JP3588962B2 - Method for producing fiber-reinforced ceramic composite material - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、高耐熱性、高強度、軽量化が要求される複雑な形状の繊維強化セラミックス複合材料を効率よく製造する製造方法に関し、さらに詳細には、航空宇宙産業等のジェットエンジン用ライナー、排気ダクト等の種々分野に用いられる複雑形状を持つ繊維強化セラミックス複合材料がネットシェイプで効率良く製造できる製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、高耐熱性を持つ無機長繊維強化セラミックス複合材料としては、炭素を炭素繊維で強化したC/C複合材料や炭化珪素を炭化珪素繊維で強化したSiC/SiC複合材料が実用化されている。
これらの材料は、強化材である無機長繊維の織物で複雑形状を成形し、これにマトリックス原料となる無機あるいは有機高分子の融液、あるいは溶液を含浸したのち、焼成し、必要ならばその工程を繰り返す方法(含浸・焼成法)、マトリックスを気相反応によって織物上に析出させる方法(CVI法,CVD法)で製造されている。
しかし、これらの製造方法では、完全に緻密な複合材料の製造は難しく、得られる複合材料において、通常10%程度の気孔が残存し、該気孔が欠陥として働くため、機械的強度、加工精度の点で劣るという問題がある。
【0003】
一方、単体のセラミックス(繊維強化されていない単なるセラミックス)を製造する方法として、一軸で粉体を熱間加圧し緻密な成形体を得るホットプレス法がある。この方法は、通常5〜30MPaの圧力で加圧を行ってセラミックスを得る方法であり、この方法によれば、気孔のない、非常に緻密な成形体を得ることができる。
しかしながら、この方法では、平板のような単純な形状の成形体は製造できるものの、複雑形状をネットシェープで製造することは極めて困難である。
また、加熱下で高圧のガスにより加圧(HIP)して、複雑形状物を熱間加圧成形して単体のセラミックスを得る方法も提案されているが、この方法では、セラミックス単体であれば緻密で複雑な形状の成形体を比較的簡単に製造できるものの、繊維強化セラミックス複合材料に適用した場合には、繊維の配向方向が乱れてしまい、該無機繊維による強化効果が十分発揮されないという問題がある。
【0004】
要するに、従来の製造方法では、強化繊維とマトリックス粉末を複合化してなる気孔の多いプリフォームから緻密な複雑形状の繊維強化セラミックス複合材料をネットシェイプで製造することは不可能であった。
【0005】
従って本発明の目的は、気孔の多いプリフォームから、複雑な形状を有し且つ緻密な繊維強化セラミックス複合材料をネットシェイプで製造することができる繊維強化セラミックス複合材料の製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題を解決するために種々の研究を行った結果、少なくとも1面が成形型に接し、他の面は無機粉体に接するように無機強化繊維とセラミックス粉体からなる気孔の多いプリフォームを成形型内に配置し、該無機粉体を高温で加圧して擬似等方的に熱間加圧成形することにより、繊維強化セラミックス複合材料をネットシェイプで得ることができることを知見した。
【0007】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、無機強化繊維とセラミックス粉体とを用いて、繊維強化セラミックス複合材料をネットシェイプで製造する繊維強化セラミックス複合材料の製造方法であって、
上記無機強化繊維と上記セラミックス粉体とからなるプリプレグシートを所望の形状に配して、所望の形状のプリフォームを形成するプリフォーム形成工程と、
上記プリフォームを、少なくともその1面が成形型に接し、他の面は無機粉体からなる圧力媒体に接するように成形型内に配置し、該圧力媒体を1000℃以上の温度で加圧することによって擬似等方的に熱間加圧成形する熱間加圧成形工程とを、行い、
上記無機強化繊維は、加圧時にプリフォームの加圧方向を含む直交3次元方向には配向されていないことを特徴とする繊維強化セラミックス複合材料の製造方法を提供するものである。
【0008】
また、本発明は、上記無機粉体が、熱間成形時に焼結しない粉体である上記製造方法を提供するものである。
また、本発明は、上記無機粉体が、黒鉛粉末又はBN粉末である上記製造方法を提供するものである。
また、本発明は、上記プリフォームは、その見かけ密度が、得られる繊維強化セラミックス複合材料の密度に対して20%以上である上記製造方法を提供するものである。
また、本発明は、上記無機強化繊維が、炭素繊維、炭化珪素系繊維、窒化珪素系繊維又はアルミナ繊維である上記製造方法を提供するものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の繊維強化セラミックス複合材料の製造方法について更に詳細に説明する。
【0010】
本発明において用いられる無機強化繊維としては、炭素繊維、炭化珪素系繊維、窒化珪素系繊維又はアルミナ繊維が好ましく用いられる。
上記炭素繊維、上記炭化珪素系繊維、窒化珪素系繊維及びアルミナ繊維としては、下記の(1)〜(5)の繊維等が好ましく用いられる。また、使用に際してはこれらを適宜混合して用いることもできる。
【0011】
(1)実質的にSiと、Ti及び/又はZrと、Cと、Oとからなる非晶質、
該非晶質並びに500Å以下、好ましくは10〜100Åのβ−SiCと、TiC及び/又はZrCとの結晶質の集合体、又は
該結晶質並びにその近傍に存在するSiOxと、TiOx及び/又はZrOx(0<x≦2)とからなる非晶質の混合系であり、且つ
元素組成は、Siが45〜60wt%、Ti及び/又はZrが0.2〜5wt%、Cが20〜45wt%、Oが0.1〜20.0wt%である炭化珪素系繊維。
【0012】
(2)元素組成が、Siが30〜80wt%、Cが20〜70wt%、Hが2wt%以下、好ましくは0.5wt%以下(Hは、0wt%であるのが理想的には好ましいが、製造過程で混入する場合がある)であり、且つ、
実質的にSi,Cからなる非晶質及び/又は10000Å以下、好ましくは10〜2000Åのβ−SiCの結晶質及び炭素の凝集体からなる炭化珪素系繊維。
尚、上記炭化珪素系繊維(2)は、通常の炭素繊維或いはタングステン繊維を芯線として、CVD法により得られるものであっても良い。
【0013】
(3)元素組成が、Siが30〜80wt%、Cが10〜65wt%、Oが0.05〜25wt%、Hが2wt%以下、好ましくは0.5wt%以下(Hは、0wt%であるのが理想的には好ましいが、製造過程で混入する場合がある)であり、且つ、
実質的にSi,C及びOからなる非晶質物質、又は1000Å以下、好ましくは0.1〜200Å、更に好ましくは10〜200Åのβ−SiCの結晶質の集合体と非晶質のSiO2 とからなる集合体である炭化珪素系繊維。
【0014】
(4)Siと、N及びO、C,H、金属類(元素周期律表第II族〜第VIII族の金属元素の群から選択される少なくとも一種類)からなり、各元素の比率が 原子比で表して
N/Si=0.3〜3
0/Si=15下、好ましくは 0.01〜1
C/Si=7以下、好ましくは 0.01〜1
H/Si=1以下、好ましくは 0.01〜0.2
金属類/Si=5以下、好ましくは 0.01〜0.1
であり、且つ、
X線小角撤乱強度比が1°及び0.5°において各々1倍〜20倍である窒化
珪素系繊維。
【0015】
(5)実質的にA1、Si、B及び0からなるムライト並びに/又はγ一アルミナ及び−アルミナの微結晶と非晶質のSi02 との集合体であるアルミナ繊維。
【0016】
ここで、上記の(1)の炭化ケイ素系繊維における「その近傍」とは、好ましくは結晶質粒子からの距離が100nm以下の領域である。
上記(2)における上記「炭素の凝集体」とは、1000Å以下の大きさを持った結晶質及び又は非晶質からなる炭素の粒子が、複数個存在することを意味する。
また、上記(3)における「結晶質の集合体」とは、0.1〜1000μmの大きさを持った結晶が複数個集合してなるものを意味し、「結晶質の集合体と非晶質のSi02 とからなる集合体」とは、0.1〜1000μmの大きさを持った結晶の集合体の近傍(上記の「その近傍」に同義)に非晶質のSiO2 の粒子が複数個集合してなるものが、更に複数個集合してなるものを意味する。尚、集合する結晶の数は限定されない。
上記(4)において用いられる上記金属類としては、具体的には、アルミニウム,チタン,ジルコニウム等が挙げられる。
【0017】
また、上記X線小角散乱強度比は、下記の如く測定した。
理学電機株式会社製「RJ−200B型」にPSPC(位置検出比例計数装置)−5を接続し、管電圧45KV、管電流95mA,第1及び第2スリットが各々0.2mmφ,0.15mmφのものを使用し,0.02°毎に1000秒積算して散乱強度を測定した。
また、試料としては、長さ15mmの繊維を、18mg切り出したものを用い、長さ10mm×幅4mmのスリット内に均一に張り付けて測定した。また、強度比は、1°及び0.5°における空気散乱強度と比較して算出した。
【0018】
上記無機強化繊維としては、宇部興産(株)から「チラノ繊維」(登録商標)として市販されているSi−Ti及び/又はZr−C−Oからなる無機強化繊維〔上記炭化珪素系繊維(1)の具体例〕、あるいは日本カーボン(株)から「ニカロン」(登録商標)若しくは「ハイニカロン」(登録商標)として市販されているSi−C−Oからなる無機強化繊維〔上記炭化珪素系繊維(3)の具体例〕、あるいは米国Textron社のSCSシリーズの無機強化繊維〔上記炭化珪素系繊維(2)の具体例〕等の市販品を用いることもできるし、あるいは米国特許明細書第5,366,943号に記載の実質的にSiと、Cと、OとBとから成る無機強化繊維〔上記炭化珪素系繊維(2)の具体例〕を用いることもできる。
また、Al2 O3 繊維(DuPont社製、3M社製、住友化学工業(株)製、他)〔上記アルミナ繊維(5)の具体例〕、Si−C−N系繊維〔「HPZ繊維」商品名、Dow Corning社製〕〔上記窒化珪素系繊維(4)の具体例〕、Si3 N4 繊維((株)東燃製)〔上記窒化珪素系繊維(4)の具体例〕等を用いることもできる。
【0019】
また、上記無機強化繊維の繊維径は、1〜1000μmであるのが好ましい。
また、上記無機強化繊維の繊維長は、100μmより長いことが好ましい。
【0020】
また、本発明において用いられるセラミックス粉体としては、下記するものなどが挙げられる。
例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、ムライトなどであり、これらのセラミックス粉体は、一般的にセラミックスの焼結体の製造に用いられる粉体が用いられ、特に制限はないが、焼結を促進させる焼結助剤を配合した物がより好ましく用いられる。また、上記セラミックス粉体としては、ガラスセラミックスのように、液相あるいは粘性領域を介して焼結、緻密化を進行させるセラミックス粉体も好ましく用いられる。この場合、熱処理によって高耐熱性の結晶相を析出させ、耐熱性を向上させられるものが好ましく、アルカリ土類元素を含むアルミノ珪酸ガラス系のガラスセラミックスがより好ましく用いられる。このようなガラスセラミックスとしては、例えば灰長石(CaO・Al2 O3 ・2SiO2 )、きん青石(2MgO・2Al2 O3 ・5SiO2 )、バリウムオスミライト(BaO・2MgO・3Al2 O3 ・9SiO2 )、セルシアン(Ba(or Sr)・Al2 O3 ・2SiO2 )などが好ましく用いられる。
【0021】
また、本発明において用いられる上記成形型としては、一般的にセラミックスの製造に用いられるグラファイト材料からなるものが用いられ、一軸熱間プレスを行うダイスもグラファイト材料からなるものが用いられるが、成形時の温度においてプリフォームを構成する素材と反応せず、成形時の圧力を十分に支えることができる材料からなるものであれば特に制限されない。
【0022】
また、本発明において用いられる無機粉体は、熱間成形時に焼結しない粉体、即ち、成形時の加圧熱処理によって焼結しない難焼結性の粉体が好ましく用いられ、中でも、特にダイス内への粉体の詰め込み作業等の操作が容易な自己潤滑性のある粉体である、黒鉛粉末、BN粉末が好ましく用いられる。
【0023】
而して、本発明の繊維強化セラミックス複合材料の製造方法は、上記無機強化繊維と上記セラミックス粉末とを用いて、繊維強化セラミックス複合材料をネットシェイプで製造する製造方法であって、上記無機強化繊維と上記セラミックス粉体とからなるプリプレグシートを所望の形状に配して、所望の形状のプリフォームを形成するプリフォーム形成工程と、上記プリフォームを、少なくともその1面が成形型に接し、他の面は無機粉体からなる圧力媒体に接するように成形型内に配置し、該圧力媒体を1000℃以上の温度で加圧することによって擬似等方的に熱間加圧成形する熱間加圧成形工程とを行うことにより実施することができる。
以下、上記製造方法について更に詳述する。
【0024】
上記プリフォーム形成工程において、プリプレグシートは、常法と同様にして製造することができるが、具体的には、下記の如くして製造することができる。例えばPREWOらが、J.MATER.SCI. 17 (1982)P1201〜1206で紹介しているように、開繊した繊維をセラミックス粉体と有機バインダーと分散剤とからなるスラリー中を通過させ、巻き取り、乾燥させることにより容易に製造できる。この際用いられる有機バインダー及び分散剤としては、通常、繊維強化セラミックス複合材料に用いられるものであれば特に制限なく用いることができる。
【0025】
上記無機強化繊維の強化材としての使用形態については特別の制限はなく、連続繊維等として用いることができ、上記プリプレグシートにおいては、連続繊維から製織された平織、繻子織、多軸織、三次元織あるいは連続繊維を一方向に引き揃えたシート状物として用いることができる。
【0026】
また、上記プリフォームは、得られたプリプレグシートを、所望の形状を有する成形型により所望の形状に成形することにより得ることができる。
【0027】
プリフォームの気孔率は特に制限はないが、その見かけ密度が、得られる繊維強化セラミックス複合材料の密度に対して20%以上であるのが好ましく、50〜80%であるのが更に好ましい。上記見かけ密度が、得られる繊維強化セラミックス複合材料の密度に対して20%未満であると、所望の性能を満足する複合材料とならない場合があるので、好ましくない。
上記プリフォームの見かけ密度を上述の範囲内に調節するには、例えば、下記の如くして行うことができる。
即ち、プリフォームの開気孔は、▲1▼マトリックスであるセラミックス粉体の充填時に生成するセラミックス粉末間の隙間や、▲2▼強化繊維とマトリックス粉末との間の隙間、に起因する。従って、強化繊維に含浸させるスラリーの濃度を上げることによって上記▲1▼を減少させプリフォームの見かけ密度を上述の範囲内に調節することができる。また、マトリックススラリーの含浸時に強化繊維の開繊幅を大きくすることにより、スラリーの繊維まわりへの含浸を容易にし、上記▲2▼を減少させ、プリフォームの見かけ密度を上述の範囲内に調節することができる。
【0028】
また、得られるプリフォームにおいて上記無機強化繊維の使用形態は、上記シート状物を積層した形態等として用いることができるが、加圧成形時の収縮によって繊維が折れ曲がり乱れることが少ないような繊維配向、即ちプリフォームの加圧方向に無機強化繊維が配向している部分を含む直交3次元方向には配向されていないようにする。例えば大部分の繊維が加圧方向に対して傾いて配向されてなる斜行3次元方向や、加圧方向に全く繊維が配向しない二次元方向に配向されている。
即ち、上記無機強化繊維は、加圧時にプリフォームの加圧方向を含む直交3次元方向には配向されていない。
【0029】
また、熱間加圧成形工程においては、上記プリフォームを、少なくともその1面が成形型に接し、他の面は上記無機粉体からなる圧力媒体に接するように成形型内に配置する。ここで、上記「他の面」とは、上記成形型に接する面以外の面の意である。
次いで、上記圧力媒体を1000℃以上、好ましくは1000〜1800℃の温度で、5〜150MPaの圧力で加圧することによって擬似等方的に、0.5〜5時間熱間加圧成形する。
【0030】
上記熱間加圧成形工程について更に詳述すると、上記プリフォーム、上記圧力媒体及び上記成形型は、該圧力媒体及び該成形型で該プリフォームを包んだ状態で、実質的に密閉された一軸熱間プレスができるダイス或いは、HIP処理ができるカプセル中に配置される。
そして、このダイスあるいはカプセルを上記の温度で加熱し、一軸プレスするか又はカプセルにガス圧をかけてHIP処理することによって、上記圧力媒体をプリフォームに対して常に成形型表面に対して垂直方向に圧力が加わるように加圧を行うことにより、上記熱間加圧処理を行う。
これにより、目的とする形状物をネットシェイプで得ることができる。
【0031】
上記HIP処理に際して用いられるカプセルとしては、一般的にチタン箔あるいはガラスカプセルからなるものが用いられるが、HIP処理時の温度でプリフォームを構成する素材及び圧力媒体である無機粉体と反応せず、HIP処理時にガス圧をカプセル内の無機粉末に十分に伝達できる程度に変形する材料からなるものであれば特に限定されない。
【0032】
次に、図面を参照して本発明の繊維強化セラミックス複合材料の製造方法について更に詳述する。
ここで、図1(A)は、本発明の製造方法において用いられる成形型の1形態を示す斜視図であり、図1(B)は、そのB−B断面図である。また、図2は、図1に示す成形型及び成型用ダイスを用いて行う本発明の製造方法の概略を示す概略図である。
【0033】
本発明の製造方法を実施するには、先ず、図1に示すように、所望の形状を有する成形型2に、無機強化繊維11が45°で配向されてなるプリプレグシート1を、複数枚それぞれの配向方向が直交するように配して図1(A)及び(B)に示すように、所望の複雑形状とする。
尚、上記成形型2の内面形状は、上部、中央部及び下部の3つに区分された略円筒状であり、上部の直径よりも下部の直径の方が小さく、且つ中央部が括れた形状となされている。そして、この内面形状が、プリフォームの形状となる。
そして、得られたプリフォーム6は、図2に示すように、その外周面が上記成形型2の内面に接し、内周面が無機粉体としての黒鉛粉末からなる圧力媒体5に接するように複合材料成型用のダイス4内に配され、加熱しつつパンチ棒3により加圧される。
このパンチ棒3からの加圧により、上記圧力媒体5を介して上記プリフォームが加圧され、中央部が括れた円筒形状の複合材料がネットシェイプで得られる。
【0034】
次いで、図3及び4を参照して、本発明の製造方法の他の形態について説明する。
ここで、図3は、本発明の製造方法において用いられる成形型の1形態を示す斜視図であり、図4は、図3に示す成形型及び成型用ダイスを用いて行う本発明の製造方法の概略を示す概略図である。
【0035】
本発明の製造方法を実施するには、先ず、図3に示すように、円錐台形状を有する成形型2の上面に、無機強化繊維11が格子状に配向されてなる8枚繻子織りのプリプレグシート1を、複数枚、図3に示すように各プリプレグシート1の継ぎ目が重ならないように配して、所望の複雑形状であるスリーブ状のプリフォーム6を得る。
そして、得られたプリフォーム6は、図4に示すように、その内周面が上記成形型2に接し、外周面が無機粉体としての黒鉛粉末からなる圧力媒体5に接するように複合材料成型用のダイス4内に配され、加熱しつつパンチ棒3により加圧される。尚、上記成型型2の上面には、プリフォーム保護板7が配されており、プリフォーム6の上端縁を保護している。
このパンチ棒3からの加圧により、上記圧力媒体5を介して上記プリフォームが加圧され、スリーブ状の複合材料がネットシェイプで得られる。
【0036】
次いで、図5及び6を参照して、本発明の製造方法の他の形態について説明する。
ここで、図5は、本発明の製造方法において用いられる成形型の1形態を示す斜視図であり、図6は、図5に示す成形型を用いたHIP処理により熱間加圧成形を行う本発明の製造方法の概略を示す概略図である。
【0037】
本発明の製造方法を実施するには、先ず、図5に示すように、所望の形状を有する成形型2上に、無機強化繊維11が0°/90°で配向されてなるプリプレグシート1を、複数枚それぞれの配向方向が直交するように配して図4に示すように、波板状の形状を有するプリフォームとする。
尚、上記成形型2は、図5に示すように、片面が波板形状を持つ板状体である。
そして、得られたプリフォーム6は、図6に示すように、その下面が上面が波状でその4辺がプリフォーム縁部保護のための縁を持つあるダイス4に接し、上面が無機粉体としてのBN粉末からなる圧力媒体5に接するように複合材料成型用のガラスカプセル8内に配され、公知の手法によりガス圧を加えて加圧される。
この加圧により、上記圧力媒体5を介して上記プリフォームが加圧され、波形状の複合材料がネットシェイプで得られる。
【0038】
本発明の製造方法によれば、スリーブ状、波板形状、中央部が括れた円筒状などの複雑な形状を有し、緻密な繊維強化セラミックス複合材料が得られる。尚、このような構造の他の構成は、用いる材料に応じて、通常の複合材料と同様である。
ここで、「緻密」とは、マトリックス中に空孔等が実質的に存在しないことを意味し、具体的には、その見かけ密度が,理論密度の95%以上であることをいう。
【0039】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0040】
〔実施例1〕
Si−Ti−C−O 繊維〔宇部興産(株)製、商品名「チラノ繊維Fグレード」〕を開繊し、ガラスセラミックス粉体(SrO−MgO−Al2 O3 −SiO2 )を水と有機バインダー(ポリエチレンオキサイド、以下「PEO」という)とからなる分散媒中に分散したスラリーに含浸させ、巻き取り、乾燥することによって1方向プリプレグシートを製造した。
得られたプリプレグシートを図1に示す湾曲した円筒形状を内壁に持つ2つ割れ成形型の内表面に、高さ方向に対し±45°の配向方向を持つように交互に20層張り付け、プリフォームを得た。
得られたプリフォームを図2に示すダイス4にセットし、図2に示すように黒鉛粉末を圧力媒体5として充填した。このダイス4をホットプレスにセットし、温度1000℃、圧力10MPaで20分間、加圧熱処理し、そのまま温度のみを1300℃として1時間さらに加圧熱処理を行って、図7に示すスリーブ状の繊維強化セラミックス複合材料を得た。
得られた繊維強化セラミックス複合材料は、下記の点で優れたものであった。得られた繊維強化セラミックス複合材料は、ネットシェイプであり、再加工の必要がないため、所望の形状に成形された複合材料において、強化繊維が括れた曲面に沿って切れることなく配向している。そのため、力学的にも高強度であり、とりわけ括れ部分での強度が従来の再加工によって製造された複合材料に比べて高いものである。
【0041】
〔実施例2〕
Si−Ti−C−O 繊維〔宇部興産(株)製、商品名「チラノ繊維Fグレード」〕を開繊し、ガラスセラミックス粉体(MgO−Al2 O3 −SiO2 )を水と有機バインダー(PEO)からなる分散媒中に分散したスラリーに含浸し、乾燥させながら円筒ドラムに巻き取りプリプレグワイヤーを製造した。このワイヤーを製織し、8枚繻子織りの織物(プリプレグシート)を製造した。
得られたプリプレグシート図3に示すように、円錐台の形状を持つ黒鉛製の成形型の表面に7層巻き付けてプリフォームを形成した。このとき、織物の縦糸の方向が、円錐台の高さ方向に対して、45゜の角度を持つようにし、各層の切れ目は、互いに重ならないよう角度にして45゜ずつずれた位置となるように巻き付けた。
得られたプリフォームを巻き付けた成形型を、図4に示すダイス4にセットした。このとき円錐台成形型の上には、プリフォームの縁部への不要な加圧を防ぐため黒鉛製円盤からなるプリフォーム保護板7を乗せた。そしてダイス4に黒鉛粉末を圧力媒体5として充填した。
次いで、ダイス4をホットプレスにセットし、温度1400℃、圧力10MPaで5分間で加圧熱処理し、次いで20℃/minで1200℃まで降温し、この温度で(温度以外の条件はそのまま)1時間加圧熱処理を行って、スリーブ状の繊維強化セラミックス複合材料を得た。
得られた繊維強化セラミックス複合材料は、下記の点で優れたものであった。得られた繊維強化セラミックス複合材料は、ネットシェイプであり、しかも緻密であるので、再加工を行わずとも、滑らかな表面を持っている。このため、高速のガス流を伴う部位での部材として優れている。
【0042】
〔実施例3〕
Si−Ti−C−O 繊維〔宇部興産(株)製、商品名 チラノ繊維LoxEグレード〕を開繊し、Si3N4 粉末及びAl2O3 とY2O3の焼結助剤粉末と水と有機バインダー(PVA)からなる分散媒中に分散したスラリーに含浸し、巻き取り、乾燥することによって1方向プリプレグシート(配向方向0゜/90゜)を製造した。
得られたプリプリグシートを、図5に示す波板状のプレートの上に繊維配向方向が直交するように25層重ねてゆき、プリフォームを得た。
得られたプリフォーム6を、図6に示すように、加圧成型用の波状の板(ダイス4)の上に置き、ガラス容器の中に入れ、上記プリフォーム6の上に圧力媒体としてさらにBN粉末を詰め、500℃で加熱しながら真空排気を10時間行い、プリフォーム6に含まれるバインダーを除去した後、真空封止し、図6に示すようにガラスカプセル化した。このガラスカプセル8を公知のHIP装置中で、1500℃まで加熱した後、30MPa の圧力までアルゴン中で加圧し、そのままの圧力で1750℃まで加熱し、さらにこの温度及び圧力で1時間加圧熱処理して、波板状の維強化セラミックス複合材料を得た。
得られた繊維強化セラミックス複合材料は、下記の点で優れたものであった。得られた繊維強化セラミックス複合材料は、ネットシェイプであり、再加工の必要がない。また、波形に沿って連続的に繊維が配向しているので、液状部分での強度の異方性がなく、応力が掛かった時に割れ、チッピングを生じにくい。
【0043】
【発明の効果】
本発明の繊維強化セラミックス複合材料の製造方法によれば、気孔の多いプリフォームから、複雑な形状を有し且つ緻密な繊維強化セラミックス複合材料をネットシェイプで製造することができる。
更に詳述すると、本発明の製造方法によれば、緻密で複雑形状を持った繊維強化セラミックス複合材料がネットシェイプで簡単に得られる。これにより、従来、加工工程を経る必要があった複雑な形状を有する複合材料が、加工工程を経ないで得られるため、コスト的に有利であると共に、加工による強化繊維の切断部分が少ないため、従来の部材より高強度のものを得ることができる。
【図の簡単な説明】
【図1】図1(A)は、本発明の製造方法において用いられる成形型の1形態を示す斜視図であり、図1(B)は、そのB−B断面図である。
【図2】図2は、図1に示す成形型及び成型用ダイスを用いて行う本発明の製造方法の概略を示す概略図である。
【図3】図3は、本発明の製造方法において用いられる成形型の1形態を示す斜視図である。
【図4】図4は、図3に示す成形型及び成型用ダイスを用いて行う本発明の製造方法の概略を示す概略図である。
【図5】図5は、本発明の製造方法において用いられる成形型の1形態を示す斜視図である。
【図6】図6は、図5に示す成形型を用いたHIP処理により熱間加圧成形を行う本発明の製造方法の概略を示す概略図である。
【図7】実施例において得られた複雑形状を持つ円筒状の複合材料を示す写真(図面に代えて提出する写真であって、セラミックス材料の組織を示す写真)である。
【符号の説明】
1 プリプレグシート
2 成形型
3 パンチ棒
4 ダイス
5 圧力媒体
6 プリフォーム
7 プリフォーム保護板
8 ガラスカプセル[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method for efficiently producing a fiber-reinforced ceramic composite material having a complex shape requiring high heat resistance, high strength, and light weight, and more particularly, to a liner for a jet engine such as an aerospace industry, The present invention relates to a method for efficiently manufacturing a fiber-reinforced ceramic composite material having a complex shape used in various fields such as an exhaust duct by a net shape.
[0002]
Problems to be solved by the prior art and the invention
Hitherto, as inorganic long fiber reinforced ceramic composite materials having high heat resistance, C / C composite materials in which carbon is reinforced by carbon fibers and SiC / SiC composite materials in which silicon carbide is reinforced by silicon carbide fibers have been put to practical use. .
These materials are formed into a complex shape using a woven fabric of inorganic long fibers as a reinforcing material, impregnated with a melt or solution of an inorganic or organic polymer serving as a matrix material, and then fired, if necessary. It is manufactured by a method of repeating the process (impregnation / firing method) or a method of depositing the matrix on the fabric by a gas phase reaction (CVI method, CVD method).
However, in these production methods, it is difficult to produce a completely dense composite material, and about 10% of pores usually remain in the obtained composite material, and the pores serve as defects. There is a problem that it is inferior in point.
[0003]
On the other hand, as a method for producing a single ceramic (mere ceramic not reinforced with fiber), there is a hot press method in which a powder is uniaxially hot-pressed to obtain a dense compact. This method is a method of obtaining ceramics by applying pressure usually at a pressure of 5 to 30 MPa. According to this method, a very dense molded body without pores can be obtained.
However, in this method, although a molded article having a simple shape such as a flat plate can be produced, it is extremely difficult to produce a complicated shape by net shape.
In addition, a method of obtaining a single ceramic by pressurizing (HIP) with a high-pressure gas under heating and hot-pressing a complex-shaped object has also been proposed. Although a compact having a complicated shape can be produced relatively easily, when applied to a fiber-reinforced ceramic composite material, the orientation direction of the fibers is disturbed, and the reinforcing effect of the inorganic fibers is not sufficiently exhibited. There is.
[0004]
In short, in the conventional manufacturing method, it was impossible to manufacture a dense and complex-shaped fiber-reinforced ceramic composite material by a net shape from a preform having many pores obtained by compounding the reinforcing fiber and the matrix powder.
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material capable of producing a dense fiber-reinforced ceramic composite material having a complicated shape from a preform having many pores in a net shape. is there.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted various studies in order to solve the above problem, and as a result, at least one surface is made of an inorganic reinforcing fiber and a ceramic powder so that the other surface is in contact with the inorganic powder. A fiber-reinforced ceramic composite material can be obtained in a net shape by arranging a preform having many pores in a mold, pressing the inorganic powder at a high temperature and hot-pressing quasi-isotropically. Was found.
[0007]
The present invention has been made based on the above findings, using inorganic reinforcing fibers and ceramic powder, a method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material in which a fiber-reinforced ceramic composite material is produced in a net shape,
Arranging a prepreg sheet comprising the inorganic reinforcing fibers and the ceramic powder in a desired shape, a preform forming step of forming a preform of a desired shape,
The preform is placed in a molding die such that at least one surface thereof is in contact with a molding die and the other surface is in contact with a pressure medium made of inorganic powder, and the pressure medium is pressed at a temperature of 1000 ° C. or more. And a hot press forming step of performing hot press forming in a pseudo isotropic manner.I
The inorganic reinforcing fibers are not oriented in the orthogonal three-dimensional direction including the pressing direction of the preform at the time of pressing.It is intended to provide a method for producing a fiber-reinforced ceramics composite material characterized by the above.
[0008]
Further, the present invention provides the above-mentioned production method, wherein the inorganic powder is a powder that does not sinter during hot forming.
Further, the present invention provides the above method, wherein the inorganic powder is a graphite powder or a BN powder.
Further, the present invention provides the above-mentioned production method, wherein the preform has an apparent density of 20% or more of the density of the obtained fiber-reinforced ceramic composite material.
Further, the present invention provides the above production method, wherein the inorganic reinforcing fiber is a carbon fiber, a silicon carbide-based fiber, a silicon nitride-based fiber, or an alumina fiber..
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention will be described in more detail.
[0010]
As the inorganic reinforcing fibers used in the present invention, carbon fibers, silicon carbide fibers, silicon nitride fibers or alumina fibers are preferably used.
As the carbon fiber, the silicon carbide fiber, the silicon nitride fiber, and the alumina fiber, the following fibers (1) to (5) are preferably used. When used, these can be used as a mixture.
[0011]
(1) an amorphous material substantially consisting of Si, Ti and / or Zr, C, and O;
A crystalline aggregate of the amorphous and β-SiC of 500 ° or less, preferably 10 to 100 °, and TiC and / or ZrC, or
An amorphous mixed system composed of the crystalline material and SiOx present in the vicinity thereof and TiOx and / or ZrOx (0 <x ≦ 2);
The elemental composition is silicon carbide fiber in which Si is 45 to 60 wt%, Ti and / or Zr is 0.2 to 5 wt%, C is 20 to 45 wt%, and O is 0.1 to 20.0 wt%.
[0012]
(2) The elemental composition is such that Si is 30 to 80 wt%, C is 20 to 70 wt%, H is 2 wt% or less, preferably 0.5 wt% or less (H is preferably 0 wt%, although it is ideally preferable. , May be mixed during the manufacturing process), and
A silicon carbide-based fiber consisting essentially of amorphous Si and C and / or β-SiC crystalline and carbon aggregates of 10000 ° or less, preferably 10 to 2000 °.
The silicon carbide-based fiber (2) may be obtained by a CVD method using a normal carbon fiber or a tungsten fiber as a core wire.
[0013]
(3) The elemental composition is 30 to 80 wt% of Si, 10 to 65 wt% of C, 0.05 to 25 wt% of O, 2 wt% or less, preferably 0.5 wt% or less (H is 0 wt% Is ideally preferable, but may be mixed during the manufacturing process), and
An amorphous substance substantially consisting of Si, C and O, or a crystalline aggregate of β-SiC of 1000 ° or less, preferably 0.1 to 200 °, more preferably 10 to 200 °, and amorphous SiO2And a silicon carbide fiber which is an aggregate consisting of:
[0014]
(4) Si, N and O, C, H, and metals (at least one selected from the group of metal elements of Groups II to VIII of the Periodic Table of the Elements), and the ratio of each element is atomic Expressed as a ratio
N / Si = 0.3-3
0 / Si = 15, preferably 0.01 to 1
C / Si = 7 or less, preferably 0.01 to 1
H / Si = 1 or less, preferably 0.01 to 0.2
Metals / Si = 5 or less, preferably 0.01 to 0.1
And
Nitriding with X-ray small angle disturbance intensity ratio of 1 to 20 times at 1 ° and 0.5 ° respectively
Silicon fiber.
[0015]
(5) Mullite consisting essentially of A1, Si, B and 0 and / or gamma-alumina and -alumina microcrystals and amorphous Si02Alumina fibers that are aggregates with
[0016]
Here, the silicon carbide of the above (1)Elementary“Near the vicinity” in the system fiber is preferably a region whose distance from the crystalline particles is 100 nm or less.
The “carbon aggregate” in the above (2) means that a plurality of crystalline and / or amorphous carbon particles having a size of 1000 ° or less exist.
Further, the “crystalline aggregate” in the above (3) means an aggregate of a plurality of crystals having a size of 0.1 to 1000 μm, and refers to “a crystalline aggregate and an amorphous aggregate”. The aggregate comprising crystalline Si02 "means that a plurality of amorphous SiO2 particles are present in the vicinity of the aggregate of crystals having a size of 0.1 to 1000 .mu.m (synonymous with" the vicinity "above). What is obtained by assembling means what is further obtained by assembling a plurality. Note that the number of crystals to be assembled is not limited.
Specific examples of the metals used in the above (4) include aluminum, titanium, and zirconium.
[0017]
The X-ray small-angle scattering intensity ratio was measured as follows.
A PSPC (Position Detection Proportional Counter) -5 is connected to "RJ-200B" manufactured by Rigaku Denki Co., Ltd., the tube voltage is 45 KV, the tube current is 95 mA, and the first and second slits are 0.2 mmφ and 0.15 mmφ, respectively. The scattering intensity was measured by accumulating 1000 seconds every 0.02 °.
In addition, as a sample, a fiber of 15 mm in length cut out from 18 mg was used, and the fiber was uniformly attached to a slit of 10 mm in length and 4 mm in width, and measured. The intensity ratio was calculated by comparing with the air scattering intensity at 1 ° and 0.5 °.
[0018]
As the inorganic reinforcing fiber, an inorganic reinforcing fiber made of Si—Ti and / or Zr—CO commercially available as “Tyranno Fiber” (registered trademark) from Ube Industries, Ltd. [the silicon carbide fiber (1) Specific examples of the above)) or inorganic reinforcing fibers made of Si—C—O commercially available as “Nicalon” (registered trademark) or “Hinicalon” (registered trademark) from Nippon Carbon Co., Ltd. Specific examples of 3)], or commercially available products such as SCS series inorganic reinforcing fibers [specific examples of the silicon carbide-based fiber (2)] of Textron, USA, or US Pat. No. 366,943, an inorganic reinforcing fiber substantially consisting of Si, C, O and B [specific examples of the silicon carbide fiber (2)] can also be used.
Also, Al2O3Fiber (manufactured by DuPont, 3M, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., etc.) [Specific examples of the above alumina fiber (5)], Si-CN fiber [“HPZ fiber” trade name, Dow Corning [Specific examples of the silicon nitride-based fiber (4)], Si3N4Fibers (manufactured by Tonen Corp.) [specific examples of the silicon nitride-based fiber (4)] and the like can also be used.
[0019]
The fiber diameter of the inorganic reinforcing fibers is preferably 1 to 1000 μm.
Further, the fiber length of the inorganic reinforcing fiber is preferably longer than 100 μm.
[0020]
Examples of the ceramic powder used in the present invention include the following.
For example, silicon carbide, silicon nitride, alumina, mullite and the like are used, and as these ceramic powders, powders generally used for producing a sintered body of ceramics are used. A compound containing a sintering aid to be promoted is more preferably used. Further, as the ceramic powder, a ceramic powder which progresses sintering and densification via a liquid phase or a viscous region, such as glass ceramic, is also preferably used. In this case, it is preferable that a heat-resistant crystal phase is precipitated to improve heat resistance, and an aluminosilicate glass-based glass ceramic containing an alkaline earth element is more preferably used. Such glass ceramics include, for example, anorthite (CaO.Al)2O3・ 2SiO2), Kinseki (2MgO.2Al)2O3・ 5SiO2), Barium osmilite (BaO.2MgO.3Al)2O3・ 9SiO2), Celsian (Ba (or Sr) · Al2O3・ 2SiO2) Are preferably used.
[0021]
Further, as the molding die used in the present invention, a molding die generally used for manufacturing ceramics is used, and a die for performing uniaxial hot pressing is also formed of a graphite material. The material is not particularly limited as long as it is made of a material that does not react with the material constituting the preform at the temperature at the time and can sufficiently support the pressure during molding.
[0022]
The inorganic powder used in the present invention is preferably a powder that does not sinter during hot compaction, that is, a powder that does not sinter by pressure heat treatment during compaction. Graphite powder and BN powder, which are self-lubricating powders that can be easily operated such as filling the powder into the inside, are preferably used.
[0023]
Thus, the method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention is a method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material in a net shape using the above-mentioned inorganic reinforcing fiber and the above-mentioned ceramic powder, A prepreg sheet composed of fibers and the ceramic powder is arranged in a desired shape, and a preform forming step of forming a preform of a desired shape, and the preform, at least one surface of which is in contact with a molding die, The other surface is placed in a molding die so as to be in contact with a pressure medium made of inorganic powder, and the pressure medium is pressed at a temperature of 1000 ° C. or higher to perform pseudo-isotropic hot pressing. It can be carried out by performing a pressing step.
Hereinafter, the above manufacturing method will be described in more detail.
[0024]
In the above-mentioned preform forming step, the prepreg sheet can be produced in the same manner as in a conventional method, but specifically, it can be produced as follows. For example, PREWO et al. MATER. SCI. 17 (1982) P1201 to 1206, the fiber can be easily manufactured by passing the spread fiber through a slurry composed of a ceramic powder, an organic binder, and a dispersant, winding and drying. The organic binder and dispersant used at this time can be used without any particular limitation as long as they are usually used for a fiber-reinforced ceramic composite material.
[0025]
There is no particular limitation on the form of use of the inorganic reinforcing fibers as a reinforcing material, and they can be used as continuous fibers. In the prepreg sheet, plain weave, satin weave, multiaxial weave, tertiary weave, and the like It can be used as a sheet-like material in which original fibers or continuous fibers are aligned in one direction.
[0026]
Further, the preform can be obtained by molding the obtained prepreg sheet into a desired shape using a mold having a desired shape.
[0027]
The porosity of the preform is not particularly limited, but the apparent density is preferably 20% or more, more preferably 50 to 80%, based on the density of the obtained fiber-reinforced ceramic composite material. If the apparent density is less than 20% with respect to the density of the obtained fiber-reinforced ceramic composite material, a composite material satisfying desired performance may not be obtained, which is not preferable.
In order to adjust the apparent density of the preform within the above range, for example, it can be performed as follows.
That is, the open pores of the preform are caused by (1) a gap between the ceramic powders generated when the matrix is filled with the ceramic powder, and (2) a gap between the reinforcing fiber and the matrix powder. Therefore, by increasing the concentration of the slurry impregnated in the reinforcing fibers, the above (1) can be reduced and the apparent density of the preform can be adjusted within the above range. Also, by increasing the opening width of the reinforcing fibers during the impregnation of the matrix slurry, the impregnation around the fibers of the slurry is facilitated, the above (2) is reduced, and the apparent density of the preform is adjusted within the above range. can do.
[0028]
In addition, in the obtained preform, the use form of the inorganic reinforcing fibers can be used as a form in which the sheet-like material is laminated, but the fiber orientation is such that the fibers are less likely to bend or shrink due to shrinkage during pressure molding. That is, it is not oriented in the orthogonal three-dimensional direction including the portion where the inorganic reinforcing fibers are oriented in the pressing direction of the preform.To do. For exampleMost fibers are oriented in an oblique three-dimensional direction in which the fibers are oriented at an angle to the pressing direction, or are oriented in a two-dimensional direction in which no fibers are oriented in the pressing direction.You.
That is, the inorganic reinforcing fibers are not oriented in the orthogonal three-dimensional direction including the pressing direction of the preform at the time of pressing.No.
[0029]
In the hot press molding step, the preform is placed in the molding die such that at least one surface thereof is in contact with the molding die and the other surface is in contact with the pressure medium made of the inorganic powder. Here, the "other surface" means a surface other than the surface in contact with the mold.
Next, the above-mentioned pressure medium is hot-press-formed in a pseudo-isotropic manner for 0.5 to 5 hours by pressing the pressure medium at a temperature of 1000 ° C. or higher, preferably 1000 to 1800 ° C., and a pressure of 5 to 150 MPa.
[0030]
The hot press molding step will be described in more detail. The preform, the pressure medium, and the mold are substantially sealed uniaxially in a state where the preform is wrapped by the pressure medium and the mold. It is placed in a die that can be hot pressed or a capsule that can be HIPed.
Then, the die or capsule is heated at the above-mentioned temperature, and is uniaxially pressed or subjected to HIP treatment by applying gas pressure to the capsule, so that the pressure medium is always in a direction perpendicular to the surface of the mold with respect to the preform. The hot pressing process is performed by applying pressure so that pressure is applied to the substrate.
As a result, a desired shape can be obtained in a net shape.
[0031]
As the capsule used at the time of the HIP treatment, a capsule made of a titanium foil or a glass capsule is generally used, but does not react with the material constituting the preform and the inorganic powder as the pressure medium at the temperature at the time of the HIP treatment. The material is not particularly limited as long as it is made of a material capable of deforming gas pressure sufficiently to transmit the gas pressure to the inorganic powder in the capsule during the HIP process.
[0032]
Next, the method for producing the fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
Here, FIG. 1A is a perspective view showing one embodiment of a molding die used in the manufacturing method of the present invention, and FIG. 1B is a BB cross-sectional view thereof. FIG. 2 is a schematic view showing an outline of a production method of the present invention performed using the molding die and the molding die shown in FIG.
[0033]
In order to carry out the production method of the present invention, first, as shown in FIG. 1, a plurality of
The inner surface of the molding die 2 has a substantially cylindrical shape divided into an upper part, a central part, and a lower part. The diameter of the lower part is smaller than the diameter of the upper part, and the central part is constricted. It has been done. Then, this inner surface shape becomes the shape of the preform.
Then, as shown in FIG. 2, the obtained
The preform is pressurized by the pressurization from the
[0034]
Next, another embodiment of the manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIGS.
Here, FIG. 3 is a perspective view showing one embodiment of a molding die used in the production method of the present invention, and FIG. 4 is a production method of the present invention performed using the molding die and the molding die shown in FIG. It is the schematic which shows the outline of.
[0035]
In order to carry out the production method of the present invention, first, as shown in FIG. 3, an eight-satin weave prepreg in which inorganic reinforcing
Then, as shown in FIG. 4, the obtained
The preform is pressurized by the pressurization from the
[0036]
Next, another embodiment of the manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIGS.
Here, FIG. 5 is a perspective view showing one embodiment of a mold used in the manufacturing method of the present invention, and FIG. 6 performs hot press molding by HIP processing using the mold shown in FIG. It is a schematic diagram showing the outline of the manufacturing method of the present invention.
[0037]
In order to carry out the production method of the present invention, first, as shown in FIG. 5, a
The molding die 2 is a plate-like body having a corrugated plate on one side as shown in FIG.
As shown in FIG. 6, the obtained
Due to this pressurization, the preform is pressurized via the
[0038]
According to the production method of the present invention, a dense fiber-reinforced ceramic composite material having a complicated shape such as a sleeve shape, a corrugated plate shape, or a cylindrical shape having a narrowed central portion can be obtained. The other configuration of such a structure is the same as that of an ordinary composite material depending on the material to be used.
Here, “dense” means that there are substantially no vacancies or the like in the matrix, and specifically, that the apparent density is 95% or more of the theoretical density.
[0039]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
[0040]
[Example 1]
The Si-Ti-CO fiber (trade name "Tyranno fiber F grade", manufactured by Ube Industries, Ltd.) is opened and glass ceramic powder (SrO-MgO-Al) is opened.2O3-SiO2) Was impregnated with a slurry dispersed in a dispersion medium composed of water and an organic binder (polyethylene oxide, hereinafter referred to as “PEO”), wound up, and dried to produce a one-way prepreg sheet.
The obtained prepreg sheets are alternately adhered to the inner surface of a split mold having a curved cylindrical shape shown in FIG. 1 on the inner surface thereof so as to have an orientation of ± 45 ° with respect to the height direction. Got a reform.
The obtained preform was set on a
The obtained fiber-reinforced ceramic composite material was excellent in the following points. Since the obtained fiber-reinforced ceramic composite material is a net shape and does not need to be reworked, in the composite material formed into a desired shape, the reinforcing fibers are oriented along the constricted curved surface without cutting. . Therefore, it is mechanically high in strength, and in particular, the strength at the constricted portion is higher than that of a composite material manufactured by conventional rework.
[0041]
[Example 2]
The Si-Ti-CO fiber (trade name "Tyranno fiber F grade", manufactured by Ube Industries, Ltd.) is opened and glass ceramic powder (MgO-Al2O3-SiO2) Was impregnated with a slurry dispersed in a dispersion medium composed of water and an organic binder (PEO), and wound on a cylindrical drum while drying to produce a prepreg wire. This wire was woven to produce an eight-satin weave fabric (prepreg sheet).
As shown in Fig. 3 of the obtained prepreg sheet, seven layers were wound around the surface of a graphite mold having a truncated cone shape to form a preform. At this time, the direction of the warp of the woven fabric is set to have an angle of 45 ° with respect to the height direction of the truncated cone, and the cuts of each layer are shifted by 45 ° so that they do not overlap each other. Wrapped around.
The forming die around which the obtained preform was wound was set on a
Next, the
The obtained fiber-reinforced ceramic composite material was excellent in the following points. The obtained fiber-reinforced ceramic composite material has a net shape and is dense, so that it has a smooth surface without rework. For this reason, it is excellent as a member in a portion accompanied by a high-speed gas flow.
[0042]
[Example 3]
Open the Si-Ti-CO fiber (trade name Tyranno fiber LoxE grade, manufactured by Ube Industries, Ltd.)3N4Powder and Al2O3And Y2O3The sintering aid powder was impregnated with a slurry dispersed in a dispersion medium composed of water and an organic binder (PVA), wound up, and dried to produce a one-way prepreg sheet (alignment direction 0 ° / 90 °). .
The obtained prepreg sheet was laminated on a corrugated plate shown in FIG. 5 such that 25 layers were superposed so that the fiber orientation directions were orthogonal to each other to obtain a preform.
As shown in FIG. 6, the obtained
The obtained fiber-reinforced ceramic composite material was excellent in the following points. The obtained fiber-reinforced ceramic composite material has a net shape and does not require rework. In addition, since the fibers are continuously oriented along the waveform, there is no anisotropy in strength in the liquid portion, and cracks and chipping hardly occur when stress is applied.
[0043]
【The invention's effect】
According to the method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention, a dense fiber-reinforced ceramic composite material having a complicated shape and a dense shape can be produced from a preform having many pores in a net shape.
More specifically, according to the production method of the present invention, a fiber-reinforced ceramic composite material having a dense and complicated shape can be easily obtained by a net shape. As a result, a composite material having a complicated shape, which had to go through the processing step, can be obtained without going through the processing step, which is advantageous in terms of cost and has a small cutting portion of the reinforcing fiber due to the processing. Thus, a member having higher strength than a conventional member can be obtained.
[Brief explanation of the figure]
FIG. 1A is a perspective view showing one embodiment of a molding die used in the manufacturing method of the present invention, and FIG. 1B is a sectional view taken along line BB.
FIG. 2 is a schematic view showing an outline of a production method of the present invention performed using the molding die and the molding die shown in FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing one embodiment of a molding die used in the manufacturing method of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing an outline of a production method of the present invention performed using the molding die and the molding die shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a perspective view showing one embodiment of a molding die used in the production method of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view showing an outline of a production method of the present invention in which hot press molding is performed by HIP using the mold shown in FIG.
FIG. 7 is a photograph showing a cylindrical composite material having a complicated shape obtained in an example (a photograph submitted in place of a drawing and showing the structure of a ceramic material).
[Explanation of symbols]
1 Pre-preg sheet
2 Mold
3 punch stick
4 dice
5 Pressure medium
6 preforms
7 Preform protection plate
8 glass capsule
Claims (6)
上記無機強化繊維と上記セラミックス粉体とからなるプリプレグシートを所望の形状に配して、所望の形状のプリフォームを形成するプリフォーム形成工程と、
上記プリフォームを、少なくともその1面が成形型に接し、他の面は無機粉体からなる圧力媒体に接するように成形型内に配置し、該圧力媒体を1000℃以上の温度で加圧することによって擬似等方的に熱間加圧成形する熱間加圧成形工程とを、行い、
上記無機強化繊維は、加圧時にプリフォームの加圧方向を含む直交3次元方向には配向されていないことを特徴とする繊維強化セラミックス複合材料の製造方法。A method of manufacturing a fiber-reinforced ceramic composite material, wherein the fiber-reinforced ceramic composite material is manufactured in a net shape using inorganic reinforcing fibers and ceramic powder,
Arranging a prepreg sheet comprising the inorganic reinforcing fibers and the ceramic powder in a desired shape, a preform forming step of forming a preform of a desired shape,
The preform is placed in a molding die such that at least one surface thereof is in contact with a molding die and the other surface is in contact with a pressure medium made of inorganic powder, and the pressure medium is pressed at a temperature of 1000 ° C. or more. and hot pressing step of forming hot pressing in a pseudo-isotropic manner, we have rows,
The method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material, wherein the inorganic reinforcing fibers are not oriented in a three-dimensional direction orthogonal to the pressing direction of the preform at the time of pressing .
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