JP2926468B2 - Silicon carbide ceramics and method for producing the same - Google Patents

Silicon carbide ceramics and method for producing the same

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JP2926468B2 JP7221750A JP22175095A JP2926468B2 JP 2926468 B2 JP2926468 B2 JP 2926468B2 JP 7221750 A JP7221750 A JP 7221750A JP 22175095 A JP22175095 A JP 22175095A JP 2926468 B2 JP2926468 B2 JP 2926468B2
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    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は炭化けい素セラミックス
に係り、特に強度並びに破壊靭性に優れた炭化けい素セ
ラミックスおよびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon carbide ceramic, and more particularly to a silicon carbide ceramic having excellent strength and fracture toughness, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】SiCは、高温で耐酸化特性、高強度特
性、耐摩耗特性等の優れた材料特性を有するため、Si3N
4とともに次世代を担う重要なニューセラミックス材料
として注目され、研究開発が活発に行われている。そし
て、これらSiC焼結体は、その特性を利用した、ガスタ
ービン部材等の高温用部材、原子力プラントにおける耐
摩耗用部材、核融合炉用のプラズマ対向部材等、いわゆ
るエンジニアリングセラミックスとしての応用が期待さ
れている。
BACKGROUND ART SiC has to have oxidation resistance at high temperatures, high strength properties, excellent material characteristics such as wear resistance, Si 3 N
4 together with the attention as an important new ceramics material for the next generation, research and development have been actively conducted. These SiC sintered bodies are expected to be applied as so-called engineering ceramics utilizing their characteristics, such as high-temperature components such as gas turbine components, wear-resistant components in nuclear power plants, and plasma facing components for fusion reactors. Have been.

【0003】このようなエンジニアリングセラミックス
として使用するためには、強度、靭性に優れた信頼性の
高い材料でなればならない。そのための手法の一つとし
て、分散粒子、ウィスカ、短繊維強化、長繊維強化等の
ミクロ複合材と粒内複合化、粒界複合化、ナノ化等のナ
ノ複合材料とのハイブリッド化によって、強度・靭性に
対する目標を達成しようとする「ナノ複合化セラミック
ス」がある。この「ナノ複合化セラミックス」に関して
は、例えば、「金属 (1992年4月号)」の第13
頁から第18頁に記載されている。
In order to be used as such engineering ceramics, it must be a highly reliable material having excellent strength and toughness. One of the methods for this is to strengthen the strength by hybridizing micro-composites such as dispersed particles, whiskers, short fiber reinforcement and long fiber reinforcement with nano-composites such as intragranular composite, grain boundary composite and nano-composite.・ There is a “nano-composite ceramic” that aims to achieve the goal for toughness. Regarding this “nanocomposite ceramics”, for example, the 13th of “Metal (April 1992)”
Page 18 to page 18.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従来の「ナノ複合セラ
ミックス」の典型的な材料組織として、アルミナマトリ
ックス中にSiCを分散させた Al2O3/SiC 系材料の組織の
模式図を図6に示す。図6に示すように、マトリックス
であるセラミックス結晶1中にナノ粒子5が分散した構
造になっている。ナノ粒子5は、導入されたクラックに
対してクラックを偏向させ、破壊エネルギの増大に起因
する破壊靭性の増大を狙ったものである。Al2O3/SiC系
においては、このナノ粒子5の分散によって靭性が3.
5→4.8MPa√mに増加することが示されている。
しかしながら、セラミックス材料の工業化を考えると、
この程度の靭性向上では不十分であり、10MPa√m程度
の靭性が必要となる。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the structure of an Al 2 O 3 / SiC-based material in which SiC is dispersed in an alumina matrix as a typical material structure of the conventional “nano-composite ceramics”. Show. As shown in FIG. 6, the structure is such that the nanoparticles 5 are dispersed in the ceramic crystal 1 as a matrix. The nanoparticles 5 deflect the cracks with respect to the introduced cracks, and aim at increasing the fracture toughness due to the increase in the fracture energy. In the Al 2 O 3 / SiC system, the toughness is 3.
It is shown to increase from 5 to 4.8 MPa√m.
However, considering the industrialization of ceramic materials,
Such an improvement in toughness is not sufficient, and a toughness of about 10 MPaMPm is required.

【0005】本発明の目的は、特に破壊靭性に優れた炭
化けい素セラミックスおよびその製造方法を提供するこ
とにある。
An object of the present invention is to provide a silicon carbide ceramic having particularly excellent fracture toughness and a method for producing the same.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、炭化けい素の多結晶体の結晶粒界に、Al
-Si-Oの化合物の結晶、Zr-Si-Oの化合物の結晶また
は、Ln-Si-O(Lnは Y,La,Ce,Sm,Ho,Er,Ybの少なくとも
1つ)の化合物の結晶を含む炭化けい素セラミックスに
おいて、前記炭化けい素の結晶は、原料の炭化けい素の
結晶の回りに成長してできた炭化けい素の結晶を有する
多重構造であり、前記Al-Si-Oの化合物の結晶は、結晶
の中心部のアルミナと、前記アルミナを取り囲むムライ
トとを有し、前記Zr-Si-Oの化合物の結晶は、結晶の中
心部のジルコニアと、前記ジルコニアを取り囲むジルコ
ンとを有し、前記Ln-Si-Oの化合物の結晶は、結晶の中
心部のLn 2 O 3 と、前記Ln 2 O 3 を取り囲むLn 2 Si 2 O 7 とを有
することを特徴としている。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
Crystals of the compound of the -Si-O, compounds of Zr-Si-O crystal, also
Is Ln-Si-O (Ln is at least of Y, La, Ce, Sm, Ho, Er, Yb
Silicon carbide containing crystals of ( 1) compound
In the above, the silicon carbide crystal is made of silicon carbide as a raw material.
Has crystals of silicon carbide grown around the crystal
It has a multiple structure, and the crystal of the Al-Si-O compound is
Alumina in the center of
And the crystal of the Zr-Si-O compound is
Zirconia at the core and zirconia surrounding the zirconia
Wherein the crystal of the Ln-Si-O compound is
Yes and Ln 2 O 3 of eccentric part, and a Ln 2 Si 2 O 7 surrounding the Ln 2 O 3
It is characterized by doing.

【0007】また、上記炭化けい素セラミックスにおい
て、炭素繊維、炭化けい素繊維、炭化けい素ウィスカ、
炭化けい素短繊維、窒化けい素ウィスカ、または、窒化
けい素短繊維を含むことを特徴としている。
In addition, the above-mentioned silicon carbide ceramics
Carbon fiber, silicon carbide fiber, silicon carbide whisker,
Silicon carbide short fiber, silicon nitride whisker, or nitriding
It is characterized by containing silicon short fibers.

【0008】[0008]

【0009】本発明の炭化けい素セラミックスは、ガス
タービン用翼、原子力プラント用耐摩耗部材、核融合炉
用プラズマ対向部材に用いることができる。
[0009] silicon carbide ceramics of the present invention can be used gas turbine blade, nuclear power plants for the wear member, a nuclear fusion reactor for the plasma-facing member.

【0010】また、本発明に係る炭化けい素セラミック
スの製造方法は、炭素粉末と、炭化けい素粉末と、アル
ミナ、ジルコニア、または Ln 2 O 3 ( Lnは Y,La,Ce,Sm,H
o,Er,Ybの少なくとも1つ)を含む粉末とを混合する混
合工程と、混合された粉末に圧力を加えて所定形状の圧
粉体を成形する成形工程と、前記圧粉体を非酸化雰囲気
で熱処理して仮焼結体とする熱処理工程と、前記仮焼結
体と金属けい素とを、金属けい素が溶融する温度以上に
加熱して、前記仮焼結体中にけい素を含浸させる含浸工
程と、を有することを特徴としている。
[0010] In the method of manufacturing silicon carbide ceramics according to the present invention, a carbon powder, a silicon carbide powder, Al
Mina, zirconia, or Ln 2 O 3 (Ln is Y, La, Ce, Sm, H
o, unoxidized Er, a mixing step of mixing a powder containing at least one) of Yb, a shaping step of shaping the green compact of a predetermined shape by applying pressure to the mixed powder, the powder compact a heat treatment step of heat treatment in an atmosphere and presintered body, the preliminary sintering
Body and metallic silicon above the temperature at which metallic silicon melts
An impregnating step of heating to impregnate silicon into the temporary sintered body .

【0011】さらに、本発明に係る炭化けい素セラミッ
クスの製造方法は、炭素粉末と、炭化けい素粉末と、
ルミナ、ジルコニア、Ln 2 O 3 (Lnは Y,La,Ce,Sm,Ho,Er,Y
bの少なくとも1つ)を含む粉末とを混合する混合工程
と、混合された粉末を、炭素繊維、炭化けい素繊維、炭
化けい素ウィスカ、炭化けい素短繊維、窒化けい素ウィ
スカ、または、窒化けい素短繊維を含む繊維構造体に充
填する充填工程と、前記混合粉体が充填された前記繊維
構造体を非酸化雰囲気で熱処理して仮焼結体とする熱処
理工程と、前記仮焼結体と金属けい素とを、金属けい素
が溶融する温度以上に加熱して、前記仮焼結体中にけい
素を含浸させる含浸工程と、を有することを特徴として
いる。
Furthermore, the manufacturing method of silicon carbide ceramics according to the present invention, a carbon powder, a silicon carbide powder, A
Lumina, zirconia, Ln 2 O 3 (Ln is Y, La, Ce, Sm, Ho, Er, Y
b) mixing the powder with carbon fiber, silicon carbide fiber, silicon carbide whisker, silicon carbide short fiber, silicon nitride whisker, or nitriding. a filling step of filling the fibrous structure containing silicon Mototan fibers, a heat treatment step of the mixed powder and heat treated presintered body in a non-oxidizing atmosphere the fiber structure filled, the preliminary sintering Body and metal silicon, metal silicon
Is heated to a temperature higher than the temperature at which
And an impregnating step of impregnating the element .

【0012】[0012]

【作用】本発明者等は種々検討を重ねた結果、炭化けい
素セラミックスにおいて破壊靭性を高めるためには「マ
トリックスである炭化けい素は多結晶体から成り、結晶
粒界には、Al-Si-Oの化合物、Zr-Si-Oの化合物、Ln-Si-
Oの化合物の少なくとも1つの酸化物を含むこと」、更
に破壊靭性を向上させるためには「炭素繊維、炭化けい
素繊維を含むこと」が有効であることを見出した。ここ
で、Ln はランタン系列およびアクチニウム系列の元素
並びにYを表している。
The present inventors have conducted various studies and found that in order to enhance the fracture toughness of silicon carbide ceramics, "the silicon carbide as the matrix is made of polycrystalline material and the grain boundaries are made of Al-Si. -O compound, Zr-Si-O compound, Ln-Si-
It has been found that it is effective to include at least one oxide of a compound of O "and to" include carbon fibers and silicon carbide fibers "in order to further improve the fracture toughness. Here, Ln represents a lanthanum series element and an actinium series element and Y.

【0013】本発明の典型的な材料組織を図1に示す。
1はマトリックスのSiCであり、この結晶1の結晶方位
の影響を受けて焼結過程中に成長したSiC結晶を3で示
す。1と3の結晶はエピタキシャル成長した場合には同
一方位を持つが、必ずしも1と3の結晶方位が一致する
とは限らない。このSiCマトリックスの粒界には、Al-Si
-Oの化合物、Zr-Si-Oの化合物、Ln-Si-Oの化合物のうち
の少なくとも1つの複合酸化物4を含み、さらに2で示
す単一酸化物のアルミナ、ジルコニア、Ln2O3が共存し
ている。
FIG. 1 shows a typical material structure of the present invention.
Reference numeral 1 denotes a matrix SiC. The SiC crystal 3 grown during the sintering process under the influence of the crystal orientation of the crystal 1 is indicated by 3. The crystals 1 and 3 have the same orientation when grown epitaxially, but the crystal orientations of 1 and 3 do not always match. The grain boundaries of this SiC matrix are Al-Si
-O, a compound of Zr-Si-O and a compound of Ln-Si-O, including at least one composite oxide 4, and a single oxide represented by 2, alumina, zirconia, Ln 2 O 3 Coexist.

【0014】単一酸化物とその複合酸化物との体積割
合、すなわちアルミナ/(アルミナ+ムライト)、ジル
コニア/(ジルコン+ジルコニア)、Ln2O3/(Ln-Si-O+
Ln2O3)の体積割合は10%以上で90%以下であり、
また、ムライト及びアルミナ、ジルコン及びジルコニ
ア、Ln-Si-O及びLn2O3が焼結体全体で占める体積割合は
2%以上で40%以下とする。これらの範囲以下である
と靭性向上に対する効果が少なく、これらの範囲以上で
あるとSiCマトリックスに対する粒界部の化合物の割合
が多くなり、SiCが本来持っている強度特性を最大限に
発揮することができない。
The volume ratio of a single oxide and its composite oxide, ie, alumina / (alumina + mullite), zirconia / (zircon + zirconia), Ln 2 O 3 / (Ln-Si-O +
The volume ratio of Ln 2 O 3 ) is 10% or more and 90% or less,
Further, mullite and alumina, zircon and zirconia, the volume ratio of Ln-Si-O and Ln 2 O 3 occupies the entire sintered body is not more than 40% more than 2%. Below this range, the effect on toughness improvement is small, and above this range, the proportion of the compound in the grain boundary part with respect to the SiC matrix increases, and the strength characteristics inherent to SiC are exhibited to the maximum. Can not.

【0015】本発明に係る炭化けい素セラミックスの製
造方法としては反応焼結法が最適である。反応焼結法
は、SiC-C成形体を約700〜900℃の温度にて仮焼
結し、その後金属けい素が溶融する温度以上に加熱して
溶融けい素と仮焼結体とを接触させ、仮焼結体中の細孔
を利用して毛細管現象によってSiを含浸させる方法であ
る。
The most suitable method for producing the silicon carbide ceramics according to the present invention is a reaction sintering method. In the reaction sintering method, the SiC-C compact is pre-sintered at a temperature of about 700 to 900 ° C, and then heated to a temperature higher than the temperature at which silicon metal melts, and the molten silicon contacts the pre-sintered body. This is a method in which Si is impregnated by capillary action utilizing pores in the temporarily sintered body.

【0016】以下、Al-Si-Oの化合物を例にとり詳細に
説明する。炭化けい素粉末とカーボンブラック、並びに
アルミナを混合し、これに結合剤としてフェノール樹脂
を加え、エタノール溶媒中でボールミル混合にて混合粉
体とする。この混合粉体を1ton/cm2程度の圧力でCI
P成形した後、10~2Torr 程度の真空中、あるいは不
活性ガス雰囲気中で800〜1700℃で数時間の熱処
理を行い仮焼結体とする。なお、混合及び成形はボール
ミル、CIPに限られるものではない。
Hereinafter, the compound of Al-Si-O will be described in detail. Silicon carbide powder, carbon black, and alumina are mixed, a phenol resin is added as a binder, and the mixed powder is mixed by ball milling in an ethanol solvent. The mixed powder is subjected to CI at a pressure of about 1 ton / cm 2.
After P molding, heat treatment is performed at 800 to 1700 ° C. for several hours in a vacuum of about 10 to 2 Torr or in an inert gas atmosphere to obtain a temporary sintered body. The mixing and molding are not limited to the ball mill and the CIP.

【0017】次に、前記仮焼結体の上に約2倍の重量の
金属けい素をのせ、3〜10~2Torrの真空中、1500
〜1700℃で0.5〜数十時間の熱処理を行い、金属
けい素を含浸させる。このようにして、SiCマトリック
ス中にアルミナ/ムライトが分散析出した材料を得るこ
とができる。
Next, about twice the weight of silicon metal is placed on the pre-sintered body and placed in a vacuum of 3 to 10 to 2 Torr and 1500
Heat treatment is performed at 1700 ° C. for 0.5 to several tens of hours to impregnate the metal silicon. Thus, a material in which alumina / mullite is dispersed and precipitated in the SiC matrix can be obtained.

【0018】このようにして得られた材料の4点曲げ強
度は約1000MPa、鏡面に磨いた試験片表面にビッカ
ース圧子を押しつけ、更に圧痕の四隅から対角線の延長
上に亀裂を発生させ、圧痕の対角長さを測定して靭性を
評価するIF(IndentationFracture)法によると破壊
靭性値は数十 MPa・√mが得られる。
The material thus obtained has a four-point bending strength of about 1000 MPa, and a Vickers indenter is pressed against the mirror-polished surface of the test piece. Further, cracks are generated on the diagonal extension from the four corners of the indentation, and According to the IF (Indentation Fracture) method of evaluating toughness by measuring the diagonal length, a fracture toughness value of several tens MPa · MPam is obtained.

【0019】このように本発明によって、従来のSiCセ
ラミックスの3〜5MPa√mとは比較にならないほどの靭
性の向上が可能となるが、より高い信頼性を確保しエン
ジニアリングセラミックスとして使いやすく、設計しや
すくするためには、長繊維との複合化が必要となる。長
繊維には炭素繊維、炭化けい素を主成分とする長繊維が
適し、焼結体中に占めるこれら長繊維の体積割合は60
%以下とする。繊維の体積割合がこれ以上であると、Si
Cマトリックスの有する耐熱・耐酸化特性等を十分発揮
でないためである。
As described above, according to the present invention, it is possible to improve the toughness incomparably with 3 to 5 MPa√m of the conventional SiC ceramics. In order to facilitate the formation, it is necessary to form a composite with a long fiber. Suitable long fibers are long fibers mainly composed of carbon fiber and silicon carbide, and the volume ratio of these long fibers in the sintered body is 60%.
% Or less. If the fiber volume ratio is higher than this, Si
This is because the heat and oxidation resistance properties of the C matrix are not sufficiently exhibited.

【0020】ここで、長繊維複合材料の製造例を示す。
繊維束が500〜3000本程度の炭化けい素、あるい
は炭素繊維の連続繊維を用いて、一次元、2次元、3次
元に繊維を配置し賦形化を行った。一次元配置では、繊
維の一次元配向、2次元配置では平織り、朱子織り、絡
み織り、3次元配置では、直交組織織り、絡み組織織り
が望ましい。ウィスカ、短繊維を用いる場合には、マッ
ト状の不織体を用いるのが望ましい。このときの繊維含
有率Vfは、60%以下であるものを使用する。この繊
維構造体に、前述の組成粉末を充填する。充填方法とし
ては、スラリー化して充填する方法が簡便であるが、こ
れに限定されない。すなわち、炭化けい素粉末とカーボ
ンブラック、並びにアルミナを混合し、これに結合剤と
してフェノール樹脂を加え、エタノール溶媒中でボール
ミル混合にて混合粉体スラリーとする。このスラリーを
加圧含浸によって繊維構造体に含浸する。この含浸構造
体を10~2Torr程度の真空中、或いは不活性ガス雰囲気
中で800〜1700℃で数時間の熱処理を行い仮焼結
体とし、前述と同様の熱処理を行いSiの含浸処理を行
う。この様にして、SiCマトリックス中にアルミナ/ム
ライトが分散析出し、更に長繊維、ウイスカによって強
化された炭化けい素セラミックスを得ることができる。
4点曲げ強度は約1000MPaで同程度で、前述の長繊
維を含まないものと同程度であるが、破壊靭性値は、数
倍大きく70MPa・√m程度のものも得ることができる。
Here, an example of manufacturing a long fiber composite material will be described.
The fibers were arranged one-dimensionally, two-dimensionally, and three-dimensionally using a continuous fiber of silicon carbide or carbon fibers having about 500 to 3,000 fiber bundles, and shaping was performed. In the one-dimensional arrangement, one-dimensional orientation of the fibers, in the two-dimensional arrangement, plain weave, satin weave, and entanglement weave, and in the three-dimensional arrangement, orthogonal tissue weave and entanglement weave are desirable. When whiskers or short fibers are used, it is desirable to use a mat-shaped nonwoven. The fiber content Vf at this time is 60% or less. This fiber structure is filled with the above-mentioned composition powder. As a filling method, a method of making a slurry and filling is simple, but not limited to this. That is, silicon carbide powder, carbon black, and alumina are mixed, a phenol resin is added as a binder, and a mixed powder slurry is obtained by ball mill mixing in an ethanol solvent. The slurry is impregnated with the slurry by pressure impregnation. This impregnated structure is subjected to a heat treatment at 800 to 1700 ° C. for several hours in a vacuum of about 10 to 2 Torr or in an inert gas atmosphere to form a temporary sintered body. Do. In this way, it is possible to obtain a silicon carbide ceramic in which alumina / mullite is dispersed and precipitated in the SiC matrix and further reinforced by long fibers and whiskers.
The four-point bending strength is about the same at about 1000 MPa, which is about the same as that without the long fiber, but the fracture toughness value is several times larger and about 70 MPa · √m can be obtained.

【0021】本発明の炭化けい素セラミックスは、ガス
タービン用の動翼、静翼、原子力プラント用耐摩耗部
材、核融合炉用プラズマ対向部材の一部または全部に適
用可能であるが、長繊維、ウィスカ、短繊維を用いる場
合には、主要な繊維軸の方向を使用中材料が受ける主応
力方向と一致させることが望ましい。
The silicon carbide ceramic of the present invention can be applied to a part or the whole of a rotor blade, a stationary blade for a gas turbine, a wear-resistant member for a nuclear power plant, and a plasma facing member for a fusion reactor. When whiskers or short fibers are used, it is desirable that the direction of the main fiber axis is made to coincide with the direction of the main stress applied to the material during use.

【0022】次に、靭性向上のメカニズムについて説明
する。靭性向上のメカニズムは、次のように i)き裂が
進展を開始することに対する抵抗力によるものと、 i
i)き裂進展を続けることに対する抵抗力によるもの
と、の二つに分類できる。前者には、内部応力(熱膨
張係数の異なる第2相により発生する残留応力)、荷
重転移(弾性率の高い第2相に荷重を負担)が、後者に
はき裂を閉じる応力(closure stress)を発生させる
機構、体積膨張により歪を緩和させる機構、き裂後
方(wake)中でのマイクロクラックと主き裂との相互作
用により、主き裂の応力集中を軽減させる機構、き裂
の偏向・湾曲・分岐、等が影響している。
Next, a mechanism for improving toughness will be described. The mechanism of toughness improvement is as follows: i) The resistance to crack initiation is
i) It can be classified into two types, one due to resistance to continued crack growth. The former includes internal stress (residual stress generated by the second phase having a different coefficient of thermal expansion), load transfer (load is applied to the second phase having a high elastic modulus), and the latter includes a closure stress (closure stress). ), A mechanism to reduce the strain by volume expansion, a mechanism to reduce the stress concentration of the main crack by the interaction between the microcrack and the main crack in the wake of the crack, Deflection, bending, branching, etc. are affecting.

【0023】本発明の材料においては、これらの靭性向
上の機構のうち、上記の,,が有効に作用する材料
構造となっている。すなわち、図1に示されるように、
マトリックスであるSiC1よりも大きな熱膨張係数を有
するシリコンとの複合酸化物が存在し、更にその内部に
は熱膨張係数が前記複合酸化物よりは小さいが、SiC1
よりは大きい酸化物が存在する。このため、マトリック
スであるSiC内部には残留圧縮応力をの機構により発
生させることができ、また、これら複合酸化物にはマト
リックスと比べてその弾性率が大きいものがあり、この
析出分散相にの機構によって荷重を分担できる場合が
ある。
The material of the present invention has a material structure in which, among these mechanisms for improving toughness, the above-mentioned and. That is, as shown in FIG.
There is a composite oxide with silicon having a larger coefficient of thermal expansion than SiC1, which is a matrix, and the inside thereof has a smaller coefficient of thermal expansion than that of the composite oxide.
Larger oxides are present. For this reason, residual compressive stress can be generated inside the SiC matrix by a mechanism, and some of these composite oxides have a higher elastic modulus than the matrix. In some cases, the load can be shared by the mechanism.

【0024】また、マトリックスであるSiCは、原料のS
iC1とその結晶学的な影響を受けて成長したSiC結晶3
との多重構造を取るため、1と3の界面、3と4の界
面、2と4の界面、4と4の界面によって、の機構の
クラックの偏向、湾曲、分岐等が生じる。そして、これ
ら材料に長繊維、ウィスカ、短繊維等を複合化した場合
には、これらが強度・靭性を担い、さらにマトリックス
と長繊維、ウィスカ、短繊維界面での破壊エネルギの緩
和が生ずるため、大幅な強度及び靭性の向上が可能とな
る。
Further, SiC as a matrix is composed of S
iC1 and SiC crystal 3 grown under its crystallographic influence
The interface of 1 and 3, the interface of 3 and 4, the interface of 2 and 4, and the interface of 4 and 4 cause crack deflection, bending and branching of the mechanism. And when these materials are compounded with long fibers, whiskers, short fibers, etc., these are responsible for the strength and toughness, and furthermore, the relaxation energy at the matrix and long fibers, whiskers, short fiber interfaces occurs, Significant improvements in strength and toughness are possible.

【0025】従来のナノ複合材料の構造を模式的に示し
た図においては、マトリックス1にナノ粒子5が分散
した状態になっており、この構造でもナノ粒子5に熱膨
張の大きな酸化物を分散させた場合には、の機構、及
び1と1の界面でのクラックの偏向による靭性の向上が
考えられる。しかしながら、図と図1とを比較すると
明らかなように、クラックの偏向、湾曲、分岐が生ずる
界面は本発明の方が圧倒的に多い。このため、本発明の
炭化けい素セラミックでは、クラックの解放エネルギが
従来例に比して極めて大きくなるのである。
FIG. 6 schematically shows the structure of a conventional nanocomposite, in which nanoparticles 5 are dispersed in a matrix 1. In this structure, an oxide having a large thermal expansion is applied to the nanoparticles 5. In the case of dispersing, it is conceivable to improve the mechanism and the toughness due to the deflection of cracks at the interface between 1 and 1. However, as is apparent from a comparison between FIG. 6 and FIG. 1, the interface according to the present invention has overwhelmingly many interfaces where crack deflection, bending and branching occur. For this reason, in the silicon carbide ceramic of the present invention, the release energy of cracks is extremely large as compared with the conventional example.

【0026】[0026]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 (実施例1)平均粒径2μmのα型炭化けい素粉末と平
均粒径0.01μmのカーボンブラック、並びに平均粒
径0.2μmのアルミナを表1の試料番号1〜5の組成
比で混合し、これに粘結剤としてフェノール樹脂を1
g、エタノールを140cc 加え、SiC ボールを用いて
ボールミルにて混合し混合粉体を得た。この混合粉体を
1000 kg/cm2の圧力で成形した後、10~2Torr の真
空中で1000℃で1時間の熱処理を行い仮焼体とし
た。この仮焼体の上に約2倍の重量の金属シリコンをの
せ、10~2Torr の真空中、1600℃で1時間の熱処
理を行い、含浸させた。
Embodiments of the present invention will be described below. (Example 1) α-type silicon carbide powder having an average particle diameter of 2 μm, carbon black having an average particle diameter of 0.01 μm, and alumina having an average particle diameter of 0.2 μm were mixed in the composition ratio of sample numbers 1 to 5 in Table 1. And a phenol resin as a binder
g and ethanol were added, and mixed with a ball mill using SiC balls to obtain a mixed powder. This mixed powder was molded at a pressure of 1000 kg / cm 2 and then heat-treated at 1000 ° C. for 1 hour in a vacuum of 10 to 2 Torr to obtain a calcined body. About twice the weight of metallic silicon was placed on this calcined body, and heat treatment was performed at 1600 ° C. for 1 hour in a vacuum of 10 to 2 Torr to impregnate it.

【0027】そして、反応焼結後の強度及び破壊靭性値
について、JIS 4点曲げ試験法、並びに鏡面に磨い
た試験片表面にビッカース圧子を押しつけ、圧痕の四隅
から対角線の延長上に亀裂を発生させ、圧痕の対角長さ
を測定してIF法により評価した。その結果を示したの
が表1であり、表1から分かるように、本発明の炭化け
い素セラミックスに相当する試料番号2〜4(ムライト
及びアルミナが焼結体全体で占める体積割合が2%以上
で40%以下のもの)では、強度及び破壊靭性値の双方
とも満足できる結果であった。
Regarding the strength and fracture toughness values after the reaction sintering, a Vickers indenter was pressed against the surface of the test piece polished to a mirror surface according to JIS 4-point bending test, and cracks were formed on the diagonal extension from the four corners of the indentation. Then, the diagonal length of the indentation was measured and evaluated by the IF method. The results are shown in Table 1. As can be seen from Table 1, Sample Nos. 2 to 4 corresponding to the silicon carbide ceramics of the present invention (volume ratio of mullite and alumina in the entire sintered body was 2% In the above, the strength and the fracture toughness value were both satisfactory.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】(実施例2)実施例1の試料番号3の組成
の試料について、実施例1と同様に粉末の混合、成形、
仮焼結を行った後に、この仮焼体の上に、約2倍の重量
の金属シリコンをのせ、10~2Torr の真空中で反応時
間を10時間とし、焼結温度を1450℃〜1800℃
と変化させて含浸を行った。
Example 2 For a sample having the composition of sample No. 3 of Example 1, powder mixing, molding,
After sintering, about twice the weight of metallic silicon is placed on the calcined body, the reaction time is set to 10 hours in a vacuum of 10 to 2 Torr, and the sintering temperature is 1450 ° C. to 1800 ° C. ° C
And impregnation was performed.

【0030】反応焼結後の強度及び破壊靭性値につい
て、実施例1と同様の方法で評価した。その結果を示し
たのが表2であり、表2から分かるように、本発明の炭
化けい素セラミックスに相当する試料番号7〜9(ムラ
イト/(アルミナ+ムライト)の体積割合が10%以上
で90%以下のもの)では、強度及び破壊靭性値の双方
とも満足できる結果であった。
The strength and fracture toughness after reaction sintering were evaluated in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the results. As can be seen from Table 2, the sample Nos. 7 to 9 (mullite / (alumina + mullite) having a volume ratio of 10% or more corresponding to the silicon carbide ceramics of the present invention) were obtained. 90% or less), both the strength and the fracture toughness value were satisfactory.

【0031】[0031]

【表2】 [Table 2]

【0032】(実施例3)平均粒径2μmのα型炭化け
い素粉末と平均粒径0.01μmのカーボンブラック、
並びに平均粒径0.3μmのZrO2を表3の試料番号11
から14の組成比で混合し、これに粘結剤としてフェノ
ール樹脂を1g、エタノールを140cc加え、SiCボー
ルを用いてボールミルにて混合し混合粉体を得た。そし
て、この混合粉体から実施例1と全く同様の工程を経て
反応焼結体を得た。
Example 3 α-type silicon carbide powder having an average particle size of 2 μm, carbon black having an average particle size of 0.01 μm,
And ZrO 2 having an average particle size of 0.3 μm
And 14 g of a phenol resin as a binder and 140 cc of ethanol were added thereto, and mixed with a ball mill using SiC balls to obtain a mixed powder. Then, a reaction sintered body was obtained from this mixed powder through exactly the same steps as in Example 1.

【0033】そして、反応焼結後の強度及び破壊靭性値
について、JIS 4点曲げ試験法、及びIF法により
評価した。その結果を示したのが表3であり、表3から
分かるように、本発明の炭化けい素セラミックスに相当
する試料番号12及び13(ジルコン及びジルコニアが
焼結体全体で占める体積割合が2%以上で40%以下の
もの)では、強度及び破壊靭性値の双方とも満足できる
結果であった。
The strength and fracture toughness after reaction sintering were evaluated by the JIS four-point bending test method and the IF method. Table 3 shows the results. As can be seen from Table 3, Sample Nos. 12 and 13 (zircon and zirconia accounted for 2% by volume of the entire sintered body) corresponded to the silicon carbide ceramics of the present invention. In the above, the strength and the fracture toughness value were both satisfactory.

【0034】[0034]

【表3】 [Table 3]

【0035】(実施例4)実施例3の試料番号13の組
成の試料について、実施例1と同様に粉末の混合、成
形、仮焼結を行った後に、この仮焼体の上に、約2倍の
重量の金属シリコンをのせ、10~2Torr の真空中で反
応時間を10時間とし、焼結温度を1450℃〜180
0℃と変化させて含浸を行った。
Example 4 A sample having the composition of sample No. 13 of Example 3 was mixed with powder, molded and pre-sintered in the same manner as in Example 1, and then the calcined body was placed on the calcined body. Double the weight of metallic silicon, set the reaction time in a vacuum of 10 to 2 Torr for 10 hours, and raise the sintering temperature from 1450 ° C to 180
The impregnation was performed by changing the temperature to 0 ° C.

【0036】反応焼結後の強度及び破壊靭性値につい
て、実施例1と同様の方法で評価した。その結果を示し
たのが表4であり、表4から分かるように、本発明の炭
化けい素セラミックスに相当する試料番号16及び17
(ジルコン/(ジルコニア+ジルコン)の体積割合が1
0%以上で90%以下のもの)では、強度及び破壊靭性
値の双方とも満足できる結果であった。
The strength and fracture toughness after reaction sintering were evaluated in the same manner as in Example 1. Table 4 shows the results. As can be seen from Table 4, Sample Nos. 16 and 17 corresponding to the silicon carbide ceramics of the present invention were used.
(The volume ratio of zircon / (zirconia + zircon) is 1
0% or more and 90% or less), both the strength and the fracture toughness value were satisfactory.

【0037】[0037]

【表4】 [Table 4]

【0038】(実施例5)平均粒径2μmのα型炭化け
い素粉末と平均粒径0.01μmのカーボンブラック、
並びに平均粒径0.3μmのY2O3を表5の試料番号20
から23の組成比で混合し、これに粘結剤としてフェノ
ール樹脂を1g、エタノールを140cc加え、SiCボー
ルを用いてボールミルにて混合し混合粉体を得た。この
混合粉体から実施例1と全く同様の工程を経て反応焼結
体を得た。
Example 5 α-type silicon carbide powder having an average particle size of 2 μm and carbon black having an average particle size of 0.01 μm;
And Y 2 O 3 having an average particle size of 0.3 μm
To 23, and 1 g of a phenol resin as a binder and 140 cc of ethanol were added thereto, and the mixture was mixed by a ball mill using SiC balls to obtain a mixed powder. A reaction sintered body was obtained from this mixed powder through exactly the same steps as in Example 1.

【0039】反応焼結後の強度及び破壊靭性値ついて、
JIS 4点曲げ試験法及びIF法により評価した。そ
の結果を示したのが表5であり、表5から分かるよう
に、本発明の炭化けい素セラミックスに相当する試料番
号21及び22(Y2Si2O7およびY2O3が焼結体全体で占
める体積割合が2%以上で40%以下のもの)では、強
度及び破壊靭性値の双方とも満足できる結果であった。
Regarding strength and fracture toughness after reaction sintering,
It was evaluated by the JIS four-point bending test method and the IF method. Table 5 shows the results, and as can be seen from Table 5, Sample Nos. 21 and 22 (Y 2 Si 2 O 7 and Y 2 O 3 In the case where the volume ratio occupied in the whole is 2% or more and 40% or less), both the strength and the fracture toughness value were satisfactory.

【0040】[0040]

【表5】 [Table 5]

【0041】(実施例6)実施例5の試料番号22の組
成の試料について、実施例1と同様に粉末の混合、成
形、仮焼結を行った後に、この仮焼体の上に、約2倍の
重量の金属シリコンをのせ、10~2Torr の真空中で反
応時間を10時間とし、焼結温度を1450℃〜180
0℃と変化させて含浸を行った。
Example 6 A sample having the composition of sample No. 22 of Example 5 was mixed with powder, molded and pre-sintered in the same manner as in Example 1, and then the calcined body was placed on the calcined body. Double the weight of metallic silicon, set the reaction time in a vacuum of 10 to 2 Torr for 10 hours, and raise the sintering temperature from 1450 ° C to 180
The impregnation was performed by changing the temperature to 0 ° C.

【0042】反応焼結後の強度及び破壊靭性値につい
て、実施例1と同様の方法で評価した。その結果を示し
たのが表6であり、表6から分かるように、本発明の炭
化けい素セラミックスに相当する試料番号25及び26
(Y2Si2O7/(Y2O3+Y2Si2O7)の体積割合が10%以上
で90%以下のもの)では、強度及び破壊靭性値の双方
とも満足できる結果であった。
The strength and fracture toughness after reaction sintering were evaluated in the same manner as in Example 1. Table 6 shows the results, and as can be seen from Table 6, Sample Nos. 25 and 26 corresponding to the silicon carbide ceramics of the present invention.
In the case of (Y 2 Si 2 O 7 / (Y 2 O 3 + Y 2 Si 2 O 7 ) having a volume ratio of 10% or more and 90% or less), both the strength and the fracture toughness were satisfactory. .

【0043】[0043]

【表6】 [Table 6]

【0044】(実施例7)平均粒径2μmのα型炭化け
い素粉末と平均粒径0.01μmのカーボンブラック、
並びに平均粒径0.1μmのLa2O3,Ce2O3,Sm2O3,Ho2O
3,Er2O3,Yb2O3を表7の試料番号28〜33の組成比
で混合し、これに粘結剤としてフェノール樹脂を1g、
エタノールを140cc 加え、SiCボールを用いてボール
ミルにて混合し混合粉体を得た。この混合粉体を実施例
1と全く同様の工程を経て反応焼結体を得た。
Example 7 α-type silicon carbide powder having an average particle size of 2 μm, carbon black having an average particle size of 0.01 μm,
And La 2 O 3 , Ce 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Ho 2 O having an average particle size of 0.1 μm
3 , Er 2 O 3 , and Yb 2 O 3 were mixed at the composition ratios of Sample Nos. 28 to 33 in Table 7, and 1 g of a phenol resin as a binder was added thereto.
140 cc of ethanol was added and mixed with a ball mill using SiC balls to obtain a mixed powder. This mixed powder was subjected to exactly the same steps as in Example 1 to obtain a reaction sintered body.

【0045】そして、反応焼結後の強度および破壊靭性
値について、JIS 4点曲げ試験法およびIF法によ
り評価した。その結果を示したのが表7であり、表7か
ら分かるように、本発明の炭化けい素セラミックスに相
当する試料番号28〜33(La2Si2O7及びLa2O3、Ce2Si
2O7及び Ce2O3、Sm2Si2O7及び Sm2O3、Ho2Si2O7及びHo2
O3、Er2Si2O7及びEr2O3、Yb2Si2O7及び Yb2O3が焼結体
全体で占める体積割合が2%以上で40%以下のもの)
の全てが、強度及び破壊靭性値の双方とも満足できる結
果であった。
The strength and fracture toughness after the reaction sintering were evaluated by the JIS four-point bending test method and the IF method. Table 7 shows the results. As can be seen from Table 7, sample numbers 28 to 33 (La 2 Si 2 O 7 and La 2 O 3 , Ce 2 Si 3) corresponding to the silicon carbide ceramics of the present invention were obtained.
2 O 7 and Ce 2 O 3 , Sm 2 Si 2 O 7 and Sm 2 O 3 , Ho 2 Si 2 O 7 and Ho 2
O 3 , Er 2 Si 2 O 7, Er 2 O 3 , Yb 2 Si 2 O 7, and Yb 2 O 3 having a volume ratio of 2% or more and 40% or less in the whole sintered body)
Were satisfactory results in both strength and fracture toughness.

【0046】[0046]

【表7】 [Table 7]

【0047】(実施例8)繊維束500本の炭化けい素
の連続繊維を用いて、繊維の充填率の異なる3種類の直
交組織3次元織物からなる繊維構造体を製造した。この
繊維構造体に、実施例1の試料番号4と全く同様の組成
粉末を用いてスラリーとし充填した。すなわち、平均粒
径2μmのα型炭化けい素粉末と平均粒径0.01μm
のカーボンブラック、並びに平均粒径0.2μmのアル
ミナを混合し、これに粘結剤としてフェノール樹脂を1
g、エタノールを140cc加え、SiCボールを用いてボ
ールミルにて混合し混合粉体のスラリーを得た。このス
ラリーを加圧含浸によって繊維構造体に充填した。そし
て、この含浸体を乾燥させた後、10~2Torrの真空中で
1000℃で1時間の熱処理を行い仮焼結体とした。さ
らに、この仮焼体の上に、約2倍の重量の金属シリコン
をのせ、10~2Torrの真空中、1600℃で1時間の熱
処理を行い含浸させた。
Example 8 Using a continuous fiber of silicon carbide of 500 fiber bundles, a fibrous structure composed of three types of orthogonally-woven three-dimensional fabrics having different fiber filling rates was produced. The fibrous structure was filled with a slurry using exactly the same composition powder as that of Sample No. 4 of Example 1. That is, α-type silicon carbide powder having an average particle size of 2 μm and 0.01 μm
Was mixed with alumina having an average particle size of 0.2 μm, and phenol resin was added to the mixture as a binder.
g and ethanol were added and mixed with a ball mill using SiC balls to obtain a slurry of mixed powder. The fiber structure was filled with the slurry by pressure impregnation. After the impregnated body was dried, it was subjected to a heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour in a vacuum of 10 to 2 Torr to obtain a temporary sintered body. Further, about twice the weight of metallic silicon was placed on the calcined body, and a heat treatment was performed at 1600 ° C. for 1 hour in a vacuum of 10 to 2 Torr to impregnate it.

【0048】反応焼結後の強度及び破壊靭性値につい
て、JIS 4点曲げ試験法、並びに鏡面に磨いた試験
片表面にビッカース圧子を押しつけ、圧痕の四隅から対
角線の延長上に亀裂を発生させ圧痕の対角長さを測定し
てIF法によりを評価した。その結果を示したのが表8
であり、表8から分かるように、本発明の炭化けい素セ
ラミックスに相当する試料番号34及び35(繊維充填
率が焼結体全体で占める体積割合が60%以下のもの)
では、強度及び破壊靭性値の双方とも満足できる結果で
あった。
Regarding the strength and fracture toughness value after reaction sintering, a Vickers indenter was pressed against the surface of a polished test piece according to JIS four-point bending test method, and a crack was formed on the diagonal line extending from the four corners of the indentation. The diagonal length was measured and evaluated by the IF method. Table 8 shows the results.
As can be seen from Table 8, Sample Nos. 34 and 35 corresponding to the silicon carbide ceramics of the present invention (having a fiber filling ratio of 60% or less by volume in the whole sintered body)
In the results, both the strength and the fracture toughness value were satisfactory.

【0049】[0049]

【表8】 [Table 8]

【0050】(実施例9)繊維束500本の炭素連続繊
維を用いて繊維の充填率が41%の直交組織3次元織物
と、炭化けい素短繊維を用いた200 g/m2のマットを
製造した。これら繊維構体に、実施例8と全く同様の組
成粉末を用いてスラリーとし、加圧含浸によって各繊維
構造体に含浸した。これら含浸体を乾燥させた後、10
~2Torrの真空中で1000℃で1時間の熱処理を行い仮
焼結体とし、これら仮焼結体の上に約2倍の重量の金属
シリコンをのせ、10~2Torrの真空中、1600℃で1
時間の熱処理を行い反応焼結させた。
Example 9 A three-dimensional orthogonally woven fabric having a fiber filling rate of 41% using 500 continuous carbon fibers in a fiber bundle and a mat of 200 g / m 2 using short silicon carbide fibers were used. Manufactured. These fiber structures were slurried using the same composition powder as in Example 8, and each fiber structure was impregnated by pressure impregnation. After drying these impregnated bodies, 10
Heat treatment is performed at 1000 ° C. for 1 hour in a vacuum of ~ 2 Torr to form a pre-sintered body, and about twice the weight of metallic silicon is placed on the pre-sintered body, and 1600 in a vacuum of 10 ~ 2 Torr 1 in ° C
Heat treatment was carried out for a time to perform reaction sintering.

【0051】反応焼結後の強度及び破壊靭性値は、JI
S 4点曲げ試験法、並びに鏡面に磨いた試験片表面に
ビッカース圧子を押しつけ、圧痕の四隅から対角線の延
長上に亀裂を発生させ圧痕の対角長さを測定してIF法
により評価した。その結果、炭素連続繊維を用いた構造
体では曲げ強度890MPa、破壊靭性値78MPa√mの値
が、また、炭化けい素短繊維マット構造体では曲げ強度
930MPa、破壊靭性値43MPa√mの値が得られた。
The strength and fracture toughness after reaction sintering were determined by JI
S: Vickers indenter was pressed against the surface of a test piece polished to a mirror surface, and a crack was formed on the diagonal extension from the four corners of the indentation. As a result, in the structure using the continuous carbon fiber, the bending strength was 890 MPa and the fracture toughness value was 78 MPa√m, and in the silicon carbide short fiber mat structure, the bending strength was 930 MPa and the fracture toughness value was 43 MPa√m. Obtained.

【0052】(実施例10)繊維束500本の炭化けい
素の連続繊維を用い、直交組織3次元織物によって、図
2に示すガスタービン用動翼及び図3に示すガスタービ
ン用静翼を製造した。図2に示すようにガスタービン用
動翼10は翼部11とプラットホーム部12を備え、ま
た、図3に示すようにガスタービン用静翼15は翼部1
6を備えている。本実施例では繊維の充填率は45%で
あった。そして、この繊維構造体に、実施例1の試料番
号4と全く同様の組成粉末を用いてスラリーとして充填
した。すなわち、平均粒径2μmのα型炭化けい素粉末
と平均粒径0.01μmのカーボンブラック、並びに平
均粒径0.2μmのアルミナを混合し、これに粘結剤と
してフェノール樹脂を1g、エタノールを140cc 加
え、SiCボールを用いてボールミルにて混合し混合粉体
のスラリーを得た。このスラリーを加圧含浸によって繊
維構造体に含浸した。この含浸体を10~2Torr の真空
中で1000℃で1時間の熱処理を行い仮焼結体とし
た。さらに、この仮焼体の上に、約2倍の重量の金属シ
リコンをのせ、10~2Torr の真空中、1600℃で1
時間の熱処理を行い反応焼結させた。このようにして製
造したセラミックス動翼及び静翼は、1500℃で定格
回転数11000rpmの条件下でその健全性が確認され
た。
Example 10 A gas turbine moving blade shown in FIG. 2 and a gas turbine stationary blade shown in FIG. 3 were produced by using a continuous fiber of 500 carbon fiber bundles of silicon carbide and a three-dimensional woven fabric having an orthogonal structure. did. As shown in FIG. 2, the gas turbine moving blade 10 includes a blade portion 11 and a platform portion 12, and as shown in FIG.
6 is provided. In this example, the fiber filling rate was 45%. Then, the fibrous structure was filled as a slurry using the same composition powder as that of Sample No. 4 of Example 1. That is, α-type silicon carbide powder having an average particle diameter of 2 μm, carbon black having an average particle diameter of 0.01 μm, and alumina having an average particle diameter of 0.2 μm were mixed, and 1 g of a phenol resin as a binder and ethanol were added thereto. 140 cc was added and mixed with a ball mill using SiC balls to obtain a slurry of mixed powder. The slurry was impregnated with the slurry by pressure impregnation. The impregnated body was subjected to a heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour in a vacuum of 10 to 2 Torr to obtain a temporary sintered body. Further, about twice the weight of metallic silicon is placed on the calcined body, and placed in a vacuum of 10 to 2 Torr at 1600 ° C. for 1 hour.
Heat treatment was carried out for a time to perform reaction sintering. The soundness of the ceramic rotor blades and stator blades manufactured in this manner was confirmed under the conditions of 1500 ° C. and a rated rotation speed of 11,000 rpm.

【0053】(実施例11)実施例1の試料番号3と同
様にして、原子力プラントの制御駆動機構用のガイドロ
ーラ及びピンを製造した。ガイドローラ及びピンの構成
を図4に示す。図のように、原子力プラントの制御駆動
機構においては、ガイドローラ20がピン21によって
ピン固定部22の先端に回転自在に固定される。ガイド
ローラ20とピン21が置かれる雰囲気は高温となるの
で、ガイドローラ20とピン21には耐熱衝撃性が求め
られている。
Example 11 In the same manner as in Sample No. 3 of Example 1, a guide roller and a pin for a control drive mechanism of a nuclear power plant were manufactured. FIG. 4 shows the configuration of the guide roller and the pins. As shown in the figure, in a control drive mechanism of a nuclear power plant, a guide roller 20 is rotatably fixed to a tip of a pin fixing portion 22 by a pin 21. Since the atmosphere in which the guide roller 20 and the pin 21 are placed is at a high temperature, the guide roller 20 and the pin 21 are required to have thermal shock resistance.

【0054】実際に耐熱衝撃性試験を行ったところ、Δ
T=250℃、1000回の評価に耐え、更に40kgf、
1000回の衝撃にも耐えた。また、摺動距離200
m、圧子にかかる荷重50kg/cm2、環境雰囲気300℃
の高温水中での摺動試験を実施した結果、摩耗量が0.
2mg/cm2以下であり、現用のステライト#3を上回る特
性を示した。
When a thermal shock resistance test was actually performed, Δ
T = 250 ° C, withstand 1000 times of evaluation, and 40kgf,
It withstood 1000 shocks. In addition, the sliding distance 200
m, load applied to the indenter 50 kg / cm 2 , ambient temperature 300 ° C
As a result of a sliding test in high-temperature water,
It was 2 mg / cm 2 or less, and exhibited properties exceeding those of the current Stellite # 3.

【0055】(実施例12)繊維束500本、熱伝導率
600W/mKの炭素連続繊維を用いて、繊維の充填率が6
3%の一次元配向試料を実施例1の試料番号4と全く同
様の方法によって製造した。熱流速20MW/m2の照射に
よっても健全であり、熱伝導率は300W/mKを越えた。
(Example 12) Using 500 continuous fiber bundles and carbon continuous fibers having a thermal conductivity of 600 W / mK, the fiber filling rate was 6
A 3% one-dimensionally oriented sample was produced in exactly the same manner as in Sample No. 4 of Example 1. Irradiation at a heat flow rate of 20 MW / m 2 was sound and thermal conductivity exceeded 300 W / mK.

【0056】核融合炉においては、図5に示すように、
真空容器25内面に冷却基材パネル26を介してプラズ
マ対向部材27が取り付けられている。本実施例の炭化
けい素セラミックスは、このような核融合炉用のプラズ
マ対向部材に好適である。
In a nuclear fusion reactor, as shown in FIG.
A plasma facing member 27 is attached to the inner surface of the vacuum vessel 25 via a cooling substrate panel 26. The silicon carbide ceramics of the present embodiment is suitable for such a plasma facing member for a nuclear fusion reactor.

【0057】[0057]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、強度並び
に破壊靭性に優れた炭化けい素セラミックスを容易に得
ることができ、その炭化けい素セラミックスを、ガスタ
ービン用の動翼や静翼、原子力プラント用耐摩耗部材、
核融合炉用プラズマ対向部材等に適用することにより、
いわゆるエンジニアリングセラミックスの工業化に際し
て大きな効果がある。
As described above, according to the present invention, silicon carbide ceramics having excellent strength and fracture toughness can be easily obtained, and the silicon carbide ceramic can be used as a moving blade or a stationary blade for a gas turbine. Wear-resistant parts for nuclear power plants,
By applying to plasma facing members for fusion reactors, etc.
There is a great effect in industrializing so-called engineering ceramics.

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

【図1】本発明に係る炭化けい素セラミックスの典型的
な材料組織の模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a typical material structure of a silicon carbide ceramic according to the present invention.

【図2】ガスタービン用の動翼の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a moving blade for a gas turbine.

【図3】ガスタービン用の静翼の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a vane for a gas turbine.

【図4】原子力プラントの燃料棒制御駆動用ガイドロー
ラとピンを示した図である。
FIG. 4 is a view showing a guide rod and a pin for fuel rod control drive of a nuclear power plant.

【図5】核融合炉用のプラズマ対向部材を示した図であ
る。
FIG. 5 is a view showing a plasma facing member for a nuclear fusion reactor.

【図6】従来の「ナノ複合セラミックス」の典型的な材
料組織の模式図である。
FIG. 6 is a schematic view of a typical material structure of a conventional “nanocomposite ceramic”.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 マトリックス 2 単一酸化物 3 マトリックスの結晶方位を受けて成長した結晶 4 複合酸化物 5 ナノ粒子 10 ガスタービン用の動翼 11 翼部 12 プラットホーム部 15 ガスタービン用の静翼 16 翼部 20 ガイドローラ 21 ピン 22 ピン固定部 25 真空容器 26 冷却基材パネル 27 プラズマ対向部材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Matrix 2 Single oxide 3 Crystal grown by receiving the crystal orientation of the matrix 4 Composite oxide 5 Nanoparticle 10 Moving blade for gas turbine 11 Blade part 12 Platform part 15 Static blade for gas turbine 16 Blade part 20 Guide Roller 21 Pin 22 Pin fixing part 25 Vacuum container 26 Cooling substrate panel 27 Plasma facing member

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C04B 35/56 101K (72)発明者 沢井 裕一 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 前田 邦裕 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−281071(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/565 Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI C04B 35/56 101K (72) Inventor Yuichi Sawai 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Pref. Hitachi, Ltd. Hitachi Research Laboratory (72) Invention Person Kunihiro Maeda 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Within Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-61-281071 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6) , DB name) C04B 35/565

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 炭化けい素の多結晶体の結晶粒界に、Al
-Si-Oの化合物の結晶、Zr-Si-Oの化合物の結晶また
は、Ln-Si-O(Lnは Y,La,Ce,Sm,Ho,Er,Ybの少なくとも
1つ)の化合物の結晶を含む炭化けい素セラミックスに
おいて、 前記炭化けい素の結晶は、原料の炭化けい素の結晶の回
りに成長してできた炭化けい素の結晶を有する多重構造
であり、 前記Al-Si-Oの化合物の結晶は、結晶の中心部のアルミ
ナと、前記アルミナを取り囲むムライトとを有し、 前記Zr-Si-Oの化合物の結晶は、結晶の中心部のジルコ
ニアと、前記ジルコニアを取り囲むジルコンとを有し、 前記Ln-Si-Oの化合物の結晶は、結晶の中心部のLn 2 O
3 と、前記Ln 2 O 3 を取り囲むLn 2 Si 2 O 7 とを有する ことを
特徴とする炭化けい素セラミックス。
(1)At the grain boundaries of the polycrystalline silicon carbide,Al
-Si-O compoundCrystal, Zr-Si-O compoundsCrystal,Also
IsLn-Si-O(Ln is at least Y, La, Ce, Sm, Ho, Er, Yb
One)Compound ofSilicon carbide ceramics containing crystals of
And The silicon carbide crystal is obtained by recovering the raw material silicon carbide crystal.
Structure with silicon carbide crystals formed by growth
And The crystal of the Al-Si-O compound is made of aluminum at the center of the crystal.
And mullite surrounding the alumina, The crystal of the Zr-Si-O compound has a zirconium
And a zircon surrounding the zirconia, The crystal of the compound of Ln-Si-O is Ln at the center of the crystal. Two O
Three And the Ln Two O Three Ln surrounding Two Si Two O 7 Having That
Characterized by silicon carbide ceramics.
【請求項2】 炭素繊維、炭化けい素繊維、炭化けい素
ウィスカ、炭化けい素短繊維、窒化けい素ウィスカ、ま
たは、窒化けい素短繊維を含むことを特徴とする請求項
1に記載の炭化けい素セラミックス。
2. Carbon fiber, silicon carbide fiber, silicon carbide
Whisker, silicon carbide short fiber, silicon nitride whisker,
Or comprising silicon nitride short fibers.
2. The silicon carbide ceramic according to 1.
【請求項3】 請求項1に記載の炭化けい素セラミック
スを用いたことを特徴とするガスタービン用翼
3. A blade for a gas turbine , wherein the silicon carbide ceramic according to claim 1 is used .
【請求項4】 請求項1に記載の炭化けい素セラミック
スを用いたことを特徴とする原子力プラント用耐摩耗部
材。
4. A wear-resistant member for a nuclear power plant, wherein the silicon carbide ceramic according to claim 1 is used .
【請求項5】 請求項1に記載の炭化けい素セラミック
スを用いたことを特徴とする核融合炉用プラズマ対向部
材。
5. A plasma facing member for a nuclear fusion reactor, comprising the silicon carbide ceramic according to claim 1 .
【請求項6】 炭素粉末と、炭化けい素粉末と、アルミ
ナ、ジルコニア、またはLn 2 O 3 (Lnは Y,La,Ce,Sm,Ho,E
r,Ybの少なくとも1つ)を含む粉末とを混合する混合工
程と、混合された粉末に 圧力を加えて所定形状の圧粉体を成形
する成形工程と、前記 圧粉体を非酸化雰囲気で熱処理して仮焼結体とする
熱処理工程と、前記仮焼結体と金属けい素とを、金属けい素が溶融する
温度以上に加熱して、前記仮焼結体中にけい素を 含浸さ
せる含浸工程と、を有することを特徴とする炭化けい素
セラミックスの製造方法。
6. A carbon powder, a silicon carbide powder, and aluminum
Na, zirconia, or Ln 2 O 3 (Ln is Y, La, Ce, Sm, Ho, E
r, a mixing step of mixing a powder containing at least one) of Yb, a shaping step of shaping the green compact of a predetermined shape by applying pressure to the mixed powder, the green compact in a non-oxidizing atmosphere A heat treatment step of heat-treating to form a pre-sintered body, and the pre-sintered body and metal silicon are melted.
A method of impregnating the temporary sintered body with silicon by heating to a temperature equal to or higher than a temperature .
【請求項7】 炭素粉末と、炭化けい素粉末と、アルミ
ナ、ジルコニア、Ln 2 O 3 (Lnは Y,La,Ce,Sm,Ho,Er,Ybの
少なくとも1つ)を含む粉末とを混合する混合工程と、 混合された粉末を、炭素繊維、炭化けい素繊維、炭化け
い素ウィスカ、炭化けい素短繊維、窒化けい素ウィス
カ、または、窒化けい素短繊維を含む繊維構造体に充填
する充填工程と、 前記混合粉体が充填された前記繊維構造体を非酸化雰囲
気で熱処理して仮焼結体とする熱処理工程と、前記仮焼結体と金属けい素とを、金属けい素が溶融する
温度以上に加熱して、前記仮焼結体中にけい素を 含浸さ
せる含浸工程と、を有することを特徴とする炭化けい素
セラミックスの製造方法。
7. A carbon powder, a silicon carbide powder, and aluminum
Na, zirconia, Ln 2 O 3 (Ln is Y, La, Ce, Sm, Ho, Er, Yb
A powder containing at least one of the following: mixing the mixed powder with carbon fiber, silicon carbide fiber, silicon carbide whisker, silicon carbide short fiber, silicon nitride whisker, or silicon nitride. A filling step of filling the fiber structure containing short fibers , a heat treatment step of heat treating the fiber structure filled with the mixed powder in a non-oxidizing atmosphere to form a temporary sintered body, With metallic silicon, metallic silicon melts
A method of impregnating the temporary sintered body with silicon by heating to a temperature equal to or higher than a temperature .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6331496B2 (en) 1998-09-16 2001-12-18 Research Institute Of Advanced Material Gas-Generator, Ltd. High performance ceramic matrix composite
JP2004107096A (en) * 2002-09-13 2004-04-08 National Institute For Materials Science Oriented silicon carbide sintered body and its manufacturing process
US7247212B2 (en) * 2004-12-21 2007-07-24 General Electric Company Orthogonal weaving for complex shape preforms
JP4763452B2 (en) * 2005-12-28 2011-08-31 京セラ株式会社 Surface-coated ceramic sintered body
KR101430207B1 (en) * 2007-11-09 2014-08-25 주식회사 칸세라 Composition for manufacturing silicon carbide-based porous form and silicon carbide-based porous form using the same
US8777582B2 (en) * 2010-12-27 2014-07-15 General Electric Company Components containing ceramic-based materials and coatings therefor
CN102531606B (en) * 2011-12-23 2014-12-03 台州学院 Low-temperature manufacturing method of high-strength and toughness silicon carbide ceramics
US20160160664A1 (en) * 2013-03-15 2016-06-09 General Electric Company Recession resistant ceramic matrix composites and environmental barrier coatings
WO2016093360A1 (en) * 2014-12-12 2016-06-16 国立大学法人京都大学 Silicon carbide fiber reinforced silicon carbide composite material
JP6666072B2 (en) * 2015-04-08 2020-03-13 株式会社東芝 Fuel rods and fuel assemblies

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2970015B1 (en) * 2013-03-15 2019-12-25 Rolls-Royce Corporation Silicon carbide ceramic matrix composites containing a rare earth compound

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