JPH03295852A - セラミクス複合体及びその製造方法 - 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】 Ｌｌ上り皿里豆Ｉ 引っ張り応力がかかる高温構造用部材として適したセラ
ミクス複合体及びその製造方法に関する。

従迷ｎ克術 セラミクスは、高温用構造材料として、大きく期待され
ているが、破壊靭性が低いという欠点を持っている。こ
の問題を解決するために複合化の研究が行なわれている
。中でも長繊維複合材料は、見かけの靭性が大きく向上
することから、現在最も期待されている複合材料である
。耐熱性が要求されることから、強化繊維としてはＳｉ
Ｃ繊維またはカーボン繊維が用いられており、マトリク
ス材料としては各種酸化物セラミクスと、ＳｉＣや５ｉ
ｓＮ４等の非酸化物セラミクスについて研究が行なわれ
ている。

ガラスとの複合材についてはＰｒｅｗｏら（Ｊ、Ｍａｔ
。

Ｓｃｉ、、１５ｆ１９８０）４６３−４６８）により研
究が行なわれ、ムライト、ジルコン等についてはＳｉｎ
ｇｈら（Ｊ、Ａ＋ｎＣｅｒａｍ、　Ｓｏｃ、　、　７１
　（２１ｃ−１００−ｃ−１、Ｊ、　Ａｍ、　Ｃｅｒａ
ｍ、　Ｓａｃ、　。

７２（９１１７６４−６７（１９８９１１により研究が
行なわれ、ＳｉＣと５ｉｓＮ＋についてはＨ，Ｋｏｄａ
ｍａら（Ｊ、Ａｍ、ＣｅｒａｍＳｏｃ、、７２（４１５
５１−５８（１９８９１）によりそれぞれ研究が行なわ
れている。この中で、Ｓｉｎｇｈらは、マトリクスから
繊維の抜けるプルアウト効果の発現に着目して、ムライ
トとＳｉＣ繊維との界面反応を抑制するために、ＳｉＣ
繊維表面にあらかじめＢＮ　（窒化ホウ素）をＣＶＤ（
Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
ｌ法を用いてコーティングし、複合材料を作成した。

この複合材料ではその界面強度を下げることができたが
、−旦界面に剥離が生じた後は、ＳｉＣ１ｍ維とムライ
ト界面との間の摩擦力は直線的に低下していくものであ
った。このため、−度剥離の生じたこの種長繊維複合材
料においては、ＳｉＣ繊維強度に見合ったレベルでのム
ライトマトリクスからＳｉＣ繊維への応力伝達はできな
かった。

逆に複合繊維の強度に見合った応力を伝達するためには
、マトリクス−繊維間の界面強度を大きくする必要があ
るが、マトリクス−繊維間の界面強度を大きくすると、
今度は複合材料全体が脆性的な破壊を起こすようになり
、マトリクス−繊維間の界面強度を上げすぎると靭性の
向上効果が発現しないという２つの相反する問題を抱え
ていた。

日が　′しよ　する課題 セラミック部品を構造用として使用する場合、特に引っ
張り強度が低いことは知られており、この欠点に対して
は、繊維、特に長繊維による複合化が有効と考えられて
いる。

長繊維複合材料に引っ張り応力がかかった場合、従来の
長繊維複合材料のように繊維とマトリクスとの界面が強
固に結合していると、マトリクス中のき裂進展と共に応
力集中の起きる繊維が破断し、複合による最大の効果は
弾性率の改善によって最初のき裂発生荷重が高（なるこ
とに止まる。この場合は、き裂の進展に対する抵抗はさ
ほど大きくない。

これに対して、繊維とマトリクスとの界面が適度に弱い
場合、マトリクス中のき裂進展に伴い繊維とマトリクス
の界面が破壊され、この破壊に起因して余分の破壊エネ
ルギーが消費されると共に、その後に起きる繊維のマト
リクスからの引き抜けによって繊維引き抜けにおける摩
擦エネルギーが消費され、さらにはき裂面での繊維架橋
効果によりき裂先端部分の応力緩和が起こることとによ
り、見かけ上の破壊エネルギーの上昇が生じる。

しかし、−旦滑りを起こした繊維とマトリクスの間の摩
擦力は、マトリクス中に残る繊維の長さと動摩擦係数に
よって決まり、これはほとんどの場合、繊維の強度に対
してかなり低い力になることが知られている。また、−
旦滑りが起きた後は、同じ荷重が掛かり続ける場合は、
滑りは加速されて行くことになり、き裂面を境にセラミ
クス部品が容易に二つに分かれてしまうといった課題が
あった。

すなわちセラミクスの特性を利用した使用法として、特
に高温域等での特殊用途が多く、必然的に部品交換に時
間のかかるものが多い。そのため、き裂進展に対する抵
抗性が高いことと共に、き裂進展後も強度を有し、簡単
には落下、破断の起きないことといった特性が要求され
ている。

しかしながら現在のところ、上記したようにこれらの要
求を満たすセラミクス複合体は開発されていないといっ
た課題があった。

本発明は上記した課題に鑑み発明されたものであって、
引っ張り応力が掛かるムライトセラミクスのき裂進展抵
抗性を向上させると共に、−旦繊維とマトリクスとの間
で滑りが生じても、その後界面の摩擦力が上昇する機構
を積極的に利用することで、歪の緩和を行いながら、な
おかつ十分な強度を保ち、破断することなく形状を維持
することができるセラミクス複合体及びその製造方法を
提供することを目的としている。

課題を２するための　丁０ 上記目的を達成するために本発明に係るセラミクス複合
体は、ムライトマドリスク中に、Ｃで表面が被覆された
ＳｉＣ繊維が一方向に配列して埋設されていることを特
徴としている。

また本発明に係るセラミクス複合体の製造方法は、１４
００〜１６００℃の温度範囲でセラミクス複合体を焼結
処理することを特徴としている。

作月 マトリクスと強化繊維との熱膨張率の関係が界面におけ
る残留応力を支配し、それが繊維とマトリクスの界面の
剥離に大きく影響を及ぼす。また同時に繊維とマトリク
スとの間の化学反応による結合力も界面の剥離に大きく
影響を及ぼす、これらのことは既知の事実である。

他方、酸化物セラミクスの中ではムライトの熱膨張係数
が、強化繊維としてのＳｉＣ連続繊維の熱膨張係数と比
較的近く、複合化をしても界面にはほとんど残留応力が
残らないことが知られている。

これらの事実を考慮し、本発明はムライトマトリクスと
ＳｉＣ繊維との間にカーボン層を存在させる一方、その
製造においてはムライトマトリクスを１６００℃以下、
好ましくは１５６０℃以下で緻密化させることにより、
ＳｉＣ繊維全体にムライトマトリクスとの間で剥離が生
じてＳｉＣ繊維が滑った場合、もしくはある一定距離以
上ムライトマトリクスとの間で剥離が起きた後、ＳｉＣ
繊維が破断してからＳｉＣ繊維が滑りを起こした場合、
ＳｉＣ繊維表面のカーボンが一部はがれ、マトリクスで
あるセラミクスとの間にその破片が詰まり、局部的に圧
縮応力が生じ、このため見かけ上の摩擦力が大きく増大
する。

複合材料のＳｉＣ繊維が一方向（引っ張り方向）に配列
されていることにより、応力に対してより強度が向上す
る。もし、ＳｉＣＨＡ維細軸方向引っ張り方向から大き
くずれているような場合には、き裂の進展方向とＳｉＣ
繊維−マトリクス界面の剥離方向が近づ（ため、複合化
はかえって破断強度を低下させることになる場合もある
。

ＳｉＣ繊維表面にカーボン層がコーティングされている
ことにより、ムライトマトリクスとＳｉＣ繊維との反応
が抑制され、ＳｉＣ繊維の強度低下が防止されると共に
、−旦滑りを起こした後、ＳｉＣ繊維とムライトマトリ
クスとの間に、カーボンの破片が部分的に詰まる現象が
起こるこ竺となる。

ムライトは強化繊維であるＳｉＣ繊維と熱膨張係数がほ
ぼ同じであることから、ＳｉＣ繊維とムライトマトリク
スとの界面に剥離が生じ易く、それに続くカーボンによ
る荷重再上昇を起こすのに適した素材である。

またムライトは、焼成中にガラス等の液相を発生しない
ので、複合化した場合のＳｉＣ繊維に接する部分が平坦
とならず、カーボンとの反応が起きにくく、しかも剥離
が起きた後のカーボンとの引っかかりが起き易い。

また焼成温度が１４００℃より低いと、ムライトマトリ
クスが緻密化されないため全体の強度が低くなってしま
う一方、１６００℃をこえると、焼成中にＳｉＣ繊維と
ムライトとの間の化学反応が大きく進み界面の剥離が起
きなくなってしまうため、ＳｉＣ繊維の引き抜は効果が
なくなってしまう。

このように本発明に係る構成及び製造方法によれば、Ｓ
ｉＣ繊維直径の数十倍の長さにおいて界面に剥離が生じ
、ＳｉＣ繊維が滑る時点において、ムライトマトリクス
セラミクスの内面の不規則形状によりカーボン膜が剥さ
れ、ＳｉＣ繊維とムライトマトリクスセラミクスの間に
部分的に詰まり、旦落ちた摩擦抵抗が再上昇し、見かけ
上の強度回復が行われる。

災韮ｌＪ社」１較困 以下、本発明に係る実施例について説明する。

マトリクスセラミクスとして、ゾルゲル法で合成された
平均粒径１．５μｍの高純度ムライト粉を用い、強化繊
維としてＣＶＤ法を用いて合成したＳｉＣ長繊維（直径
１４０ｕｍのβ−５ｉＣ表面に３μｍのカーボンが同じ
（ＣＶＤ法を用いてコーティングされたもの）を用いた
。

これらをホットプレスにより、真空またはＡｒあるいは
Ｎ２の雰囲気において、１４００℃〜１６５０℃の温度
範囲、ｌＯから３５ＭＰａの圧力範囲、０．５〜２時間
の焼成時間の条件下において焼結を行って複合体を作成
した。

このセラミクス複合体のＳｉＣ繊維１本についての引き
抜は特性を評価した。そのうち焼成温度１５６０°Ｃ１
焼成圧力２０Ｍｐａ、焼成時間１時間のものと、焼成温
度１６５０℃、焼成圧力２０Ｍｐａ　、焼成時間１時間
のものについて、その時の荷重−変位曲線を第１図及び
第２図に示した。また従来から研究が行なわれているガ
ラス−３ｉＣ系での同様の実験結果についても合わせて
その荷重−変位曲線を第３図に示した。

これらの曲線から明らかなようにガラスマトリクスの複
合体では、一般のプラスチックマトリクスであるＦＲＰ
と同じく、ＳｉＣ繊維に一旦滑りが生じた後は滑りに要
する力は直線的に低下している。

またムライトマトリクス複合体においても、界面の結合
力が強すぎる焼成温度１６５０℃のものは、ＳｉＣ繊維
とムライトマトリクスの界面の剥離がほとんど起きずに
破断している様子がわかる。

これに対し、ムライトマトリクス複合体で焼成温度１５
６０℃のものでは、界面での反応が進行せず、結合強度
が適度に低いため、界面に剥離が生じ、ＳｉＣ繊維が一
旦すべった後、先に述べた機構により荷重が再び上昇し
て、ＳｉＣ繊維の破断荷重まで回復していることがわか
る。従って、全く新しい設計思想に基づ（ＳｉＣＮｌｉ
維系セラミクス複合体が製作できたこととなる。

１皿Ω力逮 以上の説明により明らかなように本発明に係るセラミク
ス複合体にあっては、ムライトマドリスク中に、Ｃで表
面が被覆されたＳｉＣ繊維が一方向に配列して埋設され
ているので、ＳｉＣ繊維直径の数十倍の長さにおいて界
面に剥離が生じ、ＳｉＣ繊維が滑る時点において、ムラ
イトマトリクスの内面の不規則形状によりカーボン膜が
剥され、これがＳｉＣ！ｌ維とムライトマトリクスとの
間に部分的に詰まり、−旦落ちた摩擦抵抗が再上昇し、
見かけ上の強度回復が行われる。従って、引っ張り応力
が掛かるムライトセラミクスのき裂進展抵抗性を向上さ
せると共に、−旦繊維とマトリクスとの間で滑りが生し
ても、その後界面の摩擦力が上昇する機構を積極的に利
用することで、歪の緩和を行いながら、なおかつ十分な
強度を保ち、破断することなく形状を維持することがで
きる、全く新しい設計思想に基づ＜　ＳｉＣ繊維系セラ
ミクス複合体を製作することができる。

また本発明に係るマトリクス複合体の製造方法にあって
は、■４００〜１６００　℃の温度範囲で焼結処理する
ので、ムライトマトリクスが緻密化されず、全体の強度
が低くなってしまうといったことがなく、また、焼成中
にＳｉＣ繊維とムライトとの間の化学反応が大きく進み
界面の剥離が起きなくなってしまうため、ＳｉＣｌｌＪ
維の引き抜は効果がなくなってしまうといったことも防
止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るセラミクス複合体の荷重−変位曲
線を示すグラフ、第２図は高い焼成温度で製作されたセ
ラミクス複合体の荷重−変位曲線を示すグラフ、第３図
は従来例としてのガラスマトリクス複合体の荷重−変位
曲線を示すグラフである。 第１図 １値 第２ｍ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ムライトマトリクス中に、Ｃ（炭素）で表面が被
   覆されたＳｉＣ繊維が一方向に配列して埋設されている
   ことを特徴とするセラミクス複合体。
2. （２）１４００〜１６００℃の温度範囲で焼結処理する
   ことを特徴とする請求項１記載のセラミクス複合体の製
   造方法。