JP2997868B2 - セラミックス基セラミックス長繊維複合材料とその製造方法 - Google Patents
セラミックス基セラミックス長繊維複合材料とその製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス基長
繊維複合材料に係わり、緻密で強度および靱性値に優れ
ており、特に高温下において高い機械的特性と信頼性と
が要求されるガスタービン部品をはじめ、航空機部品、
原子力部品などの構造用部品として好適なセラミックス
基セラミックス長繊維複合材料およびその製造方法に関
する。
繊維複合材料に係わり、緻密で強度および靱性値に優れ
ており、特に高温下において高い機械的特性と信頼性と
が要求されるガスタービン部品をはじめ、航空機部品、
原子力部品などの構造用部品として好適なセラミックス
基セラミックス長繊維複合材料およびその製造方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、セラミックス焼結体は、高温ま
で強度低下が少なく、硬度、電気絶縁性、耐摩耗性、耐
熱性、耐食性、軽量性等の諸特性が金属材料と比較して
優れているため、重電機器部品、航空機部品、自動車部
品、電子部品、精密機器部品、半導体材料などの電子用
材料や構造用材料として広い分野において使用されてい
る。
で強度低下が少なく、硬度、電気絶縁性、耐摩耗性、耐
熱性、耐食性、軽量性等の諸特性が金属材料と比較して
優れているため、重電機器部品、航空機部品、自動車部
品、電子部品、精密機器部品、半導体材料などの電子用
材料や構造用材料として広い分野において使用されてい
る。
【０００３】しかし、セラミックス焼結体は、圧縮に比
べ引張の応力に弱く、特に引張応力下では、破壊が一瞬
にして進行する、いわゆる、脆性という欠点を有してい
るため、不確定要因の外力に対して十分な信頼性が得ら
れにくいというのが現状である。このようなことから、
強度上の高信頼性が要求される部位へのセラミックス部
品の適用を可能にするために、セラミックス焼結体の高
靱性化や破壊エネルギーの増大を図ることが強く求めら
れている。
べ引張の応力に弱く、特に引張応力下では、破壊が一瞬
にして進行する、いわゆる、脆性という欠点を有してい
るため、不確定要因の外力に対して十分な信頼性が得ら
れにくいというのが現状である。このようなことから、
強度上の高信頼性が要求される部位へのセラミックス部
品の適用を可能にするために、セラミックス焼結体の高
靱性化や破壊エネルギーの増大を図ることが強く求めら
れている。
【０００４】すなわち、ガスタービン部品、航空機部
品、自動車部品等に使用されるセラミックス構造部品な
どにおいては、耐熱性および高温強度に加えて高い信頼
性が要求される。そのため、無機物質や金属からなる補
強繊維、ウィスカー、ブレート、粒子等の強化素材をマ
トリックス焼結体に分散複合化させて靱性値や破壊エネ
ルギー値を高めたセラミックス複合材料の実用化研究が
国内外の研究機関等において進められている。
品、自動車部品等に使用されるセラミックス構造部品な
どにおいては、耐熱性および高温強度に加えて高い信頼
性が要求される。そのため、無機物質や金属からなる補
強繊維、ウィスカー、ブレート、粒子等の強化素材をマ
トリックス焼結体に分散複合化させて靱性値や破壊エネ
ルギー値を高めたセラミックス複合材料の実用化研究が
国内外の研究機関等において進められている。
【０００５】上記のようなセラミックス複合材料におい
て、強化素材として長繊維を用いたものは、特に破壊靱
性や破壊エネルギーが増大し、信頼性の向上に対して大
きな効果を示すことが知られている。現在、長繊維複合
材料を複雑形状の部品に適用する手段として、２次元あ
るいは３次元の織物としての適用が試みられており、長
繊維セラミックス織物のマトリックスとしてモノリシッ
クセラミックスを充填するための方法として、ＣＶＩ法
（化学気相含浸法）やブリカーサー法が採用されてい
る。
て、強化素材として長繊維を用いたものは、特に破壊靱
性や破壊エネルギーが増大し、信頼性の向上に対して大
きな効果を示すことが知られている。現在、長繊維複合
材料を複雑形状の部品に適用する手段として、２次元あ
るいは３次元の織物としての適用が試みられており、長
繊維セラミックス織物のマトリックスとしてモノリシッ
クセラミックスを充填するための方法として、ＣＶＩ法
（化学気相含浸法）やブリカーサー法が採用されてい
る。
【０００６】しかし、上記いずれの方法も、繊維体積率
を上げるのが難しく、しかも、セラミックスのマトリッ
クス含浸率を上げるには極めて長時間を要するという問
題点がある。
を上げるのが難しく、しかも、セラミックスのマトリッ
クス含浸率を上げるには極めて長時間を要するという問
題点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来のセラミックス基
長繊維複合材料は、繊維体積率が低かったり、セラミッ
クスのマトリックス含浸率が低い場合、強度も破壊靱性
値も低くなって、セラミックス基長繊維複合材料として
期待する上記機械特性が得られない。
長繊維複合材料は、繊維体積率が低かったり、セラミッ
クスのマトリックス含浸率が低い場合、強度も破壊靱性
値も低くなって、セラミックス基長繊維複合材料として
期待する上記機械特性が得られない。
【０００８】また、従来のセラミックス基長繊維複合材
料の製造方法は、製造設備が高価で、製造に長時間を要
し、極めて高価な材料となるＣＶＩ法以外は、強度、破
壊靱性値や破壊エネルギーも期待値レベルにはまだまだ
達していないのが現状である。
料の製造方法は、製造設備が高価で、製造に長時間を要
し、極めて高価な材料となるＣＶＩ法以外は、強度、破
壊靱性値や破壊エネルギーも期待値レベルにはまだまだ
達していないのが現状である。
【０００９】そこで、本発明は、ＣＶＩ法の設備に比べ
て安価な設備で、その他の従来方法に比べて繊維体積率
およびモノリシックセラミックスのマトリックス含浸率
を向上させ、初期破壊強度および破壊靱性値や破壊エネ
ルギーを増大せしめて、高い信頼性と耐久性を有する低
コストなセラミックス基セラミックス長繊維複合材料を
提供することを目的とするものである。
て安価な設備で、その他の従来方法に比べて繊維体積率
およびモノリシックセラミックスのマトリックス含浸率
を向上させ、初期破壊強度および破壊靱性値や破壊エネ
ルギーを増大せしめて、高い信頼性と耐久性を有する低
コストなセラミックス基セラミックス長繊維複合材料を
提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明のセラミックス基
セラミックス長繊維複合材料は、マトリックス基材とし
てのセラミックス焼結体と、セラミックス焼結体に分散
複合化された強化素材としてのセラミックス長繊維と、
マトリックス充填用セラミックスに配合されたガラス組
成の焼結助剤によって、セラミックス長繊維の表面に生
成されたガラス組成の相と、からなる組織構造を有する
ものである。
セラミックス長繊維複合材料は、マトリックス基材とし
てのセラミックス焼結体と、セラミックス焼結体に分散
複合化された強化素材としてのセラミックス長繊維と、
マトリックス充填用セラミックスに配合されたガラス組
成の焼結助剤によって、セラミックス長繊維の表面に生
成されたガラス組成の相と、からなる組織構造を有する
ものである。
【００１１】また、本発明のセラミックス基セラミック
ス長繊維複合材料は、セラミックス長繊維のヤーン（糸
束）に、ガラス組成の焼結助剤を含むマトリックス充填
用セラミックスのスラリーを付着・乾燥させて、セラミ
ックス長繊維補強の生セラミックスのプリプレグを作製
し、このプリプレグを複数任意方向に積層し、適当な加
圧条件下で焼結して複合化したものである。プリプレグ
は、シート状またはワイヤー状のものとすることができ
る。
ス長繊維複合材料は、セラミックス長繊維のヤーン（糸
束）に、ガラス組成の焼結助剤を含むマトリックス充填
用セラミックスのスラリーを付着・乾燥させて、セラミ
ックス長繊維補強の生セラミックスのプリプレグを作製
し、このプリプレグを複数任意方向に積層し、適当な加
圧条件下で焼結して複合化したものである。プリプレグ
は、シート状またはワイヤー状のものとすることができ
る。
【００１２】また、本発明のセラミックス基セラミック
ス長繊維複合材料は、セラミックス長繊維のヤーン（糸
束）を複数本、ガラス組成の焼結助剤を含むマトリック
ス充填用セラミックスのスラリー中を浸漬・通過させ、
キャリヤーフィルム上に任意の巾に水平に並べて固着・
乾燥させて、セラミックス長繊維補強の生セラミックス
のモノレイヤーシート状のプリプレグを作製し、このプ
リプレグを複数枚任意方向に積層し、適当な加圧条件下
で焼結して複合化したものである。
ス長繊維複合材料は、セラミックス長繊維のヤーン（糸
束）を複数本、ガラス組成の焼結助剤を含むマトリック
ス充填用セラミックスのスラリー中を浸漬・通過させ、
キャリヤーフィルム上に任意の巾に水平に並べて固着・
乾燥させて、セラミックス長繊維補強の生セラミックス
のモノレイヤーシート状のプリプレグを作製し、このプ
リプレグを複数枚任意方向に積層し、適当な加圧条件下
で焼結して複合化したものである。
【００１３】焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温
度以下となるように、マトリックス充填用セラミックス
のスラリーに焼結助剤としてガラス組成の助剤を配合す
る。
度以下となるように、マトリックス充填用セラミックス
のスラリーに焼結助剤としてガラス組成の助剤を配合す
る。
【００１４】マトリックス基材としてのセラミックスが
Ａｌ2Ｏ3で、強化素材としてのセラミックス長繊維がＳ
ｉＣ長繊維、マトリックス基材としてのセラミックスが
ＳｉＣで、強化素材としてのセラミックス長繊維がＳｉ
Ｃ長繊維、マトリックス基材としてのセラミックスがＳ
ｉ3Ｎ4で、強化素材としてのセラミックス長繊維がＳｉ
Ｃ長繊維、マトリックス基材としてのセラミックスがＡ
ｌ2Ｏ3で、強化素材としてのセラミックス長繊維がＡｌ
2Ｏ3長繊維である組合せとすることができる。
Ａｌ2Ｏ3で、強化素材としてのセラミックス長繊維がＳ
ｉＣ長繊維、マトリックス基材としてのセラミックスが
ＳｉＣで、強化素材としてのセラミックス長繊維がＳｉ
Ｃ長繊維、マトリックス基材としてのセラミックスがＳ
ｉ3Ｎ4で、強化素材としてのセラミックス長繊維がＳｉ
Ｃ長繊維、マトリックス基材としてのセラミックスがＡ
ｌ2Ｏ3で、強化素材としてのセラミックス長繊維がＡｌ
2Ｏ3長繊維である組合せとすることができる。
【００１５】以上のようなセラミックス基セラミックス
長繊維複合材料は、セラミックス連続長繊維のヤーン
（糸束）を複数本、任意の幅に水平に並べて連続的に引
張りながら、ガラス組成の焼結助剤を含むマトリックス
充填用セラミックスのスラリー中を浸漬・通過させ、キ
ャリヤーフィルム上に任意の巾に水平に並べて固着・乾
燥させて、セラミックス長繊維補強の生セラミックスの
モノレイヤーシート状のプリプレグを作製し、このプリ
プレグを複数枚任意方向に積層し、適当な加圧条件下、
セラミックス長繊維の熱劣化温度以下の温度で焼結して
複合化することにより製造することができる。
長繊維複合材料は、セラミックス連続長繊維のヤーン
（糸束）を複数本、任意の幅に水平に並べて連続的に引
張りながら、ガラス組成の焼結助剤を含むマトリックス
充填用セラミックスのスラリー中を浸漬・通過させ、キ
ャリヤーフィルム上に任意の巾に水平に並べて固着・乾
燥させて、セラミックス長繊維補強の生セラミックスの
モノレイヤーシート状のプリプレグを作製し、このプリ
プレグを複数枚任意方向に積層し、適当な加圧条件下、
セラミックス長繊維の熱劣化温度以下の温度で焼結して
複合化することにより製造することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、マトリックス基材としての
セラミックスがＡｌ2Ｏ3（アルミナ）で、強化素材とし
てのセラミックス長繊維がＳｉＣ長繊維である実施形態
について説明する。
セラミックスがＡｌ2Ｏ3（アルミナ）で、強化素材とし
てのセラミックス長繊維がＳｉＣ長繊維である実施形態
について説明する。
【００１７】図１は、この実施形態のＡｌ2Ｏ3セラミッ
クス基ＳｉＣセラミックス長繊維複合材料の製造工程を
示すフローチャート図である。
クス基ＳｉＣセラミックス長繊維複合材料の製造工程を
示すフローチャート図である。
【００１８】マトリックス充填用セラミックスのスラリ
ーは、Ａｌ2Ｏ3粉末、ガラス組成の助剤、および焼結助
剤を混合し、それに分散剤、エタノール、蒸留水を加
え、ボールミルで第１次粉砕を行なった後、バインダ
ー、可塑剤、および蒸留水を注入して第２次粉砕を行な
い、ついで、良く混合し真空脱泡を行なって作製したも
のである。この実施形態において、Ａｌ2Ｏ3粉末は平均
粒径が１．１μｍ、純度が９９．５％かそれ以上のもの
｛昭和電工社製（α−アルミナ ＡＬ４５−１）等｝、
ガラス組成の焼結助剤はＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3ベースのガラ
ス粉末、バインダーはＨＢ−５００、分散剤はＬＣＤ−
４０Ｂ（いずれもライオン社製）、ＳｉＣ長繊維はチラ
ノ繊維｛宇部興産社製（Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維）：以
下（ＳｉＣ繊維）と記す。｝を用いている。
ーは、Ａｌ2Ｏ3粉末、ガラス組成の助剤、および焼結助
剤を混合し、それに分散剤、エタノール、蒸留水を加
え、ボールミルで第１次粉砕を行なった後、バインダ
ー、可塑剤、および蒸留水を注入して第２次粉砕を行な
い、ついで、良く混合し真空脱泡を行なって作製したも
のである。この実施形態において、Ａｌ2Ｏ3粉末は平均
粒径が１．１μｍ、純度が９９．５％かそれ以上のもの
｛昭和電工社製（α−アルミナ ＡＬ４５−１）等｝、
ガラス組成の焼結助剤はＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3ベースのガラ
ス粉末、バインダーはＨＢ−５００、分散剤はＬＣＤ−
４０Ｂ（いずれもライオン社製）、ＳｉＣ長繊維はチラ
ノ繊維｛宇部興産社製（Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維）：以
下（ＳｉＣ繊維）と記す。｝を用いている。
【００１９】ガラス組成の助剤（ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3ベー
スのガラス粉末）は、焼成時におけるＳｉＣ長繊維の熱
劣化を防止するため、セラミックス焼結温度を低下させ
ることを目的として配合される。また、後述するよう
に、ガラス組成の助剤をスラリー中に最適量配合するこ
とにより、焼成後の複合材料の組織構造において、セラ
ミックス長繊維の表面にガラス組成の相が生成され、強
化繊維／マトリックス基材の界面特性が改善される。
スのガラス粉末）は、焼成時におけるＳｉＣ長繊維の熱
劣化を防止するため、セラミックス焼結温度を低下させ
ることを目的として配合される。また、後述するよう
に、ガラス組成の助剤をスラリー中に最適量配合するこ
とにより、焼成後の複合材料の組織構造において、セラ
ミックス長繊維の表面にガラス組成の相が生成され、強
化繊維／マトリックス基材の界面特性が改善される。
【００２０】上記のようなマトリックス充填用Ａｌ2Ｏ3
のスラリーと、ＳｉＣ長繊維のヤーン（糸束）とを用
い、ＳｉＣセラミックス長繊維補強の生Ａｌ2Ｏ3セラミ
ックスのプリプレグを作製する。
のスラリーと、ＳｉＣ長繊維のヤーン（糸束）とを用
い、ＳｉＣセラミックス長繊維補強の生Ａｌ2Ｏ3セラミ
ックスのプリプレグを作製する。
【００２１】プリプレグは、例えば図２に概念的に示す
ような方法（改良ドクターブレード法）により作製する
ことができる。すなわち、ＳｉＣ連続長繊維のヤーン
（糸束）を複数本、任意の幅に水平に並べて連続的に引
張りながら（キャリヤースピードは３０ｃｍ／ｍｉｎ程
度）、上記のようにして作製したスラリー中を浸漬・通
過させ、キャリヤーフィルム上に任意の巾に水平に並べ
て固着・乾燥させることにより作製することができる。
ような方法（改良ドクターブレード法）により作製する
ことができる。すなわち、ＳｉＣ連続長繊維のヤーン
（糸束）を複数本、任意の幅に水平に並べて連続的に引
張りながら（キャリヤースピードは３０ｃｍ／ｍｉｎ程
度）、上記のようにして作製したスラリー中を浸漬・通
過させ、キャリヤーフィルム上に任意の巾に水平に並べ
て固着・乾燥させることにより作製することができる。
【００２２】そして、上記のようにして作製したモノレ
イヤーシート状のプリプレグを適当なサイズに裁断し、
キャリヤーフィルムを剥がし、ＳｉＣ長繊維のヤーン方
向を適当な方向に順次選択して積層する。プリプレグ
は、ヤーンの方向の交差角を順次変えて積層することも
できる。例えば、ヤーンの方向を９０°交差で、あるい
は、最初のプリプレグのヤーンの方向に対して０°、右
４５°、左４５°、ついで９０°交差するように、順次
積層することができる。
イヤーシート状のプリプレグを適当なサイズに裁断し、
キャリヤーフィルムを剥がし、ＳｉＣ長繊維のヤーン方
向を適当な方向に順次選択して積層する。プリプレグ
は、ヤーンの方向の交差角を順次変えて積層することも
できる。例えば、ヤーンの方向を９０°交差で、あるい
は、最初のプリプレグのヤーンの方向に対して０°、右
４５°、左４５°、ついで９０°交差するように、順次
積層することができる。
【００２３】プリプレグを積層した後、プレス加圧等し
て一体化し、高温加熱炉中で適当な温度条件、常圧ある
いは適当な加圧状態で焼成することにより、この実施形
態のＡｌ2Ｏ3セラミックス基ＳｉＣセラミックス長繊維
複合材料を製造することができる。
て一体化し、高温加熱炉中で適当な温度条件、常圧ある
いは適当な加圧状態で焼成することにより、この実施形
態のＡｌ2Ｏ3セラミックス基ＳｉＣセラミックス長繊維
複合材料を製造することができる。
【００２４】焼成温度は、ガラス相を生成する焼結助剤
（この実施形態では、ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3ベースの助剤）
の組成調整によって決まり、その焼結温度の調整がこの
複合セラミックス材料の機械的特性、すなわち、破壊強
度および破壊靱性値に大きく影響する。従って、焼成温
度およびガラス組成の最適化が必要であり、試験の結
果、焼成温度を９５０°Ｃ、マトリックス基材としての
Ａｌ2Ｏ3とガラス組成剤との重量配合比を６：４とした
時に、最も良好な結果が得られることがわかっている。
（この実施形態では、ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3ベースの助剤）
の組成調整によって決まり、その焼結温度の調整がこの
複合セラミックス材料の機械的特性、すなわち、破壊強
度および破壊靱性値に大きく影響する。従って、焼成温
度およびガラス組成の最適化が必要であり、試験の結
果、焼成温度を９５０°Ｃ、マトリックス基材としての
Ａｌ2Ｏ3とガラス組成剤との重量配合比を６：４とした
時に、最も良好な結果が得られることがわかっている。
【００２５】
【実施例】図３は、Ａｌ2Ｏ3粉末とＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3ベ
ースのガラス粉末との重量配合比を６：４｛（アルミナ
／ガラス）＝（６／４）｝とした場合における本実施例
品（Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ／Ａｌ2Ｏ3複合材：同図で白
○）と、モノリシックセラミックス材（Ａｌ2Ｏ3材：同
図で黒○）とについて、強度（引張強度）に及ぼす焼成
温度の影響を比較試験した結果を示している。
ースのガラス粉末との重量配合比を６：４｛（アルミナ
／ガラス）＝（６／４）｝とした場合における本実施例
品（Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ／Ａｌ2Ｏ3複合材：同図で白
○）と、モノリシックセラミックス材（Ａｌ2Ｏ3材：同
図で黒○）とについて、強度（引張強度）に及ぼす焼成
温度の影響を比較試験した結果を示している。
【００２６】同図に示すように、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ／
Ａｌ2Ｏ3複合材は、焼成温度を９５０°Ｃ、１０００°
Ｃとした場合、モノリシックセラミックスＡｌ2Ｏ3材に
比べて強度が著しく向上し、特に、焼成温度を９５０°
Ｃとした場合に最も高い強度値を示す。尚、マトリック
ス基材となるＡｌ2Ｏ3についても、焼成温度９５０°Ｃ
で、最も高い強度値を示す。これら焼成温度以下におい
て強度が低くなっているのは、マトリックス基材として
のＡｌ2Ｏ3の焼成度、および、強化繊維（Ｓｉ−Ｔｉ−
Ｃ−Ｏ繊維）／マトリックス基材（Ａｌ2Ｏ3焼結体）の
界面におけるガラス組成の相の生成が不十分になるため
と考えられる。また、これら焼成温度以上で焼成する
と、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維の熱劣化によって、強度が
低下すると考えられる。従って、焼成温度は９５０°Ｃ
〜１０００°Ｃ程度、特に、９５０°Ｃ程度が最も好ま
しい。
Ａｌ2Ｏ3複合材は、焼成温度を９５０°Ｃ、１０００°
Ｃとした場合、モノリシックセラミックスＡｌ2Ｏ3材に
比べて強度が著しく向上し、特に、焼成温度を９５０°
Ｃとした場合に最も高い強度値を示す。尚、マトリック
ス基材となるＡｌ2Ｏ3についても、焼成温度９５０°Ｃ
で、最も高い強度値を示す。これら焼成温度以下におい
て強度が低くなっているのは、マトリックス基材として
のＡｌ2Ｏ3の焼成度、および、強化繊維（Ｓｉ−Ｔｉ−
Ｃ−Ｏ繊維）／マトリックス基材（Ａｌ2Ｏ3焼結体）の
界面におけるガラス組成の相の生成が不十分になるため
と考えられる。また、これら焼成温度以上で焼成する
と、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維の熱劣化によって、強度が
低下すると考えられる。従って、焼成温度は９５０°Ｃ
〜１０００°Ｃ程度、特に、９５０°Ｃ程度が最も好ま
しい。
【００２７】図４は、焼成温度９５０°Ｃで焼成した上
記Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ／Ａｌ2Ｏ3複合材とモノリシック
セラミックスＡｌ2Ｏ3材の引張応力−ひずみ曲線を示し
ている。
記Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ／Ａｌ2Ｏ3複合材とモノリシック
セラミックスＡｌ2Ｏ3材の引張応力−ひずみ曲線を示し
ている。
【００２８】まず、モノリシックセラミックスＡｌ2Ｏ3
材の変形破壊が線形で進行するのに対し、Ｓｉ−Ｔｉ−
Ｃ−Ｏ／Ａｌ2Ｏ3複合材の変形破壊は非線形で進行する
点が注目される。また、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ／Ａｌ2Ｏ3
複合材は、最大ひずみおよび最大ひずみ応力（同図に示
す×点）、並びに、破壊吸収エネルギー（応力−ひずみ
曲線の積分値）が、モノリシックセラミックスＡｌ2Ｏ3
材に比べて大幅に向上している。このことから、この実
施例のＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ／Ａｌ2Ｏ3複合材は、モノリ
シックセラミックスＡｌ2Ｏ3材に比べ、かなり靱性に富
んだ材料であるということができる。
材の変形破壊が線形で進行するのに対し、Ｓｉ−Ｔｉ−
Ｃ−Ｏ／Ａｌ2Ｏ3複合材の変形破壊は非線形で進行する
点が注目される。また、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ／Ａｌ2Ｏ3
複合材は、最大ひずみおよび最大ひずみ応力（同図に示
す×点）、並びに、破壊吸収エネルギー（応力−ひずみ
曲線の積分値）が、モノリシックセラミックスＡｌ2Ｏ3
材に比べて大幅に向上している。このことから、この実
施例のＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ／Ａｌ2Ｏ3複合材は、モノリ
シックセラミックスＡｌ2Ｏ3材に比べ、かなり靱性に富
んだ材料であるということができる。
【００２９】図５および図６は、（アルミナ／ガラス）
組成比と引張破壊強度（ＫＩＣ）との関係を示してい
る。図５は焼成温度を９５０°Ｃとした場合の結果であ
り、破壊強度は（アルミナ／ガラス）＝（６／４）の時
に最大値を示している。また、図６は焼成温度を１００
０°Ｃとした場合の結果であり、（アルミナ／ガラス）
＝（４／６）の時に最大値を示している。このように、
この実施例のＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ／Ａｌ2Ｏ3複合材は、
破壊強度がモノリシックセラミックスＡｌ2Ｏ3材に比
べ、２〜６倍程度にまで向上することが確認された。
組成比と引張破壊強度（ＫＩＣ）との関係を示してい
る。図５は焼成温度を９５０°Ｃとした場合の結果であ
り、破壊強度は（アルミナ／ガラス）＝（６／４）の時
に最大値を示している。また、図６は焼成温度を１００
０°Ｃとした場合の結果であり、（アルミナ／ガラス）
＝（４／６）の時に最大値を示している。このように、
この実施例のＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ／Ａｌ2Ｏ3複合材は、
破壊強度がモノリシックセラミックスＡｌ2Ｏ3材に比
べ、２〜６倍程度にまで向上することが確認された。
【００３０】図７および図８は、上記Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−
Ｏ／Ａｌ2Ｏ3複合材の引張試験における破断面を示して
いる（破断面ＳＥＭ写真）。図７は焼成温度を８５０°
Ｃとした場合、図８は焼成温度を９５０°Ｃとした場合
の破断面を示している。図７（焼成温度８５０°Ｃ）に
示す破断面には、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維が残存してい
る形跡は見られない。これは、強化繊維／マトリックス
基材の界面特性が良好でなく、そのため、幾分脆いと言
える態様で破断に至っていることを示している。一方、
図８（焼成温度９５０°Ｃ）示す破断面には、Ｓｉ−Ｔ
ｉ−Ｃ−Ｏ繊維が残存しており、約５０μｍ程度の引抜
き長さが得られている。これは、強化繊維（Ｓｉ−Ｔｉ
−Ｃ−Ｏ繊維）／マトリックス基材（Ａｌ2Ｏ3焼結体）
の界面特性が、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維の表面に生成さ
れるガラス組成の相によって改善されたため、また、ガ
ラス組成の焼結助剤を配合することによって焼成温度を
下げることができ、これにより、強化繊維（Ｓｉ−Ｔｉ
−Ｃ−Ｏ繊維）の熱劣化が抑制されたためと考えられ
る。つまり、本実施例のセラミックス基セラミックス長
繊維複合材料において、破壊強度および破壊靱性値や破
壊エネルギー等の機械的特性が向上する重要な要素は、
強化繊維の表面にガラス組成の相が生成され、強化繊維
／マトリックス基材の界面特性が改善されたことによる
引抜き性の向上、焼成温度を強化繊維の熱劣化温度以下
に低下させたことによる強化繊維の強度向上にあると考
えられる。
Ｏ／Ａｌ2Ｏ3複合材の引張試験における破断面を示して
いる（破断面ＳＥＭ写真）。図７は焼成温度を８５０°
Ｃとした場合、図８は焼成温度を９５０°Ｃとした場合
の破断面を示している。図７（焼成温度８５０°Ｃ）に
示す破断面には、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維が残存してい
る形跡は見られない。これは、強化繊維／マトリックス
基材の界面特性が良好でなく、そのため、幾分脆いと言
える態様で破断に至っていることを示している。一方、
図８（焼成温度９５０°Ｃ）示す破断面には、Ｓｉ−Ｔ
ｉ−Ｃ−Ｏ繊維が残存しており、約５０μｍ程度の引抜
き長さが得られている。これは、強化繊維（Ｓｉ−Ｔｉ
−Ｃ−Ｏ繊維）／マトリックス基材（Ａｌ2Ｏ3焼結体）
の界面特性が、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維の表面に生成さ
れるガラス組成の相によって改善されたため、また、ガ
ラス組成の焼結助剤を配合することによって焼成温度を
下げることができ、これにより、強化繊維（Ｓｉ−Ｔｉ
−Ｃ−Ｏ繊維）の熱劣化が抑制されたためと考えられ
る。つまり、本実施例のセラミックス基セラミックス長
繊維複合材料において、破壊強度および破壊靱性値や破
壊エネルギー等の機械的特性が向上する重要な要素は、
強化繊維の表面にガラス組成の相が生成され、強化繊維
／マトリックス基材の界面特性が改善されたことによる
引抜き性の向上、焼成温度を強化繊維の熱劣化温度以下
に低下させたことによる強化繊維の強度向上にあると考
えられる。
【００３１】尚、マトリックス基材としてのセラミック
ス、強化素材としてのセラミックス長繊維は、以上に例
示した材料に限らず、特許請求の範囲に記載した組合
せ、その他の種々のセラミックス材料による組合せを採
用することができる。また、異種セラミックス材料によ
るプリプレグを適宜組み合わせて積層し、焼成して複合
材料を作製することも可能である。例えば、異種セラミ
ックス材料によるモノレイヤーシート状のプリプレグ
を、熱膨張に傾斜がつくように順次積層し、適当な加圧
条件下で焼結して複合化することにより、表層部に熱傾
斜をもたせることができる。さらに、強化素材としての
セラミックス長繊維のヤーンの表面にＢＮコート等を施
しても良い。
ス、強化素材としてのセラミックス長繊維は、以上に例
示した材料に限らず、特許請求の範囲に記載した組合
せ、その他の種々のセラミックス材料による組合せを採
用することができる。また、異種セラミックス材料によ
るプリプレグを適宜組み合わせて積層し、焼成して複合
材料を作製することも可能である。例えば、異種セラミ
ックス材料によるモノレイヤーシート状のプリプレグ
を、熱膨張に傾斜がつくように順次積層し、適当な加圧
条件下で焼結して複合化することにより、表層部に熱傾
斜をもたせることができる。さらに、強化素材としての
セラミックス長繊維のヤーンの表面にＢＮコート等を施
しても良い。
【００３２】
【発明の効果】本発明は、以下に示す効果を有する。 （１）本発明のセラミックス基セラミックス長繊維複合
材料は、繊維体積率およびモノリシックセラミックスの
マトリックス含浸率が高く、強度および破壊靱性値や破
壊エネルギー等の機械的特性に優れ、高い信頼性と耐久
性を有する。しかも、従来のＣＶＩ法の設備に比べて安
価な設備で、比較的短時間で製造することができ、経済
性にも優れている。 （２）セラミックス長繊維のヤーン（糸束）に、マトリ
ックス充填用セラミックスのスラリーを付着・乾燥させ
た、セラミックス長繊維補強の生セラミックスのプリプ
レグは、長期間保存でき、また、必要時に適当なサイズ
に裁断して使用できるので、極めて便利でかつ経済的で
ある。また、マトリックス基材および長繊維の材質の選
択、積層数、積層方向等によって、必要とする強度、硬
度、線膨張係数等の特性を最適調整することができるの
で、応用範囲が極めて広い。
材料は、繊維体積率およびモノリシックセラミックスの
マトリックス含浸率が高く、強度および破壊靱性値や破
壊エネルギー等の機械的特性に優れ、高い信頼性と耐久
性を有する。しかも、従来のＣＶＩ法の設備に比べて安
価な設備で、比較的短時間で製造することができ、経済
性にも優れている。 （２）セラミックス長繊維のヤーン（糸束）に、マトリ
ックス充填用セラミックスのスラリーを付着・乾燥させ
た、セラミックス長繊維補強の生セラミックスのプリプ
レグは、長期間保存でき、また、必要時に適当なサイズ
に裁断して使用できるので、極めて便利でかつ経済的で
ある。また、マトリックス基材および長繊維の材質の選
択、積層数、積層方向等によって、必要とする強度、硬
度、線膨張係数等の特性を最適調整することができるの
で、応用範囲が極めて広い。
【図１】製造工程を示すフローチャート図である。
【図２】プリプレグの製造方法を概念的に示す断面図
（図ａ）平面図（図ｂ）である。
（図ａ）平面図（図ｂ）である。
【図３】焼成温度−引張強度の試験結果を示す図であ
る。
る。
【図４】応力−ひずみの試験結果を示す図である。
【図５】組成比−破壊強度の試験結果を示す図である
（焼成温度９５０°Ｃ）。
（焼成温度９５０°Ｃ）。
【図６】組成比−破壊強度の試験結果を示す図である
（焼成温度１０００°Ｃ）。
（焼成温度１０００°Ｃ）。
【図７】引張試験における破断面のＳＥＭ写真である
（焼成温度８５０°Ｃ）。
（焼成温度８５０°Ｃ）。
【図８】引張試験における破断面のＳＥＭ写真である
（焼成温度９５０°Ｃ）。
（焼成温度９５０°Ｃ）。
Claims (9)
- 【請求項１】 マトリックス基材としてのセラミックス
焼結体と、セラミックス焼結体に分散複合化された強化
素材としてのセラミックス長繊維と、マトリックス充填
用セラミックスに配合されたガラス組成の焼結助剤によ
って、セラミックス長繊維の表面に生成されたガラス組
成の相と、からなる組織構造を有することを特徴とする
セラミックス基セラミックス長繊維複合材料。 - 【請求項２】 セラミックス長繊維のヤーン（糸束）
に、ガラス組成の焼結助剤を含むマトリックス充填用セ
ラミックスのスラリーを付着・乾燥させて、セラミック
ス長繊維補強の生セラミックスのプリプレグを作製し、
このプリプレグを複数任意方向に積層し、適当な加圧条
件下で焼結して複合化したことを特徴とするセラミック
ス基セラミックス長繊維複合材料。 - 【請求項３】 セラミックス長繊維のヤーン（糸束）を
複数本、ガラス組成の焼結助剤を含むマトリックス充填
用セラミックスのスラリー中を浸漬・通過させ、キャリ
ヤーフィルム上に任意の巾に水平に並べて固着・乾燥さ
せて、セラミックス長繊維補強の生セラミックスのモノ
レイヤーシート状のプリプレグを作製し、このプリプレ
グを複数枚任意方向に積層し、適当な加圧条件下で焼結
して複合化したことを特徴とするセラミックス基セラミ
ックス長繊維複合材料。 - 【請求項４】 焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化
温度以下となるように、マトリックス充填用セラミック
スのスラリーに上記ガラス組成の焼結助剤を配合したこ
とを特徴とする請求項２又は３記載のセラミックス基セ
ラミックス長繊維複合材料。 - 【請求項５】 マトリックス基材としてのセラミックス
がＡｌ2 Ｏ3 で、強化素材としてのセラミックス長繊維
がＳｉＣ長繊維であることを特徴とする請求項１、２、
３又は４記載のセラミックス基セラミックス長繊維複合
材料。 - 【請求項６】 マトリックス基材としてのセラミックス
がＳｉＣで、強化素材としてのセラミックス長繊維がＳ
ｉＣ長繊維であることを特徴とする請求項１、２、３又
は４記載のセラミックス基セラミックス長繊維複合材
料。 - 【請求項７】 マトリックス基材としてのセラミックス
がＳｉ3 Ｎ4 で、強化素材としてのセラミックス長繊維
がＳｉＣ長繊維であることを特徴とする請求項１、２、
３又は４記載のセラミックス基セラミックス長繊維複合
材料。 - 【請求項８】 マトリックス基材としてのセラミックス
がＡｌ2 Ｏ3 で、強化素材としてのセラミックス長繊維
がＡｌ2 Ｏ3 長繊維であることを特徴とする請求項１、
２、３又は４記載のセラミックス基セラミックス長繊維
複合材料。 - 【請求項９】 セラミックス連続長繊維のヤーン（糸
束）を複数本、任意の幅に水平に並べて連続的に引張り
ながら、ガラス組成の焼結助剤を含むマトリックス充填
用セラミックスのスラリー中を浸漬・通過させ、キャリ
ヤーフィルム上に任意の巾に水平に並べて固着・乾燥さ
せて、セラミックス長繊維補強の生セラミックスのモノ
レイヤーシート状のプリプレグを作製し、このプリプレ
グを複数枚任意方向に積層し、適当な加圧条件下、セラ
ミックス長繊維の熱劣化温度以下の温度で焼結して複合
化することを特徴とするセラミックス基セラミックス長
繊維複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8012209A JP2997868B2 (ja) | 1996-01-26 | 1996-01-26 | セラミックス基セラミックス長繊維複合材料とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8012209A JP2997868B2 (ja) | 1996-01-26 | 1996-01-26 | セラミックス基セラミックス長繊維複合材料とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09202668A JPH09202668A (ja) | 1997-08-05 |
| JP2997868B2 true JP2997868B2 (ja) | 2000-01-11 |
Family
ID=11799002
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8012209A Expired - Fee Related JP2997868B2 (ja) | 1996-01-26 | 1996-01-26 | セラミックス基セラミックス長繊維複合材料とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2997868B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6261275B2 (ja) * | 2012-10-16 | 2018-01-17 | 敏夫 谷本 | 積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法 |
-
1996
- 1996-01-26 JP JP8012209A patent/JP2997868B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09202668A (ja) | 1997-08-05 |
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