JPH03504848A - 硬質ムライト―ウィスカーフェルトの製造法 - Google Patents
硬質ムライト―ウィスカーフェルトの製造法Info
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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】
硬質ムライト−ウィスカーフェルトの製造法発明の背景
本発明はセラミックに関し、更に詳細にはムライトに関する。
繊維状セラミック断熱材およびセラミック/金属マトリックス複合体の繊維状セ
ラミックプレフォームを製造するための従来技術は、有機または無機結合剤の添
加を伴うプレス成形および真空成形である。いずれの技術でも、成形前に繊維を
解凝集して結合剤と混合した後、乾燥し、機械加工し、結合剤を除去し、(所望
ならば)成形後に予備焼成することが必要である。例えば、1960年4月25
日にケネス・エル・ベリー(Kenneth L、 Berry)に発行された
「紡糸可能なムライト繊維およびその製造」という名称の米国特許第3.104
.943号公報には、800〜1200℃で少なくとも1%のH2を含む雰囲気
中でSt。
A1.02およびSの熱源から誘導される気相から、ムライト繊維を結晶させる
方法が開示されている。次に、こうして調製した繊維の懸濁液を濾過して、フェ
ルトを形成させる。この工程では余分な操作が必要となるので、費用が増し、ま
た、繊維を損なうことがある。また、フェルトまたはマットの形状のvi雑さは
、濾過技術によって限定される。更に、生成するフェルトは、単一の結晶性ウィ
スカーよりはむしろ多結晶性繊維から成っている。
補強材として、ウィスカーは、単結晶でありかつそれらの特性は高温での粒子成
長および粒子境界誘導クリープに影響されないので、繊維より優れている。多結
晶性材料に比較してウィスカーの自由エネルギーが低くかつ弾性率と強度が高い
ので、ウィスカーを用いて前記組成物のマトリックスを強化することが可能であ
る。
それ故、複雑な形状でも寸法が良好に調整される高品質の単結晶ムライト°−ウ
ィスカーフェルトを生成することができる簡単で経済的な現場法を提供するのが
望まれしたがって、本発明の目的は、プレフォームおよび断熱材用の高品質の硬
質ムライト−ウィスカーフェルトを製造する方法を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、プレフォームおよび断熱材用の高品質のムライト−
ウィスカーフェルトを製造する簡単で経済的な現場法を提供することである。
本発明の更にもう一つの目的は、プレフォームおよび断熱材用の複雑な形状のム
ライト−ウィスカーフェルトを製造する方法を提供することである。
本発明の更にもう一つの目的は、適切に規定された寸法公差内でムライト−ウィ
スカーの製品を製造する方法を提供することである。
これらおよび他の本発明の目的は、下記の段階の工程を提供することによって達
成される:
(1)化学量論的ムライトを生成するように選択された量のAIF とS i
O2* タIt A I F 3とS iO2とAl2O3とのよく混りあった
均一な混合物または化学量論的ムライトのAl2O3の固溶体から所望な形状と
寸法の素地を形成させ、
(2)約り00℃〜約950℃の温度で無水のS iF 4雰囲気中でこの素地
を加熱して、A I F 3がS io 2と反応して俸禄のトパーズ結晶を形
成させ、
(8)約り150℃〜約1700℃の温度で無水のS iF 4雰囲気中でこの
トパーズ結晶を加熱して、この俸禄のトパーズ結晶を多孔性で硬質のフェルト構
造を形成する針様の単結晶ムライトウィスカーに変換させる。
このフェルト構造は、単結晶ムライトウィスカーを含んで成り、このウィスカー
は均一に分布しかつランダムに三次元的に配向しており、しかも結合剤なしで形
状を保持することが可能な硬質のフェルト構造を形成するように機械的に結合し
ている。この単結晶性ムライトウィスカーは、化学量論的ムライトまたは化学量
論的ムライト中のA I 203の固溶体から成っている。
このフェルトは、セラミックーマトリックスおよび金属−マトリックス複合体用
のプレフォームとしてまたは単独で断熱材として用いることができる。
図面の簡単な説明
本発明およびそれに付随する利点の多くは、添付の走査型電子顕微鏡(SEM)
写真を考慮しながら、下記の詳細な説明を参照することによって一層よく理解さ
れるので、これらは容易に理解されることであろう。
第1A〜IC図は、(A) 1250℃、(B)1400℃および(C) 15
50℃の最終焼成温度で生成したムライト−ウィスカーフェルトを示し、
第2A〜2D図は、出発材料中のAlF3の(A)0、(B)25、(C)50
および(D) 75%をA I 203で置換したときに生成するムライト−ウ
ィスカーフェルトを示し、
第3A〜3B図は、A I F 3の(A) 80および(B)85%をAl2
O3で置換したときに、生成物は未反応のAl Oとクリストバライトとして
のS iO2とを多量に含む幾つかのムライトウィスカーから成ることを示し、
第4A〜4D図は、出発材料中のA 1203の粒度が(A) 0.05ミク
ロン以下および(B)0.3ミクロン以下であれば、所望なムライト−ウィスカ
ーフェルト生成物を生成するが、平均A 1203粒度が(CおよびD)4ミク
ロン以上であれば、所望なムライト−ウィスカーフェルト生成物は生成されない
ことを示し、第5A〜5B図は、(A)無水のS iF 4雰囲気中では所望な
ムライト−ウィスカーフェルトが生成するが、(B)酸化性(空気)雰囲気中で
は遥かに小さなムライトウィスカーおよびムライト凝集体から成る不均一構造を
したフェルトが生成することを示し、第6A、6Bおよび60図は、(A)無水
条件下(融解石英)では所望なムライト−ウィスカーフェルトが生成するが、(
BおよびC) S IF 4雰囲気中で水の存在下(シリカゲル)ではAl2O
3を含有する小さめの寸法のムライトウィスカーから成るフェルトが生成するこ
とを示している。
好ましい態様の詳細な説明
本発明は、高純度の硬質フェルトおよび現場でそれらを製造する実際的方法を包
含する。本発明の方法では、出発材料(S l OA J F 3および所望な
らば2′
A1゜03)を粉体として均質に混合し、加圧、低温アイソスタティック加圧、
押出、射出成形、スリップ鋳造などの通常のセラミック技術によって所望な形状
および寸法の素地に成形する。最終的ムライト−ウィスカー硬質フェルトの形状
は、線寸法変化が約1.5%以下の素地と同じとなる。本発明の方法では、用い
られる素地の寸法または形状は限定されない。
材料の取扱を、本発明の方法では最少限に保つことができる。素地は、工程中に
無水のS I F 4雰囲気(100%S s F 4)を保持することができ
る反応装置(蓋付坩堝、密封した炉など)に入れるのが好ましい。
この材料は、最終高純度のムライト−ウィスカー硬質フェルト生成物が反応装置
から取出されるまで取扱いが省略される。
高純度のムライト−ウィスカー硬質フェルトは断熱材として用いることができる
。このフェルトはムライトウィスカー強化セラミックーマトリックスおよび金属
−マトリックス複合体のプレフォームとして用いることもできる。
本発明の方法の操作にとって重要なことは、約り00℃〜約950℃の温度で無
水のSiF 雰囲気中でA I F 3と溶融S iO2とを反応させて反応
(1):(1) 2AIF3+2SiO2−A12(SiO4)F2+SiF4
にしたがって俸禄のトパーズ結晶を形成すること、および1150℃〜1700
℃の温度で無水のS iF 4雰囲気中で俸禄のトパーズ結晶を分解して、反応
(2):(2)6A12(SiO4)F2+SiO2→2(3A10 ・2S
iO2)+3SiF4にしたがって単結晶ムライトウィスカーを形成することで
ある。ムライトウィスカーを形成させるA I F 3と溶融5i02との全体
的反応は、(3):(3) 12A I F 3 + 13 S iO2−2
(3AI0 ・2S i O2) +9S i F4である。したがって、A
IF 6モルが溶融S 1028.5モルと反応して、ムライト1モルを形成
する。
AlF3対S I 02の正確な化学量論的比率6 :6.5を用いると、処理
中にA I F 3の損失があるため、最終のムライト−ウィスカーフェルトに
過剰のS io 2が含まれることがある。これは、用いられるA I F 3
の量を増加させて処理中のA I F 3の損失を補償することによって補正す
ることができる。
無水のS r F 4雰囲気は、本発明の方法にとって重要である。S I F
4雰囲気は、S iF 4から本質的に成る(すなわち、約]00%のS i
F 4)。本発明の方法を酸化性雰囲気(空気)中または乾燥した流動する不活
性ガス(アルゴン)中であっても、開放した坩堝中で行ったときには、AIF
と5102から針様の単結晶ムライトウイスカーを生成させる試みは失敗に終
わった。それ故、本発明の方法の反応によって多量に生成するS iF 4を使
用することは望ましい方法である。
出発材料の組成は、最終生成物としてのムライト−ウィスカーフェルトに関して
A I F 3の代わりにAl2O3としてアルミニウムを最大75%まで導入
することによって改良することができる。これは、置換されるAIF 1モル
に対してA12030.5モルを用いることによって行われる。本発明の方法を
行うには、アルミニウムの少なくとも25%をA I F 3によって供給しな
ければならないことに留意する必要がある。A I F 3の代わりに75%を
上回る量のA 1203を置換すると、第3A図(80%AI 203 )およ
び第3B図(85%A 1203 )に示されるように、未反応のA l 20
3とクリストバライトとしてのS iO2とを多量に有するある種のムライトウ
ィスカーから成る生成物が形成されることになる。
A 1203を用いることの利点は、比較的高価なAIF の量が少なくて済
み、S iO2の量も少なくて済み、有害なS iF 4の発成量がムライト−
ウィスカーフェルトの生成における反応で少ないことである。更に、実施例2の
表−3に示されるように、A I F 3の代わりのA 1203の量が最大7
5%の限界まで増加するとムライト−ウィスカーフェルトの曲げ強さが増加する
。
A I F S i OおよびA 1203の混合物を用い3ゝ
2
るときには、(約り00℃〜約950℃の)低温で俸禄のトバーズ結晶が最初に
生成する。このトパーズは、反応(1):
(1) 2AIF +2SiO→Al (Sin4)F2+5iF4トパ
ーズ
にしたがってAIF とS io 2とから生成される。発成したSiF
がAl2O3と反応して、反応(4):(4) 3SiF +2A1 0
→4AIF3+3SiO2にしたがって、AIF とS I O2を生成す
るものと思われる。反応(1)と(4〉は、A I F 3、A I 203お
よびS iO2がトパーズに変換されるまで同時に進行する。
50%を上回る量のA 1203がAlF3の代わりに用いられると、700〜
950℃で加熱した後に俸禄のトパーズ結晶と共に幾分かの未反応のA I 2
03およびSiO2が含まれることがある。しかしながら、更に高温では、未反
応のS iO2とA I 203および(複数の)反応によって発成したS I
F 4が相互作用して、最終生成物としてのムライトウィスカーを形成する。
第2A〜2D図に示されるように、A l 203で置換されるAlF3のモル
百分率が増加すると、フェルトに生成する化学量論的単結晶ムライトウィスカー
は少なくなる。また、A I F 3の75%までしかA I 203で置換す
ることができない。
表−1に、AI Oで置換されるA I F 3のモルバ一セントに対してムラ
イト1モルを生成するのに要する出発材料の化学量論的量を示す。
表−1
置換される ムライト1モル当たりのモル数A I F 3の
% A I F S i OA l 2030 6.000
B、500 025 4.500 5.375 0.7
5050 3.000 4.250 1.50075 1.5
00 3.125 2.250A I F S iO2およびA
1203を正確な化学量3ゝ
論的量で用いると、処理中のA I F 3の損失によって、ムライトウィスカ
ー中のSiO2の量が過剰になることがある。これを防止するため、A I F
3の過剰量を出発混合物中において用いて、失われるA I F 3を補償す
る。
しかしながら、余り多量のA I F Bを加えると、ムライトウィスカー中の
A I 203の量が過剰になる。一般的には、用いられる量を調整して、A
I F 3の損失量の変動に適合させるようにすることができる。この目的は、
ムライト最終生成物中のAI OおよびS iO2の所望な重量百分率を達成
することである。
本発明の方法の出発材料は、無水のAlF3、溶融SiOおよび所望ならばA
I 203であり、これらはさらさらな粉体として均質に混合される。市販のA
I F (99,90%)、溶融S iO2(99−50%)およびA 1
203(99,99%)を用いるのが好ましい。
Al2O3の粒度が重要であり、1ミクロン未満であるのが好ましく、更に好ま
しくは0.3ミクロン以下であり、更に好ましくは0.05 ミクロン以下であ
る。例えば、第5A図および第5B図に示されるように、(A) 0.05ミク
ロン以下および(B) 0.3 ミクロン以下のA 1203の粒度から所望な
ムライト−ウィスカーフェルトが生成した。一方、第5C図および第5D図は、
粒度が45ミクロン以上のA I 203では、所望なムライト−ウィスカーフ
ェルトを生成することができなかったことを示している。AIF と5i02
の粒度は、余り重要ではない。
AIF とS iO2またはAlF3とSio2とAl2O3とのよく混りあ
った均一な混合物は、エタノールのような適当な不活性で揮発性の溶媒中でこれ
らの粉体を混合した後、生成する混合物を乾燥することによって形成させること
ができる。実施例において、混合物を次にコランダム乳鉢と乳棒とで磨砕して、
40ミクロンの篩を通して、凝集体を粉砕した。
市販のA I F 3の組成はかなり変動するものと思われる。それ故、A I
F 3の試料を秤量し、数時間600℃に加熱した後、再度秤量しまたは熱重
量分析に付すのが好ましい。重量の損失は3%未満であるのが好ましく、更に好
ましくは1.5%未満である。用いられるA I F 3の量を増加して、測定
される損失を補うべきである。
本発明の方法の素地の形態は、A I F S io 2お3ゝ
よび所望ならばA I 203の混合物から、底部加圧、低温アイソスタティッ
ク加圧、押出、射出成形、スリップ鋳造などの通常の方法によって形成させるこ
とができる。
生成する素地は、細孔度が約40〜約60%である。パラフィンワックスのよう
な任意の通常の結合剤をこの方法に用いることができる。結合剤の量は、選択さ
れる成形手法によって変わる。例えば、ワックス約5容量%は低温加圧に十分で
あるが、射出成形には最大50容量%までのワックスが用いられる。また、結合
剤の量および種類は、セラミック粉末を処理するのに通常に用いられるものであ
る。
素地を所望な形状に成形した後、焼成工程の前に結合剤を除去する。例えば、実
施例では、パラフィンフックス結合剤を酸化性雰囲気中で300℃まで極めて徐
々に(0,5〜1.0℃/分)加熱することによって焼却する。
本発明の方法の第一の焼成段階では、素地を無水のSl F 4雰囲気中で約り
00℃〜約950℃で加熱して、俸禄のトパーズ結晶を形成させる。AIF
とS iO2またはAlF3とS iO2とAl2O3とを用いると、トパーズ
は反応(1)にしたがって形成される。一般的には、俸禄のトパーズ結晶を完全
に形成させるには、3〜10時間で十分である。反応は、この反応によって発成
するかまたは外部源から供給される無水のS iF 4雰囲気中で行われる。実
施例では、蓋付の鋼玉坩堝を用いて、反応によって発成したS iF 4を閉じ
込めた。坩堝の雰囲気は最初は空気であるが、俸禄のトパーズを形成する臨界的
段階の前に空気を総て置換するのに十分なS iF 4が反応によって生成する
。前記のTa1oyらの同時係属特許出願(米国特許出願第077070.75
7号、1987年7月6日出願)には、俸禄のトパーズ結晶の形成に対する無水
のSiF4雰囲気の臨界状態を示す実施例とデーターが示されている。無水のS
iF 雰囲気は、AlF3とSiOとAl2O3から俸禄のトパーズ結晶を形
成するのにも重要である。
次に、俸禄のトパーズ結晶は、無水のS IF 4雰囲気中で約り150℃〜約
1700℃、好ましくは1250℃〜1350℃、最も好ましくは約1250℃
で加熱することによって、分解して、針様の単結晶ムライトウィスカーを形成す
る。俸禄のトパーズ結晶を単結晶ムライトウィスカーに完全に変換するには、約
3〜lO時間で十分である。
また、俸禄のトパーズ結晶の形成段階およびムライトウィスカー形成段階の両方
に無水のS I F 4を用いることの重要性は、第5A、5Bおよび6図に示
される。第5Aおよび6A図は、両方の反応段階において無水のS i F 4
雰囲気を用いるときに所望なムライト−ウィスカーフェルト生成物が生成するこ
とを示している。第5B図は、極めて小さなムライトウィスカーおよび乾燥した
酸化性雰囲気(空気)を用いるときに生成するムライト凝集体を示す。第6Bお
よび60図は、S iF 4雰囲気中においても水の存在下(シリカゲル)にお
いて生成したA 1203を包含する小さめの粒度のムライトウィスカーから成
るフェルトを示す。
前記の方法は、素地を最初に焼成して俸禄のトパーズ結晶を形成させた後、焼成
を行ってムライトウィスカーを生成させることによって行うことができる。また
は、これらの2種類の別個な焼成を単一の焼成に纏めて、温度を約り00℃〜約
950℃に保持して俸禄のトパーズ結晶を形成させた後、約り150℃〜約17
00℃の温度に上昇させてムライトウィスカーを生成させることができる。この
−焼成工程は、工業的規模での生産に一層好適であるので、好ましい。更に、こ
の工程は、0,5〜2.0℃/分の遅い加熱速度で700℃〜950℃に保持す
ることなく、室温から1150℃〜1700℃の温度まで連続的に加熱すること
により成功裡に行うことができる。
化学量論的ムライト(3A1203・2 S iO2)は、A 120371.
80重量%とS IO228,20重量%を含む。
しかしながら、許容可能な組成物は、70.50重量%から化学量論的ムライト
固溶体中のAl2O3がA l 203で飽和しく AksayとPa5k、
5cience、 1974.183.69のAI O−5ty2状態図ニヨ
レば、A I 203約74重量%)、5IO2は残りの部分である点までの範
囲でAl2O3を含む。好ましい組成範囲は、A 120371.80重量%か
ら化学量論的ムライト固溶体中のAl2O3の飽和点(A1203約74重量%
)までであり、S IO2はムライトウィスカー組成物の残りの部分である。こ
の好ましい範囲は、化学量論的ムライトと化学量論的ムライト中のA I 20
3の固溶体範囲を含む。
化学量論的ムライト中のA 1203の固溶体範囲における組成物の単結晶ムラ
イトウィスカーは、化学量論的ムライトウィスカーと本質的に同じ化学的および
物理的特性を有することになる。Al2O3の更に好ましい範囲は71.liO
〜73.00重量%であり、71.8Q〜72.00重量%が更に一層好ましく
、単結晶ムライト組成物の残りの部分は5102である。最も好ましいものは、
化学量論的ムライトである。
Al2O3の重量百分率が71.80 (固溶体領域の下限)を下回ると、生
成する過剰のSiO2がクリストバライトの形態になることがある。したがって
、生成物は、化学量論的ムライトウィスカーと幾らかのクリストバライトとを含
んでなることになる。クリストバライトは、使用中の熱サイクル中に実質的な容
量変化を伴う可逆的相変換を行う。更に、複合体に用いるには、ムライトがマト
リックス材料と反応することができるクリストバライトを含まないことが好まし
い。
組成物中のA 1203の重量百分率が化学量論的ムライト溶液中のAI O
の飽和点(A1203約74.0%)を超過すると、生成物はムライトウィスカ
ーとマトリックス材料と反応することができるaMA1203を含んで成り、複
合体の特性を劣化させる。このため、A 1203の重量百分率の上限は約74
,0重量%(化学量論的ムライト中のA I 203の飽和点)であり、残りは
S iO2である。
AIF −5iOおよびAlF3−A1203−SiO2混合物から製造され
る最終的な硬質ムライトウイスカーフェルトは、通常はムライトの理論的密度の
約15〜約25%の密度を有する。すなわち、これらのフェルトの細孔度は、約
85〜約75%である。このフェルトは、元の素地と同じ形状のもので、緑変化
が約1.5%以下のものとなる。第1A、IBおよびIC図は、無水のSiF4
雰囲気中でそれぞれ1250℃、1400℃および1550℃で焼成したAIF
とSiO2の混合物からのムライトーウィスカーフェルトの構造を示す。こ
のフェルトは、ランダムに(三次元的に)配向しかつ均一に分布したムライトウ
ィスカーであって、機械的に結合して、硬質フェルト構造を形成するものから成
る。第2A、2B、2Cおよび2B図は、A I F 3の(A)0、(B)2
5、(C)50および(D)75%を出発材料中のA I 203に代えたとき
に生成するムライト−ウィスカーフェルトの構造を示す。フェルト中のムライト
ウィスカーの粒度は、A l 203による置換が増加すると共に次第に減少す
る。
したがって、本発明の方法は、出発材料組成物中における変化によってフェルト
の構造および特性を改良することができる。この方法を行おうとする場合にも、
AIF の75%までしかA I 203によって置換することができないこ
とに留意されたい。
本発明の成形した硬質のムライト−ウィスカーフェルトは、断熱剤としてまたは
セラミックーマトリックスおよび金属−マトリックス複合体のプレフォームとし
て有用である。
セラミックーマトリックス材料または金属−マトリックス材料の範囲は、複合体
の0容量%を上回る範囲から約85容量%までである。セラミックーマトリック
スまたは金属−マトリックス材料の容量%とムライト−ウィスカーフェルトの容
量%の和が100未満であるときには、その差が細孔度である。
ムライト−ウィスカーフェルト/金属マトリックス複合体は、溶融金属または合
金の硬質ムライトーウィスカーフェルトへの加圧または真空浸潤のような通常の
技法によって製造することができる。ムライトと相溶性の任意の金属または合金
を、マトリックスとして用いることができる。好ましい金属マトリックス材料に
は、アルミニウム、マグネシウム、アルミニウムを基材とした合金およびマグネ
シウムを基材とした合金が挙げられる。
ムライト−ウィスカーフェルト/セラミックマトリックス複合体は、通常の技法
によって製造することができる。例えば、気相セラミック材料)・ワックス前駆
体を、化学蒸着または化学蒸気浸潤法に用いることができる。
更に、溶融物またはゾル−ゲルの形態の液相セラミックーマトリックス前駆体を
ムライト−ウィスカーフェルトプレフォームへ加圧または真空含浸した後、セラ
ミックーマトリックス材料へ転換させることができる。セラミックスリップは、
用いることができるもう一つの通常の技法である。
ムライトと相溶性の任意のセラミック材料を用いてもよい。このセラミック材料
は、オキシドセラミックまたは非オキシドセラミックであることができる。好ま
しいオキシドセラミックには、ジルコン、ムライト、アルミナ、コージライト、
酸化クロム、酸化チタンおよびシリカが挙げられる。好ましい非オキシドセラミ
ックには、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素が挙げ
られる。
相溶性のセラミックマトリックスと金属マトリックス材料の組み合わせを用いる
こともできる。
下記の実施例に記載されている本発明の一般的性状を、その具体的例示として挙
げる。本発明はこれらの特殊な実施例に限定されるものではなく、当該技術にお
いて通常の技術を有する者によって認められる各種の改良が可能であることが理
解されるであろう。
実施例I
A I F 3(Atollergjc CheletalS Carp、 、
99.9%)1.26gと溶融S i O2(Thermo Material
s) 、99.5%)0.91gの混合物をエタノール中で十分に混合した後、
55〜60℃で真空オーブン中で乾燥した。0.22gの量の(一時的結合剤と
しての)ワックスをシクロヘキサンに溶解して、混合物に加えた。混合物を55
〜60℃で乾燥して(溶媒を蒸発させ)、コランダム乳鉢と乳棒とで磨砕した後
、401J!Qの篩を通して整粒した。次いで、生成する粉体を25 MPaで
鋼製ダイ中でプレスして、5 x 5 x 50 cmの棒を成形した。ワック
スを酸化性雰囲気中で0.5℃/分で300℃まで加熱して、この温度に1時間
保持して焼却した。棒(1回に5.5本)を、蓋付のコランダム坩堝(85+a
l容量)中で焼成した。これらの棒を、炉中で2℃/分の温度勾配で1250℃
まで加熱してこの温度に5時間保持して焼成した。1400℃および1550℃
まで加熱してこの最終温度に5時間保持して焼成することによって、更に2回の
実験を行った。X線回折および走査型電子顕微鏡(SEM)によって評価を行っ
たところ、生成物は第1A、IBおよびIC図に示されるように化学量論的針様
ムライトから成ることを示した。フェルトの寸法変化、細孔度および曲げ強さを
測定して、表−2に纏める。
表−2
特性
焼成温度 膨張細孔度 曲げ強さ 参照図(℃) (線形%)
(%) (kg/cd)1250 1.3 79.0 39
.3 1AI400 1.2 79.8 41.5
1B1550 1.2 79.5 39.4 IC実施例
2
アルミナ(0,0ha、Bueh!er )を、表−2の比率にしたがって最大
75%までの量でAlF3の代わりに用いた。
エタノール中で十分に混合した後、55〜BO℃の真空オーブン中で乾燥するこ
とによって、混合物を調製した。
(一時的な結合剤としての) 0.22gの量のワックスをシクロヘキサンに溶
解して、混合物に加えた。次に、混合物を55〜60℃で乾燥して(溶媒を蒸発
させ)、コランダム製乳鉢と乳棒で磨砕し、40−の篩を通して整粒した。
次に、生成する粉体を25 MPaで鋼製ダイ中でプレスして、5 X 5 x
50 ta−の棒を成形した。酸化性雰囲気中で0.5℃/分で300℃まで
加熱して1時間保持することによって、ワックスを焼却した。次いで、棒(1度
に5〜6本)を、蓋付のコランダム製坩堝(85ml容量)中で焼成した。
これらの棒を2℃/分の温度勾配で1250℃まで加熱し、この温度に4時間保
持した後、5で7分の温度勾配で1550℃まで加熱し、この温度に5時間保持
することによって、焼成した。X線回折及び走査型電子顕微鏡(SEM)によっ
て評価を行ったところ、第2A、2B、2Cおよび2B図示されるように、生成
物は化学量論的針様ムライトから成ることを示した。AIF に代わるAl2
O3の量が増加すると、フェルト中のウィスカーの寸法は減少する。フェルトの
寸法変化、細孔度および曲げ強さを測定して、表−3に纏める。
表−3
特性
AI O% 膨張 細孔度 曲げ強さ 参照図(線形%) (
%) (kg/cシ)0 1.0 78.5 3
7.0 2A0.00/1.2870.91
25 1.0 7g、1 29.0 2B0.2
2/1.0910.86
50 0.5 77.4 54.3 2C0,5
810,8270,82
750,07B、3 70.0 2D0.9810.5110.73
比率は次のようなものとして記載する:ir A 1203/lt: A I
F 3 /g S s O2実施例3
蓋なしで材料が酸化性雰囲気に暴露されていたことを除き、実施例1と同様にし
て、1.28gのAlF3と0.92gの溶融S iO2の混合物を調製し、プ
レスし、焼成した。X線回折とSEMにより検討を行ったところ、生成物はm5
8図に示されるようにムライトウィスカーおよびムライト凝集体から成ることを
示した。
実施例4
1.28gのAIF と(溶融S I O2の代わりに) 0.92gSiO
2ゲルの混合物を、出発材料として用いた。
S 五〇 2ゲルはテトラエチルオルトシリケート(TEOS) (Stauf
fer Chemical Co、 、40.95%S i O2)を用いて調
製した。TEOSをエタノールで1=1の容量比に希釈した。溶液を水性のAl
F3懸濁液に加えた。
アンモニウム(NH40B)を、撹拌しながら滴下して加えたところ、TEOS
の加水分解の結果として混合物は増粘した。次いで、混合物を真空オーブン中で
55〜60℃で乾燥した。混合物をプレスした後、実施例1と同様にして125
0℃まで5時間焼成した。X線回折およびSEMによって検討したところ(例え
ば、第6図参照)、生成物はアルミナを含むムライトウィスカーから成ることを
示した。
本発明の数多くの改良および変更は、前記の教示の観点から可能であることは明
らかである。それ故、請求の範囲の範囲内で本明細書に具体的に記載したのとは
別の方法で実施することができることを理解すべきである。
FIG、2A FIG、2
8FIG、 2CFIG、 2D
FIG、 4A FIo、 48FI
G、4CFIG、40
FIG、 68 FIG、 6C国際調査
報告
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.(1)化学量論的ムライトを生成するように選択された量のAlF3と溶融 SiO2粉体とのよく混りあった均一な混合物から素地を形成させ、(2)約7 00℃〜約950℃の温度で無水のSiF4雰囲気中でこの素地を加熱して、A lF3をSiO2と反応させて俸禄のトパーズ結晶を形成させ、(3)約115 0℃〜約1700℃の温度で無水のSiF4雰囲気中でこの俸禄のトパーズ結晶 を加熱して、この棒様のトパーズ結晶を多孔性で硬質のフェルト構造を形成する 針様の単結晶ムライトウイスカーに変換させる、工程を順に含んで成る、硬質の ムライトーウイスカーフェルト成形体を形成する方法。 2.工程(1)に用いられるAlF3と溶融SiO2粉体を、 (a)A1F3のSiO2に対するモル比が12:13であり、 (b)工程(2)中の蒸発によるAlF3の損失を補償する若干過剰量のAlF 3 を提供するように選択された量で混合物する、請求の範囲第1項に記載の方法。 3.工程(1)の素地の細孔度が約40〜約60容量%である、請求の範囲第1 項に記載の方法。 4.工程(3)で用いられる温度が1250℃〜1350℃である、請求の範囲 第1項に記載の方法。 5.工程(2)を下記の工程(2): (2)無水のSiF4雰囲気中で、室温から約1150℃〜約1700℃の温度 まで0.5〜2.0℃/分の加熱速度で素地を加熱する、 によって置き換える、請求の範囲第1項に記載の方法。 6.AlF3と溶融SiO2の粒度が45ミクロン未満である、請求の範囲第1 項に記載の方法。 7.AlF3と溶融SiO2の粒度が30ミクロン以下である、請求の範囲第6 項に記載の方法。 8.(1)70.50重量%から化学量論的ムライト中にA12O3の飽和溶液 を生成する量までの量でA12O3を含み、SiO2がムライトの残りであるム ライトーウイスカーフェルトを生成させるように選択された量のAlF3とA1 2O3と溶融SiO2粉体とのよく混りあった均一な混合物から素地を形成させ (但し、A1の0%を上回り75%まではA12O3によって供給され、残りは AlF3によって供給される)、(2)約700℃〜約950℃の温度で無水の SiF4雰囲気中でこの素地を加熱して、AlF3とSiO2とA12O3とを 反応させて俸禄のトパーズ結晶を形成させ、 (3)約1150℃〜約1700℃の温度で無水のSiF4雰囲気中でこの棒様 のトパーズ結晶を加熱して、この棒様のトパーズ結晶を多孔性で硬質のフェルト 構造を形成する針様の単結晶ムライトウイスカーに変換させる、工程を順に含ん で成る、硬質のムライトーウイスカーフェルト形成体を形成する方法。 9.AlF3とA12O3と溶融SiO2とを、71.80重量%から化学量論 的ムライト中にAl2O3の飽和溶液を生成する量までの量でAl2O3を含み 、SiO2がムライトウイスカーフェルトの残りであるムライトーウイスカーフ ェルトを生成させるように選択された量で用いる、請求の範囲第8項に記載の方 法。 10.AlF3とAl2O3と溶融SiO2とを、71.80重量%から73. 00重量%のAl2O3とSiO2が残りであるムライトウイスカーフェルトを 生成させるように選択された量で用いる、請求の範囲第9項に記載の方法。 11.AlF3とAl2O3と溶融SiO2とを、71.80重量%から72. 00重量%のAl2O3とSiO2が残りであるムライトウイスカーフェルトを 生成させるように選択された量で用いる、請求の範囲第9項に記載の方法。 12.AlF3とA12O3と溶融SiO2とを、化学量論的ムライトウイスカ ーを生成させるように選択された量で用いる、請求の範囲第11項に記載の方法 。 13.工程(1)の素地の細孔度が約40〜約60容量%である、請求の範囲第 8項に記載の方法。 14.工程(3)で用いられる温度が1250℃〜1350℃である、請求の範 囲第8項に記載の方法。 15.工程(2)を下記の工程(2):(2)無水のSiF4雰囲気中で、室温 から約1150℃〜約1700℃の温度まで0.5〜2.0℃/分の加熱速度で 素地を加熱する、 によって置き換える、請求の範囲第8項に記載の方法。 16.AlF3とAl2O3と溶融SiO2の粒度が45ミクロン未満である、 請求の範囲第8項に記載の方法。 17.AlF3とA12O3と溶融SiO2との粒度が30ミクロン以下である 、請求の範囲第16項に記載の方法。 18.均一に分布されかつランダムに三次元的に配向され、かつ、機械的に結合 して結合剤なしでその形状を保持することが可能な硬質なフェルト構造を形成す る単結晶ムライトウイスカーであって、ムライトが化学量論的ムライトの量から 化学量論的ムライト中のA12O3の飽和溶液を生成する量までの量でA12O 3を含み、SiO2が残りであることを特徴とする、硬質のムライトーウイスカ ーフェルト構造物。 19.細孔度が約75〜約85%である、請求の範囲第18項に記載のムライト ウイスカーフェルト構造物。 20.ムライトが化学量論的ムライトである、請求の範囲第18項に記載の硬質 のムライトーウイスカーフェルト構造物。 21.ムライトーウイスカーフェルトが71.80〜73.00重量%を含み、 残りがSiO2である、請求の範囲第18項に記載の硬質のムライトーウイスカ ーフェルト構造物。 22.ムライトーウイスカーフェルトが71.80〜72.00重量%を含み、 残りがSiO2である、請求の範囲第20項に記載の硬質のムライトーウイスカ ーフェルト構造物。 23.(1)均一に分布されかつランダムに三次元的に配向され、かつ、機械的 に結合して結合剤なしでその形状を保持することが可能な強固で硬質なフェルト 構造を形成する単結晶ムライトウイスカー約15〜約25容量%(但し、ムライ トが (a)化学量論的ムライトと、 (b)化学量論的ムライト中のA12O3の固溶体とから成る群から選択される ものである)と、(2)金属マトリックスを0容量%を上回り約85容量%まで とを 含んで成り、但し単結晶ムライトウイスカーフェルトの容量%と金属マトリック スの容量%との和は100を超過しない、硬質のムライトウイスカーフェルト/ 金属マトリックス複合体構造物。 24.金属がアルミニウム、マグネシウム、アルミニウムを基材とする合金、お よびマグネシウムを基材とする合金から成る群から選択される、請求の範囲第2 3項に記載の硬質のムライトウイスカーフェルト/金属マトリックス複合体構造 物。 25.(1)均一に分布されかつ無作為に三次元的に日向され、かつ機械的に結 合して結合剤なしでその形状を保持することが可能な強固で硬質なフェルト構造 を形成する単結晶ムライトウイスカー約15〜約25容量%(但し、ムライトが (a)化学量論的ムライトと、 (b)化学量論的ムライト中のAl2O3の固溶体とから成る群から選択される ものである)と、(2)セラミックマトリックスを0容量%を上回り約85容量 %までとを 含んで成り、但し単結晶ムライトウイスカーフェルトの容量%とセラミックマト リックスの容量%との和は100を超過しない、硬質のムライトウイスカーフェ ルト/セラミックマトリックス複合体構造物。 26.セラミックがオキシドセラミックである、請求の範囲第25項に記載の硬 質のムライトウイスカーフェルト/セラミックマトリックス複合体構造物。 27.オキシドセラミックがジルコン、ムライト、アルミナ、コージライト、酸 化クロム、およびシリカから成る群から選択される、請求の範囲第26項に記載 の硬質のムライトウイスカーフェルト/セラミックマトリックス複合体構造物。 28.セラミックが非オキシドセラミックである、請求の範囲第25項に記載の 硬質のムライトウイスカーフェルト/セラミックマトリックス複合体構造物。 29.非オキシドセラミックが、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウムお よび窒化ホウ素から成る群から選択される、請求の範囲第28項に記載の砥質の ムライトウイスカーフェルト/セラミックマトリックス複合体構造物。
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