JPH0274669A - Carbon fiber-reinforced carbon material having oxidation resistance and production thereof - Google Patents

Carbon fiber-reinforced carbon material having oxidation resistance and production thereof

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JPH0274669A
JPH0274669A JP63224936A JP22493688A JPH0274669A JP H0274669 A JPH0274669 A JP H0274669A JP 63224936 A JP63224936 A JP 63224936A JP 22493688 A JP22493688 A JP 22493688A JP H0274669 A JPH0274669 A JP H0274669A
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JP
Japan
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silicon carbide
film
oxidation
carbon fiber
inner layer
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JP63224936A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiro Hasegawa
和広 長谷川
Tsuneo Kaneshiro
庸夫 金城
Jiro Hiramoto
治郎 平本
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JFE Steel Corp
Original Assignee
Kawasaki Steel Corp
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Abstract

PURPOSE:To obtain non-oxidizable base body without generating crack or peeling of film to steep heat cycle with out losing inherent characteristics of carbon fiber-reinforced carbon material base body by forming inner layer of porous silicon carbide film and outer layer of dense silicon carbide under specific conditions on the surface of said base body. CONSTITUTION:The surface of carbon fiber-reinforced carbon material base body is coated with silicon carbide powder and binder solution and calcined in inert atmosphere at a condition of reaction temperature of 600-1500 deg.C, then an inner layer of porous silicon carbide film of 6-100mum film thickness is formed. Next, an outer layer of dense silicon carbide film of 50-800mum film thickness is formed by using ceramic powder containing silicon, boron and silicon carbide and sintering with reaction at 1650-1900 deg.C for 60-600 min.

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は炭素繊維で強化された炭素材料に関し、特に、
航空・宇宙産業の分野あるいは原子炉用部材等の高温雰
囲気において繰返し使用に耐える耐酸化性炭素繊維強化
炭素材料に関する。
[Detailed Description of the Invention] <Industrial Application Field> The present invention relates to a carbon material reinforced with carbon fibers, and in particular,
The present invention relates to oxidation-resistant carbon fiber-reinforced carbon materials that can withstand repeated use in high-temperature environments such as in the aerospace industry or as parts for nuclear reactors.

〈従来の技術〉 炭素材料は、その応用の歴史的過程からも明らかなよう
に、電気・熱の良導体であると同時に無比の耐熱性、耐
食性、潤滑性など数多くのユニークな物理的・化学的な
性質を持っており、人造黒鉛電極、冶金用炭素・黒鉛製
品、放′宸加工電極1.電気用ブラシ、機械用炭素製品
など広範囲の分野に用いられている。
<Conventional technology> As is clear from the historical process of its application, carbon materials are good conductors of electricity and heat, and at the same time have many unique physical and chemical properties such as unparalleled heat resistance, corrosion resistance, and lubricity. It has the properties of artificial graphite electrodes, carbon/graphite products for metallurgy, and radioactive processed electrodes.1. It is used in a wide range of fields such as electrical brushes and mechanical carbon products.

炭素繊維で強化された炭素材料(以下、C/Cコンポジ
ットという)は、そのなかでも特に比強度が大きく、炭
素材料の持つ特性も兼ね備えているため、従来の炭素材
料では適用できない部位、例えばロケットのノーズコー
ンやノズルなどへの適用が可能となる。
Carbon materials reinforced with carbon fibers (hereinafter referred to as C/C composites) have a particularly high specific strength and also have the characteristics of carbon materials, so they can be used in areas where conventional carbon materials cannot be used, such as rockets. It can be applied to nose cones, nozzles, etc.

しかしながら、C/Cコンポジットを含めて炭素材料は
、一般に500℃程度から酸化を受け、それ自身の持つ
すぐれた物理的・化学的性質が低下するため、高温大気
中での使用はごく短時間のものを除き不可能であった。
However, carbon materials, including C/C composites, generally undergo oxidation from around 500°C and their excellent physical and chemical properties deteriorate, so they can only be used in high-temperature atmosphere for a very short time. It was impossible except for something.

 この現象を防止するために、従来から炭素材料の耐酸
化処理方法については種々の検討がなされてきた。
In order to prevent this phenomenon, various studies have been made regarding oxidation-resistant treatment methods for carbon materials.

それらの方法のなかで、化学気相蒸着法(以下、CVD
法という)による炭素材料へのセラミック被覆は最も一
般的に行われている方法の一つであり、この方法により
緻密な皮膜を得ることができる。 また、この方法によ
れは、炭化けい素、炭化チタン、炭化ハフニウム、炭化
タンタル等の炭化物、窒化チタン、窒化ほう素、窒化ジ
ルコニウム等の窒化物、アルミナ、ジルコニア等の酸化
物、その他ほう化物の被覆を行うことができる。
Among these methods, chemical vapor deposition (CVD)
Ceramic coating on carbon materials is one of the most commonly used methods, and a dense coating can be obtained by this method. In addition, this method can be used to remove carbides such as silicon carbide, titanium carbide, hafnium carbide, and tantalum carbide, nitrides such as titanium nitride, boron nitride, and zirconium nitride, oxides such as alumina and zirconia, and other borides. Coating can be performed.

しかしながら、この方法では基材となる炭素材料の温度
を1000℃前後にまで加熱しなければならない場合が
多く、基材の冷却時に表面のセラミック皮膜が剥離した
り割れを起こすことが多かった。 これは、基材と析出
させるセラミック間の熱膨張率の差が大きいため最大ひ
ずみが追随できないことが原因であり、基材の熱膨張率
を、析出させるセラミックとほぼ同程度にすることによ
り解決することができる。
However, in this method, it is often necessary to heat the carbon material serving as the base material to around 1000°C, and the ceramic coating on the surface often peels or cracks when the base material is cooled. This is because the maximum strain cannot follow the large difference in thermal expansion coefficient between the base material and the ceramic to be deposited.This can be resolved by making the coefficient of thermal expansion of the base material almost the same as that of the ceramic to be deposited. can do.

しかし、C/Cコンポジットを基材として用いる場合は
、その熱膨張率が炭素繊維自体の熱膨張率に拘束され自
由に調節することができず、またその熱膨張率に合致し
た耐熱性セラミック被覆材料もないため、CVD法によ
る優れた耐酸化皮膜を利用することができなかった。
However, when using a C/C composite as a base material, its coefficient of thermal expansion is restricted by the coefficient of thermal expansion of the carbon fiber itself and cannot be freely adjusted. Since there was no material available, it was not possible to utilize the excellent oxidation-resistant film produced by the CVD method.

特開昭61−26563号公報には、有機けい崇高分子
化合物を溶融状態でC/Cコンポジットに強制含浸した
後、不活性雰囲気中で1200〜2000℃の温度で高
温焼成して含浸物を炭化けい素に転化する方法が開示さ
れている。 しかしながら、この方法ではC/Cコンポ
ジットの密度が高い場合には、溶融状態の有機けい崇高
分子化合物を均一に含浸することができず、その結果ア
ンカー効果が乏しくなるためにC/Cコンポジットと十
分に密着した炭化けい素皮膜を得ることができない。 
このような炭化けい素皮膜では、繰返し高温で使用する
場合には剥離が起こり易く、C/Cコンポジットの耐酸
化保護皮膜としては適さない。
JP-A No. 61-26563 discloses that after a C/C composite is forcibly impregnated with an organic silicon high molecular compound in a molten state, the impregnated material is carbonized by firing at a high temperature of 1200 to 2000°C in an inert atmosphere. A method of converting to silicon is disclosed. However, in this method, when the density of the C/C composite is high, it is not possible to uniformly impregnate the molten organic silicon high molecular compound, and as a result, the anchoring effect becomes poor. It is not possible to obtain a silicon carbide film that adheres closely to the surface.
Such silicon carbide films tend to peel off when used repeatedly at high temperatures, and are not suitable as oxidation-resistant protective films for C/C composites.

また、特開昭62−153164号公報には、C/Cコ
ンポジット表面に熱硬化性樹脂と有機りん化合物の混合
物を付与した後、該混合物を硬化および炭化処理すると
いう方法が開示されている。 しかし、同公報の実施例
に示されるように、上記処理を施したC/Cコンポジッ
トにおいても1000℃以下の温度で10%程度の重量
減少があり、例えばスペースシャトルの外装材としての
応用を考えたとき、これが大気圏に突入するときに16
00℃程度と極めて高温に達するという事実を考えた場
合、前述の方法で得られるC/Cコンポジットは耐酸化
性が不充分である。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 153164/1984 discloses a method in which a mixture of a thermosetting resin and an organic phosphorus compound is applied to the surface of a C/C composite, and then the mixture is hardened and carbonized. However, as shown in the examples in the same publication, even in the C/C composite treated as described above, there is a weight loss of about 10% at temperatures below 1000°C. 16 when it enters the atmosphere
Considering the fact that the temperature reaches an extremely high temperature of about 00° C., the C/C composite obtained by the above method has insufficient oxidation resistance.

さらに、特開昭61−27248号公報には、C/Cコ
ンポジットに拡散法による炭化けい素被覆を行い、その
外表面にCVD法により窒化けい素皮膜を被覆すること
が示されている。 この方法によれば、ある程度有効な
耐酸化皮膜の形成は可能であるが、窒化けい素を用いて
いるために使用可能温度が約1300℃と低く、また、
2層の耐酸化皮膜同志の密着性が弱いために、緻密な膜
、つまりこの方法ではCVD法により析出させた窒化け
い素皮膜に、急激な熱衝撃により微細な割れが発生しや
すく、その微細な割れから酸素が拡散してC/Cコンポ
ジットの性能を低下せしめる。 このため上述の技術で
は、繰返し高温で使用する部位への利用には適したもの
ではなかった。
Further, JP-A No. 61-27248 discloses that a C/C composite is coated with silicon carbide by a diffusion method, and its outer surface is coated with a silicon nitride film by a CVD method. According to this method, it is possible to form a somewhat effective oxidation-resistant film, but because silicon nitride is used, the usable temperature is as low as about 1300°C.
Because the adhesion between the two oxidation-resistant films is weak, the dense film, that is, the silicon nitride film deposited by CVD in this method, is prone to minute cracks due to rapid thermal shock, and the fine cracks are likely to occur. Oxygen diffuses through these cracks, reducing the performance of the C/C composite. For this reason, the above-mentioned techniques are not suitable for use in areas that are repeatedly used at high temperatures.

〈発明が解決しようとする課題〉 C/Cコンポジットへの耐酸化被覆方法には前述のよう
に種々のものがあるが、それらには下記のような問題点
がある。
<Problems to be Solved by the Invention> As mentioned above, there are various methods for coating C/C composites with oxidation resistance, but they have the following problems.

(1)CVD法によフてC/Cコンポジット上に析出さ
せた耐酸化皮膜には、必ず熱膨張率の違いによる割れ、
剥離が生じ、そのままでは実用に適さない。
(1) The oxidation-resistant film deposited on the C/C composite by the CVD method always suffers from cracks due to differences in thermal expansion coefficient.
Peeling occurs, making it unsuitable for practical use as it is.

(2)耐酸化皮膜成分を含む液体を含浸させる場合には
、用いるC/Cコンポジットの密度が高いと中まで含浸
が行えず、それ故アンカー効果による耐酸化皮膜の密着
性が失われるため、剥離が起こる原因となる。  しか
も、−見密着性のよさそうな皮膜であっても、C/Cコ
ンポジットとの熱膨張率差が大きすぎるために一回以上
の熱サイクル負荷によりすぐに割れや剥離を生じる。
(2) When impregnating with a liquid containing oxidation-resistant film components, if the density of the C/C composite used is high, impregnation cannot be carried out to the inside, and therefore the adhesion of the oxidation-resistant film due to the anchor effect is lost. This may cause peeling. Moreover, even if the film appears to have good adhesion, the difference in coefficient of thermal expansion between the film and the C/C composite is too large, so it will easily crack or peel off when subjected to one or more thermal cycles.

(3)特開昭61−27248号公報に開示されている
複層被覆法によれば、前述の2つ(7)方法に比べては
るかに安定な耐酸化皮膜を得ることができるが、CVD
法により被覆した膜は1回の熱サイクル負荷によって容
易に微細な割れを生じ、そこから酸素が拡散していくた
めにC/Cコンポジットの強度低下が起こる。
(3) According to the multilayer coating method disclosed in JP-A No. 61-27248, it is possible to obtain a much more stable oxidation-resistant film than the above-mentioned two methods (7), but CV
The film coated by this method easily develops fine cracks due to one thermal cycle load, and oxygen diffuses from the cracks, resulting in a decrease in the strength of the C/C composite.

本発明は、従来法の欠点である耐酸化皮膜の剥離が押え
られ、しかも熱サイクル負荷による微細な割れを極力少
なくした炭素繊維強化炭素材料およびその製造方法を提
供することを目的どしている。
An object of the present invention is to provide a carbon fiber-reinforced carbon material and a method for producing the same, which suppresses peeling of the oxidation-resistant film, which is a drawback of conventional methods, and minimizes microscopic cracks due to thermal cycle loads. .

〈課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するために、本発明の第1の態様によれ
ば、炭素繊維強化炭素材料基体の表面に、耐酸化皮膜と
して、粉末焼結による多孔質の炭化けい素皮膜の内層を
有し、ざらに該内層上に反応焼結による炭化けい素皮膜
の外層を有することを特徴とする耐酸化性炭素繊維強化
炭素材料が提供される。
<Means for Solving the Problems> In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a porous film formed by powder sintering is provided as an oxidation-resistant film on the surface of a carbon fiber-reinforced carbon material base. An oxidation-resistant carbon fiber-reinforced carbon material is provided, which has an inner layer of a silicon carbide film and an outer layer of a silicon carbide film formed by reaction sintering on the inner layer.

また、前記内層は、膜厚が3〜100μmの範囲である
のが好ましい。
Moreover, it is preferable that the inner layer has a thickness in the range of 3 to 100 μm.

そして、前記外層は、膜厚が50〜800μmの範囲で
あるのが好ましい。
The outer layer preferably has a thickness in the range of 50 to 800 μm.

本発明の第2の態様によれば、炭素繊維強化炭素材料基
体の表面に、炭化けい素粉末およびバインダーを含む溶
液を塗布した後、粉末焼結により多孔質の炭化けい素内
層を形成せしめ、しかる後肢内層上に反応焼結によりm
密な炭化けい素皮膜の外層を形成せしめることを特徴と
する耐酸化性炭素繊維強化炭素材料の製造方法が提供さ
れる。
According to the second aspect of the present invention, after applying a solution containing silicon carbide powder and a binder to the surface of a carbon fiber reinforced carbon material substrate, a porous silicon carbide inner layer is formed by powder sintering, m by reaction sintering on the inner layer of the hindlimb.
A method for producing an oxidation-resistant carbon fiber-reinforced carbon material is provided, which comprises forming an outer layer of a dense silicon carbide film.

また、前記内層は、前記溶液の塗布後、不活性雰囲気下
で反応温度600〜1500℃で焼結する条件で行なう
のが好ましい。
Further, it is preferable that the inner layer is formed by sintering at a reaction temperature of 600 to 1500° C. in an inert atmosphere after applying the solution.

そして、前記外層は、けい素、ほう素、炭化けい素を含
むセラミック粉末を用い、1650〜1900℃の温度
、反応時間60〜600分の条件で反応焼結させること
により得られた炭化けい素皮膜であるのがよい。
The outer layer is made of silicon carbide obtained by reaction-sintering ceramic powder containing silicon, boron, and silicon carbide at a temperature of 1650 to 1900°C for a reaction time of 60 to 600 minutes. Preferably, it is a film.

以下に本発明をさらに詳細に説明する。The present invention will be explained in more detail below.

本発明の炭素繊維強化炭素材料は、第1図に示すように
、炭素ia維強化炭素材料基体1の上に内層2を有し、
さらに該内層上に外層3を有する。 そして、内層2に
は、とろこところに貫通孔4を有する。
As shown in FIG. 1, the carbon fiber reinforced carbon material of the present invention has an inner layer 2 on a carbon ia fiber reinforced carbon material base 1,
Further, an outer layer 3 is provided on the inner layer. The inner layer 2 has through holes 4 all over it.

基体となるC/Cコンポジットを構成する炭素繊維とし
て、平織、朱子織、綾織などの二次元織布、−次元配向
材、三次元配向材、フェルト、トウなどが用いられ、バ
インダーとしてはフェノール樹脂、フラン樹脂などの熱
硬化性物質、タールピッチのような熱可塑性物質を用い
ることができる。 前記炭素繊維は、含浸、塗布などの
方法によりプリプレグ化し、積層加圧成形して成形体と
する。 この成形体は、熱処理によってバインダーを硬
化させ、その後常法に従って焼成し、さらに必要に応じ
て黒鉛化することによりC/Cコンポジットとする。 
その後、用途に応じて熱硬化性物質、ピッチなどを含浸
、再度炭化を行う含浸法、メタン、プロパンなどの熱分
解炭素を利用するCVD法などにより緻密化を繰り返し
行い、さらに高強度のC/Cコンポジットとすることも
できる。
Two-dimensional woven fabrics such as plain weave, satin weave, and twill weave, -dimensionally oriented materials, three-dimensionally oriented materials, felt, tow, etc. are used as the carbon fibers constituting the C/C composite that serves as the base, and phenolic resin is used as the binder. , thermosetting materials such as furan resins, and thermoplastic materials such as tar pitch. The carbon fiber is made into a prepreg by a method such as impregnation or coating, and then laminated and pressure-molded to form a molded body. This molded body is made into a C/C composite by hardening the binder by heat treatment, then firing in accordance with a conventional method, and further graphitizing if necessary.
After that, depending on the application, densification is repeated by an impregnation method in which thermosetting substances, pitch, etc. are impregnated and carbonized again, or a CVD method that uses pyrolytic carbon such as methane or propane. It can also be a C composite.

内層2は、粉末焼結させた多孔質の炭化けい素皮膜であ
り、基体1と外層3を密着性良く結合するとともにC/
Cコンポジットへの外応力に対する緩衝層として働く。
The inner layer 2 is a powder-sintered porous silicon carbide film that bonds the base 1 and the outer layer 3 with good adhesion, and also has C/
Acts as a buffer layer against external stress on the C composite.

すなわち、急激な熱サイクル負荷によりC/Cコンポジ
ットの皮膜は膨張−収縮を繰返すが、その場合m面層で
ある内層2が緻密であれば、C/Cコンポジットと皮膜
との熱膨張率差が大きすぎるために生じる熱応力を、内
層が収縮できず、割れ4および剥離が生じ易くなる。
In other words, the film of the C/C composite repeatedly expands and contracts due to rapid thermal cycle loads, but in this case, if the inner layer 2, which is the m-plane layer, is dense, the difference in thermal expansion coefficient between the C/C composite and the film will increase. Because the inner layer is too large, the resulting thermal stress cannot be contracted, and cracks 4 and peeling are likely to occur.

以上の理由から、内層は適当量の空隙を有していること
が必要である。 空隙量の測定方法は種々あるが、例え
ば破面の電顕写真による画像解析、水銀ホロシータ−等
が挙げられる。
For the above reasons, it is necessary that the inner layer has an appropriate amount of voids. There are various methods for measuring the amount of voids, such as image analysis using electron micrographs of fractured surfaces, mercury holotheta, and the like.

内層2の空隙率(porosity)は、基体1および
後述の外FI3の空隙率より大であり、好ましくは、内
層2の最外層を電子顕@鏡観察した空隙率で15〜85
%が良い。
The porosity of the inner layer 2 is larger than the porosity of the substrate 1 and the outer FI 3 described below, and is preferably 15 to 85 as measured by electron microscopic observation of the outermost layer of the inner layer 2.
% is good.

内層2の空隔率が15%未満であれば熱応力が緩和層に
なり得す、85%を超えると強度が急激に低下するため
に好ましくない。
If the void ratio of the inner layer 2 is less than 15%, thermal stress may become a relaxing layer, and if it exceeds 85%, the strength will drop rapidly, which is not preferable.

粉末焼結による内層の厚さは、3〜100μmの範囲に
あることが好ましい。 す なわち、3μmに満たない
皮膜であれば、事実上耐酸化皮膜としての機能を果たさ
ず、逆に100μmを超える皮膜を得ようとしても焼成
中に剥離、割れ等の欠陥が多数生じてしまうために好ま
しくない。
The thickness of the inner layer formed by powder sintering is preferably in the range of 3 to 100 μm. In other words, if the film is less than 3 μm, it will not actually function as an oxidation-resistant film, and on the other hand, even if you try to obtain a film that is more than 100 μm, many defects such as peeling and cracking will occur during firing. undesirable for this reason.

外層3は、反応焼結法によって得られる緻密な炭化けい
素皮膜である。
The outer layer 3 is a dense silicon carbide film obtained by a reactive sintering method.

外層3は、C/Cコンポジット基体1の上に多孔質の内
層2を介して形成されているため反応焼結により形成さ
れる際に、内層と析出させる炭化けい素性層間の熱膨張
率の差がほとんどないのでC/Cコンポジットの冷却時
に外層3が剥離したり割れを起こすことがなく、緻密で
密着性の良い外層3が得られる。
Since the outer layer 3 is formed on the C/C composite substrate 1 via the porous inner layer 2, when it is formed by reaction sintering, the difference in thermal expansion coefficient between the inner layer and the deposited silicon carbide layer is Since there is almost no cracking, the outer layer 3 does not peel off or crack when the C/C composite is cooled, and a dense outer layer 3 with good adhesion can be obtained.

反応焼結させて得られる外層の炭化けい素の膜厚は、5
0〜800μmの範囲にあることが好ましい。 膜厚が
50μm未満では、C/Cコンポジットへの酸素拡散バ
ソヤーとして十分な機能を果たさず、逆に膜厚が800
μmを超える場合には、熱負荷に伴う割れ、剥離が発生
し易くなるために好ましくない。
The thickness of the outer layer of silicon carbide obtained by reaction sintering is 5
It is preferably in the range of 0 to 800 μm. If the film thickness is less than 50 μm, it will not function adequately as an oxygen diffusion bath layer to the C/C composite;
If it exceeds μm, it is not preferable because cracking and peeling are likely to occur due to heat load.

次に、上述の本発明の耐酸化性炭素繊維強化炭素材料の
好ましい製造方法について説明する。
Next, a preferred method for producing the oxidation-resistant carbon fiber-reinforced carbon material of the present invention described above will be described.

本発明の製造方法は、C/Cコンポジットの耐酸化皮膜
として、最初に炭化けい素粉末およびバインダーを含む
溶液を塗布した後、粉末焼結によりC/Cコンポジット
の表面に多孔質の炭化けい素皮膜をつくり、次に反応焼
結法により多孔質の炭化けい素皮膜の表面開孔および表
面に炭化けい素性層を形成する。
In the manufacturing method of the present invention, a solution containing silicon carbide powder and a binder is first applied as an oxidation-resistant film of a C/C composite, and then porous silicon carbide is formed on the surface of the C/C composite by powder sintering. A film is created, and then a silicon carbide layer is formed on the surface of the porous silicon carbide film through the surface openings and on the surface thereof using a reaction sintering method.

C/Cコンポジット上の第一層目、すなわち内層の炭化
けい素被覆は、炭化けい素粉末およびバインダーを含む
溶液を塗布した後、不活性ガス雰囲気下600℃以上1
500℃以下の温度で焼成することにより行なうことが
できる。
The first layer on the C/C composite, that is, the silicon carbide coating on the inner layer, is coated with a solution containing silicon carbide powder and a binder, and then heated at 600°C or higher for 1 hour in an inert gas atmosphere.
This can be done by firing at a temperature of 500° C. or lower.

本方法において用いる被覆剤に含まれる炭化けい素粒子
の粒径は、10μm以下であることが好ましい。 すな
わち、粒径が10μmを超えると平滑な皮膜が得られ難
く、その結果外層を付与することによっても十分な耐酸
化特性が得られないからである。
The particle size of silicon carbide particles contained in the coating material used in this method is preferably 10 μm or less. That is, if the particle size exceeds 10 μm, it is difficult to obtain a smooth film, and as a result, even by providing an outer layer, sufficient oxidation resistance cannot be obtained.

さらに、該被覆剤にはC/Cコンポジットと前述の炭化
けい素粒子を結合させるためのバインダーが含まれてい
る必要がある。 このバインダーとしては、フェノール
樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂、ア
ルミナ、シリカ等を含む熱硬化型無機バインダーなどが
用いられる。 このバインダーが含まれていないと炭化
けい素粒子とC/Cコンポジットの間には何ら接着力が
働かないため、事実上塗布できないからである。 また
、このバインダーの溶媒としてイソプロピルアルコール
、メタノール等を用い、塗布がスムースに行なわれるよ
うにする必要がある。
Furthermore, the coating must contain a binder for binding the C/C composite and the aforementioned silicon carbide particles. As this binder, thermosetting resins such as phenol resins, epoxy resins, and furan resins, thermosetting inorganic binders containing alumina, silica, etc. are used. This is because, if this binder is not included, no adhesive force will work between the silicon carbide particles and the C/C composite, making it virtually impossible to coat the composite. Further, it is necessary to use isopropyl alcohol, methanol, etc. as a solvent for this binder so that the coating can be carried out smoothly.

前記被覆剤の被覆方法は、刷毛、ローラースプレー等で
C/Cコンポジットに直接塗布するほか、被覆液中にC
/Cコンポジットを浸す、いわゆるデイツプ法も用いら
れる。
The coating method for applying the coating material is to apply it directly to the C/C composite with a brush, roller spray, etc.
A so-called dip method in which the /C composite is immersed is also used.

被覆した皮膜は、不活性ガス雰囲気下で焼成することに
より、C/Cコンポジットに炭化けい素粒子を強固に固
着せしめる必要があるが、その時の温度は600℃以上
1500℃以下であることが好ましい。 すなわち、6
00℃未満であればバインダー成分の化学反応が十分に
進行しないために炭化けい素皮膜の付着力が十分なもの
が得られず、逆に1500℃を超えるとバインダー自体
がもろくなるために、内層を形成する場合には好ましく
ない。
The coated film needs to be baked in an inert gas atmosphere to firmly adhere the silicon carbide particles to the C/C composite, but the temperature at that time is preferably 600°C or more and 1500°C or less. . That is, 6
If the temperature is below 00°C, the chemical reaction of the binder components will not proceed sufficiently, making it impossible to obtain a silicon carbide film with sufficient adhesion.On the other hand, if the temperature exceeds 1500°C, the binder itself will become brittle, causing the inner layer to deteriorate. It is not preferable when forming.

炭化けい素微粉末およびバインダーを含んだ溶液をC/
Cコンポジットに塗布した後焼成するという操作は、上
述の効果だけではなく、得られる炭化けい素皮膜を適度
に多孔質にするためにも必要である。 この多孔性は、
上記溶液の中に含まれている揮発成分が揮発する場合に
生成するものであり、熱応力を吸収するための緩衝作用
を有するために必要なものである。
A solution containing fine silicon carbide powder and a binder is
The operation of firing after coating the C composite is necessary not only for the above-mentioned effect but also for making the obtained silicon carbide film appropriately porous. This porosity is
It is generated when the volatile components contained in the solution evaporate, and is necessary to have a buffering effect to absorb thermal stress.

内層形成のための溶液塗布は、−度で所定の膜厚に被覆
することも可能であるが、被覆ムラをできるだけ少なく
するためには、数回に分けて被覆する方がよい。
In the solution application for forming the inner layer, it is possible to coat the inner layer to a predetermined film thickness at -degrees, but in order to minimize coating unevenness, it is better to coat the inner layer in several batches.

以上の方法によってC/Cコンポジット上に形成された
第一層目の炭化けい素度膜上に形成される第二層目、す
なわち外層の炭化けい素皮膜は、けい素、ほう素、炭化
けい素を含むセラミック粉末を用いて反応焼結させるこ
とにより得る。
The second layer, that is, the outer silicon carbide film, is formed on the first silicon carbide film formed on the C/C composite by the above method. It is obtained by reaction sintering using a ceramic powder containing an element.

炭化けい素の常圧焼結に要する原料は、炭化けい素、炭
素、ほう素の3 fl類で十分であるが、それだけでは
内層およびC/Cコンポジットへの密着性が向上しない
ため、けい素を加えることによりC/Cコンポジットへ
の密着性の向上をはかったものである。
The raw materials required for pressureless sintering of silicon carbide are 3 fl of silicon carbide, carbon, and boron, but this alone does not improve the adhesion to the inner layer and C/C composite, so silicon By adding , the adhesion to the C/C composite is improved.

反応焼結法において用いられるけい素、はう素、炭化け
い素は、純度95%以上、粒径100μm以下であるこ
とが必要であり、そのなかでも粒径10μm以下で、マ
グネシウム、アルミニウム、鉄および/またはそれらの
酸化物の含有量の合計が1重量%以下であることが特に
好ましい。 すなわち、純度が95%未満であり、しか
も前述の不純物が含まれていると、C/Cコンポジット
の表層部に生成した炭化けい素皮膜の酸化開始温度を低
下させるからである。 この傾向は、特にマグネシウム
および/またはマグネシウムの酸化物が含まれている場
合に著しい。 粒径が100μmより大きい場合は前述
のセラミック粉末を加える場合にけい素との均一な混合
が難しくなるため好ましくない。
Silicon, boronic, and silicon carbide used in the reaction sintering method must have a purity of 95% or more and a particle size of 100 μm or less. It is particularly preferable that the total content of oxides and/or these oxides is 1% by weight or less. That is, if the purity is less than 95% and the above-mentioned impurities are contained, the oxidation start temperature of the silicon carbide film formed on the surface layer of the C/C composite will be lowered. This tendency is particularly remarkable when magnesium and/or magnesium oxides are included. If the particle size is larger than 100 μm, it is not preferable because it becomes difficult to mix uniformly with silicon when adding the above-mentioned ceramic powder.

けい素、ほう素、炭化けい素の混合物に占める各物質の
割合は、それぞれ5〜45重量%、0.5〜3重量%、
52〜94.5重量%の範囲であることが好ましい。 
けい素の量が51量%より少ないと、C/Cコンポジッ
トおよび内層との結合力の十分なものが得られず、熱衝
撃により容易に剥離を起こす。 逆に45重二%を超え
ると、反応焼結を行なう際に前述のセラミック粉末内に
埋没させたC/Cコンポジットを取り出し難くなるほど
焼結が進行するために好ましくない。 ほう素量が0.
5重量%未満であれば、炭化けい素の焼結助剤として働
き難く、逆に3重量%より多く加えても焼結効果の向上
は見られず、むしろ未反応物として炭化けい素度膜中に
残存して酸化を促進するために好ましくない。 炭化け
い素の量は、記載量未満では緻密な膜が得られ難く、記
載量より上では助剤量、けい素量か不足し緻密な皮膜が
得られないので好ましくない。
The proportion of each substance in the mixture of silicon, boron, and silicon carbide is 5 to 45% by weight, 0.5 to 3% by weight, respectively.
It is preferably in the range of 52 to 94.5% by weight.
When the amount of silicon is less than 51% by weight, sufficient bonding strength between the C/C composite and the inner layer cannot be obtained, and peeling easily occurs due to thermal shock. On the other hand, if it exceeds 45% by weight, sintering progresses to the extent that it becomes difficult to take out the C/C composite buried in the ceramic powder during reaction sintering, which is not preferable. Boron amount is 0.
If it is less than 5% by weight, it will have difficulty working as a sintering aid for silicon carbide, and conversely, even if it is added in an amount greater than 3% by weight, no improvement in the sintering effect will be seen, and rather the silicon carbide film will remain as an unreacted product. It is undesirable because it remains inside and promotes oxidation. If the amount of silicon carbide is less than the stated amount, it will be difficult to obtain a dense film, and if it is above the stated amount, the amount of auxiliary agent and silicon will be insufficient and a dense film will not be obtained, which is not preferable.

緻密な外層を得るのに必要な反応条件は、温度1650
〜1900℃、時間は60〜600分の範囲にあること
が好ましい。 温度が1650℃より低く、あるいは反
応時間が60分よりも短いと皮膜の緻密化は十分に進行
せず、逆に1900℃を超えると炭化けい素の異常粒成
長が起こり易くなり、均一な皮膜が得られ難くなるため
に好ましくない。 反応時間が480分を超えて反応焼
結を行わせても、それ以上緻密化の改善は行なわれ難い
The reaction conditions necessary to obtain a dense outer layer are a temperature of 1650°C.
Preferably, the temperature is 60 to 600 minutes. If the temperature is lower than 1650°C or the reaction time is shorter than 60 minutes, the densification of the film will not proceed sufficiently, whereas if it exceeds 1900°C, abnormal grain growth of silicon carbide will easily occur, resulting in a uniform film. This is not preferable because it becomes difficult to obtain. Even if reaction sintering is carried out for a reaction time exceeding 480 minutes, it is difficult to further improve the densification.

この反応焼結法によれば、原料として加えたけい素が前
述の内層中に生じた貫通孔を通って拡散し、C/Cコン
ポジットとの反応により炭化けい素化するという反応が
連続的に起こるため、密着性に優れた皮膜を得ることが
できる。
According to this reaction sintering method, silicon added as a raw material diffuses through the through holes created in the inner layer and reacts with the C/C composite to form silicon carbide, which is a continuous reaction. As a result, a film with excellent adhesion can be obtained.

しかも、内層の炭化けい素度膜は非常に細かい炭化けい
素粒子から成り、しかも外層を得るときに添加したほう
素の焼結助剤効果により多孔質でかつ高強度な皮膜とな
るために、従来法では得ることのできなかった非常に耐
酸化性に優れた皮膜となり得る。
Moreover, the inner layer silicon carbide film is made of very fine silicon carbide particles, and the boron added when forming the outer layer becomes a porous and high-strength film due to the sintering aid effect. It is possible to obtain a film with extremely high oxidation resistance, which could not be obtained using conventional methods.

〈実施例〉 以下に本発明を実施例に基づき具体的に説明する。<Example> The present invention will be specifically explained below based on Examples.

(実施例1) 基体として用いるC/Cコンポジットは、以下に述へる
方法によって作成した。
(Example 1) A C/C composite used as a substrate was created by the method described below.

熱硬化性を示すフェノールホルムアルデヒド樹脂(鐘紡
■製、商品名ベルパール)が25重量%になるようにメ
タノールで溶解希釈した溶液に、東邦レーヨン■製炭素
繊維クロス“ベスファイ #3101” (高強度タイ
プ炭素繊維使用)に含浸した。 樹脂目付は量として8
5g/m’であった。
A thermosetting phenol formaldehyde resin (manufactured by Kanebo ■, trade name Bell Pearl) was dissolved and diluted with methanol to a concentration of 25%. Carbon fiber cloth "Besphi #3101" (high-strength type carbon) manufactured by Toho Rayon ■ was added to the solution. impregnated with fibers). The resin basis weight is 8 as an amount.
It was 5 g/m'.

その後、オーブン中で80℃、30分間乾燥してメタノ
ールを揮発させ5.樹脂含浸炭素繊維クロスを得た。 
このクロスを15枚積層し加熱プレスにより50 kg
f/c+n2の圧力下150℃で60分間加熱加圧成形
し、炭素繊維強化プラスチツク板を得た。 つぎに、該
炭素繊維強化プラスチツク板をアルゴンガス雰囲気中で
20℃/ Hrの昇温速度で2000℃まで焼成して厚
さ2mmのC/Cコンポジットを得た。
Then, dry in an oven at 80°C for 30 minutes to evaporate methanol.5. A resin-impregnated carbon fiber cloth was obtained.
15 sheets of this cloth are stacked and heated to produce a weight of 50 kg.
A carbon fiber-reinforced plastic board was obtained by heat-pressing molding at 150° C. for 60 minutes under a pressure of f/c+n2. Next, the carbon fiber reinforced plastic plate was fired in an argon gas atmosphere at a heating rate of 20°C/Hr to 2000°C to obtain a C/C composite with a thickness of 2mm.

このようにして得られたC/Cコンポジットは、さらに
とッチ(川崎製鉄■製 pK−QL”)の含浸−焼成と
いう緻密化処理を3回繰り返して行ない、曲げ強度27
 kgf/mm2層間剪断強度1 、78 kgf/a
m2、 密度1.63g/cm3の高強度C/Cコンポ
ジットとした。
The C/C composite thus obtained was further subjected to a densification process of impregnating and firing with Totchi (Kawasaki Steel ■ pK-QL'') three times, resulting in a bending strength of 27.
kgf/mm2 interlayer shear strength 1, 78 kgf/a
m2, and a high strength C/C composite with a density of 1.63 g/cm3.

以上の方法により得られたC/Cコンポジットを101
00X50x2の大きさに切り出し、炭化けい素粉末を
20重量%、バインダーとしてフェノール樹脂(鐘紡■
製)50重量%を含むアルコール溶液(品用白煉瓦■製
、商品名”N−TAC21” )をへケで塗布した。 
塗布回数は1回、塗布後は3、sx 10−’g/cm
”の重量増加があった。 この後、皮膜に含まれている
アルコールを揮散させ、密着力を増加させるために16
時間60℃で乾燥した。 そのときの皮膜の厚さは約9
μmであり、直径約0.2μmの貫通孔が数カ所存在し
ているのが電子顕微鏡写真によって確認された。 その
後、1000℃で120分間、高周波誘導加熱炉の中で
焼結を行なった。
The C/C composite obtained by the above method was
Cut it into a size of 00x50x2, add 20% by weight of silicon carbide powder, and use phenolic resin as a binder (Kanebo ■).
An alcohol solution containing 50% by weight (manufactured by Shinyo Shiroenga ■, trade name "N-TAC21") was applied with a spatula.
Number of applications: 1 time, 3 times after application, sx 10-'g/cm
There was an increase in weight of "16" after this to volatilize the alcohol contained in the film and increase adhesion.
It was dried at 60°C for an hour. The thickness of the film at that time is approximately 9
It was confirmed by electron micrographs that there were several through holes with a diameter of about 0.2 μm. Thereafter, sintering was performed in a high frequency induction heating furnace at 1000° C. for 120 minutes.

次に、けい素(粒径10μm以下、純度99.9%、高
純度化学■製)30重量%、炭化けい素(平均粒径1.
0μm、純度99.8%昭和電工■製)69重量%およ
びほう素(粒径10μm以下、純度99.5%、H,C
,5tark■製)1重量%をボールミル中で6時間混
合した無機粉末混合物中に埋没させるようにして黒鉛る
つぼの中に入れた。 このときのけい素のユは、C/C
コンポジットを完全に炭化けい素化させるのに必要な量
の3.5倍とした。 このようにして調製した試料を高
周波誘導加熱炉内に静置し、アルゴンガスプラズマ分流
通下1650℃で120分反応を行わせ、C/Cコンポ
ジットに平均膜厚293μmの炭化けい素皮膜を被覆し
た。
Next, 30% by weight of silicon (particle size 10 μm or less, purity 99.9%, manufactured by Kojundo Kagaku ■) and silicon carbide (average particle size 1.
0μm, purity 99.8%) 69% by weight (manufactured by Showa Denko ■) and boron (particle size 10μm or less, purity 99.5%, H, C
1% by weight (manufactured by Tark, Inc.) was placed in a graphite crucible so as to be immersed in an inorganic powder mixture which had been mixed for 6 hours in a ball mill. At this time, the silicon yu is C/C
The amount was 3.5 times the amount required to completely silicon carbide the composite. The sample prepared in this manner was placed in a high-frequency induction heating furnace and reacted for 120 minutes at 1650°C under argon gas plasma distribution to coat the C/C composite with a silicon carbide film with an average thickness of 293 μm. did.

以上の方法によって得られた耐酸化被覆されたC/Cコ
ンポジットに、空気雰囲気下、マツハ2のアルゴンガス
プラズマを30分間照射し、そのときの重量減少および
強度変化について調べた。 この実験において、アルゴ
ンガスノズル出口からC/Cコンポジットまでの距離は
20mm、アルゴンガスプラズマの直径は約10mmで
あった。 また、C/Cコンポジット上の照射中心の裏
面を熱電対により測温したところ1500℃であった。
The oxidation-resistant coated C/C composite obtained by the above method was irradiated with Matsuha 2 argon gas plasma for 30 minutes in an air atmosphere, and the weight loss and strength change at that time were investigated. In this experiment, the distance from the argon gas nozzle outlet to the C/C composite was 20 mm, and the diameter of the argon gas plasma was about 10 mm. Further, when the temperature of the back surface of the irradiation center on the C/C composite was measured with a thermocouple, it was 1500°C.

以上の方法により得られた耐酸化被覆された炭素繊維強
化炭素材料を空気雰囲気下電気炉内で1500℃の温度
で30分間保持し、そのときの重量減少率および曲げ強
度を調べた。 この結果を表1に示す。
The oxidation-resistant coated carbon fiber-reinforced carbon material obtained by the above method was held at a temperature of 1500°C for 30 minutes in an electric furnace in an air atmosphere, and the weight loss rate and bending strength at that time were examined. The results are shown in Table 1.

(実施例2) 反応焼結の温度を1800℃にした以外は実施例1と同
様の方法で、C/Cコンポジットに炭化けい素被覆を行
なった。 このときの炭化けい素の平均膜厚は403μ
mであった。
(Example 2) A C/C composite was coated with silicon carbide in the same manner as in Example 1 except that the reaction sintering temperature was 1800°C. The average film thickness of silicon carbide at this time was 403μ
It was m.

表1には、実施例1と同様の酸化試験を行なったときの
重量減少率および強度変化について示した。
Table 1 shows the weight loss rate and strength change when the same oxidation test as in Example 1 was conducted.

(実施例3) 反応焼結の温度および時間を1800℃で360分とし
た以外は実施例1と同様の方法で、C/Cコンポジット
に炭化けい素被覆を行った。 このときの炭化けい素の
平均膜厚は494μmであった。 この試験片について
実施例1と同様の酸化試験を行ない、得られた結果を表
1に示した。
(Example 3) A C/C composite was coated with silicon carbide in the same manner as in Example 1, except that the reaction sintering temperature and time were 1800° C. for 360 minutes. The average film thickness of silicon carbide at this time was 494 μm. This test piece was subjected to the same oxidation test as in Example 1, and the results are shown in Table 1.

(実施例4) 炭化けい素粉末を20重量部含むアルコール溶液に、1
0100x50x2に切り出したC/Cコンポジットを
ディッピングすることにより炭化けい素被覆を行なった
以外は実施例1と同様の方法で行なった、 ディッピン
グにより得られた炭化けい素皮膜の厚さは約14μmで
あった。 この試験片について実施例1と同様の酸化試
験を行ない、得られた結果を表1に丁した。
(Example 4) In an alcoholic solution containing 20 parts by weight of silicon carbide powder, 1
The silicon carbide coating was carried out in the same manner as in Example 1 except that the silicon carbide coating was performed by dipping the C/C composite cut out to 0.100 x 50 x 2. The thickness of the silicon carbide film obtained by dipping was about 14 μm. Ta. This test piece was subjected to the same oxidation test as in Example 1, and the results are shown in Table 1.

(比較例1) 炭化けい素粉末を20重量部含むアルコール溶液を10
100x50X2に切り出したC/Cコンポジットにへ
ヶで重ね塗りし、膜厚を110μmとしようとした。 
 しかし、60℃で脱アルコール処理中に該皮膜には大
きなひび割れが多数発生した。 この試料を実施例1と
同様の条件で反応焼結させたところ、膜厚384μmの
炭化けい素皮膜が得られた。
(Comparative Example 1) Alcohol solution containing 20 parts by weight of silicon carbide powder was
A C/C composite cut out to a size of 100x50x2 was overcoated using a spatula to obtain a film thickness of 110 μm.
However, during dealcoholization treatment at 60° C., many large cracks occurred in the film. When this sample was reacted and sintered under the same conditions as in Example 1, a silicon carbide film with a thickness of 384 μm was obtained.

表     1 〈発明の効果〉 本発明の耐酸化性炭素繊維強化炭素材料は、その耐熱性
、耐酸化性、比強度が極めて優れており、特に航空、宇
宙産業や原子力産業では欠くことのできない素材として
用いることができる。
Table 1 <Effects of the Invention> The oxidation-resistant carbon fiber-reinforced carbon material of the present invention has extremely excellent heat resistance, oxidation resistance, and specific strength, and is an indispensable material particularly in the aviation, space, and nuclear industries. It can be used as

本発明の耐酸化皮膜は微粒子炭化けい素を適度に緻密に
積層させた、すなわち多孔質の内層上に反応焼結法によ
り更に緻密な炭化けい素度膜を形成させるという構造を
とっているため、基体と耐酸化皮膜、耐酸化皮膜同志が
強固に密着し、耐酸化皮膜がアンカー効果を持っている
炭素繊維強化炭素材料が製造でき、急激な熱衝撃、熱サ
イクル負荷がかかっても耐酸化皮膜に、割れ、剥殖が起
こらず、炭素繊維強化炭素材料自体の本来の特性は損な
われないので、熱負荷の極めて過酷な使用条件にも十分
対応できる。
The oxidation-resistant film of the present invention has a structure in which fine-grained silicon carbide is appropriately densely laminated, that is, a more dense silicon carbide film is formed on a porous inner layer by a reaction sintering method. , it is possible to produce carbon fiber-reinforced carbon materials in which the substrate, oxidation-resistant film, and oxidation-resistant film are tightly adhered to each other, and the oxidation-resistant film has an anchoring effect, and is oxidation-resistant even under sudden thermal shock and thermal cycle loads. Since the film does not crack or exfoliate, and the original properties of the carbon fiber reinforced carbon material itself are not impaired, it can fully cope with extremely severe usage conditions of heat loads.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の耐酸化性炭素繊維強化炭素材料の概念
断面図である。 符号の説明 1・・・炭素繊維強化炭素材料基体、 2・・・内層、 3・・・外層、 4・・・貫通孔
FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view of the oxidation-resistant carbon fiber-reinforced carbon material of the present invention. Explanation of symbols 1...Carbon fiber reinforced carbon material base, 2...Inner layer, 3...Outer layer, 4...Through hole

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)炭素繊維強化炭素材料基体の表面に、耐酸化皮膜
として、粉末焼結による多孔質の炭化けい素皮膜の内層
を有し、さらに該内層上に反応焼結による炭化けい素皮
膜の外層を有することを特徴とする耐酸化性炭素繊維強
化炭素材料。
(1) The surface of the carbon fiber-reinforced carbon material base has an inner layer of a porous silicon carbide film formed by powder sintering as an oxidation-resistant film, and an outer layer of a silicon carbide film formed by reaction sintering on the inner layer. An oxidation-resistant carbon fiber-reinforced carbon material characterized by having.
(2)前記内層は、膜厚が3〜100μmの範囲である
請求項1に記載の耐酸化性炭素繊維強化炭素材料。
(2) The oxidation-resistant carbon fiber-reinforced carbon material according to claim 1, wherein the inner layer has a thickness in the range of 3 to 100 μm.
(3)前記外層は、膜厚が50〜800μmの範囲であ
る請求項1に記載の耐酸化性炭素繊維強化炭素材料。
(3) The oxidation-resistant carbon fiber-reinforced carbon material according to claim 1, wherein the outer layer has a thickness in the range of 50 to 800 μm.
(4)炭素繊維強化炭素材料基体の表面に、炭化けい素
粉末およびバインダーを含む溶液を塗布した後、粉末焼
結により多孔質の炭化けい素内層を形成せしめ、 しかる後該内層上に反応焼結により緻密な炭化けい素皮
膜の外層を形成せしめることを特徴とする耐酸化性炭素
繊維強化炭素材料の製造方法。
(4) After applying a solution containing silicon carbide powder and a binder to the surface of the carbon fiber-reinforced carbon material substrate, a porous silicon carbide inner layer is formed by powder sintering, and then reaction sintering is performed on the inner layer. A method for producing an oxidation-resistant carbon fiber-reinforced carbon material, which comprises forming an outer layer of a dense silicon carbide film by bonding.
(5)前記内層は、前記溶液の塗布後、不活性雰囲気下
で反応温度600〜1500℃の条件下で焼結する請求
項4に記載の耐酸化性炭素繊維強化炭素材料の製造方法
(5) The method for producing an oxidation-resistant carbon fiber-reinforced carbon material according to claim 4, wherein the inner layer is sintered at a reaction temperature of 600 to 1500° C. in an inert atmosphere after applying the solution.
(6)前記外層は、けい素、ほう素、炭化けい素を含む
セラミック粉末を用い、1650〜1900℃の温度、
反応時間60〜600分の条件で反応焼結させることに
より得られた炭化けい素皮膜である請求項4または5に
記載の耐酸化性炭素繊維強化炭素材料の製造方法。
(6) The outer layer is made of ceramic powder containing silicon, boron, and silicon carbide, and is heated at a temperature of 1650 to 1900°C.
The method for producing an oxidation-resistant carbon fiber-reinforced carbon material according to claim 4 or 5, wherein the silicon carbide film is obtained by reaction sintering under conditions of a reaction time of 60 to 600 minutes.
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