JP4460239B2 - ＳｉＣ質構造体 - Google Patents
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Description
本発明は、大型軽量化ミラーやステージなどに好適なＳｉＣ質構造体に関する。
ＳｉＣおよびＳｉＣ-Ｓｉ複合材料は金属材料に比べて軽量であり、さらに耐熱性、耐摩耗性、耐食性などに優れていることから近年、高温耐食部材や耐摩耗部材として注目されている。さらに、高剛性、高ヤング率という物性にも注目され、寸法精度を高く維持・安定するようなミラーの台座や各種測定機器のステージとしての利用が期待されている。しかしながら、これら複合材料の比重は金属に比べて軽量ではあるものの３以上であり、さらなる軽量化が求められている。
そのため、構造的にさらなる軽量化を図ることができるハニカム構造体を利用することが試みられている。具体的には、ＳｉＣハニカム構造体の上下面に緻密なＳｉＣ表面板を持つ構造体が高剛性、高ヤング率という物性を有するものとして提案されており、その構造体の製造方法として、表面板とコア材のそれぞれについてＳｉＣ質前駆体を作製し、それぞれを一体化させた後、ＳｉＣ質を反応生成させる方法が提案されている。
例えば、特許文献１には、まず、有機マトリックスと繊維強化材を備えるハニカム構造プリフォームを熱分解・炭化し、そのプリフォームの炭素をケイ化物化し、微孔質ＳｉＣ中心材を得、その後浸透型のＳｉＣの化学的蒸気相により強化し、次いで得られたハニカム構造体とフェルト型シートを一体化してＳｉＣサンドイッチパネル構造体を製造する方法が提案されている。このようにＳｉＣの化学的蒸気相により強化されたハニカム構造体には圧力が加えられ、フェルト型シートに圧入され、一体化したサンドイッチパネル構造体が得られる。
しかしながら上述の特許文献１の技術によって得られたサンドイッチパネルにおいては、表面板とコア材との接合部はケイ化物化工程時の生成物のみによって接合されており、それらの接合強度はハニカム構造を有するコア材と表面板の接点のみによって発現されているため、コア材と表面板の接合面積が小さく、接合強度は小さくならざるを得ない。特に肉厚の薄いコア材を用いた場合には表面板とコア材が剥離破損するという問題が発生する。
特開平８−３１０８６６号公報
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、ハニカム構造を有するコア材と、その少なくとも一方側に設けられた表面板とを有し、コア材と表面板とが剥離破損しにくいＳｉＣ質構造体を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、ＳｉＣ質構造体のコア材と表面板との間にＳｉＣ粒子と金属Ｓｉの複合材料層を形成すればこれらの間の接合強度が十分に強く、その間で剥離破損が生じ難いことを見出した。
すなわち本発明は、ＳｉＣ質材料で構成され、ハニカム構造を有するコア材と、このコア材の少なくとも一方側に設けられ、ＳｉＣ質材料で構成された表面板とを有するＳｉＣ質構造体であって、前記コア材と前記表面板との間にＳｉＣ粒子と金属Ｓｉの複合材料層が形成され、前記複合材料層において、ＳｉＣ粒子の割合が１０体積％以上９５体積％未満であり、ＳｉＣ粒子の平均粒径が１５０μｍ以下であることを特徴とするＳｉＣ質構造体を提供する。
本発明によれば、ＳｉＣ質材料からなるハニカム構造のコア材と表面板がＳｉＣ粒子と金属Ｓｉの複合材料層により強固に接着した構造のＳｉＣ質構造体が得られる。これにより、結果的に軽量でかつ高剛性、高ヤング率の構造体を得ることができる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１の（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態に係るＳｉＣ質構造体を示す側面図である。この中で（ａ）はハニカム構造を有するコア材１の一方側（ステージとして用いる場合には載置面側）のみに表面板２を設けた構造体とした例を示し、（ｂ）はコア材１の両側に表面板２を設けてサンドイッチパネル状の構造体とした例を示す。これらコア材１および表面板２はいずれもＳｉＣ質材料で構成されている。ＳｉＣ質材料としては、ＳｉＣ単体でもＳｉＣ−Ｓｉ複合材料であってもよい。上記構造体のうち構造的には（ｂ）のほうが剛性が高いが、表面板２を載置面とするステージ等の用途には（ａ）の構造体を用いることができる。
図１の（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態に係るＳｉＣ質構造体を示す側面図である。この中で（ａ）はハニカム構造を有するコア材１の一方側（ステージとして用いる場合には載置面側）のみに表面板２を設けた構造体とした例を示し、（ｂ）はコア材１の両側に表面板２を設けてサンドイッチパネル状の構造体とした例を示す。これらコア材１および表面板２はいずれもＳｉＣ質材料で構成されている。ＳｉＣ質材料としては、ＳｉＣ単体でもＳｉＣ−Ｓｉ複合材料であってもよい。上記構造体のうち構造的には（ｂ）のほうが剛性が高いが、表面板２を載置面とするステージ等の用途には（ａ）の構造体を用いることができる。
図２は図１の（ｂ）の構造体の断面図である。この図に示すように、ハニカム構造を有するコア材１と表面板２との間には、ＳｉＣ粒子と金属Ｓｉの複合材料層３が形成されている。この複合材料層３の存在によりコア材１と表面板２が強固に接合される。
コア材１を構成するハニカム構造の目開きは、用途に応じて適宜決定すればよいが、３〜２０ｍｍであることが好ましい。目開きが３ｍｍよりも小さいと軽量化の効果が得難く、２０ｍｍよりも大きいと局部的なヤング率低下が生じてしまう。また、表面板２の厚さは、２〜２０ｍｍが好ましい。
次に、上記ＳｉＣ質構造体を得る方法の一例について説明する。
まず、ＳｉＣの前駆体である炭素質物質でハニカム構造のコア材に相当する部材および表面板に相当する部材をそれぞれ作製し、これらをＳｉＣ粒子を含むペーストによって接合し、一体型のプリフォームを得る。その後、この一体型のプリフォームに高温・真空あるいは高温・不活性雰囲気下でＳｉを溶融・含浸させる。これにより、ＳｉＣ質のコア材および表面板の間にＳｉＣ粒子と金属Ｓｉの複合材料層が形成されたＳｉＣ質構造体を得る。
まず、ＳｉＣの前駆体である炭素質物質でハニカム構造のコア材に相当する部材および表面板に相当する部材をそれぞれ作製し、これらをＳｉＣ粒子を含むペーストによって接合し、一体型のプリフォームを得る。その後、この一体型のプリフォームに高温・真空あるいは高温・不活性雰囲気下でＳｉを溶融・含浸させる。これにより、ＳｉＣ質のコア材および表面板の間にＳｉＣ粒子と金属Ｓｉの複合材料層が形成されたＳｉＣ質構造体を得る。
具体的には、まず、ＳｉＣの前駆体であるカーボン製の平板とハニカム構造物との接触部に、例えば平均粒径４０μｍのＳｉＣ８０質量％とカーボンペースト２０質量％を混練した接着剤を塗布し、これらを接合し、一体型のプリフォームを作製し、次いで、この一体型のプリフォームと金属ＳｉをＡｒガス雰囲気中で１６００℃に加熱し、金属Ｓｉを溶融させるとともにプリフォームに含浸させ反応させることにより、上記ＳｉＣ質構造体が得られる。
このように一体化したプリフォームにＳｉを含浸させ、コア材と表面板との間にＳｉＣ粒子と金属Ｓｉとを複合させた複合材料層を形成するので、コア材と表面板とが強固に接合され、これらが剥離破損するおそれが極めて小さい。
本発明においてコア材と表面板との間に介在する複合材料層のＳｉＣ粒子の割合は１０体積％以上９５体積％未満であることが好ましい。１０体積％未満では接合部の強度が低下するため好ましくない。また９５体積％以上のものは作製が困難である。
本発明においてコア材と表面板の間に介在する複合材料層のＳｉＣの平均粒径は１５０μｍ以下であることが好ましい。１５０μｍより大きいと強度が低下するため好ましくない。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく本発明の要旨の範囲内で種々変更可能である。例えば、上述した製造方法は例示であって、ＳｉＣ質のコア材と表面板の間にＳｉＣ粒子と金属Ｓｉからなる複合材料層が形成されれば他の方法であっても構わない。
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
（実施例１）
カーボンブラック粉末１００質量部にメチルセルロース１０質量部、水２０質量部を混練、押し出し成形しカーボンハニカム（目開き３ｍｍ正方形、壁厚さ０．５ｍｍ、５０ｍｍ×５０ｍｍ×Ｈ３０ｍｍ）を作製した。
カーボンブラック粉末１００質量部にメチルセルロース１０質量部、水２０質量部を混練、押し出し成形しカーボンハニカム（目開き３ｍｍ正方形、壁厚さ０．５ｍｍ、５０ｍｍ×５０ｍｍ×Ｈ３０ｍｍ）を作製した。
平均粒径１００μｍのＳｉＣ粉末１００質量部とアクリルバインダー１０質量部およびエタノール２０質量部を混練した接着剤を、上記カーボンハニカムのコア材と多孔質カーボン板の接着面に塗布し、金属ＳｉとともにＡｒガス雰囲気中で１６００℃に加熱した。その結果、ＳｉＣ質ハニカムの両側にＳｉＣ質表面板が配置され、それらの間にＳｉＣ粒子と金属Ｓｉとの複合材料層を有し、この複合材料層によりＳｉＣ質ハニカムとＳｉＣ質表面板が強固に接着されたサンドイッチパネルを得た。得られた複合材料層のＳｉＣ粒子の割合は４０体積％であった。このサンドイッチパネルの接合部を模擬してカーボン素材を上記接着剤で接着しＳｉを含浸させた試験片を作製し、その接合部を中心にして４点曲げ強度試験により接合強度を測定した結果、２２０ＭＰａと高い接着強度を示した。
（実施例２）
平均粒径０．８μｍのＳｉＣ粉末１０質量部とアクリルバインダー１００質量部およびエタノール２００質量部を混練した接着剤を用いたこと以外は実施例１と同様の方法および手段によりサンドイッチパネルを得た。得られた複合材料層のＳｉＣ粒子の割合は８体積％であった。実施例１と同様に試験片を準備し、４点曲げ強度試験により接合強度を測定した結果、強度は１５０ＭＰａであった。
平均粒径０．８μｍのＳｉＣ粉末１０質量部とアクリルバインダー１００質量部およびエタノール２００質量部を混練した接着剤を用いたこと以外は実施例１と同様の方法および手段によりサンドイッチパネルを得た。得られた複合材料層のＳｉＣ粒子の割合は８体積％であった。実施例１と同様に試験片を準備し、４点曲げ強度試験により接合強度を測定した結果、強度は１５０ＭＰａであった。
（実施例３）
平均粒径１８０μｍのＳｉＣ粉末を使用した以外は実施例１と同様の方法および手段によりサンドイッチパネルを得た。得られた複合材料層のＳｉＣ粒子の割合は５０体積％であった。実施例１と同様に試験片を準備し、４点曲げ強度試験により接合強度を測定した結果、強度は１６０ＭＰａであった。
平均粒径１８０μｍのＳｉＣ粉末を使用した以外は実施例１と同様の方法および手段によりサンドイッチパネルを得た。得られた複合材料層のＳｉＣ粒子の割合は５０体積％であった。実施例１と同様に試験片を準備し、４点曲げ強度試験により接合強度を測定した結果、強度は１６０ＭＰａであった。
（比較例）
接着剤を用いなかったこと以外は実施例１と同様の方法および手段によりサンドイッチパネルを得た。得られたＳｉＣ質ハニカムとＳｉＣ質表面板の間にはＳｉ層が介在していた。この比較例のサンドイッチパネルの接合部を模擬してカーボン素材同士を接着剤を用いずにＳｉを含浸させた試験片を作製し、その接合部を中心にして４点曲げ強度試験により接合強度を測定した結果、強度は８０ＭＰａであった。
接着剤を用いなかったこと以外は実施例１と同様の方法および手段によりサンドイッチパネルを得た。得られたＳｉＣ質ハニカムとＳｉＣ質表面板の間にはＳｉ層が介在していた。この比較例のサンドイッチパネルの接合部を模擬してカーボン素材同士を接着剤を用いずにＳｉを含浸させた試験片を作製し、その接合部を中心にして４点曲げ強度試験により接合強度を測定した結果、強度は８０ＭＰａであった。
以上の、実施例１〜３および比較例について、接着剤としての複合材料層の有無、複合材料層のＳｉＣ粒子の粒径、複合材料層のＳｉＣ粒子の割合、強度を表１にまとめて示す。
本発明のＳｉＣ質構造体は、ハニカム構造のコア材と表面板とがＳｉＣ粒子と金属Ｓｉとの複合材料により強固に接着されているので、結果的に軽量でかつ高剛性、高ヤング率のものとすることができ、大型軽量化ミラーやステージに好適である。
１ コア材
２ 表面板
３ 複合材料層
２ 表面板
３ 複合材料層
Claims (1)
- ＳｉＣ質材料で構成され、ハニカム構造を有するコア材と、このコア材の少なくとも一方側に設けられ、ＳｉＣ質材料で構成された表面板とを有するＳｉＣ質構造体であって、前記コア材と前記表面板との間にＳｉＣ粒子と金属Ｓｉの複合材料層が形成され、
前記複合材料層において、ＳｉＣ粒子の割合が１０体積％以上９５体積％未満であり、ＳｉＣ粒子の平均粒径が１５０μｍ以下であることを特徴とするＳｉＣ質構造体。
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