JP2782888B2 - 繊維強化無機系材料及びその製造方法 - Google Patents

繊維強化無機系材料及びその製造方法

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【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、繊維強化無機系材料及びその製造方法に係
り、特に、高温状態での高強度、高靭性、耐環境安定正
を得る技術に関するものである。
「従来の技術」 高温、高強度、高靭性、耐環境安定性が特に必要とさ
れる技術分野である航空機、ロケット、宇宙、核融合、
エネルギ関連技術分野では、ロケット・ジェット・ラム
ジェットエンジン、超高温耐熱壁用の材料として、超耐
熱材料である繊維強化無機系材料が求められている。
かかる用途を完全に満たす材料を提供することは困難
であるが、一部を満足させる材料として、炭素系繊維の
表面に、耐熱性、耐酸化性母材組織層を付着させた耐熱
性複合材料等が検討されている。
従来、かかる耐熱性複合材料を製造する場合には、複
数の単繊維を集合させた状態の繊維成形体を目的とする
形状に形成しておき、該繊維成形体にCVI(化学蒸着含
浸法)等によって、母材組織層を付着形成する方法が採
用されている。
そして、繊維成形体の単繊維が炭素繊維である場合に
は、繊維成形体を囲む母材組織層を炭素系または炭化硅
素とする複合材料が研究されている。炭素繊維を炭素系
の母材組織層で囲んだ構造であると、母材組織層に若干
の塑性変形性が付与されることによって、炭素繊維の本
来の強度が生かされることになる。
「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、母材組織層が炭素系であると、高温環
境で酸化易く、耐酸化性等の環境に対する安定性が損な
われるものとなり、一方、母材組織層が炭化硅素系であ
ると、耐酸化性の点では優れるものの、炭素繊維と母材
組織層との熱膨張係数、弾性率等の差が大きくなり、か
つ、母材組織層の塑性変形性が小さいために、炭素繊維
の高強度を十分に生かすことが困難となる。
本発明は上記事情に鑑みて提案されたもので、 (1)炭素繊維本来の高強度を生かして複合材料の強度
を向上させること。
(2)耐酸化性等の環境安定性を向上させること。
(3)高温状態における強度、靭性、耐酸化性等を向上
させること。
等を目的とするものである。
「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するため、本発明では、6つの手段を
提案している。
第1の手段は、炭素繊維と、該炭素繊維の表面に一体
に形成されかつ低剪断強度の炭素または窒化ほう素から
なる変形許容層と、該変形許容層を有する炭素繊維を囲
む空隙に充填される母材組織層とを具備する構成の繊維
強化無機系材料としている。
第2の手段は、母材組織層が、硅素の炭化物または窒
化物、ほう素の炭化物、元素周期率表におけるIV b族・
V b族・VI b族金属の炭化物、窒化物、ほう化物、硅化
物のいずれかから選択されたものを主成分とする構成を
第1の手段に付加してなる繊維強化無機系材料としてい
る。
第3の手段は、複数の単繊維を集合させた状態の繊維
成形体の形成工程と、該繊維成形体における単繊維表面
に気体原料の熱化学反応、液体前駆体の熱化学反応、固
体粉体の焼結のいずれかによって低剪断強度の炭素また
は窒化ほう素からなる変形許容層を形成する工程と、該
変形許容層を有する炭素繊維を囲む空隙に充填状態の母
材組織層を形成する工程とを有する繊維強化無機系材料
の製造方法としている。
第4の手段は、母材組織層を気体原料の熱化学反応、
液体前駆体の熱化学反応、固体粉体の焼結あるいは反応
のいずれかによって形成する構成を第3の手段に付加し
た繊維強化無機系材料の製造方法としている。
第5の手段は、繊維成形体における単繊維表面に低剪
断強度の炭素または窒化ほう素からなる変形許容層を形
成した状態で、成形加工を行ない、その後、母材組織層
を形成する構成を第3または第4の手段に付加した繊維
強化無機系材料の製造方法としている。
第6の手段は、成形加工前に、母材組織層の形成用原
料を塗布しておき、成形加工後に母材組織層を形成する
構成を第4または第5の手段に付加した繊維強化無機系
材料の製造方法としている。
「作用」 炭素繊維の表面に形成されている変形許容層は、複合
材料である繊維強化無機系材料に変形力が加えられた場
合に、塑性変形性を有することにより、炭素繊維と母材
組織層との相対的な変位を許容する。このため、炭素繊
維本来の強度を生かして複合材料としての強度を向上さ
せ、かつ、母材組織層の特性に基づく耐酸化性等が得ら
れる。
また、母材組織層が炭素系以外の組成、つまり、硅素
の炭化物または窒化物、ほう素の炭化物、特定金属の炭
化物、窒化物、ほう化物、硅化物等から選択されたもの
を主成分とするものによって形成されていると、変形許
容層が存在することに基づいて、炭素繊維との拘わりが
少なくなり、母材組織層本来の高温状態での耐酸化性等
が付与される。
そして、変形許容層の形成を炭素繊維及び母材組織層
の形成工程と有機的に結合させることにより、高温状態
での耐酸化性等の環境安定性、強度、靭性を有する繊維
強化無機系材料の製造を容易にするものである。
「発明の詳細」 本発明に係る繊維強化無機系材料の詳細について、第
1図を参照して説明する。
第1図において、符号1は炭素繊維、1aは単繊維、2
は変形許容層、3は母材組織層である。
該炭素繊維1は、複合材料としての強化繊維であり、
複数の単繊維1aを2次元方向に集合させるとともに、必
要に応じて成形加工を施したもの等である。かかる炭素
繊維1を使用する理由は、非酸化性雰囲気にて、高温ま
での温度範囲において優れた引っ張り強度を有するため
である。
前記変形許容層2は、炭素繊維1の表面に一体に形成
されるものであり、炭素または窒化ほう素から構成され
る。これら炭素または窒化ほう素としては、六方晶系の
結晶構造を有するものが適用される。炭素または窒化ほ
う素は、炭素繊維1に対して反応等を起こさず安定状態
で炭素繊維1と両立し、かつ、塑性変形性を有するため
に適用される。そして、変形許容層2は、その回りの母
材組織層3の厚さに対して、10%以上で60%以下とされ
る。この理由は、10%以下では炭素繊維1の本来の強度
が発揮できず、60%以上とすると耐酸化性が低下するた
めである。
炭素繊維1の回りに変形許容層2を一体に形成した
後、母材組織層3を形成する。該母材組織層3は、炭素
または窒化ほう素と反応等を起こさず、安定に両立し、
かつ、耐酸化性の高い材質であることが必要であり、次
のいずれかを主成分とするものが選定される。
硅素の炭化物または窒化物、炭化ほう素、元素周期率
表におけるIV b族・V b族・VI b族金属であるTi、Zr、H
f、V、Nb、Ta、Cr、Mo、Wの炭化物、窒化物、ほう化
物、硅化物。
変形許容層2を形成する方法としては、熱化学反応に
よって、変形許容層2となる気体原料、同じく熱化学反
応によって変形許容層2となる液体前駆体、または、焼
結または反応によってこれらを生成し得る固体粉体のい
ずれかを原料として、炭素繊維1の表面または周辺でこ
のような反応等を行わせる。
ここで気体原料としては、炭素に対してはメタン、プ
ロパン等の炭化水素気体を含むもの、窒化硅素に対して
は、塩化ほう素、アンモニア等のほう素含有気体と窒素
含有気体との混合気体を用いる。また、液体前駆体とし
ては、炭素に対しては、ピッチ、炭化水素系樹脂等、窒
化ほう素に対しては、ほう素・窒素含有樹脂等を用い
る。固体粉体としては、炭素に対しては、コークス粉、
メソフェーズ炭素粉等、窒化ほう素に対しては、焼結助
剤酸化物入り窒化ほう素粉等を用いる。
変形許容層2を形成する工程としては、で示したい
ずれかの方法により、予め炭素繊維1の表面に、変形許
容層2の一部を形成しておいて、しかる後、変形許容層
2を付着形成した状態の炭素繊維1の成形を行なっても
よい。
また、炭素繊維1を成形して、目的とする部材の形状
の成形体とした後、その成形体の空隙にで示したいず
れかの原料を流体として含浸させ、炭素繊維1の表面ま
たは周辺への変形許容層2の形成を行なってもよい。
炭素繊維1の周辺に炭素または窒化ほう素が変形許容
層2として形成された状態で、さらに、で示した第2
の材質を母材組織層3として形成する方法は、で述べ
たものと同様に、気体原料、液体前駆体、固体粉体のい
ずれかを原料として、熱化学反応焼結を行なわせる方法
によって実施する。また、工程としては、に述べた
ことと同様に、炭素繊維1の成形前にその一部を塗布し
ておいても、繊維1の成形後に成形体の残存空隙中へ原
料を流体として含浸させた後、空隙内での熱化学反応あ
るいは焼結等を行なわせ、母材質を形成してもよい。
「実施例1」 炭素繊維を用いて、フィラメントワインディング法に
より、円筒形の部品形状に成形した後、気体原料とし
て、水素−20%メタンの組成の気体を用いて、成形体の
空隙内にこの気体原料を含浸させつつ、1250℃で熱化学
反応を行なわせ、炭素繊維の表面に炭素を変形許容層と
して形成した。成形体の空隙率45%のうち、ほぼ半分が
炭素により充足された時点で、炭化硅素の液体前駆体と
して、ポリカーボシランを300℃にて加圧含浸させ、ア
ルゴン雰囲気中で1300℃まで加熱することにより、ポリ
カーボシランを炭化硅素に転化させた。この含浸処理を
3回繰り返すことにより、開気孔率がほぼ0である複合
材料、つまり、目的とする繊維強化無機系材料を得た。
この複合材料は、強度400MPaを有し、1200℃、10時間
の酸化試験によっても大きな特性の変化を示さなかっ
た。
一方、比較例1として、炭素繊維成形体の空隙をすべ
て炭素で充填した複合材料を実施例の前半部分と同じ工
程を最後まで続行することにより製作し、特性評価を行
なった。この比較例1は、当初強度400MPaであったが、
耐酸化性に対しては、1000℃、10時間の低い条件におい
て、既に顕著な重量減少と強度劣化を示した。
また、比較例2として、炭素繊維成形体の空隙へのポ
リカーボシラン含浸を当初から行ない、この含浸処理を
5回繰り返して、変形許容層と母材組織層とのほとんど
が、同じ材質の炭化硅素のみからなる複合材料を製作し
た。この比較例2は、耐酸化性については上述の実施例
1と同等の特性を示したが、強度が250MPaと低下した。
これらの比較によって、実施例1の優位性が明らかと
なった。
「実施例2」 炭素繊維織布に窒化ほう素の超微粉をスリラー状とし
たものを塗布し、これを積層して板状成形体とする成形
を行なった。この成形体に対して、窒化硅素の液体前駆
体としてのポリシラザンを含浸し、窒素中で1300℃まで
焼成して、窒化硅素に転化させた。この含浸焼成処理を
3回組り返した後、ホットプレスにより、緻密化させ
た。これにより、炭素繊維の周辺に窒化ほう素を変形許
容層として有し、変形許容層の回りに窒化硅素からなる
母材組織層を付着形成した。
この実施例2の複合材料も、耐熱強度、高安定性、耐
酸化性を有することが確認された。
なお、以上の実施例1・2のみならず、前述した各種
の材料によって複合材料、つまり、繊維強化無機系材料
を形成することが可能である。
「発明の効果」 以上の説明で明らかなように、本発明に係る繊維強化
無機系材料は、炭素繊維と変形許容層と母材組織層とを
有し、変形許容層が低剪断強度の炭素または窒化ほう素
からなるものであるため、繊維強化無機系材料に変形力
が加えられた場合に、変形許容層が塑性変形性を有し
て、炭素繊維と母材組織層との相対的な変位が生じ、炭
素繊維本来の特性を生かした高強度として、使用温度や
許容負荷の範囲を拡大することができる。そして、母材
組織層の良好な耐酸化性等の環境安定性を向上させるこ
とができる。
また、母材組織層を硅素の炭化物または窒化物、ほう
素の炭化物等とすることにより、炭素繊維部分と変形許
容層と母材組織層との組織の構成を容易とし、高温状態
での母材組織層の耐酸化性等を顕著なものとして、高温
状態における強度、靭性、耐酸化性を向上させることが
できる。
さらに、変形許容層の形成を炭素繊維及び母材組織層
の形成工程と有機的に結合させることにより、高温状態
での耐酸化性等の環境安定性、強度、靭性を有する繊維
強化無機系材料の製造を容易に実施することができる等
の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る繊維強化無機系材料の組織モデル
を示す正断面図である。 1……炭素繊維、 1a……単繊維、 2……変形許容層、 3……母材組織層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮原 薫 東京都江東区豊洲3丁目1番15号 石川 島播磨重工業株式会社技術研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/00 - 35/84

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炭素繊維と、該炭素繊維の表面に一体に形
    成されかつ低剪断強度の炭素または窒化ほう素からなる
    変形許容層と、該変形許容層を有する炭素繊維を囲む空
    隙に充填される母材組織層とを具備することを特徴とす
    るい繊維強化無機系材料。
  2. 【請求項2】母材組織層が、硅素の炭化物または窒化
    物、ほう素の炭化物、元素周期率表におけるIV b族・V
    b族・VI b族金属の炭化物、窒化物、ほう化物、硅化物
    のいずれかから選択されたものを主成分とすることを特
    徴とする請求項i記載の繊維強化無機系材料。
  3. 【請求項3】複数の単繊維を集合させた状態の繊維成形
    体の形成工程と、該繊維成形体における単繊維表面に気
    体原料の熱化学反応、液体前駆体の熱化学反応、固体粉
    体の焼結のいずれかによって低剪断強度の炭素または窒
    化ほう素からなる変形許容層を形成する工程と、該変形
    許容層を有する炭素繊維を囲む空隙に充填状態の母材組
    織層を形成する工程とを有することを特徴とする繊維強
    化無機系材料の製造方法。
  4. 【請求項4】母材組織層を気体原料の熱化学反応、液体
    前駆体の熱化学反応、固体粉体の焼結あるいは反応のい
    ずれかによって形成することを特徴とする請求項iii記
    載の繊維強化無機系材料の製造方法。
  5. 【請求項5】繊維成形体における単繊維表面に低剪断強
    度の炭素または窒化ほう素からなる変形許容層を形成し
    た状態で、成形加工を行ない、その後、母材組織層を形
    成することを特徴とする請求項iiiまたはiv記載の繊維
    強化無機系材料の製造方法。
  6. 【請求項6】成形加工前に、母材組織層の形成用原料を
    塗布しておき、成形加工後に母材組織層を形成すること
    を特徴とする請求項ivまたはv記載の繊維強化無機系材
    料の製造方法。
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