垂直に加圧するホットプ
レスにより200kg/cm2の圧力を適用して焼結処理をおこ
なった。
・カーボニック社製）、ポリアクリロニトリル系の炭素
繊維〔東邦レーヨン（株）製〕およびSiC繊維の連続フ
ィラメント（トウ）を十分に浸しながらフィラメントワ
インディングによりボビンに巻き付け、半硬化してプリ
プレグ化した。引続き半乾きの状態で金属プレスにより
板状に成形し、溶媒を揮発させたのち1500kg/cm2の圧力
で静水圧プレスした。成形体をArガスに保持された炉中
でゆっくり昇温し700℃で１時間焼成したのち、1600〜2
000℃の温度段階で繊維方向と垂直に加圧するホットプ
レスにより200kg/cm2の圧力を適用して焼結処理をおこ
なった。
なお、焼結体中の繊維含有量は全て35vol％とした。
このようにして製造した各複合体について、焼結密
度、気孔率、曲げ強さ、靭性値などの特性を測定した。
このうち、曲げ強さはJIS R1601による三点曲げ強度測
定法により、また靭性値は試片（４×３×36mm）の中央
に幅0.1mm、切り込み深さ1mmのノッチを導入し４点曲げ
（クロスヘッドスピード0.5mm/min）SENB法により測定
した。
度、気孔率、曲げ強さ、靭性値などの特性を測定した。
このうち、曲げ強さはJIS R1601による三点曲げ強度測
定法により、また靭性値は試片（４×３×36mm）の中央
に幅0.1mm、切り込み深さ1mmのノッチを導入し４点曲げ
（クロスヘッドスピード0.5mm/min）SENB法により測定
した。
得られた結果を適用した条件と対比させて第１表に示
した。
した。
第１表の結果から、本発明で得られる繊維強化B4C複
合体はいずれも良好な強度ならびに靭性値を示した。ま
た、EPMAの観察では繊維の表層部にAlが固溶しているこ
とが認められ、試片破断面観察では高靭化に有効とされ
るクラックディフレクションおよびプルアウト効果が確
認された。
合体はいずれも良好な強度ならびに靭性値を示した。ま
た、EPMAの観察では繊維の表層部にAlが固溶しているこ
とが認められ、試片破断面観察では高靭化に有効とされ
るクラックディフレクションおよびプルアウト効果が確
認された。
比較例 平均粒子径２μｍのB4C粉末に焼結助剤として平均粒
子径40μｍのAlB2粉末を５重量％混合し、これを温度18
00℃、圧力200kg/cm2の条件で焼結した。
子径40μｍのAlB2粉末を５重量％混合し、これを温度18
00℃、圧力200kg/cm2の条件で焼結した。
この例で得られたB4C焼結体の特性は、焼結密度2.47g
/cc、気孔率0.43％、曲げ強度54.3kg/mm2、靭性値32MP
a、 で靭性の改善は認められなかった。
/cc、気孔率0.43％、曲げ強度54.3kg/mm2、靭性値32MP
a、 で靭性の改善は認められなかった。
以上のとおり、本発明によれば従来技術において困難
とされていたB4Cの靭性改善を効果的に達成することが
できる。したがって、高機能セラミック材料として広汎
な用途が期待される。
とされていたB4Cの靭性改善を効果的に達成することが
できる。したがって、高機能セラミック材料として広汎
な用途が期待される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−102862（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−149474（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】熱硬化性樹脂溶液にB4C粉末およびAl系焼
結助剤を添加混合して泥漿スラリーを形成し、該泥漿ス
ラリーに炭素あるいはSiCの連続繊維を浸漬してプリプ
レグ化したのち、非酸化性雰囲気中で温度1600〜2000
℃、圧力150kg/cm2以上の熱圧条件によりホットプレス
することを特徴とする繊維強化B4C複合体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1096907A JP2696387B2 (ja) | 1989-04-17 | 1989-04-17 | 繊維強化ｂ▲下４▼ｃ複合体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1096907A JP2696387B2 (ja) | 1989-04-17 | 1989-04-17 | 繊維強化ｂ▲下４▼ｃ複合体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02275760A JPH02275760A (ja) | 1990-11-09 |
| JP2696387B2 true JP2696387B2 (ja) | 1998-01-14 |
Family
ID=14177434
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1096907A Expired - Lifetime JP2696387B2 (ja) | 1989-04-17 | 1989-04-17 | 繊維強化ｂ▲下４▼ｃ複合体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2696387B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009120426A (ja) * | 2007-11-13 | 2009-06-04 | Covalent Materials Corp | 長繊維強化セラミックス複合材料およびその製造方法 |
| JP2012153601A (ja) * | 2012-04-11 | 2012-08-16 | Covalent Materials Corp | 長繊維強化セラミックス複合材料およびその製造方法 |
| CN103668382B (zh) * | 2012-09-05 | 2016-08-03 | 安徽应流久源核能新材料科技有限公司 | B4C-Al复合材料表面处理方法 |
| CN106498470B (zh) * | 2016-10-24 | 2018-10-09 | 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 | B4C-Al中子吸收材料表面保护膜生成方法 |
| CN109852850A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-06-07 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法 |
| CN116802168A (zh) * | 2021-01-26 | 2023-09-22 | 三菱电机株式会社 | 复合陶瓷材料和复合陶瓷材料的制造方法 |
| CN113004041B (zh) * | 2021-03-09 | 2023-04-07 | 贵州木易精细陶瓷有限责任公司 | 梯度碳化物陶瓷及其制备方法 |
-
1989
- 1989-04-17 JP JP1096907A patent/JP2696387B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02275760A (ja) | 1990-11-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |