JP3216332B2

JP3216332B2 - 繊維強化チタン酸アルミニウム焼結体及びその製造方法

Info

Publication number: JP3216332B2
Application number: JP14985293A
Authority: JP
Inventors: 省伍鈴木
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1993-05-31
Filing date: 1993-05-31
Publication date: 2001-10-09
Anticipated expiration: 2016-10-09
Also published as: JPH06345531A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高強度を有する繊維
強化チタン酸アルミニウム焼結体及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ディーゼルエンジン等のエンジン
に設けられた燃焼室、排気ポート等を作製するのに用い
られる材料は、耐熱合金が使用されているが、燃焼室、
排気ポート等は高温領域となり、その領域での使用のた
め、その寿命に限界があり、燃焼室、排気ポート等の材
料として課題を有しているのが現状である。近年、これ
らのエンジン部品の作製に耐熱性の優れるセラミックス
で作製することが試みられている。そして、このような
エンジン部品を作製するセラミックスとしては、窒化ケ
イ素Ｓｉ₃Ｎ₄が大半である。窒化ケイ素は、強度が高
く、熱膨張係数が低いため、燃焼室を作製するのにはそ
の点で適しているが、熱伝導率が２５Ｗ／ｍＫ程度で比
較的に大きいということから、燃焼室を遮熱構造に構成
するには好ましくないものである。

【０００３】これに対して、チタン酸アルミニウムは、
熱伝導率が２Ｗ／ｍＫと低く、熱膨張係数が１×１０
^{- 6}／℃程度と低い特性を有していることから、これら
の特性を活かして、チタン酸アルミニウムはエンジン部
品等では高温部で且つ熱衝撃の大きい部分に使用されて
いる。しかしながら、チタン酸アルミニウムの機械的強
度は、３０ＭＰａ程度であり、その強度はエンジン部品
に利用された場合に不十分なものであった。そこで、チ
タン酸アルミニウムの強度を上げるため、種々の添加物
を加え、その熱伝導率及び熱膨張係数を抑えつつ材料を
製造し、例えば、エンジンの排気ポート、燃焼室等に使
用されてきた。その理由は、遮熱型エンジン等を作製す
る場合に、チタン酸アルミニウム材料は熱膨張係数及び
熱伝導率が小さいためである。このような添加剤を加え
るものとして、特開昭５５−６２８４０号公報或いは特
開昭５２−２３１１３号公報に開示されたものがある。

【０００４】例えば、特開昭５５−６２８４０号公報に
開示された低熱膨張セラミック材料は、ジルコンとアル
カリ土金属酸化物の合計が２〜２０ｗｔ％、残部がアル
ミニウムチタネイトなる組成で、上記ジルコンとアルカ
リ土金属酸化物の割合は重量比でジルコン１００に対し
てアルカリ土金属酸化物が５〜５０の割合である。

【０００５】また、特開昭５２−２３１１３号公報に開
示された低熱膨張セラミックスは、チタン酸アルミニウ
ムに対してケイ素、ジルコニウムの少なくとも一種を、
ＳｉＯ₂，ＺｒＯ₂に換算して０．０５〜１０．０ｗｔ
％含有している。

【０００６】また、特開平４−３４９１６７号公報に
は、高強度低熱膨張セラミック材料及びその製造方法が
開示されている。該高強度低熱膨張セラミック材料は、
チタン酸アルミニウムに添加物質として炭化ケイ素繊維
とリチウムアルミノシリケイトを添加したものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
低熱膨張セラミックスは、それらの強度が４０ＭＰａ以
下のものが多く、その強度ではエンジン部品等の機械的
応力が働く部分での使用は不十分であり、低熱膨張セラ
ミックスに対して一層の強度が要求されているのが現状
である。

【０００８】ところで、チタン酸アルミニウムＡｌ₂Ｔ
ｉＯ₅は３方向の結晶軸の熱膨張係数が大きく異なって
おり、ａ軸及びｂ軸はプラスの熱膨張係数であるが、ｃ
軸はマイナスの熱膨張係数を有し、熱膨張係数の異方性
が大きい特性を有している。従って、チタン酸アルミニ
ウムは、焼成後の冷却過程で、粒径が２〜３μｍ以上に
なると、粒界、粒内にマイクロクラックが発生する。こ
れらのマイクロクラックが熱膨張を吸収し、熱膨張係数
が１×１０^{- 6}／℃前後に低くなる。しかしながら、チ
タン酸アルミニウムは、マイクロクラック即ち微細な亀
裂を有するため、機械的強度が低下するという特性を有
し、その強度は３０〜３５ＭＰａと低いものである。ま
た、チタン酸アルミニウムの融点は１８６０℃と高い
が、８００℃〜１３００℃ではルチルＴｉＯ₂とコラン
ダムＡｌ₂Ｏ₃とに分解するという分解性を有してい
る。

【０００９】そこで、チタン酸アルミニウムについて
は、熱膨張係数が低く、耐熱衝撃性に優れるが、強度が
低いため、エンジン等の構造用部品として使用するに
は、チタン酸アルミニウム部材の外側を金属部材で鋳包
む等の工夫が必要であった。ところが、チタン酸アルミ
ニウム部材を金属部材で鋳包む際に、金属収縮で発生す
る応力集中によるチタン酸アルミニウムの破壊が起こる
こともあり、構造用部品として使用が限られていた。

【００１０】また、チタン酸アルミニウムの強度を改善
するため、添加物、例えば、酸化ケイ素等を添加する等
の方法が開発されているが、それらの強度は４０ＭＰａ
程度であり、構造用部品として使用するにはまだ不十分
である。また、チタン酸アルミニウムに対して繊維強化
等が考えられるが、繊維の熱膨張係数が２〜３×１０
^{- 6}／℃であり、チタン酸アルミニウムをマトリックス
とした場合には、熱膨張差が大きくなり、繊維強化の理
想差である１×１０^{- 6}／℃以下にならず、そのため、
チタン酸アルミニウムの強度を十分に強化できないとい
う問題がある。

【００１１】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、チタン酸アルミニウムを繊維で強
化するに当たって、チタン酸アルミニウムと熱膨張係数
のマッチングが良好であるムライトでチタン酸アルミニ
ウムの粒界を強化し、それをマトリックスとして使用
し、そのマトリックスを繊維で強化し、低熱伝導で高強
度を有する焼結体を得る繊維強化チタン酸アルミニウム
焼結体及びその製造方法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、炭化ケイ素繊維又はＴｉ−Ｓｉ−Ｃ元素よ
り成る繊維と、マトリックスとしてムライトで粒界を強
化したチタン酸アルミニウムとから成ることを特徴とす
る繊維強化チタン酸アルミニウム焼結体に関する。

【００１３】また、この繊維強化チタン酸アルミニウム
焼結体において、ムライトの添加量を５〜３０％とした
ものである。

【００１４】或いは、この発明は、ムライト粉とチタン
酸アルミニウム粉に、水と分散剤を添加して粉砕混合し
てスラリーを作製し、そのスラリーに炭化ケイ素又はＴ
ｉ−Ｓｉ−Ｃ元素から作製した繊維シートを浸漬し、そ
の繊維シートを半乾燥させて積層して積層体を作製し、
その積層体を乾燥させた後、乾燥した積層体を焼成して
焼結体を作製したことを特徴とする繊維強化チタン酸ア
ルミニウム焼結体の製造方法に関する。

【００１５】又は、この発明は、ムライト粉と、酸化チ
タンと酸化アルミニウム粉との合成粉とに、水と分散剤
を添加して粉砕混合してスラリーを作製し、そのスラリ
ーに炭化ケイ素又はＴｉ−Ｓｉ−Ｃ元素から作製した繊
維シートを浸漬し、その繊維シートを半乾燥させて積層
して積層体を作製し、その積層体を乾燥させた後、乾燥
した積層体を焼成し、焼成中に前記合成粉をチタン酸ア
ルミニウムに合成して焼結体を作製したことを特徴とす
る繊維強化チタン酸アルミニウム焼結体の製造方法に関
する。

【００１６】

【作用】この発明による繊維強化チタン酸アルミニウム
焼結体及びその製造方法は、上記のように構成されてお
り、次のように作用する。即ち、この繊維強化チタン酸
アルミニウム焼結体は、炭化ケイ素繊維又はＴｉ−Ｓｉ
−Ｃ元素より成る繊維と、マトリックスとしてムライト
で粒界を強化したチタン酸アルミニウムとから成るの
で、チタン酸アルミニウムとムライトとは熱膨張係数の
マッチングが良好であり、それをマトリックスとして使
用した場合に、熱膨張係数は２．８×１０^-6／℃程度
であるが、ムライトの添加量を５〜３０％に調整するこ
とによって熱膨張差を小さくでき、強度を高強度にさせ
ると共に、熱膨張係数を低減させることができる。

【００１７】また、この繊維強化チタン酸アルミニウム
焼結体の製造方法は、ムライト粉とチタン酸アルミニウ
ム粉又はムライト粉と酸化チタンと酸化アルミニウムと
の合成粉から成るスラリーに、炭化ケイ素又はＴｉ−Ｓ
ｉ−Ｃ元素より成る繊維シートを浸漬し、その繊維シー
トの積層体を乾燥して焼成したので、マトリックスに比
較して繊維の方が熱膨張係数が若干大きくなり、熱膨張
差を１×１０^{- 6}／℃程度にコントロールでき、安定し
た高強度で且つ低熱伝導の繊維強化チタン酸アルミニウ
ム焼結体を得ることができる。

【００１８】

【実施例】以下、この発明による繊維強化チタン酸アル
ミニウム焼結体及びその製造方法の実施例を説明する。
この繊維強化チタン酸アルミニウム焼結体及びその製造
方法は、従来のチタン酸アルミニウムの強度を繊維を使
用することで強化し、エンジン等の構造用セラミックス
として適用可能にしたものである。

【００１９】この繊維強化チタン酸アルミニウム焼結体
で使用できるチタン酸アルミニウムは、チタン酸アルミ
ニウム合成粉を使用するか、又は、例えば、ルチルタイ
プの酸化チタンＴｉＯ₂と、酸化ナトリウムＮａ₂Ｏと
して０．１ｗｔ％以下を含有している酸化アルミニウム
Ａｌ₂Ｏ₃とから合成されたチタン酸アルミニウムを使
用できるものである。特に、この繊維強化チタン酸アル
ミニウム焼結体については、炭化ケイ素ＳｉＣの繊維又
はＴｉ−Ｓｉ−Ｃ元素より成る繊維と、マトリックスと
してムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）で粒界を強
化したチタン酸アルミニウム（Ａｌ₂ＴｉＯ₅）とから
構成されているものである。

【００２０】図２は、チタン酸アルミニウムへのムライ
トの添加量（ｗｔ％）に対する熱膨張係数（×１０^{- 6}
／℃）と曲げ強度（ＭＰａ）との関係を示すグラフであ
る。このグラフの測定値では、曲げ強度は繊維方向に直
交する方向に対して測定されている。チタン酸アルミニ
ウムの粒界を強化するムライトの添加量を５％以下にす
ると、チタン酸アルミニウムの強度をアップさせる効果
が小さくなる。また、ムライトの添加量を３０％以上に
すると、熱膨張係数が大きくなり過ぎ、マトリックスと
炭化ケイ素繊維又はＴｉ−Ｓｉ−Ｃ繊維との熱膨張差が
大きくなり、繊維強化の効果が小さくなる。従って、こ
の発明による繊維強化チタン酸アルミニウム焼結体で
は、チタン酸アルミニウムへのムライトの添加量を５〜
３０％の範囲にコントロールされている。

【００２１】次に、この発明による繊維強化チタン酸ア
ルミニウム焼結体の製造方法について説明する。この繊
維強化チタン酸アルミニウム焼結体の製造方法は、主と
して、ムライト粉とチタン酸アルミニウム粉とに、水と
分散剤を添加して粉砕混合してスラリーを作製し、その
スラリーに炭化ケイ素繊維シート又はＴｉ−Ｓｉ−Ｃ元
素から作製した繊維シートを浸漬し、その繊維シートを
半乾燥させた状態で複数枚積層して積層体を作製する。
次いで、積層体を乾燥させた後、乾燥した積層体を焼成
して焼結体を製造するものである。チタン酸アルミニウ
ムの原料粉としては、チタン酸アルミニウム合成粉を出
発原料として直接使用して焼成するか、又は酸化チタン
と酸化アルミニウムを出発原料として使用し、焼成中に
酸化チタンと酸化アルミニウムとをチタン酸アルミニウ
ムに合成することができるものである。

【００２２】次に、図１を参照して、この繊維強化チタ
ン酸アルミニウム焼結体の製造方法を説明する。図１は
この発明による繊維強化チタン酸アルミニウム焼結体の
製造方法の一実施例を説明する処理フロー図である。ま
ず、平均粒度３μｍのムライト粉の２０ｗｔ％とチタン
酸アルミニウム粉の８０ｗｔ％とを配合し、これに外割
で４２ｗｔ％の水と１ｗｔ％の分散剤を添加し（ステッ
プ１０）、ボールミルを用いて１６時間粉砕混合し、ス
ラリーを作製した（ステップ１１）。

【００２３】一方、線径１５μｍの炭化ケイ素繊維で繊
維シートを作製した。この繊維シートを上記スラリーに
浸漬し（ステップ１２）、繊維シートにスラリーを浸透
させた後、乾燥させて半乾燥の状態にした。半乾燥の状
態の繊維シートを所定の枚数に積層して積層体を作製し
た（ステップ１３）。この積層体を恒温恒湿槽内で７０
℃で湿度６０％の条件で、積層体を２４時間乾燥させた
（ステップ１４）。次いで、乾燥させた積層体を、１４
００℃の焼成温度で焼成して焼結体を製造した（ステッ
プ１５）。

【００２４】上記のようにして製造した繊維強化チタン
酸アルミニウム焼結体の強度と熱膨張係数とを測定する
ため、その焼結体から本発明試験片を切り出し、曲げ強
度試験を行った。比較のため、繊維強化しなかったムラ
イトを添加したチタン酸アルミニウムの比較試験片を作
製した。この発明による繊維強化チタン酸アルミニウム
焼結体の本発明試験片と比較試験片との曲げ強度試験
は、繊維方向に直交する方向に対して行った。本発明試
験片の曲げ強度は５５０ＭＰａであるのに対して、比較
試験片の曲げ強度は５０ＭＰａであった。また、本発明
試験片の熱膨張係数は３．０×１０^{- 6}／℃であるのに
対して、比較試験片の熱膨張係数は２．８×１０^{- 6}／
℃であった。上記のことより、この繊維強化チタン酸ア
ルミニウム焼結体は、熱膨張係数をそれほど高くするこ
となく、曲げ強度を大幅にアップさせることができたこ
とが分かる。

【００２５】この繊維強化チタン酸アルミニウム焼結体
の製造において、上記実施例では、チタン酸アルミニウ
ム原料粉として、チタン酸アルミニウムの合成粉を出発
原料として用いているが、それに限らず、例えば、酸化
チタンと酸化アルミニウム粉を出発原料として用いるこ
ともできる。また、上記実施例では、繊維シートとして
炭化ケイ素繊維を用いて作製したが、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｃ元
素を構成元素とする繊維（チラノ繊維）で作製した繊維
シートを用いて繊維強化チタン酸アルミニウム焼結体を
作製した場合にも同様な強度の強化を得ることができ
た。

【００２６】

【発明の効果】この発明による繊維強化チタン酸アルミ
ニウム焼結体及びその製造方法は、上記のように構成さ
れており、次のような効果を有する。即ち、この繊維強
化チタン酸アルミニウム焼結体は、炭化ケイ素繊維又は
Ｔｉ−Ｓｉ−Ｃ元素より成る繊維と、マトリックスとし
てムライトで粒界を強化したチタン酸アルミニウムとか
ら構成したので、強度を大幅にアップすることができ、
強度を要求されるエンジン等の構造用材料、例えば、燃
焼室、排気ポート等の部品を作製するのに適用して極め
て好ましいものである。

【００２７】また、この繊維強化チタン酸アルミニウム
焼結体の製造方法において、ムライトとチタン酸アルミ
ニウム粉、或いはムライト、酸化チタン及び酸化アルミ
ニウム粉から成るスラリーを含浸させた繊維シートを半
乾燥状態で所望の厚さまで積層して積層体を作製し、焼
成して焼結体即ち繊維強化チタン酸アルミニウム焼結体
を作製したので、適用する構造用材料に併せて所望のサ
イズの構造用部材を作製することができる。ムライトと
チタン酸アルミニウムとは熱膨張係数のマッチングが良
好であり、ムライトはチタン酸アルミニウムの粒界に浸
入して粒界を強化することができる。また、ムライトと
チタン酸アルミニウムとの複合材は、炭化ケイ素繊維又
はＴｉ−Ｓｉ−Ｃ元素より成る繊維に対して熱膨張差が
小さくなるようにムライトの添加量をコントロールでき
るので、構造用材料の使用目的に応じて強度をコントロ
ールすることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による繊維強化チタン酸アルミニウム
焼結体及びその製造方法の工程の一実施例を示す処理フ
ロー図である。

【図２】チタン酸アルミニウムへのムライトの添加量に
対する熱膨張係数と曲げ強度との関係を示すグラフであ
る。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化ケイ素繊維又はＴｉ−Ｓｉ−Ｃ元素
より成る繊維と、マトリックスとしてムライトで粒界を
強化したチタン酸アルミニウムとから成ることを特徴と
する繊維強化チタン酸アルミニウム焼結体。
【請求項２】ムライトの添加量を５〜３０％としたこ
とを特徴とする請求項１に記載の繊維強化チタン酸アル
ミニウム焼結体。
【請求項３】ムライト粉とチタン酸アルミニウム粉
に、水と分散剤を添加して粉砕混合してスラリーを作製
し、そのスラリーに炭化ケイ素又はＴｉ−Ｓｉ−Ｃ元素
から作製した繊維シートを浸漬し、その繊維シートを半
乾燥させて積層して積層体を作製し、その積層体を乾燥
させた後、乾燥した積層体を焼成して焼結体を作製した
ことを特徴とする繊維強化チタン酸アルミニウム焼結体
の製造方法。
【請求項４】ムライト粉と、酸化チタンと酸化アルミ
ニウム粉との合成粉とに、水と分散剤を添加して粉砕混
合してスラリーを作製し、そのスラリーに炭化ケイ素又
はＴｉ−Ｓｉ−Ｃ元素から作製した繊維シートを浸漬
し、その繊維シートを半乾燥させて積層して積層体を作
製し、その積層体を乾燥させた後、乾燥した積層体を焼
成し、焼成中に前記合成粉をチタン酸アルミニウムに合
成して焼結体を作製したことを特徴とする繊維強化チタ
ン酸アルミニウム焼結体の製造方法。