JPH0412067A - セラミックス複合体の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はセラミックス複合体の製造方法に関し、詳しく
はセラミック繊維を複合した高強度の繊維強化セラミッ
クス複合体の製造方法に関するものである。

［従来の技術１ 窒化けい素、炭化けい素、サイアロン等のセラミックス
は高温にｉ３ける機械的強度、耐食性、耐摩耗性などに
優れており、エンジン、ガスタービンなどの部材として
の応用が期待されている。

これらのセラミックスは、破壊が瞬時に起こり、金属の
ような粘りがないことから、高強度材料であるにも拘ら
ず、その設計強度は本来各セラミックスが持っている強
度の２０〜４０％である。

近年、これらのセラミックスの設計強度を上げるために
、セラミックスにセラミックウィスカーを複合した材料
の研究が進められている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、ウィスカー強化複合セラミックスの製造
においては、ウィスカーのセラミックマトリックスへの
分散が困難で、ウィスカーが偏析するため、得られた複
合体の強度向上が必ずしも十分でないという問題点があ
る。

〔課題を解決するための手段］ 本発明者らは、セラミックスの強度向上及び瞬時破壊の
問題を解決するため、セラミック繊維とセラミックスと
の複合材料について研究を進め、セラミック繊維を編成
物として用い、これを骨格としてセラミックススラリー
を鋳込み成形することによって、高強度のセラミックス
複合体を得ることができた。

すなわち、本発明は、セラミック繊維を編成して所定形
状に成形する工程、該繊維成形物にセラミックス粉末と
溶媒とよりなるスラリーを含浸させ、乾燥する工程、型
枠内に含浸成形物を設置し、セラミックス粉末、溶媒及
びバインダーよりなるスラリーを用いて鋳込み成形する
工程、得られた成形体中の有機物を脱脂若しくは熱分解
する工程、及び成形体を焼成する工程からなることを特
徴とするセラミックス複合体の製造方法である。

［作用］ 本発明の方法では、セラミックスのスラリーを含浸させ
たセラミック編成物で成形体の形状の骨格を形成し、こ
れを型内においてセラミックスを鋳込み成形するので、
セラミック繊維の間に粉末セラミックスが充填された状
態で焼成される。その結果粉末と繊維が緊密に結合した
状態で焼結される。

また、この煩結体は、粉末より焼成されたセラミックス
が骨格のセラミックス編成物によって補強されているの
で、その破壊強度が大幅に向上すると共に、破壊時にも
編成物の抵抗によって瞬時に破壊することがない。

以下、本発明の詳細な説明する。

（セラミック繊維） 本発明で用いられるセラミック繊維は、繊維径が約１０
ａｍで、カーボン繊維（例えば、東し社製Ｔ−１０００
）、炭化けい素繊維（例えば５日本カーボン社製ＮＩＣ
ＡＬＯＮ）　、窒化けい素繊維、アルミナ繊維（例えば
、三井鉱山社製ＡＬＭＡＸ）　、アルミナシリカ繊維（
住人化学社製ＡＬＴＥＸ）などを挙げることができる。

上記のセラミック繊維は布状に編織したもの又は糸状や
紐状に紡糸されたもの（以下、セラミック編成物という
）が用いられる。

（セラミック編成物の含浸成形物） セラミック編成物は丸めて円柱形状にし、絞り込んだり
、延ばしたりして目的とする成形体の形状の三次元成形
物に成形する。この成形に際しては、後の脱脂、熱分解
工程で除去可能な有機繊維や有機接着剤を用いて編成物
成形の形止めとしてもよいが、その使用はできるだけ少
なくすることが好ましい、また、市販品で必要形状に成
形されているものがあれば、それを使用してもよい。

上記で得られた繊維成形物は、そのまま鋳込み成形を行
うと、繊維の隙間に空気などが残り、空洞を作りやすく
、また、繊維のみの成形体は柔らかく、鋳込み成形時に
型内で変形、偏在を起こしやすいので、セラミックス粉
末のスラリーを含浸乾燥させて、ある程度の形状保持性
を与えることが必要である。

スラリーの含浸は、含浸と乾燥とを交互に繰返して繊維
の隙間にセラミックス粉末を確実に充填することが好ま
しい。含浸、乾燥の繰返し回数は任意であるが、通常３
〜７回程度行われる。

含浸は、単に成形物をスラリーに浸す方法に限らず、ス
ラリーに浸した繊維フィラメントをフィラメントワイン
デインク法により成形する方法を利用してもよい。

スラリー ここで使用するスラリーのセラミックス粉末は、最終的
に鋳込み成形で使用するセラミックスと同一の材料が好
ましく、窒化けい素、炭化けい素、サイアロン、アルミ
ナ、ジルコニア、ムライトなどが挙げられる。特にサイ
アロンは、焼成温度が１７００〜１８００℃であり、繊
維として複合されるカーボン繊維などの特性を焼結時に
低下させることなく緻密体となることから、含浸、鋳込
み成形用セラミックスとして好ましい６ 粉末の粒度は、繊維の隙間に十分侵入するためには小さ
い程よく、平均粒径で１μｍ以下、好ましくは０．５μ
ｍ以下である。

溶媒としては、水、有機溶媒など、上記セラミックス粉
末を分散してスラリーを形成するものであればよく、特
に限定しないが、繊維内部まで浸透によりセラミックス
を充填させる点から、ロヘキサン、キシレン等の表面張
力の低い有機溶媒が好ましい。

スラリー粘性も任意であるが、繊維間への浸透により含
浸効率を上げるためには、スラリー粘度は低い方が好ま
しく、５０容量％以下、好ましくは４０容量％以下であ
る。

また、このスラリーにポリカルボキシシラン、ポリシラ
スチレン、ポリシラザンなどのセラミックス前駆体の有
機けい素化合物を配合し、熱分解時の繊維成形物中のセ
ラミックス含有率を上げることができる。このとき、全
体のスラリー粘性か２　ｐｏｉｓｅ以下となるように調
製することが好ましセラミックス前駆体を含有するスラ
リーの場合、含浸成形物の乾燥は、単に乾燥するだけで
なく、有機物をＳｉや炭素に分解するため、窒素、アル
ゴン、ヘリウムなどの不活性雰囲気中で熱分解する工程
を設けることができる。熱分解温度は特定されないが、
通常６００℃以上の温度が用いられる。

スラリーは含浸に際して、予め脱泡し、スラリー中の空
気成分やガス成分を除去しておくことが好ましい。また
、含浸工程を減圧化で行うことも有効である。要は、含
浸に際して、繊維間にセラミックスを十分に充填するこ
とが重要である。

繊維成形物の含浸は、予めスラリーを含浸させた編成物
を所要の型内に充填するか、又は型表面に巻きつけて成
形し、乾燥するなどの方法を採用することもできる。

（鋳込み成形） 上記で得られた含浸成形物を成形用型内に設置し、鋳込
み成形を行う。鋳込み成形は、慣用の方法が用いられ、
特にμＲ定されないが、加圧鋳込みあるいは真空鋳込み
が、鋳込み成形体の密度を上げ、繊維間に充填したセラ
ミックスの緻富化に効果がある。また、鋳込み成形時に
振動を与えることも有効である。

鋳込み用セラミックス材料としては、含浸工程で用いら
れた窒化けい素、炭化けい素、サイアロン、アルミナ、
ジルコニア、ムライトなどが用いられる。

鋳込み用スラリーは、結合剤、可塑剤、分散剤、解膠剤
などのバインダシステム、水などの瀉剤、セラミックス
材料の粉末、焼結助剤などを混合して脱泡し、繊維成形
物を設置した型にこのスラリーを充填して、繊維成形物
と一体の成形体とする。スラリーの粘性としては１０　
ｐｏｉｓｅ以下、好ましくは２ｐｏｉｓｅ以下であり、
スラリー中のセラミックス固形分としては５０容量％以
上が好ましい。

バインダとしては、通常の鋳込み成形で使用されている
ポリビニルアルコール、アクリルエマルジョン、水溶性
アクリル樹脂などが使用できる。

また、ポリアクリル酸、ナフタレンスルホン酸。

燐酸、多価アルコールエステルなどの分散剤、消泡剤な
どを添加することができる。

型は、石膏、樹脂など所定の形状が得られるものであれ
ばよい。

（脱脂） 成形後、乾燥された繊維を含むセラミックス成形体は、
鋳込み成形に用いられたバインダシステムを除去するた
ぬ、空気中あるいは窒素中で脱脂される。脱脂は、成形
体を徐々にバインダシステムの有機分を分解する温度ま
で昇温することによって行われる。その温度は一概に規
定できないが、少なくとも４００℃以上が好ましい。

（焼成） 得られた脱脂成形体はセラミックスの材質に合わせて焼
成される。

酸化物セラミックスの場合には、大気焼成が、また、非
酸化物セラミックスの場合には、雰囲気焼成が必要であ
る。

焼成パターン及び焼成温度は便用セラミ・ンクスに合わ
せて選択される。

目的とするセラミックスの形状により、ホ・ントブレス
、常圧焼成、ガス圧焼成、ＨＩＰ焼成など必要線に応じ
て選択することにより、所望の繊維複合高強度焼結体が
得られる。

〔実施例１ 実施例１〜６ 表−１に示すセラミックス粉末１０ｇ、分散剤、溶媒２
５■１、セラミックス前駆体５ｇからなるスラリーを用
いて、表−１に示すセラミ・ンクス繊維の平織織布に、
それぞれの含浸スラリーを用いて、含浸・乾燥を表−１
の回数行い、得られたセラミックス含浸繊維成形体を切
断して、５０Ｘ５０Ｘ３■■の平板状の成形物を得１表
−１の条件で熱分解した。

この成形物を６０Ｘ　６０ｘ　６　ａｍの石膏型内に設
置し、以下に示す鋳込みスラリーを用いて、加圧鋳込み
（鋳込み圧５ｋｇ／ｃｍ”ｌを行い、６０ｘ　６０ｘ　
６　ｍＩＱの成形体を得た。

鋳込みスラリーは、表−１のセラミックス粉末２００ｇ
、結合剤としてポリビニルアルコール１ｇ、分散剤とし
てポリアクリル酸共重合体１ｇ（固形分換算）及び蒸留
水５０ｇを樹脂ポット内に配合し、樹脂製ポールを用い
て２４時間混合して得た。なお、鋳込み粉末としてサイ
アロンを用いる場合には、イツトリアを５ｗｔ％、窒化
けい素を用いる場合には、アルミナ及びイツトリアを各
５ｗｔ％それぞれ焼結助剤としてスラリー中に添加した
。

得られた繊維含有セラミックス成形体を２０℃、９０％
ＲＨの条件で２４時間乾燥した後、１０℃／分の昇温速
度で４５０℃まで昇温し、脱脂した。

この脱脂成形体を表−１の条件で焼成して、焼結体を得
た。

この焼結体をＪＩＳ　Ｒ１６０１に従い、３　ｘ　４　
Ｘ４０ｍｍの試験体とした後、室温で３点曲げ試験を行
った。結果を表−１に示す。

実施例７ スラリーの鋳込み時に１００Ｈｚの振動を与えて成形し
た以外は実施例３と同様の条件で作製した焼結体の強度
を表−１に示す。

実施例８ スラリーの鋳込み時に、石膏型を真空容器内に設置し、
１０−’Ｔｏｒｒまで真空引きした状態で鋳込み成形を
行った以外は実施例３と同様に行った。得られた焼結体
の強度を表−１に示す。

比較例１ 表−１に示す条件で実施例１〜６と同様にして含浸を行
い、鋳込み成形を行わず、含浸のみの焼結体を作製した
。得られた焼結体の強度を表−１に示す。

比較例２ 実施例１で用いた鋳込み用スラリーに炭化けい素ウィス
カー１０ｇを超音波を用いて分散させた後焼成したサイ
アロン複合体の強度を表−１に示す。

（以下余白） 比較例１．２の強度測定にＳ＋づる破壊挙動は、最高強
度に達した後、直ちに強度が無くなる即時破壊を示した
。

一方、実施例１〜８の破壊挙動は、最高強度に達した後
、徐々に強度が低下し、完全に強度が無（なるまでに試
料自体の変形が認められ、単に測定された強度値だけで
なく、使用時の即時破壊が起こらず、信頼性が向上して
いた。

［発明の効果１ 本発明の方法により、即時破壊するセラミックスの弱点
を解決し、信頼性の高いセラミックス材料を手軽に得る
ことができ、使用できる分野を大きく広げることができ
る。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス粉末を溶媒に分散させたスラリーを
   セラミック繊維の編成物に含浸させた含浸物を所定形状
   に成形し、乾燥する工程、該含浸物を型枠内に設置し、
   セラミックス粉末、溶媒及びバインダーよりなるスラリ
   ーを用いて鋳込み成形する工程、得られた成形体中の有
   機物を脱脂若しくは熱分解する工程、及び成形体を焼成
   する工程からなることを特徴とするセラミックス複合体
   の製造方法。
2. （２）繊維成形物に含浸させるスラリーに、熱分解によ
   りセラミックス化するセラミックス前駆体を配合するこ
   とを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. （３）繊維成形物に含浸させるスラリーの溶媒が、表面
   張力の低い有機溶媒であることを特徴とする請求項１又
   は２に記載の方法。