JP5469033B2

JP5469033B2 - 複合材料の製造方法

Info

Publication number: JP5469033B2
Application number: JP2010218712A
Authority: JP
Inventors: 義久清水; 守石井
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: JP2012072026A

Description

本発明は、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる複合材料の製造方法に関する。

近年、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとの複合材料（以下、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料）が様々な分野で利用されている。このような複合材料の製造工程において金属ケイ素を炭化ホウ素のプリフォームへ含浸させる際に炭化ホウ素の強化材と反応し、その後の冷却により局所的な収縮差からクラックが生じる場合がある。炭化ホウ素の熱膨張率は４．５×１０^−６／Ｋ（線膨張率、２５℃〜２００℃、以下同じ）であるが、ＳｉＣの熱膨張率が２．９×１０^−６／Ｋであり、この熱膨張率の差によりクラックが生じやすくなる。そして、このようなクラックの防止するための炭化ホウ素複合体の製造方法が提案されている（たとえば特許文献１参照）。

特許文献１には、ケイ素溶浸材が炭化ホウ素に接触する前に、ホウ素源等を炭化ホウ素成分が６％程度になるように事前にケイ素中に合金化または溶解させ、溶解材料を１５５０℃で炭化ホウ素プリフォームに含浸させる製造方法の例が開示されている。このような方法で事前に溶解させることで炭化ホウ素と溶浸材中のケイ素との反応を抑制しようとしている。

特表２００７−５１３８５４号公報

しかしながら、特許文献１記載の炭化ホウ素複合体の製造方法において、金属ケイ素に対して溶解させる炭化ホウ素成分は６％程度にすぎず、十分に炭化ホウ素成分が溶解しない溶解材料により含浸が行われるとクラックが発生しやすくなる。溶解材料を炭化ホウ素プリフォームに含浸させたときに反応を防止するには必ずしも十分とはいえない。また、ケイ素の溶浸材の含浸は約１５５０℃で行われており、このような高温では炭化ホウ素が溶浸材と反応を生じやすい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、含浸工程において十分に炭化ホウ素とケイ素との反応を抑制し、クラックの発生を防止できる複合材料の製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の複合材料の製造方法は、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる複合材料の製造方法であって、金属ケイ素に対して１０重量％以上の炭化ホウ素が含有されるように、炭化ホウ素含有材料を溶融金属ケイ素に混合し事前溶解させ、１４２０℃以上１５００℃以下で前記事前溶解材料を、炭化ホウ素のプリフォームに含浸させることを特徴としている。

このように、金属ケイ素に対して１０重量％以上の炭化ホウ素が含有されるように事前溶解材料を生成し、低温の１４２０℃以上１５００℃以下でプリフォームへの含浸させるため含浸時に炭化ホウ素と金属ケイ素との反応が生じにくい。その結果、反応生成物によるクラックを防止することができる。

（２）また、本発明の複合材料の製造方法は、金属ケイ素に対して１２重量％以上の炭化ホウ素が含有されるように、前記炭化ホウ素含有材料を溶融金属ケイ素に混合し事前溶解させることを特徴としている。これにより、事前溶解材料の含浸時に反応生成物が生じにくくなり、さらにクラックを防止することができる。

（３）また、本発明の複合材料の製造方法は、１４２０℃以上１４５０℃以下で、前記事前溶解材料を前記炭化ホウ素のプリフォームに含浸させることを特徴としている。これにより、事前溶解材料の含浸時に反応生成物が生じにくくなり、さらにクラックを防止することができる。

本発明によれば、事前溶解材料の含浸時に反応生成物が生じにくくし、クラックを防止することができる。

（ａ）（ｂ）それぞれ事前溶解材料への炭化ホウ素の含有率と含浸温度に対するクラックの発生の有無を示す表である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（複合材料の構成）
本発明に係るＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料（複合材料）は、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなり、マトリックス中に強化材が分散した構造を有している。Ｂ_４Ｃ／Ｓｉは、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ、ボロンカーバイド）のプリフォームに金属ケイ素を含浸することで得られる。用いられる浸透材は、金属ケイ素の単体でも合金でもよい。なお、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料は、実質的に炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなるものであり、若干の不純物を含んでいてもよい。

（プリフォーム設置）
上記のように構成される複合材料の製造方法を説明する。まず容器内に、炭化ホウ素のセラミック多孔質体からなるプリフォームを設置する。容器は、有底開口の容器であり、後述する溶融金属を保持して、設置されたプリフォームへ浸透させるのに用いられる。プリフォームの設置の際には、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料のセッター上に設置してもよい。

（事前溶解）
一方、金属ケイ素を含む溶融材料を準備する。その際には、金属ケイ素に対して１０重量％以上の炭化ホウ素が含有されるように、炭化ホウ素含有材料を溶融金属ケイ素に混合し事前溶解させる。炭化ホウ素含有材料を主に金属ケイ素で構成される溶融材料に混合することで、プリフォームへの含浸時にＳｉＣを形成する反応の閾値を上げることができる。

なお、上記の主に金属ケイ素で構成される事前に炭化ホウ素含有材料を溶解された溶融材料を事前溶解材料と呼ぶ。含浸時の反応を抑制するためには、金属ケイ素に対して１２重量％以上の炭化ホウ素が含有されるように事前溶解の工程を行うことがさらに好ましく、特に１８重量％以上の炭化ホウ素が含有されるように事前溶解の工程を行うことが好ましい。

このような事前溶解工程については含浸用容器とは別の事前溶解用の容器で、炭化ホウ素含有材料および金属ケイ素（合金も含む）を設置し、金属ケイ素を溶融させてもよい。炭化ホウ素含有材料は、溶融させる金属ケイ素に対して所定の割合以上含まれたものであればよく、たとえばＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料の端材でよい。また、炭化ホウ素含有材料は、塊状であってもよく、粉末であってもよいが、炭化ホウ素を重量比で４０％以上含むことが好ましい。

これにより、含浸前に分離された金属ケイ素に炭化ホウ素含有材料が溶けて反応し、事前溶解材料が生成される。このように含浸前に金属にプリフォームを構成する材料を溶け込ませることで、プリフォームへの含浸時の反応を軽減することができ、クラックを防止することができる。

（プリフォームへの含浸）
このように、金属ケイ素に対して１２重量％以上の炭化ホウ素が含有されるように事前溶解材料を生成し、事前溶解材料を低温の１４２０℃以上１５００℃以下でプリフォームへ含浸させる。その際には、含浸用容器を１４２０℃以上１５００℃以下に維持しつつ、主に金属ケイ素により構成される事前溶解材料を容器に投入する。これにより含浸時に炭化ホウ素と金属ケイ素との反応が生じにくくなる。その結果、反応生成物によるクラックを防止することができる。含浸工程において、溶融した金属ケイ素がプリフォームに直接に接触しないように治具を設け、プリフォームを容器の底から浮かせてもよい。

なお、金属ケイ素の融点が１４１４℃であるため、理論的には１４１４℃以上であれば金属ケイ素は融解するが、十分に融解を進めさせるためには１４２０℃以上であることが好ましい。また、１４２０℃以上１４５０℃以下で、事前溶解材料を炭化ホウ素のプリフォームに含浸させるのがさらに好ましい。特に大型の複合材料は、含浸工程時の反応によりクラックが生じやすいため、１４５０℃以下の事前溶解材料を含浸させることが好ましい。大型とは、大きさ（径または対角の長さ等）が２００ｍｍ以上であることをいう。

（冷却、取り出し）
含浸工程を行った後は、容器内を自然冷却し、室温まで冷却する。このようにして冷却された複合材料を容器から分離して取り出し、複合材料を得る。得られた複合材料は、たとえば耐衝撃材料として用いることができる。

（実施例）
幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの寸法を有する小型の複合材料および幅２５０ｍｍ、長さ３００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの寸法を有する大型の複合材料を作製した。そして、得られた複合材料のクラックの有無を確認した。具体的な作製条件と結果を以下に説明する。

市販の炭化ホウ素粉末（平均粒径２３μｍ、純度９５％以上）にバインダーとして１２．８％と水６０％を混合したスラリーを型に流しこみ成形したものを、１５０℃で焼成し、密度１．３０ｇ／ｃｍ^３の炭化ホウ素プリフォームを作成した。作製したプリフォームは含浸用容器内に設置した。

炭化ホウ素をケイ素合金に対して所定重量％含む炭化ホウ素含有材料としてＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料を準備した。そして、事前溶解用の容器に、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料および含浸に必要量のケイ素合金を入れ、溶融材料を生成した。そして、含浸用容器に溶融材料を投入してプリフォームへの溶融材料の含浸を所定温度で行った。

なお、炭化ホウ素含有材料を入れない場合および炭化ホウ素をケイ素合金に対して６重量％、１２重量％、１８重量％、２４重量％を含む炭化ホウ素含有材料を入れる場合について溶融材料を生成し含浸工程を行った。また、プリフォームに溶融材料の含浸は、１４５０℃、１５００℃、１５５０℃の各条件で行った。

図１（ａ）、（ｂ）は、炭化ホウ素の含有率と含浸温度に対する複合材料のクラックの発生の有無を示す表である。図１（ａ）は、小型の複合材料についてのクラック確認結果を示し、図１（ｂ）は、大型の複合材料についてのクラック確認結果を示している。○は、クラックの発生が無かったことを、×は、クラックの発生が有ったことを示している。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、溶融材料への炭化ホウ素添加量（含有量）が、無し、または６重量の試料についてはいずれもクラックが発生した。また、含浸工程の溶融材料の温度を１５５０℃として作製した複合材料のいずれについてもクラックが発生した。

小型の複合材料については、溶融材料の炭化ホウ素含有量が１２〜２４重量％で、含浸工程の溶融材料の温度が、１４５０℃または１５００℃である場合には、クラックが発生しなかった。一方、大型の複合材料については、溶融材料の炭化ホウ素含有量が１２重量％で、含浸工程の溶融材料の温度が１５００℃である場合には、クラックが発生したが、溶融材料の炭化ホウ素含有量が１２〜２４重量％で、含浸工程の溶融材料の温度が１４５０℃の場合、溶融材料の炭化ホウ素含有量が１８〜２４重量％で、１５００℃である場合にはいずれもクラックが発生しなかった。

Claims

炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる複合材料の製造方法であって、
金属ケイ素に対して１２重量％以上２４重量％以下の炭化ホウ素が含有されるように、炭化ホウ素含有材料を溶融金属ケイ素に混合し事前溶解させ、
１４２０℃以上１５００℃以下で前記事前溶解材料を、炭化ホウ素のプリフォームに含浸させることを特徴とする複合材料の製造方法。
１４２０℃以上１４５０℃以下で、前記事前溶解材料を前記炭化ホウ素のプリフォームに含浸させることを特徴とする請求項１記載の複合材料の製造方法。