JP3042832B2 - 耐熱・耐酸化性炭素材料の製造方法 - Google Patents

耐熱・耐酸化性炭素材料の製造方法

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井 進 中
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐酸化性被覆炭素
材料に関し、さらに詳述すれば宇宙飛行機等の構造材、
タービンブレードおよび原子炉用部材等、高温酸化雰囲
気において繰り返し使用に耐える材料を提供するための
炭素材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】炭素材料は、一般に酸化性雰囲気下では
500℃程度から酸化され、それ自身のもつ優れた物理
的、化学的性質が低下するため、高温大気中での使用は
ごく短時間の場合を除き不可能であった。この現象を防
止するため、従来から炭素材料の耐酸化処理方法につい
て種々の検討がなされてきた。
【0003】それらの方法の中で、化学蒸着法による炭
素材料へのセラミックス被覆は最も一般的な方法の一つ
であり、この方法により緻密な膜を得ることができる。
この方法によれば、SiC、TiC、HfC、TaC等
の炭化物、Si3 4 、TiN、BN、ZrN等の窒化
物、Al2 3 、ZrO2 等の酸化物、その他硼化物等
の被覆を行うことができる。
【0004】一般にこの方法では蒸着温度が1000℃
前後となるため、基材の冷却時に表面のセラミックス被
膜を剥離したり、クラックの発生を引き起こすことが多
い。これは、基材と析出させるセラミックス間の熱膨張
率の差が大きいことが原因であり、基材の膨張率を析出
させるセラミックスと同程度にすることにより解決する
ことができる。
【0005】そこで、基材とセラミックスの接着性を向
上させるため、基材の表面を拡散法によりセラミックス
に転化し、次いで化学蒸着法により被覆する方法がとら
れている。
【0006】被覆セラミックスのうち、炭化珪素、窒化
珪素は、酸化により表面に緻密なSiO2 膜を形成する
ため、耐熱・耐酸化性に優れることから、炭素材料の耐
酸化被覆として広く使用されている。しかし、このよう
な炭化珪素、窒化珪素であっても長時間酸化雰囲気かつ
減圧下に暴露されるとSiO生成による気化が進行し
て、ある程度劣化することから、最外層に酸化物を被覆
する方法が考案されている。特開昭63−307181
号のようにSi(OC2 5 4 (テトラエチルオルソ
シリケート)を基板に加熱浸漬(180℃、4時間)し
たあと空気中で加熱硬化しSiO2 を被覆する方法や特
開平2−106337号、特開平4−285068号の
ように炭化珪素被膜上に珪素を含まない化合物または金
属としてHfC、TaC、ZrC、W2 C、NbC、T
hC、ZrB2 、HfB2 、BN、HfN、ZrN、A
lN、Pt、Ir、Os、Rh、Ruを中間層として被
覆し、最外層にThO2 、ZrO2 、HfO2 、La2
3 、Y2 3 の酸化物を被覆する方法が開示されてい
る。炭化珪素、窒化珪素の保護膜としては酸素透過性が
低く緻密な被膜が得られるSiO2 が好ましいが、熱衝
撃時に炭化珪素、窒化珪素層はクラック内に残留する固
体シリカから大きな圧縮応力を受けるため層の剥離が発
生する問題がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】炭素材料の主耐酸化バ
リアである炭化珪素または窒化珪素層を酸化による劣化
から保護するためにSiO2 を被覆する際、1400℃
以上の熱処理を施すことで熱衝撃に対する耐酸化被膜の
耐剥離性を向上させた耐酸化性炭素材料の製造方法を提
供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、ゾルゲル法で
SiO2 を被覆する際、SiO2 が軟化し始める140
0℃以上で加熱処理することにより、SiO2 膜の緻密
化を可能とし、さらにクラック内に残留する大部分のS
iO2 が表層に放出されるため熱衝撃時に固体シリカか
ら受ける圧縮応力が大幅に軽減されて耐酸化被覆層の剥
離が発生しないことを知見し本発明に至った。
【0009】すなわち、本発明は、拡散法により基材と
なる炭素材料の表面を炭化珪素層に転化したのち、気相
化学蒸着法により炭化珪素層を形成させた炭化珪素被覆
炭素材料に、SiO2 ゾルを塗布したあと不活性雰囲気
下で1400℃以上の熱処理を行うことを特徴とする耐
熱・耐酸化性炭素材料の製造方法を提供する。
【0010】
【発明の実施の形態】以下に本発明をさらに詳細に説明
する。基材となる炭素繊維強化炭素複合材料を構成する
炭素繊維としては、平織り、朱子織り、綾織りなどの二
方向敷布、一方向敷布、三方向敷布、n方向配向材、フ
ェルト、トウ等が用いられ、バインダーとしてはフェノ
ール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂、タール、ピッ
チ等の熱可塑性樹脂を用いることができる。炭素繊維強
化炭素複合材料の製造方法としては、例えば、前記炭素
繊維をバインダーの含浸、塗布などの方法によりプリプ
レグ化し、加圧加熱して成形体とする。この成形体は熱
処理によってバインダーを完全に硬化させ、その後常法
によって焼成し、さらに必要に応じて黒鉛化することに
より炭素繊維強化炭素複合材料とする。その後、用途に
応じて熱硬化性物質、ピッチ類などを含浸、再炭化を行
う含浸法、例えばメタン、プロパンなどの炭化水素ガス
を熱分解して炭素を得るCVD法などにより緻密化を繰
り返し行い、さらに高強度の炭素繊維強化炭素複合材料
とすることができる。
【0011】前記材料への拡散法による炭化珪素被覆と
しては、珪素/炭化珪素/アルミナ=15〜50/25
〜85/3〜25重量%の混合粉末中に前記材料を埋没
させ、1500〜1800℃の加熱処理により上記材料
の表層をSiCに転化させる。反応時間は所望の被覆膜
厚に応じて選択することができる。膜厚は、1μm以上
あればよく、好ましくは10〜200μmがよい。
【0012】CVDによる炭化珪素被覆としては、例え
ば、原料ガスにCH3SiCl3、SiCl 4 +CH4 等、キャ
リアガスにはH2 またはH2 +Arの混合ガス等を用い
て、反応温度900〜1700℃、反応圧力760To
rr以下で前記原料ガスとキャリアガスの流量比が(原
料ガスの流量)/(キャリアガスの流量)=1/100
〜50/100の条件で行うのが好ましい。膜厚は、1
μm以上あればよく、好ましくは10〜300μmがよ
い。
【0013】本発明においては、上記のようにして得ら
れた炭化珪素を被覆した炭素材料に対して耐酸化バリア
としてSiO2 を被覆する。このSiO2 層の形成は、
はじめに一般式Si(OR)4 (Rはアルキル基)で表
されるアルコキシドとH2 Oをアルコール中で加熱混合
してゾル溶液を合成する。H2 Oは珪素アルコキシドに
対しモル比で1(=[H2 O]/[Si])以上添加す
ればよく、好ましくは1〜10がよい。また、加水分解
を促進させるため酸触媒を添加するのが好ましい。本発
明で用いられる珪素アルコキシドとしてはSi(OCH3)4
Si(OC2H5)4、Si(OC3H7)4、Si(OC4H9)4等が挙げられ、酸
触媒としては塩酸、硫酸、硝酸、酢酸等が挙げられる。
アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパ
ノール、ブタノール、メチルセロソルブ、エチルセロソ
ルブ等が挙げられるが、アルコキシド、H2 Oおよび酸
触媒を溶解させるものであればこれらに限定されるもの
ではない。次に合成したゾル溶液を上記の炭化珪素層上
に塗布する。塗布方法は、浸漬、刷毛塗り、スプレー等
により行うことができ、またこれらの方法を組み合わせ
てもよい。塗布したゾルは空気中の水分を利用してゲル
化させ、次いで空気中または酸化性雰囲気中、300℃
以上で加熱処理してゲル層を硬化させる。この塗布操作
を所定の回数だけ繰り返し、最後に不活性雰囲気中で1
400℃以上の温度で、好ましくは1400〜1500
℃の間の温度で熱処理をする。SiO 2 の膜厚は1μm
以上であればよく、好ましくは5〜100μmがよい。
不活性雰囲気としては、窒素、アルゴン、ヘリウムまた
はこれらの混合ガス雰囲気を用いることができる。
【0014】本発明によれば、炭化珪素を被覆した炭素
材料にSiO2 を被覆する際1400℃以上の熱処理を
施すことで炭化珪素層のクラック内に残留するSiO2
量を減少させることができるため、耐酸化被覆層は大気
圏再突入時等の環境下で発生する熱衝撃に対してクラッ
ク内の異物から受ける圧縮応力が著しく軽減され、耐酸
化被覆層の耐剥離性に優れた耐熱・耐酸化炭素材料を得
ることができる。
【0015】
【実施例】炭素繊維織布にフェノール樹脂を染み込ませ
たプリプレグを10枚積層し、圧力1kg/cm2 、1
50℃、60分の条件で加圧加熱成形した後、不活性雰
囲気中、1000℃、60分の条件で焼成し、その後コ
ールタールピッチを用いて緻密化処理を4回行い炭素繊
維強化炭素複合材料を得た。得られた炭素繊維強化炭素
複合材料を所定の寸法に加工したあと、該炭素繊維強化
炭素複合材料を組成比が珪素/炭化珪素/アルミナ=2
5/75/5重量%の混合粉末中に埋没し、不活性雰囲
気下で1700℃、240分拡散反応させ、炭素繊維強
化炭素複合材料の表面を炭化珪素化した。この炭化珪素
の膜厚は、20μmであった。次に、拡散法による炭化
珪素被膜を施した炭素繊維強化炭素複合材料の表面に、
気相化学蒸着法(CVD)により緻密な炭化珪素被覆を
施した。ガス組成は CH3SiCl3/H2 =25/100と
なるようにし、ガス流量3リットル/分、圧力30Tor
r、反応温度1600℃の条件で150分間反応させ
た。この炭化珪素の膜厚は、100μmであった。
【0016】SiO2 ゾルの合成は、組成比がSi(OC
2H5)4/H2 O/エタノール/塩酸=1/4/10/
0.01モル比となるようにSi(OC2H5)4、H2 Oおよび
塩酸をエタノール中で加熱混合し、丸底フラスコ内で5
時間還流して行った。SiO2 ゾルの塗布は前記の供試
体をゾル溶液中に5分間浸漬して行い、取り出し後3時
間以上室内に放置し、次いで空気中で500℃で60分
間加熱硬化を行った。この操作を10回繰り返したあ
と、アルゴン中1400℃または1500℃で30分の
熱処理を行った。
【0017】このようにして得られた耐熱・耐酸化炭素
材料について、大気中で1500℃の熱衝撃試験を行っ
た。加熱方法は、1500℃に加熱した管状炉内に直接
サンプルを挿入し10分間保持する操作を20回繰り返
した。評価は、重量減少と炭化珪素層の剥離を観察する
ことで行った。また、比較として熱処理温度が500
℃、1200℃のサンプルについても同様に試験を行っ
た。結果を表1および図1に示す。なお、重量変化量χ
n は次式により求めた。 χn =(Wn −Wo )/S mg/cm2o :サンプルの初期重量 Wn :熱衝撃試験n回後のサンプル重量 S :サンプルの表面積
【0018】
【0019】
【発明の効果】本発明の製造方法によれば、炭化珪素層
のクラック内に残留するSiO2 量を減少させることが
できるため、熱衝撃に対する炭化珪素層の耐剥離性が著
しく向上した耐熱・耐酸化性炭素材料を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】各熱処理温度のサンプルについて、1500℃
熱衝撃試験の回数と重量変化量との関係を示す図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒 井 昭 仁 岐阜県各務原市川崎町1番地 川崎重工 業株式会社岐阜工場内 (56)参考文献 特開 平7−101790(JP,A) 特開 平7−133173(JP,A) 特開 平8−12477(JP,A) 特開 平8−59377(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 41/89 C04B 41/87

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基材となる炭素繊維強化炭素複合材料(以
    下C/Cと記す)の表面に拡散法により接着層としての
    炭化珪素層を形成し、次いで気相化学蒸着法(以下CV
    Dと記す)により炭化珪素を被覆し、最外層にSiO2
    ゾルを塗布したあと不活性雰囲気下で1400℃以上の
    熱処理を行うことを特徴とする耐熱・耐酸化性炭素材料
    の製造方法。
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