JP3942199B2

JP3942199B2 - 金属窒化物で被覆された繊維強化材を有する炭化ケイ素複合材

Info

Publication number: JP3942199B2
Application number: JP15455592A
Authority: JP
Inventors: ミリボー・コンスタンチン・ブラン; クリシャン・ラル・ルズラ; ラー・ナライン・シン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-06-17
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2022-07-11
Also published as: EP0519644B1; JPH05186268A; DE69215766D1; US6074750A; EP0519644A1; US6110527A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、炭化ケイ素のマトリックス中に、被覆された炭化ケイ素繊維を含む複合材およびその複合材の製造方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
本出願の譲受人に譲渡されている米国特許第４，１２０，７３１号、第４，１４１，９４８号、第４，１４８，８９４号、第４，２２０，４５５号、第４，２３８，４３３号、第４，２４０，８３５号、第４，２４２，１０６号、第４，２４７，３０４号、第４，３５３，９５３号、第４，６２６，５１６号、第４，８８９，６８６号、および第４，９４４，９０４号（援用する）には、炭素、モリブデン、炭素を被覆したダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、ならびに、炭素と、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムまたは酸化ジルコニウムとのブレンドを始めとする物質の溶融ケイ素溶浸が開示されている。
【０００３】
高温繊維強化複合材は、その高い強度／重量比のために航空機やガスタ―ビンに使用する材料として大いに有望である。炭素繊維強化炭素マトリックスの複合材は航空機の構築に使用されているが、耐酸化性に劣るため１０００℃以下の低温用途に限られている。高強度炭素繊維に溶融ケイ素を溶浸させて炭素繊維強化材を保護するためのケイ素マトリックスとすることがすでに行なわれている。しかし、ケイ素の溶浸によって、炭素繊維強化材は、比較的弱くて不規則な柱状の炭化ケイ素結晶に変化し、その結果靭性が低くてあまり強くない強度を有する複合材が得られる
別のアプロ―チとして、ケイ素溶浸法によってケイ素マトリックス中に炭化ケイ素繊維を配合しようとする試みがなされている。残念なことに、炭化ケイ素は溶融ケイ素に対する溶解度が限られており、炭化ケイ素の移送と再結晶を起こし、その結果炭化ケイ素繊維の強度が失われる。また、炭化ケイ素はケイ素と強い結合を形成するのでその繊維がマトリックスに結合し、その結果複合材の脆性破壊が起こる。セラミック複合材の場合破壊靭性を改良するためには繊維‐マトリックス界面の結合が比較的弱い方が好ましい。繊維強化複合材の靭性が改良されるのは、繊維強化材が周囲のマトリックスと結合しないで、マトリックスにかかった力が実質的に摩擦によりマトリックスから繊維に移るような場合である。
【０００４】
【発明の目的】
本発明のひとつの目的は、改良された靭性と耐酸化性を有する溶融ケイ素で溶浸形成された繊維強化複合材を提供することである。
本発明のもうひとつの目的は、繊維の保護被膜を有する溶融ケイ素で溶浸形成された繊維強化複合材を提供することである。
【０００５】
本発明の別の目的は、改良された靭性と耐酸化性を有する溶融ケイ素で溶浸形成された繊維強化複合材を製造する方法を提供することである。
【０００６】
【発明の簡単な説明】
本発明の改良された靭性を有する複合材は、溶融ケイ素で溶浸形成された炭化ケイ素マトリックス中に、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの混合物より成る群の中から選択される金属の窒化物からなる連続した被膜を有する強化用繊維を含んでいる。この強化用繊維は元素状炭素、炭化ケイ素およびこれらの混合物より成る群の中から選択される。金属窒化物被膜はマトリックスの溶融ケイ素による溶浸形成中に強化用繊維を保護して、繊維がマトリックスからの望ましいデボンディング（分離）性を有するようにしている。また金属窒化物被膜は、高温使用中マトリックスと繊維との反応を低減させる。
【０００７】
元素状炭素、炭化ケイ素およびこれらの混合物より成る群の中から選択された繊維を有する強靭な繊維強化複合材を製造する本発明の方法では、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの混合物より成る群の中から選択される金属の窒化物からなる連続した被膜を前記繊維上に設ける。こうして被覆された繊維を炭素質材料と混和して少なくとも５容量％の繊維を有する混合物を形成する。この混合物を成形して約２５〜約９０容量％の範囲の開放気孔率を有するプリフォ―ムにする（容量％はプリフォ―ム基準）。このプリフォ―ムを不活性雰囲気または部分的真空内で加熱し、溶融ケイ素を溶浸させて本発明の複合材の組成を有する溶浸された製品を製造する。
【０００８】
【発明の詳細な開示】
本明細書中で使用する「繊維」という用語には、ファイバ―、フィラメント、ウィスカ―、トウ、織物およびこれらの組合せが包含される。金属窒化物で被覆される繊維は、元素状炭素、炭化ケイ素およびこれらの組合せより成る群の中から選択される。
【０００９】
本明細書中で炭化ケイ素の繊維という場合、現在入手できる単結晶または多結晶の繊維、また、炭化ケイ素がコアを包んでいるものでは通常たとえば元素状炭素やタングステンのようなコア上に炭化ケイ素を化学蒸着することによって製造される繊維が包含される。有機前駆体を使用して炭化ケイ素含有繊維を製造する方法で繊維中に各種元素を導入することができる方法が業界で公知である。公知の炭化ケイ素繊維の例としては、日本カ―ボン(Nippon Carbon）のニカロン(Nicalon）炭化ケイ素繊維、ダウ・コ―ニング(Dow Corning）のＨＰＺおよびＭＰＤＺ炭化ケイ素繊維、ならびにマサチュ―セッツのテクストロン(Textron）製のＳＣＳ−６またはＳＣＳ−０という商品名の繊維がある。炭化ケイ素繊維に関するその他の情報は、１９８７年、エイ・エス・エム・インタ―ナショナル(ASM International）刊、工学処理材料ハンドブック(ENGINEERED MATERIALS HANDBOOK）、第１巻、複合材(COMPOSITES)、第５８〜５９頁のショ―ンバ―グ(T. Schoenberg）著「ホウ素および炭化ケイ素繊維(Boron and Silicon Carbide Fibers)」（援用する）に見ることができる。
【００１０】
本明細書中で炭素の繊維という場合、レ―ヨン、ポリアクリロニトリルまたはピッチの熱分解によって誘導されるような非晶質、単結晶または多結晶の炭素繊維が包含される。金属窒化物で被覆される繊維は本発明方法で使用する溶浸温度で安定である。これらの繊維は、室温（すなわち約２２℃）の空気中における引張強さが最低で約１００，０００ｐｓｉ、引張弾性率が最低で約２５×１０⁶ｐｓｉであるのが好ましい。炭素繊維に関するその他の情報は、１９８７年、物理科学技術事典(ENCYCLOPEDIA OF PHYSICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY）、第２巻、第５１５〜５２７頁のドネット(J.B. Donnet）、ダ―ル(O.P. Dahl）著「炭素繊維(CARBON FIBERS）」（援用する）に見ることができる。
【００１１】
これらの繊維は連続フィラメントとしても、または不連続繊維としても使用することができ、そのアスペクト比は少なくとも１０であることが多く、ひとつの態様では５０より大きく、また別の態様では１０００よりも高い。これらの繊維を炭素質材料と混和する。繊維と炭素質材料のランダムな混合物の場合、アスペクト比の低い繊維はより密に詰まって高密度プリフォ―ムを生成するのでアスペクト比の小さい繊維が好ましい。一方、規則正しく配列された繊維の場合、アスペクト比の大きい繊維は最も高い密度の強化材および最良の機械的性質をもった複合材が生成するので好ましい。通常、繊維の直径は約０．３〜約１５０μの範囲であり、長さは約１０μ〜約１０ｃｍ以上である。繊維は連続で所望の長さをもつことが多い。
【００１２】
連続繊維はフィラメントワインディングにより円筒形のチュ―ブにすることができるし、または長い繊維を互いに隣り合わせて平行に並べることによってシ―トを形成することもできる。そのようなシ―トは単層または多層のフィラメントから構成することができる。また連続フィラメントは織ったり、編んだりなどすることにより配列させて所望の形状にすることができる。繊維が連続であったりあるいは非常に長い場合、「アスペクト比」という用語は使用の役に立たない。
【００１３】
金属窒化物被膜は、繊維に損傷を与えることなく連続した被膜を施すために業界で周知の方法によって設けることができる。化学蒸着のような被膜プロセスまたはスパッタリングのような物理的蒸着法が適している。連続した被膜は強化相繊維の表面全体を覆って設けられる。繊維の端は露出していてもよいが、そのように露出させても意味があるとは考えられない。被膜とマトリックスとの機械的噛みあいを最小限にするために金属窒化物被膜は均一で滑らかであるのが好ましい。このような被膜プロセスに関するその他の情報は、たとえば、１９８９年、エセックス・イングランド(Essex England）のロングマン・サイエンティフィック・アンド・テクニカル(Longman Scientific & Technical)刊、ホッキン(M.G. Hocking)、バサンタスリ―(V. Vasantasree)、シドキ―(P.S. Sidky)著「金属およびセラミック被膜。製造、高温特性および用途(Metallic & Ceramic Coatings: Production, High Temperature Properties & Applications）」（援用する）に見ることができる。
【００１４】
一般に、金属窒化物の化学蒸着は部分的に真空にして約９００〜１８００℃の範囲の温度で実施する。特定のプロセス条件は当業者に公知であり、経験的に決定することができる。
金属窒化物被膜は、少なくとも、有為な気孔をもたず、かつ連続であるように充分な厚さとする。被膜厚は約０．１〜約５ミクロンの範囲であることができ、直径が約１００〜２００ミクロンの繊維の場合約１．５ミクロンが典型である。被膜の特定の厚みは経験的に決定することができる。すなわち、使用する特定のプロセス条件下で繊維と溶浸するケイ素との間の反応を阻害するかまたはその反応が有為に起きるのを防止するのに充分な厚みとするべきである。溶浸プロセスの間、金属窒化物被膜は、時間や温度に応じて溶融ケイ素と反応したりしなかったり、または溶融ケイ素中に溶解したりしなかったりする。すなわち、金属窒化物被膜は低温の方が、また溶浸時間が短い方が、より良好に（耐えて）存続する。一般に、ケイ素溶浸時間はプリフォ―ムの大きさと共に増大する。したがって、大きいプリフォ―ムでは金属窒化物被膜の厚さを厚くする必要があろう。
【００１５】
金属窒化物被膜が存続しているかどうか確かめるにはいくつかの技術を使用することができる。たとえば、複合材が破断時に繊維のプルアウトを示すならば金属窒化物被膜は存続している。また、複合材の断面を走査型電子顕微鏡で検査すると繊維上にある金属窒化物被膜を検出することができる。
場合により、金属窒化物で被覆された繊維は、炭素、ケイ素と反応してケイ化物を形成する金属、金属炭化物、金属ケイ化物、金属窒化物および金属二ホウ化物より成る群の中から選択される第二の層からなる連続した被膜で被覆することができる。さらにまた、非炭素質の第二の層は、炭素の第三の層で被覆して溶融ケイ素溶浸剤による塗れ性を向上させることができる。元素状炭素は公知の方法で金属窒化物被膜上に、たとえば熱分解炭素の形態で設けることができる。金属炭化物はケイ素、タンタル、チタンまたはタングステンの炭化物であり、金属ケイ化物はクロム、モリブデン、タンタル、チタン、タングステンまたはジルコニウムのケイ化物であり、金属窒化物はケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタルまたはホウ素の窒化物であり、金属二ホウ化物はチタン、ジルコニウム、ハフニウムまたはアルミニウムの二ホウ化物である。
【００１６】
ケイ素と反応してケイ化物を形成する金属およびそのケイ化物は、ケイ素の融点より高く、好ましくは約１４５０℃より高い融点をもっていなければならない。通常このような金属とそのケイ化物は溶浸プロセス中固体である。そのような金属の代表例はクロム、モリブデン、タンタル、チタンおよびタングステンである。
【００１７】
第二の層は有為な気孔率をもっていてはならず、好ましくは気孔をもたない。この第二の層は均一で滑らかであるのが好ましい。一般にこの第二の層の厚さは約５００オングストロ―ムから約３ミクロンまでの範囲であり、典型的には約０．５ミクロンである。第二層の特定の厚みは経験的に決定することができ、この第二層が消耗性であればその消耗速度および目的とする特定の複合材に大いに左右される。
【００１８】
この第二の層は、金属窒化物を覆いその上に被膜を形成するくらい充分に密着する固体である。溶浸プロセスを通じてこの第二の層は固体のままである。第二の層は接触または濡れ性を改善して毛細管現象による溶浸を促進したり、マトリックスとの望ましいデボンディングを提供したり、溶融ケイ素溶浸剤から金属窒化物被膜を保護したり、または高温での使用中マトリックスと繊維との間の反応を低減したりすることができる。
【００１９】
第二の層を設けるには公知の技術を使用することができる。たとえば、第二の層は、低圧技術を利用する化学蒸着またはスパッタリングのような物理蒸着技術によって設けることができる。たとえば、金属炭化物または金属ケイ化物の被膜はそれらの蒸気から直接付着させることができる。また、金属炭化物被膜は、最初に炭素を蒸着した後、金属炭化物が生成する条件下で炭素上に金属を付着させることによって、その場で形成することができる。所望により、最初に金属を蒸着した後、金属ケイ化物が生成するような条件下でケイ素を付着させることによって、金属ケイ化物被膜を生成させることができる。
【００２０】
この被覆された繊維と炭素質材料を混和するかまたはその繊維上に炭素質材料を付着させて混合物を作成し、これを成形してプリフォ―ムにする。この炭素質材料は、少なくとも、溶融ケイ素によって濡れる材料からなっている。炭素質材料ならびに溶浸プロセス中に生成するいかなる反応生成物も有為な程度に流動してはならないし、好ましくはこの溶浸プロセスにおいて固体である。炭素質材料の特定の組成は経験的に決定することができ、目的とする特定の複合材、すなわち複合材に望まれる特定の性質に依存する。しかし、炭素質材料は充分な元素状炭素を含有しており、溶浸するケイ素と反応して、その場で形成された炭化ケイ素を複合材の少なくとも約５容量％の量で含有する複合材を生成する。一般に、元素状炭素は炭素質材料の約５容量％または１０容量％または２０容量％から約１００容量％までの範囲である。
【００２１】
本明細書中で使用する元素状炭素という用語には、非晶質、単結晶または多結晶の炭素、黒鉛、炭化植物繊維、油煙、微粉炭、木炭、ならびにレ―ヨン、ポリアクリロニトリルおよびポリアセチレンのような炭化ポリマ―繊維またはフェルトの粒子、フレ―ク、ウィスカ―または繊維（ファイバ―）が包含される。
この炭素質材料は炭素蒸気で溶浸形成された被膜、粉末、繊維質材料またはこれらの組合せの形態であることができる。炭素質材料が粉末の形態である場合その平均粒径は約５０ミクロン未満が好ましい。炭素粒子の粒径は約１〜１５ミクロンが好ましく、約１〜５ミクロンが最も好ましい。この炭素粉末は、溶浸剤と反応して炭化ケイ素を形成する炭素源として、またプリフォ―ムの形状と保全性を維持する結合材として機能する。しかし、炭素粉末粒子の体積分率が過大であると溶浸された複合材の膨潤および割れを生ずることがある。炭素粉末粒子は約１．２〜２．２ｇ／mlの密度を有することができる。この炭素粉末粒子は、約１．２〜１．６ｇ／mlの密度を有する低密度非晶質炭素が好ましい。適した炭素粉末は、米国オハイオのダイロン・インダストリ―ズ社(Dylon Industries, Inc.)のダイロン(Dylon）水性グラファイト粉末懸濁液である。他の炭素粉末供給元はミネソタのジョンソン・マシュ―(Johnson Matthey）およびニュ―ヨ―クのグレ―ト・レ―クス・カ―ボン(Great Lakes Carbon)である。炭素質材料の量と種類は目的とする特定の複合材によって大きく変化し、経験的に決定することができる。
【００２２】
プリフォ―ムはチョップトファイバ―またはウィスカ―の形態の繊維質炭素をいくらか含有しているのが好ましい。このウィスカ―は、溶融ケイ素がウィッキング（毛管現象）によってプリフォ―ム中に溶浸するのを促進すると共に、溶浸剤と反応して炭化ケイ素を形成する炭素源である。良好なウィッキングを達成するには長いウィスカ―が望ましく、一方ウィスカ―の長さが短いとより密に詰まりプリフォ―ム中の充填すべき気孔が少なくなる。またこれらのウィスカ―によってプリフォ―ムの強度も得られる。チョップトファイバ―またはウィスカ―は繊維のアスペクト比、すなわち繊維の長さと直径の比によって記述することができる。ウィスカ―は、ウィッキングを促進すると共にプリフォ―ム中の他の成分と共に密に詰まってプリフォ―ム中に所望の気孔率をもたらすような平均アスペクト比を有するのが好ましい。また、ウィスカ―は溶融ケイ素との完全な反応を可能にするような平均直径を有するのが好ましい。たとえば、適したウィスカ―はアスペクト比が約５〜５０、繊維径が約０．５〜２５ミクロンである。アスペクト比が約５〜１５で、ウィスカ―直径が約３〜１０ミクロンであるのが最も好ましい。これらのウィスカ―は黒鉛質または非晶質であることができるが、非晶質が好ましい。ウィスカ―の密度は約１．２〜２．２ｇ／ml、好ましくは約１．２〜１．６ｇ／mlである。適切なウィスカ―を形成するには、ユニオン・カ―バイド(Union Carbide）から入手できる低密度炉絶縁タイプのＷＤＦカ―ボンフェルトを破砕し、たとえば約４０メッシュのワイヤメッシュスクリ―ンに対して選別することができる。綿、キトサンおよび竹を始めとする天然のセルロ―ス繊維を炭化することによって低密度炭素繊維を形成し、これを切断または破砕してウィスカ―を形成することができる。
【００２３】
炭素質材料はまた、元素状ケイ素と反応してケイ化物を形成する金属を含んでいてもよい。そのような金属の代表例はモリブデン、クロム、タンタル、チタン、タングステンおよびジルコニウムである。金属は炭素質材料の約２５容量％までになることがあり、約５容量％が好ましい。
またこの炭素質材料は、その約５０容量％までの量でセラミック材料を含んでいてもよい。セラミック材料はケイ素と反応することも反応しないこともあり、炭化物セラミックス、窒化物セラミックスまたはケイ化物セラミックスのようなセラミックスである。炭化物セラミックスは炭化ホウ素、炭化モリブデン、炭化ニオブ、炭化ケイ素および炭化チタンより成る群の中から選択される。窒化物セラミックスは窒化アルミニウム、窒化ニオブ、窒化ケイ素、窒化チタンおよび窒化ジルコニウムより成る群の中から選択される。ケイ化物セラミックスはケイ化クロム、ケイ化モリブデン、ケイ化タンタル、ケイ化チタン、ケイ化タングステンおよびケイ化ジルコニウムより成る群の中から選択される。
【００２４】
被覆された繊維と炭素質材料を混和するには、繊維の金属二ホウ化物被膜に与える損傷を最小にし、また存在する場合には繊維上の第二の被膜層に与える損傷を最小にするようにして行なう。混合は公知・常用の方法で実施することができる。ひとつの態様では、被覆された繊維を収容した金型内に炭素質材料のスラリ―をキャストして混合物を形成することができる。このスラリ―は、プリフォ―ムを形成する際に補助となる公知の結合手段（たとえばエポキシ樹脂）を含有する有機質スラリ―とすることができる。
【００２５】
この混合物は、多くの公知技術によって成形または賦形してプリフォ―ムまたは成形体とすることができる。たとえば、押出、射出成形、ダイプレス、静水圧プレスまたはスリップキャスティングによって所望の大きさと形状のプリフォ―ムを製造することができる。このプリフォ―ムは複合材の所望の大きさと形状であるのが好ましい。通常このプリフォ―ムと得られる複合材とでは寸法上重要な違いはない。混合物を成形する際に使用する潤滑剤、結合材、その他類似の物質は、溶浸温度より低い温度（５００℃以下が好ましい）に加熱すると分解して、得られる複合材の溶浸特性または機械的性質を劣化させる残渣を残さないようなタイプのものである。適切な結合材を用いると、得られる複合材の溶浸特性または機械的性質を劣化させることのない多孔質炭素付着物が残ることを理解されたい。
【００２６】
プリフォ―ムはその約２５〜約９０容量％の範囲の開放気孔をもっており、そのような開放気孔の特定の量は目的とする特定の複合材に大きく依存する。プリフォ―ムの開放気孔はプリフォ―ムの約３０〜約８０容量％、または約４０〜約６０容量％の範囲であることが多い。プリフォ―ムの開放気孔とは、本明細書中ではプリフォ―ムの表面に開放していて周囲雰囲気または溶浸剤が内面にアクセスできるようになっている細孔、ボイドまたはチャンネルを意味する。プリフォ―ムは閉鎖気孔をもっていないのが好ましい。本明細書中で閉鎖気孔というのは、閉鎖されている細孔またはボイド、すなわちプリフォ―ムの表面に開放しておらず、したがって周囲雰囲気に接触しない細孔を意味する。ボイドまたは細孔の含有率、すなわち開放気孔と閉鎖気孔の両方の含有率は標準的な物理的・金属組織学的技術によって決定することができる。
【００２７】
プリフォ―ム中の細孔は小さくて約０．１〜約５０ミクロンの範囲であり、プリフォ―ム全体に渡って均一に分布しているのが好ましく、そうすると、マトリックス相が複合材全体に渡って均一に分布している複合材が得られる。
プリフォ―ムをケイ素溶浸手段に接触させることによりケイ素をプリフォ―ム中に溶浸させて、溶融ケイ素溶浸形成された炭化ケイ素マトリックスを形成する。この溶浸手段によりケイ素はプリフォ―ム中に溶浸することができる。たとえば、ケイ素と接触していて溶融ケイ素のプリフォ―ム中への溶浸を可能にする手段と接触したプリフォ―ムからなる構造体または集合体を形成する。ひとつの溶浸技術ではプリフォ―ムを元素状炭素の織布上に載せ、この織布上に一片のケイ素も載せ、そして得られた構造体を溶浸温度に加熱する。この溶浸温度で溶融したケイ素は布に沿って移動してプリフォ―ム中に吸込まれる。溶浸後ウィッキング炭素布はダイヤモンド研削によって複合材から外すことができる。
【００２８】
別の技術では、元素状ケイ素を保持するタンクと溶浸穴を有する金型を含む集合体を開示している米国特許第４，６２６，５１６号（援用する）に記載されているようにしてケイ素溶浸手順を実施することができる。プリフォ―ムを金型内に入れ、溶浸穴に炭素ウィック（芯）を装着する。このウィックをプリフォ―ムに接触させると共にケイ素に接触させる。溶浸温度において溶融したケイ素がウィックに沿ってプリフォ―ム中に移動する。
【００２９】
米国特許第４，７３７，３２８号（援用する）には、ケイ素と六方晶系窒化ホウ素からなる粉末混合物にプリフォ―ムを接触させ、得られた構造体をケイ素が流体になる温度に加熱し、流体ケイ素をプリフォ―ム中に溶浸させることからなる別の溶浸技術が開示されている。溶浸後得られた多孔質六方晶系窒化ホウ素粉末はブラシを用いて複合材から払い落とす。
【００３０】
簡単な正方形や長方形の形状をしたプリフォ―ムは、このプリフォ―ム上に直接ケイ素を載せ、ケイ素が流体になる温度に加熱することによって溶浸させることができる。溶融したケイ素はプリフォ―ム中に吸込まれて溶浸する。
プリフォ―ムおよび溶浸構造体または集合体を不活性雰囲気または部分的真空中で溶浸温度に加熱する。適した不活性雰囲気には、アルゴン、または水素や一酸化炭素のような還元性雰囲気が包含される。溶融ケイ素と反応する酸素や窒素のような雰囲気は避ける。部分的真空の残りの雰囲気は不活性でなければならず、たとえばアルゴンまたは一酸化炭素のような還元性雰囲気である。加熱を開始する前に部分的真空にするのが好ましい。部分的真空は、少なくともガスポケットの取込み（混入）を回避するのに充分であり、溶浸形成された複合材中の気孔を最小にする。一般にそのような部分的真空は、溶浸中のプリフォ―ムから発生するガスを除去するために約０．０１〜約２トルの範囲であり、普通は約０．０１〜約１トルの範囲である。
【００３１】
使用する炉は炭素炉、すなわち本質的に元素状炭素から構築された炉である。そのような炉は炉雰囲気中の酸素と反応してＣＯやＣＯ₂を生成し、そのため非酸化性雰囲気が生じるので残留ガス、プリフォ―ムおよび溶浸剤間の反応が最小になる。溶浸を空気中で実施することはできない。というのは、ケイ素の侵入が相当量起こる前に液体ケイ素が酸化されて稠密なシリカ被膜が形成されてしまうからである。炭素炉を使用しない場合、非酸化性雰囲気とするために酸素と反応する物質（たとえば、元素状炭素）を炉チャンバ内に存在させるのが好ましい。また、溶浸プロセスに対して不活性な他の非酸化性雰囲気を約１０^-2〜２トルの部分的真空で使用することができる。
【００３２】
溶浸を実施する温度は、ケイ素が溶融している温度であるが、ケイ素溶浸剤が繊維や繊維上の金属窒化物被膜に損傷を与え始める温度よりは低い。溶融ケイ素は粘度が低い。ケイ素の融点は、存在し得る特定の不純物に応じて大きく変化し得る。溶浸温度は約１４００〜約１５５０℃、好ましくは約１４２５〜約１４５０℃の範囲である。プリフォ―ム中へのケイ素の浸透速度はケイ素溶融体によるプリフォ―ムの濡れ性および溶融体の流動性に依存する。溶浸温度が高くなると、溶融ケイ素がプリフォ―ムを濡らす能力が改善される。
【００３３】
プリフォ―ムと反応し、溶浸形成された炭化ケイ素マトリックスを生成するのに充分なケイ素をプリフォ―ム中に溶浸させる。特に、溶融ケイ素は可動性であり元素状炭素との反応性が極めて高い。すなわち、溶融ケイ素は元素状炭素に対する親和性をもっており、炭素を濡らしてそれと反応して炭化ケイ素を形成する。また溶融ケイ素は、それと反応してケイ化物を形成するような金属に対する親和性も有している。さらに、複合材中に残留している可能性がある細孔またはボイドを充填するのに充分なケイ素をプリフォ―ム中に溶浸させる。
【００３４】
プリフォ―ムは実質的に純粋なケイ素で溶浸することもできるし、または繊維上の被膜中の金属を得られる複合材の溶浸または機械的特性を劣化させない程度までの量で含む溶融ケイ素で溶浸することもできる。本明細書中で使用する「溶融ケイ素」という用語は、本質的に元素状のケイ素を意味するが、約１０原子％まで、好ましくは５原子％まで、最も好ましくは１原子％までで繊維上の被膜中の金属（すなわちチタン、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、ニオブ、タンタル、ホウ素、モリブデンまたはタングステン）を含んでいてもよい。繊維上の被膜中の金属を含む溶融ケイ素による溶浸では溶浸する溶融ケイ素と繊維の被膜との間の反応が低下または最少化させられる。
【００３５】
ケイ素による溶浸に必要な時間は経験的に決定することができ、プリフォ―ムの大きさや所要とする溶浸の程度に大きく依存する。通常は約２０分未満に完了し、約１０分未満のことが多い。
得られた溶浸体をその内部の酸化、割れ、その他の欠陥の生成を最小にする雰囲気・速度で冷却する。不活性雰囲気または部分的真空中でほぼ室温まで炉冷するのが好ましく、得られた複合材を回収する。
【００３６】
こうして溶浸形成された複合材は、複合材の約２０容量％未満、好ましくは約１０容量％未満または５容量％未満、より好ましくは約１容量％未満の気孔率をもっている。複合材がボイドや細孔をもっていないかまたは有為なもしくは検出可能な気孔率をもたないのが最も好ましい。複合材中に存在し得るボイドや細孔はすべて小さくて（好ましくは約５０ミクロン未満または約１０ミクロン未満である）複合材中でほぼ均一に分布しているのが好ましい。特に、ボイドや細孔は、複合材の機械的性質に与える影響が最小になるように、複合材全体に渡って均一に分布している。
【００３７】
本発明の複合材は金属窒化物で被覆された繊維と溶融ケイ素で溶浸形成された炭化ケイ素マトリックスとから構成されている。このマトリックスは金属窒化物で被覆された繊維全体に渡って分布していて、マトリックスが空間を充填して相互に接続するようになっている。金属窒化物で被覆された繊維は全体がマトリックスで覆われているのが好ましい。繊維は複合材の少なくとも約５容量％、または少なくとも約１０容量％を占める。マトリックスはその場で形成された炭化ケイ素相を複合材の約５〜９０容量％、または約１０〜８０容量％、または約３０〜６０容量％、または約４５〜５５容量％の量で含有している。またマトリックスは、元素状ケイ素相を複合材の約１〜３０容量％の量で含有していてもよい。炭化ケイ素相は複合材全体に渡って分布しており、均一に分布しているのが好ましい。
【００３８】
ひとつの態様ではマトリックス中の元素状ケイ素相がチタン、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、ニオブ、タンタル、ホウ素、モリブデンまたはタングステンを含まない。別の態様では、溶融ケイ素中にチタン、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、ニオブ、タンタル、ホウ素、モリブデンおよびタングステンの群の中から選択された元素が、検出可能な量から、元素状ケイ素相の約１０原子％まで、好ましくは５原子％まで、最も好ましくは１原子％までの範囲で溶解している。ケイ素相に溶解しているチタン、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、ニオブ、タンタル、ホウ素、モリブデンまたはタングステンを検出またはその量を測定するには、微小分析やオ―ジェ電子分光法のようにより感度が高い技術が必要となるかもしれない。
【００３９】
溶浸形成されたマトリックスは、モリブデン、クロム、タンタル、チタン、タングステンまたはジルコニウムの金属ケイ化物の相を、複合材の約３０容量％まで含有していてもよい。この金属ケイ化物は複合材全体に分布しており、均一に分布しているのが好ましい。
また溶浸形成されたマトリックスはケイ化物を形成するが溶浸剤のケイ素とはまだ反応していない金属の相を含有していてもよい。そのような場合、金属は金属ケイ化物相内に閉込められることになろう。このような金属は複合材の約０．５〜約５容量％の範囲とすることができる。金属は複合材全体に渡って分布しており、均一に分布しているのが好ましい。
【００４０】
複合材は前に議論した炭化物セラミックス、窒化物セラミックスまたはケイ化物セラミックスの群の中から選択されたセラミック材料の相を含有していてもよい。このセラミック材料は複合材の約５０容量％まで、または約１〜約３０容量％を占めることができる。セラミック材料は複合材全体に分布しており、均一に分布しているのが好ましい。
【００４１】
複合材の溶浸形成された炭化ケイ素マトリックスは、溶浸剤ケイ素とまだ完全には反応していない黒鉛構造（すなわち反応性の低い炭素）を大量にもつ元素状炭素の相を含有していてもよい。このような場合このタイプの炭素は全体が、その場で形成された炭化ケイ素の相によって閉込められている。このような黒鉛構造を含有する元素状炭素は一般に複合材の約０．５〜約１０容量％、または約１〜約５容量％の範囲であることができる。この黒鉛構造を含有する元素状炭素は複合材全体に分布しており、均一に分布しているのが好ましい。
【００４２】
複合材は、少なくとも、その場で形成された炭化ケイ素によって結合されている。またその場で形成された金属ケイ化物によっても結合されることがある。さらにまた、元素状ケイ素によっても、またはケイ素とセラミック材料との間でその場で形成された結合によっても結合されることがある。
複合材中の被覆された繊維は金属窒化物で被覆されている。この金属炭化物は走査型電子顕微鏡で検出可能であり、厚さはそのような検出可能量から約５ミクロンまでの範囲であることができ、約０．５〜約１．５ミクロンの範囲であることが多い。被膜は、金属窒化物被膜上に、金属窒化物、金属ケイ化物、金属炭化物および金属二ホウ化物より成る群の中から選択された第二の層を含んでいてもよい。炭素、またはケイ素と反応してケイ化物を形成する金属からなる第二の層を繊維上に施した場合、この第二の層は溶融ケイ素溶浸剤と反応してマトリックスの一部となる。この金属窒化物被膜によってもたらされる複合材中の金属窒化物の特定の量は、被覆された繊維の存在量、金属窒化物被膜の厚み、および繊維の直径に大きく左右される。したがって、被膜によってもたらされる金属窒化物の体積分率は、複合材の他のすべての成分の体積分率の残りである。しかし、ひとつの態様においては、複合材中の繊維上の金属窒化物被膜は、金属窒化物で被覆された繊維の合計体積の約１容量％未満〜約３０容量％、または約１〜約１０容量％の範囲である。別の態様の場合、繊維上の金属窒化物被膜は複合材の１容量％未満〜約２０容量％、または約１容量％〜約５容量％の範囲である。
【００４３】
金属窒化物で被覆された繊維の繊維成分は、複合材の約５〜約７５容量％未満、または約１０〜約７０容量％、または約１５〜約６５容量％未満、または約２０〜約５０容量％の範囲である。金属窒化物で被覆された繊維は複合材全体に渡って分布しており、複合材全体に渡って均一に分布しているのが最も普通である。しかし、場合によっては、複合材のより高い部分的強度または剛性が望まれる領域で、金属窒化物で被覆された繊維の充填割合を高くした方が望ましいことがある。たとえば、バルブステムのように長くて薄い部分を有する構造では、その構造体のステム領域の金属窒化物で被覆された繊維の体積分率を増大することによってステムを強化するのが有利である。
【００４４】
複合材中の金属窒化物で被覆された繊維はその複合材に大きな靭性を付与する。特に、金属窒化物で被覆された繊維は室温（すなわち２５℃）において複合材の脆性破壊を最小にする。本明細書中で複合材の脆性破壊とは、複合材全体が破断面で割れて分離してしまうことを意味する。そのような脆性破壊に対して、本発明の複合材では、繊維の被膜により繊維とマトリックスの望ましいデボンディングが得られるので、室温での破断に際して繊維のプルアウトを示す。特に、本発明の複合材が割れると、金属窒化物で被覆された繊維のうち通常は少なくとも約１０容量％、しばしば少なくとも約５０容量％、好ましくはすべてが破断面で破壊されず、代わりにマトリックスから引出される（プルアウト）。このようにして、マトリックス中でクラックにより複合材全体に伝達される応力はそのクラックの通路内の繊維の長さに沿って分配される。この繊維の長さに沿った応力の分配により、亀裂先端における応力が大きく低下し、マトリックス全体に対するクラックの伝播が少なくなる。
【００４５】
本発明のひとつの特別な利点は、従来製造不可能と思われていたか、または機械加工処理を必要とすると思われていた広範囲の大きさと形状の複合材を直接製造できるということである。たとえば、複合材は約１インチ未満程度の短さでも、または望み通りに長くすることも可能である。その幾何学的形状は単純なもの、複雑なもの、または中空のものいずれでもよい。たとえば、管状または中空のシリンダ―、リング、球、または一端に鋭い先端を有する棒の形態で製造することができる。本発明の複合材は所定寸法の所定形状で製造することができるので機械加工はほとんどまたはまったく必要ない。
【００４６】
本発明の複合材は、主にその特定の組成に応じて広範囲の用途をもっている。たとえば、耐摩耗性部品、ベアリングもしくはツ―ルインサ―ト、音響部品、または高温構造部品として使用することができる。
【００４７】
【実施例の記載】
以下の実施例によって本発明をさらに例示する。以下の実施例では特に断わらない限り次の材料と装置を使用する。プリフォ―ムバインダ―は硬化剤を含有する「イ―ポン(Epon)８２８」である。「イ―ポン(Epon)８２８」は、エピクロロヒドリンとビスフェノ―ルＡとの反応で形成される樹脂であって、室温で液体であり、エポキシド当量は１８５〜１９２である。イ―ポン(Epon)８２８は１３００℃以下で完全に分解する。硬化剤は、通常ＤＴＡといわれる液体のジエチレントリアミンであり、イ―ポン(Epon)８２８を硬化させて固化させる。複合材を成形するのに使用する炭素抵抗炉はベルジャ―真空系内に入れる。
【００４８】
実施例１
米国マサチュ―セッツのテキストロン(Textron）から入手した直径１４０ミクロンの炭化ケイ素繊維（商品名ＳＣＳ−０）の上にスパッタリングすることによって約１ミクロンの窒化ケイ素被膜を設けた。炭素粉末１１重量部、１：１の割合のエポキシ樹脂とキシレンからなる溶液１７重量部、およびＤＴＡ触媒０．８８重量部を手で掻き混ぜることによってスラリ―を調製した。被覆された繊維を真空鋳造用金型の中に入れ、繊維の回りと上にスラリ―を注ぎ入れた。金型の一端から約１００トルの真空に引くことによって金型内の液体を除いた。残ったプリフォ―ムとその中に埋まっている被覆された炭化ケイ素繊維を赤外ランプの下で２４時間乾燥させてエポキシを硬化させた。
【００４９】
乾燥したプリフォ―ムを真空炉に移し、一片の炭素織物の上にセットした。プリフォ―ムと炭素織物中の炭素の重量の３倍の量のケイ素を、このケイ素が直接プリフォ―ムと接触しないようにして炭素織物の上に載せた。このプリフォ―ムを約２℃／分で５００℃まで加熱してエポキシを熱分解させ、約１０℃／分で１４２５℃まで加熱した。１４２５℃の温度に１５分間保ち、ケイ素を溶融させてプリフォ―ム中に溶浸させた。溶浸されたプリフォ―ムを炉冷した。この複合材の断面を磨いて金属組織学的な検査にかけたところ、繊維の目に見えるほどの劣化はまったくなく、マトッリクスと窒化ケイ素被膜との間に明らかな境界が存在していた。
【００５０】
実施例２
ブライハム・ヤング大学(Brigham Young University)物理学科において化学蒸着により、米国マサチュ―セッツのテキストロン(Textron）から入手した直径１４０ミクロンの炭化ケイ素繊維（商品名ＳＣＳ−６）の上に約２ミクロンの窒化ケイ素被膜を設けた。この窒化ケイ素で被覆された繊維をプリフォ―ム中に配合し、実施例１に記載したようにしてケイ素で溶浸して炭化ケイ素繊維強化複合材を形成した。この複合材の断面を磨いて金属組織学的な検査にかけたところ、繊維の目に見えるほどの劣化はまったくなく、マトッリクスと窒化ケイ素被膜との間に明らかな境界が存在していた。
【００５１】
繊維のプッシュアウト試験により繊維とマトリックスの結合の程度を測定した。複合材を繊維の方向と垂直に１mmスライスして複合材から切出した。プッシュアウト応力を、マトリックスから繊維の直径の３／４だけ繊維を押出すために必要な応力として測定した。繊維のプッシュアウト応力は約７７ＭＰａであった。

Claims

ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの混合物より成る群の中から選択される金属の窒化物からなる連続した被膜を有する炭化ケイ素繊維からなる強化用繊維と、溶融ケイ素で溶浸形成された炭化ケイ素マトリックスとからなる複合材。
被膜が、金属窒化物被膜の上に、金属炭化物、金属ケイ化物、金属窒化物および金属二ホウ化物より成る群の中から選択される第二の層を有する、請求項１記載の複合材。
金属窒化物が、ケイ素、アルミニウムおよびこれらの混合物より成る群の中から選択される、請求項１記載の複合材。
被膜が、窒化ホウ素、二ホウ化チタン、二ホウ化ジルコニウムおよび二ホウ化ハフニウムより成る群の中から選択される被膜の第二の層を有する、請求項３記載の複合材。
被膜が、炭素からなる第三の層を有する、請求項２記載の複合材。
被膜が、炭素からなる第三の層を有する、請求項４記載の複合材。
炭化ケイ素繊維を有する繊維強化複合材の製造方法であって、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの混合物の中から選択した金属の窒化物からなる連続した金属窒化物被膜を前記炭化ケイ素繊維上に設け、被覆された繊維と炭素質材料を混和して、得られる混合物の少なくとも５容量％が被覆された繊維となるようにし、この混合物をプリフォ―ム（プリフォームの約２５〜約９０容量％の範囲の開放気孔率を有する）に成形し、不活性雰囲気または部分的真空中でプリフォ―ムを加熱し、加熱されたプリフォ―ムに溶融ケイ素を溶浸させて前記複合材の組成を有する溶浸製品を製造することからなる方法。
被膜を設ける工程が、さらに、金属窒化物被膜の上に炭素、ケイ素と反応してケイ化物を形成する金属、金属炭化物、金属ケイ化物、金属窒化物および金属二ホウ化物より成る群の中から選択した第二の被膜を設けることを含んでいる、請求項７記載の方法。
被膜を設ける工程が、さらに、被覆された繊維の上に炭素の第三被膜を設けることを含んでいる、請求項８記載の方法。