JP4658523B2 - 耐酸化複合材料 - Google Patents
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図1に本発明を適用した典型的な耐酸化複合材料(以下、単に、複合材料ということもある。)である炭素系材料を基体とする複合材料2の複合構造を示す。以下、図1を参照しながら説明する。
(基体)
本発明において基体4は特に限定しないで用いることができる。耐熱衝撃性と耐酸化性とが期待される観点からは、炭素系材料などの被酸化性材料を基体4として用いることが好ましい。炭素系材料を基体4として用いた場合、炭素が電磁誘導によってそれ自体発熱するため発熱体材料として用いることもできる。ここで、炭素系材料は、炭素元素を含有して構成される全ての材料を包含するものとする。かかる材料としては、例えば、炭素粉末、等方性黒鉛、炭素系繊維等およびこれらと他のセラミックス材料とを複合化した炭素系複合材料や炭素系材料を2種以上を複合した炭素系複合材料を挙げることができる。例えば、炭素系繊維複合材料としては、炭素繊維と炭素マトリックスとを有する複合材料、炭素繊維とSiCマトリックスとを有する複合材料、SiC繊維とSiCマトリックスとを有する複合材料を挙げることができる。なかでも、炭素繊維と炭素マトリックスとを有する複合材料を好ましく用いることができる。なお、基体4として、電磁誘導により発熱するセラミックス系材料を用いることもできる。
複合材料2は緻密質ガラス層8を基体4側に密着性よく結合するための結合層6を備えることができる。結合層6を備えることで、緻密質ガラス層8の密着性を高めることができ、結果として優れた耐酸化性を複合材料2に付与することができる。特に、炭素系の基体4表面に緻密質ガラス層8を付与しようとする場合には、基体4の表面においてガラスに対する濡れ性を確保するような結合層6を設けることが好ましい。結合層6の好ましい組成は、緻密質ガラス層の種類によって異なるが、それ自体少なくとも基体4と緻密質ガラス層8に対して濡れ性が高いことが好ましい。また、耐酸化性を備えていることが好ましい。このような観点からすると、例えば、基体4が炭素系材料である場合、結合層6は、好ましくは、Si、SiC、Si3N4、SiC、MoSi2等のSiを含有する化合物層とすることができる。特に、前記緻密質ガラス層8がSiO2を含有する場合には、結合層6はSi3N4および/またはSi2N2Oを含有することが好ましい。またSi2N2Oのみからなることも好ましい。結合層6がSi3N4を含有し、緻密質ガラス層がSiO2を含有するガラス相等を有するとき、緻密質ガラス層の溶融被覆工程において、CO=1気圧のときの酸素の平衡圧下では、Si3N4はガラスと反応してSi2N2Oを生成する。また、結合層6をSiやSiCで形成するときと異なりクリストバライトの生成を伴わない。これらのことから、結合層6としてSi3N4を含有することで密着性と濡れ性とに優れた緻密質ガラス層8を形成することができる。
緻密質ガラス層8は、腐食種の拡散を抑制可能に形成されている。ここでいう腐食種は、酸素の他、水(水蒸気を含む)である。緻密質ガラス層8は、酸素、水蒸気に対して優れた化学的安定性を有する化合物で形成されることが好ましい。また、基体4と同程度の熱膨脹係数であることが好ましい。基体4の熱膨張係数と同程度とすることで、異相界面の熱応力の発生を抑制し、密着性を向上させることができる。例えば、基体4を炭素系材料とするとき、緻密質ガラス層8の熱膨脹係数(室温〜900℃)は1×10−6℃−1以上8×10−6℃−1以下であることが好ましい。
多孔質ガラス層10は、緻密質ガラス層8の表層に備えられている。多孔質ガラス層10は、複合材料2に耐熱衝撃性を付与する観点からは、複合材料2の表層のほぼ全体を均一に被覆していることが好ましい。多孔質ガラス層10は、後述するように緻密質ガラス層8の表層側(オキシナイトライド層)を酸化させることで多孔質化して得られる層である。したがって、そのガラス組成は、基本的に緻密質ガラス層8に由来しており、緻密質ガラス層8とほぼ同一かあるいは近似したものとなっている。ここで、緻密質ガラス層8が上記のM(Y、ScあるいはLa)−Al−Si−O系ガラスである場合、多孔質ガラス層10のガラス組成は、緻密質ガラス層8とほぼ等しくなる。すなわち、多孔質ガラス層10と緻密質ガラス層8との間において、両ガラス層を構成する構成成分(金属酸化物としての)が完全に一致するとともに、ぞれぞれのガラス層のガラス組成の全体を100としたときの両ガラス層の各構成成分の重量比率を比較したとき、同一構成成分間における重量比率の最大差が±5以下とすることができる。これは、かかるガラス組成の緻密質ガラス層8とする場合、多孔質ガラス層10は、緻密質ガラス層8の表層側に予め窒素を固溶してオキシナイトライドガラス相を形成させ、その後、これらのガラス相から窒素をNOxガスとして脱離させるとともにガラス相を粘性流動させて多孔質化して形成するからであり、多孔質化した後のガラス組成は、固溶前のガラス組成に基本的に一致するからである。
本発明の複合材料の製造方法は、基体の表層側に腐食種拡散抑制可能な緻密質ガラス層であって少なくともその表層に該緻密質ガラス層の酸化によりガス化する成分を含有するガス化成分含有層を有する緻密質ガラス層を備える複合材料前駆体を作製する多孔質ガラス前駆体作製工程と、酸化性雰囲気下前記ガス化成分含有層を加熱して前記ガス化成分を前記ガス化成分含有層から揮発させて多孔質化する多孔質ガラス層形成工程と、を備えている。以下、結合層形成工程、多孔質ガラス前駆体作製工程および多孔質ガラス層形成工程について説明する。
この複合材料前駆体作製工程において用いる基体4は、得ようとする複合材料2の形態に対応した形態を有することができる。例えば、電磁誘導発熱体として用いる複合材料2の形態としては、図2に示すような加熱媒体の流路となりうる貫通孔4aを有する形態とすることが好ましい。
基体4の表面側に緻密質ガラス層8を備えるにあたっては、既に述べたように結合層6を付与することが好ましい。結合層6は、ディッピング法、塗布法、スプレー法等、浸透法、溶射法等、各種方法により形成することができる他、厚さを精度よくコントロールするには、炭素系基体4表面等へのCVD法等の蒸着法などの物理的化学的成膜法、前駆体化合物溶液の含浸及び熱分解による方法を採用することが好ましい。
基体4の表層側に緻密質ガラス層8と多孔質ガラス前駆体層とを備えた2層構造を作製するには、始めに得ようとする緻密質ガラス層8の組成に対応したガラス組成物を調製し、このガラス組成物を用いてディッピング法、塗布法、スプレー法等、溶融含浸法、溶射法等の各種方法を用いることができる。なかでも、基体4に対する緻密質ガラス層8の被覆性を高めるには、溶融させたガラス組成物中に基体4を浸漬して含浸させることで基体4の表面を緻密質ガラス層8で被覆する溶融含浸法を採用することが好ましい。
多孔質ガラス層形成工程では、前記多孔質ガラス前駆体作製工程で作製した前駆体の前記ガス化成分含有層を酸化性雰囲気下で前記緻密質ガラス層のガラス転移点温度以上に加熱して前記ガス化成分を前記ガス化成分含有層から揮発させて多孔質化して多孔質ガラス層10を形成する。ガス化成分としての窒素は、酸化性雰囲気においてガス化反応が進行し、NOxの気泡を形成して粘性流動状態のガス化成分含有層から揮発して、ガス化成分含有層に孔部を形成する。この工程において用いられるガス化反応が進行する雰囲気としての酸化性雰囲気における酸化剤ガス種としては、酸素および/または水蒸気を用いることができる。特に、酸素と水蒸気とを組み合わせて用いることで、多孔質化を短時間で行うことができる。
次に、図2に示す炭素系基体4の表層側に結合層6と緻密質ガラス層8と多孔質ガラス層10とを備える複合材料2の製造例について説明する。この製造例においては、表面に結合層6を形成した炭素系基体4を結合層6を付与していない上型20aと下型20bからなり成形用キャビティ21を形成する炭素製成形型20の下型20bにセットし、さらに貫通孔4a内部には、炭素系基体4と同様に結合層6を形成したピン状の炭素製インサート30をセットし、Y−Al−Si−O−N系のガラス組成物を充てんして上型20aでキャビティ21を閉じ、Y−Al−Si−O−N系のガラス組成物が充てんされたガラス溶融器中に埋設する。炭素製インサート30の外径は、貫通孔4aの内表面に所望の厚さで緻密質ガラス層8を付与可能な大きさに形成されている。また、炭素製インサート30の長さは、炭素製成形型20のキャビティ21の内部高さにほぼ一致しており、炭素製インサート30の上面32aと底面32bとは、上型20aと下型20bとを閉じてキャビティ21を形成したとき、それぞれ上型20aの成形上面と下型20bの成形下面とに接触する長さとなっている。
本発明の一つの形態によれば、緻密質ガラス部とその表層の少なくとも一部を占める多孔質ガラス層とを備えるガラス系材料が提供される。このガラス系材料は、複合材料における緻密質ガラス層と同様のガラス組成のガラス組成物を溶融し表層の少なくとも一部にガス化成分含有層を有する所望のガラス成形物を得て、このガス化成分含有層を酸化して多孔質化することで多孔質ガラス層を形成することによって作製することができる。緻密質ガラス部については既に述べた複合材料の緻密質ガラス層に用いることのできるガラス組成を採用することができるとともに、同様にしてその表層側にガス化成分含有層を形成して最終的に多孔質ガラス層を形成することができる。
1)炭素系複合材料の作製
炭素系基体としてのカーボン板(Carbonics社製ET−10、直径46mm×厚さ3mmの円板、厚さ方向に直径7mmの貫通孔を同芯円状に配置されている)と緻密質ガラス層被覆用のインサートであるカーボンピン(直径4.5mm)とを超音波洗浄した後、減圧中にて2000℃×2時間処理した。この熱処理により、Carbon中の不純物を除去した。次に、このカーボン板およびカーボンピンにSi−N前駆体を用いて結合層を付与した。Si−N前駆体には、Clariant Japan製のPerhydropolysilazane(PHPS)溶液(NN110、20wt%−PHPS、キシレン溶媒)を使用した。この前駆体溶液中にカーボン板とカーボンピンとを減圧含浸し、その後、窒素中(0.1MPa)において熱分解(600℃×1時間)を行った。この前駆体含浸−熱分解サイクルを3回繰り返した。Si−N結合層は600℃熱分解の段階では非晶質であるが、次段のガラス溶融被覆温度に昇温することでSi3N4を主成分とする結晶層に変化する。結晶化前の時点での結合層の厚さは約5μmであった。
なお、質量変化量(ΔW、wt%)は次式(1)で算出した。
このガラス粉末は、ナカライテスク(株)製のSiO2粉末(試薬特級)と住友化学工業(株)製のAl2O3粉末(商品名:「AKP−50」)と第一希元素化学工業(株)製のY2O3粉末(商品名:「NRN」)を、SiO2:Al2O3:Y2O3=46:21:33(wt%)になるように混合した後、この混合粉末を白金容器内において大気中1380℃で15時間保持し溶解させた後、室温にまで急冷させて作製した。得られたガラス塊をアルミナ乳鉢・乳棒を用いて粉砕し、ガラス粉末を得た。この組成のガラス転移温度は889℃であり、多孔質化処理のための高温水蒸気曝露温度を900℃とした。炭素系基体及び当該ガラスの熱膨脹係数は、約3.9×10−6℃−1であった。
作製した炭素系複合材料について、界面観察と化学組成とを分析した。図3に、カーボン板の表層の断面の走査型二次電子(SEM)像を、図4に多孔質ガラス層の気孔径分布を示す。被覆層の表面近傍には、約150μmの厚さの多孔質ガラス層が形成されていた。多孔質層中の気孔は0.5〜4.0μm程度の球状を呈していた。SEM画像処理により求めた気孔率は37%、平均気孔径は1.9μmであった。なお、気孔率及び平均気孔径については、画像処理ソフト(Scion Corporation製Scion Image)を用いて行った。また、多孔質層の化学組成をエネルギー分散型分光法(EDS)により定量した結果、表1に示すように、その下層にある緻密質ガラス層の化学組成と同じであり、それらは、原料粉末の酸化物組成とも一致していた。このことからも多孔質ガラス層と緻密質ガラス層間の密着性は非常に優れることが容易に予想された。
次に、実施例1で作製した炭素系複合材料の水中急冷法による耐熱衝撃性を評価した。対照としては、緻密質ガラス層の表層を多孔質化しない以外は実施例1と同様に作製した炭素系複合材料を用いた。水中急冷法は、試験片を治具に取り付けた後、電気炉にて900℃(大気中)で30分間保持した後、電気炉から50cm離れたところに設置した水中(25℃)に1m/sの速度で治具ごと入れることによって熱衝撃を与えた。この操作を複合材料表面のガラス層が大きく破壊してカーボン板は露出するまで繰り返した。試験後の試験片の質量変化を前記式(1)より求めた。結果を図5に示す。
Claims (13)
- 耐酸化複合材料であって、
炭素材料からなる基体と、
当該基体の表層側に備えられ、M2O3(Mは、Y、La、またはScである)、Al2O3およびSiO2からなる緻密質ガラス層と、
この緻密質ガラス層の表層に含まれる窒素を酸化性雰囲気下で加熱し除去して得られる多孔質ガラス層と、
を備え、
前記緻密質ガラス層と前記基体との間には、Si、SiC、Si3N4、MoSiO2及びSi2N2Oからなる群から選択される1種以上を含有する結合層、
を備える、複合材料。 - 前記多孔質ガラス層の気孔率が20%以上80%以下であり、平均気孔径が0.1μm以上10.0μm以下である、請求項1に記載の複合材料。
- 前記緻密質ガラス層は850℃以上のガラス転移点を有している、請求項1又は2に記載の複合材料。
- 前記基体が貫通孔および/または凹部を有し、該貫通孔および/または該凹部の内表面にも前記緻密質ガラス層と前記多孔質ガラス層とを備える、請求項1〜3のいずれかに記載の複合材料。
- 請求項1〜4いずれかに記載の複合材料を有する電磁誘導発熱体。
- 請求項5に記載の電磁誘導発熱体を備える、電磁誘導加熱装置。
- 耐酸化複合材料の製造方法であって、
炭素系材料からなる基体の表面にSi、SiC、Si3N4、MoSiO2及びSi2N2Oからなる結合層を備え、この結合層の表層側にM2O3(Mは、Y、La、またはScである)、Al2O3およびSiO2からなる群から選択される2種以上を含む緻密質ガラス層であって少なくともその表層に該緻密質ガラス層の酸化によりガス化する成分を含有するガス化成分含有層を有する緻密質ガラス層を備える複合材料前駆体を作製する前駆体作製工程と、
酸化性雰囲気下前記ガス化成分含有層を加熱して前記ガス化成分を前記ガス化成分含有層から揮発させて多孔質化する多孔質ガラス層形成工程と、
を備える、製造方法。 - 前記前駆体作製工程は、ガス化成分を含有するガス雰囲気下で前記緻密質ガラス層のガラス組成物を溶融含浸して前記基体の表層側に緻密質ガラス層を形成するとともに、該緻密質ガラス層の表層側に前記ガス雰囲気中のガス化成分を固溶化させて前記ガス化成分含有層を形成する工程である、請求項7に記載の製造方法。
- 前記多孔質ガラス層形成工程は、前記緻密質ガラス層のガラス転移温度以上、かつ、該ガラスの溶融温度以下の範囲で前記ガス化成分含有層をガス化反応が進行する雰囲気で加熱する、請求項7又は8に記載の製造方法。
- 前記基体が被酸化性材料からなり貫通孔および/または凹部を有しており、
前記前駆体作製工程は、前記貫通孔および/または前記凹部のキャビティの内部形状に対応した被酸化性材料からなるインサートを該キャビティの緻密質ガラス層で被覆すべき内表面と接触させることなくセットするとともに、前記インサートの前記キャビティの外部に突出される一部が前記緻密質ガラス層で被覆されないようにセットして行い、該前駆体作製工程後、前記多孔質層ガラス形成工程に先立って、前記インサートを前記キャビティから除去する、請求項7〜9のいずれかに記載の製造方法。 - 前記インサートは、前記インサートを、前記インサートの前記緻密質ガラス層で被覆されない前記一部を介して前記インサートを構成する被酸化性材料を焼成して減容あるいは焼失させて除去する、請求項10に記載の製造方法。
- 前記基体は電磁誘導発熱材料からなる、電磁誘導発熱体の製造方法である、請求項7〜11のいずれかに記載の製造方法。
- M2O3(Mは、Y、La、またはScである)、Al2O3およびSiO2からなる群からなる緻密質ガラス部と、
この緻密質ガラス部の表層に含まれる窒素を酸化性雰囲気下で加熱し除去して得られる多孔質ガラス部と、
を備える、炭素材料被覆用材料。
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