JPH02149474A - 炭素表面被覆ＳｉＣウイスカーを含有するセラミック複合材料 - Google Patents

炭素表面被覆ＳｉＣウイスカーを含有するセラミック複合材料

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JPH02149474A
JPH02149474A JP1069148A JP6914889A JPH02149474A JP H02149474 A JPH02149474 A JP H02149474A JP 1069148 A JP1069148 A JP 1069148A JP 6914889 A JP6914889 A JP 6914889A JP H02149474 A JPH02149474 A JP H02149474A
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ceramic
whiskers
composite material
silicon carbide
carbon
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リンダ・シー・ソイヤー
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、セラミック複合材料およびその製造方法に関
し、より具体的には、セラミックの破壊靭性および破壊
強度を改善するために単結晶炭化ケイ素ウィスカーを分
散させたセラミック複合材料に関する。
［従来の技術］ セラミック材料に対して、熱機関やタービンなどの高温
変換システムの構造部材としてこの材料を使用すること
に最近は重点が置かれている。この種の用途にセラミッ
クを使用するには、材料の破壊靭性が重要な観点になる
。従来のセラミック↑オ料は、ＡｌｚＯｚ−ＺｒＯ□お
よび部分安定化ＺｒＯ□を例外として、破壊靭性が比較
的低い。ＳｉＣ、ＳｉＪ４、ＡＩｚＯ：＋およびムライ
ト　（３八１！０．・２ＳｉＯ□）なと゛の一体構造（
ｍｏｎｏ　ｌ　ｉ　Ｌｈ　ｉｃ）のセラミック材料を熱
機関や他の高温変換システム用の構造部材の製作に利用
するには、許容される破壊靭性を与えるために非常に小
さな傷寸法（例、約５０／Ｊ１１以下）のセラミック部
材を使用することが必要とされてきた。しかし、特に複
雑形状の構造部材にあっては、このような小さな傷寸法
の測定を非破壊検査法を使用して行うのは非常に困難で
あった。
セラミック材料が十分な破壊靭性を持たない点を克服す
る試みの一つに、繊維強化複合材料の開発がある。例え
ば、黒鉛繊維強化セラミックは、常温では顕著な破壊靭
性および強度を与えるが、このセラミック複合材料は、
高温にさらした場合には、炭素繊維の酸化および繊維中
の炭素とセラミック材料の成分との反応が起こるので、
その価値が疑わしいものであることが認められている。
一方、セラミック材料の強化の目的で炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）フィラメントおよび短繊維（チョツプドファイバー
）などの無機繊維を使用することも、ある程度の効果を
示したが、いくつかの問題点があるため、その使用は相
当に制限されている。例えば、従来の炭化ケイ素フィラ
メントまたは短繊維は連続多結晶質構造のものであり、
約１２５０°Ｃより高温では結晶粒成長のためにかなり
の劣化を受けるので、理論密度に近いセラミック複合材
料を製造するためのホットプレスなどの高温加工法にこ
れを使用することには著しい制限がある。さらに、ホッ
トプレスなどにおいて行なわれる高圧負荷時に、多結晶
質繊維が破砕され、セラミック複合材ｔ４において繊維
が果たす強化特性が損なわれる。
また、この多結晶質繊維ではセラミック複合材料の耐ク
ラツク性（耐亀裂性）は充分には与えられない。これは
、亀裂線または破砕面を横切る方向を向いた繊維が、特
に複合材料をホットプレスのように高温高圧にさらすこ
とにより加工した後では、復合＋Ａネ４中での亀裂成長
を阻１卜するのに十分な引張強度を有しないからである
。
これに対して、セラミ２２１１合材料に単結晶炭化ケイ
素ウィスカーを使用することは、ウィスカーが亀裂エネ
ルギーを吸収することができるため、セラミック複合材
料の破壊靭性を改善することがＬセ、められている。ウ
ィスカーは、亀裂がウィスカーに突き当たった時に亀裂
を橋架けすることによる亀裂撓みや、ウィスカーの「引
き抜き」により１３Ｊ合材料を強靭にすると考えられる
。ウィスカの「引き抜き」は、ＳｉＣつ１スカー−マト
リックス結合を横切る半径方向引張応力により与えられ
るようなＳｉＣウィスカー−マトリックス界面剪断強度
が比較的低い部位でのセラミックマトリックスの亀裂発
生中に起こる。亀裂の最前線が複合材料中を伝播する際
に、亀裂線にまたくようにセラミックマトリックス中で
亀裂の両側に伸びているウィスカーの多くが破断するか
、あるいはマトリ７クスから引き抜かれなければ、亀裂
が成長、すなわちセラミック中を伝播することができな
い。
単結晶ＳｉＣウィスカーは破断に耐える十分な引張強度
を有しているので、亀裂が伝播するには、ウィスカーが
マトリックスから引き抜かれなければならなし１゜この
ようにウィスカーがマトリックスから引き抜かれる際に
、ウィスカーが亀裂面に対してかなりの橋架は力を示し
、亀裂エネルギーを吸収するように亀裂先端で応力強度
を効果的に減する。したがって、ウィスカーは複合材料
の亀裂発生傾向も有効に低減させ、亀裂伝播を阻止する
のである。炭化ケイ素ウィスカー強化セラミック複合材
料は米国特許筒４，５４３．３４５；　４，５６９．８
１１６；および４，６５７．８７７号に開示されている
。
［発明が解決しようとする課題］ 残念ながら、炭化ケイ素ウィスカー強化セラミック複合
材料は、非強化セラミック材料に比べて破壊靭性の改善
を少ししか示さない１例えば、アルミナの破壊靭性は約
４　ＭＰａ、ｍ””であるが、ＳｉＣウィスカー強化ア
ルミニウムの破壊靭性は約８〜１０ＭＰａ、＋ｗ””で
ある。このように改善が少ないことの考えられる理由の
一つは、炭化ケイ素ウィスカーの表面に一般に酸化物ま
たは炭−酸化物の被膜が存在していることである。この
酸化物系被膜はセラミックマトリックスに比較的強固に
付着していると考えられ、そのためウィスカーの十分な
引き抜きが阻害され、強度や靭性の改善が予想より低く
なる。セラミック複合材料に配合する前に酸化物被膜を
酸で除去することも試みられたが、酸化物被膜はすぐに
また生成してしまい、しかも炭化ケイ素ウィスカーの表
面にはマトリックスへの強力な共有もしくはイオン結合
用の活性サイトがなお残っているので、上記の処理法は
非常に効果的であるとは言い難い。
よって、本発明の主目的は、靭性の改善された炭化ケイ
素ウィスカー強化セラミック複合材料を提供することで
ある。
［課題を解決するための手段］ 本発明により、予想されるような機械的特性の改善、特
に破壊靭性の増大が実現される炭化ケイ素つィスカー強
化セラミック復合材料が提供される。これは、炭化ケイ
素ウィスカーに炭素被覆を施すことにより達成される。
炭素被覆は、ウィスカー表面に酸素が拡散するのを阻止
することによりウィスカー表面での酸化物層の形成を制
限し、また、高温でウィスカー表面に存在する酸化ケイ
素と反応して炭化ケイ素表層を形成する。この炭素被覆
ウィスカーは、セラミックマトリックスに過大な付着力
を示さず、マトリックスが亀裂形成応力を受けた時には
セラミックマトリックスから引き坊かれる。そのため、
炭素被覆ウィスカーは亀裂エネルギーを良く吸収し、セ
ラミック複合材料の破壊靭性を改善する。
一般に、本発明にかかるセラミック複合材料は、セラミ
ック材料のマトリックス中に約５〜６０　ｖｏｌ％の炭
化ケイ素ウィスカーを均質に分散させてなる。この炭化
ケイ素ウィスカーは、アスペクト（縦横）比が約３０未
満の単結晶構造のものであり表面酸化物層の形成を抑制
するために炭素被覆が施されている。表面の炭素被覆は
、化学蒸着、存機材料の塗布後に加熱により炭素に変換
させるといった多様な方法により設けることができる。
ウィスカーをセラミックマトリックスに混入する前にこ
れに炭素被覆を設けてもよく、あるいはウィスカーに予
備処理で有機被覆を設けておき、これを配合したセラミ
・ツク複合材料の焼結などの処理工程中に有機被覆を炭
素液ＩＷに転換させることにより炭素被覆をその場で形
成することもできる。
本発明のセラミック複合材ネ−１は、微粒状セラミック
ーネ４と表面処理された炭化ゲイ素ウィスカーとの均’
！ｔ　混合物をホットプレスするか、あるいはセラミッ
クマトリックスとウィスカーとＯｌＨ合物に少量の有機
結合剤を添加して押出成形もしくは射出成形などで複合
材料を成形することにより製造することができる。
上に一般的に述べたように、本発明はａ械的特性に優れ
た、特に破壊靭性の高いセラミック複合材料およびその
製造に関する。
本発明のセラミック複合材料の製造は、セラミックわ）
末または微粒と予め炭素もしくは炭素形成有機材料で被
覆された単結晶ＳｉＣウィスカーとの混合物を形成する
ことにより行われる。この混合物を次いでボットプレス
、押出もしくはその他の悄用の成形法により成形して、
セラミックーＳｉＣウィスカー複合材料製品が得られる
。
本発明のセラミック複合材料の製造に特に有用であるこ
とが判明したセラミック材料としては、アルミナ（八１
□０．）、ムライト　（３ＡｌｚＯ，・２ＳｉＯｚ）、
炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、窒化ケイ素（ＳｉＪ４）、コー
ジェライト　（２ＭｇＯ・２ＡＩｚ（ｈ　・５Ｓｉ（ｈ
）、ＡｈＯｓ　・Ｚｒ０ｉ、Ｚｒ（ｈ、Ｓｉ３Ｎ４（Ａ
ｌ２Ｏ２とＶ、Ｏ，をドープしたもの）およびＳｉＣ（
ＢとＣをドープしたちの）が挙げられる。
このセラミック材料は単に例示として列挙したもので、
本発明を制限するものではない。粉末状にすることがで
きる任意のすべてのセラミック材料が本発明において有
用である。
本発明で用いるＳｉＣウィスカーは、α和、β相または
αおよびβ混相の炭化ケイ素を含有する単結晶である。
つ・イスカーの平均直径は約０．６〜２ｐ、平均長さは
約１０〜８０ｐである。アスペクト比が約３０未満のウ
ィスカーが好ましい。特に好ましいのは、アスペクト比
が杓ｌθ〜２０のＳｉＣウィスカーである。
代表的な市販ウィスカー製品の平均的なロットでのウィ
スカー含有率は８０〜９０％であり、残余は炭化ケイ素
粉末からなる。ウィスカーの典型的な化学分析結果は、
主要不純物として、酸素０．１ｗＬ％；　Ｍｎ、　Ｍｇ
、　Ｆｅ、　Ａｌ：　０．１−０．８　ｗｔ％；　Ｃｒ
、に、　ＣｕＸ１．　Ｈａ：　１００−１０００　ｐｐ
ｍを示す。ＳｉＣウィスカーは米の籾殻から製造され、
代表的な市販品としては、米国サウスカロライナ州のＡ
ｄｖａｎｃｅｄ　ＣｏｍｐｏｓｉＬｅ　Ｍａｔｅｒｉａ
ｌｓ　Ｃｏ、製のグレードＦ−９（以前はへＲＣＯＳＣ
−９ウィスカーと呼ばれた）、あるいは東海カーボン社
製の［トカマックス［有］」がある。＾ｍｅｒｉｃａｎ
　Ｍａｔｒｉｘ、　Ｉｎｃ、（米国テネシー州）および
タテホ化学工業からもＳｉＣウィスカーが市販されてい
る。
ＳｉＣウィスカーの他の市販品も利用できる。ＳｉＣウ
ィスカーは高純度であるため、不活性ガス中では１８０
０°Ｃまでの温度で安定である。また、セラミックマト
リックス中でのＳｉＣウィスカーは約１９００°Ｃまで
の加工温度で熱安定性があり、連続長多結晶質ＳｉＣ繊
維（通常は約１２００°Ｃより高温で結晶粒成長による
劣化が起こる）に比べて明らかに有利である。
セラミック複合材ず一１中でのウィスカーの引き抜きを
改善し、したがって、複合材料の破壊靭性を改善するた
めに、本発明で用いる炭化ケイ素ウィスカーには炭素被
覆が設けられる。炭素被覆は、ウィスカーをセラミック
粉末と混合する前にウィスカーに施してもよく、あるい
は成形したセラミック複合材料の熱処理中にその場で炭
素被覆を生成させてもよい。セラミック粉末に配合する
前にウィスカーに炭素被覆を施す場合、任意の公知の方
法が利用できる。
例えば、炭素被覆をＣＶＤ　（化学蒸着）法により施す
ことができる。この方法では、炭化水素各含有する流動
化ガスによりウィスカーと炭素源とを流動化させた炭化
ケイ素ウィスカーの流動床を利用する。炭化水素として
は、１気圧での分解温度が５００°Ｃ以下のものが好ま
しい。アセチレン、プロピレンおよびイソプレンなどの
炭化水素が特に好ましいが、任意の芳香族、脂肪族、脂
環式もしくはオレフィン系炭化水素を使用することがで
きる。５００　”Ｃより高温で、ウィスカー−Ｌに炭素
が蒸着して、望ましくない酸化物表面皮膜の生成に対す
るバリアーとなる。
ウィスカーの被覆は、高温に加熱されると炭化する有機
材料により行うこともでき、この炭化によりウィスカー
上に炭素被覆が形成される。炭素生成被覆として使用す
ることができる代表的な在機材料としては、炭化水素ワ
ンクス、ならびに公知の炭素前駆ポリマー、例えば、ポ
リアクリロニトリル、ポリイソブチレン、ポリイソプレ
ン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリビ
ニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸
、ポリエチレンオキノド、セルロース、カルボキシメチ
ルセルロース、デンプン加水分解物、デキストラン、グ
アーガム、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリ
酢酸ビニルなど、ならびにこれらの混合物が挙げられる
。この有機材料は液状で、特に適当な溶媒中の有機材料
の希薄溶液の状態で、ウィスカーに塗布することが好ま
しい。
ｉ８　？＆のウィスカーへの塗布は、噴霧または）容液
中にウィスカーを撹拌しながら浸漬するといった任意の
公知の塗布法により行うことができる。塗布した後、冷
奴を追い出して被膜を乾燥する。有用な方法の１例は、
ウィスカーの流動床に対して有機材料の溶液の被覆を行
い、個々にウィスカーを被覆することである。流動床被
覆法または任意の液体塗布法において、塗布のすんだウ
ィスカーを、溶媒の除去工程または有機被膜を硬化させ
るために行う任意の硬化工程中に流動状態に保持して、
塗布されたウィスカーの凝集を防止することが有用な場
合もある。有機材料が塗布されたウィスカーを、次いで
少なくとも約５００°Ｃの温度に加熱すると、有４！！
！被膜が熱分解して、ウィスカー上に炭素被覆が形成さ
れる。
別の方法においては、炭化ケイ素ウィスカーに上述した
任意の方法により有機材料の被膜を形成し、有機材料を
被覆したウィスカーを、炭化処理を行う前にセラミック
マトリックスの中に分散させる。この方法では、炭素被
覆は、得られたセラミック複合材料のその後の熱処理中
にその場で形成される。有機被覆を炭化するための熱処
理は、セラミック製品へのホントプレス中、または成形
されたセラミック複合材料を有機結合剤の焼き切りのた
めに加熱する工程中、またはその後の成形されたセラミ
ック複合材料の焼結工程中に同時に達成されうる。
いずれの方法においても、炭素被覆はウィスカーを完全
に被覆すべきである。すなわち、約０．０５〜０゜５Ｉ
Ｊ１Ｍの被覆厚みが有用である。好ましい被覆厚みは約
０．０５〜０．２　／ｊ１１である。炭素被覆の厚みは
、酸素の拡１１にとウィスカー表面のその後の酸化とを
制限するのに充分なものであるほか、ウィスカーの表面
に存在するＳｉ−０と反応してこの酸化物を炭化物に転
化させるのに十分な炭素量を与えるのにも十分な厚みと
することが重要である。既述したように、ウィスカー表
面に生成した酸化物または炭−酸化物は周囲のセラミッ
クマトリックスに強固に付着して、セラミック複合材料
の亀裂を低減させるのに有効なウィスカーの引き抜きと
、必要な橋架は力の付与とをウィスカーが行う能力を著
しく減少させると考えられる。
上述したどの被覆もしくは塗布方法も炭素被覆の形成に
有用であるが、被覆の厚みおよび均一性の制御は、炭素
生成有機材料をウィスカーに塗布する方法で最もよく達
成されると思われる。この方法はＣＶＤ法より安価であ
り、しかもウィスカー上での炭素の均一な単分子層の形
成についてもより良い結果を与えることができる。
複合材料中のＳｉＣウィスカーの配合量は、約５〜６０
　ｖｏｌ％、好ましくは約５〜４０　ｖｏｌ％の範囲内
であり、約２０〜３０　ｖｏｌ％の配合量が特に好結果
を与える。ＳｉＣウィスカーの配合量が約６０　ｖｏｌ
％を超えると、かなりのウィスカーの凝集塊生成が起こ
り、複合材料の靭性が低下する。ウィスカーの配合量が
約５　ｖｏｌ％未満であると、マトリックス内でのＳｉ
Ｃウィスカーの濃度が低く、亀裂エネルギーの十分な吸
収のために亀裂面に露出するウイスカーの数が不足する
ことから、）−分な靭性が得られない。
ＳｉＣウィスカーとセラミック粉末との混合は、錆層お
よびウィスカーの塊りを最小限に抑えて、マトリックス
粉末中にウィスカーが均一に分散した混合物を生ずるよ
うな任意の適当な混合方法を採用して行うことができる
。例えば、適当な混合物は、ウォリング（Ｍａｒｉｎｇ
）ブレンダ、混合媒体、および超音波ホモジナイザを用
いたボールミル混合により得ることができ、最もよい混
合は微粉末を使用した場合に達成される。ＳｉＣウィス
カーとセラミック粉末との混合によりマトリックスむ）
束中にウィスカーが均一に分散した混合物を得ることは
、混合過程で望ましくない凝集体生成もしくはウィスカ
ーの塊状化の傾向があるために、達成がやや困難である
。約０．０５〜１．０−の粒度範囲のセラミックマトリ
ックス粉末が、このような微粉末中ではウィスカーの凝
集傾向が小さいため、均一混合物の生成に特に好ましい
ことが判明した。
０．５−以下のセラミックマトリックス粉末が特に好適
である。ただし、／１ｉ合方法を改善することにより、
約４４μＩＩ　（−３２５メノシエ）までのセラミック
粉末でＶ集物のない均−混合物を得ることができよう。
代表的な混合操作にあっては、所定量のＳｉＣウィスカ
ーとセラミックマトリックス粉末とを、ブレンド内で混
合媒体のヘキナン中において混合する。この混合物を次
いで適当な超音波ホモジナイザによりさらに分散させる
ことができる。
その後、この混合物を流動空気下に攪拌を続けなから原
発により乾燥する。あるいは、混合媒体として蒸留水を
使用し、凍結乾燥することによっても同様の結果が得ら
れる。また、乾式混合や他の揮発性混合媒体による混合
も、ＳｉＣウィスカーの塊状化や凝集を最小限に抑えた
均一混合物を得るのに十分利用することができる。どの
混合方法においても、ウィスカー含有率が増大するほど
、混合物中のウィスカーが束状の塊りになるため、ウィ
スカーの均一分散を達成するための混合が難しくなる。
また、ウィスカーのアスペクト比が大きくなるほど、均
一分散が困難となる。
混合操作が完了した後、混合物を適当な製品形状に成形
する。乾式圧縮法ならびに押出および射出成形法を始め
とする公知の任意の成形法を用いることができる。ホン
トブレス法により本質的にセラミックの完全理論密度の
複合材料を得ることができる。複合材料の密度がセラミ
ックマトリックス粉末の理論密度の約９９％以上になる
と、複合材料の靭性を低下させる気孔やその他の傷が最
小限にしか存在せず、最大の靭性が得られる。高密度は
また強度の見地からも必要である。
ホントブレス工程は、複合材料の成分との有害な反応を
生ずることなく必要な圧力および温度に耐えることので
きる黒鉛もしくはその他の任意の適当な材料から形成さ
れたポンチもしくはプレス部材を備えた適当な誘導もし
くは抵抗加熱炉により実施することができる。ホントブ
レスは、例えば、用いるマトリックス材料の種類に応じ
て、真空炉内で、約１６００−１９５０℃の範囲内の温
度および約２８〜ＴＯＭＰａの範囲内の圧力下に約０．
７５〜２．５時間行うことができる。このホットプレス
工程中、複合材料が所望のポットブレス温度に到達する
までは所定の全圧力の約半分の加圧圧力をｔＭ合材ネ１
に加え、その後に全圧力を加えることができる。
複合材料の緻密化（密度増大）は、ブレスの上ラムに取
りつけた直線可変変位トランスデユーサにより監視する
ことができる。
より？！雑な形状のセラミック製品の製造にあっては、
射出成形法が有用である。この方法では、セラミック粉
末とウィスカーとの混合物に、流動化剤として作用する
分解性の有機結合剤を添加する。この成形性セラミック
組成物は、焼結前に成形品の一体性を保持する作用をす
る有機結合剤を混合物全体の約１５〜５０重量％、好ま
しくは約２０〜３５重量％の範囲内の世で含有していよ
う。好ましい結合剤はオキシメチレン反復単位を有する
ポリアセタールである。この「ポリアセタール」および
前記反復単位は、ホモポリマーとコポリマーの両方を包
含する意味である。有用なポリアセタール結合剤の詳細
は、米国特許第４，６２４，８１２号に開示されている
。ポリアセタール自体はポリマーの技術分野で周知の材
料である。例えば、セルコンなる登録商標で市販されて
いるポリアセタールは、米国特許第３，０２７，３５２
号の記載内容に従って、無水ホルｌ、アルデヒドまたは
トリオキサンの重合により製造することができる。
他の公知の結合剤としては、ポリエチレンおよびポリプ
ロピレンなどのポリオレフィン、ポリスチレン、アクリ
ルゴム、ナイロンなどがある。エボキノ樹脂およびフェ
ノール−ホルムアルデヒド樹脂系などの熱硬化性樹脂も
使用できる。
結合剤は、さらに追加結合機能を果たす既知材＃１　ｔ
、ｏ〜１０％という少量で含有することもできる。この
ような材料としては、低密度ポリエチレン、アククチン
クボリブロピレン、エチレン−酢酸ビニルコポリマー、
ステアリン酸およびパラフィンワンクスなどのワックス
類が挙げられる。
成形可能なセラミック組成物は、成形に適したレオロジ
ー系を得るために組成物に添加されるン！潤剤、可塑剤
、およびその他の種類の加工助剤を慣用の量でさらに含
有することもできる。具体的には、約０．５〜２．０重
量％の湿潤剤もしくは界面活性剤の添加により、セラミ
ック粉末と結合剤との付着が促進され、凝集度を低下さ
せることができる。適当な湿潤剤もしくは界面活性剤と
しては、リグナイト、鉱油および低分子量ワックスがあ
る。
約１．０〜１０重揖％の量の可塑剤を添加すると、複合
材料の粘度が低下し、混合が促進される。代表的な可塑
剤としては、ワックス、シリコーン、アルキルフタレー
ト、ポリアルキレン（例、ポリエチレン）グリコール、
および線状飽和ポリエステルがある。約０，０５〜１．
０重量％の量の離型剤の添加により、金型壁面への付着
が防止され、金型からの成形品の取り出しが容易となる
。代表的な離型剤としては、シリコーンおよび各種フタ
レートおよびアミド（例、脂肪酸アミドであるアクラワ
ノクスＣ（＾ｃｒａｗａｘ　Ｃ））がある。
セラミック組成物を成形体に型成形するには、用いるセ
ラミック粉末と炭化ケイ素ウィスカーとをまず結合剤中
に分散ないし混合する。さらに、この時点で組成物に配
合すべき他の添加剤があれば、それも添加して混合する
。得られた混合物を、例えば、約９０〜２２０°Ｃの範
囲内のグイ温度および約５００〜２０００　ｐｓｉｇの
範囲内の圧力で押出［。押出は当業者に公知の各種の押
出装置で行うことができる。例えば、押出装置はダイ温
度約９０°Ｃ１圧力約１２００　ｐｓｉｇで運転される
２軸押用機でよい。
セラミック組成物は射出成形することもできる。
すなわち、混合物をまず通常は約１５０〜２００°Ｃに
加熱し、約５００〜１０００　ｐｓｉｇの範囲内の圧力
で低温の金型に射出する。金型温度は、組成物が硬化す
る約７０°Ｃとする。
結合剤およびその他の全ての揮発性添加剤を除去するた
めに、成形した組成物を徐々に加熱する。
最終温度に至るまでの加熱速度は組成物中の成分の量お
よび種類ならびに製品の性質に応じて異なるが、典型的
な昇温速度は、約５００°Ｃの範囲内の温度に到達する
までは約１〜２０°Ｃ／ｈｒの範囲内であろう０次いで
、所定の温度に約０．５〜２．０時間保持する。
その後、温度をセラミック粉末の焼結に必要な温度に上
昇させる。最終温度への昇温速度は、当然ながらセラミ
・７り粉末および成形品の性質により異なるが、昇温速
度は約１０００〜１８００°Ｃの範囲内の温度に達する
まで一般に約５０〜１０００°Ｃ／ｈｒの範囲内であろ
う。セラミック粉末を完全に焼結するため、成形品を最
終温度に約１５分〜約８時間保持する。焼結は一般に空
気または不活性ガスからなる雰囲気中で行われる。成形
品の焼結により、約１５％の体積収縮が起こる。
月１九１ ＳｉＣウィスカー２．５ｇを１％ポリビニルアルコール
水溶液ｌＮに分散させる。このスラリーをウォリングブ
レンダで混合し、スラリーを凍結乾燥して水を除去する
。こうして、ポリビニルアルコールが被覆されたＳｉＣ
ウィスカーが得られる。
粒度的０．２ｓのアルミナ（ＡｈＯｚ）粉末１０ｇを上
記の表面被覆ＳｉＣウィスカー２．５ｇ　（２０ｖｏｌ
％）とウォリングブレンダを使用してヘキサン中で混合
し、得られたスラリーを乾燥する。この混合物を７０　
ＭＰａの圧力負荷下に１６００℃の温度で１軸方向に１
時間ホントブレスする。ホントプレスで得られた複合材
料の密度は、アルミナの理論密度である３、９７ｇ／ｃ
＋５の９９．７％を超えている。
この複合材料の破壊靭性は１０．９　ＭＰａ、１１″で
ある。
実施ｌ ＳｉＣウィスカー１０ｇをフェルト状にランダム配置す
る。このフェルトに１％ポリビニルアルコールの熱水？
８　？ｆｌを噴霧してウィスカーのフェルトにポリマー
を被覆および含浸さＵ、水を蒸発さ已°る。
ポリマーが被覆されたフェルトを金型に入れ、スリップ
注型法によりセラミック複合材料を形成する。すなわち
、この方法では、粒度０．３５）Ａの窒化ケイ素粉末の
水性スラリーを金型に注いで、ウィスカーのフェルトを
被覆し、これに浸透させる。
金型から水を排出すると、注型された窒化ケイ素ウィス
カー複合材料が残る。注型された複合材料を金型から出
し、１８００°Ｃで２時間焼結させる。
得られた焼結複合材料の破壊靭性は４　、２ＭＰａ、　
ｍ　’　”である。

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）セラミック材料のマトリックスと、その中に均一
    に分散させた炭化ケイ素ウィスカーとからなり、前記ウ
    ィスカーに炭素被覆が施されていることを特徴とする、
    靭性と耐破壊性の高いセラミック複合材料。
  2. （２）前記ウィスカーを該複合材料の約５〜６０ｖｏｌ
    ％の量で配合した、請求項１記載のセラミック複合材料
    。
  3. （３）前記ウィスカーを該複合材料の約２０〜３０ｖｏ
    ｌ％の量で配合した、請求項２記載のセラミック複合材
    料。
  4. （４）前記ウィスカーが約３０未満のアスペクト比のも
    のである、請求項１記載のセラミック複合材料。
  5. （５）前記セラミックマトリックスがアルミナである、
    請求項１記載のセラミック複合材料。
  6. （６）前記セラミックマトリックスがＳｉ＿３Ｎ＿４で
    ある、請求項１記載のセラミック複合材料。
  7. （７）微粒状セラミック材料と炭化ケイ素ウィスカーと
    の均一混合物を形成し、この混合物を成形し、成形中ま
    たは成形後に前記混合物を加熱して前記セラミック材料
    を焼結させることからなる、セラミック複合材料成形体
    の製造方法であって、このセラミック複合材料成形体中
    の炭化ケイ素ウィスカーが炭素被覆を施されているもの
    であることを特徴とする、靭性と耐破壊性の高いセラミ
    ック複合材料成形体の製造方法。
  8. （８）前記炭素被覆が前記加熱中にその場で形成された
    ものである、請求項７記載の方法。
  9. （９）前記混合物中の炭化ケイ素ウィスカーが、前記加
    熱中に炭素被覆に変換しうる有機材料で被覆されたもの
    である、請求項８記載の方法。
  10. （１０）前記有機材料がポリマーである、請求項９記載
    の方法。
  11. （１１）前記ポリマーがポリマー溶液の状態で前記ウィ
    スカーに塗布される、請求項１０記載の方法。
  12. （１２）前記均一混合物中の炭化ケイ素ウィスカーが炭
    素で被覆されたものである、請求項７記載の方法。
  13. （１３）前記炭化ケイ素ウィスカーが前記均一混合物の
    約５〜６０ｖｏｌ％を占める、請求項７記載の方法。
  14. （１４）前記ウィスカーが前記均一混合物の約２０〜３
    ０ｖｏｌ％を占める、請求項１３記載の方法。
  15. （１５）前記炭化ケイ素ウィスカーが３０未満のアスペ
    クト比のものである、請求項７記載の方法。
  16. （１６）前記セラミック材料が、粒度約０．０５〜１μ
    ｍの粉末状のものである、請求項７記載の方法。
  17. （１７）前記セラミック粉末の粒度が約０．０５〜０．
    ５μｍである、請求項１６記載の方法。
  18. （１８）前記均一混合物がさらに有機結合剤を含有し、
    前記成形を該混合物を型に入れて行う、請求項７記載の
    方法。
  19. （１９）前記成形を押出または射出成形により行う、請
    求項１８記載の方法。
  20. （２０）前記有機材料が液体状で該ウィスカーに塗布さ
    れる、請求項９記載の方法。
  21. （２１）前記有機材料が、これを溶媒にとかすことによ
    り溶液状で塗布される、請求項２０記載の方法。
  22. （２２）前記焼結温度が約１０００〜１８００℃の範囲
    内である、請求項７記載の方法。
  23. （２３）前記セラミックマトリックスが、アルミナ、ム
    ライト、Ｂ＿４ＣおよびＳｉ＿３Ｎ＿４から選ばれる、
    請求項７記載の方法。
  24. （２４）前記セラミック材料がアルミナである、請求項
    ７記載の方法。
  25. （２５）前記セラミック材料がＳｉ＿３Ｎ＿４である、
    請求項７記載の方法。
JP1069148A 1988-03-21 1989-03-20 炭素表面被覆ＳｉＣウイスカーを含有するセラミック複合材料 Pending JPH02149474A (ja)

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