JPH0264040A - セラミツクス質複合材料 - Google Patents

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〕 本発明は、強度及び破壊靭性に優れたセラミックス質複
合材料に関する。

〔従来の技術〕

炭素や炭化珪素等からなるセラミックス繊維やウィスカ
ーを、アルミナやジルコニア等のセラミックスのマトリ
ックスに分散させることにより、マトリックス企強化し
たセラミックスの複合材料が提案され（「セラミックス
Ｊ　、２２　（１９８７）扁６参照）、炭素繊維／炭素
複合材料のように一部実用化されているものもある。

かかる従来のセラミックス複合材料の製造方法としては
、マトリックス原料としてセラミックス粉末を使用し、
この粉末をセラミックス繊維又はウィスカーとボールミ
ル等により機械的に混合した後、焼結する方法が一般的
であった。

しかし、このようなセラミックス粉末を原料とする方法
では、セラミックス繊維やウィスカーの含有率を上げる
ほど、機械的混合によってもセラミックス繊維やウィス
カーの間隙をセラミックス粉末で充分に埋めることが出
来ず、従って焼結しても緻密化できず、充分な特性が得
られなかった。

そこで、セラミックス繊維やウィスカーに、マトリック
スとなるセラミックスをＣＶＤ法で付着させたり、スラ
リー状態で含浸させ、その後に焼結する方法が検討され
た。しかし、ＣＶＤ法では繊維等の間隙を充分にマトリ
ックスで充填することが出来ず、又スラリー状態で含浸
させる方法ではスラリー中の水分等が焼結時に拡散して
残分が少なくなりボアーを発生しやすい欠点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記した如〈従来の技術では、セラミックス繊維やウィ
スカーの含有率が高くなるほど緻密化が難しくなるため
、一般にセラミックス繊維又はウィスカーの含有率は１
５〜２０体積％、多くても３０〜４０体積％に留まり、
緻密であって強度や靭性等の特性に優れたセラミックス
複合Ｉを得ることは難しかった。

本発明はかかる従来の事情に鑑み、マ）　ＩＪラックス
化のために添加するセラミックス繊維又はウィスカーの
含有率が高く、シかも空隙がなく緻密であって、強度や
靭性等の特性に優れた信頼性の高いセラミックス質複合
材料を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するため、本発明のセラミックス質複
合材料は、結晶化ガラスからなるマド１）ックスと、マ
トリックス中に含まれるセラミックスの繊維又はウィス
カーとからなり、セラミックス繊維又はウィスカーの含
有率が５０体積％以上テアって、結晶化ガラスとセラミ
ックス繊維又はウィスカーの界面での付着強度が結晶化
ガラス及びセラミックス繊維又はウィスカーの材料強度
未満であることを特徴とする。

マトリックスとなる結晶化ガラスは熱処理や紫外線照射
等により結晶質にしたガラスであり、中でも強度及び耐
熱性に優れたＬｉ　０−３ｉＯ□−Ａ１２０３、Ｎａ　
０−ＡＩ　Ｏ−８ｉＯ、Ｎａ　０−ＣａＯ−ＭｇＯ−８
ｉＯ、Ｍｇ０−Ａ／２０−８ｉＯ、ＰｂＯ−Ｚｎ０−Ｂ
　Ｏ、Ｚｎ０−Ｂ　Ｏ−３ｉＯ，５ｉＯ２−Ｂ　Ｏ−Ａ
ｊ　Ｏ−ＭｇＯ−Ｋ　Ｏ−Ｆ等の使用が好ましい。

セラミツクス繊維又はウィスカーはマトリックスを強化
しうるものであれば特に制限はなく、添加時の形態は繊
維やウィスカーのま＼でも良いが、例えば予めプリフォ
ームとしたり、又は織布のように編組したものを用いる
こともできる。

尚、結晶化ガラスは酸化特性を有するため、例えばＳＩ
Ｃ等の非酸化物系繊維を使用すると表面が酸化されてＳ
ｉＯを生成する等、劣化しやすい。

この劣化を防ぎセラミックス繊維やウィスカーの特性を
充分に活用するためには、酸化抵抗の太きいＡＩＯやＺ
ｒＯ等のような酸素を１０重量％以上含有する酸化物系
のセラミックス繊維又はウィスカーを使用することが好
ましい。

本発明のセラミックス質複合材料の製法は、セラミック
ス繊維又はウィスカーに結晶化ガラスの元ガラスを軟化
又は溶融させて含浸せしめ、複合化した後に元ガラスを
結晶化させる方法を基本とする。更にセラミックス繊維
又はウィスカーの含有率を高めたい場合には、軟化又は
溶融した元ガラスを加圧して繊維又はウィスカーに含浸
させ、同時に元ガラスの余剰分を繊維やウィスカーの間
から圧出させる等の方法も可能である０〔作用〕 本発明テは、マ）　ＩＪラックスして強度及び耐熱性が
従来のＡｔ　Ｏ５ＺｒＯ、Ｓｉ　Ｎ　　等の構造用セラ
ミツクスと同等又はそれ以上である結晶化ガラスを用い
る。ガラスはセラミックス繊維やウィスカーに対する含
浸特性が高いので、軟化又は溶融状態で含浸させること
により、セラミックス繊維やウィスカーの空隙を容易に
且つ完全に埋めることができ、従って繊維含有率が高く
、緻密で欠陥のないセラミックス質複合材料が得られる
。

セラミックス質複合材料のセラミックス繊維又はウィス
カーの含有率は、前記した従来方法では３０〜４０体積
％が限界であったが、本発明では５０体積％以上であり
、特に軟化又は溶融状態の元ガラスを加圧下に含浸させ
ると同時にその余剰分を繊維又はウィスカーから押出す
方法によれば７０体積％以上の含有率を得ることも可能
である。

このようにセラミックス繊維又はウィスカーの含有率を
５０体積％以上とした本発明のセラミックス質複合材料
は、それ未満の含有率のものと比較して破壊靭性が著し
く向上し、機械的強度においても満足できる値が得られ
る。かかる高靭性化は、異種材料を組合せた複合材料で
は強度分布が一様ではない為、強度的に弱い個所を進展
しようとするクランクが分散させられるクラツクデフレ
クション効果、及び一定の幅を有するクラックが繊維と
マトリックスの界面より進展するためには繊維を破断す
るか又はクラック幅だけ繊維を′引き抜く必要があり、
このためのエネルギーを破壊に要するプルアウト効果に
よるものと考えられる。

更に、本発明のセラミックス質複合材料においては、マ
トリックスである結晶化ガラスとセラミックス繊維又は
ウィスカーの界面での付着強度が前記結晶化ガラス及び
セラミックス繊維又はウィスカーの材料強度未満とする
。結晶化ガラスとセラミックス繊維又はウィスカーの界
面での付着強度が前記各材料の強度以上となると、クラ
ックが結晶化ガラス内及び部分的に繊維やウィスカーを
容易に破断して伝播し、上記プルアウト効果が有効に作
用しなくなる結果、破壊靭性が急激に低下するからであ
る。

かかる界面での付着強度は、セラミックス繊維又はウィ
スカーに結晶化ガラス元ガラスを含浸複合化させる際の
温度により調整できる。尚、界面での好ましい付着強度
を得るための温度は結晶化ガラス及びセラミックス繊維
又はウィスカーの種類により異なる。

〔実施例〕

実施例１ ムライト（３ＡｌＯ・５ｓ１ｏ　）からなるセラミック
ス繊維（直径３鴎）の織布と、Ｌｉ　０−５ｉＯ−Ａｔ
　０系の結晶化ガラス扁末（平均粒径３．０μｍ）を積
層し、無加圧下又はＨＰ法による加圧下に１２００Ｃで
上記元ガラス粉末を溶融含浸させることにより複合化し
、次に含浸させた結晶化元ガラスな８００Ｃで結晶化さ
せ、マ）　ＩＪソックス結晶化ガラスからなるセラミッ
クス質複合材料を製造した。

得られたｍａ含有率の異なるセラミックス！複合材料に
ついて、Ｊ工Ｓ規格曲げ試験による４点曲げ強度、及び
インデンテーション法による破壊靭性値を測定し、結果
を第１表に示した。

第　　　　１　　　　表 １σ※　　　　　　　　　　５５　　　　　　　　　　
　２．５３０＊　　　　　　　　　　　６２　　　　　
　　　　　　３．０４０※　　　　　　　　　　　６７
　　　　　　　　　　　　３．５５０　　　　　　　　
　　　　８５　　　　　　　　　　　１０．５６０　　
　　　　　　　　　　８７　　　　　　　　　　　１７
．４７０　　　　　　　　　　　　８５　　　　　　　
　　　　２５．６（註）表中の×印は比較例である。

本発明例である繊維含有率５０〜７０体積％の複合体は
優れた強度を有し且つ飛躍的に改善された破壊靭性を示
した。又、強度試験後のクラックが結晶化ガラスとセラ
ミックス繊維の界面を伝播しており、界面での付着強度
が各材料強度より低いこと３示していた。

尚、複合化の温度Ｐ上記実施例での１２０ｏ　ｔ：’か
ら１３００　ｔ：又はそれ以上に変化させると、破壊靭
性値が急激に低下し、繊維含有率が５０体積％で５．３
、同６０体積％で４．８、及び同７０体積％で５．２と
劣化した。これらの複合材料のクラックは主に結晶化ガ
ラス内を伝播し、一部はセラミックス繊維を破断して進
展していた。

実施例２ アルミナ（ＡＩＯ）からなるセラミックスライスカー（
直径０．５μｍ）を含有率が６０体積％となるように、
Ｍｇ０−ＡＩ　Ｏ−３ｉＯ系の結晶化元ガラス粉末（平
均粒径２．０μｍ）と混合し、乾式プレス後にＨＩＰ法
を用いて上記元ガラスをウィスカーに溶融含浸させると
同時に余剰分を圧出することにより複合化した。この時
、結晶化ガラスとウィスカーの界面での付着強度を変え
るために、複合化の温度を１１００〜１４００　ｒの間
で変化させた。次に結晶化元ガラスを９ｏｏｃで結晶化
させ、セラミックス質複合材料を製造した。

得られたセラミックス質複合材料について、実施例１と
同様に４点曲げ強度及び破壊靭性値号測定し、結果を第
２表に示した。

第　　　２　　　表 １１００　　　　　　　６４　　　　　　　　　２２．
４１２００　　　　　　　７５　　　　　　　　　１８
．５１３００　　　　　　　６３　　　　　　　　　　
６．３１４００　　　　　　　５４　　　　　　　　　
２．３複合化温度が１１００〜１２００　Ｃでは、強度
試験後のクラックが主に結晶化ガラスとセラミックスウ
ィスカーの界面を伝播しており、破壊靭性は著しく高い
値を示した。これは界面での付着強度が各材料強度より
低いことを示している。又、複合化温度が１３００〜１
４００　ｒでは、クラックは主に結晶化ガラス内を伝播
し、一部はウィスカーを破断して進展しており、破壊靭
性は低い値を示した。これは界面での付着強度が各材料
強度より高いこと？示している。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マトリックス強化のために添加するセ
ラミックス繊維又はウィスカーの含有率が高く、しかも
緻密であって強度や靭性等の特性に優れた信頼性の高い
セラミックス質複合材料を提供することができる。

特に、本発明のセラミックス質複合材料は極めて高い靭
性値を有し、セラミックスの致命的欠陥である脆さ（靭
性値の低さ）のために、従来応用化が進まなかったセラ
ミックスエンジンを中心とする耐熱性構造材料として期
待される。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）結晶化ガラスからなるマトリックスと、マトリッ
   クス中に含まれるセラミックスの繊維又はウィスカーと
   からなり、セラミックス繊維又はウィスカーの含有率が
   ５０体積％以上であつて、結晶化ガラスとセラミックス
   繊維又はウィスカーの界面での付着強度が結晶化ガラス
   及びセラミックス繊維又はウィスカーの材料強度未満で
   あることを特徴とするセラミックス質複合材料。