JPH06107468A - Carbonaceous compound fiber-reinforced ceramic composite material - Google Patents

Carbonaceous compound fiber-reinforced ceramic composite material

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JPH06107468A
JPH06107468A JP4113894A JP11389492A JPH06107468A JP H06107468 A JPH06107468 A JP H06107468A JP 4113894 A JP4113894 A JP 4113894A JP 11389492 A JP11389492 A JP 11389492A JP H06107468 A JPH06107468 A JP H06107468A
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composite material
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nanocomposite
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Atsushi Nakayama
敦 中山
Taketami Yamamura
武民 山村
Mitsuhiko Sato
光彦 佐藤
Makoto Tamura
誠 田村
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Abstract

PURPOSE:To improve the strength and toughness of the composite material by using a carbonaceous blend fiber as the reinforcement and an oxide/base nanocompound of the carbide particles and/or nitride particles as the matrix. CONSTITUTION:A carbonaceous compound fiber composed of (A) crystalline carbon oriented in the axial direction of fiber, (B) amorphous carbon and/or crystalline carbon oriented in the direction different from the axial direction of fiber and (C) a silicon-contg. component consisting of silicon, carbon and oxygen is used as the reinforcement, and an oxide-base nanocompound of the carbide particles and/or nitride particles is used as the matrix to produce the composite material. In this case, a chopped fiber or the powder of the oxide-base nanocompound is mixed when the carbonaceous compound fiber is chopped. When the carbonaceous compound fiber is used in the form of sheet, the compound fiber and the powder of the oxide-base nanocomposite are alternately laminated to prepare a laminate. The portion of the carbonaceous compound fiber in the composite material is controlled to 1-70vol.%, and heating and sintering are usually carried out at 400-2500 deg.C.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高強度、高靱性、及び
高耐熱性を有する炭素系複合繊維強化セラミックス複合
材料に関する。本発明のセラミックス複合材料は、ロー
ター、ステーター、燃焼器のようなタービンエンジンの
部材、ノーズコーン、ノズルのようなロケットエンジン
の部材、ピストンヘッド、副燃焼室、バルブのような内
燃機関の部材として、好適に使用することができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon-based composite fiber-reinforced ceramic composite material having high strength, high toughness, and high heat resistance. The ceramic composite material of the present invention is used as a member of a turbine engine such as a rotor, a stator or a combustor, a member of a rocket engine such as a nose cone or a nozzle, a member of an internal combustion engine such as a piston head, an auxiliary combustion chamber or a valve. , Can be preferably used.

【0002】[0002]

【従来の技術及びその問題点】酸化アルミニウムのよう
な酸化物セラミックスは耐熱性に優れているが、靱性が
低いとか強度が充分ではないとかの理由により、エンジ
ニアリングセラミックスとしての用途が限定されてい
た。最近になり、酸化物セラミックスを各種の強化材と
複合化させることにより、強度及び靱性を向上させる試
みが積極的に行われている。
2. Description of the Related Art Oxide ceramics such as aluminum oxide are excellent in heat resistance, but their use as engineering ceramics has been limited because of their low toughness and insufficient strength. . Recently, attempts have been actively made to improve strength and toughness by compounding oxide ceramics with various reinforcing materials.

【0003】例えば、「Pro.23rd.Autom
ot.Technol.Dev.Contract C
oord.Meet.1986」には、アルミナに20
体積%の炭化ケイ素ウイスカを複合化することにより、
曲げ強度は約300MPaから約700MPaに向上
し、破壊靱性の目安となる臨界応力拡大係数(K1C
は4.5MPa・m1/2から約8.5MPa・m
1/2に向上することが開示されている。しかし、この
ウイスカ強化アルミナ複合材料は1000℃を超えると
急激に曲げ強度が低下する。(社)日本航空宇宙工業会
から1998年3月に発行された「航空機用新素材の調
査」193ページには、ガスタービンのローター用材料
などには、1250℃から1450℃の範囲の温度で曲
げ強度が450MPa以上であることが必要であると記
載されている。前記のウイスカ強化アルミナ複合材料
は、上記のガスタービン部材に要求される特性を満足す
ることができない。
For example, "Pro.23rd.Autom
ot. Technol. Dev. Contract C
oord. Meet. In 1986, there are 20
By compounding volume% silicon carbide whiskers,
Bending strength is improved from about 300MPa to about 700MPa, and the critical stress intensity factor (K 1C ) is a measure of fracture toughness.
Is 4.5 MPa · m 1/2 to about 8.5 MPa · m
It is disclosed that it is improved to 1/2 . However, the bending strength of this whisker-reinforced alumina composite material sharply decreases when it exceeds 1000 ° C. "The Survey of New Materials for Aircraft" issued by the Japan Aerospace Industry Association in March 1998, page 193 shows that for materials for gas turbine rotors, etc., at temperatures in the range of 1250 ° C to 1450 ° C. It is described that the bending strength needs to be 450 MPa or more. The above-mentioned whisker reinforced alumina composite material cannot satisfy the properties required for the above gas turbine member.

【0004】酸化物セラミックスの強度あるいは耐熱性
をナノ複合化によって向上させる方法も知られている。
例えば、「粉体および粉末合金」37巻、348ページ
(1990年)には、酸化アルミニウムに5体積%の炭
化ケイ素超微粒子を添加して作製したセラミックスナノ
複合材料は、耐熱温度1200℃及び曲げ強度約155
0MPaという優れた特性を示すことが開示されてい
る。しかし、この複合材料のK1Cは約4.8MPa・
1/2であり、通常のモノリシックな窒化ケイ素が有
するK1Cである約6MPa・m1/2に比べても低
い。
A method of improving the strength or heat resistance of oxide ceramics by nanocompositing is also known.
For example, in “Powder and powder alloys”, Vol. 37, p. 348 (1990), a ceramic nanocomposite material prepared by adding 5% by volume of silicon carbide ultrafine particles to aluminum oxide has a heat resistance temperature of 1200 ° C. and bending. Strength about 155
It is disclosed that it exhibits an excellent property of 0 MPa. However, the K 1C of this composite material is approximately 4.8 MPa
m 1/2 , which is lower than about 6 MPa · m 1/2 which is K 1C of ordinary monolithic silicon nitride.

【0005】[0005]

【問題点を解決するための技術的手段】本発明の目的
は、自動車エンジンを始めとする各種熱機関に好適に使
用することのできる、常温から高温まで優れた強度及び
高い破壊靱性値を示すセラミックス複合材料を提供する
ことにある。本発明の上記目的は、(1)繊維軸方向に
配向した結晶質炭素、(2)非晶質炭素及び/又は繊維
軸方向とは異なる方向に配向した結晶質炭素、及び
(3)ケイ素、炭素及び酸素からなる含ケイ素成分から
構成される炭素系複合繊維を強化材とし、炭化物粒子及
び/又は窒化物粒子でナノ複合化した酸化物系ナノ複合
材をマトリックスとする、炭素系複合繊維強化セラミッ
クス複合材料によって達成される。
The object of the present invention is to exhibit excellent strength and high fracture toughness value from room temperature to high temperature, which can be suitably used for various heat engines including automobile engines. It is to provide a ceramic composite material. The above object of the present invention is (1) crystalline carbon oriented in the fiber axis direction, (2) amorphous carbon and / or crystalline carbon oriented in a direction different from the fiber axis direction, and (3) silicon. Reinforcement of carbon-based composite fiber using carbon-based composite fiber composed of silicon-containing components composed of carbon and oxygen as a reinforcing material and oxide-based nanocomposite nanocomposited with carbide particles and / or nitride particles as a matrix Achieved by a ceramic composite material.

【0006】上記(3)の含ケイ素成分は、(i)ケイ
素、炭素及び酸素からなる非晶質物質、(ii)β−S
iC及びCの結晶質微粒子と非晶質SiOとの集合
体、及び(iii)上記(i)の非晶質物質と上記(i
i)の集合体との混合物から構成される。含ケイ素成分
の各元素の割合は、一般に、Si:30〜70重量%、
C:20〜60重量%、及びO:0.5〜10重量%で
ある。上記の含ケイ素成分はこれら元素に加えて、チタ
ン、ジルコニウム及びハフニウムから選択される金属元
素(以下「M」という)を含むことができる。この場合
の含ケイ素成分は、(iv)ケイ素、炭素、M、及び酸
素からなる非晶質物質、又は(v)β−SiC、MC、
C、β−SiCとMCとの固溶体、及びMC1−xから
なる群から選択される少なくとも1種の結晶質微粒子
と、非晶質のSiO及びMOからなる集合体(xは
0より大きく1未満の数である。)、又は(vi)上記
(iv)の非晶質物質と上記(v)の集合体との混合物
で構成される。各元素の割合は、通常、Si:5〜70
重量%、C:20〜40重量%、M:0.5〜45重量
%、O:0.01〜30重量%である。
The above silicon-containing component (3) is (i) an amorphous substance composed of silicon, carbon and oxygen, and (ii) β-S.
An aggregate of crystalline fine particles of iC and C and amorphous SiO 2 , and (iii) the amorphous substance of (i) above and (i)
It is composed of a mixture with the aggregate of i). The proportion of each element of the silicon-containing component is generally 30 to 70% by weight of Si,
C: 20 to 60% by weight, and O: 0.5 to 10% by weight. In addition to these elements, the above-mentioned silicon-containing component can contain a metal element selected from titanium, zirconium, and hafnium (hereinafter referred to as “M”). In this case, the silicon-containing component is (iv) an amorphous substance composed of silicon, carbon, M, and oxygen, or (v) β-SiC, MC,
A solid solution of C, β-SiC and MC, and at least one kind of crystalline fine particles selected from the group consisting of MC 1-x , and an aggregate composed of amorphous SiO 2 and MO 2 (where x is 0 to 0). It is a number less than 1), or (vi) is composed of a mixture of the amorphous substance of (iv) and the aggregate of (v). The ratio of each element is usually Si: 5 to 70
% By weight, C: 20-40% by weight, M: 0.5-45% by weight, O: 0.01-30% by weight.

【0007】本発明の炭素系複合繊維における前記構成
成分の割合は、構成成分(1)と構成成分(2)及び構
成成分(3)の総和との重量比率が1:0.5〜500
0であり、かつ構成成分(2)と構成成分(3)の重量
比率が1:0.02〜4であることが好ましい。炭素系
複合繊維は、例えば、特開平3−104926号公報、
同2−229218号公報に記載の方法に従って調製す
ることができる。これらの公報の記載は本明細書の一部
として援用される。炭素系複合繊維の製法の一例を以下
に示す。まず、ポリカルボシランのような有機ケイ素重
合体と光学的に等方性のピッチとを250〜500℃の
温度で反応させて得られる反応生成物を、Mのハライ
ド、アルコキシド又はキレート化合物と100〜500
℃の温度で反応させ、ついで、反応生成物をメソフェー
ズ相、プリメソフェーズ相又は潜在的異方性のピッチと
300〜500℃の温度で加熱溶融させる。得られる加
熱溶融物において、有機ケイ素重合体の少なくとも一部
がピッチと化学的に結合している。ついで、加熱溶融物
を紡糸し、紡糸繊維を不融化し、不融化繊維を真空中又
は不活性ガス雰囲気で800〜3000℃の温度で焼成
することによって、炭素系複合繊維を製造することがで
きる。
In the carbon-based composite fiber of the present invention, the ratio of the constituents is such that the weight ratio of constituent (1) to the sum of constituent (2) and constituent (3) is 1: 0.5 to 500.
It is preferable that the ratio is 0 and the weight ratio of the constituent component (2) to the constituent component (3) is 1: 0.02 to 4. The carbon-based composite fiber is disclosed in, for example, JP-A-3-104926.
It can be prepared according to the method described in JP-A-2-229218. The descriptions of these publications are incorporated as part of the present specification. An example of the method for producing the carbon-based composite fiber is shown below. First, a reaction product obtained by reacting an organosilicon polymer such as polycarbosilane with an optically isotropic pitch at a temperature of 250 to 500 ° C. is mixed with a halide of M, an alkoxide or a chelate compound to obtain 100 ~ 500
The reaction product is reacted at a temperature of 300C, and then the reaction product is heated and melted at a temperature of 300 to 500C with a mesophase phase, a premesophase phase or a latent anisotropic pitch. In the obtained heated melt, at least a part of the organosilicon polymer is chemically bonded to the pitch. Then, the heated melt is spun, the spun fiber is infusibilized, and the infusibilized fiber is fired at a temperature of 800 to 3000 ° C. in a vacuum or in an inert gas atmosphere to produce a carbon-based composite fiber. .

【0008】炭素系複合繊維の形態については特別の制
限はなく、チョップ状繊維、連続繊維から編織された平
織、朱子織、多軸織、三次元織あるいは不織布であって
もよく、さらに連続繊維を一方向に引き揃えたシート状
物であってもよい。
The form of the carbon-based composite fiber is not particularly limited, and it may be a chopped fiber, a plain weave woven from continuous fibers, a satin weave, a multiaxial weave, a three-dimensional woven fabric or a non-woven fabric. It may be a sheet-like material obtained by aligning in one direction.

【0009】本発明においてマトリックスとなる酸化物
系ナノ複合材は、炭化物粒子及び窒化物粒子の少なくと
も1種の分散粒子が、酸化物セラミックスと粒内ナノ複
合化、粒界ナノ複合化あるいは粒内及び粒界の両ナノ複
合化した組織によって構成されるセラミックスである。
粒内ナノ複合化した組織とは、例えば図1に示すモデル
のように、酸化物系セラミックスの母相粒内にナノオー
ダの分散粒子を分散させて母相粒子そのものを複合化し
た組織である。他方、粒界ナノ複合化した組織とは、例
えば図2に示すモデルのように、酸化物系セラミックス
の母相粒界にナノオーダの分散粒子を分散させて複合化
した組織である。このような酸化物系ナノ複合材は、例
えば、「日本セラミックス協会学術論文誌」第99巻9
47〜982ページ(1991年)に記載された方法に
従って調製することができる。
In the oxide-based nanocomposite used as a matrix in the present invention, at least one kind of dispersed particles of carbide particles and nitride particles is intragranular nanocomposite, intergranular nanocomposite or intragranular nanocomposite with oxide ceramics. And a ceramic composed of a nanocomposite structure of both grain boundaries.
The intragranular nanocomposite structure is, for example, a structure in which dispersed particles of nano-order are dispersed in the matrix particles of the oxide-based ceramic to form a composite of the matrix particles themselves, as in the model shown in FIG. On the other hand, the grain boundary nano-composite structure is a structure in which dispersed particles of the nano order are dispersed in the grain boundary of the matrix phase of the oxide-based ceramic, for example, as in the model shown in FIG. Such an oxide-based nanocomposite material is disclosed, for example, in "Journal of the Ceramic Society of Japan" Vol. 99, 9
It can be prepared according to the method described on pages 47-982 (1991).

【0010】酸化物系ナノ複合材において母相となる酸
化物系セラミックスの具体例としては、アルミニウム、
マグネシウム、ケイ素、イットリウム、インジウム、ウ
ラン、カルシウム、スカンジウム、タンタル、ニオブ、
ネオジウム、ランタン、ルテニウム、ロジウム、ベリリ
ウム、チタン、錫、ストロンチウム、バリウム、亜鉛、
ジルコニウム、鉄のような元素の酸化物、及びこれら金
属の複合酸化物を挙げることができる。これらの酸化物
系セラミックスの粒径は一般に0.05〜1000μm
である。
Specific examples of the oxide-based ceramics that form the matrix phase in the oxide-based nanocomposite material include aluminum,
Magnesium, silicon, yttrium, indium, uranium, calcium, scandium, tantalum, niobium,
Neodymium, lanthanum, ruthenium, rhodium, beryllium, titanium, tin, strontium, barium, zinc,
Mention may be made of oxides of elements such as zirconium and iron, and complex oxides of these metals. The particle size of these oxide-based ceramics is generally 0.05 to 1000 μm.
Is.

【0011】分散粒子となる窒化物の具体例としては、
ケイ素、ホウ素、アルミニウム、マグネシウム、チタ
ン、モリブデンのような元素の窒化物、及びこれら元素
の複合窒化物、あるいはサイアロンを挙げることができ
る。分散粒子の炭化物の具体例としては、ケイ素、チタ
ン、ジルコニウム、アルミニウム、ウラン、タングステ
ン、タンタル、ハフニウム、ホウ素、鉄、マンガンのよ
うな元素の炭化物、及びこれら元素の複合炭化物を挙げ
ることができる。酸化物系ナノ複合材中の分散粒子の形
状については特別の制限はなく、球状、多面状、板状、
針状のいずれであってもよい。分散粒子の大きさは、一
般に、球状又は多面状の場合には、相当直径1〜100
00nmであり、板状又は針状の場合には、最大長さあ
るいは厚さが10000nmである。酸化物系ナノ複合
材中における分散粒子の割合は、一般に、複合材に対し
て1〜50体積%である。
Specific examples of the nitride that becomes the dispersed particles include:
Examples thereof include nitrides of elements such as silicon, boron, aluminum, magnesium, titanium, and molybdenum, composite nitrides of these elements, and sialon. Specific examples of the carbide of the dispersed particles include carbides of elements such as silicon, titanium, zirconium, aluminum, uranium, tungsten, tantalum, hafnium, boron, iron and manganese, and composite carbides of these elements. There is no particular limitation on the shape of the dispersed particles in the oxide-based nanocomposite material, and spherical, polyhedral, plate-shaped,
It may be needle-shaped. In the case of spherical or polyhedral particles, the size of dispersed particles is generally 1 to 100 in terms of equivalent diameter.
In the case of a plate or needle, the maximum length or thickness is 10,000 nm. The proportion of dispersed particles in the oxide-based nanocomposite is generally 1 to 50% by volume with respect to the composite.

【0012】本発明の炭素系複合繊維強化セラミックス
複合材料は、炭素系複合繊維及び酸化物系ナノ複合材
を、それ自体公知の方法に従って配合し、焼結すること
によって調製することができる。炭素系複合繊維がチョ
ップ状物である場合は、チョップ状の繊維及び酸化物系
ナノ複合材の粉末を混合した混合物を調製する。炭素系
複合繊維が長繊維、織物、不織布又はシート状物である
場合は、これらから構成される層及び酸化物系ナノ複合
材の粉末から構成される層を交互に積層した積層物を調
製する。ついで、上記の混合物又は積層物を、所望の形
状に成形した後、あるいは成形と同時に、加熱焼結する
ことによって、本発明の炭素系複合繊維強化セラミック
ス複合材料を得ることができる。複合材料における炭素
系複合繊維の割合は、通常、1〜70体積%である。
The carbon-based composite fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention can be prepared by blending the carbon-based composite fiber and the oxide-based nanocomposite material according to a method known per se and sintering. When the carbon-based composite fiber is a chopped material, a mixture is prepared by mixing the chopped fiber and the oxide-based nanocomposite powder. When the carbon-based composite fiber is a long fiber, a woven fabric, a non-woven fabric, or a sheet-like material, a laminate is prepared by alternately laminating layers composed of these and layers composed of oxide-based nanocomposite powder. . Then, the carbon-based composite fiber-reinforced ceramics composite material of the present invention can be obtained by heating and sintering the above mixture or laminate into a desired shape or at the same time as forming. The ratio of the carbon-based composite fiber in the composite material is usually 1 to 70% by volume.

【0013】上記の混合物又は積層物の成形方法として
は、それ自体公知の方法、例えば、金型プレス法、ラバ
ープレス法、押出し法、シート法を採用することができ
る。成形時のバインダーとして、ポリビニルアルコー
ル、ポリエチレンオキサイド、アルミニウムアルコキシ
ドのような公知の有機重合体、さらにポリカルボシラ
ン、ポリメタロカルボシランを使用することができる。
焼結方法についても特別の制限はなく、成形物を常圧下
又は減圧下で焼結する方法、成形及び焼結を同時に行う
ホットプレス法又は熱間静水圧プレス法のようなそれ自
体公知の方法を採用することができる。加熱焼結温度
は、通常、400〜2500℃である。加熱焼結温度が
過度に低いとマトリックスである酸化物系ナノ複合材が
充分には焼結せず、その温度が過度に高いと炭素系複合
繊維の分解が起こるようになる。
As a method for molding the above mixture or laminate, a method known per se, for example, a die pressing method, a rubber pressing method, an extrusion method or a sheet method can be adopted. Known organic polymers such as polyvinyl alcohol, polyethylene oxide and aluminum alkoxide, as well as polycarbosilane and polymetallocarbosilane can be used as the binder during molding.
There is also no particular limitation on the sintering method, and a method known per se such as a method of sintering a molded article under normal pressure or reduced pressure, a hot pressing method or a hot isostatic pressing method of simultaneously performing molding and sintering. Can be adopted. The heating and sintering temperature is usually 400 to 2500 ° C. If the heating and sintering temperature is too low, the oxide nanocomposite that is the matrix will not be sufficiently sintered, and if the temperature is too high, the carbon-based composite fiber will be decomposed.

【0014】本発明の炭素系複合繊維強化セラミックス
複合材料の別の調製方法として、マトリックスの原料粉
末として酸化物系ナノ複合材の粉末自体を使用する代わ
りに、酸化物系ナノ複合材の原料となる酸化物系セラミ
ックスの粉末と炭化物粒子及び/又は窒化物の粒子とを
公知の方法によって混合した混合粉末を使用する以外
は、上記と同様の方法を採用することもできる。この場
合、成形及び焼結過程中に、マトリックスのナノ複合化
及びマトリックスと炭素系複合繊維との複合化が同時
に、あるいは逐次的に起こり、本発明の炭素系複合繊維
強化セラミックス複合材料が調製される。
As another method for preparing the carbon-based composite fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention, instead of using the oxide-based nanocomposite powder itself as the raw material powder for the matrix, a raw material for the oxide-based nanocomposite material is used. A method similar to the above can also be adopted, except that a mixed powder obtained by mixing a powder of oxide-based ceramics and a particle of carbide and / or nitride by a known method is used. In this case, during the molding and sintering process, the nanocomposite of the matrix and the composite of the matrix and the carbon-based composite fiber occur simultaneously or sequentially to prepare the carbon-based composite fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention. It

【0015】[0015]

【実施例】以下に本発明の実施例を示す。 参考例1 石油留分のうち、軽油以上の高沸点物をシリカ・アルミ
ナ系分解触媒の存在下に500℃の温度で流動接触分解
・精留を行い、塔底より残渣を得た。以下、この残渣を
「FCCスラリーオイル」という。FCCスラリーオイ
ルを窒素ガス気流下450℃に加熱し、同温度における
留出分を留去した後、残渣を200℃で熱時濾過し、同
温度における不融部を除去してピッチAを得た。ピッチ
Aを窒素気流下で、反応によって生成する軽質分を除去
しながら400℃で7時間縮重合を行い、ピッチBを得
た。
EXAMPLES Examples of the present invention will be shown below. Reference Example 1 Among petroleum fractions, high-boiling substances of light oil or higher were subjected to fluid catalytic cracking / rectification at a temperature of 500 ° C. in the presence of a silica / alumina cracking catalyst to obtain a residue from the bottom of the column. Hereinafter, this residue is referred to as "FCC slurry oil". The FCC slurry oil was heated to 450 ° C under a nitrogen gas stream, the distillate at the same temperature was distilled off, and the residue was filtered while hot at 200 ° C to remove the infusible portion at the same temperature to obtain pitch A. It was Pitch A was subjected to polycondensation at 400 ° C. for 7 hours in a nitrogen stream while removing the light components produced by the reaction to obtain pitch B.

【0016】参考例2 ジメチルジクロロシランを金属ナトリウムで脱塩素縮合
して合成されるポリジメチルシランを、窒素気流下で攪
拌しながら420℃で加熱処理して、数平均分子量12
00の有機ケイ素重合体を得た。
Reference Example 2 Polydimethylsilane synthesized by dechlorinating and condensing dimethyldichlorosilane with sodium metal was heat-treated at 420 ° C. with stirring under a nitrogen stream to give a number average molecular weight of 12
00 organosilicon polymer was obtained.

【0017】参考例3 参考例1で得られたピッチA49gに参考例2で得られ
た有機ケイ素重合体21g及びキシレン20mlを加
え、攪拌しながら昇温し、キシレン留去の後、400℃
で6時間反応させ、39gの前駆重合体を得た。この前
駆重合体39gにテトラオクトキシチタン2.75gの
キシレン溶液(25%キシレン溶液11g)を加え、キ
シレン留去の後、340℃で2時間反応させ、ランダム
共重合体38gを得た。このランダム共重合体35gと
参考例1で得られたピッチB70gを混合し、窒素雰囲
気下に310℃で1時間溶融加熱して、均一な状態にあ
るケイ素及びチタンを含有する多環状芳香族重合体を得
た。この多環状芳香族重合体を溶融紡糸し、紡糸繊維を
空気中、300℃で熱酸化して不融化処理した。不融化
繊維をアルゴン雰囲気中、1300℃で焼成して炭素系
複合繊維を得た。この炭素系複合繊維は、繊維径10μ
m、引張強度3.1GPa、引張弾性率320GPa
(測定は単繊維試験法による。)であった。
Reference Example 3 21 g of the organosilicon polymer obtained in Reference Example 2 and 20 ml of xylene were added to 49 g of the pitch A obtained in Reference Example 1, the temperature was raised with stirring, and xylene was distilled off.
And reacted for 6 hours to obtain 39 g of a precursor polymer. To 39 g of this precursor polymer, a xylene solution of 2.75 g of tetraoctoxytitanium (11 g of 25% xylene solution) was added, and after distilling off xylene, the mixture was reacted at 340 ° C. for 2 hours to obtain 38 g of a random copolymer. 35 g of this random copolymer and 70 g of the pitch B obtained in Reference Example 1 were mixed and melt-heated at 310 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a polycyclic aromatic polymer containing silicon and titanium in a uniform state. Got united. This polycyclic aromatic polymer was melt-spun, and the spun fiber was infusibilized by thermal oxidation at 300 ° C. in air. The infusible fiber was fired at 1300 ° C. in an argon atmosphere to obtain a carbon-based composite fiber. This carbon-based composite fiber has a fiber diameter of 10μ.
m, tensile strength 3.1 GPa, tensile elastic modulus 320 GPa
(The measurement is based on the single fiber test method.).

【0018】参考例4 平均粒径0.5μmのγ−アルミナに平均粒径0.3μ
mのβ−炭化ケイ素粒子を5体積%添加し、アルミナ製
ボールを使用してボールミルによりエタノール中で12
時間湿式混合した。この後、混合物を乾燥させ、さらに
12時間乾式混合を行った粉末を、窒素ガス雰囲気中、
30MPaの圧力、1500〜1800℃の温度で黒鉛
ダイス中でホットプレスし、炭化ケイ素粒子で強化した
アルミナ系ナノ複合材(SiC粒/Alナノ複合
材)を得た。このナノ複合材の常温での曲げ強度は1.
5GPa、K1Cは5MPa・m1/2、最高使用温度
は1200℃であった。
Reference Example 4 γ-alumina having an average particle size of 0.5 μm has an average particle size of 0.3 μm.
5% by volume of β-silicon carbide particles of m were added, and the particles were added to 12 in ethanol by a ball mill using alumina balls.
Wet mixed for hours. Then, the mixture was dried, and the powder obtained by dry-mixing for 12 hours was further dried in a nitrogen gas atmosphere.
Hot-pressing was performed in a graphite die at a pressure of 30 MPa and a temperature of 1500 to 1800 ° C. to obtain an alumina-based nanocomposite material (SiC particles / Al 2 O 3 nanocomposite material) reinforced with silicon carbide particles. The bending strength of this nanocomposite at room temperature is 1.
5 GPa and K 1C were 5 MPa · m 1/2 , and the maximum operating temperature was 1200 ° C.

【0019】参考例5 平均粒径0.1μmのマグネシアに平均粒径0.3μm
以下の炭化ケイ素粒子を10体積%添加し、窒化ケイ素
製ボールを使用してボールミルによりトルエン中で24
時間湿式混合した後、混合物を乾燥させた。混合粉末
を、窒素ガス雰囲気中、28MPaの圧力、1700〜
1900℃の温度で黒鉛ダイス中でホットプレスし、炭
化ケイ素粒子で強化したマグネシアナノ複合材(SiC
粒/MgOナノ複合材)を得た。このナノ複合材の常温
での曲げ強度は700MPa、K1Cは4MPa・m
1/2、最高使用温度は1300℃であった。
Reference Example 5 Magnesia having an average particle size of 0.1 μm has an average particle size of 0.3 μm.
The following silicon carbide particles were added in an amount of 10% by volume, and a silicon nitride ball was used in a ball mill for 24 hours in toluene.
After wet mixing for an hour, the mixture was dried. The mixed powder was placed in a nitrogen gas atmosphere at a pressure of 28 MPa and 1700 to
Hot-pressed in a graphite die at a temperature of 1900 ° C and reinforced with silicon carbide particles magnesia nanocomposite (SiC
Granules / MgO nanocomposite) was obtained. The bending strength of this nanocomposite at room temperature is 700 MPa, and K 1C is 4 MPa · m.
1/2 , the maximum operating temperature was 1300 ° C.

【0020】実施例1 参考例4で得られたSiC粒/Alナノ複合材を
窒化ケイ素製ボール及び窒化ケイ素製ポットを使用し
て、ボールミルにより蒸留水中で30時間粉砕してナノ
複合材料のスラリーを得た。このスラリーにバインダー
としてポリエチレンオキサイドをナノ複合材料に対して
10重量%添加した後、窒化ケイ素製ボールを使用して
12時間湿式混合し、マトリックス原料のスラリーを得
た。参考例3で得られた炭素系複合繊維の束を空気吹き
つけによって開繊した後に、上記のマトリックス原料の
スラリーに浸漬し、各炭素系複合繊維の周りにマトリッ
クスの粉末を付着させた。マトリックスの粉末を付着さ
せた炭素系複合繊維の束を角形ドラムに巻き取った後、
充分に乾燥してプリプレグシートを作製した。このプリ
プレグシートを所望の形に切断した後、離型剤として窒
化ホウ素を塗布した黒鉛ダイス中に積層させ、アルゴン
ガス雰囲気中、1650℃の温度、65MPaの圧力で
ホットプレスして、SiC粒/Alナノ複合材を
マトリックスとする炭素系複合繊維強化セラミックス複
合材料を得た。複合材料中の炭素系複合繊維の割合は5
5体積%であった。この複合材料の曲げ強度は常温で
1.93GPa、1300℃で1.8GPaであった。
シェブロンノッチ法により測定した複合材料の破壊靱性
値(K1C)は21.5MPa・m1/2であった。
Example 1 The SiC particles / Al 2 O 3 nanocomposite material obtained in Reference Example 4 was crushed in distilled water for 30 hours by a ball mill using a silicon nitride ball and a silicon nitride pot to form a nanocomposite. A slurry of material was obtained. Polyethylene oxide as a binder was added to the slurry in an amount of 10% by weight based on the nanocomposite material, and the mixture was wet-mixed for 12 hours using a silicon nitride ball to obtain a matrix raw material slurry. The bundle of carbon-based composite fibers obtained in Reference Example 3 was opened by air blowing and then dipped in the slurry of the matrix raw material described above to attach matrix powder around each carbon-based composite fiber. After winding the bundle of carbon-based composite fibers to which the matrix powder is attached to a square drum,
It was sufficiently dried to prepare a prepreg sheet. After cutting this prepreg sheet into a desired shape, it is laminated in a graphite die coated with boron nitride as a release agent, and hot-pressed at a temperature of 1650 ° C. and a pressure of 65 MPa in an argon gas atmosphere to obtain SiC particles / A carbon-based composite fiber-reinforced ceramics composite material using an Al 2 O 3 nanocomposite material as a matrix was obtained. The ratio of carbon-based composite fiber in the composite material is 5
It was 5% by volume. The flexural strength of this composite material was 1.93 GPa at room temperature and 1.8 GPa at 1300 ° C.
The fracture toughness value (K 1C ) of the composite material measured by the chevron notch method was 21.5 MPa · m 1/2 .

【0021】実施例2 平均粒径0.4μmのγ−アルミナに平均粒径0.3μ
mのα−窒化ケイ素粒子を5体積%添加し、アルミナ製
ボールを使用してボールミルによりエタノール中で16
時間湿式混合した後、充分乾燥させ、さらに10時間乾
式混合を行った混合粉末を、マトリックスの原料粉末と
した。参考例3で得られた炭素系複合繊維の束を空気に
吹きつけることにより開繊して得られた炭素系複合繊維
のシートと上記マ卜リックス原料粉末とを、離型剤とし
て窒化ホウ素を塗布した黒鉛ダイス中に交互に積層さ
せ、アルゴンガス雰囲気中、1600℃の温度、75M
Paでホットプレスして、SiC粒/Alナノ複
合材をマトリックスとする炭素系複合繊維強化セラミッ
クス複合材料を得た。複合材料中の炭素系複合繊維の割
合は40体積%であった。この複合材料の曲げ強度は常
温で1.71GPa、1300℃で1.82GPaであ
った。シェブロンノッチ法により測定した複合材料の破
壊靱性値(K1C)は16.4MPa・m1/2であっ
た。
Example 2 γ-alumina having an average particle size of 0.4 μm has an average particle size of 0.3 μm.
5% by volume of α-silicon nitride particles of m was added, and alumina balls were used in a ball mill to make 16
The mixed powder which was wet-mixed for an hour, sufficiently dried, and further dry-mixed for 10 hours was used as a raw material powder for the matrix. A sheet of the carbon-based composite fiber obtained by opening the carbon-based composite fiber bundle obtained in Reference Example 3 by blowing it into the air and the above Matrix raw material powder were treated with boron nitride as a release agent. Alternately laminated in coated graphite dies, in argon gas atmosphere, temperature of 1600 ° C, 75M
Hot pressing was performed at Pa to obtain a carbon-based composite fiber-reinforced ceramic composite material having a SiC grain / Al 2 O 3 nanocomposite as a matrix. The ratio of the carbon-based composite fiber in the composite material was 40% by volume. The flexural strength of this composite material was 1.71 GPa at room temperature and 1.82 GPa at 1300 ° C. The fracture toughness value (K 1C ) of the composite material measured by the chevron notch method was 16.4 MPa · m 1/2 .

【0022】実施例3 参考例5で得られたSiC粒/MgOナノ複合材を窒化
ケイ素製ボール及び窒化ケイ素製ポットを使用して、ボ
ールミルによりエタノールと蒸留水の体積比が4:1の
混合溶媒中で30時間粉砕してナノ複合材料のスラリー
を調製した。このスラリーにバインダーとしてポリエチ
レンオキサイドをナノ複合材料に対して10重量%添加
した後、窒化ケイ素製ボールを使用して12時間湿式混
合し、マトリックス原料のスラリーを得た。実施例1に
おけると同様にして炭素系複合繊維の開繊、上記マトリ
ックス原料の炭素系複合繊維への付着、巻き取り、及び
乾燥をして、プリプレグシートを作製した。このプリプ
レグシートを所望の形に切断した後に積層し、ついで脱
脂処理した。この積層体に離型剤として窒化ホウ素を塗
布して、ガラスカプセルに真空封入した後、アルゴンガ
ス中、1850℃の温度、150MPaの圧力で熱間静
水圧プレスを行って、SiC粒/MgOナノ複合材をマ
トリックスとする炭素系複合繊維強化セラミックス複合
材料を得た。この複合材料中の炭素系複合繊維の割合は
45体積%であった。この複合材料の曲げ強度は常温で
1.57GPa、1300℃で1.54GPaであっ
た。シェブロンノッチ法により測定した複合材料の破壊
靱性値(K1C)は19.4MPa・m1/2であっ
た。
Example 3 The SiC particles / MgO nanocomposite material obtained in Reference Example 5 was mixed with a ball mill using a ball made of silicon nitride and a pot made of silicon nitride at a volume ratio of ethanol and distilled water of 4: 1. A nanocomposite slurry was prepared by grinding in a solvent for 30 hours. Polyethylene oxide as a binder was added to this slurry in an amount of 10% by weight with respect to the nanocomposite material, and then wet-mixed for 12 hours using a silicon nitride ball to obtain a matrix raw material slurry. In the same manner as in Example 1, the carbon-based composite fiber was opened, the matrix raw material was attached to the carbon-based composite fiber, wound, and dried to prepare a prepreg sheet. This prepreg sheet was cut into a desired shape, laminated, and then degreased. After applying boron nitride as a release agent to this laminate and vacuum-sealing it in a glass capsule, hot isostatic pressing was performed in argon gas at a temperature of 1850 ° C. and a pressure of 150 MPa to obtain SiC grains / MgO nano particles. A carbon-based composite fiber-reinforced ceramics composite material using the composite material as a matrix was obtained. The ratio of carbon-based composite fiber in this composite material was 45% by volume. The flexural strength of this composite material was 1.57 GPa at room temperature and 1.54 GPa at 1300 ° C. The fracture toughness value (K 1C ) of the composite material measured by the chevron notch method was 19.4 MPa · m 1/2 .

【0023】実施例4 参考例3で得られた炭素系複合繊維を長さ1〜2mmに
切断してチョップ状繊維にした。このチョップ状繊維を
エタノール中で超音波及びオムニミキサーを併用して分
散させた。分散液に実施例3で調製したマトリックス原
料のスラリーを加えた後、ナイロンボールを使用てボー
ルミルにより5時間湿式混合した。この混合スラリーか
ら濾過法によりチョップ状繊維が均一分散した厚さ1m
mの薄板状プリプレグシートを作製した。このプリプレ
グシートを所望の形に切断した後、離型剤として窒化ホ
ウ素を塗布した黒鉛製ダイス中に積層させ、アルゴンガ
ス雰囲気中、1850℃の温度、75MPaの圧力でホ
ットプレスすることにより、SiC粒/MgOナノ複合
材をマトリックスとする炭素系複合繊維強化セラミック
ス複合材料を得た。複合材料中の炭素系複合繊維の割合
は30体積%であった。この複合材料の曲げ強度は常温
で0.85GPa、1300℃で0.82GPaであっ
た。シェブロンノッチ法により測定した複合材料の破壊
靱性値(K1C)は9.8MPa・m1/2であった。
Example 4 The carbon-based composite fiber obtained in Reference Example 3 was cut into a chopped fiber by cutting it to a length of 1 to 2 mm. The chopped fibers were dispersed in ethanol using ultrasonic waves and an omni mixer together. The matrix raw material slurry prepared in Example 3 was added to the dispersion liquid, and the mixture was wet-mixed for 5 hours by a ball mill using nylon balls. 1m thick with chopped fibers uniformly dispersed from this mixed slurry by filtration
A m-thick prepreg sheet was prepared. After cutting this prepreg sheet into a desired shape, the prepreg sheet is laminated in a graphite die coated with boron nitride as a release agent, and hot-pressed at a temperature of 1850 ° C. and a pressure of 75 MPa in an argon gas atmosphere to obtain SiC. A carbon-based composite fiber-reinforced ceramics composite material having a grain / MgO nanocomposite material as a matrix was obtained. The ratio of the carbon-based composite fiber in the composite material was 30% by volume. The flexural strength of this composite material was 0.85 GPa at room temperature and 0.82 GPa at 1300 ° C. The fracture toughness value (K 1C ) of the composite material measured by the chevron notch method was 9.8 MPa · m 1/2 .

【0024】[0024]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】粒内ナノ複合材料のモデルである。FIG. 1 is a model of intragranular nanocomposite.

【図2】粒界ナノ複合材料のモデルである。FIG. 2 is a model of a grain boundary nanocomposite material.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 光彦 山口県宇部市大字小串1978番地の5 宇部 興産株式会社無機材料研究所内 (72)発明者 田村 誠 山口県宇部市大字小串1978番地の5 宇部 興産株式会社無機材料研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Mitsuhiko Sato 5 1978, Ogushi, Ube, Yamaguchi Prefecture 5 1978, Inorganic Materials Laboratory, Ube Industries Ltd. (72) Inventor Makoto Tamura 5 1978, Ogushi, Ube, Yamaguchi Prefecture 5 Ube Kosan Inorganic Materials Research Center

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】(1)繊維軸方向に配向した結晶質炭素、
(2)非晶質炭素及び/又は繊維軸方向とは異なる方向
に配向した結晶質炭素、及び(3)ケイ素、炭素及び酸
素からなる含ケイ素成分から構成される炭素系複合繊維
を強化材とし、炭化物粒子及び/又は窒化物粒子でナノ
複合化した酸化物系ナノ複合材をマトリックスとする、
炭素系複合繊維強化セラミックス複合材料。
1. A crystalline carbon oriented in a fiber axis direction,
(2) Amorphous carbon and / or crystalline carbon oriented in a direction different from the fiber axis direction, and (3) a carbon-based composite fiber composed of a silicon-containing component composed of silicon, carbon and oxygen is used as a reinforcing material. , Using an oxide-based nanocomposite nanocomposited with carbide particles and / or nitride particles as a matrix,
Carbon composite fiber reinforced ceramic composite material.
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