JP3050959B2 - 超高強度耐熱性炭化ケイ素系繊維とその製造方法 - Google Patents

超高強度耐熱性炭化ケイ素系繊維とその製造方法

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JP3050959B2
JP3050959B2 JP03224056A JP22405691A JP3050959B2 JP 3050959 B2 JP3050959 B2 JP 3050959B2 JP 03224056 A JP03224056 A JP 03224056A JP 22405691 A JP22405691 A JP 22405691A JP 3050959 B2 JP3050959 B2 JP 3050959B2
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昇 笠井
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雅樹 杉本
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、有機ケイ素系化合物を
紡糸した繊維を前駆体(プリカーサー)とする超高強度耐
熱性炭化ケイ素系繊維とその製造方法に関するものであ
り、さらに詳しくは該前駆体にできる限り損傷を与えな
い方法で不融化処理することによって得られる、5GP
a(500kg/mm2)以上の高い強度と熱分解温度が18
00K以上の耐熱性とを有する超高強度耐熱性炭化ケイ
素系繊維と、該炭化ケイ素系繊維を電離性放射線を照射
して製造する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在、実用に供されている炭化ケイ素繊
維は、ポリカルボシラン及びポリチタノカルボシランの
繊維を前駆体として、熱酸化により不融化処理を行い、
その後不活性ガス中で焼成して製造されている。このよ
うな繊維には、炭化ケイ素繊維(商品名:ニカロン)及び
チタン含有炭化ケイ素繊維(商品名:チラノ繊維)があ
る。
【0003】これらの繊維は不融化処理の際に多量の酸
素が導入される。ニカロンでは、酸素が約10重量%、
チラノ繊維では約18重量%の酸素を含有している。こ
の含有酸素のために、ニカロン、チラノ繊維ともに15
00Kを越えると熱分解を起こし、強度が急激に低下し
てくる。熱分解以下の温度での最大強度はニカロンで3
GPa、チラノ繊維で3.5GPaと報告されている。
【0004】一方、耐熱性を向上させるために、不融化
処理を電離性放射線を用いて行い酸素含有量を低減さ
せ、熱分解温度を1800K以上に向上させる試みがな
されている。このような方法によって製造された炭化ケ
イ素繊維は、1800Kで熱処理した後でも2.5GPa
の破断強度が保持される。
【0005】また、アセチレン等の反応性ガス中で放射
線を照射して、不融化処理に必要な照射線量を低減する
技術も開発されている。この技術は、放射線架橋の効率
を上げることを特徴とするものである。
【0006】この放射線不融化処理の技術を利用して炭
化ケイ素繊維の強度を向上させる方法として、放射線酸
化で不融化処理する技術が開発されている。これによれ
ば、最大5GPaの破断強度を有する炭化ケイ素繊維が
得られる。しかしながら、この方法では繊維内に酸素が
導入されるために、耐熱性は熱酸化による不融化処理で
得られる炭化ケイ素繊維と同程度か又はこれを多少上回
るものでしかない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記問題点に鑑み、本
発明は高強度と耐熱性とを共に有する炭化ケイ素系繊維
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】上述の熱酸化又は放射線
照射によって前駆体を不融化処理してセラミック化する
方法では、不融化の際に前駆体に大きな損傷を与えると
考えられている。特に、その繊維表面層に欠陥やクラッ
クを生じさせていると推定される。
【0009】本発明者らは、不融化処理の過程において
前駆体にそのような表面層の欠陥を少なくし、且つ酸素
の導入を無くする方法を目指して鋭意研究し、本発明に
到達したものである。
【0010】すなわち本発明の炭化ケイ素系繊維は、2
〜15容量%のアセチレンガスと残部がヘリウムガスの
混合気流中で有機ケイ素系化合物の繊維から成る前駆体
に電離性放射線を照射して不融化処理をした後、不活性
ガス中で焼成して得られた、1800K以上の分解温
度、5GPa以上の破断強度及び30GPa以上の弾性率
を有する超高強度耐熱性炭化ケイ素系繊維であることを
特徴とする。
【0011】また、本発明の超高強度耐熱性炭化ケイ素
系繊維は、2〜15容量%のアセチレンガスと残部がヘ
リウムガスの混合気流中で有機ケイ素系化合物の繊維か
ら成る前駆体に電離性放射線を照射して不融化処理をし
た後、不活性ガス中で焼成する方法により製造される。
【0012】本発明において使用される前駆体としての
有機ケイ素系化合物とは、炭素−ケイ素結合を有する高
分子化合物をいい、例えばポリカルボシラン若しくはポ
リカルボシラン系化合物、又はポリメチルシラン系化合
物等を用いることができる。ポリカルボシラン系化合物
には、例えばポリチタノカルボシラン等がある。また、
ポリメチルシラン系化合物には、例えばポリシラン等が
ある。前駆体は、有機ケイ素系化合物を繊維の形態とし
て用い、ステープルファイバーのような短繊維または連
続フィラメントのような長繊維の形態のいずれも使用で
きる。
【0013】本発明では、電離性放射線の照射は不活性
ガスとしてのヘリウムの気流中に反応性ガスとしてのア
セチレンを添加した状態で行い、前駆体の放射線架橋が
促進されると共に、その表面層にアセチレンが反応し
て、欠陥やクラックが修復される。すなわちアセチレン
ガスは、繊維表面で反応して前駆体の高分子間に架橋を
生じさせるために、比較的少ない照射線量で不融化処理
ができ、且つ表面層及び内部に生じる欠陥部を低減する
ことができる。
【0014】本発明でいう反応性ガスとは、電離性放射
線の照射によって前駆体の表面に高分子の架橋を形成す
るものをいい、特に、アセチレンを用いる。
【0015】一方、不活性ガスは、電離性放射線の照射
及び反応に伴う繊維の発熱を熱伝導によって冷却させる
と共に、反応性ガスを希釈することでその単独重合や不
均一重合を抑制する働きがある。本発明において使用さ
れる不活性ガスはヘリウムである。
【0016】電離性放射線の照射時には、アセチレンと
ヘリウムの混合ガスを流通させる。混合ガス中のアセチ
レンの容量比は2〜15%の範囲とする。アセチレンが
2%未満の場合、有機ケイ素系化合物の繊維とのラジカ
ル反応が不十分となり、一方、15%よりも多いと放射
線によるアセチレンの単独重合が生じてしまう。
【0017】本発明において用いられる電離性放射線に
は、α線、β線、γ線、X線、加速電子線又は紫外線等
がある。実用的にはγ線又は加速電子線を用いることが
有利である。電離性放射線の照射線量は10kGy〜10
MGyの範囲であることが、前駆体不融化及びアセチレ
ンによる架橋反応を効率的に行う観点から好ましく、特
に0.3MGy〜3MGyであることが好ましい。
【0018】電離性放射線の照射による不融化処理の後
に、不活性ガス中で焼成を行う。焼成に用いられる不活
性ガスには、例えばアルゴン、ヘリウム、窒素等があ
る。焼成温度は使用する前駆体の種類によって異なる
が、一般に800Kから1800Kの範囲である。
【0019】このようにして得られた本発明の炭化ケイ
素系繊維は、分解温度1800K以上を有し、しかも破
断強度が5GPa以上、弾性率が30GPa以上を有する
超高強度耐熱性繊維である。
【0020】以下、本発明を実施例によってさらに詳細
に説明する。
【0021】
【実施例】実施例1 溶融紡糸して得られたポリカルボシラン繊維(繊維径2
0μm)を前駆体として用いた。この繊維をガラス製の照
射容器に入れ、容器内を真空排気した後、12容量%の
アセチレンガスを混合したヘリウムガスをこの容器内に
流通させながら2MeVの電子線を照射した。線量率は
1kGy/sであり、照射線量は2MGy及び4MGyであっ
た。次いで、アルゴンガス流通下で温度1400Kで1
時間焼成して炭化ケイ素繊維を得た。
【0022】このようにして得られた炭化ケイ素繊維を
室温にて引張試験を行いその弾性率と破断強度を測定し
た。その結果、線量が2MGyのときの弾性率は250
GPa、破断強度は5.6GPaであり、線量が4MGyの
ときの弾性率は310GPa、破断強度は6.7GPaで
あった。また、この繊維の分解温度は1800Kであっ
た。
【0023】実施例2 実施例1と同じポリカルボシラン繊維と電子線照射装置
とを用いて炭化ケイ素繊維を製造した。混合ガスは、ア
セチレンガスを6容量%混合したヘリウムガスであっ
た。電子線を4MGy照射した後、アルゴンガス流通下
で温度1800Kで1時間焼成して、炭化ケイ素繊維を
得た。
【0024】このようにして得られた炭化ケイ素繊維を
室温にて引張試験を行いその弾性率と破断強度を測定し
た。その結果、弾性率は350GPa、破断強度は5.0
GPaであった。また、この繊維の分解温度は1800
Kであった。
【0025】比較例 実施例1と同じポリカルボシラン繊維と電子線照射装置
とを用いて炭化ケイ素繊維を製造した。アセチレンを8
容量%混合したヘリウム気流中で温度2000Kで1時
間焼成して炭化ケイ素繊維を得た。
【0026】このようにして得られた炭化ケイ素繊維に
ついて室温にて引張試験を行い、その弾性率と破断強度
を測定した。その結果、弾性率は250GPa、破断強
度は1.5GPaであった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉本 雅樹 奈良県大和郡山市美濃庄町4−4 (72)発明者 三橋 剛 大阪府富田林市藤沢台1−3−303−203 (56)参考文献 特開 昭53−103025(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) D01F 9/10

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2〜15容量%のアセチレンガスと残部
    がヘリウムガスの混合気流中で有機ケイ素系化合物の繊
    維から成る前駆体に電離性放射線を照射して不融化処理
    をした後、不活性ガス中で焼成して得られた、1800
    K以上の分解温度、5GPa以上の破断強度及び30G
    Pa以上の弾性率を有する超高強度耐熱性炭化ケイ素系
    繊維。
  2. 【請求項2】 有機ケイ素系化合物が、ポリカルボシラ
    ン若しくはポリカルボシラン系化合物、又はポリメチル
    シラン系化合物である請求項1に記載の炭化ケイ素系繊
    維。
  3. 【請求項3】 2〜15容量%のアセチレンガスと残部
    がヘリウムガスの混合気流中で有機ケイ素系化合物の繊
    維から成る前駆体に電離性放射線を照射して不融化処理
    をした後、不活性ガス中で焼成することから成る超高強
    度耐熱性炭化ケイ素系繊維の製造方法。
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