JPH03242400A - ＳｉＣウイスカーの表面改質方法 - 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、各種セラミックス材料の複合強化繊維として
ＳｉＣウィスカーを使用する場合、得られる複合材の破
壊靭性を改善する目的に有効なＳＩＣウィスカーの表面
改質方法に関する。

〔従来の技術〕

セラ≧・ンクス材料は、耐熱性、高温強度、化学的安定
性などに優れているため、エンジン部品をはしめ高温下
で用いられる各種構造部材として有用されている。とこ
ろが、セラミックス材料は一般に破壊靭性に乏しく、微
小な傷や内部欠陥によっても応力が集中して破壊し易い
固有の欠点かある 近年、セラミックス材料の破壊靭性を向上させる方法が
広く研究されており、ＳｉＣウィスカーをセラごツクス
材料に複合化することによって靭性改善を図る試みも数
多く提案されている。この目的は、高弾性を有するＳｉ
Ｃウィスカーを分散複合化することで、セラミックス中
におけるクランク成長の停止あるいは抑制、クラック進
行方向の屈曲化による応力集中の緩和、ウィスカーの引
き抜き効果によるクランク先端でのエネルギー吸収など
の機能を介して破壊靭性を向上させようとする点にある
。しかし、この場合の複合効果は、ＳｉＣウィスカーと
セラミックス母材との界面結合の状態に影響される度合
が大きく、界面結合が強いと前記した靭性向上機能が十
分に発揮されず、逆に界面結合力が小さいとクラックの
発生起点となる問題が残る。

本来、ＳｉＣウィスカーと母材となるセラミックス材料
間の界面結合が過大となる主因は、焼結時、相互の界面
において化学反応を生しることにある。したがって、予
めＳｉＣウィスカーの表面を化学反応し難い状態に改質
しておけば界面結合力が緩和され、前記した靭性向上の
機能が有効に達成されることになる。

このような理由から、表面を種々の非反応性物質で被覆
したＳｉＣウィスカーを強化材としたセラミ、クス複合
材の製造方法が開発されている（例えば特開昭６２−１
２６７１号公報、同６３−２７７５６６号公報、同６４
−３０８１号公報、特開平１−１１５８７７号公報参照
）。

〔発明が解決しようとする課題］ 表面改質したＳｉＣウィスカーを用いて破壊靭性を効果
的に向上させるためには、被覆物質がセラミックス母材
との非反応性に加えて引き抜き効果を助長するためのク
ツション性を備えることが無視できない要素となる。

本発明は、従来技術では対象とされていなかったＢ、Ｃ
が表面被覆層として優れたクンジョン機能を発揮するこ
とをｎ認して開発されたもので、ＳｉＣウィスカーの表
面を効率よく薄膜の８４Ｃで被覆することができる表面
改質方法の提供を目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するための本発明によるＳｉＣウィス
カーの表面改質方法は．ほう素酸化物と水溶性フェノー
ル樹脂を水または有機溶媒に溶解し、該溶液にＳｉＣウ
ィスカーを分散させて濾過・乾燥したのち非酸化性雰囲
気中で１２００〜１６００“Ｃの温度に焼成処理してＳ
ｉＣウィスカーの表面にＢ、Ｃの被膜を形成することを
構成上の特徴とするものである。

表面改質の対象となるＳｉＣウィスカーは、直径０．１
〜８μｍ、長さ１０〜１００μｍの針状単結晶からなる
もので、必要により表面精製をおこなって使用に供され
る。

はう素酸化物としてはＨ３Ｂ○ｓ、ＢｚＯｓなどが使用
され、水溶性フェノール樹脂とともに水またはメタノー
ル、エタノール等のアルコール系有機溶媒もしくはフェ
ノール樹脂を含むメタノールに溶解して溶液化する。は
う素酸化物と水溶性フェノール樹脂の配合比率は、予め
ほう素酸化物中のＢ成分とフェノール樹脂が炭化した際
のＣ成分がＢ、Ｃに転化するモル比を考慮して定められ
るが、若干Ｃ成分が過剰になるように設定することが好
ましい。また、溶液濃度は形成するＢ、　Ｃの膜厚に応
して調整される。

上記の溶液には、Ｂ、Ｃの反応生成を促進させる触媒と
してＺｎＣ１，を添加溶解させておくと、被膜形成を速
め−るうえて有効に作用する。

溶液は各溶質成分を完全に溶解分散させるため一定時間
静置しておくことが望ましい、好適な静置時間は、７日
間程度である。

ＳｉＣウィスカーは上記の溶液に５０〜２００ｇ／　ｆ
の範囲で分散させる。この分散濃度が前記範囲を外れる
場合には、複合化に好適な１５〜１００人の層厚を均一
に形成することができなくなる。分散は攪拌手段を用い
てＳｉＣウィスカーの表面が溶液に十分濡れる状態にな
るまでおこない、引き続き濾過処理して液媒を除去する
。この際、液媒の除去速度は成分の被着度合および均質
性に影響を与えるため、濾過処理には吸引もしくは加圧
などの強制手段を付加して濾過速度を調整する必要があ
る。

濾過後の湿潤ＳｉＣウィスカー集合体は、ついで乾燥さ
れる。乾燥処理は、−旦１００°Ｃ前後の温度で液媒成
分を揮散させたのち十分にほぐして解体し、更に１７０
〜２００　’Ｃの温度域に加熱して樹脂成分が硬化する
までおこなわれる。

このようにして表面にほう素酸化物とフェノール樹脂の
薄膜が固定されたＳｉＣウィスカーは、Ｎｚ、Ａｒなど
の不活性雰囲気に保持された焼戒炉に移し、１２００〜
１６００’Ｃの温度により焼成処理する。この焼成処理
の過程でＳｉＣウィスカー表面の被着成分はＢ、Ｃに転
化し、薄膜層として形成される。

焼成後のＳｉＣウィスカーは、必要に応して未反応のＣ
成分を焼却除去して表面改質処理を完了する。

本発明で表面改質したＳｉＣウィスカーを強化材として
セラミックス複合材料を得るには、該ＳｉＣウィスカー
を所定量の母材セラミックス粉末およびＹ２Ｏ５のよう
な焼結助剤とともに水中で混合分散し、濾過・乾燥して
均一な混合粉体としたのち不活性雰囲気もしくは真空中
でホントプレスにより焼結する。この方法により、Ｓｉ
Ｃ，Ｔ＋　Ｃ，Ｓ　ｒ　３　Ｎａ、Ｔ　ＩＮ、　Ａ　ｆ
２ｚ○ｚ、ＺｒＯ２などの各種炭化物、窒化物または酸
化物系セラミックスを母材とするＳｉＣウィスカー強化
セラミックス材を製造することができる。

［作　用〕 本発明によれば、溶液分散、２Ｉｔ過・乾燥の工程を経
てＳｉＣウィスカーの表面に均質に被着したほう素酸化
物とフェノール樹脂の炭化により生成したｃ４分が焼成
過程で加熱反応し、Ｂ４Ｃ層に転化する。この反応は、
触媒としてＺｎＣ／！、を介在させることにより円滑、
迅速に進行させることができ、また溶液濃度および濾過
速度を調整することによって優れたクッジョン作用を発
揮する１５〜１００人範囲の膜厚として形成することが
可能となる。

本発明による表面改質で形成されたＢ４Ｃ層は、焼結複
合時、母材となるセラミックス材との界面で化学反応を
起こすことはな（ＳｉＣウィスカーの引き抜き作用を効
果的に助長するクンジョン機能を果たす。このため、複
合材の破壊靭性を優位に向上させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

実施例ｌ ８２０Ｓ　ｌｏｇ　、水溶性フェノール樹脂〔住友デュ
レズ■製、ＰＲ−５０７８１）６ｇおよびＺｎＣ１□０
．３ｇを水１０００−に攪拌溶解し、７日間静置して均
一な溶液を作製した。この溶液中に直径０．５〜２μ陽
、長さ３０〜１００μｍのβ型ＳｉＣウィスカー１００
ｇを投入し、十分に攪拌混合して分散させた。

分散液を加圧濾過して得られたＳｉＣウィスカーの湿潤
ケーキを１００°Ｃの温度で乾燥したのち、集合体を十
分にほくし、更に１７０°Ｃで２時間加熱して樹脂成分
を硬化させた。

ついで、被着成分を固定化したＳｉＣウィスカーをＮ２
雰囲気に保持された電気炉に移し、１４００°Ｃの温度
で２時間に亘り焼成処理した。

このように処理されたＳｉＣウィスカーの表面を透過型
電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察してところ平均膜厚４０人
の均一な層に改質していることが判明した。また、膜層
を電子線回折で分析した結果、微結晶のＢ、Ｃであるこ
とが確認された。

実施例２、比較例１〜２ 実施例１により表面改質したＳｉＣウィスカーと焼結助
剤としてＹ２Ｏ３１０％を含むＳｉ３Ｎ。

粉末（マトリックス材）を水中で分散混合したのち、濾
過乾燥して均質な混合粉末を得た。この混合粉末を真空
中、１８００°Ｃ１５０ＭＰａの条件でホ・７トプレス
して直径４０１、厚さ５ｍｎ＋、ＶｆｌＯ％のＳｉＣウ
ィスカー強化５ｉｓＮｎ材を作製した。

このようにして作製した複合材料の破壊靭性および曲げ
強度を測定し、表１に示した。

なお、比較のために表面改質を施さないＳｉＣウィスカ
ーを用いて同様に作製したＶｆｌＯ％の複合材料（比較
例１）およびＳｉ３Ｎ４のみの焼結材（比較例２）につ
いても特性を測定し、結果を表１に併載した。

表　　１ 表１の結果から、本発明によるＢ、Ｃ層で表面改質した
ＳｉＣウィスカーを適用した複合材は破壊靭性が向上し
ていることが認められる。

実施例３ 実施例１の溶液濃度を調整してＢ、Ｃ層の膜厚が４０人
および１００人の表面改質ＳｉＣウィスカーを作製し、
これを実施例２に準してＳｉ、Ｎ、マトリフクスに複合
させてＶｆ値の異なる焼結複合材を形成した。

これら複合材料の破壊靭性（ＭＰａ、ｒｍ）は表２のと
おりであった。

表２ 以上のとおり、本発明によれば効率的にＳｉＣウィスカ
ーの表面をＢ４Ｃの薄膜により被覆改質することができ
る。したがって、各種セラミックス材料に複合化して場
合に、その破壊靭性を優位に向上させることができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．ほう素酸化物と水溶性フェノール樹脂を水または有
   機溶媒に溶解し、該溶液にＳｉＣウィスカーを分散させ
   て濾過・乾燥したのち非酸化性雰囲気中で１２００〜１
   ６００°Ｃの温度に焼成処理してＳｉＣウィスカーの表
   面にＢ＿４Ｃの被膜を形成することを特徴とするＳｉＣ
   ウィスカーの表面改質方法。
2. ２．ほう素酸化物と水溶性フェノールの溶液に、触媒成
   分としてＺｎＣｌ＿２を溶解させる請求項１記載のＳｉ
   Ｃウィスカーの表面改質方法。