JP7085388B2 - Method for manufacturing SiC fiber reinforced SiC composite material - Google Patents

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Description

本発明は、SiC繊維強化SiC複合材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a SiC fiber reinforced SiC composite material.

SiCは、耐熱性、化学的安定性、機械的特性等に優れた材料である。このため、これらのセラミック材料は、原子力分野、航空・宇宙分野、発電分野等の過酷な環境下や、ポンプメカニカルシール等の一般的な分野で使用される材料として開発が進められている。 SiC is a material having excellent heat resistance, chemical stability, mechanical properties and the like. Therefore, these ceramic materials are being developed as materials used in harsh environments such as the nuclear power field, aerospace field, and power generation field, and in general fields such as pump mechanical seals.

しかしながら、焼結体としてのSiCはセラミックス材料であるため、破壊靱性が小さく、その弱点を解消するためにSiC繊維強化SiC複合材料が開発されている。
SiC繊維からなる骨材の間にSiCからなるマトリックスが充填されたSiC繊維強化SiC複合材料は、様々な製造方法がある。
However, since SiC as a sintered body is a ceramic material, it has low fracture toughness, and a SiC fiber-reinforced SiC composite material has been developed in order to eliminate the weaknesses thereof.
There are various manufacturing methods for a SiC fiber reinforced SiC composite material in which a matrix made of SiC is filled between aggregates made of SiC fibers.

CVI法ではSiC繊維の骨材の間に気相成長法でSiCからなるマトリックスを形成する。PIP法では、SiC繊維の骨材の間にSiC前駆体を含浸したのち、焼成し、セラミック化してSiCマトリックスを形成する。MI法では、SiC繊維の隙間に炭素源を含浸したのち、溶融シリコンを含浸し、内部で炭素とシリコンを反応させSiCマトリックスを形成する。 In the CVI method, a matrix composed of SiC is formed between aggregates of SiC fibers by a vapor phase growth method. In the PIP method, a SiC precursor is impregnated between the aggregates of SiC fibers and then fired to be ceramicized to form a SiC matrix. In the MI method, the gaps between the SiC fibers are impregnated with a carbon source, then fused silicon is impregnated, and carbon and silicon are internally reacted to form a SiC matrix.

特許文献1には、SiC繊維強化SiC複合材料の製造方法の1つであるMI法が記載されている。特許文献1の特許請求の範囲には、 セラミックマトリックス複合材(CMC)物品を形成する方法であって、遊離ケイ素含量を有するセラミックマトリックス材料中にセラミック繊維強化材料を含むセラミックマトリックス複合材基材を溶融含浸によって形成する工程と、基材の少なくとも一部に配置された、遊離ケイ素含量を有しないセラミックマトリックス材料中にセラミック繊維強化材料を含むセラミックマトリックス複合材外側層を化学気相含浸によって形成する工程とを含む方法が記載されている。 Patent Document 1 describes the MI method, which is one of the methods for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material. The scope of the patent claim of Patent Document 1 is a method for forming a ceramic matrix composite (CMC) article, which comprises a ceramic matrix composite base material containing a ceramic fiber reinforced material in a ceramic matrix material having a free silicon content. The process of forming by melt impregnation and the outer layer of the ceramic matrix composite containing the ceramic fiber reinforced material in the ceramic matrix material having no free silicon content, which is placed on at least a part of the substrate, is formed by chemical vapor phase impregnation. Methods including steps are described.

上記CMC物品の製造方法によれば、外側層を有しないCMC物品の耐クリープ性より大きい耐クリープ性を有するCMC物品をもたらし得る。遊離元素態ケイ素又はケイ素合金を有しないCMC外側層は、CMC基材(遊離ケイ素を含んでもよい)と比較してより高い温度(例えば、ケイ素の融点より高い)に耐えることができ、その結果、外側層を有しないCMC物品のそれより高い温度に耐え得るCMC物品をもたらし得ることが記載されている。 According to the above method for producing a CMC article, it is possible to obtain a CMC article having a creep resistance larger than the creep resistance of the CMC article having no outer layer. The CMC outer layer without free elemental silicon or silicon alloy can withstand higher temperatures (eg, higher than the melting point of silicon) compared to the CMC substrate (which may contain free silicon), resulting in It is described that it can result in a CMC article that can withstand higher temperatures than that of a CMC article that does not have an outer layer.

特開2016-185901号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-185901

しかしながら、特許文献1に記載のCMC物品では、対クリープ性の小さい内部のCMC物品を、遊離ケイ素を持たない外側層で補強している構造であり、内側層自体の耐熱性を高めるものではない。従って、内側層の耐熱性、強度は不充分であるという問題があった。 However, the CMC article described in Patent Document 1 has a structure in which the inner CMC article having a small creep resistance is reinforced by an outer layer having no free silicon, and does not enhance the heat resistance of the inner layer itself. .. Therefore, there is a problem that the heat resistance and strength of the inner layer are insufficient.

本発明は、上記課題を鑑み、簡単な方法で内部まで残留シリコン、未反応炭素あるいは気孔が少なく、耐熱性に優れたSiC繊維強化SiC複合材料が得られるSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material, which can obtain a SiC fiber-reinforced SiC composite material having few residual silicon, unreacted carbon or pores and excellent heat resistance by a simple method. The purpose is to provide.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法は、SiC繊維からなる骨材に、水とSiC粒子と黒鉛粒子とからなるスラリーを含浸し、乾燥する第1含浸工程と、上記第1含浸工程の後に、溶融シリコンを含浸する第2含浸工程と、を有することを特徴とする。 The method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention includes a first impregnation step of impregnating an aggregate made of SiC fibers with a slurry consisting of water, SiC particles and graphite particles and drying the first impregnation step. It is characterized by having a second impregnation step of impregnating the molten silicon after the above.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記第1含浸工程で、予め水とSiC粒子と黒鉛粒子とからなるスラリーを含浸しているので、従来の方法よりも効率よくSiC粒子及び黒鉛粒子を気孔内部に含浸することができる。またスラリーには水が用いられており、水は他の溶媒よりもSiC粒子や黒鉛粒子の凝集が起こりにくいので、スラリーの粘度が上昇しにくく、高濃度のSiC粒子と黒鉛粒子のスラリーの含浸に適している。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, a slurry composed of water, SiC particles and graphite particles is impregnated in advance in the first impregnation step, so that the SiC particles and the SiC particles are more efficiently used than the conventional method. Graphite particles can be impregnated inside the pores. In addition, water is used for the slurry, and since water is less likely to cause aggregation of SiC particles and graphite particles than other solvents, the viscosity of the slurry is less likely to increase, and high-concentration SiC particles and the slurry of graphite particles are impregnated. Suitable for.

第1含浸工程後の第2含浸工程で、SiC繊維中の残された気孔に高温の溶融シリコンが含浸され、黒鉛粒子と反応し、反応焼結SiCが生成する。第1含浸工程の後に残された気孔が多いと、含浸される溶融シリコンの量が増え、必要とする黒鉛粒子の量が多くなる。さらに得られる反応焼結SiCの量が多くなると反応収縮に伴って基材内部に残留するシリコンの量も増加してしまう。 In the second impregnation step after the first impregnation step, the remaining pores in the SiC fiber are impregnated with high-temperature molten silicon and react with the graphite particles to form reaction-sintered SiC. If there are many pores left after the first impregnation step, the amount of fused silicon to be impregnated increases, and the amount of graphite particles required increases. Further, as the amount of the obtained reaction sintered SiC increases, the amount of silicon remaining inside the base material also increases with the reaction shrinkage.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、黒鉛粒子とともにSiC粒子を充填することにより、第1含浸工程後に残された気孔を少なくし、SiCの形成に必要な黒鉛粒子の量を少なくしたので、残留シリコン、残留炭素を少なくすることができる。また、第2含浸工程で溶融シリコンを含浸することにより反応焼結SiCが形成される。このため第1含浸工程で充填できなかった空隙にSiを充填し、SiC化させ緻密なSiC繊維強化SiC複合材料を得ることができる。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, by filling the SiC particles together with the graphite particles, the pores left after the first impregnation step are reduced, and the amount of graphite particles required for forming the SiC is reduced. Therefore, residual silicon and residual carbon can be reduced. Further, the reaction sintered SiC is formed by impregnating the molten silicon in the second impregnation step. Therefore, it is possible to fill the voids that could not be filled in the first impregnation step with Si and convert it into SiC to obtain a dense SiC fiber-reinforced SiC composite material.

また、第1含浸工程でSiC粒子が充填されているため、黒鉛粒子が過剰となって未反応の黒鉛粒子が残ることを防止することができる。さらに、炭素質の粒子と比較して真密度の高い黒鉛粒子は結晶化が進行しているので溶融シリコンとの反応が遅く、溶融シリコンが内部まで行き渡ってからゆっくり反応する。このため、表面付近の黒鉛粒子が先にSiC化することによる閉塞が起きにくく、気孔の少ないSiC繊維強化SiC複合材料を得ることができる。 Further, since the SiC particles are filled in the first impregnation step, it is possible to prevent the graphite particles from becoming excessive and leaving unreacted graphite particles. Further, since the graphite particles having a higher true density than the carbonaceous particles are crystallized, the reaction with the molten silicon is slow, and the molten silicon reacts slowly after it has spread to the inside. Therefore, it is possible to obtain a SiC fiber-reinforced SiC composite material having few pores, because the graphite particles in the vicinity of the surface are less likely to be clogged by being converted into SiC first.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記スラリーにおける固形分の含有割合は、50~80重量%であることが望ましい。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, the solid content content in the slurry is preferably 50 to 80% by weight.

溶融シリコンを含浸して反応焼結によりSiCを形成するMI法によるSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法においては、完全にシリコンを含浸した場合、スラリーを含浸した第1含浸工程後の骨材中の気孔量がそのまま溶融シリコンの含浸量となる。溶融シリコンの含浸量が多いと、反応に必要な黒鉛粒子の量が増える上に、反応による体積収縮でさらにシリコンがSiC繊維の間に含浸され残留シリコンが多くなる。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material by the MI method of impregnating molten silicon and forming SiC by reaction sintering, when completely impregnated with silicon, it is contained in the aggregate after the first impregnation step of impregnating the slurry. The amount of pores in the above becomes the amount of impregnation of the fused silicon as it is. When the amount of impregnated silicon is large, the amount of graphite particles required for the reaction increases, and the volume shrinkage due to the reaction further impregnates silicon between the SiC fibers to increase the amount of residual silicon.

上記したように、水は他の溶媒よりもSiC粒子の凝集が起こりにくい。また、水は適用できる分散剤が多いため、凝集の起こりにくいものを選択しやすく、溶媒として適している。従って、本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法において、上記スラリーにおける固形分の含有割合が50~80重量%と高い含有割合であっても、スラリーの粘度が上昇しにくく、高い含有割合で、SiC粒子及び黒鉛粒子をSiC繊維の間に含浸させることができる。 As mentioned above, water is less likely to cause aggregation of SiC particles than other solvents. In addition, since many dispersants can be applied to water, it is easy to select a dispersant that does not easily aggregate, and it is suitable as a solvent. Therefore, in the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, even if the solid content in the slurry is as high as 50 to 80% by weight, the viscosity of the slurry is unlikely to increase and the content is high. Therefore, SiC particles and graphite particles can be impregnated between the SiC fibers.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、固形分の含有割合が50重量%以上と高い含有割合であると、効率よくSiC繊維の間にSiC粒子及び黒鉛粒子を充填させることができる。また、SiC粒子の含有割合が80重量%以下であると、スラリーの粘度が低い状態で維持することができるので、SiC繊維の間にSiC粒子及び黒鉛粒子を充分に充填させることができる。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, when the solid content is as high as 50% by weight or more, SiC particles and graphite particles can be efficiently filled between the SiC fibers. .. Further, when the content ratio of the SiC particles is 80% by weight or less, the viscosity of the slurry can be maintained in a low state, so that the SiC particles and the graphite particles can be sufficiently filled between the SiC fibers.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記スラリーにおける黒鉛粒子の真密度は、2.05~2.26g/cmであることが望ましい。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, it is desirable that the true density of graphite particles in the above slurry is 2.05 to 2.26 g / cm 3 .

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法の第2含浸工程では、黒鉛粒子と溶融シリコンとが反応して反応焼結SiCを形成する。溶融シリコンの密度は約2.57g/cmであり、SiCの密度は約3.2g/cmである。一方、黒鉛の密度は、バラツキがあり、最も大きくなる理論値でも2.26g/cmである。従って、SiCは、シリコン、黒鉛のいずれよりも密度が高い。このため、黒鉛粒子と溶融シリコンとの反応によって必ず収縮が起こる。本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記スラリーにおける黒鉛粒子の真密度を2.05~2.26g/cmと高く設定することにより、反応収縮を少なくすることができ、より緻密なSiC繊維強化SiC複合材料を得ることができる。 In the second impregnation step of the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, graphite particles react with molten silicon to form reaction-sintered SiC. The density of molten silicon is about 2.57 g / cm 3 , and the density of SiC is about 3.2 g / cm 3 . On the other hand, the density of graphite varies, and even the largest theoretical value is 2.26 g / cm 3 . Therefore, SiC has a higher density than either silicon or graphite. Therefore, shrinkage always occurs due to the reaction between the graphite particles and the molten silicon. In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, the reaction shrinkage can be reduced by setting the true density of the graphite particles in the slurry as high as 2.05 to 2.26 g / cm 3 . A dense SiC fiber reinforced SiC composite material can be obtained.

なお、黒鉛結晶では、六角網面とエッジとを比較すると、エッジの方が反応しやすい。黒鉛は真密度が高くなるに従って六角網面が広がり、エッジの比率が小さくなる。このため、真密度が2.05g/cm未満の黒鉛結晶や炭素材料では、溶融シリコンと接触するとすぐに固体のSiCとなるため、気孔を閉塞させ溶融シリコンの浸透を抑制してしまう。真密度が2.05g/cm以上の黒鉛粒子を使用すると、反応収縮を抑制するとともに、ゆっくりと反応するので、溶融シリコンの浸透を妨げにくく、緻密なSiC繊維強化SiC複合材料を得ることができる。 In addition, in the graphite crystal, when the hexagonal mesh surface and the edge are compared, the edge reacts more easily. As the true density of graphite increases, the hexagonal mesh surface expands and the edge ratio decreases. For this reason, graphite crystals and carbon materials having a true density of less than 2.05 g / cm 3 become solid SiC as soon as they come into contact with molten silicon, which closes the pores and suppresses the penetration of molten silicon. When graphite particles having a true density of 2.05 g / cm 3 or more are used, the reaction shrinkage is suppressed and the reaction is slow, so that it is difficult to prevent the permeation of molten silicon and a dense SiC fiber-reinforced SiC composite material can be obtained. can.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記スラリーにおけるSiC粒子と黒鉛粒子の合計体積に対する黒鉛粒子の体積比率は、下記の式(1)及び式(2)により算出される下記sに対して10%以内であることが望ましい。

Figure 0007085388000001
Figure 0007085388000002
ρSi:溶融シリコン密度
ρc:黒鉛真密度
u:スラリー含浸前の骨材の気孔率
Vp:スラリー含浸後、溶融シリコン含浸前の骨材の気孔率
s:SiC粒子と黒鉛粒子の和に対する黒鉛粒子の体積比 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, the volume ratio of graphite particles to the total volume of SiC particles and graphite particles in the slurry is calculated by the following formulas (1) and (2). It is desirable that it is within 10%.
Figure 0007085388000001
Figure 0007085388000002
ρ Si : Molten silicon density ρ c : Graphite true density u: Porosity of aggregate before slurry impregnation Vp: Porosity of aggregate after slurry impregnation and before molten silicon impregnation s: Graphite for sum of SiC particles and graphite particles Particle volume ratio

本発明のSiC繊維強化SiC複合材の製造方法において、上記スラリーにおけるSiC粒子と黒鉛粒子の合計体積に対する黒鉛粒子の体積比率が、式(1)及び式(2)により算出される上記sに対して10%以内であると、SiC繊維の内部の元々の気孔がSiC粒子と反応焼結SiCでほぼ充填され、反応収縮分のみが溶融シリコンで充填されるようになるため、空隙の少ない緻密なSiC繊維強化SiC複合材料を得ることができる。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, the volume ratio of graphite particles to the total volume of SiC particles and graphite particles in the slurry is calculated by the formulas (1) and (2) with respect to the above s. If it is within 10%, the original pores inside the SiC fiber are almost filled with the SiC particles and the reaction sintered SiC, and only the reaction shrinkage portion is filled with the molten silicon, so that the pores are small and dense. A SiC fiber reinforced SiC composite material can be obtained.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記第1含浸工程における上記スラリーの含浸回数は、1回であることが望ましい。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, it is desirable that the number of times of impregnation of the slurry in the first impregnation step is one.

水とSiC粒子とからなるスラリーを含浸し、乾燥する本発明の第1含浸工程では、SiC粒子及び黒鉛粒子をSiC繊維の間に充填することが主な目的であり、SiC粒子及び黒鉛粒子が充填された状態でSiC繊維の間にSiC粒子及び黒鉛粒子を固定することは難しい。このため、SiC繊維の間に充填されたSiC粒子及び黒鉛粒子の固定は不充分であり、SiC繊維の間から脱落しやすい。従って、2回以上、繰り返し含浸工程を繰り返すと、一旦充填されたSiC粒子及び黒鉛粒子の流出につながってしまう。本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法によれば、スラリーの含浸回数は、1回であるので、効率よくSiC粒子及び黒鉛粒子をSiC繊維の間に充填することができる。 In the first impregnation step of the present invention, in which a slurry composed of water and SiC particles is impregnated and dried, the main purpose is to fill the SiC particles and the graphite particles between the SiC fibers, and the SiC particles and the graphite particles are formed. It is difficult to fix SiC particles and graphite particles between SiC fibers in the filled state. Therefore, the SiC particles and the graphite particles filled between the SiC fibers are not sufficiently fixed, and easily fall off from between the SiC fibers. Therefore, if the impregnation step is repeated two or more times, the SiC particles and the graphite particles once filled will flow out. According to the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, the number of times of impregnation of the slurry is one, so that the SiC particles and the graphite particles can be efficiently filled between the SiC fibers.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記SiC粒子の平均粒子径(直径)は、0.1~10μmであることが望ましい。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, it is desirable that the average particle diameter (diameter) of the SiC particles is 0.1 to 10 μm.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法において、上記SiC粒子の平均粒子径が0.1μm以上であると、少ない量の水で粘度の低いスラリーを得ることができ、効率よくSiC粒子をSiC繊維の間に充填することができる。また、上記SiC粒子の平均粒子径が10μm以下であると、SiC繊維の間の空隙が狭くても、SiC粒子が空隙の内部に充填されやすい。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, when the average particle size of the SiC particles is 0.1 μm or more, a slurry having low viscosity can be obtained with a small amount of water, and the SiC particles can be efficiently produced. It can be filled between SiC fibers. Further, when the average particle diameter of the SiC particles is 10 μm or less, the SiC particles are likely to be filled in the voids even if the voids between the SiC fibers are narrow.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記黒鉛粒子の平均粒子径(直径)は、0.1~10μmであることが望ましい。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, it is desirable that the average particle diameter (diameter) of the graphite particles is 0.1 to 10 μm.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法において、上記黒鉛粒子の平均粒子径が0.1μm以上であると、少ない量の水で粘度の低いスラリーを得ることができ、効率よく黒鉛粒子をSiC繊維の間に充填することができる。また、上記黒鉛粒子の平均粒子径が10μm以下であると、SiC繊維の間の空隙が狭くても、黒鉛粒子が空隙の内部に充填されやすい。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, when the average particle size of the graphite particles is 0.1 μm or more, a slurry having low viscosity can be obtained with a small amount of water, and the graphite particles can be efficiently produced. It can be filled between SiC fibers. Further, when the average particle diameter of the graphite particles is 10 μm or less, the graphite particles are likely to be filled inside the voids even if the voids between the SiC fibers are narrow.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記スラリーは、分散剤をSiC粒子及び黒鉛粒子の合計100重量部に対して2~5重量部含むことが望ましい。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, it is desirable that the slurry contains 2 to 5 parts by weight of the dispersant with respect to 100 parts by weight of the total of the SiC particles and the graphite particles.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法において、上記スラリーが分散剤をSiC粒子及び黒鉛粒子の合計100重量部に対して2重量部以上含むと、SiC粒子を充分に分散させ、スラリーの流動性を確保することができる。一方、分散剤は少量で性能を発現するので、過剰に入れてもスラリーの粘度はあまり影響を受けなくなるが、本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法において、分散剤の配合量をSiC粒子及び黒鉛粒子の合計100重量部に対して5重量%以下とすることにより、少量でスラリーの粘度を充分に低下させることができる。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, when the slurry contains 2 parts by weight or more of the dispersant with respect to 100 parts by weight of the total of SiC particles and graphite particles, the SiC particles are sufficiently dispersed and the slurry is prepared. Liquidity can be ensured. On the other hand, since the dispersant exhibits performance in a small amount, the viscosity of the slurry is not significantly affected even if it is added in an excessive amount. By setting the content to 5% by weight or less based on 100 parts by weight of the particles and the graphite particles in total, the viscosity of the slurry can be sufficiently reduced with a small amount.

図1(a)は、本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法において、板形状の骨材を作製する際に用いる固定治具の一例を模式的に示す断面図であり、図1(b)は、上記固定治具の斜視図である。FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing an example of a fixing jig used for producing a plate-shaped aggregate in the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention. b) is a perspective view of the fixing jig. 図2(A)~(C)は、炭素粒子と最初に含浸された溶融シリコンのモル数が等しく、気孔に溶融シリコンが完全に含浸した場合の変化を示す帯グラフである。2 (A) to 2 (C) are band graphs showing changes when the carbon particles and the initially impregnated molten silicon have the same number of moles and the pores are completely impregnated with the molten silicon. 図3(A)~(C)は、炭素粒子の方が最初に含浸された溶融シリコンのモル数より多く、気孔に溶融シリコンが完全に含浸した場合の変化を示す帯グラフである。3 (A) to 3 (C) are band graphs showing changes when the number of moles of the molten silicon impregnated with carbon particles is larger than that of the initially impregnated molten silicon and the pores are completely impregnated with the molten silicon. 図4(A)~(C)は、炭素粒子の方が最初に含浸された溶融シリコンのモル数より少なく、気孔に溶融シリコンが完全に含浸した場合の変化を示す帯グラフである。4 (A) to 4 (C) are band graphs showing changes when the number of moles of the molten silicon impregnated with carbon particles is smaller than that of the initially impregnated molten silicon and the pores are completely impregnated with the molten silicon. 図5(A)~(C)は、炭素粒子と最初に含浸された溶融シリコンのモル数が等しく、気孔への溶融シリコンの含浸が不充分な場合の変化を示す帯グラフである。5 (A) to 5 (C) are band graphs showing changes when the carbon particles and the initially impregnated molten silicon have the same number of moles and the pores are sufficiently impregnated with the molten silicon. 図6(A)~(C)は、炭素粒子の方が最初に含浸された溶融シリコンのモル数より多く、気孔への溶融シリコンの含浸が不充分な場合の変化を示す帯グラフである。6 (A) to 6 (C) are band graphs showing changes when the number of moles of molten silicon impregnated with carbon particles is larger than that of the initially impregnated molten silicon and the impregnation of the molten silicon into the pores is insufficient. 図7(A)~(C)は、炭素粒子の方が最初に含浸された溶融シリコンのモル数より少なく、気孔への溶融シリコンの含浸が不充分な場合の変化を示す帯グラフである。7 (A) to 7 (C) are band graphs showing changes when the number of moles of molten silicon impregnated with carbon particles is smaller than that of the initially impregnated molten silicon and the impregnation of the molten silicon into the pores is insufficient.

(発明の詳細な説明)
以下、本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法について詳述する。
本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法は、SiC繊維からなる骨材に、水とSiC粒子と黒鉛粒子とからなるスラリーを含浸し、乾燥する第1含浸工程と、上記第1含浸工程の後に、溶融シリコンを含浸する第2含浸工程と、を有することを特徴とする。
(Detailed description of the invention)
Hereinafter, the method for producing the SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention will be described in detail.
The method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention includes a first impregnation step of impregnating an aggregate made of SiC fibers with a slurry consisting of water, SiC particles and graphite particles and drying the first impregnation step. It is characterized by having a second impregnation step of impregnating the molten silicon.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記第1含浸工程で、予め水とSiC粒子と黒鉛粒子とからなるスラリーを含浸しているので、従来の方法よりも効率よくSiC及び黒鉛粒子を気孔内部に含浸することができる。またスラリーには水が用いられており、水は他の溶媒よりもSiC粒子や黒鉛粒子の凝集が起こりにくいので、スラリーの粘度が上昇しにくく、高濃度のSiC粒子と黒鉛粒子のスラリーの含浸に適している。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, since a slurry composed of water, SiC particles and graphite particles is impregnated in advance in the first impregnation step, SiC and graphite are more efficiently used than the conventional method. Particles can be impregnated inside the pores. In addition, water is used for the slurry, and since water is less likely to cause aggregation of SiC particles and graphite particles than other solvents, the viscosity of the slurry is less likely to increase, and high-concentration SiC particles and the slurry of graphite particles are impregnated. Suitable for.

第1含浸工程後の第2含浸工程で、SiC繊維中の残された気孔に高温の溶融シリコンが含浸され、黒鉛粒子と反応し、反応焼結SiCが生成する。第1含浸工程の後に残された気孔が多いと、含浸される溶融シリコンの量が増え、必要とする黒鉛粒子の量が多くなる。さらに、得られる反応焼結SiCの量が多くなると反応収縮に伴って基材内部に残留するシリコンの量も増加してしまう。 In the second impregnation step after the first impregnation step, the remaining pores in the SiC fiber are impregnated with high-temperature molten silicon and react with the graphite particles to form reaction-sintered SiC. If there are many pores left after the first impregnation step, the amount of fused silicon to be impregnated increases, and the amount of graphite particles required increases. Further, as the amount of the obtained reaction sintered SiC increases, the amount of silicon remaining inside the base material also increases with the reaction shrinkage.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、黒鉛粒子とともにSiC粒子を充填することにより、第1含浸工程後に残された気孔を少なくし、SiCの形成に必要な黒鉛粒子の量を少なくしたので、残留シリコン、残留炭素を少なくすることができる。また、第2含浸工程で溶融シリコンを含浸することにより反応焼結SiCが形成される。このため第1含浸工程で充填できなかった空隙にSiを充填し、SiC化させ緻密なSiC繊維強化SiC複合材料を得ることができる。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, by filling the SiC particles together with the graphite particles, the pores left after the first impregnation step are reduced, and the amount of graphite particles required for forming the SiC is reduced. Therefore, residual silicon and residual carbon can be reduced. Further, the reaction sintered SiC is formed by impregnating the molten silicon in the second impregnation step. Therefore, it is possible to fill the voids that could not be filled in the first impregnation step with Si and convert it into SiC to obtain a dense SiC fiber-reinforced SiC composite material.

また、第1含浸工程でSiC粒子が充填されているため、黒鉛粒子が過剰となって未反応の黒鉛粒子が残ることを防止することができる。さらに、炭素質の粒子と比較して真密度の高い黒鉛粒子は結晶化が進行しているので溶融シリコンとの反応が遅く、溶融シリコンが内部まで行き渡ってからゆっくり反応する。このため、表面付近の黒鉛粒子が先にSiC化することによる閉塞が起きにくく、気孔の少ないSiC繊維強化SiC複合材料を得ることができる。 Further, since the SiC particles are filled in the first impregnation step, it is possible to prevent the graphite particles from becoming excessive and leaving unreacted graphite particles. Further, since the graphite particles having a higher true density than the carbonaceous particles are crystallized, the reaction with the molten silicon is slow, and the molten silicon reacts slowly after it has spread to the inside. Therefore, it is possible to obtain a SiC fiber-reinforced SiC composite material having few pores, because the graphite particles in the vicinity of the surface are less likely to be clogged by being converted into SiC first.

骨材としてSiC繊維を用い、その隙間に炭素源である炭素(黒鉛)粒子とSiC粒子を、スラリーを介して予め充填した後、高温の溶融シリコンを含浸し、反応焼結SiCを形成するSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法について下記の6つのパターンを例示して説明する。 SiC fiber is used as an aggregate, and carbon (graphite) particles and SiC particles, which are carbon sources, are pre-filled in the gaps via a slurry, and then impregnated with high-temperature molten silicon to form reaction-sintered SiC. The following six patterns will be illustrated and described as a method for producing a fiber-reinforced SiC composite material.

具体的には、上記製造方法で、第1含浸工程後、及び、第2含浸工程後のSiC繊維からなる骨材中に存在する気孔、充填SiC粒子、反応焼結SiC、未反応炭素、残留シリコンの量等を検討する。
気孔:骨材中に何も充填されていない空間を意味する。
未反応炭素:充填された炭素粒子で溶融シリコンと反応せず、残留した炭素。
残留シリコン:充填された炭素粒子と反応せず、残留したシリコン。
Specifically, in the above manufacturing method, pores, filled SiC particles, reaction sintered SiC, unreacted carbon, and residue existing in the aggregate made of SiC fibers after the first impregnation step and after the second impregnation step. Consider the amount of silicon, etc.
Pore: Means a space that is not filled with anything in the aggregate.
Unreacted carbon: Filled carbon particles that do not react with molten silicon and remain.
Residual Silicon: Silicon that does not react with the filled carbon particles and remains.

各パターンにおいて、SiC繊維強化SiC複合材料の製造工程の進行度合いとSiC繊維からなる骨材全体の容積に対して各部材の占める容積割合を帯グラフ(A)、(B)及び(C)、で示している。
すなわち、図2(A)~(C)は、炭素粒子と最初に含浸された溶融シリコンのモル数が等しく、気孔に溶融シリコンが完全に含浸された場合の変化を示す帯グラフである。
図3(A)~(C)は、炭素粒子の方が最初に含浸された溶融シリコンのモル数より多く、気孔に溶融シリコンが完全に含浸された場合の変化を示す帯グラフである。
図4(A)~(C)は、炭素粒子の方が最初に含浸された溶融シリコンのモル数より少なく、気孔に溶融シリコンが完全に含浸された場合の変化を示す帯グラフである。
図5(A)~(C)は、炭素粒子と最初に含浸された溶融シリコンのモル数が等しく、気孔への溶融シリコンの含浸が不充分な場合の変化を示す帯グラフである。
図6(A)~(C)は、炭素粒子の方が最初に含浸された溶融シリコンのモル数より多く、気孔への溶融シリコンの含浸が不充分な場合の変化を示す帯グラフである。
図7(A)~(C)は、炭素粒子の方が最初に含浸された溶融シリコンのモル数より少なく、気孔への溶融シリコンの含浸が不充分な場合の変化を示す帯グラフである。
In each pattern, the progress of the manufacturing process of the SiC fiber reinforced SiC composite material and the volume ratio occupied by each member to the total volume of the aggregate made of SiC fibers are shown in the band graphs (A), (B) and (C). It is shown by.
That is, FIGS. 2A to 2C are band graphs showing changes when the carbon particles and the first impregnated molten silicon have the same number of moles and the pores are completely impregnated with the molten silicon.
3A to 3C are band graphs showing changes when the number of moles of molten silicon impregnated with carbon particles is larger than that of the initially impregnated molten silicon and the pores are completely impregnated with the molten silicon.
4 (A) to 4 (C) are band graphs showing changes when the number of moles of the molten silicon impregnated with carbon particles is smaller than that of the initially impregnated molten silicon and the pores are completely impregnated with the molten silicon.
5 (A) to 5 (C) are band graphs showing changes when the carbon particles and the initially impregnated molten silicon have the same number of moles and the pores are sufficiently impregnated with the molten silicon.
6 (A) to 6 (C) are band graphs showing changes when the number of moles of molten silicon impregnated with carbon particles is larger than that of the initially impregnated molten silicon and the impregnation of the molten silicon into the pores is insufficient.
7 (A) to 7 (C) are band graphs showing changes when the number of moles of molten silicon impregnated with carbon particles is smaller than that of the initially impregnated molten silicon and the impregnation of the molten silicon into the pores is insufficient.

(A):SiC繊維からなる骨材に、SiC粒子と炭素粒子からなるスラリーを充填した後の各部材の容積割合
(B):溶融シリコン含浸後、反応焼結発生直前の各部材の容積割合
(C):反応焼結後の反応焼結による体積の収縮を考慮した各部材の容積割合
なお、「最初に含浸された」とは反応焼結SiCの生成による反応収縮前に含浸されたことを示す。
(A): Volume ratio of each member after filling an aggregate made of SiC fiber with a slurry made of SiC particles and carbon particles (B): Volume ratio of each member after impregnation with molten silicon and immediately before the occurrence of reaction sintering. (C): Volume ratio of each member in consideration of volume shrinkage due to reaction sintering after reaction sintering In addition, "first impregnated" means that the material was impregnated before the reaction shrinkage due to the formation of reaction sintered SiC. Is shown.

上記グラフ及び下記する説明において使用する記号を下記の表1にまとめる。 The symbols used in the graph above and the description below are summarized in Table 1 below.

Figure 0007085388000003
Figure 0007085388000003

(パターン1)炭素粒子と最初に含浸された溶融シリコンのモル数が等しく、気孔に溶融シリコンが完全に含浸された場合(図2参照)
(A)
SiC繊維Vfの隙間に炭素粒子VcとSiC粒子Vsicとが充填されるが、炭素粒子とSiC粒子とが充填されていない部分には、気孔Vpが形成される。
(B)
気孔Vpに溶融シリコンが完全に充填され、Vpが溶融シリコンVsiに置き換わる。
(Vp=Vsi)
(C)
反応焼結によりVrsicが生成し、溶融シリコンVsi及び炭素粒子Vcは完全に消費されるが、生成したVrsicは、VsiとVcの合計体積よりも小さく、収縮しているので、形成された隙間に新たに溶融シリコンVsi2が充填される。
(Pattern 1) When the carbon particles and the first impregnated molten silicon have the same number of moles and the pores are completely impregnated with the molten silicon (see FIG. 2).
(A)
The gaps between the SiC fibers Vf are filled with the carbon particles Vc and the SiC particles Vsic, but pores Vp are formed in the portion where the carbon particles and the SiC particles are not filled.
(B)
The pores Vp are completely filled with molten silicon and Vp is replaced by the molten silicon Vsi.
(Vp = Vsi)
(C)
Vrsic is generated by reaction sintering, and the molten silicon Vsi and carbon particles Vc are completely consumed, but the generated Vrsic is smaller than the total volume of Vsi and Vc and shrinks, so that the formed gaps The molten silicon Vsi2 is newly filled.

(パターン1)では、SiC繊維強化SiC複合材料は、最終的に、Vf+Vsic+Vrsic+Vsi2となり、骨材中にはSiCのほかにシリコンのみ残留し、気孔は形成されない。 In (Pattern 1), the SiC fiber-reinforced SiC composite material finally becomes Vf + Vsic + Vrsic + Vsi2, and only silicon remains in the aggregate in addition to SiC, and no pores are formed.

(パターン2)炭素粒子の方が最初に含浸された溶融シリコンのモル数より多く、気孔に溶融シリコンが完全に含浸された場合(図3参照)
(A)
SiC繊維Vfの隙間に炭素粒子VcとSiC粒子Vsicとが充填されるが、炭素粒子とSiC粒子とが充填されていない部分には、気孔Vpが形成される。パターン1と比較してVcの量が多い。
(B)
気孔Vpに溶融シリコンが完全に充填され、Vpが溶融シリコンVsiに置き換わる。
(Vp=Vsi)
(C)
反応焼結によりVrsicが生成し、余剰な炭素粒子Vc2が残留する。生成したVrsicは、VsiとVcの合計体積よりも小さく、収縮しているので、形成された隙間に新たに溶融シリコンVsi2が充填される。
(Pattern 2) When the number of carbon particles is larger than the number of moles of the molten silicon initially impregnated, and the pores are completely impregnated with the molten silicon (see FIG. 3).
(A)
The gaps between the SiC fibers Vf are filled with the carbon particles Vc and the SiC particles Vsic, but pores Vp are formed in the portion where the carbon particles and the SiC particles are not filled. The amount of Vc is larger than that of pattern 1.
(B)
The pores Vp are completely filled with molten silicon and Vp is replaced by the molten silicon Vsi.
(Vp = Vsi)
(C)
Vrsic is generated by reaction sintering, and excess carbon particles Vc2 remain. Since the generated Vrsic is smaller than the total volume of Vsi and Vc and is contracted, the formed gap is newly filled with molten silicon Vsi2.

(パターン2)では、SiC繊維強化SiC複合材料は、最終的に、Vf+Vsic+Vrsic+Vc2+Vsi2となり、骨材中にはSiCのほかに、炭素Vc2とシリコンVsi2が残留し、気孔は形成されない。 In (Pattern 2), the SiC fiber-reinforced SiC composite material finally becomes Vf + Vsic + Vrsic + Vc2 + Vsi2, and carbon Vc2 and silicon Vsi2 remain in the aggregate in addition to SiC, and pores are not formed.

(パターン3)炭素粒子の方が最初に含浸された溶融シリコンのモル数より少なく、気孔に溶融シリコンが完全に含浸された場合(図4参照)
(A)
SiC繊維Vfの隙間に炭素粒子VcとSiC粒子Vsicとが充填されるが、炭素粒子とSiC粒子とが充填されていない部分には、気孔Vpが形成される。パターン1と比較してVcの量が少ない。
(B)
気孔Vpに溶融シリコンが完全に充填され、Vpが溶融シリコンVsiに置き換わる。
(Vp=Vsi)
(C)
反応焼結によりVrsicが生成し、余剰なシリコンVsi3が残留する。生成したVrsicは、VsiとVcの合計体積よりも小さく、収縮しているので、形成された隙間に新たに溶融シリコンVsi2が充填される。
(Pattern 3) When the number of carbon particles is smaller than the number of moles of the molten silicon initially impregnated, and the pores are completely impregnated with the molten silicon (see FIG. 4).
(A)
The gaps between the SiC fibers Vf are filled with the carbon particles Vc and the SiC particles Vsic, but pores Vp are formed in the portion where the carbon particles and the SiC particles are not filled. The amount of Vc is smaller than that of pattern 1.
(B)
The pores Vp are completely filled with molten silicon and Vp is replaced by the molten silicon Vsi.
(Vp = Vsi)
(C)
Vrsic is generated by reaction sintering, and excess silicon Vsi3 remains. Since the generated Vrsic is smaller than the total volume of Vsi and Vc and is contracted, the formed gap is newly filled with molten silicon Vsi2.

(パターン3)では、SiC繊維強化SiC複合材料は、最終的に、Vf+Vsic+Vrsic+Vsi2+Vsi3となり、骨材中にはSiCのほかに、シリコン(Vsi2、Vsi3)が残留することとなり、気孔は形成されない。なお、Vsi2は、反応収縮に伴って後から含浸された溶融シリコンであり、Vsi3は反応に関与せず残留した最初に含浸された溶融シリコンである。 In (Pattern 3), the SiC fiber-reinforced SiC composite material finally becomes Vf + Vsic + Vrsic + Vsi2 + Vsi3, and silicon (Vsi2, Vsi3) remains in the aggregate in addition to SiC, and pores are not formed. In addition, Vsi2 is the molten silicon impregnated afterwards with the reaction shrinkage, and Vsi3 is the first impregnated molten silicon remaining without participating in the reaction.

(パターン4)炭素粒子と最初に含浸された溶融シリコンのモル数が等しいが、気孔への溶融シリコンの含浸が不充分な場合(図5参照)
(A)
SiC繊維Vfの隙間に炭素粒子VcとSiC粒子Vsicとが充填されるが、炭素粒子とSiC粒子とが充填されていない部分には、気孔Vpが形成される。
(B)
気孔Vpに溶融シリコンが充填されるが、Vpに完全に充填されず、Vsiのほかに気孔Vp2が残留する。(Vp=Vsi+Vp2)
(C)
反応焼結によりVrsicが生成し、溶融シリコンVsi及び炭素粒子Vcは完全に消費される。この時点でVsiとVcは等モルである。生成したVrsicは、VsiとVcの合計体積よりも小さく、収縮しているので、形成された隙間に新たに溶融シリコンVsi2が充填されるが、気孔Vp2が残留する。
(Pattern 4) When the number of moles of the molten silicon initially impregnated with the carbon particles is the same, but the impregnation of the molten silicon into the pores is insufficient (see FIG. 5).
(A)
The gaps between the SiC fibers Vf are filled with the carbon particles Vc and the SiC particles Vsic, but pores Vp are formed in the portion where the carbon particles and the SiC particles are not filled.
(B)
The pore Vp is filled with molten silicon, but the Vp is not completely filled, and the pore Vp2 remains in addition to Vsi. (Vp = Vsi + Vp2)
(C)
Vrsic is produced by reaction sintering, and the molten silicon Vsi and carbon particles Vc are completely consumed. At this point, Vsi and Vc are equimolar. Since the generated Vrsic is smaller than the total volume of Vsi and Vc and is contracted, the formed gap is newly filled with the molten silicon Vsi2, but the pores Vp2 remain.

(パターン4)では、SiC繊維強化SiC複合材料は、最終的に、Vf+Vsic+Vrsic+Vsi2+Vp2となり、骨材中にはSiCのほかに、シリコン(Vsi2)及び気孔Vp2が残留することとなる。 In (Pattern 4), the SiC fiber-reinforced SiC composite material finally becomes Vf + Vsic + Vrsic + Vsi2 + Vp2, and silicon (Vsi2) and pores Vp2 remain in the aggregate in addition to SiC.

(パターン5)炭素粒子の方が最初に含浸された溶融シリコンのモル数より多く、気孔への溶融シリコンの含浸が不充分な場合(図6参照)
(A)
SiC繊維Vfの隙間に炭素粒子VcとSiC粒子Vsicとが充填されるが、炭素粒子とSiC粒子とが充填されていない部分には、気孔Vpが形成される。パターン4と比較してVcの量は多い。
(B)
気孔Vpに溶融シリコンが充填されるが、Vpに完全に充填されず、Vsiのほかに気孔Vp2が残留する。(Vp=Vsi+Vp2)
(C)
反応焼結によりVrsicが生成し、余剰な炭素粒子Vc2が残留する。生成したVrsicは、VsiとVcの合計体積よりも小さく、収縮しているので、形成された隙間に新たに溶融シリコンVsi2が充填されるが、気孔Vp2が残留する。
(Pattern 5) When the number of carbon particles is larger than the number of moles of the molten silicon initially impregnated, and the impregnation of the molten silicon into the pores is insufficient (see FIG. 6).
(A)
The gaps between the SiC fibers Vf are filled with the carbon particles Vc and the SiC particles Vsic, but pores Vp are formed in the portion where the carbon particles and the SiC particles are not filled. The amount of Vc is larger than that of pattern 4.
(B)
The pore Vp is filled with molten silicon, but the Vp is not completely filled, and the pore Vp2 remains in addition to Vsi. (Vp = Vsi + Vp2)
(C)
Vrsic is generated by reaction sintering, and excess carbon particles Vc2 remain. Since the generated Vrsic is smaller than the total volume of Vsi and Vc and is contracted, the formed gap is newly filled with the molten silicon Vsi2, but the pores Vp2 remain.

(パターン5)では、SiC繊維強化SiC複合材料は、最終的に、Vf+Vsic+Vrsic+Vc2+Vsi2+Vp2となり、骨材中にはSiCのほかに、炭素粒子(Vc2)、シリコン(Vsi2)及び気孔(Vp2)が残留することとなる。 In (Pattern 5), the SiC fiber-reinforced SiC composite material finally becomes Vf + Vsic + Vrsic + Vc2 + Vsi2 + Vp2, and carbon particles (Vc2), silicon (Vsi2) and pores (Vp2) remain in the aggregate in addition to SiC. Will be.

(パターン6)炭素粒子の方が最初に含浸された溶融シリコンのモル数より少なく、気孔への溶融シリコンの含浸が不充分な場合(図7参照)
(A)
SiC繊維Vfの隙間に炭素粒子VcとSiC粒子Vsicとが充填されるが、炭素粒子とSiC粒子とが充填されていない部分には、気孔Vpが形成される。パターン4と比較してVcの量は少ない。
(B)
気孔Vpに溶融シリコンが充填されるが、Vpに完全に充填されず、Vsiのほかに気孔Vp2が残留する。(Vp=Vsi+Vp2)
(C)
反応焼結によりVrsicが生成し、余剰なシリコンVsi3が残留する。生成したVrsicは、VsiとVcの合計体積よりも小さく、収縮しているので、形成された隙間に新たに溶融シリコンVsi2が充填されるが、気孔Vp2が残留する。
(Pattern 6) When the number of carbon particles is smaller than the number of moles of the molten silicon initially impregnated, and the impregnation of the molten silicon into the pores is insufficient (see FIG. 7).
(A)
The gaps between the SiC fibers Vf are filled with the carbon particles Vc and the SiC particles Vsic, but pores Vp are formed in the portion where the carbon particles and the SiC particles are not filled. The amount of Vc is smaller than that of pattern 4.
(B)
The pore Vp is filled with molten silicon, but the Vp is not completely filled, and the pore Vp2 remains in addition to Vsi. (Vp = Vsi + Vp2)
(C)
Vrsic is generated by reaction sintering, and excess silicon Vsi3 remains. Since the generated Vrsic is smaller than the total volume of Vsi and Vc and is contracted, the formed gap is newly filled with the molten silicon Vsi2, but the pores Vp2 remain.

(パターン6)では、SiC繊維強化SiC複合材料は、最終的に、Vf+Vsic+Vrsic+Vsi2+Vsi3+Vp2となり、骨材中にはSiCのほかに、シリコン(Vsi2、Vsi3)及び気孔(Vp2)が残留することとなる。なお、Vsi2は、反応収縮に伴って後から含浸された溶融シリコンであり、Vsi3は反応に関与せず残留した最初に含浸された溶融シリコンである。 In (Pattern 6), the SiC fiber-reinforced SiC composite material finally becomes Vf + Vsic + Vrsic + Vsi2 + Vsi3 + Vp2, and silicon (Vsi2, Vsi3) and pores (Vp2) remain in the aggregate in addition to SiC. In addition, Vsi2 is the molten silicon impregnated afterwards with the reaction shrinkage, and Vsi3 is the first impregnated molten silicon remaining without participating in the reaction.

上記した6つの製造条件のパターンにより得られたSiC繊維強化SiC複合材料を各部材や気孔を下記の表1にまとめている。 The members and pores of the SiC fiber-reinforced SiC composite material obtained by the above-mentioned patterns of the six manufacturing conditions are summarized in Table 1 below.

Figure 0007085388000004
Figure 0007085388000004

ここで、1~6のいずれのパターン(パターン1~6)であっても、反応焼結によりSiCが生成すると体積収縮が生じ、体積が収縮した部分に溶融シリコンが侵入し、Si(Vsi2)が残る。
また、炭素(黒鉛)が過剰な場合(パターン2、5)、生成した反応焼結SiCは流動性がないので、残留炭素と収縮により侵入したSiとは、反応しにくく、残留シリコン(Vsi2)と、炭素粒子(Vc2)がともに残留する。
シリコンが過剰の場合(パターン3、6)、反応焼結後に侵入したSi(Vsi2)と、元々過剰であったSi(Vsi3)が残留する。
さらに、パターン4~6では、生成した反応焼結SiCによる封止の効果のため骨材の中心部などに溶融シリコンが到達せず、気孔が残留してしまう。
Here, regardless of any of the patterns 1 to 6 (patterns 1 to 6), volume shrinkage occurs when SiC is generated by reaction sintering, and molten silicon invades the portion where the volume shrinks, and Si (Vsi2). Remains.
Further, when the carbon (graphite) is excessive (patterns 2 and 5), the generated reaction sintered SiC has no fluidity, so that it is difficult to react with the residual carbon and the Si invaded by shrinkage, and the residual silicon (Vsi2). And carbon particles (Vc2) remain together.
When there is an excess of silicon (patterns 3 and 6), Si (Vsi2) that has invaded after reaction sintering and Si (Vsi3) that was originally excessive remain.
Further, in patterns 4 to 6, the molten silicon does not reach the central portion of the aggregate due to the sealing effect of the generated reaction-sintered SiC, and pores remain.

上記表1より明らかなように、パターン1が最も望ましく、SiCのほかには、反応焼結により体積が収縮した部分に充填されたシリコンが存在するのみである。気孔が残らないで、耐熱性に優れたSiC繊維強化SiC複合材料となる。 As is clear from Table 1 above, pattern 1 is most desirable, and in addition to SiC, there is only silicon filled in the portion whose volume has shrunk due to reaction sintering. It is a SiC fiber reinforced SiC composite material with excellent heat resistance without leaving pores.

上記のような理想的なSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法について、パターン1をもとにさらに考察を進める。 The method for producing an ideal SiC fiber-reinforced SiC composite material as described above will be further considered based on pattern 1.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記スラリーにおけるSiC粒子と黒鉛粒子の合計体積に対する黒鉛粒子の体積比率は、下記の式(1)及び式(2)により算出される下記sに対して10%以内であることが望ましい。

Figure 0007085388000005
Figure 0007085388000006
ρSi:溶融シリコン密度
ρc:黒鉛真密度
u:スラリー含浸前の骨材の気孔率
Vp:スラリー含浸後、溶融シリコン含浸前の骨材の気孔率
s:SiC粒子と黒鉛粒子の和に対する黒鉛粒子の体積比 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, the volume ratio of graphite particles to the total volume of SiC particles and graphite particles in the slurry is calculated by the following formulas (1) and (2). It is desirable that it is within 10%.
Figure 0007085388000005
Figure 0007085388000006
ρ Si : Molten silicon density ρ c : Graphite true density u: Porosity of aggregate before slurry impregnation Vp: Porosity of aggregate after slurry impregnation and before molten silicon impregnation s: Graphite for sum of SiC particles and graphite particles Particle volume ratio

以下で説明する記号は、表1に示した通りである。 The symbols described below are as shown in Table 1.

Figure 0007085388000007
Figure 0007085388000007

まず、計算を簡略化するため、スラリー含浸後のSiC繊維及びSiC粒子以外の容積比tを表3の式(3)と定義し、スラリー含浸後のSiC以外の容積(気孔+黒鉛粒子)に占める黒鉛粒子の体積比kを表3の式(4)と定義する。 First, in order to simplify the calculation, the volume ratio t other than the SiC fiber and the SiC particles after the slurry impregnation is defined as the formula (3) in Table 3, and the volume (pores + graphite particles) other than the SiC after the slurry impregnation is defined. The volume ratio k of the graphite particles occupying is defined as the formula (4) in Table 3.

シリコンを溶融させた際の黒鉛粒子と溶融シリコンのモル数が等しいので、表3の式(5)が成立する。気孔は、溶融シリコンに完全に置換されるので、表3の式(6)が成立し、式(3)、式(4)及び式(6)を用いて、黒鉛粒子及びシリコン粒子の容積比(Vc、Vsi)を求めると、式(7)及び式(8)が得られる。 Since the number of moles of the graphite particles and the molten silicon when the silicon is melted is the same, the formula (5) in Table 3 holds. Since the pores are completely replaced by the molten silicon, the formula (6) in Table 3 holds, and the volume ratios of the graphite particles and the silicon particles are used by using the formulas (3), (4) and (6). When (Vc, Vsi) is obtained, equations (7) and (8) are obtained.

式(5)を変形すると、式(9)となる。式(7)、式(8)、及び(9)を組み合わせると、特許請求の範囲に記載の式(1)が得られる。 When the equation (5) is modified, the equation (9) is obtained. By combining the formulas (7), (8), and (9), the formula (1) described in the claims can be obtained.

Figure 0007085388000008
Figure 0007085388000008

黒鉛粒子とSiC粒子の比について検討する。
スラリー含浸前の気孔は、スラリー含浸後に気孔となるVpと充填された黒鉛粒子の容積比Vcと充填されるSiC粒子の容積比率Vsicの合計であり、合計の気孔率uは、表4の式(10)で表される。VP+VC+VSiC+Vf=1であるので、式(10)は、式(11)のように簡略化される。
スラリー中の黒鉛粒子とSiC粒子に対する黒鉛粒子の容積比sは、式(12)で定義される。
The ratio of graphite particles to SiC particles will be examined.
The pores before the slurry impregnation are the sum of Vp which becomes pores after the slurry impregnation, the volume ratio Vc of the filled graphite particles, and the volume ratio Vsic of the filled SiC particles, and the total porosity u is the formula in Table 4. It is represented by (10). Since V P + V C + V SiC + V f = 1, the equation (10) is simplified as in the equation (11).
The volume ratio s of the graphite particles to the SiC particles in the slurry is defined by the formula (12).

ここで、式(7)及び式(8)から、表4の式(13)が導かれる。
式(11)を変形し、式(13)を代入すると、式(14)となる。
さらに、式(12)式に式(13)、式(14)を代入すると、特許請求の範囲に記載の式(2)が得られ、SiC粒子と黒鉛粒子の和に対する黒鉛粒子の体積比(理想値)sを決めることができ、SiC粒子と黒鉛粒子の合計体積に対する黒鉛粒子の体積比率を、sに対して10%以内とすることにより、緻密で、耐熱性、機械的強度に優れたSiC繊維強化SiC複合材料を製造することができる。
Here, the equation (13) in Table 4 is derived from the equations (7) and (8).
When the equation (11) is transformed and the equation (13) is substituted, the equation (14) is obtained.
Further, by substituting the formulas (13) and (14) into the formula (12), the formula (2) described in the scope of the patent claim is obtained, and the volume ratio of the graphite particles to the sum of the SiC particles and the graphite particles ( Ideal value) s can be determined, and by setting the volume ratio of the graphite particles to the total volume of SiC particles and graphite particles within 10% with respect to s, it is dense and excellent in heat resistance and mechanical strength. A SiC fiber reinforced SiC composite material can be manufactured.

以上の数値を決めることにより、スラリー中の黒鉛粒子の適正容積比を設定することができる。なお、Vpについては、スラリーに含まれる黒鉛粒子、SiC粒子の体積密度とスラリー含浸前の気孔率から算出することができる。 By determining the above numerical values, the appropriate volume ratio of the graphite particles in the slurry can be set. Vp can be calculated from the volume densities of graphite particles and SiC particles contained in the slurry and the porosity before impregnation with the slurry.

このときの残留シリコンVsi2の容量比は、式(15)で表すことができ、式(15)に式(1)のk、式(8)を変形して得られたtを代入すると、式(16)となる。式(16)にもう一度kを代入すると、スラリー含浸後、溶融シリコン含浸前の骨材の気孔率(Vp)と、黒鉛粒子の真密度(ρc)、溶融シリコンの密度(ρsi)、SiCの密度(ρsic)のみで決定される理想的な条件での残留シリコンVsi2の容量比が算出される[式(17)]。 The capacitance ratio of the residual silicon Vsi2 at this time can be expressed by the equation (15), and by substituting k of the equation (1) and t obtained by transforming the equation (8) into the equation (15), the equation (16). Substituting k again into equation (16), the porosity (Vp) of the aggregate after impregnation with the slurry and before impregnation with the molten silicon, the true density of the graphite particles (ρc), the density of the molten silicon (ρsi), and the density of SiC. The volume ratio of residual silicon Vsi2 under ideal conditions determined only by (ρsic) is calculated [Equation (17)].

以下、本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法の各工程における製造条件等について説明する。
(1)第1含浸工程
本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法における第1含浸工程では、SiC繊維からなる骨材に、水とSiC粒子と黒鉛粒子とからなるスラリーを含浸し、乾燥する。
Hereinafter, the production conditions and the like in each step of the method for producing the SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention will be described.
(1) First Impregnation Step In the first impregnation step in the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, an aggregate made of SiC fibers is impregnated with a slurry made of water, SiC particles and graphite particles and dried. do.

SiC繊維からなる骨材の形態は特に限定されず、例えば、クロス、抄造体、フィラメントワインディング体、ブレーディング体などが挙げられる。 The form of the aggregate made of SiC fibers is not particularly limited, and examples thereof include a cloth, a papermaking body, a filament winding body, and a braiding body.

クロスは、セラミック繊維を束ねたストランドを用いて製織される。抄造体は、セラミック繊維の短繊維、長繊維などを用いて製造される。フィラメントワインディング体は、セラミック繊維を束ねたストランドをマンドレルに巻回して形成される。ブレーディング体は、互いに対向する螺旋方向にストランドを編んで円筒形状の骨材が形成される。 The cloth is woven using strands of ceramic fibers bundled together. The papermaking body is manufactured using short fibers, long fibers, and the like of ceramic fibers. The filament winding body is formed by winding a strand in which ceramic fibers are bundled around a mandrel. In the braiding body, strands are knitted in a spiral direction facing each other to form a cylindrical aggregate.

1本のストランドに用いられるセラミック繊維の本数は特に限定されないが、例えば100~5000本である。 The number of ceramic fibers used in one strand is not particularly limited, but is, for example, 100 to 5000.

SiC繊維を用いて所定の形状の骨材を作製する方法は特に限定されるものではないが、例えば、クロス、抄造体等を重ねて所定の厚さの板状体を作製する際には、クロス等を複数枚重ねた後、黒鉛製の板材等の固定治具等を用いて両側から把持し、CVI法等を用いてSiCを布状体の間等に堆積させ、複数枚の布状体を接着し、所定の厚さを有する板状の骨材とする方法を採用することができる。 The method for producing an aggregate having a predetermined shape using SiC fibers is not particularly limited, but for example, when a plate-like body having a predetermined thickness is produced by stacking cloths, abstracts, or the like. After stacking multiple pieces of cloth or the like, grip them from both sides using a fixing jig such as a plate made of graphite, and use the CVI method or the like to deposit SiC between the cloth-like bodies, etc. A method of adhering the body to form a plate-shaped aggregate having a predetermined thickness can be adopted.

図1(a)は、本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法において、板形状の骨材を作製する際に用いる固定治具の一例を模式的に示す断面図であり、図1(b)は、上記固定治具の斜視図である。 FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing an example of a fixing jig used for producing a plate-shaped aggregate in the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention. b) is a perspective view of the fixing jig.

図1(a)及び図1(b)に示す固定治具1は、上面側部材11及び下面側部材12からなる。上面側部材11と下面側部材12との間に積層布状体10が挟まれることにより、積層布状体10が固定治具1で把持されている。 The fixing jig 1 shown in FIGS. 1A and 1B is composed of an upper surface side member 11 and a lower surface side member 12. The laminated cloth-like body 10 is sandwiched between the upper surface side member 11 and the lower surface side member 12, so that the laminated cloth-like body 10 is gripped by the fixing jig 1.

上面側部材11は、積層布状体10の上面側に配置される支持部材である。
上面側部材11は黒鉛からなる平板であり、積層布状体10と接する側の第1主面11aと、第1主面11aと反対側の第2主面11bとを有している。上面側部材11は、第1主面11aから第2主面11bまで貫通する複数個の貫通孔13を有している。
The upper surface side member 11 is a support member arranged on the upper surface side of the laminated cloth-like body 10.
The upper surface side member 11 is a flat plate made of graphite, and has a first main surface 11a on the side in contact with the laminated cloth-like body 10 and a second main surface 11b on the opposite side to the first main surface 11a. The upper surface side member 11 has a plurality of through holes 13 penetrating from the first main surface 11a to the second main surface 11b.

下面側部材12は、上記積層布状体10の下面側に配置される支持部材である。
下面側部材12も黒鉛製の平板であり、積層布状体10と接する側の第1主面12aと、第1主面12aと反対側の第2主面12bとを有している。下面側部材12は、第1主面12aから第2主面12bまで貫通する複数個の貫通孔14を有している。
The lower surface side member 12 is a support member arranged on the lower surface side of the laminated cloth-like body 10.
The lower surface side member 12 is also a flat plate made of graphite, and has a first main surface 12a on the side in contact with the laminated cloth-like body 10 and a second main surface 12b on the side opposite to the first main surface 12a. The lower surface side member 12 has a plurality of through holes 14 penetrating from the first main surface 12a to the second main surface 12b.

図1には示されていないが、上面側部材11及び下面側部材12は、ネジ、ボルト、ナット等の固定部材によって互いに固定される。 Although not shown in FIG. 1, the upper surface side member 11 and the lower surface side member 12 are fixed to each other by fixing members such as screws, bolts, and nuts.

図1では、上面側部材11が鉛直上方、下面側部材12が鉛直下方に配置されているが、上面側部材11と下面側部材12との間に積層布状体10が挟まれる限り、その方向は特に限定されない。 In FIG. 1, the upper surface side member 11 is arranged vertically above and the lower surface side member 12 is arranged vertically below, as long as the laminated cloth-like body 10 is sandwiched between the upper surface side member 11 and the lower surface side member 12. The direction is not particularly limited.

上記のように積層布状体を固定治具で把持した後、CVD炉に入れ、積層された布状体の間にSiC層をCVI法で形成し、複数枚の布状体を接着し、所定の厚さを有する平板状の骨材とする。固定治具はメッシュ状の貫通孔を有しているので、複数枚の布状体の間に原料ガスが届き、固定治具を外すと複数枚の布状体が接着された平板状の骨材となる。 After grasping the laminated cloth-like body with a fixing jig as described above, the cloth-like body is placed in a CVD furnace, a SiC layer is formed between the laminated cloth-like bodies by the CVI method, and a plurality of cloth-like bodies are adhered to each other. A flat plate-shaped aggregate having a predetermined thickness is used. Since the fixing jig has a mesh-like through hole, the raw material gas reaches between the multiple cloth-like bodies, and when the fixing jig is removed, the flat-plate-like bone to which the multiple cloth-like bodies are adhered. It becomes a material.

骨材の形状は、平板状に限定されず、目的とする骨材の形状に合わせて、固定治具の把持する部分(積層布状体等と接触する部分)の形状を変えることにより、所望の形状の骨材を形成することができる。
当然ながら、特に上記のような準備をしなくても、SiC繊維からなる骨材が所定の形状を有する場合には、そのまま骨材として使用することができる。
The shape of the aggregate is not limited to the flat plate shape, but is desired by changing the shape of the part gripped by the fixing jig (the part in contact with the laminated cloth-like body or the like) according to the shape of the target aggregate. It is possible to form an aggregate in the shape of.
As a matter of course, even if the above preparation is not performed, if the aggregate made of SiC fiber has a predetermined shape, it can be used as it is as an aggregate.

次に、上記のようにして準備した所定形状の骨材に、水とSiC粒子と黒鉛粒子とからなるスラリーを含浸する。
上記スラリーにおける固形分の含有割合は、50~80重量%であることが望ましい。
Next, the aggregate having a predetermined shape prepared as described above is impregnated with a slurry composed of water, SiC particles and graphite particles.
The solid content in the slurry is preferably 50 to 80% by weight.

水は他の溶媒よりもSiC粒子の凝集が起こりにくいので、スラリーの粘度が上昇しにくく、このような高い含有割合であっても、スラリー中のSiC粒子及び黒鉛粒子を良好にSiC繊維の間に充填することができる。 Since water is less likely to cause aggregation of SiC particles than other solvents, the viscosity of the slurry is less likely to increase, and even at such a high content ratio, the SiC particles and graphite particles in the slurry are satisfactorily placed between the SiC fibers. Can be filled in.

水とSiC粒子とからなるスラリーを含浸し、乾燥する第1含浸工程では、SiC粒子及び黒鉛粒子をSiC繊維の間に充填することが主な目的であり、SiC粒子及び黒鉛粒子が充填された状態でSiC繊維の間にSiC粒子及び黒鉛粒子を固定することは難しい。このため、SiC繊維の間に充填されたSiC粒子及び黒鉛粒子の固定は不充分であり、SiC繊維の間から脱落しやすい。従って、2回以上、繰り返し含浸工程を繰り返すと、一旦充填されたSiC粒子及び黒鉛粒子の流出につながってしまう。本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法においてスラリーの含浸回数を1回とすると、効率よくSiC粒子及び黒鉛粒子をSiC繊維の間に充填することができる。 In the first impregnation step of impregnating and drying a slurry composed of water and SiC particles, the main purpose is to fill the SiC particles and the graphite particles between the SiC fibers, and the SiC particles and the graphite particles are filled. It is difficult to fix SiC particles and graphite particles between SiC fibers in the state. Therefore, the SiC particles and the graphite particles filled between the SiC fibers are not sufficiently fixed, and easily fall off from between the SiC fibers. Therefore, if the impregnation step is repeated two or more times, the SiC particles and the graphite particles once filled will flow out. In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, when the number of times of impregnation of the slurry is set to one, SiC particles and graphite particles can be efficiently filled between the SiC fibers.

上記第1含浸工程におけるSiC粒子の平均粒子径は、0.1~10μmであることが望ましい。
SiC粒子の平均粒子径が上記範囲内であると、少ない量の水で粘度の低いスラリーを得ることができ、効率よくSiC粒子をSiC繊維の間に充填することができる。また、小さな空隙であっても、SiC粒子がSiC繊維の間に充填されやすい。
The average particle size of the SiC particles in the first impregnation step is preferably 0.1 to 10 μm.
When the average particle size of the SiC particles is within the above range, a slurry having a low viscosity can be obtained with a small amount of water, and the SiC particles can be efficiently filled between the SiC fibers. Further, even in a small void, SiC particles are likely to be filled between the SiC fibers.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記黒鉛粒子の平均粒子径は、0.1~10μmであることが望ましい。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, it is desirable that the average particle size of the graphite particles is 0.1 to 10 μm.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法において、上記黒鉛粒子の平均粒子径が0.1μm以上であると、少ない量の水で粘度の低いスラリーを得ることができ、効率よく黒鉛粒子をSiC繊維の間に充填することができる。また、上記黒鉛粒子の平均粒子径が10μm以下であると、SiC繊維の間の空隙が狭くても、黒鉛粒子が空隙の内部に充填されやすい。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, when the average particle size of the graphite particles is 0.1 μm or more, a slurry having low viscosity can be obtained with a small amount of water, and the graphite particles can be efficiently produced. It can be filled between SiC fibers. Further, when the average particle diameter of the graphite particles is 10 μm or less, the graphite particles are likely to be filled inside the voids even if the voids between the SiC fibers are narrow.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法では、上記スラリーは、分散剤をSiC粒子及び黒鉛粒子の合計100重量部に対して2~5重量部含むことが望ましい。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, it is desirable that the slurry contains 2 to 5 parts by weight of the dispersant with respect to 100 parts by weight of the total of the SiC particles and the graphite particles.

本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法において、上記スラリーが分散剤をSiC粒子及び黒鉛粒子の合計100重量部に対して2重量部以上含むと、SiC粒子を充分に分散させ流動性を確保することができる。一方、分散剤は少量で性能を発現するので、過剰に入れてもスラリーの粘度はあまり影響を受けなくなるが、本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法において、SiC粒子及び黒鉛粒子の合計100重量部に対して5重量%以下とすることにより、少量でスラリーの粘度を充分に低下させることができる。 In the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, when the slurry contains 2 parts by weight or more of the dispersant with respect to 100 parts by weight of the total of SiC particles and graphite particles, the SiC particles are sufficiently dispersed and the fluidity is improved. Can be secured. On the other hand, since the dispersant exhibits performance in a small amount, the viscosity of the slurry is not significantly affected even if it is added in excess, but in the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, the sum of SiC particles and graphite particles is used. By setting the content to 5% by weight or less with respect to 100 parts by weight, the viscosity of the slurry can be sufficiently reduced with a small amount.

上記分散剤としては、例えば、ポリカルボン酸ナトリウム、ポリカルボン酸アンモニウム、ポリリン酸アミノアルコール、縮合ナフタレンスルホン酸アンモニウム、ポリエチレングリコール等のほかポリウレタン系、アクリル系分散剤などが挙げられる。 Examples of the dispersant include sodium polycarboxylate, ammonium polycarboxylate, amino alcohol polyphosphate, condensed ammonium naphthalene sulfonate, polyethylene glycol and the like, as well as polyurethane-based and acrylic-based dispersants.

上記第1含浸工程における含浸の方法としては、ディップ、吹き付け、塗布、コーター、真空加圧含浸等の方法が挙げられるが、いずれの方法であってもよい。
上記真空加圧含浸法では、まず、水とSiC粒子と黒鉛粒子とからなるスラリーが投入された容器中のスラリーにSiC繊維からなる骨材を浸漬する。続いて、骨材が浸漬された容器を圧力容器に搬入し、一旦真空状態にし、SiC繊維等の内部に存在する気体を排除した後、圧力を印加してSiC繊維の間やその表面にSiC粒子を充填する。
Examples of the impregnation method in the first impregnation step include dipping, spraying, coating, coater, vacuum pressure impregnation, and the like, but any method may be used.
In the vacuum pressure impregnation method, first, an aggregate made of SiC fibers is immersed in a slurry in a container in which a slurry made of water, SiC particles and graphite particles is charged. Subsequently, the container in which the aggregate is immersed is carried into the pressure vessel, and once vacuumed, the gas existing inside the SiC fiber or the like is removed, and then pressure is applied to make SiC between the SiC fibers or on the surface thereof. Fill the particles.

その後、内部やその表面にSiC粒子及び黒鉛を含浸させた骨材を、例えば60~120℃、0.5~3時間乾燥させ、水分を除去する。 Then, the aggregate impregnated with SiC particles and graphite on the inside and its surface is dried at, for example, 60 to 120 ° C. for 0.5 to 3 hours to remove water.

(2)第2含浸工程
本発明のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法における第2含浸工程では、上記第1含浸工程の後に、高温の溶融シリコンを含浸する。具体的には、溶融シリコン中に第1含浸工程を経て、黒鉛粒子とSiC粒子が充填されたSiC繊維からなる骨材を浸漬する。このときの溶融シリコンの温度は、1420~1500℃が好ましい。溶融シリコンがSiC繊維の間に侵入すると、充填された黒鉛粒子と溶融シリコンが反応し、反応焼結SiCが生成する。
(2) Second Impregnation Step In the second impregnation step in the method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material of the present invention, high-temperature molten silicon is impregnated after the first impregnation step. Specifically, an aggregate made of SiC fibers filled with graphite particles and SiC particles is immersed in the molten silicon through a first impregnation step. The temperature of the molten silicon at this time is preferably 1420 to 1500 ° C. When the molten silicon penetrates between the SiC fibers, the filled graphite particles react with the molten silicon to form reaction-sintered SiC.

反応焼結により生成した反応焼結SiCは、気孔と黒鉛粒子の合計容量よりも小さくなり、収縮するので、収縮により形成される空間に溶融シリコンがさらに侵入し、SiC繊維強化SiC複合材料が製造される。上記工程においては、内部に充填された黒鉛粒子が完全に消費され、しかも、反応後の収縮により形成される空間に侵入するシリコンの量ができるだけ、少ないように設定することにより、緻密で耐熱性、機械的強度の高いSiC繊維強化SiC複合材料を得ることができる。 Since the reaction-sintered SiC produced by the reaction sintering becomes smaller than the total capacity of the pores and the graphite particles and shrinks, the molten silicon further penetrates into the space formed by the shrinkage, and the SiC fiber-reinforced SiC composite material is manufactured. Will be done. In the above step, the graphite particles filled inside are completely consumed, and the amount of silicon that invades the space formed by the shrinkage after the reaction is set to be as small as possible, so that it is dense and heat resistant. , A SiC fiber reinforced SiC composite material having high mechanical strength can be obtained.

(実施例)
以下に、本発明をより具体的に説明する具体例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(Example)
Hereinafter, specific examples for explaining the present invention more specifically will be shown, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
SiC繊維を用いた平織りのクロスを準備した。SiC繊維からなるクロスは、宇部興産株式会社製チラノSAを使用した。SiC繊維の太さは、10μmで、繊維束のフィラメント数は800本であった。クロスの状態でCVD炉に搬入し、熱分解炭素、CVD-SiC層をSiC繊維の表面にコーティングした。SiC繊維の表面に形成された熱分解炭素層は、後工程で形成されるSiCからなるマトリックスと、SiC繊維とが一体化することを防止する役割を果たす。得られた熱分解炭素層の厚さは 420nmであった。
具体的には平織りのクロスを7枚積層し、図1(a)及び(b)に示した固定治具を用い、上面側部材及び下面側部材の間に積層されたクロスを把持した後、CVD炉に入れ、CVI法により積層された布状体の間に熱分解炭素層、SiC層の順に形成し、複数枚の布状体を接着し、骨材とした。こうして得られた骨材の気孔率は、70%であった。
(Example 1)
A plain weave cloth using SiC fibers was prepared. As the cloth made of SiC fiber, Tyranno SA manufactured by Ube Kosan Co., Ltd. was used. The thickness of the SiC fiber was 10 μm, and the number of filaments in the fiber bundle was 800. It was carried into a CVD furnace in a cloth state, and the surface of the SiC fiber was coated with a pyrolytic carbon and a CVD-SiC layer. The pyrolytic carbon layer formed on the surface of the SiC fiber plays a role of preventing the matrix made of SiC formed in the subsequent step from being integrated with the SiC fiber. The thickness of the obtained pyrolytic carbon layer was 420 nm.
Specifically, seven plain weave cloths are laminated, and the cloth laminated between the upper surface side member and the lower surface side member is grasped by using the fixing jigs shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), and then the laminated cloth is grasped. It was placed in a CVD furnace, and a pyrolytic carbon layer and a SiC layer were formed in this order between the cloth-like bodies laminated by the CVI method, and a plurality of cloth-like bodies were bonded to each other to form an aggregate. The porosity of the aggregate thus obtained was 70%.

次に得られた骨材に第1含浸工程で炭素(粒子)と、SiC粒子とからなるスラリーを含浸し(気孔率10%)、さらに第2含浸工程で溶融シリコンを含浸することを想定してシミュレーションを行った。 Next, it is assumed that the obtained aggregate is impregnated with a slurry consisting of carbon (particles) and SiC particles in the first impregnation step (porosity 10%), and further impregnated with molten silicon in the second impregnation step. And simulated.

(第1含浸工程)
上記の方法により準備された骨材にSiC粒子と黒鉛粒子と水とからなるスラリーを含浸する。スラリーは、水と、黒鉛粒子(真密度2.10g/cm)と、SiC粒子(真密度3.20g/cm)とからなる。溶融シリコンの真密度は2.57g/cmである。
以上の条件をもとに、最も残留シリコンの少なくなるときのスラリーのSiC粒子と黒鉛粒子の和に占める黒鉛粒子の体積比(s=0.0874)、残留シリコンの体積比(Vsi2=0.03772)が得られた。(表5)
(First impregnation step)
The aggregate prepared by the above method is impregnated with a slurry composed of SiC particles, graphite particles and water. The slurry is composed of water, graphite particles (true density 2.10 g / cm 3 ), and SiC particles (true density 3.20 g / cm 3 ). The true density of molten silicon is 2.57 g / cm 3 .
Based on the above conditions, the volume ratio of graphite particles to the sum of SiC particles and graphite particles in the slurry when the amount of residual silicon is the smallest (s = 0.0874), and the volume ratio of residual silicon (Vsi2 = 0. 03772 ) was obtained. (Table 5)

また、第2含浸工程を想定し、溶融シリコンの含浸性を確認するために水、黒鉛粒子(日本カーボン製 ニカビーズ 平均粒径4μm)、SiC粒子(Superior Graphite社製 β-SiC 平均粒径0・35μm)のスラリーを乾燥させた固形物に溶融シリコンを含浸させ検証試験を行った。(検証試験1)
その際の混合比は、炭素(黒鉛)粒子:SiC粒子=1:1(vol)、含浸条件は、1450℃、1時間、0.1torr以下の真空下で実施した。(表6)
In addition, assuming the second impregnation step, in order to confirm the impregnation property of the molten silicon, water, graphite particles (Nika beads average particle size 4 μm made by Nippon Carbon), SiC particles (β-SiC average particle size 0. A verification test was conducted by impregnating a solid material obtained by impregnating a dried solid matter of 35 μm) with molten silicon. (Verification test 1)
The mixing ratio at that time was carbon (graphite) particles: SiC particles = 1: 1 (vol), and the impregnation conditions were 1450 ° C. for 1 hour under a vacuum of 0.1 torr or less. (Table 6)

(比較例1)
本比較例1では、実施例の黒鉛粒子に代えて炭素粒子(Cancarb社製カーボンブラックN991:真密度1.84)を用いて同様にシミュレーション、検証試験を行った。
以上の条件をもとに、最も残留シリコンの少なくなるときのスラリーのSiC粒子と黒鉛粒子の和に占める黒鉛粒子の体積比(s=0.0998)、残留シリコンの体積比(Vsi2=0.04513)が得られた。その条件を表5に示す。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a simulation and a verification test were similarly performed using carbon particles (Carbon Black N991: True Density 1.84 manufactured by Cancarb) instead of the graphite particles of the Example.
Based on the above conditions, the volume ratio of graphite particles to the sum of SiC particles and graphite particles in the slurry when the amount of residual silicon is the smallest (s = 0.0998), and the volume ratio of residual silicon (Vsi2 = 0. 04513 ) was obtained. The conditions are shown in Table 5.

また、第2含浸工程を想定し、溶融シリコンの含浸性を確認するために水、炭素粒子(Cancarb社製カーボンブラックN991:平均粒径0.28μm)、SiC粒子(Superior Graphite社製 β-SiC 平均粒径0・35μm)、の固形物に溶融シリコンを含浸させ検証試験を行った。(検証試験2)
その際の混合比は、炭素粒子:SiC粒子=1:1(vol)、含浸条件は、1450℃、1時間、0.1torr以下の真空下で実施した。(表6)
Further, assuming the second impregnation step, in order to confirm the impregnation property of the molten silicon, water, carbon particles (Carbon Black N991: average particle size 0.28 μm manufactured by Cancarb), and SiC particles (β-SiC manufactured by Superior Graphite). A solid matter having an average particle size of 0.35 μm) was impregnated with molten silicon and a verification test was conducted. (Verification test 2)
The mixing ratio at that time was carbon particles: SiC particles = 1: 1 (vol), and the impregnation conditions were 1450 ° C. for 1 hour under a vacuum of 0.1 torr or less. (Table 6)

Figure 0007085388000009
Figure 0007085388000009

Figure 0007085388000010
Figure 0007085388000010

実施例1と比較例1とシミュレーションの数値を比較して、実施例の方が効率よく残留シリコンが減少していることが確認された。
また、検証試験で得られた試料の断面を比較し、黒鉛粒子を用いた検証試験1では、均一に溶融シリコンが含浸されていたのに対し、炭素粒子(カーボンブラック)を用いた検証試験2では、溶融シリコンが含浸されると速やかにSiC化したためか炭素の凝集体が確認され、溶融シリコンが均一に含浸されていなかったことが確認された。
By comparing the numerical values of Example 1 and Comparative Example 1 with the simulation values, it was confirmed that the residual silicon was reduced more efficiently in the example.
Further, by comparing the cross sections of the samples obtained in the verification test, in the verification test 1 using graphite particles, the molten silicon was uniformly impregnated, whereas in the verification test 2, the verification test 2 using carbon particles (carbon black) was used. Then, when the molten silicon was impregnated, carbon aggregates were confirmed probably because the graphite was rapidly formed, and it was confirmed that the molten silicon was not uniformly impregnated.

以上より、SiC繊維からなる骨材に、水とSiC粒子と黒鉛粒子とからなるスラリーを含浸し、乾燥する第1含浸工程と、上記第1含浸工程の後に、溶融シリコンを含浸する第2含浸工程と、を有するSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法によって、気孔が少なく残留シリコン、残留炭素の少ないSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法が得られると考えられる。 Based on the above, a first impregnation step of impregnating an aggregate made of SiC fibers with a slurry of water, SiC particles, and graphite particles and drying the aggregate, and a second impregnation step of impregnating molten silicon after the first impregnation step. It is considered that a method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material having few pores, residual silicon, and a small amount of residual carbon can be obtained by the process and the method for producing the SiC fiber-reinforced SiC composite material.

1 固定治具
10 積層布状体
11 上面側部材
11a 上面側部材の第1主面
11b 上面側部材の第2主面
12 下面側部材
12a 下面側部材の第1主面
12b 下面側部材の第2主面
13,14 貫通孔
1 Fixing jig 10 Laminated cloth-like body 11 Upper surface side member 11a First main surface of upper surface side member 11b Second main surface of upper surface side member 12 Lower surface side member 12a First main surface of lower surface side member 12b First main surface of lower surface side member 2 Main surface 13,14 Through hole

Claims (8)

SiC繊維からなる骨材に、水とSiC粒子と黒鉛粒子とからなるスラリーを含浸し、乾燥する第1含浸工程と、
前記第1含浸工程の後に、溶融シリコンを含浸する第2含浸工程と、
を有することを特徴とするSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。
The first impregnation step of impregnating an aggregate made of SiC fibers with a slurry of water, SiC particles, and graphite particles and drying the aggregate.
After the first impregnation step, a second impregnation step of impregnating molten silicon and a second impregnation step,
A method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material, which comprises.
前記スラリーにおける固形分の含有割合は、50~80重量%である請求項1に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。 The method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material according to claim 1, wherein the solid content in the slurry is 50 to 80% by weight. 前記スラリーにおける黒鉛粒子の真密度は、2.05~2.26g/cmである請求項1又は2に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。 The method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material according to claim 1 or 2, wherein the true density of graphite particles in the slurry is 2.05 to 2.26 g / cm 3 . 前記スラリーにおけるSiC粒子と黒鉛粒子の合計体積に対する黒鉛粒子の体積比率は、下記の式(1)及び式(2)により算出される下記sに対して10%以内である請求項1~3のいずれか一項に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。
Figure 0007085388000011
Figure 0007085388000012
ρSi:溶融シリコン密度
ρc:黒鉛真密度
u:スラリー含浸前の骨材の気孔率
Vp:スラリー含浸後、溶融シリコン含浸前の骨材の気孔率
s:SiC粒子と黒鉛粒子の和に対する黒鉛粒子の体積比
The volume ratio of the graphite particles to the total volume of the SiC particles and the graphite particles in the slurry is within 10% with respect to the following s calculated by the following formulas (1) and (2), according to claims 1 to 3. The method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material according to any one of the above.
Figure 0007085388000011
Figure 0007085388000012
ρ Si : Molten silicon density ρ c : Graphite true density u: Porosity of aggregate before slurry impregnation Vp: Porosity of aggregate after slurry impregnation and before molten silicon impregnation s: Graphite for sum of SiC particles and graphite particles Particle volume ratio
前記第1含浸工程における前記スラリーの含浸回数は、1回である請求項1~4のいずれか一項に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。 The method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material according to any one of claims 1 to 4, wherein the number of times the slurry is impregnated in the first impregnation step is one. 前記SiC粒子の平均粒子径は、0.1~10μmである請求項1~5のいずれか一項に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。 The method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material according to any one of claims 1 to 5, wherein the average particle size of the SiC particles is 0.1 to 10 μm. 前記黒鉛粒子の平均粒子径は、0.1~10μmである請求項1~6のいずれか一項に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。 The method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material according to any one of claims 1 to 6, wherein the average particle size of the graphite particles is 0.1 to 10 μm. 前記スラリーは、分散剤をSiC粒子及び黒鉛粒子の合計100重量部に対して2~5重量部含む請求項1~7のいずれか一項に記載のSiC繊維強化SiC複合材料の製造方法。 The method for producing a SiC fiber-reinforced SiC composite material according to any one of claims 1 to 7, wherein the slurry contains 2 to 5 parts by weight of a total of 100 parts by weight of SiC particles and graphite particles.
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