JP7502091B2 - セラミック複合材の製造方法 - Google Patents
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Description
セラミック繊維により強化されたセラミック複合材は、耐熱性、強度、靱性を備えているので、様々な分野で利用されており、その高い耐熱性及び強度を利用して、例えば、高温、高速の流体の流体用整流部材として用いられている。
一方、マトリックスとなるセラミックは多孔質な材料であるため、表面に凹凸が形成され、流体用整流部材として用いた場合に気流の乱れが発生する。また、セラミック複合材の表面の凹凸を低減することを目的として表面加工を行うと、表面のセラミック繊維が切断され、強度低下の原因となる。このため、強度及び凹凸の低減に関して、様々な工夫が行われている。
上記特許文献1には、表面を加工することなく気流の抵抗となる凹凸を低減できるので、セラミック繊維を切断することがなく支持材の強度を充分に発揮することができることが記載されている。
前記含浸体を硬化させた後、焼成して、前記骨材と、前記骨材の隙間に充填されたセラミックマトリックスと、を有する焼成体を得る焼成工程と、
前記焼成体の表面に、有機物からなる弾性体と、前記セラミック繊維と同一の化合物からなる砥粒と、を含有する複合粒子を衝突させ、前記焼成工程により前記焼成体の表面に形成されたセラミック前駆体の焼成物を除去する清浄化工程と、を有し、
前記清浄化工程は、羽根の回転を利用した遠心力により前記複合粒子を噴射する遠心式ブラスト機を用いることを特徴とするセラミック複合材の製造方法。
表面は、前記セラミック繊維からなる複数の凸部と、前記複数の凸部の間に形成された凹部と、からなり、
前記凹部の底面は前記セラミックマトリックスにより構成されていることを特徴とするセラミック複合材。
本発明はこのような知見に基づくものであり、以下において本発明の実施形態に係るセラミック複合材の製造方法及びセラミック複合材について詳細に説明する。なお、前駆体法とは、焼成によって目的のセラミックを得ることができる材料を骨材に含浸させ、乾燥、焼成する方法をいう。
図1(a)~図1(d)は、本発明の実施形態に係るセラミック複合材の製造方法を模式的に示す断面図である。また、図2(a)は本発明の実施形態に係る製造方法により製造されたセラミック複合材を模式的に示す上面図であり、図2(b)は図2(a)のA-A線における断面図である。さらに、図3(a)は図2(b)におけるB部を拡大して示す模式図であり、図3(b)は図3(a)を更に拡大して示す模式図である。
なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
図1(a)に示すように、セラミック前駆体1aを含む溶液又はスラリーに骨材2を含浸させて含浸体3を得る。セラミック前駆体1aを含む溶液又はスラリーとは、固体のセラミック前駆体が溶媒に溶解された溶液状、固体のセラミック前駆体と溶媒とが混合されたスラリー状、及び液体のセラミック前駆体が挙げられる。
なお、セラミック前駆体1aは、焼成後に、セラミック繊維4と同一の材質となるものであるか、又はセラミック繊維より柔らかい材質となるものであることが好ましい。
次に、図1(b)に示すように、セラミック前駆体1a及び骨材2を加熱することにより、セラミック前駆体1aを硬化させて、硬化体7を得る。この硬化工程は、後述する焼成工程において、セラミック前駆体1aを含む溶液又はスラリーが骨材2の外部に流出しないように、セラミック前駆体1aを一旦硬化させる工程である。
なお、セラミック前駆体1aを含む溶液又はスラリーが溶媒を含む場合には、加熱した際に、溶媒が気泡9aとなり、気泡9aとともにセラミック前駆体1aの一部が骨材2の外部に流出される。また、セラミック前駆体1aが液体状の場合には、加熱した際に低分子量成分や生成した分解物が気泡9aとなり、気泡9aとともに、セラミック前駆体1aの一部が骨材2の外部に流出される。
次に、図1(c)に示すように、硬化体7を焼成することにより、セラミック前駆体1aをセラミック化してセラミックマトリックス1bを形成し、これにより焼成体8を得る。このとき、上記硬化工程において、気泡9aとともに骨材2の外部に流出したセラミック前駆体1aが骨材2の表面に残存しているため、焼成工程により焼成されてセラミック前駆体の焼成物10が形成される。
なお、焼成により形成されたセラミックマトリックス1bとセラミック前駆体の焼成物10とは同一物であるが、本願明細書では、骨材2の隙間に充填され、母材として機能するものをセラミックマトリックス1bとし、骨材2等の表面に形成され、セラミック複合材の表面の平滑性を阻害するものをセラミック前駆体の焼成物10としている。このセラミック前駆体の焼成物10は、目的とするセラミック複合材の表面の平滑性を阻害するため、次の清浄化工程において除去される。
次に、遠心式ブラスト機を用いて、焼成体8の表面に所定の複合粒子を衝突させ、セラミック前駆体の焼成物10を除去することにより、焼成体8の表面を清浄化し、セラミック複合材11が製造される。
本実施形態に係る製造方法により製造されたセラミック複合材11において、図2(a)に示すように、セラミック繊維4の表面に、不要なセラミック前駆体の焼成物10が除去されている。したがって、図2(b)に示すように、セラミック複合材11の表面は、セラミック繊維4からなる複数の凸部12と、この複数の凸部12の間に形成された凹部13とを有するものとなるが、セラミック繊維からなる凸部12はなだらかな突形状であるため、表面に不要なセラミック前駆体の焼成物10が残存する場合と比較して、平滑な表面となっている。
また、含浸体3の硬化工程においては、乾燥の際に気泡9aを外部に放出させる。このとき、溶媒又は分解ガスがセラミック前駆体1aとともに骨材2の外部に流出され、流出したセラミック前駆体1aは、その後の焼成工程においてセラミック前駆体の焼成物10となる。したがって、焼成体8の状態では、表面に焼成物10が付着しており、表面の平滑性を得ることができないが、本実施形態に係る製造方法によれば、セラミック前駆体の焼成物10のみを、遠心式ブラスト機20により除去することができるため、強度を低下させることなく平滑な表面を有するセラミック複合材11を得ることができる。
このため、エアブラスト機30を用いて焼成体8の表面に研磨剤粒子33を噴射した場合には、速度が速く、衝撃力が大きい一部の研磨剤粒子33がセラミック繊維4にダメージを与えるため、得られるセラミック複合材の強度を低下させる。
したがって、遠心式ブラスト機20を用いることにより、柔軟性のあるセラミック繊維4にダメージを与えることなく表面に残し、セラミック前駆体の焼成物10だけを選択的に除去することができるため、製造されるセラミック複合材11の強度低下を防止することができる。
複合粒子23は、有機物からなる弾性体と、セラミック繊維(SiC繊維)4と同一の化合物からなる砥粒と、を含有するものである。複合粒子23に有機物からなる弾性体が含有されていると、砥粒のみが焼成体8の表面に噴射される場合と比較して、複合粒子23の衝突エネルギーを低減することができ、セラミック繊維に与えられるダメージを減少させることができる。
本発明において、セラミック繊維4の種類としては、SiC繊維、炭素繊維、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維及びジルコニア繊維等を使用することができ、特に限定されないが、SiC繊維であることが好ましい。例えば、SiC繊維は、セラミック繊維の中でも高い強度を有しているため、得られるセラミック複合材11の強度を向上させることができる。なお、SiC繊維は高い弾性率を有しているため、曲げに弱く、従来の処理方法によって焼成体8の表面を清浄化しても、平滑な表面を得ることが極めて困難である。本発明においては、SiC繊維を使用した場合であっても、これを切削することなく連続繊維として残し、セラミック前駆体の焼成物10のみを選択的に除去することができるため、SiC繊維を好適に使用することができる。
本発明において使用することができる骨材2の形態としては特に限定されず、種々の形態の骨材2を用いることができるが、連続したセラミック繊維4を用いたものであることが好ましい。連続したセラミック繊維4を用いた骨材2としては、例えば、複数本のセラミック繊維4を束ねて織ったクロス、セラミック繊維4を巻回したフィラメントワインディング体、セラミック繊維4を編み込んだブレーディング体などを利用することができる。連続したセラミック繊維4を用いたセラミック複合材11は、繊維が連続しているため、薄い素材であっても繊維の引き抜きが起こりにくく、高い強度を発揮することができる。
セラミック前駆体としては、種々の前駆体を使用することができる。炭素を得るための前駆体としては、例えば、ピッチ、フェノール樹脂、フラン樹脂及びコプナ樹脂等を使用することができる。また、SiCを得るための前駆体としては、例えば、ポリカルボシラン及びその誘導体等を使用することができる。さらに、アルミナを得るための前駆体としては、例えば塩基性塩化アルミニウム、アルミナゾル等を使用することができる。
これらのセラミック前駆体と、上記骨材と組み合わせることにより、SiC/SiC複合材、C/C複合材、C/SiC複合材、SiC/C複合材、Al2O3/Al2O3複合材など様々なセラミック複合材に適用することができる。なお、「/」の前はセラミック繊維を示し、「/」の後はマトリックスを示している。
本発明において使用されるセラミック繊維4と、焼成工程により得られるセラミックマトリックス1bがともにSiCからなるものであると、高強度のセラミック複合材11を得ることができるため、好ましい。なお、本発明によれば、セラミック繊維4とセラミックマトリックス1bとが同一の材料からなるものであっても、セラミックマトリックス1bにおける脆い部分、すなわち、セラミック前駆体の焼成物10のみを選択的に除去することができ、セラミック繊維4を切断することなく、円滑な表面のセラミック複合材を製造することができる。したがって、SiC繊維を含む骨材と、この骨材の隙間に充填されたSiCからなるセラミックマトリックスとを有する高強度のセラミック複合材11を製造する方法として、本発明を好適に使用することができる。
本発明は、上記本発明に係るセラミック複合材の製造方法により得られるセラミック複合材にも関する。
本発明の実施形態に係るセラミック複合材について、図2を参照して説明する。
図2(a)及び図2(b)に示すように、セラミック複合材11は、セラミック繊維4を含む骨材2と、骨材2の隙間に充填されたセラミックマトリックス1bとを有する。また、セラミック複合材11の表面は、セラミック繊維4からなる複数の凸部12と、複数の凸部12の間に形成される凹部13と、からなり、凹部13の底面はセラミックマトリックス1bにより構成されている。
化学気相含浸法による表面層、SiC繊維及びSiCからなるセラミックマトリックスはいずれも高い強度を有しているため、高い強度を有するセラミック複合材とすることができる。
SiC繊維を織り込むことにより得たクロス(織布)を8枚積層して骨材を形成し、この骨材にセラミック前駆体であるアリルハライドポリカルボシランを含浸させ、含浸体を得た。
その後、含浸体を200℃の温度で3時間、乾燥機中で保持することにより、セラミック前駆体を硬化させ、硬化体を得た。硬化体は、硬化の過程で分解ガス等の発生により内部から一部のセラミック前駆体が流出し、骨材の表面に付着した状態となっている。
その後、遠心式ブラスト機を用いて、得られた焼成体の表面に、SiCの砥粒(#3000)とゴムの核とからなり、篩を用いて平均粒子径が450μmの単分散粒子となるよう調整した複合粒子を衝突させることにより、焼成体の表面を清浄化し、セラミック複合材を得た。清浄化の時間は32分であった。
実施例1と同様にして焼成体を作成し、エアブラスト機を用いて、得られた焼成体の表面に、篩を用いて平均粒子径が200μmの単分散粒子となるよう調整した、モース硬度2のナイロン弾性体を衝突させることにより、焼成体の表面におけるセラミック前駆体の焼成物を除去し、セラミック複合材を得た。
実施例1と同様にして焼成体を作成し、ワイヤブラシを用いることにより、得られた焼成体の表面におけるセラミック前駆体の焼成物を除去し、セラミック複合材を得た。
さらに、比較例2は、SiC繊維の表面の表面層が一部剥離し、SiC繊維に破断が生じ、連続した繊維が切断された状態となった。
1b セラミックマトリックス
2 骨材
3 含浸体
4 セラミック繊維
6 織布
7 硬化体
8 焼成体
10 セラミック前駆体の焼成物
11 セラミック複合材
15 中間層
16 表面層
20 遠心式ブラスト機
23 複合粒子
30 エアブラスト機
Claims (6)
- セラミック前駆体を含む溶液又はスラリーを、セラミック繊維を含む骨材の隙間に含浸させて含浸体を得る含浸工程と、
前記含浸体を硬化させた後、焼成して、前記骨材と、前記骨材の隙間に充填されたセラミックマトリックスと、を有する焼成体を得る焼成工程と、
前記焼成体の表面に、有機物からなる弾性体と、前記セラミック繊維と同一の化合物からなる砥粒と、を含有する複合粒子を衝突させ、前記焼成工程により前記焼成体の表面に形成されたセラミック前駆体の焼成物を除去する清浄化工程と、を有し、
前記清浄化工程は、羽根の回転を利用した遠心力により前記複合粒子を噴射する遠心式ブラスト機を用いることを特徴とするセラミック複合材の製造方法。 - 前記セラミック繊維の表面に、化学気相含浸法により、前記セラミック繊維と同一の化合物からなる表面層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のセラミック複合材の製造方法。
- 前記複合粒子の粒子径は、50μm以上1000μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のセラミック複合材の製造方法。
- 前記弾性体は、ゴム、アクリル樹脂及びナイロン樹脂から選択された少なくとも1種であることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載のセラミック複合材の製造方法。
- 前記セラミック繊維は、SiC繊維であることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のセラミック複合材の製造方法。
- 前記セラミックマトリックスは、SiCからなることを特徴とする請求項5に記載のセラミック複合材の製造方法。
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