JP6559473B2 - 炭化珪素系複合体の製造方法 - Google Patents
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Description
上記プリフォームとして、黒鉛化した炭素繊維から成る黒鉛化炭素プリフォームを形成し、
上記黒鉛化炭素プリフォームに、ポリボロオルガノシラザンを含浸、乾燥及び焼成する界面形成処理を施してプレ複合体を得、
次いで、上記プレ複合体に、珪素と炭素を含む液体化合物としてポリカルボシランを含浸させて加熱するマトリックス形成処理を施す、ことを特徴とする。
この製造方法は、上述の炭化珪素系複合体を製造する方法であって、以下の(a)〜(c)工程を有する。
(a)炭素繊維から成るプリフォームとして、黒鉛化した炭素繊維から成る黒鉛化炭素プリフォームを作製する工程、即ち目的とする炭化珪素系複合体の骨格を形成する工程
(b)上記繊維質プリフォームに、珪素、炭素、ホウ素及び窒素のうちの少なくとも2種の元素を含む化合物、具体的にはポリボロオルガノシラザンを含浸し、乾燥及び焼成する界面形成処理を施してプレ複合体を得る工程、即ち目的とする炭化珪素系複合体に界面層を形成する工程
(c)上記プレ複合体に、珪素と炭素を含む液体化合物としてポリカルボシランを含浸させて加熱するマトリックス形成処理を施す工程、即ち目的とする炭化珪素系複合体にマトリックス層を形成し、炭化珪素系複合体を完成する工程
また、炭素繊維の黒鉛化は、所望形状を有する炭素繊維製プリフォームをアルゴンなどの不活性ガス中2000〜2400℃で焼成することによって行うことができ、これにより、所望形状を有する黒鉛化炭素プリフォームを得ることができる。
この(b)工程により得られるプレ複合体では、破断歪みが増大しているので応力が加わった場合でも応力を逃がし易くなる。
これらの化合物は上記の黒鉛化炭素繊維骨格に界面層を形成し、この点からは、ポリボロオルガノシラザン等は界面層前駆体といい得る。
乾燥は150〜200℃、焼成は800〜1000℃で行うことができる。
また、これらの含浸、乾燥及び焼成は、いわゆるPIP法に従って行ってもよい。
日本カーボン製PCS−UHを原料として、ヘキサン−アセトン混合溶液から沈殿物として回収・分別できる。
本工程は、繰り返すことにより複数回行うことができ、例えば、6〜12回程度行うことが好ましい。
本工程により、プレ複合体が緻密・高密度化し、機械的強度や形状維持性に優れた炭化珪素系複合体、即ちC/SiCコンポジットが得られる。
ここで、上記の液体化合物は、マトリックス層前駆体として機能するが、トルエンやキシレンなどの希釈溶媒で希釈して使用することができる。
上記の加熱は、通常、乾燥と焼成で行うことができ、乾燥は80〜120℃程度、焼成は窒素ガス(N2)雰囲気下800〜1000℃程度で行うことができる。なお、乾燥及び焼成は窒素ガス(N2)雰囲気下に室温から昇温し1000℃程度に加熱することによって行ってもよい。
この場合、LPS等中での加熱時間は6〜20時間とする。
6時間未満では、十分なマトリックス層(SiC層)を形成できず、20時間を超えると、過度に余剰のSiCが生成する傾向がある。
かかるHTT処理は、(c)工程で得られた炭化珪素系複合体を不活性ガス中1000〜1500℃で加熱処理するものであるが、これにより、炭化珪素系複合体を熟成させて品質の均一化を図ることができ、優れた曲げ強度等を有する炭化珪素系複合体を多数得ることが可能になる。
炭素繊維織物として東レ(株)製T300炭素繊維織物(商品名CO6343)を用いた。この織物は、使用炭素繊維がT300−3Kで、織構成が平織、線密度が縦12.5本/25mmで、目付が198g/cm3である。
また、界面層前駆体としてはポリボロオルガノシラザン(原子数比Si/B=1/2の「SiNBC−1/2」)を用いた。
さらに、マトリックス層前駆体としてはポリカルボシラン(PCS)を用いた。
[黒鉛化処理]
上記の炭素繊維織物を、小型黒鉛化炉を用いてアルゴンガス中2400℃で焼成した。
上記で得られた黒鉛化炭素繊維織物を45×50cmの大きさに切断し、この織物ピースに、グローブボックス中でSiNBC−1/2の20%トルエン溶液を含浸させた。さらに、得られた含浸済み織物ピースを12枚積層して金型にセットし、加圧成形を行った。
次いで、得られた織物成形体を100℃で乾燥して余剰のトルエンを蒸発させ、窒素ガス雰囲気下200℃/hrの昇温速度で1000℃まで加熱して焼成を行い、本例の炭化珪素系複合体のプレ複合体を得た。
NGS(アドバンスドファイバー)社製のPCS−UHを出発物質として高分子側に重合を進めたUUHをキシレンに40%の割合で溶解させた溶液を調整した。
次に、このキシレン溶液を上記で得られたプレ複合体にデシケータ内で真空含浸した。
次いで、含浸済みプレ複合体を100℃で乾燥し、さらに、窒素ガス雰囲気下200℃/hrの昇温速度で1000℃まで加熱して焼成を行った。
以上のPCS含浸と焼成を12回繰り返し、本例の炭化珪素系複合体を得た。
界面層前駆体としてSiNBC−1/2の40%トルエン溶液を用いた以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の炭化珪素系複合体を得た。
界面層前駆体としてSiNBC−1/1(Si/B=1/1)の40%トルエン溶液を用いた以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の炭化珪素系複合体を得た。
黒鉛化処理及び界面層形成処理を行わなかった以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の炭化珪素系複合体を得た。
黒鉛化処理を行わなかった以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の炭化珪素系複合体を得た。
界面層形成処理を行わなかった以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の炭化珪素系複合体を得た。
各例の炭化珪素系複合体から5×50×2(厚み)cmの試験片を切り出し、この試験片を3点曲げ試験に供した。試料数は5とし、これらの平均値を曲げ強度(MPa)として表1に示す。
例えば、実施例1は、比較例1が脆性破壊を示すのに対し、引き抜け破壊の様相を示し、その曲げ強度は比較例1に比し約9倍大きい。
また、実施例2は、比較例1、2に比し約9倍の曲げ強度を示し、引き抜け破壊の様相を示した。
さらに、実施例3は、比較例1、2に比し約13倍、比較例3に比し2倍の強度を示し、引き抜け破壊の様相を示した。
Claims (2)
- 炭素繊維から成るプリフォームを用いて炭化珪素系複合体を製造するに当たり、
上記プリフォームとして、黒鉛化した炭素繊維から成る黒鉛化炭素プリフォームを形成し、
上記黒鉛化炭素プリフォームに、ポリボロオルガノシラザンを含浸、乾燥及び焼成する界面形成処理を施してプレ複合体を得、
次いで、上記プレ複合体に、珪素と炭素を含む液体化合物としてポリカルボシランを含浸させて加熱するマトリックス形成処理を施す、ことを特徴とする炭化珪素系複合体の製造方法。 - 上記炭素繊維の黒鉛化を、不活性ガス中2000〜2400℃の焼成によって行うことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素系複合体の製造方法。
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