JPH03174358A

JPH03174358A - 炭素及び炭化ケイ素の連続相からなる複合材料並びにその製造方法

Info

Publication number: JPH03174358A
Application number: JP1313966A
Authority: JP
Inventors: Hajime Izawa; 井澤　一; Yoshiyuki Miyaji; 宮地　良行; Suketsugu Yamamoto; 祐嗣山本
Original assignee: Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1991-07-29
Also published as: JPH0571541B2

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】生来≧府剋里公盟本発明は、炭素および炭化ケイ素の連続相からなる新規
な複合材料に関する。

゛・°と　の０題従来炭素および炭化ケイ素からなる複合材料は、通常炭
素からなる連続相（マトリックス）と炭化ケイ素とから
なる分散相（フィラー）により構成されている。この様
な構成は、下記のような製造方法により必然的に規定さ
れるものである。

（１〉炭素粉末と炭化ケイ素粉末にピッチなどの分解に
より炭素を形成するバインダーを添加し、混合し、成形
した後、焼結する方法：この方法においては、バインダ
ーの分解により生成する炭素が炭素粉末および炭化ケイ
素粉末を結合させるため、得られる複合材料中では、炭
素が連続相となり、炭化ケイ素が分散相になる。

（２）炭化ケイ素粉末に自己焼結性の生コークスを添加
し、磨砕した後、成形し、焼成する方法：この方法によ
り得られる複合材料においても、生コークスから生成し
た炭素が連続相となり、炭化ケイ素が分散相となる。

これらの方法により得られた炭素および炭化ケイ素から
なる複合材料は、炭素材料に由来する良好な電導性、低
い摩擦係数、優れた耐熱衝撃性、良好な耐薬品性などを
維持しつつ、炭素材料に比して、耐酸化性、機械的強度
、表面硬度、耐磨耗性な・ども大幅に改善されている。

しかしながら、この複合材料においても、酸化条件下に
は、連続相を構成する炭素成分が徐々に酸化され、消失
して、次第に強度が低下し、遂には崩壊してしまうこと
は避けられない。従って、この様な複合材料は、酸化条
件下では、構造材として使用することはやはり不可能で
あった。

口題壱を　゛るための本発明者は、炭素および炭化ケイ素からなる公知の複合
材料における問題点に鑑みて研究を重ねた結果、複合材
料中の炭化ケイ素成分についても、連続相を形戒させる
ことにより、複合材料の有する優れた性質を維持しつつ
、従来技雨の問題点が実質的に解消されることを見出し
た。

すなわち、本発明は、下記の複合材料を提供するもので
ある： ■炭素９０〜３０モル％と炭化ケイ素１０〜７０モル％
とからなり、両者がともに連続相を形戒する組織構造を
有し、かつ気孔率が２０％以下であることを特徴とする
炭素および炭化ケイ素の連続相からなる複合材料。

■表面が主として炭化ケイ素により被覆されている上記
項■に記載の炭素および炭化ケイ素の連続相からなる複
合材料。

本発明の複合材料は、炭素９０〜３０モル％と炭化ケイ
素１０〜７０モル％とからなっている。

炭素と炭化ケイ素との割合がこの範囲外となる場合には
、両収骨が連続相を形成し難くなり、特に耐酸化性の改
善が不十分となる。この複合材料においては、炭素およ
び／または炭化ケイ素の５モル％までが、チタン、ジル
コニウムおよび鉄の化合物により代替されていても良い
、これらの成分は、製造時に使用するケイ素系合金に由
来するものであるが、その割合が５モル％以下である場
合には、本発明複合材料の特性を殆ど阻害しない。

本発明複合材料の気孔率が２０％を超える場合には、耐
磨耗性および機械的強度が低下するので、実用上好まし
くない。

本発明の複合材料の製造に際し使用する炭素材料として
は、特に限定されるものではないが、下記に示す炭素焼
結体の格子定数Ｃが６．９オングストローム以下（より
好ましくは６．７０８〜６゜９オングストロームの範囲
）となり且つ密度が１．７ｇ１０３以下（より好ましく
は１．０〜１　、７　ｇ　／Ｃａｌ’の範囲）となり得
る材料が好ましい、この様な材料は、例えば、特開昭６
３−９５１５８号公報に開示されている。炭素材料の粒
子径も、特に限定されるもので４ｉないが、通常１００
〜２００μｍ程度とすることが好ましい。

ケイ素材料としては、金属ケイ素、ケイ素系合金などが
挙げられる。ケイ素系合金としては、特に限定されるも
のではないが、チタン、ジルコニウム、鉄を含む合金が
例示される。これらの金属ケイ素およびケイ素系合金は
、複合材料の製造時に溶融するので、粉末、粒子、塊状
などの任意の形態で使用できる。

本発明による複合材料は、通常以下の様にして製造され
る。先ず、バインダーを使用して炭素材料を所望の形状
に加工した後、非酸化性雰囲気中で加熱下にケイ素また
はケイ素系合金と接触させる。炭素材料成形体は、後述
する溶融ケイ素成分の炭素成形体内部への浸透を良好な
らしめるために、下記の様にして製造することが好まし
い。

〈１〉炭素粒子の内部までがケイ素と反応することが無
い様に、粒子径１００〜２００Ｊｉｍ程度の炭素粒子を
選択する。

（２）溶融ケイ素成分が、個々の炭素粒子を完全に取り
囲むことの無い様に、ピッチ、フェノール樹脂などのバ
インダーを使用して、炭素粒子を結合させて、生成形体
を製造する。

（３〉得られた生成形体を加熱して、バインダー成分を
炭化した後、例えば、特開昭６３９５１５８号公報に開
示された手法に従って、その格子定数Ｃが６．９オング
ストローム以下（より好ましくは６．７０８〜６．９オ
ングストロームの範囲〉となる温度および時間で結晶化
処理する。

（４）さらに、上記（１）および（２）の工程において
は、（３）で得られた炭素成形体の密度が１　、７　ｇ
　／ａｍ’以下（より好ましくは１．０〜１　、７　ｇ
　／Ｃ１１１’の範囲〉となり且つ殆どの気孔径が１〜
２００μｍの範囲となるように、炭素粒子の粒径、バイ
ンダーの量、材料の配合および混練、成型圧力などを調
整することが好ましい、これらの要件は、公知技術に基
いて当業者が容易に決定することができるので、詳述し
ない。

非酸化性雰囲気としては、減圧乃至真空状態、窒素、ア
ルゴンなどのガス雰囲気が例示される。

接触加熱条件は、炭素材料成形体の寸法および形状、所
望の炭素と炭化ケイ素との割合などにより、異なるが、
金属ケイ素またはケイ素系合金の融点（例えば、金属ケ
イ素の場合、１４１４℃）乃至１８００℃の温度域内の
所定の温度まで５０’Ｃ／分以上の昇温速度で（より好
ましくは１００〜ｂ定の温度に保持する。昇温温度が５０℃／分未満の場合
には、溶融したケイ素成分の粘度低下が遅くなるため、
炭素材料焼結体中へのその浸透が遅くなり、反応当初の
段階で炭素材料成形体表面に炭化ケイ素の厚い層が形成
され、炭素材料成形体の気孔が塞がれる。このため、溶
融ケイ素成分の成形体内部への浸透が妨げられ、成形体
内部に炭素と炭化ケイ素との均質な連続相を有する複合
材料が得られ難い、これに対し、昇温温度が５０℃／分
を上回る場合には、溶融ケイ素成分の毛細管現象により
、炭素材料成形体表面での炭化ケイ素の形成よりも速や
かに、溶融ケイ素成分が成形体内部に三次元網目状に存
在する開気孔に沿って浸透するので、成形体全体にわた
り均質な炭素−炭化ケイ素複合材料が得られる。上記反
応温度における保持時間は、溶融したケイ素成分が炭素
成分と反応して、炭化ケイ素の割合が成形体中の１０〜
７０モル％を占めるとともに、気孔率が２０％以下とな
る時間とすれば良い。

上記の様にして得られた本発明の複合材料は、内部にお
いては、炭素と炭化ケイ素とがともに連続相を形成する
均一な組ｍ構造を有しているのに対し１表面は、主に炭
化ケイ素により被覆された状態となっている。従って、
この状態では、耐酸化性および耐フラツクス性に特に優
れているので、例えば、溶融金属浸漬用チューブ材料と
して、有用である。

また、上記の様にして得られた本発明の複合材料の表面
をダヤモンド砥石などで研削すると、内部の組織が表面
に露出する。この状態では、炭素による潤滑性と炭化ケ
イ素による耐磨耗性とに特に優れているので、例えば、
ガラス、金属などの製造工程で使用する耐磨耗性に優れ
た滑り板材料として、有用である。

本発明による複合材料は、さらに、びんガラス用型枠な
どとしても有用である。

見−吸一凶一狭一基本発明によれば、下記の様な顕著な効果が達成される。

（１）本発明複合材料においては、炭化ゲイ素成分も連
続相を形成しているので、酸化などにより炭素成分が消
失しても、かなり大きな曲げ強度（５ＱＯｋｇ／ａｓ！
程度）を有する炭化ケイ素多孔質体として、当初の形状
を保持することが出来る。

この点が、炭素をマトリックスとし、炭化ケイ素をフィ
ラーとする従来の複合材料（このものは、炭素成分が酸
化などにより消失すると、全体としての形状も崩れてし
まう）と明確に異なり、且つ従来の複合材料に比して最
も優れている点である。

（２）炭素と炭化ケイ素とが連続相を形成している本発
明複合材料は、炭素材料が本来有する良好な電導性、低
い摩擦係数、優れた耐熱衝撃性、良好な耐薬品性などに
加えて、耐酸化性、機械的強度１表面硬度、耐磨耗性な
ども大幅に改善されている。

〈３〉特に、本発明複合材料が表面に主として炭化ケイ
素からなる被覆層を有する場合に、は、耐酸化性、耐薬
品性などに極めて優れているので、過酷な酸化条件下で
の使用が可能となった。

（４）また、本発明複合材料の表面が炭素と炭化ケイ素
との連続相により形成されている場合には、炭素による
優れた潤滑性と炭化ケイ素による優れた耐磨耗性とが併
せて発揮される。

夾−旌一舅以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより
一層明確にする。

実施例１（イ〉平均粒径１５０μｍの炭素粒子１００重量部にピ
ッチ２５重量部を加え、混練および成形した後、ピッチ
の炭素化を行ない、次いで２２００℃で黒鉛化した。

得られた黒鉛化成形体の物性は、下記の通りであった。

＊密度：　　　　　１．５ｇ／ｃｍ’ ＊格子定数ｃ：　　６．８０オングストロ一ム本気孔径
：　　　５〜１００μｍ（水銀圧入法）（ロ）上記の黒
鉛化成形体から３０ｘ６０ｘ５−の平板を加工し、これ
にＳｉ／Ｃ＝０．７＜重量比）となるようにケイ素を載
置し、アルゴン雰囲気中１８００℃で加熱し、ケイ素を
平板内に溶融浸透させて、本発明による複合材料を得た
。

第１図に得られた本発明の複合材料のＸ線回折図を示す
、β−型型化化ケイ素炭素および弱いケイ素の回折線が
観察されており、複合材料が主に炭化ケイ素と炭素とか
ら構成されていることが明らかである。

また、参考図−１に上記複合材料の破断面の走査型電子
顕微鏡（ＳＢＭ）写真を示し、参考図−２に同視野のＸ
線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ〉写真を示す、ＥＰ
ＭＡの白い部分は、炭化ケイ素としてのケイ素の存在を
示している。これらの写真から、ケイ素成分は、炭素粒
子を取巻く様に存在していることが明らかである。

得られた複合材料の組成は、炭素約７０モル％と炭化ケ
イ素約３０モル％であり、その気孔率は、約５％であっ
た。

さらに、上記の本発明複合材料の幾つかの物性値を既存
の炭素材料のそれらと対比して、第１表に示す。

第１表紐朋註仙曲げ強さ（ｋｓｒ／ｃＪ）　　　　１５００　　　２０
０モ一ス硬度　　　　　　　８〜９　　２〜３電気比抵
抗（μΩｍ）　　２０〜３０　　５〜１０動摩擦係数＊
　　　　　　　０．１５４　　　０．１３２＊：炭化ケ
イ素からなる表面被覆層を研削除去した本発明複合材料
と直径１１０５ｎのアルミナボールとの動摩擦係数を示
す。

第１表に示す結果から、本発明による複合材料は、強度
およびｆｆ１磨耗性において、炭素材料に著しく優って
いることが明らかである。

また、本発明複合材料の電気抵抗は、２０〜３０μΩｍ
と炭素材料のそれ（５〜１０μΩｍ）に近く、本発明複
合材料が十分な導電性を有していることが明らかである
。このことは、本発明複金材料中で、炭素が連続相を形
成していることを示している。

さらに、表面に形成された主として炭化ケイ素からなる
被覆層を研削除去した本発明複合材料の動摩擦係数は、
０．１５４と炭素材料のそれに近く、本発明複合材料が
相手材との間で良好な潤滑性を発揮することが明らかで
ある。

さらにまた、材料を７５０℃までの温度に加熱した後、
水中に投下して急冷し、その曲げ強さを測定する急冷強
度測定法により、本発明複合材料の耐熱衝撃性を評価し
たところ、７５０’Ｃまでの加熱温度範囲では、明確な
強度低下は認められなかった。

また１本発明による複合材料をそれぞれ濃度１０％の塩
酸、硫酸、硝酸、水酸化ナトリウムおよびアンモニア水
に２０°Ｃで１ケ月浸漬した後、重量変化と曲げ強さを
測定したところ、いずれの場合にも、浸漬の前後で明確
な重量変化および強度変化は認められず、本発明複合材
料が良好な耐薬品性を具備していることがｉ認された。

実＠ＰＡ１実施例１と同様にして製造した複合材料について、主と
して炭化ケイ素からなる表面層をそのまま残した場合と
研削除去した場合の耐酸化性試験を大気中８００℃で行
なった。

その結果を第２図に示す。

炭化ケイ素からなる表面層をそのまま残した複合材料（
曲線Ａ〉は、耐酸化性に極めて優れていることが明らか
である。

これに対し、炭化ケイ素からなる表面層を研削除去した
複合材料（曲線Ｂ）は、炭素成分がより急速に酸化され
ており、比較的短時間内に実質的に炭化ケイ素のみから
なる多孔質材料となる。

ただし、炭化ケイ素からなる表面層をそのまま残した複
合材料（曲線Ａ）の場合にも、さらに長時間同様の試験
を継続すると、やがて曲線Ｂの場合と同様に、炭素成分
が失われ、実質的に炭化ケイ素のみからなる多孔質材料
となる。

しかしながら、これらの実質的に炭化ケイ素のみからな
る多孔質体は、当初の形態をそのまま保持しており、こ
のことは、本発明複合材料においては、炭化ゲイ素成分
も連続相を形成していることを示している。

そして、この様な炭化ケイ素多孔質体は、約３００〜５
００ｋｇ／−程度の曲げ強度を発揮するので、一定の条
件下では、酸化雰囲気中でも構造材料として使用可能で
ある。この点が、酸化の進行とともに急激に強度を失い
、遂には崩壊してしまう公知の炭素−炭化ケイ素複合材
料とは、明確に相違するところである。

因みに、上記の炭化ケイ素多孔質体のＳＥＭ写真を参考
図−３として示す、炭化ケイ素が三次元網目状に連続相
を形成していることが明らかである。

実施例２実施例１と同様にして作製した黒鉛化成形体から３０ｘ
６０ｘ５閣の平板を加工し、これにＳｉ／Ｃ＝０．６お
よびＴｉＳｉ２／Ｃ＝０．１　（ともに重量比）となる
ように２種の材料を載置し、実施例１と同様の条件で加
熱処理した。

得られた複合材料は、実質的に炭化ケイ素、炭化チタン
および炭素とから構成されていることが確認された。

また、得られた複合材料の各種の物性は、実施例１で得
られた複合材料のそれとほぼ同等であった。このことは
、複合材料中に少量のチタンが存在していても、その物
性には殆ど影響しないことを示している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１で得られた複合材料のＸ線回折結果
を示すチャートである。第２図は、本発明複合材料の耐酸化性能を示す図面であ
る。（以上）第図０００００００２ｅＣｕｋ＝＜／’ 第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭素９０〜３０モル％と炭化ケイ素１０〜７０モ
ル％とからなり、両者がともに連続相を形成する組織構
造を有し、かつ気孔率が２０％以下であることを特徴と
する炭素および炭化ケイ素の連続相からなる複合材料。
（２）表面が主として炭化ケイ素により被覆されている
請求項１に記載の炭素および炭化ケイ素の連続相からな
る複合材料。