JP3001127B2 - Carbon-based composite fiber reinforced ceramic composite - Google Patents

Carbon-based composite fiber reinforced ceramic composite

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JP3001127B2
JP3001127B2 JP4113894A JP11389492A JP3001127B2 JP 3001127 B2 JP3001127 B2 JP 3001127B2 JP 4113894 A JP4113894 A JP 4113894A JP 11389492 A JP11389492 A JP 11389492A JP 3001127 B2 JP3001127 B2 JP 3001127B2
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【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、高強度、高靱性、及び
高耐熱性を有する炭素系複合繊維強化セラミックス複合
材料に関する。本発明のセラミックス複合材料は、ロー
ター、ステーター、燃焼器のようなタービンエンジンの
部材、ノーズコーン、ノズルのようなロケットエンジン
の部材、ピストンヘッド、副燃焼室、バルブのような内
燃機関の部材として、好適に使用することができる。
The present invention relates to a carbon-based composite fiber reinforced ceramic composite material having high strength, high toughness and high heat resistance. The ceramic composite material of the present invention is used as a member of a turbine engine such as a rotor, a stator, or a combustor, a member of a rocket engine such as a nose cone or a nozzle, or a member of an internal combustion engine such as a piston head, an auxiliary combustion chamber, or a valve. Can be suitably used.

【0002】[0002]

【従来の技術及びその問題点】酸化アルミニウムのよう
な酸化物セラミックスは耐熱性に優れているが、靱性が
低いとか強度が充分ではないとかの理由により、エンジ
ニアリングセラミックスとしての用途が限定されてい
た。最近になり、酸化物セラミックスを各種の強化材と
複合化させることにより、強度及び靱性を向上させる試
みが積極的に行われている。
2. Description of the Related Art Oxide ceramics such as aluminum oxide have excellent heat resistance, but their use as engineering ceramics has been limited due to low toughness or insufficient strength. . Recently, attempts have been actively made to improve strength and toughness by compounding oxide ceramics with various reinforcing materials.

【0003】例えば、「Pro.23rd.Autom
ot.Technol.Dev.Contract C
oord.Meet.1986」には、アルミナに20
体積%の炭化ケイ素ウイスカを複合化することにより、
曲げ強度は約300MPaから約700MPaに向上
し、破壊靱性の目安となる臨界応力拡大係数(K1C
は4.5MPa・m1/2から約8.5MPa・m
1/2に向上することが開示されている。しかし、この
ウイスカ強化アルミナ複合材料は1000℃を超えると
急激に曲げ強度が低下する。(社)日本航空宇宙工業会
から1998年3月に発行された「航空機用新素材の調
査」193ページには、ガスタービンのローター用材料
などには、1250℃から1450℃の範囲の温度で曲
げ強度が450MPa以上であることが必要であると記
載されている。前記のウイスカ強化アルミナ複合材料
は、上記のガスタービン部材に要求される特性を満足す
ることができない。
[0003] For example, "Pro.23rd.Autom"
ot. Technol. Dev. Contract C
oord. Meet. 1986 "has 20
By compounding volume% silicon carbide whisker,
The bending strength is increased from about 300 MPa to about 700 MPa, and the critical stress intensity factor (K 1C ) which is a measure of fracture toughness
Is from 4.5 MPa · m 1/2 to about 8.5 MPa · m
It is disclosed that it is improved by half . However, when the whisker reinforced alumina composite material exceeds 1000 ° C., the bending strength is sharply reduced. The “Investigation of New Materials for Aircraft” published by the Japan Aerospace Industry Association in March 1998, page 193, shows that materials for rotors of gas turbines, etc., have a temperature in the range of 1250 ° C to 1450 ° C. It is described that the bending strength needs to be 450 MPa or more. The whisker reinforced alumina composite material cannot satisfy the characteristics required for the gas turbine member.

【0004】酸化物セラミックスの強度あるいは耐熱性
をナノ複合化によって向上させる方法も知られている。
例えば、「粉体および粉末合金」37巻、348ページ
(1990年)には、酸化アルミニウムに5体積%の炭
化ケイ素超微粒子を添加して作製したセラミックスナノ
複合材料は、耐熱温度1200℃及び曲げ強度約155
0MPaという優れた特性を示すことが開示されてい
る。しかし、この複合材料のK1Cは約4.8MPa・
1/2であり、通常のモノリシックな窒化ケイ素が有
するK1Cである約6MPa・m1/2に比べても低
い。
[0004] A method of improving the strength or heat resistance of oxide ceramics by nanocompositing is also known.
For example, in “Powder and Powder Alloy”, Vol. 37, p. 348 (1990), a ceramic nanocomposite made by adding 5% by volume of silicon carbide ultrafine particles to aluminum oxide has a heat resistance temperature of 1200 ° C. and a bending temperature of 1200 ° C. Strength about 155
It is disclosed that it exhibits an excellent property of 0 MPa. However, the K 1C of this composite material is about 4.8 MPa ·
m 1/2 , which is lower than about 6 MPa · m 1/2 which is K 1C of ordinary monolithic silicon nitride.

【0005】[0005]

【問題点を解決するための技術的手段】本発明の目的
は、自動車エンジンを始めとする各種熱機関に好適に使
用することのできる、常温から高温まで優れた強度及び
高い破壊靱性値を示すセラミックス複合材料を提供する
ことにある。本発明の上記目的は、(1)繊維軸方向に
配向した結晶質炭素、(2)非晶質炭素及び/又は繊維
軸方向とは異なる方向に配向した結晶質炭素、及び
(3)ケイ素、炭素及び酸素からなる含ケイ素成分から
構成される炭素系複合繊維を強化材とし、炭化物粒子及
び/又は窒化物粒子でナノ複合化した酸化物系ナノ複合
材をマトリックスとする、炭素系複合繊維強化セラミッ
クス複合材料によって達成される。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to exhibit excellent strength and high fracture toughness from room temperature to high temperature, which can be suitably used for various heat engines including automobile engines. An object of the present invention is to provide a ceramic composite material. The object of the present invention is to provide (1) crystalline carbon oriented in the fiber axis direction, (2) amorphous carbon and / or crystalline carbon oriented in a direction different from the fiber axis direction, and (3) silicon; Carbon-based composite fiber reinforced using carbon-based composite fiber composed of a silicon-containing component composed of carbon and oxygen as a reinforcing material, and using an oxide-based nanocomposite nanocomposited with carbide particles and / or nitride particles as a matrix Achieved by ceramic composites.

【0006】上記(3)の含ケイ素成分は、(i)ケイ
素、炭素及び酸素からなる非晶質物質、(ii)β−S
iC及びCの結晶質微粒子と非晶質SiOとの集合
体、及び(iii)上記(i)の非晶質物質と上記(i
i)の集合体との混合物から構成される。含ケイ素成分
の各元素の割合は、一般に、Si:30〜70重量%、
C:20〜60重量%、及びO:0.5〜10重量%で
ある。上記の含ケイ素成分はこれら元素に加えて、チタ
ン、ジルコニウム及びハフニウムから選択される金属元
素(以下「M」という)を含むことができる。この場合
の含ケイ素成分は、(iv)ケイ素、炭素、M、及び酸
素からなる非晶質物質、又は(v)β−SiC、MC、
C、β−SiCとMCとの固溶体、及びMC1−xから
なる群から選択される少なくとも1種の結晶質微粒子
と、非晶質のSiO及びMOからなる集合体(xは
0より大きく1未満の数である。)、又は(vi)上記
(iv)の非晶質物質と上記(v)の集合体との混合物
で構成される。各元素の割合は、通常、Si:5〜70
重量%、C:20〜40重量%、M:0.5〜45重量
%、O:0.01〜30重量%である。
The silicon-containing component (3) includes (i) an amorphous substance composed of silicon, carbon and oxygen, and (ii) β-S
an aggregate of crystalline fine particles of iC and C and amorphous SiO 2 , and (iii) the amorphous substance of (i) and (i)
It is composed of a mixture with the aggregate of i). The ratio of each element of the silicon-containing component is generally 30 to 70% by weight of Si,
C: 20 to 60% by weight, and O: 0.5 to 10% by weight. The silicon-containing component may contain a metal element (hereinafter, referred to as “M”) selected from titanium, zirconium, and hafnium in addition to these elements. In this case, the silicon-containing component may be (iv) an amorphous substance composed of silicon, carbon, M, and oxygen, or (v) β-SiC, MC,
C, a solid solution of β-SiC and MC, and at least one type of crystalline fine particles selected from the group consisting of MC 1-x , and an aggregate (x is greater than 0) composed of amorphous SiO 2 and MO 2 (Vi) a number less than 1.) or (vi) a mixture of the above-mentioned (iv) amorphous substance and the above-mentioned (v) aggregate. The ratio of each element is usually Si: 5 to 70
%, C: 20 to 40% by weight, M: 0.5 to 45% by weight, O: 0.01 to 30% by weight.

【0007】本発明の炭素系複合繊維における前記構成
成分の割合は、構成成分(1)と構成成分(2)及び構
成成分(3)の総和との重量比率が1:0.5〜500
0であり、かつ構成成分(2)と構成成分(3)の重量
比率が1:0.02〜4であることが好ましい。炭素系
複合繊維は、例えば、特開平3−104926号公報、
同2−229218号公報に記載の方法に従って調製す
ることができる。これらの公報の記載は本明細書の一部
として援用される。炭素系複合繊維の製法の一例を以下
に示す。まず、ポリカルボシランのような有機ケイ素重
合体と光学的に等方性のピッチとを250〜500℃の
温度で反応させて得られる反応生成物を、Mのハライ
ド、アルコキシド又はキレート化合物と100〜500
℃の温度で反応させ、ついで、反応生成物をメソフェー
ズ相、プリメソフェーズ相又は潜在的異方性のピッチと
300〜500℃の温度で加熱溶融させる。得られる加
熱溶融物において、有機ケイ素重合体の少なくとも一部
がピッチと化学的に結合している。ついで、加熱溶融物
を紡糸し、紡糸繊維を不融化し、不融化繊維を真空中又
は不活性ガス雰囲気で800〜3000℃の温度で焼成
することによって、炭素系複合繊維を製造することがで
きる。
In the carbon-based composite fiber of the present invention, the weight ratio of the component (1) to the sum of the components (2) and (3) is 1: 0.5 to 500.
0 and the weight ratio of the component (2) to the component (3) is preferably 1: 0.02 to 4. Carbon-based composite fibers are described in, for example, JP-A-3-104926,
It can be prepared according to the method described in JP-A-2-229218. The descriptions in these publications are incorporated as a part of the present specification. An example of a method for producing a carbon-based composite fiber is described below. First, a reaction product obtained by reacting an organosilicon polymer such as polycarbosilane with an optically isotropic pitch at a temperature of 250 to 500 ° C. is reacted with a halide, alkoxide or chelate compound of M for 100 minutes. ~ 500
The reaction product is then heated and melted with a mesophase, premesophase or potentially anisotropic pitch at a temperature of 300-500 ° C. In the resulting heated melt, at least a portion of the organosilicon polymer is chemically bonded to the pitch. Next, a carbon-based composite fiber can be produced by spinning the heated melt, infusing the spun fiber, and firing the infusibilized fiber at a temperature of 800 to 3000 ° C. in a vacuum or an inert gas atmosphere. .

【0008】炭素系複合繊維の形態については特別の制
限はなく、チョップ状繊維、連続繊維から編織された平
織、朱子織、多軸織、三次元織あるいは不織布であって
もよく、さらに連続繊維を一方向に引き揃えたシート状
物であってもよい。
The form of the carbon-based composite fiber is not particularly limited, and may be a plain weave, a satin weave, a multiaxial weave, a three-dimensional weave, or a nonwoven fabric knitted from a chop fiber or a continuous fiber. May be arranged in one direction.

【0009】本発明においてマトリックスとなる酸化物
系ナノ複合材は、炭化物粒子及び窒化物粒子の少なくと
も1種の分散粒子が、酸化物セラミックスと粒内ナノ複
合化、粒界ナノ複合化あるいは粒内及び粒界の両ナノ複
合化した組織によって構成されるセラミックスである。
粒内ナノ複合化した組織とは、例えば図1に示すモデル
のように、酸化物系セラミックスの母相粒内にナノオー
ダの分散粒子を分散させて母相粒子そのものを複合化し
た組織である。他方、粒界ナノ複合化した組織とは、例
えば図2に示すモデルのように、酸化物系セラミックス
の母相粒界にナノオーダの分散粒子を分散させて複合化
した組織である。このような酸化物系ナノ複合材は、例
えば、「日本セラミックス協会学術論文誌」第99巻9
47〜982ページ(1991年)に記載された方法に
従って調製することができる。
In the present invention, the oxide-based nanocomposite serving as a matrix is characterized in that at least one kind of dispersed particles of carbide particles and nitride particles is composed of oxide ceramic and intragranular nanocomposite, grain boundary nanocomposite or intragranular. And ceramics composed of both nanocomposite structures of grain boundaries.
The intragranular nanocomposite structure is, for example, a structure obtained by dispersing nano-order dispersed particles in a matrix particle of an oxide ceramic and compounding the matrix particle itself, as in the model shown in FIG. On the other hand, the grain-boundary nanocomposite structure is a structure obtained by dispersing nano-order dispersed particles in a matrix boundary of an oxide ceramic as shown in, for example, a model in FIG. Such an oxide-based nanocomposite is described, for example, in “Academic Journal of the Ceramic Society of Japan”, Vol.
It can be prepared according to the method described on pages 47 to 982 (1991).

【0010】酸化物系ナノ複合材において母相となる酸
化物系セラミックスの具体例としては、アルミニウム、
マグネシウム、ケイ素、イットリウム、インジウム、ウ
ラン、カルシウム、スカンジウム、タンタル、ニオブ、
ネオジウム、ランタン、ルテニウム、ロジウム、ベリリ
ウム、チタン、錫、ストロンチウム、バリウム、亜鉛、
ジルコニウム、鉄のような元素の酸化物、及びこれら金
属の複合酸化物を挙げることができる。これらの酸化物
系セラミックスの粒径は一般に0.05〜1000μm
である。
[0010] Specific examples of the oxide-based ceramics serving as a matrix in the oxide-based nanocomposite include aluminum and aluminum.
Magnesium, silicon, yttrium, indium, uranium, calcium, scandium, tantalum, niobium,
Neodymium, lanthanum, ruthenium, rhodium, beryllium, titanium, tin, strontium, barium, zinc,
Examples include oxides of elements such as zirconium and iron, and composite oxides of these metals. The particle size of these oxide ceramics is generally 0.05 to 1000 μm.
It is.

【0011】分散粒子となる窒化物の具体例としては、
ケイ素、ホウ素、アルミニウム、マグネシウム、チタ
ン、モリブデンのような元素の窒化物、及びこれら元素
の複合窒化物、あるいはサイアロンを挙げることができ
る。分散粒子の炭化物の具体例としては、ケイ素、チタ
ン、ジルコニウム、アルミニウム、ウラン、タングステ
ン、タンタル、ハフニウム、ホウ素、鉄、マンガンのよ
うな元素の炭化物、及びこれら元素の複合炭化物を挙げ
ることができる。酸化物系ナノ複合材中の分散粒子の形
状については特別の制限はなく、球状、多面状、板状、
針状のいずれであってもよい。分散粒子の大きさは、一
般に、球状又は多面状の場合には、相当直径1〜100
00nmであり、板状又は針状の場合には、最大長さあ
るいは厚さが10000nmである。酸化物系ナノ複合
材中における分散粒子の割合は、一般に、複合材に対し
て1〜50体積%である。
[0011] Specific examples of the nitride to be dispersed particles include:
Examples include nitrides of elements such as silicon, boron, aluminum, magnesium, titanium, and molybdenum, and composite nitrides of these elements, or sialon. Specific examples of the carbide of the dispersed particles include carbides of elements such as silicon, titanium, zirconium, aluminum, uranium, tungsten, tantalum, hafnium, boron, iron, and manganese, and composite carbides of these elements. There are no particular restrictions on the shape of the dispersed particles in the oxide-based nanocomposite, such as spherical, polyhedral, plate,
Any of a needle shape may be used. The size of the dispersed particles is generally 1 to 100 in the case of spherical or polyhedral.
In the case of a plate or needle, the maximum length or thickness is 10,000 nm. The proportion of dispersed particles in the oxide-based nanocomposite is generally between 1 and 50% by volume relative to the composite.

【0012】本発明の炭素系複合繊維強化セラミックス
複合材料は、炭素系複合繊維及び酸化物系ナノ複合材
を、それ自体公知の方法に従って配合し、焼結すること
によって調製することができる。炭素系複合繊維がチョ
ップ状物である場合は、チョップ状の繊維及び酸化物系
ナノ複合材の粉末を混合した混合物を調製する。炭素系
複合繊維が長繊維、織物、不織布又はシート状物である
場合は、これらから構成される層及び酸化物系ナノ複合
材の粉末から構成される層を交互に積層した積層物を調
製する。ついで、上記の混合物又は積層物を、所望の形
状に成形した後、あるいは成形と同時に、加熱焼結する
ことによって、本発明の炭素系複合繊維強化セラミック
ス複合材料を得ることができる。複合材料における炭素
系複合繊維の割合は、通常、1〜70体積%である。
The carbon-based composite fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention can be prepared by blending the carbon-based composite fiber and the oxide-based nanocomposite according to a method known per se and sintering the blended composite fiber. When the carbon-based composite fiber is a chopped material, a mixture in which the chopped fiber and the powder of the oxide-based nanocomposite are mixed is prepared. When the carbon-based composite fiber is a long fiber, a woven fabric, a nonwoven fabric, or a sheet-like material, a laminate is prepared by alternately laminating a layer composed of these and a layer composed of powder of the oxide-based nanocomposite. . Then, the above-mentioned mixture or laminate is heated and sintered after molding or at the same time as molding, whereby the carbon-based composite fiber reinforced ceramic composite material of the present invention can be obtained. The ratio of the carbon-based composite fiber in the composite material is usually from 1 to 70% by volume.

【0013】上記の混合物又は積層物の成形方法として
は、それ自体公知の方法、例えば、金型プレス法、ラバ
ープレス法、押出し法、シート法を採用することができ
る。成形時のバインダーとして、ポリビニルアルコー
ル、ポリエチレンオキサイド、アルミニウムアルコキシ
ドのような公知の有機重合体、さらにポリカルボシラ
ン、ポリメタロカルボシランを使用することができる。
焼結方法についても特別の制限はなく、成形物を常圧下
又は減圧下で焼結する方法、成形及び焼結を同時に行う
ホットプレス法又は熱間静水圧プレス法のようなそれ自
体公知の方法を採用することができる。加熱焼結温度
は、通常、400〜2500℃である。加熱焼結温度が
過度に低いとマトリックスである酸化物系ナノ複合材が
充分には焼結せず、その温度が過度に高いと炭素系複合
繊維の分解が起こるようになる。
As a method for molding the mixture or the laminate, a method known per se, for example, a die pressing method, a rubber pressing method, an extrusion method, and a sheet method can be adopted. Known organic polymers such as polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, and aluminum alkoxide, as well as polycarbosilane and polymetallocarbosilane, can be used as a binder at the time of molding.
There is no particular limitation on the sintering method, and a method known per se such as a method of sintering a molded product under normal pressure or reduced pressure, a hot press method or a hot isostatic press method in which molding and sintering are performed simultaneously. Can be adopted. The heat sintering temperature is usually 400 to 2500C. If the heating and sintering temperature is too low, the oxide nanocomposite as the matrix will not be sufficiently sintered, and if the temperature is too high, the carbon-based composite fibers will be decomposed.

【0014】本発明の炭素系複合繊維強化セラミックス
複合材料の別の調製方法として、マトリックスの原料粉
末として酸化物系ナノ複合材の粉末自体を使用する代わ
りに、酸化物系ナノ複合材の原料となる酸化物系セラミ
ックスの粉末と炭化物粒子及び/又は窒化物の粒子とを
公知の方法によって混合した混合粉末を使用する以外
は、上記と同様の方法を採用することもできる。この場
合、成形及び焼結過程中に、マトリックスのナノ複合化
及びマトリックスと炭素系複合繊維との複合化が同時
に、あるいは逐次的に起こり、本発明の炭素系複合繊維
強化セラミックス複合材料が調製される。
As another method of preparing the carbon-based composite fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention, instead of using the oxide-based nanocomposite powder itself as the matrix raw material powder, the raw material of the oxide-based nanocomposite is used. The same method as described above can be adopted except that a mixed powder obtained by mixing the oxide ceramic powder and carbide particles and / or nitride particles by a known method is used. In this case, during the forming and sintering processes, the nanocomposite of the matrix and the composite of the matrix and the carbon-based composite fiber occur simultaneously or sequentially, and the carbon-based composite fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention is prepared. You.

【0015】[0015]

【実施例】以下に本発明の実施例を示す。 参考例1 石油留分のうち、軽油以上の高沸点物をシリカ・アルミ
ナ系分解触媒の存在下に500℃の温度で流動接触分解
・精留を行い、塔底より残渣を得た。以下、この残渣を
「FCCスラリーオイル」という。FCCスラリーオイ
ルを窒素ガス気流下450℃に加熱し、同温度における
留出分を留去した後、残渣を200℃で熱時濾過し、同
温度における不融部を除去してピッチAを得た。ピッチ
Aを窒素気流下で、反応によって生成する軽質分を除去
しながら400℃で7時間縮重合を行い、ピッチBを得
た。
Examples of the present invention will be described below. Reference Example 1 Among the petroleum fractions, high-boiling substances higher than gas oil were subjected to fluid catalytic cracking and rectification at a temperature of 500 ° C. in the presence of a silica-alumina-based cracking catalyst, and a residue was obtained from the bottom of the tower. Hereinafter, this residue is referred to as “FCC slurry oil”. The FCC slurry oil is heated to 450 ° C. under a stream of nitrogen gas to distill off distillates at the same temperature, and then the residue is filtered while hot at 200 ° C. to remove the infused portion at the same temperature to obtain pitch A. Was. The pitch A was subjected to polycondensation at 400 ° C. for 7 hours while removing light components generated by the reaction under a nitrogen stream to obtain a pitch B.

【0016】参考例2 ジメチルジクロロシランを金属ナトリウムで脱塩素縮合
して合成されるポリジメチルシランを、窒素気流下で攪
拌しながら420℃で加熱処理して、数平均分子量12
00の有機ケイ素重合体を得た。
Reference Example 2 Polydimethylsilane synthesized by dechlorination-condensation of dimethyldichlorosilane with metallic sodium was heat-treated at 420 ° C. while stirring under a nitrogen stream to obtain a number average molecular weight of 12
00 was obtained.

【0017】参考例3 参考例1で得られたピッチA49gに参考例2で得られ
た有機ケイ素重合体21g及びキシレン20mlを加
え、攪拌しながら昇温し、キシレン留去の後、400℃
で6時間反応させ、39gの前駆重合体を得た。この前
駆重合体39gにテトラオクトキシチタン2.75gの
キシレン溶液(25%キシレン溶液11g)を加え、キ
シレン留去の後、340℃で2時間反応させ、ランダム
共重合体38gを得た。このランダム共重合体35gと
参考例1で得られたピッチB70gを混合し、窒素雰囲
気下に310℃で1時間溶融加熱して、均一な状態にあ
るケイ素及びチタンを含有する多環状芳香族重合体を得
た。この多環状芳香族重合体を溶融紡糸し、紡糸繊維を
空気中、300℃で熱酸化して不融化処理した。不融化
繊維をアルゴン雰囲気中、1300℃で焼成して炭素系
複合繊維を得た。この炭素系複合繊維は、繊維径10μ
m、引張強度3.1GPa、引張弾性率320GPa
(測定は単繊維試験法による。)であった。
Reference Example 3 To 49 g of the pitch A obtained in Reference Example 1, 21 g of the organosilicon polymer obtained in Reference Example 2 and 20 ml of xylene were added, and the temperature was increased while stirring.
For 6 hours to obtain 39 g of a precursor polymer. A xylene solution of 2.75 g of tetraoctoxytitanium (11 g of a 25% xylene solution) was added to 39 g of this precursor polymer, and after xylene was distilled off, the mixture was reacted at 340 ° C. for 2 hours to obtain 38 g of a random copolymer. 35 g of this random copolymer and 70 g of the pitch B obtained in Reference Example 1 were mixed and melted and heated at 310 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a uniform polycyclic aromatic polycondensate containing silicon and titanium. A coalescence was obtained. This polycyclic aromatic polymer was melt-spun, and the spun fiber was thermally oxidized at 300 ° C. in air to make it infusible. The infusible fiber was fired at 1300 ° C. in an argon atmosphere to obtain a carbon-based composite fiber. This carbon-based composite fiber has a fiber diameter of 10 μm.
m, tensile strength 3.1 GPa, tensile modulus 320 GPa
(Measurement was based on the single fiber test method).

【0018】参考例4 平均粒径0.5μmのγ−アルミナに平均粒径0.3μ
mのβ−炭化ケイ素粒子を5体積%添加し、アルミナ製
ボールを使用してボールミルによりエタノール中で12
時間湿式混合した。この後、混合物を乾燥させ、さらに
12時間乾式混合を行った粉末を、窒素ガス雰囲気中、
30MPaの圧力、1500〜1800℃の温度で黒鉛
ダイス中でホットプレスし、炭化ケイ素粒子で強化した
アルミナ系ナノ複合材(SiC粒/Alナノ複合
材)を得た。このナノ複合材の常温での曲げ強度は1.
5GPa、K1Cは5MPa・m1/2、最高使用温度
は1200℃であった。
Reference Example 4 0.3 μm average particle diameter was added to γ-alumina having an average particle diameter of 0.5 μm.
m of β-silicon carbide particles were added at 5% by volume, and a
Wet mixed for hours. Thereafter, the mixture was dried, and the powder subjected to dry mixing for further 12 hours was placed in a nitrogen gas atmosphere.
Hot pressing was performed in a graphite die at a pressure of 30 MPa and a temperature of 1500 to 1800 ° C. to obtain an alumina-based nanocomposite (SiC particles / Al 2 O 3 nanocomposite) reinforced with silicon carbide particles. The bending strength of this nanocomposite at room temperature is 1.
5 GPa and K 1C were 5 MPa · m 1/2 , and the maximum operating temperature was 1200 ° C.

【0019】参考例5 平均粒径0.1μmのマグネシアに平均粒径0.3μm
以下の炭化ケイ素粒子を10体積%添加し、窒化ケイ素
製ボールを使用してボールミルによりトルエン中で24
時間湿式混合した後、混合物を乾燥させた。混合粉末
を、窒素ガス雰囲気中、28MPaの圧力、1700〜
1900℃の温度で黒鉛ダイス中でホットプレスし、炭
化ケイ素粒子で強化したマグネシアナノ複合材(SiC
粒/MgOナノ複合材)を得た。このナノ複合材の常温
での曲げ強度は700MPa、K1Cは4MPa・m
1/2、最高使用温度は1300℃であった。
Reference Example 5 Magnesia having an average particle size of 0.1 μm was added to magnesia having an average particle size of 0.3 μm.
The following silicon carbide particles were added in an amount of 10% by volume, and 24
After wet mixing for hours, the mixture was dried. The mixed powder was placed in a nitrogen gas atmosphere at a pressure of 28 MPa,
Magnesia nanocomposite (SiC) reinforced with silicon carbide particles by hot pressing in a graphite die at a temperature of 1900 ° C
/ MgO nanocomposite). The bending strength of this nanocomposite at room temperature is 700 MPa, and K 1C is 4 MPa · m.
The maximum operating temperature was 1/2300.

【0020】実施例1 参考例4で得られたSiC粒/Alナノ複合材を
窒化ケイ素製ボール及び窒化ケイ素製ポットを使用し
て、ボールミルにより蒸留水中で30時間粉砕してナノ
複合材料のスラリーを得た。このスラリーにバインダー
としてポリエチレンオキサイドをナノ複合材料に対して
10重量%添加した後、窒化ケイ素製ボールを使用して
12時間湿式混合し、マトリックス原料のスラリーを得
た。参考例3で得られた炭素系複合繊維の束を空気吹き
つけによって開繊した後に、上記のマトリックス原料の
スラリーに浸漬し、各炭素系複合繊維の周りにマトリッ
クスの粉末を付着させた。マトリックスの粉末を付着さ
せた炭素系複合繊維の束を角形ドラムに巻き取った後、
充分に乾燥してプリプレグシートを作製した。このプリ
プレグシートを所望の形に切断した後、離型剤として窒
化ホウ素を塗布した黒鉛ダイス中に積層させ、アルゴン
ガス雰囲気中、1650℃の温度、65MPaの圧力で
ホットプレスして、SiC粒/Alナノ複合材を
マトリックスとする炭素系複合繊維強化セラミックス複
合材料を得た。複合材料中の炭素系複合繊維の割合は5
5体積%であった。この複合材料の曲げ強度は常温で
1.93GPa、1300℃で1.8GPaであった。
シェブロンノッチ法により測定した複合材料の破壊靱性
値(K1C)は21.5MPa・m1/2であった。
Example 1 The nanocomposite of the SiC particles / Al 2 O 3 nanocomposite obtained in Reference Example 4 was ground in a ball mill for 30 hours in distilled water using a silicon nitride ball and a silicon nitride pot. A slurry of the material was obtained. After adding 10% by weight of polyethylene oxide as a binder to the nanocomposite material to this slurry, the mixture was wet-mixed using silicon nitride balls for 12 hours to obtain a slurry of a matrix raw material. After the bundle of carbon-based composite fibers obtained in Reference Example 3 was opened by blowing air, the bundle was immersed in the slurry of the matrix material described above, and a matrix powder was attached around each of the carbon-based composite fibers. After winding a bundle of carbon-based composite fibers with matrix powder attached to a square drum,
After drying sufficiently, a prepreg sheet was prepared. After cutting the prepreg sheet into a desired shape, the prepreg sheet is laminated in a graphite die coated with boron nitride as a release agent, and hot-pressed in an argon gas atmosphere at a temperature of 1650 ° C. and a pressure of 65 MPa to obtain SiC particles / A carbon-based composite fiber reinforced ceramic composite material using an Al 2 O 3 nanocomposite as a matrix was obtained. The ratio of the carbon-based composite fiber in the composite material is 5
It was 5% by volume. The bending strength of this composite material was 1.93 GPa at room temperature and 1.8 GPa at 1300 ° C.
The fracture toughness value (K 1C ) of the composite material measured by the chevron notch method was 21.5 MPa · m 1/2 .

【0021】実施例2 平均粒径0.4μmのγ−アルミナに平均粒径0.3μ
mのα−窒化ケイ素粒子を5体積%添加し、アルミナ製
ボールを使用してボールミルによりエタノール中で16
時間湿式混合した後、充分乾燥させ、さらに10時間乾
式混合を行った混合粉末を、マトリックスの原料粉末と
した。参考例3で得られた炭素系複合繊維の束を空気に
吹きつけることにより開繊して得られた炭素系複合繊維
のシートと上記マ卜リックス原料粉末とを、離型剤とし
て窒化ホウ素を塗布した黒鉛ダイス中に交互に積層さ
せ、アルゴンガス雰囲気中、1600℃の温度、75M
Paでホットプレスして、SiC粒/Alナノ複
合材をマトリックスとする炭素系複合繊維強化セラミッ
クス複合材料を得た。複合材料中の炭素系複合繊維の割
合は40体積%であった。この複合材料の曲げ強度は常
温で1.71GPa、1300℃で1.82GPaであ
った。シェブロンノッチ法により測定した複合材料の破
壊靱性値(K1C)は16.4MPa・m1/2であっ
た。
Example 2 0.3 μm average particle diameter was applied to γ-alumina having an average particle diameter of 0.4 μm.
m-α-silicon nitride particles in an amount of 5% by volume, and a ball mill using an alumina ball.
After wet-mixing for hours, the mixture was sufficiently dried, and dry-mixed for further 10 hours to obtain a mixed powder as a raw material powder for the matrix. A sheet of the carbon-based composite fiber obtained by opening the bundle of the carbon-based composite fiber obtained in Reference Example 3 by blowing it into the air and the above-mentioned matrix raw material powder were mixed with boron nitride as a release agent. Alternately laminated in a coated graphite die, in an argon gas atmosphere, at a temperature of 1600 ° C., 75M
By hot pressing with Pa, a carbon-based composite fiber-reinforced ceramic composite material having a matrix of SiC particles / Al 2 O 3 nanocomposite was obtained. The ratio of the carbon-based composite fibers in the composite material was 40% by volume. The bending strength of this composite material was 1.71 GPa at room temperature and 1.82 GPa at 1300 ° C. The fracture toughness value (K 1C ) of the composite material measured by the chevron notch method was 16.4 MPa · m 1/2 .

【0022】実施例3 参考例5で得られたSiC粒/MgOナノ複合材を窒化
ケイ素製ボール及び窒化ケイ素製ポットを使用して、ボ
ールミルによりエタノールと蒸留水の体積比が4:1の
混合溶媒中で30時間粉砕してナノ複合材料のスラリー
を調製した。このスラリーにバインダーとしてポリエチ
レンオキサイドをナノ複合材料に対して10重量%添加
した後、窒化ケイ素製ボールを使用して12時間湿式混
合し、マトリックス原料のスラリーを得た。実施例1に
おけると同様にして炭素系複合繊維の開繊、上記マトリ
ックス原料の炭素系複合繊維への付着、巻き取り、及び
乾燥をして、プリプレグシートを作製した。このプリプ
レグシートを所望の形に切断した後に積層し、ついで脱
脂処理した。この積層体に離型剤として窒化ホウ素を塗
布して、ガラスカプセルに真空封入した後、アルゴンガ
ス中、1850℃の温度、150MPaの圧力で熱間静
水圧プレスを行って、SiC粒/MgOナノ複合材をマ
トリックスとする炭素系複合繊維強化セラミックス複合
材料を得た。この複合材料中の炭素系複合繊維の割合は
45体積%であった。この複合材料の曲げ強度は常温で
1.57GPa、1300℃で1.54GPaであっ
た。シェブロンノッチ法により測定した複合材料の破壊
靱性値(K1C)は19.4MPa・m1/2であっ
た。
Example 3 The SiC particles / MgO nanocomposite obtained in Reference Example 5 was mixed with a ball mill made of silicon nitride and a pot made of silicon nitride at a volume ratio of ethanol to distilled water of 4: 1. A nanocomposite slurry was prepared by grinding in a solvent for 30 hours. After adding 10% by weight of polyethylene oxide as a binder to the nanocomposite material to this slurry, the mixture was wet-mixed for 12 hours using a silicon nitride ball to obtain a matrix material slurry. In the same manner as in Example 1, the prepreg sheet was prepared by opening the carbon-based composite fiber, attaching the matrix material to the carbon-based composite fiber, winding and drying. This prepreg sheet was cut into a desired shape, laminated, and then degreased. This laminate was coated with boron nitride as a mold release agent, vacuum-encapsulated in a glass capsule, and then subjected to hot isostatic pressing at a temperature of 1850 ° C. and a pressure of 150 MPa in argon gas to obtain SiC particles / MgO nanoparticle. A carbon-based composite fiber reinforced ceramic composite material using the composite as a matrix was obtained. The ratio of the carbon-based composite fibers in this composite material was 45% by volume. The bending strength of this composite material was 1.57 GPa at room temperature and 1.54 GPa at 1300 ° C. The fracture toughness value (K 1C ) of the composite material measured by the chevron notch method was 19.4 MPa · m 1/2 .

【0023】実施例4 参考例3で得られた炭素系複合繊維を長さ1〜2mmに
切断してチョップ状繊維にした。このチョップ状繊維を
エタノール中で超音波及びオムニミキサーを併用して分
散させた。分散液に実施例3で調製したマトリックス原
料のスラリーを加えた後、ナイロンボールを使用てボー
ルミルにより5時間湿式混合した。この混合スラリーか
ら濾過法によりチョップ状繊維が均一分散した厚さ1m
mの薄板状プリプレグシートを作製した。このプリプレ
グシートを所望の形に切断した後、離型剤として窒化ホ
ウ素を塗布した黒鉛製ダイス中に積層させ、アルゴンガ
ス雰囲気中、1850℃の温度、75MPaの圧力でホ
ットプレスすることにより、SiC粒/MgOナノ複合
材をマトリックスとする炭素系複合繊維強化セラミック
ス複合材料を得た。複合材料中の炭素系複合繊維の割合
は30体積%であった。この複合材料の曲げ強度は常温
で0.85GPa、1300℃で0.82GPaであっ
た。シェブロンノッチ法により測定した複合材料の破壊
靱性値(K1C)は9.8MPa・m1/2であった。
Example 4 The carbon-based composite fiber obtained in Reference Example 3 was cut into a length of 1 to 2 mm to obtain a chopped fiber. The chopped fibers were dispersed in ethanol by using ultrasonic waves and an omni mixer. After the slurry of the matrix material prepared in Example 3 was added to the dispersion, the mixture was wet-mixed with a ball mill using nylon balls for 5 hours. 1 m thickness of chopped fibers uniformly dispersed by filtration from this mixed slurry
m in the form of a thin prepreg sheet. After cutting the prepreg sheet into a desired shape, the prepreg sheet is laminated in a graphite die coated with boron nitride as a release agent, and hot-pressed in an argon gas atmosphere at a temperature of 1850 ° C. and a pressure of 75 MPa to obtain a SiC. Thus, a carbon-based composite fiber reinforced ceramic composite material having a matrix of particles / MgO nanocomposite was obtained. The ratio of the carbon-based composite fibers in the composite material was 30% by volume. The bending strength of this composite material was 0.85 GPa at room temperature and 0.82 GPa at 1300 ° C. The fracture toughness value (K 1C ) of the composite material measured by the chevron notch method was 9.8 MPa · m 1/2 .

【0024】[0024]

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

【図1】粒内ナノ複合材料のモデルである。FIG. 1 is a model of an intragranular nanocomposite.

【図2】粒界ナノ複合材料のモデルである。FIG. 2 is a model of a grain boundary nanocomposite.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 山田 勇毅 (56)参考文献 特開 平5−105521(JP,A) 特開 平6−92745(JP,A) 特開 平6−87670(JP,A) 特開 平6−87673(JP,A) 特開 平7−149577(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/80 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page Examiner Yuki Yamada (56) References JP-A-5-105521 (JP, A) JP-A-6-92745 (JP, A) JP-A-6-87670 (JP, A) JP-A-6-87673 (JP, A) JP-A-7-149577 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C04B 35/80

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】(1)繊維軸方向に配向した結晶質炭素、
(2)非晶質炭素及び/又は繊維軸方向とは異なる方向
に配向した結晶質炭素、及び(3)ケイ素、炭素及び酸
素からなる含ケイ素成分から構成される炭素系複合繊維
を強化材とし、炭化物粒子及び/又は窒化物粒子でナノ
複合化した酸化物系ナノ複合材をマトリックスとする、
炭素系複合繊維強化セラミックス複合材料。
(1) crystalline carbon oriented in the fiber axis direction,
(2) A carbon-based composite fiber composed of amorphous carbon and / or crystalline carbon oriented in a direction different from the fiber axis direction and (3) a silicon-containing component composed of silicon, carbon and oxygen is used as a reinforcing material. An oxide-based nanocomposite nanocomposited with carbide particles and / or nitride particles is used as a matrix,
Carbon composite fiber reinforced ceramic composite material.
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