JPH03223182A - 繊維強化無機系材料 - 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、繊維強化無機系材料に係り、特に、高温状態
での高強度、高靭性、耐環境安定性を得る技術に関する
ものである。

「従来の技術」 高温、高強度、高靭性、耐環境安定性が特に必要とされ
る技術分野である航空機、ロケット、宇宙、核融合、エ
ネルギ関連技術分野では、ロケット・ノエット・ラムジ
ェットエンジン、超高温耐熱壁用の材料として、超耐熱
材料である繊維強化無機系材料か求められている。

かかる用途を完全に満１こす材料を提供することは困難
であるか、一部を満足させる材料として、無機系母材層
中に耐熱強化繊維を埋設強化して繊維強化無機系材料と
することが検討されており、耐熱強化繊維としては長繊
維状の炭素繊維や炭化硅素系繊維かあげられ、また、無
機系母材層としては炭素、炭化硅素、アルミナ等の採用
が考えられている。

「発明か解決しようとする課題」 しかしながら、炭素繊維、炭化硅素繊維等は、いずれも
高温雰囲気での耐酸化性に難点がある。

つまり、酸化性雰囲気中において、炭素繊維の場合は９
００℃以上、炭化硅素繊維の場合は＋３００°Ｃ以上で
は安定性か低下する傾向がある。

また、これらの耐熱強化繊維に無機系母材層を一体化す
ると、耐熱強化繊維と無機系母材層との接合か強いため
に、無機系母材層が何等かの原因で破断すると、その破
断亀裂がそのまま耐熱強化繊維に及んて破断状態となり
易いために、耐熱強化繊維が本来有している高強度、高
靭性を生かすことができず、複合材料としての目的か十
分に達成されないものとなる。

本発明は上記事情に鑑みて提案されたもので、（１）耐
熱強化繊維自身にに耐酸化性を付与すること。

（２）耐熱強化繊維と無機系母材層との接合強度の制御
により耐熱強化繊維本来の高強度を生かして複合材料の
強度を向上させること。

（３）高温の酸化性雰囲気中において十分な強度及び靭
性を付与すること。

等を目的とするむのである。

「課題を解決するための手段」 上記目的を達成ずろにめ、本発明では、５つの手段を提
案している。

第１の手段は、無機系母材層中に耐熱強化繊維を埋設強
化してなる繊維強化無機系材料において、無機系母材層
と耐熱強化繊維との間に、耐熱強化繊維の表面に被覆さ
れかつ耐熱強化繊維より高い耐酸化性を有する無機材か
らなる耐酸化性層と、該耐酸化性層の表面に一体に形成
されかつ無機系母材層よりも相対的に剪断強度の低い無
機材からなる変形許容層とを具備する繊維強化無機系材
料としている。

第２の手段は、耐熱強化繊維が炭素繊維であり、かつ、
耐酸化性層が炭化硅素によって形成される構成を第１の
手段に付加した繊維強化無機系材料としている。

第３の手段は、耐熱強化繊維が炭化硅素または窒化硅素
を主成分とするものであり、耐酸化性層か炭化硅素、窒
化硅素、ムライト、シリカのいずれかによって形成され
る構成を第１の手段に付加した繊維強化無機系材料とし
ている。

第４の手段は、変形許容層が、炭素、窒化ほう素、シリ
カのいずれかによって形成される構成を第１の手段に付
加した繊維強化無機系材料としている。

第５の手段は、無機系母材層が、炭素、炭化硅素、窒化
硅素、アルミナ、ジルコニア、ムライトのいずれかによ
って形成される構成を第１の手段に付加した繊維強化無
機系材料としている。

「作用　」 耐熱強化繊維は、それ自身では高温雰囲気での耐酸化性
に難点があるものの、その表面が高い耐酸化性を有する
耐酸化性層で覆われることにより、酸化性雰囲気中にお
ける安定性が向上する。

そして、変形許容層は、無機系母材層と変形許容層との
間に介在してこれらの相対移動を塑性変形によって許容
するので、相互の変形が拘わることが少なくなり、耐熱
強化繊維本来の強度を生かして複合材料としての強度を
向上させる。かつ、無機系母材層に何等かの原因で亀裂
が生じた場合にも、力の伝達が変形許容層で分断されて
、亀裂が耐熱強化繊維に及ぶことか少なくなる。

また、無機系母材層か、炭素繊維、炭化硅素等によって
形成されている場合には、耐酸化性の点で特性が低下す
るものの、耐熱強化繊維が耐酸化性層で覆われることに
より、酸化性雰囲気での安定性の改良がなされる。

一方、無機系母材層が炭素系以外の窒化硅素、アルミナ
、ジルコニア、ムライトによって形成されていると、無
機系母材層本来の高温状態での耐酸化性等が生かされ、
かつ、その場合に、変形許容層が存在することに基づい
て、熱膨張差や変形差等による影響を少なくして、複合
材料としての特性を確保するものとなる。

「発明の詳細な 説明に係る繊維強化無機系材料の詳細について、第１図
を参照して説明する。

第１図において、符号ｌは耐熱強化繊維、Ｉａは単繊維
、２は耐酸化性層、３は変形許容層、４は無機系母材層
である。

本発明に係る繊維強化無機系材料においても、無機系母
材層４の中に耐熱強化繊維ｌを埋設状態として強化を図
っているか、無機系母材層４と耐熱強化繊維ｌとの間に
、耐熱強化繊維１の表面に被覆された耐酸化性層２と、
該耐酸化性層２の表面に一体に形成された変形許容層３
が介在するように配設されている。

前記耐熱強化繊維ｌは、複合材料としての強化繊維であ
り、複数の単繊維１ａを２次元方向に集合させるととも
に、必要に応して成形加工を施したもの等である。かつ
、少なくとも不活性雰囲気における耐熱性と強度を確保
する点で、炭素繊維、あるいは炭化硅素ま１こは窒化硅
素を主成分として８０％以上含む長繊維であることが望
ましい。また、元素周期率表におけるＩＶｂ族・ｖｂ族
・■ｂ族金属であるＴ　ｉ、Ｚｒ％Ｈ（Ｖ　、Ｎｂ、Ｔ
ａ、Ｃｒ、Ｍｏ。

Ｗの炭化物、窒化物、ほう化物、硅化物から選択しても
よい。

前記耐酸化性層２は、耐熱強化繊維Ｉより耐酸化性が高
く、かつ、耐熱強化繊維１の単繊維１ａとの化学反応を
ほとんど起こさない無機材質が選定される。まｆコ、耐
軌強化繊ｖ１１との熱膨張係数の差か小さいことか望ま
しい。

そして、耐熱強化繊維ｌか炭素繊維である場合には、耐
酸化性層２は炭化硅素であることが望ましい。耐熱強化
繊維ｌが炭化硅素または窒化硅素を主成分とするもので
ある場合、耐酸化性層２としては、純度の高い炭化硅素
または窒化硅素、あるいはムライト（３Ａ　ＬＯ３・２
ＳｉＯ−）またはシリカであることが望ましい。

このような耐酸化性層の形成方法としては、次の方法の
いずれかが採用される。

ＣＶＤ法、気体原料の熱化学反応によって耐熱強化繊維
の表面への被覆を行なう。例えば、炭化硅素の被覆を行
なう場合であると、四塩化硅素、クロロメチルメタン、
メタン等の硅素含有気体とメタン、プロパン等の炭素含
有気体との混合気体を用い、１０００℃以上の高温にて
耐熱強化繊維（単繊維）の表面に炭化硅素を付着形成さ
せる。

液体前駆体塗布法　目的とする無機物質を生成し得る液
体前駆体を耐熱強化繊維の表面に塗布した後、焼成を行
なって無機材質に転化させる。例えば、ムライトの被覆
を行なう場合であると、その液体前駆体としてのアルミ
ナ・シリカゾルを塗布し、１０００℃以上の高温で焼成
する。

前記変形許容層３は、該耐酸化性層１の表面に体に形成
されるものであり、かつ、無機系母材層４よりも相対的
に剪断強度の低い無機材から構成され、耐酸化性層２と
無機系母材層４との境界層として介在させる。かかる変
形許容層３の構成材質は、耐酸化性層２及び無機系母材
層４のいずれとも反応を起こさず安定なものが選択され
る。

このような材質としては、炭素、窒化ほう素及びシリカ
のいずれかを主成分（７０％以上）とするものが望まし
い。

前記無機系母材層４は、母材としての耐熱性と強度が高
く、また、耐熱強化繊維１との熱膨張差の小さいものが
望ましい。耐熱強化繊維ｌが炭素、炭化硅素、窒化硅素
のいずれかである場合には、炭素、炭化硅素、窒化硅素
、アルミナ、ジルコニア、ムライトのいずれかを主成分
（７０％以上含有）とするものであることが望ましい。

「実施例１　」 水素−四塩化硅素−メタン混合ガスを気体原料として用
いたＣＶＤ法により、耐熱強化繊維の表面に炭化硅素の
被覆を施した。その表面上に、さらに、水素−メタン混
合ガスを気体原料として用い１こＣＶＤ法により炭素を
被覆させた。

このような積層を行なった積層材について成形加工をし
た後、さらに、水素−四塩化硅素−メタン混合ガスによ
り成形体の空隙内に炭化硅素を付着沈積させ、最終的に
耐熱強化繊維を無機系母材層中に埋設させて強化した状
態の繊維強化無機系材料を製作した。

このようにして得られた繊維強化無機系材料は、単に耐
熱強化繊維と炭化硅素とを直接組み合わせた複合材料と
比較して、耐酸化性、強度、靭性とら優れた結果を示し
た。

「実施例２　」 炭化硅素を８０％以上含む耐熱強化繊維に対して、その
表面に窒化硅素の液体前駆体であるポリノラザンの溶液
を塗布し、窒素雰囲気中で焼成することにより、窒化硅
素の耐酸化性層を形成し、該耐酸化性層の表面に、さら
に窒化ほう素の超微粉状のスラリーを塗布して、変形許
容層を形成した。

この変形許容層を有する繊維束に上記のポリンラザンを
含浸させ、これをプリプレグとして積層成形を行ない、
さらに、ホットプレスを行なうことにより、窒化硅素を
無機系母材層とする繊維強化無機系材料を得た。このよ
うにして得られた繊維強化無機系材料にあっても、耐酸
化性、強度、靭性の点で優れた結果を示した。

「発明の効果」 以上の説明で明らかなように、本発明に係る繊維強化無
機系材料は、耐熱強化繊維の上に耐酸化性層が形成され
、かつ、耐酸化性層と無機系母材層との間に変形許容層
が介在したものとなっているので、以下のような効果を
奏する。

■　無機系母材層と耐酸化性層との二重構造に基づいて
耐熱強化繊維の耐酸化性が得られ、酸化性雰囲気におけ
る繊維強化無機系材料の特性を向上させ、高温状態にお
ける強度、靭性、耐酸化性を向上させることができる。

■　変形許容層を途中に介在させているために、内外層
間で変形儀の相違が生じた場合に、変形許容層内での塑
性変形によりずれを吸収し、無機系母材層に変形時の応
力が集中することが少なく、繊維強化無機系材料の全体
強度を向上させることがてきる。

■　無機系母材層の下に変形許容層が介在していること
により、無機系母材層が破断するような変形が生じた場
合にも、亀裂等の欠陥が変形許容層の部分で分断されて
、耐熱強化繊維に引き継がれることがなく、耐熱強化繊
維による強度を確保することがてきる。

■　上記によ゛す、無機系母材層の構成材の自由度が高
くなり、炭素、炭化硅素、窒化硅素、アルミナ、ジルコ
ニア、１１ライト等の環境雰囲気に応じｆこ選択により
、適用範囲を拡大することができる。

■　また、上記のような無機系母材層の破断時において
、耐熱強化繊維か耐酸化性層によって覆われているｆ二
め、良好な耐酸化性等の環境安定性を向上させろことか
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る繊維強化無機系材料の組織モデル
を示す正断面図である。 ｌ・・・・・・耐熱強化繊維、 １ａ・・・・単繊維、 ２・・・・・・耐酸化性層、 ３・・・・・・変形許容層、 ４・・・・・・無機系母材層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｉ．無機系母材層中に耐熱強化繊維を埋設強化してなる
   繊維強化無機系材料において、無機系母材層と耐熱強化
   繊維との間に、耐熱強化繊維の表面に被覆されかつ耐熱
   強化繊維より高い耐酸化性を有する無機材からなる耐酸
   化性層と、該耐酸化性層の表面に一体に形成されかつ無
   機系母材層よりも相対的に剪断強度の低い無機材からな
   る変形許容層とを具備することを特徴とする繊維強化無
   機系材料。 ｉｉ．耐熱強化繊維が炭素繊維であり、かつ、耐酸化性
   層が炭化硅素によって形成されることを特徴とする請求
   項ｉ記載の繊維強化無機系材料。 ｉｉｉ．耐熱強化繊維が炭化硅素または窒化硅素を主成
   分とするものであり、耐酸化性層が炭化硅素、窒化硅素
   、ムライト、シリカのいずれかによって形成されること
   を特徴とする請求項ｉ記載の繊維強化無機系材料。 ｉｖ．変形許容層が、炭素、窒化ほう素、シリカのいず
   れかによって形成されることを特徴とする請求項ｉ記載
   の繊維強化無機系材料。 ｖ．無機系母材層が、炭素、炭化硅素、窒化硅素、アル
   ミナ、ジルコニア、ムライトのいずれかによって形成さ
   れることを特徴とする請求項ｉ記載の繊維強化無機系材
   料。