JP6467290B2 - セラミック複合材 - Google Patents
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Description
(1)前記セラミック被覆は熱分解炭素被覆であって、前記セラミック層は熱分解炭素層である。
セラミック被覆およびセラミック層が熱分解炭素よりなると、SiC繊維との間で化学反応がおきにくい上に、SiC繊維とセラミック被覆の界面、SiC繊維とセラミック層の界面が異質材料の界面になるので、界面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
セラミック被覆およびセラミック層がCVD−SiCよりなると、SiCは耐食性、耐熱性を有するとともに高強度の素材であるので、耐食性、耐熱性を有し高強度のセラミック複合材を提供することができる。
セラミック被覆およびセラミック層がCVD−SiCよりなる場合、SiC繊維の表面に界面形成層があると、界面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
界面形成層が劈開性セラミックよりなると、耐熱性を有するとともに、SiC繊維、セラミック層、セラミック被覆の材料であるSiCと異質の材料であるのでセラミック複合材の特徴を生かしながら、SiC繊維の表面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
炭素、BN、マイカ、Al2TiO5などのセラミックは、劈開性しやすい結晶方向を有し、SiC内部の結合より小さな力で劈開する。このためSiC繊維の表面で亀裂伝播をとめる能力が大きく、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
セラミック複合材は管状体であるので、支持材の断面が管状体の両端部以外に露出しにくく、SiC繊維層をより剥離しにくい形状とすることができる。この管状体は、核燃料被覆管、熱交換器用部材、容器、流体用配管として好適に利用することができる。
フィラメントワインディング体は、例えば、ヘリカル巻き、フープ巻きで強固にSiC繊維層を形成することができるので、強い接合力を得ることができ、剥離しにくくすることができる。
本発明のセラミック複合材は、SiC繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置されているので、内部にさらにコア層を有していると表裏間の隔離を確実に行うことができ、気体、液体の隔離を行うことができる。
コア層が、隣り合うストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されていると、コア層を、SiC繊維層と同質の素材で構成することができるので、加熱による熱応力の発生を防止することができる。また製造段階における収縮もコア層と支持材全体が同様の挙動を示すのでセラミック複合材がもともと持つ内部応力を少なくすることができる。
(1)前記セラミック被覆は熱分解炭素被覆であって、前記セラミック層は熱分解炭素層である。
セラミック被覆およびセラミック層が熱分解炭素よりなると、SiC繊維との間で化学反応がおきにくい上に、SiC繊維とセラミック被覆の界面、SiC繊維とセラミック層の界面が異質材料の界面になるので、界面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
セラミック被覆およびセラミック層がCVD−SiCよりなると、SiCは耐食性、耐熱性を有するとともに高強度の素材であるので、耐食性、耐熱性を有し高強度のセラミック複合材を提供することができる。
セラミック被覆およびセラミック層がCVD−SiCよりなる場合、SiC繊維の表面に界面形成層があると、界面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
界面形成層が劈開性セラミックよりなると、耐熱性を有するとともに、SiC繊維、セラミック層、セラミック被覆の材料であるSiCと異質の材料であるのでセラミック複合材の特徴を生かしながら、SiC繊維の表面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
炭素、BN、マイカ、Al2TiO5などのセラミックは、劈開性しやすい結晶方向を有し、SiC内部の結合より小さな力で劈開する。このためSiC繊維の表面で亀裂伝播をとめる能力が大きく、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
セラミック複合材は管状体であるので、支持材の断面が管状体の両端部以外に露出しにくく、SiC繊維層をより剥離しにくい形状とすることができる。この管状体は、核燃料被覆管、熱交換器用部材、容器、流体用配管として好適に利用することができる。
フィラメントワインディング体は、例えば、ヘリカル巻き、フープ巻きで強固にSiC繊維層を形成することができるので、強い接合力を得ることができ、剥離しにくくすることができる。
本発明のセラミック複合材は、SiC繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置されているので、内部にさらにコア層を有していると表裏間の隔離を確実に行うことができ、気体、液体の隔離を行うことができる。
コア層が、隣り合うストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されていると、コア層を、SiC繊維層と同質の素材で構成することができるので、加熱による熱応力の発生を防止することができる。また製造段階における収縮もコア層と支持材全体が同様の挙動を示すのでセラミック複合材がもともと持つ内部応力を少なくすることができる。
本発明のセラミック複合材は、さまざまな形状が利用できる。板状、パイプ状、棒状の他、これらを組み合わせた複合形状が利用できる。これらの形状はどのような製造方法でも得ることができ特に限定されない。無垢のセラミック複合材から切削加工、セラミック複合材の複数の部品の接着あるいは接合、パイプ状など目的の形状に合わせてセラミック複合材の造形など、どのような方法もとることができる。
SiC繊維のストランドの配置方法は、さまざまな方法があり、クロス、フィラメントワインディング、ブレーディングなどが利用できる。
セラミック層の形成方法は、CVD法、プレカーサ法のいずれでも用いることができるが、CVD法であることが好ましい。CVD法では緻密なセラミック層が得られ、高強度のセラミック複合材を得ることができる。
中でも、セラミック層及びセラミック被覆の材質はSiC、あるいは熱分解炭素が好ましい。これらは耐熱性がある上に、SiC繊維との間で反応しにくいので、高強度で耐熱性のあるセラミック複合材を提供することができる。
本発明のセラミック複合材は、支持材形成工程と、セラミック層形成工程と、セラミック被覆形成工程とからなる。本発明のセラミック複合材は、支持材形成工程、セラミック層形成工程、セラミック被覆形成工程の順に製造される。
支持材が、平板である場合には、例えば互いに隙間が開くように織られたクロスを積層し、支持材を形成する。クロスの繊維方向、ストランドの太さなど特に限定されない。
CVD法で使用する原料ガスは、セラミックス層およびセラミック被覆の種類によって適宜選択する。
前駆体は、例えば次のようなものが利用できる。セラミック被覆あるいはセラミック層が炭素の場合は、フェノール樹脂、フラン樹脂などの前駆体が利用できる。セラミック被覆あるいはセラミック層がSiCの場合はポリカルボシラン(PCS:Polycarbosilane)などの前駆体が利用できる。これらの前駆体をSiC繊維に浸透させて、熱分解することによりセラミック層あるいはセラミック被覆を得ることができる。
また、プレカーサ法をセラミック層形成工程で適用することにより、前駆体を支持材の形状を固定するバインダとして用いることもできる。この場合には、前駆体が、乾燥、重合または熱分解する過程で、セラミック繊維同士を結合させた状態を維持することができる。
本発明の第1実施形態について以下具体的に説明する。
本実施形態のセラミック複合材の製造方法は、支持材形成工程と、セラミック層形成工程と、芯抜工程と、セラミック被覆形成工程の順で構成される。
図6に示すように、支持材形成工程は、芯材11の周囲に、多数のSiC繊維21を束ねられて形成されたストランド23を互いに隙間が開くように巻回し、支持材である骨材20Aを形成する。支持材形成工程はSiC繊維21の配置、巻き方などで細かく分類される。例えば、支持材形成工程は、巻回工程と、軸方向に沿って配向する軸方向配置工程とを有する。
巻回工程には、ヘリカル巻き工程と、フープ巻き工程とがある。図6(A)はフープ巻きによるストランド23の巻回工程を示し、図6(B)はヘリカル巻きによるストランド23の巻回工程の往路を示し、図6(C)はヘリカル巻きによるストランド23の巻回工程の復路を示す。
なお、図6(C)に示すヘリカル巻きによるストランド23の巻回工程の復路では、ストランド23を収容するロール211を、芯材11の他端側(図6(C)において左端側)から一端側(図6(C)において右端側)へ移動させる(矢印B参照)。
また、図6(B)および図6(C)に示すように、ヘリカル巻きでは、ロール211の送り速度を速くしてストランド23間に隙間が空くようにロール211を送り、ストランド23を傾斜させながら螺旋のよう巻く。
そして、芯抜工程で支持材から芯材11から抜き、セラミック被覆形成工程で、再度CVD炉に入れ、CVD炉の製膜温度を上げて製膜速度を速め、支持材の表面に再度CVD−SiCからなるセラミック被覆を形成し、セラミック複合材10Aを製造する。
なお、芯材11から分離する芯抜工程は、これに限定されず、セラミック層形成工程の前後、セラミック被覆形成工程の後のいずれであってもよい。
図1(A)、図1(B)および図3に示すように、セラミック複合材10Aは、SiC繊維21を骨材20Aとする支持材と、SiC繊維のストランドの隙間にCVD−SiCからなるセラミック層を有するとともに、支持材の表面にCVD−SiCよりなるセラミック被覆を有する管状体であり、内部に内部空間201を有する。
図2および図3に示すように、支持材はSiC繊維層22が複数積層し構成される。SiC繊維層22は、複数本のSiC繊維21からなるストランド23が隙間Sをあけて並んで表面と略平行な面状に配置され、隙間Sには、表面から延びるCVD−SiCからなるCVD−SiC層41を有し、表面のセラミック被覆から、支持材内部に延びセラミック層によってSiC層が互いに接合されている。
すなわち、支持材24は、芯材11の周囲にストランド23を巻きつけたフィラメントワインディング体である。
ここでは、図4および図5に示されるように、支持材の最も内側(図4および図5において最も下側)に、相反する方向にヘリカル巻きでストランド23が巻回されたSiC繊維層221、222を有する。SiC繊維層221、222は、ヘリカル巻きにより形成されているので、隣接するストランド23の間には、隙間Sが形成される。
さらに、図5に示すように、図2中B−B’位置では、ヘリカル巻きのSiC繊維層225の外側に、軸方向配置工程(図6(D)参照)により、ストランド23を軸方向に配置したSiC繊維層226が形成されている。
セラミック複合材10Aは管状体であるので、支持材24の断面が管状体の両端部以外に露出しにくく、SiC繊維層22をより剥離しにくい形状とすることができる。この管状体は、核燃料被覆管、熱交換器用部材など、容器、流体用配管として好適に利用することができる。
フィラメントワインディング体は、ヘリカル巻き、フープ巻きで強固にSiC繊維層22を形成することにより、強い接合力を得ることができ、剥離しにくくすることができる。また、ヘリカル巻きは、隣り合うストランド23間に間隔をあけて巻回するので、表面から内部に連続する隙間Sを形成することができる。また、隙間Sを空けて巻回したフープ巻きでも同様に、隣り合うストランド23間に間隔を有するので、表面から内部に連続する隙間Sを形成することができる。
この効果は、セラミック層及びセラミック被覆がCVD−SiCと代えて熱分解炭素であっても同様に得ることができる。
次に、本発明のセラミック複合材の第2実施形態について説明する。
なお、前述した第1実施形態のセラミック複合材10Aと共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図7に示すように、第2実施形態のセラミック複合材10Bの骨材20Bでは、支持材24は、内部に表裏面を隔離するコア層25をさらに有する。コア層25は、隣り合うストランド23が互いに接するように巻回されたフープ巻きで形成されている。
なお、ここでは、コア層25の内側(図7において下方)には、前述した第1実施形態と同様のSiC繊維層22が設けられている。
第2実施形態のセラミック複合材10Bによれば、支持材24は、内部に表裏面を隔離するコア層25をさらに有する。
本実施形態のセラミック複合材10Bは、SiC繊維21からなるストランド23が隙間Sを空けて並んで配置され、隙間Sには、表面から延びるCVD−SiC層41を有するので、セラミック層が形成される前の支持材24のみの段階に隙間Sが、支持材24内部まで及んでいる。この隙間にセラミック層が形成され、中芯を抜いても、支持材の形状を固定することができる。また、本実施形態のセラミック複合材10Bは、コア層25を有しているので表裏間の隔離を確実に行うことができ、気体、あるいは液体の隔離を行うことができる。コア層は、フープ巻きに限定されず、例えばSiCの焼結体など無垢材などでも良い。
コア層25が、隣り合うストランド23が互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されていると、コア層25を、SiC繊維層22と同質の素材で構成することができるので、加熱による熱応力の発生を防止することができる。また製造段階における収縮も同様の挙動を示すのでセラミック複合材10Bがもともと持つ内部応力を少なくすることができる。なお、コア層の外側のSiC繊維層との間にコア層の外側を覆うセラミック層が形成されていても良い。コア層の外側を覆うセラミック層によって気体あるいは液体の隔離をより確実に覆うことができる。また、コア層は一層であると、支持材の内部にセラミック層の形成できない隙間がないので、剥離しにくくすることができる。
次に、本発明のセラミック複合材の第3実施形態について説明する。
なお、前述した第1実施形態のセラミック複合材10Aおよび第2実施形態のセラミック複合材10Bと共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図8は本発明の第3実施形態のセラミック複合材の斜視図である。図9は本発明の第3実施形態のセラミック複合材を構成する支持材をSiC繊維層に分けた説明図であり、(A)は支持材を示し、(B)はそのうちの一層の拡大図である。図10は、図9のセラミック複合材を構成する支持材の断面図であり、(A)は図9(B)中C−C’における断面図、(B)はD−D’における断面図である。
すなわち、図8および図9(A)に示すように、第3実施形態のセラミック複合材10Cにおいては、骨材20Cは、平面状のSiC繊維層22Cを積層した支持材24Cから構成されている。各SiC繊維層22Cは、ストランド23を直交する2方向に配設して構成されている。
また、最上のSiC繊維層22Cの下側には、一方のストランド231および他方のストランド232が、L−L’方向およびW−W’方向に、例えばそれぞれ45度で交差する方向に編み込まれてSiC繊維層22Cが形成されている。
すなわち、支持材24Cは、一方のストランド231がL−L’方向に沿ったSiC繊維層22Cと、一方のストランド231および他方のストランド232がL−L’方向に対して45度で交差するSiC繊維層22Cとが交互に積層されている。
支持材24Cは、このようなSiC繊維層22Cを積層することにより形成される。あるいは、第1実施形態および第2実施形態で説明したような管状に形成された支持材24を長手方向に沿って切断し、開いて平面状とすることにより形成することも可能である。
なお、その後のマトリックス形成工程等は、第1実施形態および第2実施形態と同様であるので、説明を省略する。
さらに、セラミック複合材10Cは平板状なので、管状体の場合とは異なる用途に広く用いることができる。
20A、20B 骨材
21 SiC繊維
22 SiC繊維層
23 ストランド
24 支持材
25 コア層
40 CVD−SiC被覆
41 CVD−SiC層
S 隙間
Claims (9)
- SiC繊維を骨材とし、表面にセラミック被覆を有するセラミック複合材であって、
前記骨材は、SiC繊維層が複数積層した支持材からなるとともに、
前記SiC繊維層は、複数本の前記SiC繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置され、
前記隙間に備えられ、前記ストランドを覆うとともに前記セラミック被覆から延びるセラミック層により前記SiC繊維層が互いに接合され、
前記支持材は、内部に表裏面を隔離するコア層をさらに有することを特徴とするセラミック複合材。 - 前記セラミック被覆は熱分解炭素被覆であって、前記セラミック層は熱分解炭素層であることを特徴とする請求項1に記載のセラミック複合材。
- 前記セラミック被覆はCVD−SiC被覆であって、前記セラミック層はCVD−SiC層であることを特徴とする請求項1に記載のセラミック複合材。
- 前記ストランドを構成する複数のSiC繊維の表面には、前記CVD−SiC被覆あるいは前記CVD−SiC層を分断する界面形成層を有することを特徴とする請求項3に記載のセラミック複合材。
- 前記界面形成層は、劈開性セラミックからなることを特徴とする請求項4に記載のセラミック複合材。
- 前記劈開性セラミックは、炭素、BN、マイカ、Al2TiO5のいずれかからなることを特徴とする請求項5に記載のセラミック複合材。
- 前記セラミック複合材は管状体であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のうちのいずれか1項に記載のセラミック複合材。
- 前記支持材が、フィラメントワインディング体であることを特徴とする請求項7に記載のセラミック複合材。
- 前記コア層は、隣り合う前記ストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されていることを特徴とする請求項1に記載のセラミック複合材。
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