JP7012911B1

JP7012911B1 - 複合セラミックス材料の製造方法

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Publication number: JP7012911B1
Application number: JP2021539009A
Authority: JP
Inventors: 将実久米; 洋平伊藤
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Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
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Abstract

複合セラミックス材料は、マトリックスとして炭化ホウ素と、炭化ケイ素と、金属シリコン又はシリコン合金と、を含み、前記炭化ホウ素を前記マトリックスの主成分として含むものである。

Description

本開示は、複合セラミックス材料の製造方法に関するものであり、特に複合セラミックス材料のマトリックスに関するものである。

燃料の高騰への対応あるいはＣＯ_２の排出削減要求から、空調機器、冷熱機器、あるいは、燃焼機関を搭載する自動車もしくは航空機等の省エネルギー化の要求が厳しくなっている。空調機器あるいは冷熱機器は、省エネルギー化のため圧縮機の高効率化が求められており、その実現には、駆動部品の軽量化あるいは高剛性化が必要とされている。また、ガスタービンエンジンあるいはタービン発電機の効率を高めるためには、作動温度を上昇させること、あるいは、タービンの軽量化が求められている。

これらの要求を満足させる材料の研究が行われており、鉄基、ニッケル基およびコバルト基合金の開発によって高温性能は進歩したが、軽量化の観点からは、未だ、軽量化が不十分であり、軽量な代替材料が検討されている。また、軽量なセラミックス材料は、耐熱性が高く金属材料と比べて密度が低いため、耐熱材料として注目されている。しかし、セラミックス材料は、比較的脆いため、構造部品への適用には、繊維などで複合化した、セラミックス複合材料（ＣＭＣ：ＣｅｒａｍｉｃＭａｔｒｉｘＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）が脚光を浴びている。一般にＣＭＣは、セラミックスマトリックスと強化繊維とを複合化した材料である。これまで、ＣＭＣは、マトリックスとしてＳｉＣ（炭化ケイ素：ＳｉｌｉｃｏｎＣａｒｂｉｄｅ）を用い、強化繊維としてＳｉＣ繊維を用い、ＳｉＣとＳｉＣ繊維とを組み合わせたＳｉＣ／ＳｉＣが開発され（例えば、特許文献１参照）、実用化されつつある。

特許第５８２５７６１号公報

現状のＳｉＣ繊維の製品の中で最も高性能なものは、引張弾性率（ヤング率）が３８０ＧＰａであり、密度が２．８５（ｇ／ｃｍ^３）～３．１（ｇ／ｃｍ^３）である。また、その単位密度当たりの弾性率を示す比弾性率（ヤング率／密度）は、１２２．６（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））～１３３．３（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））程度である。上述した圧縮機、ガスタービンエンジンあるいはタービン発電機等に用いられる材料では、比弾性率を向上させる更なる改良が求められている。

本開示は上述のような課題を解決するためのものであり、比弾性率を向上させる複合セラミックス材料の製造方法を提供することを目的とする。

本開示に係る複合セラミックス材料の製造方法は、炭化ホウ素粉末と、粉末のフェノール樹脂を含む炭素プリカーサと、マトリックス充填剤とを混合し、混合原料を生成する混合工程と、成形型に混合原料と強化繊維とを充填し、混合原料を加熱及び加圧して成形体を成形する成形工程と、成形体を不活性雰囲気中又は真空中で加熱処理し、炭素プリカーサを炭化させて焼成体を得る熱処理工程と、焼成体を不活性雰囲気中又は真空中で加熱し、金属シリコン又はシリコン合金を溶融して焼成体に含侵させる溶浸工程と、焼成体に含侵した金属シリコン又はシリコン合金を、焼成体の炭素と反応させて炭化ケイ素を生成させ、焼成体を焼結させる反応焼結工程と、を有し、マトリックス充填剤の一部が炭化ケイ素粉末である。

本開示によれば、複合セラミックス材料の製造方法は、原料の混合工程から溶浸工程及び反応焼結工程までの製造プロセスによって、マトリックスの主成分として炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を含んだ複合セラミックス材料を製造できる。そのため、複合セラミックス材料の製造方法は、従来の複合セラミックス材料と比較して、比弾性率の高い複合セラミックス材料を製造することができる。

実施の形態１に係る複合セラミックス材料のマトリックスの構成を示す断面図である。実施の形態１に係る複合セラミックス材料の構成を示す断面図である。実施の形態２に係る複合セラミックス材料の製造方法のフローを示す図である。実施の形態３に係る複合セラミックス材料において強化繊維をロッドの芯に複合化する成形プロセスのフローを示す図である。

以下、本開示の実施の形態に係る複合セラミックス材料及び複合セラミックス材料の製造方法について図面等を参照しながら説明する。ここで、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る複合セラミックス材料１０のマトリックス１１の構成を示す断面図である。図２は、実施の形態１に係る複合セラミックス材料１０の構成を示す断面図である。図１及び図２を用いて複合セラミックス材料１０の構成について説明する。

本開示の複合セラミックス材料１０は、図１に示すように、母材であるマトリックス１１の組成が炭化ホウ素２（Ｂ_４Ｃ）、炭化ケイ素３（ＳｉＣ）、及び、ケイ素４（Ｓｉ）である金属シリコン又はシリコン合金とで構成されている。マトリックス１１の主成分は、炭化ホウ素２である。炭化ホウ素２の市販品は、例えば、３Ｍ社製のボロンカーバイド粉末Ｆ５００等を挙げることができる。

マトリックス１１の構成において、主成分である炭化ホウ素２（Ｂ_４Ｃ）の体積比率は５０％以上であり、マトリックス１１を構成するその他の要素としてマトリックス１１は、炭化ケイ素３（ＳｉＣ）とケイ素４（Ｓｉ）である金属シリコン又はシリコン合金とを含有している。マトリックス１１にケイ素４（Ｓｉ）あるいは炭化ケイ素３（ＳｉＣ）が多く含まれていると見かけ上の比弾性率が低下する。そのため、単体で比弾性率の最も高い炭化ホウ素２（Ｂ_４Ｃ）のマトリックス１１における体積比率を５０％以上とし、炭化ホウ素２（Ｂ_４Ｃ）をマトリックス１１の主成分としている。

マトリックス１１の主成分である炭化ホウ素２（Ｂ_４Ｃ）のヤング率は４５０ＧＰａ、密度は２．５２（ｇ／ｃｍ^３）であるため、炭化ホウ素２（Ｂ_４Ｃ）の比弾性率は（４５０／２．５２）＝１７８．６（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））となる。炭化ホウ素２（Ｂ_４Ｃ）は、炭化ケイ素３（ＳｉＣ）と比較して、弾性率が高く密度が小さく、比弾性率が大きいため、炭化ホウ素２（Ｂ_４Ｃ）をマトリックス１１の主成分として含む複合セラミックス材料１０の比弾性率の向上が期待できる素材である。

ケイ素４（Ｓｉ）は、金属シリコンである。あるいは、ケイ素４（Ｓｉ）は、シリコン合金である。ケイ素４（Ｓｉ）が含まれる理由は、製造工程上、ケイ素４（Ｓｉ）の含有をゼロにして、他の成分で充填させることが困難なためである。なお、ケイ素４（Ｓｉ）の代わりにボイドに置換えることは可能であるが、ボイドは、材料の欠陥に相当して材料の特性が落ちるため、ボイドとして空間の状態にするよりも、ケイ素４（Ｓｉ）を充填した方が材料の特性は向上し比弾性率が向上する。

また、本開示の複合セラミックス材料１０は、図２に示すように、マトリックス１１と、強化繊維１とを有してもよい。強化繊維１は、連続繊維もしくは短繊維、又は、連続繊維及び短繊維の両方である。強化繊維１は、炭素繊維、ボロン繊維、無機繊維のいずれか１つ、または、炭素繊維、ボロン繊維、無機繊維のいずれか２つ以上を組み合わせたものである。強化繊維１の市販品は、例えば、三菱ケミカル株式会社製のダイアリード（登録商標）Ｋ６３７１２等を挙げることができる。炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）よりも比弾性率の高い強化繊維１をマトリックス１１と複合化することで、マトリックス１１単体よりも、複合セラミックス材料１０の比弾性率を向上させることができる。

強化繊維１と炭化ホウ素２とは、マトリックス充填剤である炭化ケイ素３により固着されている。炭化ケイ素３は、焼結体にケイ素又はケイ素合金を溶浸させることによって、溶浸前の焼成体の内部に存在していた炭素又は黒鉛との反応により生成されている。なお、マトリックス充填剤である炭化ケイ素３は、反応により生成されるものだけが用いられるのではなく、予め加えられた炭化ケイ素粉末が用いられてもよい。マトリックス充填剤である炭化ケイ素３の市販品は、例えば、太平洋ランダム株式会社製のＧＭＦ１０００Ｈ２等を挙げることができる。なお、マトリックス充填剤は、炭化ケイ素粉末だけではなく、例えば黒鉛を含んでもよい。

焼成体に内在する炭素は、混合原料に使用する炭素プリカーサが炭化されたものである。この混合原料は、焼成前の成形体の成形に使用するものである。炭素プリカーサは、熱可塑性樹脂、例えば、粉末のフェノール樹脂が望ましい。炭素プリカーサは、粉末樹脂の代わりに、液体樹脂を使用して、炭化ホウ素粉末の表面に樹脂を被覆させたものを用いてもよい。炭素プリカーサである粉末フェノール樹脂の市販品は、例えば、群栄化学工業社製のＰＧ－９４００等を挙げることができる。なお、炭素プリカーサは、熱可塑性樹脂に限定されるものではない。

炭素プリカーサは樹脂、及び、黒鉛粉末又は炭素繊維のいずれか一方又はその両方でもよい。すなわち、炭素プリカーサは、樹脂と黒鉛粉末、樹脂と炭素繊維、あるいは、樹脂と黒鉛粉末及び炭素繊維でもよい。樹脂は、粉体原料の成形にバインダーとして不可欠である。また、黒鉛あるいは炭素は、炭化ケイ素化（ＳｉＣ）反応に必要である。樹脂単体では、炭化ケイ素化（ＳｉＣ）化反応に必要な量の炭素を確保できない。そのため、炭素プリカーサは、樹脂と同時に黒鉛粉末または炭素繊維を一緒に成形し、あるいは、樹脂と同時に黒鉛粉末及び炭素繊維を一緒に成形する。

黒鉛は、黒鉛粉末あるいは粉砕した炭素繊維であるミルドファイバーを用いてもよい。黒鉛であるミルドファイバーの市販品は、例えば、三菱ケミカル株式会社製のＫ６３７１Ｍ等を挙げることができる。

混合されるこれらの各原料は、成形体の均一性及び炭化ホウ素の充填率を高めるために、異なる平均粒度のものを組み合わせて用いられることが望ましい。粒度の異なる原料粉体を用いることによって、低圧力で原料の充填密度を容易に高めることができ、原料を均一に分散することができる。また、混合されるこれらの各原料は、組み合わせる強化繊維１あるいは焼結後の物性に合わせて、その配合比率あるいは粒度分布のバランスが調整されて用いられる。なお、主成分である炭化ホウ素粉末の充填率を高めるために、使用する粉末原料の平均粒度分布が、マトリックス充填剤である炭化ケイ素粉末の平均粒度分布に対して大きいことが望ましい。

＜実施例＞
以下、実施例により本開示のマトリックス１１の詳細を説明するが、これらによって本開示の内容が限定されるものではない。なお実施例に用いた各原料は、上述した市販品である。まず、炭化ホウ素粉末と、炭素プリカーサの樹脂と、マトリックス充填剤である炭化ケイ素と、の各原料を重量比３７：１５：３で混合した後、混合物を金型に充填し、１５０℃まで加熱して硬化させて成形体を得た。

なお、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）をマトリックス１１の主成分と定義し、主成分である炭化ホウ素２（Ｂ_４Ｃ）のマトリックス１１における体積比率を５０％以上として想定している。製造プロセス上、原料を配合する場合には、体積比よりも重量比で管理する方が簡便で正確なため、重量比を用いる。樹脂は、後工程の熱処理で熱分解され、更に、その後のＳｉＣ溶浸及びＳｉＣ反応焼結で、炭化ケイ素化（ＳｉＣ化）する。もともとの樹脂の重量は１８３％に増加するが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）になり、体積は約６８％に減少する。炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の体積比を５０％以上にするためには、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）と樹脂と炭化ケイ素（ＳｉＣ）との重量比において、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の重量比率が、４５％以上であれば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と樹脂の比率に関係なく、ＳｉＣ反応焼結後のマトリックス１１中の炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の体積比率は５０％以上になる。

次に、成形体を金型から取り出し、その後、不活性雰囲気中で、８００℃まで加熱し、炭素プリカーサを熱分解して炭化し、焼成体を得た。

更に、その後、焼成体と金属シリコンとを黒鉛坩堝に一緒に入れ、真空炉で１６００℃まで昇温させて、金属シリコンを溶融させて、焼成体に金属シリコンを溶浸する。そして、炭素プリカーサを炭化させて得られた炭素又は黒鉛と、シリコンとを反応させて炭化ケイ素化（ＳｉＣ化）し、焼結を行った。こうして得られた複合セラミックス材料１０のマトリックス１１はクラックの発生もなく、緻密な焼結体が得られた。

得られた焼結体の密度は、２．６０（ｇ／ｃｍ^３）、ヤング率は、４１０ＧＰａ、比弾性率は、１５７．７（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））となり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の１４０．６（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））を凌ぐ値を実現した。また、炭化ホウ素と炭化ケイ素とケイ素とを有するマトリックス１１と、このマトリックス１１にマトリックス１１よりも弾性率の高い強化繊維１を複合化することで更に比弾性率の高い複合セラミックス材料１０が得られることを確認した。

複合セラミックス材料１０は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）をマトリックス１１の主成分とし、炭化ケイ素（ＳｉＣ）とケイ素（Ｓｉ）とを含むことによって、ＳｉＣ繊維とＳｉＣマトリックスからなるＣＭＣ（ＳｉＣ/ＳｉＣ）よりも低密度で高弾性率である。このように、複合セラミックス材料１０は、これらの材料で構成することで、低密度で高弾性率な比弾性率の高い複合セラミックス材料が実現できる。すなわち、複合セラミックス材料１０は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）をマトリックス１１の主成分とし、炭化ケイ素（ＳｉＣ）とケイ素（Ｓｉ）とを含むマトリックス材料でセラミックスマトリックスを構成することによって、剛性が高く低密度であり比弾性率に優れた材料である。

ここで比較例として一般的なＣＭＣ（複合セラミックス材料）及びそれらが用いられる物品について説明する。一般的なＣＭＣでは、マトリックス材料が主に炭化ケイ素（ＳｉＣ）で構成され、強化繊維としてＳｉＣ繊維が使用されている。マトリックスを構成する炭化ケイ素（ＳｉＣ）のヤング率は上限が４５０ＧＰａ程度であり、密度は上限が３．２（ｇ／ｃｍ^３）程度であるため、その比弾性率（ヤング率／密度）は、（４５０／３．２）＝１４０．６（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））となる。また、ＳｉＣ繊維は、例えば、日本カーボン株式会社製のＨＩ－ＮＩＣＡＬＯＮ（登録商標）ＴｙｐｅＳ繊維の場合、ヤング率が３８０ＧＰａ、密度が、２．８５（ｇ／ｃｍ^３）である。そして、その比弾性率は、（３８０／２．８５）＝１３３．３（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））となる。マトリックスと強化繊維との体積比率が１：１で構成されたＣＭＣであって、ボイドがない場合、その弾性率は（４５０＋３８０）／２＝４１５ＧＰａ、密度は（３．２＋２．８５）／２＝３．０２５（ｇ／ｃｍ^３）となる。そして、その比弾性率は（４１５／３．０２５）＝１３７．２（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））となる。

また、従来のガスタービンエンジンで使用されている耐熱合金の場合、比弾性率は、２５（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））程度である。エンジンの燃焼効率を向上させるためには、より高温で運転する必要があるが、耐熱温度あるいは高温強度の制約により、より高温で運連するには限界がある。耐熱合金の場合は１２００℃程度が限界であり、現状のＳｉＣ／ＳｉＣで構成されるＣＭＣは、強化繊維の高温強度保持率から１４００℃が耐熱温度としての開発目標値であり、実用温度が１４００℃未満である。現状のＳｉＣ／ＳｉＣで構成されるＣＭＣの耐熱性は、高温による繊維の強度低下の影響によって、１４００℃程度までの使用が限界である。

ＣＭＣが用いられる対象としては、ジェットエンジンのようなガスタービンエンジン以外では、高速駆動するターボチャージャー、あるいは、空調機器もしくは冷熱機器で使用される圧縮機のシャフト等が考えられる。圧縮機のシャフト等は、出力を高めるために、更に回転速度を上げる必要があるが、シャフトの回転を上げるとシャフト素材の剛性の影響で捻じれ、振動、あるいは、反りが発生するため、回転速度の高速化には限界があり、実現できない。シャフトの剛性を上げるためにシャフト径を太くする必要があるが、シャフトを太くすると駆動負荷の増加による回転ロスが増大し、また、全体が大型化して重量増加するため好ましくない。そのため、圧縮機のシャフト等は、シャフト素材の高弾性化及び軽量化が求められている。

耐熱合金あるいは鋼鉄材料より耐熱性が高く軽量な材料として、セラミックス材料が候補に挙げられる。しかし、セラミックス材料は、金属材料と比較すると非常に脆く、損傷し易いため、一般的な構造部品への適用は困難であり、脆さの改善が必要である。そのため、従来のセラミックス材料は、マトリックスと強化繊維との複合化が不可欠であると考えられている。そして、連続繊維（強化繊維）としてＳｉＣ繊維が市販されているため、従来、ＣＭＣとしてＳｉＣ／ＳｉＣの開発が進んでいる。

本開示の複合セラミックス材料１０は、単独でも比弾性率の高い炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を主成分として含んでいる。そのため、複合セラミックス材料１０は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と、ケイ素（Ｓｉ）との材料組成の組合せにより、密度を低くでき、また、弾性率を高くできるため、比弾性率を高くできる。本開示の複合セラミックス材料１０は、耐熱温度が１５００℃以上、弾性率が５００ＧＰａ以上の高弾性率及び密度が２．８（ｇ／ｃｍ^３）未満の低密度を実現することができ、比弾性率が２００（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））以上となることを実現することができる。本開示の複合セラミックス材料１０は、マトリックス１１の主成分が炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）であるため、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を凌ぐ、低密度で弾性率の高い材料、すなわち、比弾性率の高い材料とすることができる。

また、複合セラミックス材料１０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の反応生成により焼結された焼結体である。複合セラミックス材料１０は、マトリックス１１の主成分として炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を含んでいるため、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と、ケイ素（Ｓｉ）との材料組成の組合せにより、密度を低くでき、また、弾性率を高くできるため、比弾性率を高くできる。

通常のセラミックス材料は、原料基材を焼成し、焼結させている。通常の炭化ホウ素あるいは炭化ケイ素の焼結体も原料粉体を焼き固めて焼結させている。その場合、焼結に必要な温度及び圧力をより高める必要があり、対応できる設備の能力も厳しくなる。更に、焼結時には、収縮が不可避であるため、変形あるいは割れなど、製造性が悪化して歩留まりが悪化する。なお、焼結時に収縮しない場合は、ボイドの多い焼結体になり材料の特性が劣化する。

これに対し、本開示の反応焼結方法は、焼結時の加圧が不要で、温度も下げることができる。特に、高温時に加圧が不要になることで、製造設備の汎用化に大きなメリットがある。更に、反応のためのケイ素（Ｓｉ）等の原料を外部から供給することで、焼結時の収縮とボイドの発生とを解消でき、製造性と歩留まりとが圧倒的に向上する。

本開示の工程は、炭素プリカーサの樹脂、あるいは、ミルドファイバーの炭素と溶浸するケイ素（Ｓｉ）とを反応させて、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を生成し、体積を膨張させて隙間（ボイド）を充填することで、加圧を不要にしている。なお、全体が同時に、かつ、均一に反応が進行しないため、完全にボイドがゼロになるまで炭化ケイ素（ＳｉＣ）を充填させる場合、膨張し過ぎる部分が発生してしまう場合がある。この場合、クラックが発生するため、本開示の工程は、敢えて、少しボイドを残し、その部分にケイ素（Ｓｉ）を充填させている。炭化ケイ素（ＳｉＣ）の反応において、ケイ素（Ｓｉ）は溶融状態で液体であるが、反応生成する炭化ケイ素（ＳｉＣ）は固体であるため、ボイドがあればクラックの発生はない。

また、複合セラミックス材料１０は、連続繊維又は短繊維を強化繊維１として含んでいる。複合セラミックス材料１０は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と、ケイ素（Ｓｉ）との組合せによるマトリックス１１と、強化繊維１とが複合化されている。複合セラミックス材料１０は、強化繊維１を有しているため、マトリックス１１単体で構成されるよりも、密度を低くでき、また、弾性率を高くでき、比弾性率を高くできる。また、複合セラミックス材料１０は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と、ケイ素（Ｓｉ）との組合せによるマトリックス１１と、強化繊維１とが複合化されているため、マトリックス１１単体よりも、強度を確保することができる。

また、強化繊維１は、炭素繊維、ボロン繊維、無機繊維のいずれか１つ、または、炭素繊維、ボロン繊維、無機繊維のいずれか２つ以上を組み合わせたものである。複合セラミックス材料１０は、強化繊維１との複合化で、複合セラミックス材料が一般的に有する脆さを更に改善でき、更に、複合セラミックス材料の低密度化及び高弾性化を実現できる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る複合セラミックス材料１０の製造方法のフローを示す図である。なお、実施の形態１に係る複合セラミックス材料１０と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。図３を用いて、複合セラミックス材料１０の製造方法について説明する。

本開示の複合セラミックス材料１０の製造方法は、６つの工程を有している。この６つの工程は、原料混合工程（ステップＳ１）、成形工程（ステップＳ２）、熱処理工程（ステップＳ３）、形状加工工程（ステップＳ４）、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）、仕上げ加工工程（ステップＳ６）である。

最初の工程である原料混合工程（ステップＳ１）は、原料の炭化ホウ素粉末と、炭素プリカーサの樹脂と、マトリックス充填剤である炭化ケイ素粉末及び黒鉛とを所定の混合比率で均一に混合して混合原料を生成する工程である。混合原料における粉末原料の平均粒度分布は、２水準以上異なる分布であることが望ましい。

使用する粉体原料である炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）の平均粒度分布は、一例として表１のように決定する。例えば、使用する原料粉体が、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）だけの場合（炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉体を使用しない場合）は、平均粒度の異なる炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）粉体を２種類以上使用する。炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）と炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粉体を使用する場合は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）と炭化ケイ素（ＳｉＣ）の平均粒度分布を異なるものを使用する。炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の平均粒度は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）よりも大きい。最低２水準以上であり、それぞれ大小２水準ずつで合計４水準でもよい。

２番目の工程である成形工程（ステップＳ２）は、原料混合工程（ステップＳ１）で生成した混合原料を成形型に充填し、混合原料を加熱及び加圧して成形体を成形する工程である。成形工程（ステップＳ２）は、強化繊維１を充填する工程を有してもよい。

３番目の工程である熱処理工程（ステップＳ３）は、成形工程（ステップＳ２）で成形した成形体を型から取り出した後、成形体を不活性雰囲気中又は真空中で加熱し、加熱処理して成形体の炭素プリカーサを炭化させて焼成体を得る工程である。

４番目の工程である形状加工工程（ステップＳ４）は、熱処理工程（ステップＳ３）で作成した焼成体をサブストレートとして部品形状に加工する工程である。形状加工工程（ステップＳ４）では、炭化した焼成体に対して必要に応じて機械加工を行い、部品形状に加工してサブストレートを形成する。形状加工工程（ステップＳ４）は必須の工程ではなく、形状加工工程（ステップＳ４）を行っても行わなくてもよい。

５番目の工程であるＳｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）は、サブストレートに金属シリコン又はシリコン合金を溶浸させて、サブストレート中の炭素及び黒鉛と反応させて炭化ケイ素化し、サブストレートを焼結させる工程である。Ｓｉ溶浸工程では、形状加工工程（ステップＳ４）で形状加工したサブストレートを、真空中又は不活性雰囲気中で、金属シリコン又はシリコン合金と一緒に加熱する。そして、Ｓｉ溶浸工程では、サブストレートを不活性雰囲気中又は真空中で加熱し、金属シリコン又はシリコン合金を溶融してサブストレートに含侵させる。

ＳｉＣ反応焼結工程では、サブストレートに含侵した金属シリコン又はシリコン合金を、サブストレートの炭素と反応させて炭化ケイ素を生成させ、サブストレートを焼結させる。

形状加工工程（ステップＳ４）を行わない場合は、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）は、焼成体に金属シリコン又はシリコン合金を溶浸させて、焼成体中の炭素及び黒鉛と反応させて炭化ケイ素化し、焼成体を焼結させる工程である。Ｓｉ溶浸工程では、熱処理工程（ステップＳ３）で得た焼成体を、真空中又は不活性雰囲気中で、金属シリコン又はシリコン合金と一緒に加熱する。そして、Ｓｉ溶浸工程では、焼成体を不活性雰囲気中又は真空中で加熱し、金属シリコン又はシリコン合金を溶融して焼成体に含侵させる。

形状加工工程（ステップＳ４）を行わない場合は、ＳｉＣ反応焼結工程では、焼成体に含侵した金属シリコン又はシリコン合金を、焼成体の炭素と反応させて炭化ケイ素を生成させ、焼成体を焼結させる。

すなわち、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）では、高温の真空又は不活性雰囲気中で、焼成体又は加工されたサブストレートに、金属シリコン又はシリコン合金を融点以上の高温下で溶浸させる。そして、金属シリコン又はシリコン合金と、焼成体又はサブストレートに含まれている炭素及び黒鉛粉末とを反応させて炭化ケイ素を形成させる。

また、強化繊維１を複合化する場合には、金属シリコン又はシリコン合金と、焼成体又はサブストレートに含まれている炭素及び黒鉛粉末と、を反応させて炭化ケイ素を形成させると同時に炭化ホウ素と強化繊維１とを固着させて焼結を行う。焼成体又は加工されたサブストレートの焼結では、焼結体又はサブストレートの内部の炭素又は黒鉛が、溶浸したケイ素と反応し、炭素及び黒鉛が炭化ケイ素に変化する際に体積膨張を生じるため、焼結時の焼結体又はサブストレートの収縮を防止できる。

最後の６番目の工程である仕上げ加工工程（ステップＳ６）は、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）の後に、焼結させたサブストレートあるいは焼成体を物品形状に仕上げる加工工程である。焼結体に対して、最終形状に仕上げる加工を実施することで、複合セラミックス材料１０からなる物品が得られる。最終仕上げ加工前の焼結体は、最終物品の形状に近い形状であるため、僅かの加工量で仕上げが可能であり、生産性が大幅に改善される。

次に、複合セラミックス材料１０において、マトリックス１１と強化繊維１との複合化が必要であるか否かについて説明する。また、マトリックス１１と強化繊維１との複合化が必要な場合の複合セラミックス材料１０の製造方法について説明する。

複合セラミックス材料１０として、マトリックス１１に強化繊維１を複合化させるか否かは、物品形状及び最終材料の特性に応じて選択すればよい。例えば、複合セラミックス材料１０の破壊靭性特性が重要ではなく、複合セラミックス材料１０の最終物品の形状が非常に複雑で薄肉部が多くある場合では、複合セラミックス材料１０は、図１で示すように強化繊維１をマトリックス１１に複合化しなくてもよい。

マトリックス１１に強化繊維１を複合化させる必要がある場合としては、セラミックス材の破壊靭性特性の特徴である脆さの改善が必要な場合、あるいは、物品形状が複雑で材料物性の均質性が必要な場合等が挙げられる。これらの場合は、例えば、強化繊維１としてカットファイバー等の短い繊維を用いることが好ましい。この場合の複合セラミックス材料１０の製造方法は、例えば、図３に示すように、原料を混合する原料混合工程（ステップＳ１）において、強化繊維１を混合原料に混ぜ複合化させる。なお、強化繊維１をマトリックス１１又はその原料に複合化させる工程は、当該工程に限定されるものではない。

複合セラミックス材料１０が用いられる物品の形状及びその使用環境上、特定の方向でより高い弾性率及びより高い強度が必要な場合がある。例えば、ジェットエンジンのタービンブレードでは、回転による遠心力の負荷が高いため、タービンのラジアル方向に強化繊維１を連続的に多く配向させることが重要である。更に、衝撃に対して、タービンブレードの折損等の破壊を軽減させるため、強化繊維１による表面の補強を重視する必要がある。この場合、強化繊維１は、図３に示すように成形工程（ステップＳ２）において加えられる。成形工程（ステップＳ２）において、混合原料を型に充填する前に、予め強化繊維１を型の表面に賦形し、その後、混合原料を型に充填して成形することによって、成形体の表面部分に強化繊維１を重点的に配置させ、成形体の表面部分に偏在させることができる。

複合セラミックス材料１０が用いられる物品の形状が複雑で成形工程（ステップＳ２）だけでは、物品の形状を形成できない場合には、成形体を形状加工したあとに、成形体の表面に強化繊維１を賦形してもよい。また、予め強化繊維１を型の表面に賦形する方法と、成形体の表面に強化繊維１を賦形する方法との両方を組合せてもよい。なお、複合セラミックス材料１０の表面付近のみを強化繊維１で補強する必要がある場合は、混合原料で成形した成形体の表面に、炭素プリカーサとなるバインダーを用いて強化繊維１を賦形してもよい。また、予め強化繊維１とバインダーとを複合化したプリプレグを用いて賦形してもよい。

ロッドあるいはシャフト等の比較的単純な形状で、特にその軸方向の強度及び剛性が必要な物品の場合には、成形工程（ステップＳ２）において、強化繊維１を型の中央部分に多く配置して複合化してもよい。この場合、更に成形後に外形の形状加工を行い、外形の形状加工を行った後に、成形体の表面に強化繊維１を追加してもよい。

複合セラミックス材料１０は、複合セラミックス材料１０が用いられる物品の形状に合わせて、強化繊維１の複合化の形態を最適化すればよい。強化繊維１の複合化は、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）の前であれば、原料混合工程（ステップＳ１）から形状加工工程（ステップＳ４）後の何れの工程で実施してもよく、複数の工程で実施しても構わない。例えば、強化繊維１の複合化は、図４に示すように形状加工工程（ステップＳ４）で実施してもよい。

なお、複合セラミックス材料１０が用いられる物品の使用環境で耐熱性が不要な場合には、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）後に焼結体の表面を強化繊維１で複合化してもよい。

強化繊維１は、マトリックス１１の表面に偏在させたり、マトリックス１１の内部に均等に分散させたり、マトリックス１１の内部に層状分散させたりしてもよい。また、成形工程（ステップＳ２）において、短繊維状にした強化繊維１を原料粉体に混合させてから充填して成形してもよく、この場合、成形する形状あるいは必要な強度特性にあわせて、繊維の配向あるいは繊維の充填量を調整すればよい。

＜実施例＞
以下、実施例により本開示の複合セラミックス材料１０の製造方法の詳細を説明するが、これらによって本開示の内容が限定されるものではない。実施例で用いた原料は、炭化ホウ素に３Ｍ社製のボロンカーバイド粉末Ｆ５００を用い、炭素プリカーサに群栄化学工業社製のＰＧ－９４００を用いた。また、実施例で用いた原料は、黒鉛に三菱ケミカル株式会社製のＫ６３７１Ｍを用い、及び、マトリックス充填剤の炭化ケイ素に太平洋ランダム株式会社製のＧＭＦ１０００Ｈ２を用いた。

原料混合工程（ステップＳ１）では、炭化ホウ素、炭素プリカーサ、黒鉛、及び、炭化ケイ素の各原料を重量比４０：１２：４：３で混合して混合原料を得た。

なお、炭素繊維であるミルドファイバーを用いる場合、炭素繊維であるミルドファイバーは、後工程の熱処理では、体積、重量に変化はなく、その後の、ＳｉＣ溶浸及びＳｉＣ反応焼結時に炭化ケイ素化（ＳｉＣ化）する。この時、重量は３．３倍、体積は、２．３倍に変化する。よって、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の体積比率を５０％以上にするためには、ミルドファイバーの重量比率が１０％以下、かつ、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の重量比率が６５％以上の場合、樹脂と炭化ケイ素（ＳｉＣ）との重量比は、残り２５％の間で、樹脂が炭化ケイ素（ＳｉＣ）よりも大きな比率（樹脂＞炭化ケイ素（ＳｉＣ））になる。なお、これらは一例であり、焼結後のマトリックス１１の炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の体積比率が５０％以上となる原料の重量比率は、ミルドファイバーの比率を下げると、樹脂と炭化ケイ素の比率が逆転する場合もある。

成形工程（ステップＳ２）では、混合原料を型に充填し、その後、型に充填した成形材料に５ＭＰａの圧力で加圧し、また、１５０℃の温度に加熱することにより成形材料を２時間かけて硬化させ、成形体を得た。なお、次の熱処理工程（ステップＳ３）において、炭素プリカーサが熱分解する際に分解ガス及び炭素プリカーサの収縮が発生するため、成形体にボイドがないと、成形体にクラックが発生し易くなる。そのため、成形工程（ステップＳ２）では、成形体が緻密でボイドのない状態になるまで成形材料を加圧する必要はなく、逆に、成形体にボイドが残存するレベルで成形材料を加圧する必要がある。

熱処理工程（ステップＳ３）では、不活性雰囲気中で、毎分２℃上昇させて８００℃まで昇温して成形体を加熱し、更にその状態を２時間保持した後、徐冷して焼成体を得た。焼成体は、僅かな寸法変化は見られたが、クラックの発生等の問題はなかった。

Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）では、高温真空炉を使用し、焼成体を金属シリコンと一緒にＢＮ（窒化ホウ素）コート処理した黒鉛坩堝に入れ、真空状態で１６００℃まで昇温し、その状態を１時間保持した後徐冷して、焼結体を得た。

Ｓｉ溶浸及びＳｉＣ反応焼結処理で使用する溶浸材料は、金属シリコン以外に、主にケイ素（Ｓｉ）を主成分とするＳｉ合金でもよい。溶浸温度は、溶浸材の融点以上である必要があり、金属シリコンの場合は、融点の１４２０℃以上の温度にする必要があるが、焼成体の内部に存在する炭素と反応し、炭化ケイ素化（ＳｉＣ化）させるには更に高い温度である方が好ましい。

本実施例では、１６００℃で１時間保持する条件で処理したが、物品の形状あるいはサイズ等により、処理温度及び処理時間は変更することが好ましく、溶融温度を１６００℃とした処理温度及び１時間保持するとした処理時間の条件に限定するものではない。ただし、焼成体と強化繊維１とが複合化している場合は、温度を上げ過ぎると、繊維の劣化が多くなるため、溶融温度は１８００℃未満が好ましい。なお、強化繊維１の複合化には、繊維の反応劣化を軽減させるために、予め繊維表面に炭素あるいは炭化ホウ素等を事前に被覆した強化繊維１を用いてもよい。

Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）により得られた複合セラミックス材料１０である焼結体の物性を確認したところ、密度は２．６８（ｇ／ｃｍ^３）、ヤング率は４３０ＧＰａ、比弾性率は１６０．４（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））となった。なお、この物性を確認した焼結体は、強化繊維１とは複合化していない焼結体である。

これらの製造プロセスにより、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）では、低比重で弾性率の高い複合セラミックス材料１０を、処理時間は短時間で、処理温度は１６００℃程度で、また、無加圧の条件で製造することが可能となる。そのため、従来の焼結プロセスでは製造困難であった複雑な形状あるいは偏肉形状の物品類を短時間で製造することができ、また、複雑形状あるいは偏肉形状の物品類に対して要する仕上げ加工工程（ステップＳ６）に要する時間を大幅に削減することができる。

また、本開示の原料混合工程（ステップＳ１）からＳｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）の製造プロセスによって、マトリックス１１の主成分として炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を含んだ複合セラミックス材料１０を製造できる。そのため、複合セラミックス材料１０の製造方法は、従来の複合セラミックス材料と比較して、比弾性率の高い複合セラミックス材料を製造することができる。

また、本開示の複合セラミックス材料１０の製造方法は、原料混合工程（ステップＳ１）からＳｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）を有する。このような製造プロセスによって、低密度で高弾性率な複合セラミックス材料１０が、従来の焼結プロセスよりも低温で製造することができ、更に、無加圧で製造が可能となるため、偏肉で複雑な形状の物品が容易に実現できる。

また、複合セラミックス材料１０は、マトリックス１１と強化繊維１との複合化により、更に、低密度化及び高弾性率化が実現可能となる。セラミックス材の脆さも、強化繊維１との複合化で改善されるため、各種の構造部材に適用可能な複合セラミックス材料１０からなる物品の実現が可能になる。

ここで、マトリックス１１の主成分である炭化ホウ素２（Ｂ_４Ｃ）の使用について説明する。炭化ケイ素（ＳｉＣ）よりも低密度で弾性率の高い炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）のヤング率は４５０ＧＰａ、密度は２．５２（ｇ／ｃｍ^３）であるため、比弾性率は（４５０／２．５２）＝１７８．６（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））となる。炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）よりも高い比弾性率の実現化が期待できる素材である。

しかし、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の焼結には、２０００℃以上の高温の高圧化で実施する必要があり、製造には特殊な設備が必要とされる。

また、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）は、焼結時の収縮が大きく、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を用いた物品は、割れ又はクラックが発生し易く、複雑な形状あるいは偏肉形状等の、成形及び焼結が困難である。そのため、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を用いた物品は、単純形状以外の製造が困難であるため、複雑な形状の物品の製造には、焼結したバルク素材を削り込み、後加工で形状を作り込む必要がある。しかし、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）は、非常に硬く加工性が悪いため、複雑形状の部材の加工が困難である。

また、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を含んだマトリックスと連続繊維などの強化繊維フィラーとを複合化してＣＭＣを製造する場合、焼結プロセスを高温でかつ高圧力下で処理する必要があるため製造が困難である。上述したように、通常、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の焼結には、２０００℃以上の温度が必要であるため、複合化が可能な繊維であっても耐熱温度の制約から使用できる繊維が限定されていた。また、従来、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を含んだマトリックスと強化繊維とを複合化してＣＭＣを製造する場合、焼結前の成形時には高圧で成形する必要があるため、強化繊維の複合化が困難であり、複雑な形状の物品において強化繊維の複合化は困難であった。

本開示の方法は、低密度で高弾性率な複合セラミックス材料１０の製造にあたり、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の焼結を不活性雰囲気中もしくは真空中の無加圧下において従来の焼結プロセスより低温の１８００℃未満の温度での焼結を実現可能にした。

また、本開示の方法は、マトリックス１１の組成を単一成分から複数成分にして複合化し、マトリックス１１の主成分を炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）にし、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）等における炭化ケイ素（ＳｉＣ）の反応生成プロセスを導入する。そのため、本開示の方法は、無加圧で焼結体の製造が可能となる。また、本開示の方法は、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）によって、原料同士の隙間の充填と原料の焼結とを行うことができるため、焼結時における焼結体の収縮が解消され、無加圧で緻密な焼結体を製造できる。

また、本開示の方法は、マトリックス１１の組成を単一成分から複数成分にして複合化し、マトリックス１１の主成分を炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）にし、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）等における炭化ケイ素（ＳｉＣ）の反応生成プロセスを導入する。そのため、本開示の方法は、焼結変形が非常に僅かで緻密な焼結体の製造が可能となる。そして、焼結体の焼結変形の軽減により、偏肉形状の物品、複雑な形状の物品、あるいは、大型形状の物品の製造が容易に実現可能となる。

また、本開示の方法は、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）等における炭化ケイ素（ＳｉＣ）の反応生成による焼結プロセスにより、焼結温度が、ケイ素（Ｓｉ）の融点よりも少し高い１４２０℃以上から実現可能になる。そのため本開示の方法は、強化繊維１と炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）との複合化が可能となる。そのため、本開示の方法によって、比弾性率の優れた複合セラミックス材料１０（ＣＭＣ）の製造が可能となり、従来のＣＭＣを凌ぐ、耐熱温度の向上、弾性率の向上、及び、低密度化が実現可能となる。

また、本開示の方法は、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）等における炭化ケイ素（ＳｉＣ）の反応生成による焼結プロセスにより、ＳｉＣ繊維よりも高弾性な炭素繊維、あるいは、ボロン繊維等とマトリックス１１との複合化が可能になる。そのため、本開示の方法は、従来のＳｉＣ／ＳｉＣを凌ぐ、低密度で高弾性率な複合セラミックス材料１０の製造が可能となる。

また、本開示の方法は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）粉末と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末及び黒鉛粉末等のマトリックス充填剤と、炭素プリカーサとを用いて成形工程（ステップＳ２）で混合原料を成形体に成形し、熱処理工程（ステップＳ３）で成形体に熱処理を行う。なお、成形工程（ステップＳ２）及び熱処理工程（ステップＳ３）において、強化繊維１を含んでいてもよい。本開示の方法は、成形工程を経て熱処理を行い、炭素プリカーサを炭化させるため、ケイ素（Ｓｉ）溶浸を可能にするポーラスな焼成体、すなわち、多孔質な焼成体を生成することができる。この焼成体は、ポーラスであるため軟らかく加工性に優れ、且つ、形状加工に十分な強度を有している。更に、この焼成体は、焼結時に寸法変化が小さいため、複雑な形状の物品を容易に形成できる。

また、複合セラミックス材料１０は、金属シリコン又は金属シリコンの合金を含んでいる。複合セラミックス材料１０は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と、及び金属シリコン又は金属シリコンの合金との組合せにより、低密度を低くでき、また、弾性率を高くできるため、比弾性率を高くできる。

また、成形工程（ステップＳ２）で強化繊維１をさらに充填する製造工程により、低密度で高弾性率な複合セラミックス材料が、従来の焼結プロセスより低温で、更に、無加圧で製造が可能となるため、偏肉で複雑な形状の物品が容易に実現できる。

また、実施の形態１で説明したように炭素プリカーサに樹脂を用いることによって、成形体が容易に成形可能になる。更に、炭素プリカーサに樹脂を用いることによって、熱処理工程（ステップＳ４）では、炭素プリカーサが熱分解して体積収縮を起こすため、次工程のＳｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）で必要な空隙を焼成体に確保できる。

炭素プリカーサとして、樹脂に黒鉛粉末又は炭素繊維のいずれか一方又は両方を組み合わせることによって、成形体の成形性を向上させることができ、また、熱処理時に発生するひずみを抑制することができる。そのため、焼成時における成形体の割れを防止でき及びクラックの発生を防止できる。また、炭素プリカーサとして、樹脂に黒鉛粉末又は炭素繊維のいずれか一方又は両方を組み合わせることによって、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）に必要な空隙量が確保でき、炭化ケイ素化の反応で膨張する空間の調整が可能になる。そのため、複合セラミックス材料１０は、製造プロセスにおける寸法変化を軽減できるため、複雑形状あるいは偏肉形状が実現できる。

また、複合セラミックス材料１０は、マトリックス充填剤の一部が炭化ケイ素粉末である。当該構成によって、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）に必要な空隙量が確保でき、炭化ケイ素化の反応で膨張する空間の調整が可能になる。そのため、複合セラミックス材料１０は、製造プロセスにおける寸法変化を軽減できるため、複雑形状あるいは偏肉形状が実現できる。

また、混合原料における粉末原料の平均粒度分布が、２水準以上異なる分布である。粉末原料の平均粒度分布を２水準以上異ならせることにより、混合原料の充填率が向上し、更に、混合原料を均一化することができる。そのため、複合セラミックス材料１０は、当該構成を有しない複合セラミックス材料と比較して均質化を図ることができ、複合セラミックス材としての特性を向上できる。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る複合セラミックス材料１０において強化繊維１をロッドの芯に複合化する成形プロセスのフローを示す図である。なお、実施の形態１及び実施の形態２に係る複合セラミックス材料１０と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。図４を用いて、成形工程（ステップＳ２）を中心に、強化繊維１を複合化する方法の一例について説明する。

＜実施例＞
実施例で用いた原料は、炭化ホウ素に３Ｍ社製のボロンカーバイド粉末Ｆ５００を用い、炭素プリカーサに群栄化学工業社製のＰＧ－９４００を用いた。また実施例で用いた原料は、黒鉛に三菱ケミカル株式会社製のＫ６３７１Ｍを用い、及び、マトリックス充填剤の炭化ケイ素に太平洋ランダム株式会社製のＧＭＦ１０００Ｈ２を用いた。

図３に示す原料混合工程（ステップＳ１）によって実施の形態２と同様に調整した混合原料２１と、強化繊維１であるプリプレグシート２２とを準備する。プリプレグシート２２には、三菱ケミカル株式会社製のＵＤプリプレグシートであるＨｙＥＪ３４Ｍ６４ＰＤを用いた。金型となる成形治具２０は、Ｔ字形状の金型２０ａとＵ字形状の金型２０ｂとを有する。成形工程（ステップＳ２）では、金型２０ｂの内部に配置された成形材料は、金型２０ａによって押圧されることによって、角棒形状の成形体として成形される。

図４の工程（ａ）及び工程（ｂ）に示すように、成形用に準備した成形治具２０の中に、下から混合原料２１、プリプレグシート２２、混合原料２１の順番でセットした。この時、プリプレグシート２２は、成形治具２０の長手方向に繊維の向きを揃え、予め丸めてロッド状にした状態にしてセットした。ロッド状とは、例えば円柱状である。ここでセットする強化繊維１であるロッド状のプリプレグシート２２は、予備成形した樹脂が硬化済みの状態でもよい。混合原料２１は、ロッド状にしたプリプレグシート２２の周囲を覆うように充填される。混合原料２１、プリプレグシート２２、及び、混合原料２１のそれぞれの材料の重量比率は２：１：２として、各材料を成形治具２０に充填した。

図４の工程（ｃ）に示す成形では、成形治具２０に充填した成形材料に３ＭＰａの圧力で加圧し、また、１５０℃の温度に加熱することにより成形材料を２時間かけて硬化させ、成形体２３を得た。成形体２３は、内部の中央付近に強化繊維１が集中し、強化繊維１の外側が混合原料２１で覆われ硬化された角棒形状であるため、後加工（ｄ）で、余分な混合原料２１の硬化部分を削り落とし、丸棒形状に加工した。丸棒形状に加工した成形体２３の断面において、中央部の強化繊維１と外側の混合原料２１部分との面積比率は、おおよそ１：１であった。

プリプレグシート２２は、一方向のみ繊維を揃えたＵＤ（ＵｎｉＤｅｒｅｃｔｉｏｎ）タイプのものを用いたが、ＵＤタイプのものに限定するものではなく、繊維が編み込まれている組紐形状のものでもよく、あるいは、袋網されたブレードを用いてもよい。また、成形治具２０にセットするシートは、繊維と樹脂とが複合化されたプリプレグの代わりに、プリプレグ化する前の繊維の束を用いてもよい。

強化繊維１として炭素繊維を用いたが、強化繊維１は、炭素繊維以外にもＳｉＣ繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、あるいは、バサルト繊維等を使用してもよい。複合セラミックス材料１０の比弾性率をより高くするためには、弾性率の高い、超高弾性の炭素繊維の組合せが最も好ましい。また、強化繊維１は、成形体２３の中央部分に配置したが、成形体２３の配置は、中央部分に限定するものではない。例えば、強化繊維１は、成形体２３の表面に集中的に分散させてもよく、成形体２３の全体に均一に分散させてもよく、あるいは、成形体２３の表面と中央部分とに集中させてもよい。また、強化繊維１と、混合原料２１との充填比率も自由に選択することができる。

その後、熱処理工程（ステップＳ３）では、不活性雰囲気中で、温度８００℃、その状態を２時間保持するという条件で加工された成形体２３に熱処理を行い、混合原料２１中の炭素プリカーサとプリプレグシート２２の樹脂とを炭素化し、焼成体を得た。

その後、Ｓｉ溶浸工程及びＳｉＣ反応焼結工程（ステップＳ５）では、焼成体を金属シリコンと一緒に真空中で１６００℃まで加熱し、その状態を１時間保持し、シリコンを溶浸させて焼成体を焼結し、焼結体を得た。

こうして得られた焼結体のロッドの表面を研削加工し、同一径の丸棒に仕上げ加工をした後に、密度と弾性率とを評価したところ、密度は２．３５（ｇ／ｃｍ^３）、弾性率は４９０ＧＰａ、比弾性率は、２０８．５（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））となった。

このように、複合セラミックス材料１０は、強化繊維１をロッド部材の芯として複合化することによって、通常のセラミックス材料より、更に低い密度と、セラミックス材料単体では実現困難な、高い弾性率が実現可能となる。これらの製造プロセスによる複合セラミックス材料１０を各種物品に適用することによって、低密度による軽量化を図ることができ、高速駆動化の実現、あるいは、駆動エネルギーの省エネルギー化を図ることができる。また、複合セラミックス材料１０を各種物品に適用することによって、高弾性率による高剛性化を図ることができ、負荷時のひずみ低減の実現により、高精度化あるいは更なる高速駆動の実現が可能になる。

以上の実施の形態１～実施の形態３に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１強化繊維、２炭化ホウ素、３炭化ケイ素、４ケイ素、１０複合セラミックス材料、１１マトリックス、２０成形治具、２０ａ金型、２０ｂ金型、２１混合原料、２２プリプレグシート、２３成形体。

Claims

炭化ホウ素粉末と、粉末のフェノール樹脂を含む炭素プリカーサと、マトリックス充填剤とを混合し、混合原料を生成する混合工程と、
成形型に前記混合原料と強化繊維とを充填し、前記混合原料を加熱及び加圧して成形体を成形する成形工程と、
前記成形体を不活性雰囲気中又は真空中で加熱処理し、前記炭素プリカーサを炭化させて焼成体を得る熱処理工程と、
前記焼成体を不活性雰囲気中又は真空中で加熱し、金属シリコン又はシリコン合金を溶融して前記焼成体に含侵させる溶浸工程と、
前記焼成体に含侵した前記金属シリコン又は前記シリコン合金を、前記焼成体の炭素と反応させて炭化ケイ素を生成させ、前記焼成体を焼結させる反応焼結工程と、
を有し、
前記マトリックス充填剤の一部が炭化ケイ素粉末である複合セラミックス材料の製造方法。
前記熱処理工程と前記溶浸工程との間に、前記焼成体を部品形状に加工してサブストレートを形成する加工工程を有し、
前記加工工程を有する場合には、前記溶浸工程及び前記反応焼結工程における前記焼成体は、前記サブストレートである請求項１に記載の複合セラミックス材料の製造方法。
前記強化繊維が、炭素繊維、ボロン繊維、無機繊維のいずれか１つ、または、炭素繊維、ボロン繊維、無機繊維のいずれか２つ以上を組み合わせたものである請求項１又は２に記載の複合セラミックス材料の製造方法。
前記混合原料における粉末原料の平均粒度分布が、２水準以上異なる分布である請求項１～３のいずれか１項に記載の複合セラミックス材料の製造方法。