JP2892248B2 - Silicon nitride based composite ceramics - Google Patents

Silicon nitride based composite ceramics

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JP2892248B2
JP2892248B2 JP5052036A JP5203693A JP2892248B2 JP 2892248 B2 JP2892248 B2 JP 2892248B2 JP 5052036 A JP5052036 A JP 5052036A JP 5203693 A JP5203693 A JP 5203693A JP 2892248 B2 JP2892248 B2 JP 2892248B2
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fracture
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whiskers
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、破壊靭性、破壊抵抗、
及び高温破壊特性に優れた複合セラミックス焼結体に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to fracture toughness, fracture resistance,
And a composite ceramic sintered body having excellent high-temperature fracture characteristics.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化ケイ素セラミックスは、高温での破
壊強度が高く、耐熱衝撃性にも優れるため、ガスタービ
ン用構造部材や自動車用エンジン等への適用が期待され
ている。しかしながら、セラミックス特有の弱点である
脆いという性質も持ち合わせているため、き裂が発生す
るときの臨界の応力拡大係数である破壊靭性値、及びい
ったん発生したき裂の進展を阻止する破壊抵抗を向上さ
せることが当該分野での課題となっている。特に、破壊
強度を損なわずに破壊靭性値を向上させることが望まれ
ている。
2. Description of the Related Art Silicon nitride ceramics are expected to be applied to structural members for gas turbines, automobile engines, etc. because of their high breaking strength at high temperatures and excellent thermal shock resistance. However, it also has the brittleness characteristic of ceramics, so it improves the fracture toughness value, which is the critical stress intensity factor when a crack occurs, and the fracture resistance that prevents the growth of a crack once it has occurred. Is an issue in the field. In particular, it is desired to improve the fracture toughness value without impairing the fracture strength.

【0003】靭性値の向上に関しては、窒化ケイ素粒子
のα相からβ相への変化を促進して繊維状に成長させ、
粒子同士のかみ合い効果を生じさせて複合材的特性を発
現させることが行なわれている。この方法の1つとし
て、窒化ケイ素の分解温度を越える温度でのガス圧焼結
法が挙げられるが、この方法で作製した試料の機械的特
性を表1に示す。
[0003] With respect to the improvement of the toughness value, the silicon nitride particles are grown in a fibrous form by promoting the change from the α phase to the β phase.
2. Description of the Related Art It has been practiced to produce a composite material characteristic by generating an intermeshing effect between particles. One of the methods is a gas pressure sintering method at a temperature exceeding the decomposition temperature of silicon nitride. Table 1 shows the mechanical properties of the samples produced by this method.

【0004】[0004]

【表1】 [Table 1]

【0005】なお、表1に示す試料は、95%以上がα
型の窒化ケイ素粉末を出発原料として使用し、Y2 3
−Al2 3 系焼結助剤を添加して、2000℃、10
atmのN2 ガス雰囲気下で、ホットプレス焼結法によ
り作製した。表1に示すように、焼結時間の増加にとも
なって破壊靭性値KIC(SEPB法による)が向上して
いるが、これは、組織の観察によると、巨大に粒成長し
た窒化ケイ素粒子によるかみ合い効果によるものと考え
られている。
[0005] In the samples shown in Table 1, 95% or more of α
Type silicon nitride powder as a starting material, Y 2 O 3
-Al 2 O 3 -based sintering additive is added,
It was produced by a hot press sintering method in an N 2 gas atmosphere of atm. As shown in Table 1, the fracture toughness value K IC (according to the SEPB method) is improved as the sintering time is increased. It is thought to be due to the meshing effect.

【0006】また、靭性値を向上させるための別の手段
として、ウィスカーを添加して複合材料とすることが広
く行なわれている。これは、き裂先端近傍でのウィスカ
ーの架橋・引き抜け効果による特性向上を図ろうとする
ものであり、図2に示すように、ウィスカーの添加量が
増加するにつれて破壊エネルギーが増大する。破壊エネ
ルギーを増大させる以外にも、ウィスカーを添加した場
合には、図3に示すような焼結体内のき裂進展を抑える
効果、さらには、高温での粒界すべりを抑制し高温強度
を改善するなどの効果が現れる。このウィスカーのよう
な1次元粒子に対して、2次元粒子である板状粒子によ
って複合強化する試みもなされている。板状粒子は、ウ
ィスカーに比べて破壊エネルギー、破壊抵抗を高める効
果が大きく、図4に示すように、添加量とともにその効
果が増大する。
[0006] As another means for improving the toughness value, it has been widely practiced to add a whisker into a composite material. This is to improve the characteristics by the effect of crosslinking and pulling out the whiskers near the crack tip, and as shown in FIG. 2, the breaking energy increases as the added amount of the whiskers increases. In addition to increasing the fracture energy, when whiskers are added, the effect of suppressing the growth of cracks in the sintered body as shown in FIG. 3 and the improvement of high-temperature strength by suppressing grain boundary sliding at high temperatures The effect of doing it appears. Attempts have also been made to strengthen the composite of one-dimensional particles such as whiskers by plate-like particles that are two-dimensional particles. Plate-like particles have a greater effect of increasing the breaking energy and breaking resistance than whiskers, and as shown in FIG. 4, the effect increases with the addition amount.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述のように、種々の
手法を用いられてセラミックスの破壊靭性値を向上させ
ることが試みられているが、ガス圧焼結法によって相変
化を促進させた場合には、表1に示したように、焼結時
間の増加にともなって強度低下を引き起こしてしまい、
ウィスカーを配合した場合であっても、母材粒子がウィ
スカーと同等以上に針状化成長すると、図5に示すよう
にその加算的効果は少ない。さらに、板状粒子を配合し
た場合には、セラミックスの破壊強度が、図6に示すよ
うに大きく低下するという問題がある。
As described above, various techniques have been used to improve the fracture toughness value of ceramics. However, when the phase change is promoted by a gas pressure sintering method, As shown in Table 1, the strength decreases with an increase in the sintering time.
Even when whiskers are blended, if the base material particles grow into needles more than or equal to the whiskers, the additive effect is small as shown in FIG. Further, when plate-like particles are blended, there is a problem that the fracture strength of ceramics is greatly reduced as shown in FIG.

【0008】また、ウィスカー、板状粒子のいずれを用
いた場合も、配合割合が焼結体の30重量%以上になる
と、緻密な焼結体を得ることが困難になり、かつ局所的
な粒子の凝集により破壊特性を低下させてしまうことに
なる。
[0008] Regardless of whether whiskers or plate-like particles are used, if the compounding ratio is 30% by weight or more of the sintered body, it becomes difficult to obtain a dense sintered body, and local particles are not obtained. Agglomeration of the particles degrades the fracture characteristics.

【0009】このように、窒化ケイ素をベースとする材
料では、ウィスカー又は板状粒子を添加して複合材料と
しても、強度と靭性と高温特性をともに満足するという
点において、それらの加算的効果は十分に得られていな
い。
As described above, in the case of a material based on silicon nitride, even when whiskers or plate-like particles are added to form a composite material, their additive effects are satisfied in that both strength, toughness and high-temperature properties are satisfied. Not enough.

【0010】そこで、本発明は、高い破壊靭性値と破壊
抵抗を有し、高温でも高い強度及び耐クリープ特性を保
持する窒化ケイ素系複合セラミックスを提供することを
目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a silicon nitride-based composite ceramic having high fracture toughness and fracture resistance and maintaining high strength and creep resistance even at high temperatures.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、窒化ケイ素、炭化ケイ素ウィスカー、及
び炭化ケイ素板状粒子を含有し、ガス圧焼結法により作
製したことを特徴とする窒化ケイ素系複合セラミックス
を提供する。
Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is characterized in that it contains silicon nitride, silicon carbide whiskers, and silicon carbide plate-like particles and is manufactured by a gas pressure sintering method. To provide a silicon nitride-based composite ceramic.

【0012】[0012]

【作用】本発明の窒化ケイ素系複合セラミックスは、炭
化ケイ素ウィスカーと炭化ケイ素板状粒子とを含有して
いる。これらの1次元粒子(ウィスカー)と、2次元粒
子(板状粒子)とを含むことにより、セラミックス焼結
体は、より高次に複合化した構造組織をもつ。即ち、ウ
ィスカーは、母材である窒化ケイ素粒子の極端な粒成長
を抑制して強度低下を抑え、さらに、板状粒子ととも
に、高温での粒界軟化に起因する粒界すべりの抵抗力と
して働く。また、この複合化によって、き裂進展経路を
複雑化し、室温での強度低下を抑制することができる。
さらに、ガス圧焼結を行なってかみ合い効果を発現させ
ることで、破壊特性並びに破壊抵抗を向上させることが
可能となった。
The silicon nitride composite ceramic of the present invention contains silicon carbide whiskers and silicon carbide plate-like particles. By including these one-dimensional particles (whiskers) and two-dimensional particles (plate-like particles), the ceramic sintered body has a higher-order composite structure. That is, the whiskers suppress the extreme grain growth of the silicon nitride particles as the base material to suppress the decrease in strength, and, together with the plate-like particles, act as a resistance to grain boundary slip caused by grain boundary softening at high temperatures. . In addition, this complexing complicates the crack propagation path and suppresses a decrease in strength at room temperature.
Furthermore, by performing gas pressure sintering to express an interlocking effect, it has become possible to improve fracture characteristics and fracture resistance.

【0013】なお、ウィスカーを添加した際の複合効果
として、次のようなことが示唆された。20重量%の炭
化ケイ素ウィスカーを配合した窒化ケイ素粉末を表1に
示した試料を作製した際と同様の条件でホットプレス焼
結して得られた複合材の機械的特性を、表2に示す。こ
のときの出発原料としての窒化ケイ素は、95%以上が
α型であった。表1に示した結果との比較から、破壊靭
性値の向上はみられないものの、ウィスカー複合効果に
より焼結時間の増加にともなう破壊強度の低下が少ない
ことが認められる。
The following was suggested as a combined effect when whiskers were added. Table 2 shows the mechanical properties of a composite material obtained by hot-press sintering a silicon nitride powder containing 20% by weight of silicon carbide whiskers under the same conditions as when the samples shown in Table 1 were prepared. . At this time, 95% or more of the silicon nitride as a starting material was α-type. Comparison with the results shown in Table 1 shows that although the fracture toughness value is not improved, the decrease in fracture strength due to the increase in sintering time due to the whisker composite effect is small.

【0014】[0014]

【表2】 [Table 2]

【0015】このように、ウィスカーはガス圧焼結法に
よる強度低下を抑えて靭性を向上させる。本発明におい
ては、さらに板状粒子を添加することによって、高い破
壊靭性値と破壊抵抗、及び高い高温強度を窒化ケイ素セ
ラミックスに付与することができた。
As described above, the whisker improves the toughness by suppressing a decrease in strength due to the gas pressure sintering method. In the present invention, a high fracture toughness value, high fracture resistance and high high-temperature strength can be imparted to the silicon nitride ceramics by further adding plate-like particles.

【0016】[0016]

【実施例】以下、本発明の窒化ケイ素系複合セラミック
スの製造方法について、工程順に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method for producing a silicon nitride-based composite ceramic of the present invention will be described in the order of steps.

【0017】本発明の窒化ケイ素系複合セラミックスの
製造に使用される原料は、窒化ケイ素粉末に炭化ケイ素
ウィスカー及び炭化ケイ素板状粒子を配合し、焼結助剤
を添加した混合粉末である。窒化ケイ素粉末としては、
α型、β型のいずれを用いてもよいが、焼結体を作製し
たときに最大粒子の直径は10μm以下、アスペクト比
は20以下であることが好ましく、直径5μm以下、ア
スペクト比10以下であることがより好ましい。
The raw material used for producing the silicon nitride-based composite ceramic of the present invention is a mixed powder obtained by mixing silicon carbide whisker and silicon carbide plate-like particles with silicon nitride powder and adding a sintering aid. As silicon nitride powder,
Although any of α-type and β-type may be used, the maximum particle diameter is preferably 10 μm or less and the aspect ratio is preferably 20 or less when the sintered body was prepared, and the diameter is preferably 5 μm or less and the aspect ratio is 10 or less. More preferably, there is.

【0018】炭化ケイ素ウィスカーは、直径0.5〜5
μm、アスペクト比10以上であることが好ましく、直
径1〜2μm、アスペクト比20以上であることがより
好ましい。なお、このウィスカーの配合量は、好ましく
は混合粉末全体の30重量%未満であり、より好ましく
は5〜20重量%である。30重量%以上であると、緻
密な焼結体を得ることが困難となり、局所的な粒子の凝
集等によって破壊特性を低下させる。
The silicon carbide whiskers have a diameter of 0.5 to 5
μm and an aspect ratio of 10 or more, more preferably 1 to 2 μm in diameter and an aspect ratio of 20 or more. The amount of the whisker is preferably less than 30% by weight, more preferably 5 to 20% by weight of the whole mixed powder. When the content is 30% by weight or more, it becomes difficult to obtain a dense sintered body, and the fracture characteristics are deteriorated due to local aggregation of particles and the like.

【0019】また、炭化ケイ素板状粒子は、直径50μ
m以下、厚さ0.1〜5μmであることが好ましく、直
径20μm以下、厚さ1〜2μmであることがより好ま
しい。なお、この板状粒子の配合量も、ウィスカーの場
合と同様に理由により、混合粉末全体の30重量%未満
であることが好ましく、5〜20重量%がより好まし
い。
The silicon carbide plate-like particles have a diameter of 50 μm.
m and a thickness of preferably 0.1 to 5 μm, more preferably a diameter of 20 μm or less and a thickness of 1 to 2 μm. The amount of the plate-like particles is preferably less than 30% by weight, more preferably 5 to 20% by weight of the whole mixed powder for the same reason as in the case of the whisker.

【0020】焼結助剤としては、Y2 3 、Al
2 3 、MgAl2 4 、MgO、TiO2 等の少なく
とも2つを含む多成分系酸化物を使用することができる
が、その中でも、Y2 3 −Al2 3 又はY2 3
MgAl2 4 が好ましい。助剤の配合量は、好ましく
は混合粉末全体の20重量%未満であり、より好ましく
は1〜10重量%である。以上の各粉末をボールミルで
均一に湿式混合した後、乾燥、通篩して混合粉末を調製
する。
As the sintering aid, Y 2 O 3 , Al
A multi-component oxide containing at least two such as 2 O 3 , MgAl 2 O 4 , MgO, and TiO 2 can be used. Among them, Y 2 O 3 —Al 2 O 3 or Y 2 O 3
MgAl 2 O 4 is preferred. The compounding amount of the auxiliary agent is preferably less than 20% by weight of the whole mixed powder, more preferably 1 to 10% by weight. The above powders are uniformly wet-mixed with a ball mill, then dried and sieved to prepare a mixed powder.

【0021】この混合粉末を鋳型に入れ、例えば、コー
ルドプレス成形して予備成形体を作製する。なお、この
際、例えば押し出し成形法を用いてウィスカー及び板状
粒子を配向させることによって、配向面に垂直な方向の
機械的特性をさらに高めることもできる。
The mixed powder is placed in a mold and cold-pressed to form a preform. In this case, the mechanical properties in the direction perpendicular to the orientation plane can be further enhanced by orienting the whiskers and plate-like particles using, for example, an extrusion molding method.

【0022】その後、N2 雰囲気下でホットプレス焼結
して、窒化ケイ素系複合セラミックスが得られる。な
お、ホットプレス焼結は、1800〜2300℃、好ま
しくは1800〜2000℃の温度範囲で行ない、2〜
100atm、好ましくは5〜9.9atmの圧力に加
圧する。2atm未満であると、1900℃を越える温
度において、窒化ケイ素が、下記式(1)にしたがって
分解してしまう。 Si3 4 (s)→3Si(l)+2N2 (g) (1) 以下、本発明の具体的実施例及び比較例を示し、本発明
の効果を具体的に説明する。
Thereafter, hot press sintering is performed in an N 2 atmosphere to obtain a silicon nitride-based composite ceramic. In addition, hot press sintering is performed in a temperature range of 1800 to 2300 ° C, preferably 1800 to 2000 ° C.
The pressure is increased to 100 atm, preferably 5 to 9.9 atm. If it is less than 2 atm, at a temperature exceeding 1900 ° C., silicon nitride is decomposed according to the following formula (1). Si 3 N 4 (s) → 3Si (l) + 2N 2 (g) (1) Hereinafter, specific examples and comparative examples of the present invention will be shown, and effects of the present invention will be specifically described.

【0023】まず、サブミクロンサイズのα型ないしβ
型のいずれかの窒化ケイ素粉末に、下記表3に示す配合
量の炭化ケイ素ウィスカー及び炭化ケイ素板状粒子を配
合し、これに更に焼結助剤を添加して、混合、乾燥、通
篩し、3種類の混合粉末を調製した。配合したウィスカ
ーの直径及びアスペクト比は、それぞれ、約1μm、及
び30〜40であり、板状粒子の直径及び厚さは、それ
ぞれ30μm以下、及び1〜2μmであった。なお、焼
結助剤としては、5重量%Y2 3 +2重量%Al2
3 、又は5重量%Y2 3 +5重量%MgAl2 4
いずれかを使用した。
First, a submicron-sized α-type or β-type
A silicon carbide whisker and a silicon carbide plate-like particle having a compounding amount shown in Table 3 below are mixed with any one of the silicon nitride powders of the mold, and a sintering aid is further added thereto, followed by mixing, drying and sieving. And three types of mixed powders were prepared. The diameter and aspect ratio of the blended whiskers were about 1 μm and 30 to 40, respectively, and the diameter and thickness of the plate-like particles were 30 μm or less and 1 to 2 μm, respectively. In addition, as a sintering aid, 5% by weight of Y 2 O 3 + 2% by weight of Al 2 O
Either 3 or 5 wt% Y 2 O 3 +5 wt% MgAl 2 O 4 was used.

【0024】これらの混合粉末を鋳型に入れてコールド
プレス成形した後、8atmのN2雰囲気下、2000
℃で2時間ホットプレス焼結して得られた焼結体を、そ
れぞれ試料A、B、及びCとした。
[0024] After these mixed powder was cold pressed molding placed in a mold, N 2 atmosphere of 8 atm, 2000
The sintered bodies obtained by hot press sintering at 2 ° C. for 2 hours were designated as Samples A, B and C, respectively.

【0025】また、比較例として、ウィスカー、板状粒
子のいずれも添加せずに窒化ケイ素粉末のみをホットプ
レス焼結した試料を作製した。この粉末を、前述と同様
の条件でホットプレス焼結したものを試料Dとし、17
70℃で常圧のN2 ガス雰囲気下でホットプレス焼結し
たものを試料Eとした。さらに、試料A〜Cと同様の配
合割合の混合粉末を用いて、1770℃、常圧のN2
ス雰囲気下でホットプレス焼結したもの(試料F〜H)
も作製した。なお、1770℃で焼結した試料E〜H
は、焼結時間を1時間とした。
As a comparative example, a sample was prepared by hot press sintering only silicon nitride powder without adding any of whiskers and plate-like particles. A sample obtained by subjecting this powder to hot press sintering under the same conditions as described above was used as sample D.
Sample E was obtained by hot press sintering at 70 ° C. in a normal pressure N 2 gas atmosphere. Furthermore, the sample was subjected to hot press sintering at 1770 ° C. under a normal pressure of N 2 gas atmosphere using mixed powder having the same compounding ratio as that of samples A to C (samples F to H)
Was also prepared. Samples E to H sintered at 1770 ° C
The sintering time was 1 hour.

【0026】[0026]

【表3】 [Table 3]

【0027】各焼結体を、4mm×3mm×40mmの
試験片に加工し、JIS R1601に準じた曲げ破壊
試験、SEPB(Single Edge Pre−c
racked Beam)法による破壊靭性試験、及び
CN(Chevron Notch)法による破壊エネ
ルギーの測定を行なった。その結果を、各試料の密度と
ともに表4に示す。
Each sintered body was processed into a test piece of 4 mm × 3 mm × 40 mm, and subjected to a bending fracture test in accordance with JIS R1601, SEPB (Single Edge Pre-c).
A fracture toughness test by a racked beam method and a measurement of fracture energy by a CN (Chevron Notch) method were performed. The results are shown in Table 4 together with the density of each sample.

【0028】[0028]

【表4】 [Table 4]

【0029】表4から、作製した試料は、いずれも十分
に緻密化していることがわかる。比較例の試料の破壊強
度は、ウィスカー及び板状粒子の添加量の増加にともな
って低下する傾向がみられるが、本発明の試料は、その
割合は少ない。これは、前述したウィスカー添加によっ
て窒化ケイ素の粒成長が抑制されたためと考えられる。
本発明のセラミックス焼結体(試料A〜C)の強度は、
5時間、ガス圧焼結した窒化ケイ素単身材試料(表1
中、試料2)と同程度であるが、破壊靭性値については
増加がみられた。これは、母材である窒化ケイ素粒子、
及びウィスカー・板状粒子の添加相乗効果によるものと
思われる。また、破壊エネルギーにおいても、複合粒子
の添加量に応じて、大きな増加傾向が観察された。さら
に、破面を観察した結果、従来材に比べてき裂進展経路
の大きな偏向が確認され、複合粒子の添加によって破壊
抵抗が増大したことがわかる。これに対して、ウィスカ
ー及び板状粒子を添加しない試料の場合は、ガス圧焼結
を行なった試料Dでは破壊エネルギーが劣り、焼結温度
及び焼結時間を減少させて、常圧で焼結した試料Eで
は、破壊靭性値及び破壊エネルギーが低下している。さ
らに、試料Eと同様の条件で焼結した試料F及びGは、
破壊靭性値及び破壊エネルギーが低下し、試料Hにおい
ては、曲げ強度の低下が著しい。
From Table 4, it can be seen that all of the prepared samples are sufficiently densified. Although the breaking strength of the sample of the comparative example tends to decrease as the added amount of the whiskers and plate-like particles increases, the ratio of the sample of the present invention is small. This is probably because the whisker addition described above suppressed the grain growth of silicon nitride.
The strength of the ceramic sintered body (samples A to C) of the present invention is as follows.
Silicon nitride single material sample sintered for 5 hours under gas pressure (Table 1)
Medium, about the same as sample 2), but the fracture toughness value was increased. This is the silicon nitride particles that are the base material,
It is thought to be due to the synergistic effect of addition of whiskers and plate-like particles. Also, a large increase in the breaking energy was observed according to the amount of the composite particles added. Further, as a result of observing the fracture surface, a large deflection of the crack propagation path was confirmed as compared with the conventional material, and it was found that the addition of the composite particles increased the fracture resistance. On the other hand, in the case of the sample to which whiskers and plate-like particles were not added, the fracture energy was inferior in the sample D subjected to gas pressure sintering, the sintering temperature and sintering time were reduced, and sintering was performed at normal pressure. In sample E, the fracture toughness value and the fracture energy are reduced. Further, Samples F and G sintered under the same conditions as Sample E are:
The fracture toughness value and the fracture energy are reduced, and in Sample H, the bending strength is significantly reduced.

【0030】次に、焼結温度を100℃下げて1900
℃に、焼結時間を2時間にした以外は、試料Cと同様の
条件で試料(C−2)を作製し、SEPB破壊靭性試験
を行なった。その結果、2000℃で焼結した試料Cの
破壊靭性値と同等の11.1MPam1/2 という値が得
られた。
Next, the sintering temperature was lowered by 100 ° C. to 1900
A sample (C-2) was prepared under the same conditions as in Sample C, except that the sintering time was changed to 2 hours, and the SEPB fracture toughness test was performed. As a result, 11.1 MPam 1/2 which is equivalent to the fracture toughness value of Sample C sintered at 2000 ° C. Was obtained.

【0031】図1に、試料(C−2)のISB(Ind
entation Strength in Bend
ing)法によるき裂進展抵抗(R曲線)の評価結果
(曲線a)を示す。なお、図1には、2000℃10時
間ガス焼結した窒化ケイ素単身材(表1中、試料番号
3)のき裂進展抵抗曲線(曲線b)も同時に示した。図
1から、これらのガス圧焼結材のき裂進展抵抗は、図3
に示す従来材における結果よりも十分に大きいことがわ
かる。
FIG. 1 shows the ISB (Ind) of the sample (C-2).
entation Strength in Bend
2) shows the evaluation results (curve a) of the crack growth resistance (R curve) by the ing method. FIG. 1 also shows a crack growth resistance curve (curve b) of a silicon nitride single material (sample No. 3 in Table 1) gas-sintered at 2000 ° C. for 10 hours. From FIG. 1, the crack growth resistance of these gas-pressure sintered materials is shown in FIG.
It is understood that the result is sufficiently larger than the result of the conventional material shown in FIG.

【0032】すなわち、本発明における材料は、き裂の
存在に対して、より鈍感な信頼性の高い材料であるとい
うこと、しかも、焼結温度を下げて、かつ焼結時間を短
くしても、巨大粒子成長させた材料と同等以上の効果が
期待できることが明らかである。
That is, the material of the present invention is a highly reliable material that is less sensitive to the presence of cracks, and even if the sintering temperature is lowered and the sintering time is shortened. It is clear that an effect equal to or greater than that of a material grown by giant particles can be expected.

【0033】なお、試料(C−2)について、大気中、
1250℃での曲げ破壊試験を実施した結果、500M
Paの3点曲げ強度が得られた。この結果からも、大き
く粒成長した窒化ケイ素粒子、ウィスカー、板状粒子
が、高温における粒界相の軟化によるすべりを抑える役
割を果たしていると考えられ、高温強度のみならず、高
温クリープ特性向上にも期待できる。
The sample (C-2) was measured in air
As a result of conducting a bending fracture test at 1250 ° C.,
A three-point bending strength of Pa was obtained. From these results, it is considered that the silicon nitride particles, whiskers, and plate-like particles that have grown greatly play a role in suppressing the slip due to the softening of the grain boundary phase at high temperatures, and not only improve the high temperature strength but also improve the high temperature creep characteristics. Can also be expected.

【0034】さらに、試料(C−2)と、10数オング
ストロームのオーダーでTiO2 で表面被覆された炭化
ケイ素ウィスカーを用いる以外は、試料(C−2)と同
様の焼結条件で作製した複合焼結体(試料(C−3))
とについて、室温強度及び初期破壊抵抗値(SENB法
により決定された靭性値)を測定した。得られた結果を
下記表5に示す。
Further, a composite prepared under the same sintering conditions as the sample (C-2), except that the sample (C-2) and a silicon carbide whisker whose surface is coated with TiO 2 in the order of several tens of angstroms were used. Sintered body (sample (C-3))
With respect to and, the room temperature strength and the initial fracture resistance value (toughness value determined by the SENB method) were measured. The results obtained are shown in Table 5 below.

【0035】[0035]

【表5】 [Table 5]

【0036】表5に示すように、試料(C−2)の室温
強度及び初期破壊抵抗値は、それぞれ、757MPa、
及び8.8MPam1/2 であったのに対し、試料(C−
3)の室温強度及び初期破壊抵抗値は、それぞれ789
MPa、及び9.2MPam1/2 であった。このよう
に、炭化ケイ素ウィスカーの表面をTiO2 で被覆した
場合には、強度及び初期破壊抵抗値は、共に向上してい
た。なお、試料(C−3)のSENB法による破壊抵抗
は、試料(C−2)の値と同等の10.7MPam1/2
であった。上述のような機械的特性の向上は、Tiが、
炭化ケイ素強化繊維との界面にケイ化物を構成し、強い
結合を作ることによるものと考えられる。
As shown in Table 5, the room temperature strength and the initial fracture resistance of the sample (C-2) were 757 MPa, respectively.
And 8.8MPam 1/2 Whereas the sample (C-
The room temperature strength and the initial fracture resistance of 3) were 789, respectively.
MPa and 9.2MPam 1/2 Met. As described above, when the surface of the silicon carbide whisker was coated with TiO 2 , both the strength and the initial fracture resistance were improved. Note that the breaking resistance of the sample (C-3) by the SENB method was 10.7 MPam 1/2, which is equivalent to the value of the sample (C-2).
Met. The improvement in mechanical properties as described above is due to Ti
It is considered that silicide is formed at the interface with the silicon carbide reinforcing fiber to form a strong bond.

【0037】なお、同様な効果を有する元素としては、
Cr、Mo、Ni、W、Al等が挙げられる(特開平4
−172735)。また、界面層の厚さをより厚くする
ことにより、さらなる強度及び初期破壊抵抗値の向上が
期待できる。
Elements having the same effect include:
Cr, Mo, Ni, W, Al and the like.
172735). Further, by increasing the thickness of the interface layer, further improvement in strength and initial fracture resistance can be expected.

【0038】一方、ウィスカーの配向性をそろえること
によっても、一定方向の強度及び靭性を高めることがで
き、本材料系においても、成形プロセスの段階で、例え
ば押出し成形/シート積層法によってウィスカー、板状
粒子を配向させ、さらに特性を向上させることが可能で
ある。
On the other hand, by aligning the orientation of the whiskers, the strength and toughness in a certain direction can be increased. In the present material system, whiskers and plates can be formed at the stage of the molding process, for example, by extrusion / sheet lamination. The particles can be oriented to further improve the properties.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によると、
ガス圧焼結を用いて粒成長させた窒化ケイ素粒子相互の
かみ合い効果と、1次元粒子であるウィスカー及び2次
元粒子である板状粒子によるき裂端近傍での応力遮断効
果とにより、破壊靭性値、及びき裂進展時の破壊抵抗を
向上させた窒化ケイ素系複合セラミックスを得ることが
可能となった。
As described in detail above, according to the present invention,
Fracture toughness due to the interlocking effect between silicon nitride particles grown by gas pressure sintering and the effect of blocking stress near crack edges by whiskers, one-dimensional particles, and plate-like particles, two-dimensional particles It has become possible to obtain a silicon nitride-based composite ceramic having improved values and fracture resistance during crack propagation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る窒化ケイ素系複合セラミックスの
き裂進展抵抗を示す特性図。
FIG. 1 is a characteristic diagram showing crack propagation resistance of a silicon nitride-based composite ceramic according to the present invention.

【図2】従来例であるウィスカー強化窒化ケイ素系複合
セラミックスの破壊エネルギーを示す特性図。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the fracture energy of a whisker-reinforced silicon nitride-based composite ceramic as a conventional example.

【図3】従来例であるウィスカー強化窒化ケイ素系複合
セラミックスのき裂進展抵抗を示す特性図。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing crack propagation resistance of a whisker-reinforced silicon nitride-based composite ceramic as a conventional example.

【図4】従来例である板状粒子強化窒化ケイ素系複合セ
ラミックスの破壊エネルギーを示す特性図。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the fracture energy of a conventional plate-like particle-reinforced silicon nitride-based composite ceramic.

【図5】従来例であるウィスカー強化窒化ケイ素系複合
セラミックスの破壊靭性値を示す特性図。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a fracture toughness value of a conventional whisker-reinforced silicon nitride-based composite ceramic.

【図6】従来例である板状粒子強化窒化ケイ素系複合セ
ラミックスの破壊強度を示す特性図。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the fracture strength of a conventional plate-like particle-reinforced silicon nitride-based composite ceramic.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

a…本発明の試料C−2のき裂進展抵抗の特性曲線, b…従来例の試料3のき裂進展抵抗の特性曲線。 a: Characteristic curve of crack growth resistance of Sample C-2 of the present invention, b: Characteristic curve of crack growth resistance of Sample 3 of the conventional example.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/584 C04B 35/80 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) C04B 35/584 C04B 35/80

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 窒化ケイ素、炭化ケイ素ウィスカー、及
び炭化ケイ素板状粒子を含有し、ガス圧焼結法により作
製したことを特徴とする窒化ケイ素系複合セラミック
ス。
1. A silicon nitride-based composite ceramic containing silicon nitride, silicon carbide whiskers, and silicon carbide plate-like particles and produced by a gas pressure sintering method.
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