JP3001129B2 - Alumina-based inorganic fiber reinforced ceramic composite - Google Patents

Alumina-based inorganic fiber reinforced ceramic composite

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JP3001129B2
JP3001129B2 JP4113903A JP11390392A JP3001129B2 JP 3001129 B2 JP3001129 B2 JP 3001129B2 JP 4113903 A JP4113903 A JP 4113903A JP 11390392 A JP11390392 A JP 11390392A JP 3001129 B2 JP3001129 B2 JP 3001129B2
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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 the K 1c of ordinary monolithic silicon nitride, which is about 6 MPa · m 1/2 .

【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、アルミナ系無機繊維
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、
アルミナ系無機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 use an alumina-based inorganic fiber as a reinforcing material and an oxide-based nanocomposite nanocomposited with carbide particles and / or nitride particles as a matrix.
This is achieved by an alumina-based inorganic fiber reinforced ceramic composite material.

【0006】本発明におけるアルミナ系無機繊維は、
(1)アルミニウム及び酸素、場合によりこれらの元素
とケイ素、ホウ素及びジルコニウムから選択される少な
くとも1種の元素からなる非晶質物質、(2)Al
結晶質微粒子、又はAl結晶質微粒子とSiO
、B及びZrOから選択される少なくとも1
種の結晶質微粒子あるいは非晶質物質との集合体、又は
(3)上記(1)の非晶質物質と上記(2)の集合体と
の混合物で構成される。このようなアルミナ系無機繊維
は、例えば、米国3M社、米国Du Pont社、住友
化学工業株式会社あるいは三井鉱山株式会社からアルミ
ナ系繊維として市販されている。
The alumina-based inorganic fibers in the present invention are:
(1) an amorphous substance comprising aluminum and oxygen, and optionally these elements and at least one element selected from silicon, boron and zirconium, (2) Al 2 O
3 crystalline particles, or Al 2 O 3 crystalline particles and SiO
2 , at least one selected from B 2 O 3 and ZrO 2
It is composed of an aggregate of seed crystalline particles or an amorphous substance, or (3) a mixture of the amorphous substance of (1) and the aggregate of (2). Such alumina-based inorganic fibers are commercially available as alumina-based fibers from, for example, 3M USA, Du Pont USA, Sumitomo Chemical Co., Ltd. or Mitsui Mining Co., Ltd.

【0007】アルミナ系無機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 alumina-based inorganic fiber is not particularly limited, and may be chopped fiber, plain woven, satin woven, multiaxial woven, three-dimensional woven or nonwoven woven from continuous fiber. May be arranged in one direction.

【0008】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。
[0008] 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).

【0009】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。
[0009] Specific examples of the oxide-based ceramics serving as a matrix in the oxide-based nanocomposite include 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.

【0010】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。
[0010] 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.

【0011】本発明のアルミナ系繊維強化セラミックス
複合材料は、アルミナ系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。アルミナ系繊維がチョ
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。アルミ
ナ系繊維が長繊維、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、本発明のアルミナ系繊維強化セラミック
ス複合材料を得ることができる。複合材料におけるアル
ミナ系繊維の割合は、通常、1〜70体積%である。
The alumina-based fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention can be prepared by blending and sintering an alumina-based fiber and an oxide-based nanocomposite according to a method known per se. When the alumina-based 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 alumina-based fiber is a long fiber, a woven fabric, a non-woven fabric or a sheet-like material, a laminate is prepared by alternately laminating layers composed of these and layers composed of powder of the oxide-based nanocomposite. Next, the alumina-fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention can be obtained by heating and sintering the above-mentioned mixture or laminate after shaping it into a desired shape or simultaneously with the shaping. The ratio of the alumina-based fiber in the composite material is usually 1 to 70% by volume.

【0012】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、400〜2100℃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アルミナ系
繊維の分解が起こるようになる。
As a method for forming the above-mentioned mixture or 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 heating sintering temperature is usually 400 to 2100 ° C. If the heat sintering temperature is too low, the oxide nanocomposite as the matrix will not be sufficiently sintered, and if the temperature is too high, the alumina-based fibers will be decomposed.

【0013】焼結温度を低下させるために、焼結バイン
ダーとして焼結後にセラミックス化してマトリックス成
分の一つになりうる有機金属重合体を使用することもで
きる。このような有機金属重合体は、例えば、「Ma
t.Res.Soc.Symp.Proc.」第73巻
801〜808ページ(1986年)、「Advanc
es in Ceramics」第21巻121〜12
9ページ(1987年)に開示されている方法に従って
調製することができる。有機金属重合体の具体例とし
は、アルミニウムアルコキシドの重合体、マグネシウム
アルコキシドの重合体、アルミニウムアルコキシドとシ
リコンアルコキシドの共重合体を挙げることができる。
In order to lower the sintering temperature, an organometallic polymer which can be converted into a ceramic after sintering to become one of the matrix components can be used as a sintering binder. Such organometallic polymers include, for example, “Ma
t. Res. Soc. Symp. Proc. 73, pages 801-808 (1986), "Advanc
es in Ceramics, Vol. 21, 121-12
It can be prepared according to the method disclosed on page 9 (1987). Specific examples of the organometallic polymer include a polymer of aluminum alkoxide, a polymer of magnesium alkoxide, and a copolymer of aluminum alkoxide and silicon alkoxide.

【0014】本発明のアルミナ系無機繊維強化セラミッ
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アルミナ系無機繊維との複合化が
同時に、あるいは逐次的に起こり、本発明のアルミナ系
無機繊維強化セラミックス複合材料が調製される。
As another method for preparing the alumina-based inorganic 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 alumina-based inorganic fiber occur simultaneously or sequentially, and the alumina-based inorganic 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 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。
Examples of the present invention will be described below. Reference Example 1 0.3 μm average particle diameter on 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, K 1c was 5 MPa · m 1/2 , and the maximum operating temperature was 1200 ° C.

【0016】参考例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10体積%添加し、アルミナ
ボール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時間湿式混合した後、充分乾燥させ、さらに1
2時間乾式混合を行った。混合粉末を窒素ガス雰囲気中
で1600℃の温度、30MPaの圧力で黒鉛製ダイス
中でホットプレスすることによって、窒化ケイ素粒子で
強化したアルミナ系ナノ複合材(Si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0.85GPa、最高使用温度は1300℃で
あった。
Reference Example 2 An average particle size of 0.3 μm was added to γ-alumina having an average particle size of 0.4 μm.
m-α-silicon nitride particles were added at 10% by volume, and the mixture was wet-mixed in ethanol using a ball mill for 12 hours in a ball mill using alumina balls.
Dry mixing was performed for 2 hours. Alumina-based nanocomposite (Si 3 N 4 grains / Al 2) reinforced with silicon nitride particles by hot pressing the mixed powder in a graphite die at a temperature of 1600 ° C. and a pressure of 30 MPa in a nitrogen gas atmosphere.
O 3 nanocomposite). The bending strength at room temperature of this nanocomposite was 0.85 GPa, and the maximum use temperature was 1300 ° C.

【0017】参考例3 アルミニウムイソプロポキシドのベンゼン溶液に水/メ
タノール混合系(水:メタノール=3:1)を添加し、
pH6.5、室温で20時間攪拌し加水分解を行った。
生成した沈澱物を濾過し、焼結バインダーとなる湿潤ゲ
ルを得た。
REFERENCE EXAMPLE 3 A water / methanol mixed system (water: methanol = 3: 1) was added to a benzene solution of aluminum isopropoxide.
The mixture was stirred at pH 6.5 and room temperature for 20 hours to perform hydrolysis.
The resulting precipitate was filtered to obtain a wet gel serving as a sintered binder.

【0018】実施例1 参考例1で得られたSiC粒/Alナノ複合材料
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
複合材のスラリーを得た。このスラリーに参考例3で得
られた焼結バインダーをナノ複合材料粉末に対して15
重量%添加した後、窒化ケイ素ボールを使用して4時間
湿式混合し、マトリックス原料のスラリーを得た。住友
化学工業(株)製のアルミナ系繊維(ALTEX)の束
に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、各アルミナ系繊維の周り
にマトリックスの粉末を付着させた。マトリックスの粉
末を付着させたアルミナ系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、1200℃の温度、75M
Pa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無機繊維強化セラミッ
クス複合材料を得た。複合材料中のアルミナ系繊維の割
合は40体積%であった。この複合材料の曲げ強度は常
温で1.52GPa、1300℃で1.46GPaであ
った。シェプ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19.8MPa・m1/2であっ
た。
Example 1 The nanocomposite of the SiC particles / Al 2 O 3 nanocomposite obtained in Reference Example 1 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. This slurry was mixed with the sintered binder obtained in Reference Example 3 for 15 times with respect to the nanocomposite material powder.
After the addition by weight, the mixture was wet-mixed for 4 hours using silicon nitride balls to obtain a slurry of the matrix material. After a bundle of alumina-based fibers (ALTEX) manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. was opened by air blowing, the bundle was immersed in the slurry of the matrix material described above, and a matrix powder was attached around each of the alumina-based fibers. . The bundle of alumina fibers to which the matrix powder was adhered was wound around a square drum, and then sufficiently dried to produce a 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 mold release agent.
Hot press at a pressure of Pa to obtain SiC particles / Al 2 O 3
An inorganic fiber reinforced ceramics composite material with a nanocomposite matrix was obtained. The ratio of the alumina-based fibers in the composite material was 40% by volume. The bending strength of this composite material was 1.52 GPa at room temperature and 1.46 GPa at 1300 ° C. The fracture toughness value (K 1c ) of the composite material measured by the Sheplon notch method was 19.8 MPa · m 1/2 .

【0019】実施例2 三井鉱山(株)製のアルミナ系繊維(ALMAX)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とオムニミキサー
を併用して分散させた。分散液に実施例1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
を使用してボールミルによりエタノール中で4時間湿式
混合した。アルミナ系繊維とマトリックスとの割合は体
積比で3:7となるようにした。上記の混合スラリーか
らエタノール及び水を蒸発させ、アルミナ系繊維とマト
リックスとの混合粉末を得た。この混合粉末を、離型剤
として窒化ホウ素を塗布した黒鉛ダイス中に入れ、アル
ゴン雰囲気中、1400℃の温度、75MPaの圧力で
ホットプレスして、SiC粒/Alナノ複合材料
をマトリックスとする無機繊維強化セラミックス複合材
料を得た。複合材料中のアルミナ系繊維の割合は30体
積%であった。この複合材料の曲げ強度は常温で1.4
8GPa、1300℃で1.28GPa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9.2MPa・m1/2であった。
Example 2 Alumina-based fibers (ALMAX) manufactured by Mitsui Mining Co., Ltd. were cut into lengths of 1 to 2 mm into chopped fibers. The chopped fibers were dispersed in ethanol using ultrasonic waves and an omni mixer. After the slurry of the matrix material prepared in Example 1 was added to the dispersion, the mixture was wet-mixed in ethanol by a ball mill using nylon balls for 4 hours. The ratio of the alumina-based fiber to the matrix was set to be 3: 7 by volume. Ethanol and water were evaporated from the mixed slurry to obtain a mixed powder of an alumina-based fiber and a matrix. This mixed powder is placed in a graphite die coated with boron nitride as a release agent, and hot-pressed in an argon atmosphere at a temperature of 1400 ° C. and a pressure of 75 MPa to convert the SiC particles / Al 2 O 3 nanocomposite into a matrix. An inorganic fiber reinforced ceramic composite material was obtained. The ratio of the alumina-based fibers in the composite material was 30% by volume. The bending strength of this composite material is 1.4 at room temperature.
It was 1.28 GPa at 8300 and 1300 ° C. The fracture toughness value (K 1c ) of the composite material measured by the chevron notch method was 9.2 MPa · m 1/2 .

【0020】実施例3 参考例2で得られたSi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
ノ複合材のスラリーを得た。このスラリーに参考例3で
得られた焼結バインダーをナノ複合材料粉末に対して1
5重量%添加した後、窒化ケイ素ボールを使用して4時
間湿式混合し、マトリックス原料のスラリーを得た。米
国3M社製のアルミナ系繊維(NEXTEL)の束に空
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、各アルミナ系繊維の周りにマ
トリックスの粉末を付着させた。マトリックスの粉末を
付着させたアルミナ系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、1000℃の温度、50MPaの
圧力でホットプレスして、仮焼結体を得た。この仮焼結
体に離型剤として窒化ホウ素を塗布し、ガラスカプセル
に真空封入した後、アルゴンガス中、1200℃の温
度、140MPaの圧力で、熱間静水圧プレスして、S
粒/Alナノ複合材をマトリックスとす
る無機繊維強化セラミックス複合材料を得た。複合材料
中のアルミナ系繊維の割合は45体積%であった。この
複合材料の曲げ強度は常温で1.27GPa、1300
℃で1.23GPa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20.6
MPa・m1/2であった。
Example 3 The Si 3 N 4 particles / Al 2 O 3 nanocomposite obtained in Reference Example 2 was ground in a ball mill for 30 hours in distilled water using a silicon nitride ball and a silicon nitride pot. Thus, a nanocomposite slurry was obtained. The sintered binder obtained in Reference Example 3 was added to this slurry in one part per nanocomposite powder.
After the addition of 5% by weight, wet mixing was performed for 4 hours using silicon nitride balls to obtain a slurry of the matrix material. A bundle of alumina-based fibers (NEXTEL) manufactured by 3M in the United States was opened by air blowing, and then immersed in the above-mentioned slurry of the matrix raw material to adhere a matrix powder around each alumina-based fiber. The bundle of alumina fibers to which the matrix powder was adhered was wound around a square drum, and then sufficiently dried to produce a prepreg sheet. After cutting this prepreg sheet into a desired shape, it 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 1000 ° C. and a pressure of 50 MPa, and temporarily sintered. I got a body. After applying boron nitride as a mold release agent to this pre-sintered body and vacuum-encapsulating it in a glass capsule, hot isostatic pressing was performed at a temperature of 1200 ° C. and a pressure of 140 MPa in argon gas to obtain S
An inorganic fiber reinforced ceramic composite material using i 3 N 4 particles / Al 2 O 3 nanocomposite as a matrix was obtained. The ratio of the alumina-based fibers in the composite material was 45% by volume. The flexural strength of this composite material is 1.27 GPa at room temperature, 1300
It was 1.23 GPa at ° C. The fracture toughness value (K 1c ) of the composite material measured by the chevron notch method was 20.6
MPa · m 1/2 .

【0021】[0021]

【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6−87671(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/80 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page Examiner Yuki Yamada (56) References JP-A-6-87671 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C04B 35/80

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】アルミナ系無機繊維を強化材とし、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、アルミナ系無機繊維強
化セラミックス複合材料。
An alumina-based inorganic fiber reinforced ceramic composite material comprising an alumina-based inorganic fiber as a reinforcing material and an oxide-based nanocomposite nanocomposited with carbide particles and / or nitride particles as a matrix.
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