JPH06263549A

JPH06263549A - ３次元繊維強化セラミックス基複合材料の製造法及びその装置

Info

Publication number: JPH06263549A
Application number: JP5075270A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Nakano; 喜久男中野; Akira Kamiya; 晶神谷
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1993-03-08
Filing date: 1993-03-08
Publication date: 1994-09-20
Anticipated expiration: 2010-10-04
Also published as: JPH0791121B2

Abstract

(57)【要約】【目的】３次元繊維プリフォーム５内の間隙にマトリ
ックス物質を充填して３次元繊維強化セラミックス基複
合材料を得るに際し、スラリー状のマトリックス物質ま
たはその前駆体物質を高密に圧入し、焼成後における気
孔の含有量をできるだけ減少させる。【構成】３次元繊維プリフォーム５内の間隙に、マト
リックスとして、フィラー粉末と、有機結合剤又はその
前駆体物質を含むスラリー６を高密に充填して、３次元
繊維強化セラミックス基複合材料を製造する。この充填
に際し、上記スラリー６を３次元繊維プリフォーム５内
に高圧で圧入すると同時に、３次元繊維プリフォーム５
の反対側からペーパーフィルタ１９及び多孔性燒結金属
板１８を介して真空吸引する。ペーパーフィルタ１９に
おいては、スラリー６中のフィラー粉末の通過を抑制し
ながら、溶媒部分のみを通過させて排出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３次元繊維強化セラミ
ックス基複合材料の製造法及びその装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】繊維強化セラミックス基複合材料は、従
来の単体セラミックスがもっていた致命的な欠陥、即
ち、低靱性及び強度的な信頼性の低さ等を改善するもの
として最近注目を集めるようになった。この種の繊維強
化複合材料は、強化材繊維の構成形態によって、繊維を
一方向のみに配置した１次元強化、二方向に配置（平面
的に配置）した２次元強化、そして三方向に配置（立体
的配置）した３次元強化の３種類に分けられる。１次元
強化の場合、引張及び曲げ強度は、繊維方向には強いも
のの、繊維に直角などの方向においては弱い。また、２
次元強化の場合、繊維配列した平面内での強度は大きい
ものの、それに直角な方向の強度は小さく、剥離を起こ
し易い。ところが、３次元強化の場合、どの方向の強度
もほぼ等しく等方的な性質をもっている。したがって、
繊維強化複合材料を構造材料として用いる場合、３次元
強化が最も理想的である。

【０００３】繊維強化セラミックス基複合材料の作製に
ついては、１及び２次元強化の場合は比較的容易である
が、３次元強化の場合は非常に難しく、解決されなけれ
ばならない幾つかの問題を含んでいる。３次元繊維強化
セラミックス基複合材料の製造法における問題点は、基
本的には３次元的に構成された繊維織成物（プリフォー
ム）の繊維間隙にマトリックスとなるセラミックスを充
填することである。しかし、１次元及び２次元繊維プリ
フォームと異なって、３次元繊維プリフォームでは繊維
が密に、しかも立体的に織り上げられているため、各繊
維が互いに強く接触しあって繊維間隙が狭く、繊維間の
空隙も全体的に大きな流通路で連通していない。したが
って、マトリックス物質の充填もそれだけ困難である。

【０００４】このように緻密な繊維間隙にマトリックス
物質を充填するには、高圧でマトリックス物質あるいは
その前駆体物質（化学反応又は熱分解によってマトリッ
クスとなるような物質）を浸入させることが必要であ
る。しかしながら、その高圧化に限度があるばかりでな
く、流体状にしたマトリックス物質を圧入した後の焼成
過程において、有機結合剤又は前駆体物質が熱分解を起
こして揮発成分が離脱するため、図１に示すように、複
合材料１における３次元繊維プリフォーム２間のマトリ
ックス部分３に多量の気孔４を生ずることになる。その
ため、高密度化された複合材料を製造するためには、こ
の気孔の含有量をできるだけ減らさなければならない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、３次元繊維プリフォーム内の間隙にマトリックス物
質を充填するに際し、スラリー状のマトリックス物質ま
たはその前駆体物質を高密に圧入し、焼成後における気
孔の含有量をできるだけ減少できるようにした３次元繊
維強化セラミックス基複合材料の製造法及びその装置を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段、作用】上記課題を解決す
るための本発明の複合材料製造法は、３次元繊維プリフ
ォーム内の間隙に、マトリックスとして、セラミックス
微粉末（これをフィラー粉末と呼ぶ。）と、有機結合剤
又はその前駆体物質を含むスラリーを高密に充填して、
３次元繊維強化セラミックス基複合材料を製造するため
の方法であって、上記フィラー粉末と有機結合剤又は前
駆体物質とを含んだスラリーを、その３次元繊維プリフ
ォーム内に高圧で圧入すると同時に、３次元繊維プリフ
ォームの反対側からペーパーフィルタ及び多孔性燒結金
属板を介して真空吸引し、このペーパーフィルタにおい
てスラリー中のフィラー粉末及び溶質としての有機結合
剤又は前駆体物質の通過を抑制しながら、溶媒部分のみ
を通過させて排出し、３次元繊維プリフォーム中にスラ
リーを高密に含浸させたセラミックス基複合材料を得る
ことを特徴とするものである。

【０００７】また、本発明の複合材料製造装置は、３次
元繊維プリフォーム内の間隙に、マトリックスとして、
フィラー粉末と、有機結合剤又はその前駆体物質を含む
スラリーを高密に充填して、３次元繊維強化セラミック
ス基複合材料を製造するための装置であって、ピストン
によって加圧されるシリンダ内に３次元繊維プリフォー
ム及び上記スラリーを収容する空間を設けると共に、多
孔性焼結金属板及びその上に周辺をシールして敷設した
ペーパーフィルタを通して、上記空間を真空ポンプに接
続される吸引室に連通させ、上記ペーパーフィルタを、
スラリー中のフィラー粉末、有機結合剤又は前駆体物質
の通過を抑制するが溶媒部分を通過させるものとしたこ
とを特徴とするものである。

【０００８】さらに具体的に説明すると、本発明の複合
材料製造法においては、マトリックス物質として、フィ
ラー粉末、有機結合剤及び媒質液体によって形成したス
ラリーが用いられ、又は、溶融前駆体物質、溶融前駆体
物質とフィラー粉末、溶媒に溶かされた前駆体物質、若
しくは溶媒に溶かされた前駆体物質とフィラー粉末から
なる液体状前駆体物質のスラリーが用いられる。

【０００９】上記フィラー粉末としては、マトリックス
となる各種セラミックスの微粉末を用い得るが、例え
ば、ＳｉＣをマトリックスとする場合には、β−ＳｉＣ
微粉末（０．３μｍ）が適している。また、有機結合剤
としては、ポリビニールアルコール、炭化水素系ワック
スなどが適している。溶融前駆体物質としては、ポリシ
ラスチレン、ポリカルボシラン、ポリシラザン及びポリ
ヒドロシラザンなどがある。

【００１０】これらのスラリーは、炭素繊維、ガラス繊
維、その他適宜材料の強化用繊維で３次元的に織成され
た繊維プリフォーム中に高圧で圧入して含浸させるが、
その圧入と同時に、３次元繊維プリフォームの反対側か
らペーパーフィルタ及び多孔性燒結金属板を介して真空
吸引し、フィラー粉末、有機結合剤又は前駆体物質の通
過を抑制して溶媒部分を積極的に排出させる。スラリー
中の有機結合剤や前駆体物質は、セラミックス複合材料
作製時の焼成過程において、熱分解を起こして揮発成分
が離脱するが、これをできるだけ除去しないと、複合材
料のマトリックス部分に気孔を生ずることになる（図
１）。スラリー中の有機結合剤又は前駆体物質の含有量
を減らし、その代わりにフィラー粉末を加えることは、
この気孔の発生を抑制し、高密度化された複合材料を作
製するために有効なものである。

【００１１】本発明において用いる有機結合剤及び前駆
体物質の主な役割の一つは、スラリーを３次元繊維プリ
フォームに含浸させ、乾燥状態にして作製されたグリー
ン成形体中での繊維／充填物質間の強度をある程度に保
ち、その後の作業を行い易くすることである。このよう
な目的のために、有機結合剤または前駆体物質の量は、
経験的には、媒質液体の５〜１００％が必要である。ま
た、媒質液体はフィラー粉末量の０．５倍以上必要であ
る。なお、マトリックス物質としては、有機結合剤の含
有量がフィラー粉末の１０％以下であることが特に望ま
しい。また、液体状前駆体物質としては、前駆体物質は
通常焼成過程において熱分解してセラミックス化する
が、その割合は７０％以下が普通である。

【００１２】

【実施例】図２は、上述したような液体状のマトリック
ス物質を３次元繊維プリフォームの繊維間隙に充填する
ための本発明の複合材料製造装置の構成例を、模式的に
示すものである。この製造装置は、内部に吸引室１２を
凹設した基台１１と、その基台１１の上部に設置され、
上記吸引室１２と連通するシリンダ孔１４をもったシリ
ンダ１３とを備えている。上記基台１１は、内部の吸引
室１２を、その内底に開口する吸引路１５を介して真空
ポンプに接続するようにしたもので、吸引室１２内の段
部にはＯリング１７を介して多孔のステンレス製底板１
６を載置し、その底板１６上には多孔性焼結金属板（ポ
ーラストン）１８を装着し、更に、その焼結金属板１８
上にはペーパーフィルタ１９を敷き、このペーパーフィ
ルタ１９と上記シリンダ１３との間にＯリング２０を介
装して、ペーパーフィルタ１９の周囲からの高圧のスラ
リーの漏洩を防止している。

【００１３】また、上記シリンダ１３内のシリンダ孔１
４の下部においては、上記ペーパーフィルタ１９の上方
に位置させて、３次元繊維プリフォーム５及びスラリー
６を収容する空間を設け、この空間を介してシリンダ孔
１４内にピストン２１を嵌装し、このピストン２１を加
圧装置（図示省略）のラム２２によって圧下できるよう
に構成している。そして、上記ピストン２１の周囲に
は、シリンダ１３内面との間の間隙よりスラリー６が逆
流出しないように、Ｏリング２３及び必要数のテフロン
（商品名）製ピストンリング２４を装着している。

【００１４】このようなピストン２１により、３次元繊
維プリフォーム５及びスラリー６を収容した部分を上方
から閉鎖すると、スラリー６の上方の空間に空気が封じ
込められる。この空気を排出するため、上記ピストン２
１には、空気抜き孔２６を穿設し、その内端に該孔２６
を閉鎖する鋼球栓２７を嵌入し、この鋼球栓２７を空気
抜き穴２６に螺挿した供給固定ねじ２８により閉鎖位置
に保持できるようにしている。上記ステンレス製の底板
１６は、直径１mmφ程度の穴径をもつ多数の穴を穿設し
たものである。また、ペーパーフィルタ１９は、スラリ
ー６中のフィラー粉末（通常１μm 以下の粒径）の通過
をくい止め、溶媒部分のみを通過させるため、０．３μ
ｍ程度の穴径を有するものである。

【００１５】複合材料の製造装置をこのように構成する
と、ピストン２１に最大圧力４００kgf/cm² を印加して
も、シリンダ孔１４内のスラリー６が外部へ滲み出すこ
とがないことを実験的に確かめている。また、繊維プリ
フォーム５内にスラリー６中の微粉末、有機結合剤及び
前駆体物質を、均質かつ高密に充填するためには、加圧
装置において、加圧速度を０．０５〜５０ mm/min の間
で任意設定することができ、さらに加圧速度の精密制御
（等速制御の場合：５０ mm/min ±０．２％以内、定荷
重制御の場合：１．００〜２０．００ tf ±１％以内）
ができることが望ましい。

【００１６】上記構成を有する製造装置により３次元繊
維強化複合材料を製造するに際しては、まず、シリンダ
孔１４の内底に繊維プリフォーム５を入れ、その上に上
記スラリー６、即ち、液状のマトリックス物質を繊維プ
リフォーム５の嵩体積よりも多量に入れ、ピストン２１
における鋼球固定ねじ２８を一旦ゆるめて鋼球栓２７を
開き、スラリー６液面上の空気を排出した後、再び鋼球
栓２７を閉じてピストン２１によりスラリー６を上から
押し、それと同時に下方から吸引室１２を真空ポンプで
吸引することにより、スラリー６が繊維プリフォーム５
の繊維間隙に高密に充填される。

【００１７】この場合に、上記ピストン２１の周囲にＯ
リング２３及び必要数のピストンリング２４を装着して
いるので、高圧でピストン２１を押しても、シリンダ１
３内面との間の間隙よりスラリー６が逆流出することは
ない。また、シリンダ孔１４の底部においては、ペーパ
ーフィルタ１９の上部及び底板１６の下部にそれぞれＯ
リング２０，１７を装着しているので、高圧のスラリー
が外部へ滲み出すことはなく、ペーパーフィルタ１９に
よりスラリー中のフィラー粉末の通過をくい止め、溶媒
部分のみを通過させる。この溶媒部分は、ペーパーフィ
ルタ１９の下の多孔性焼結金属板１８及び底板１６の穴
を通して吸引室１２に排出される。

【００１８】このようにして、ピストンによる加圧と真
空ポンプによる吸引を併用すると、以下のような利点が
ある。１、シリンダ１３中に繊維プリフォーム５及びスラリー
６を投入し、その後ピストン２１を挿入して加圧操作を
行う際、繊維プリフォーム５中及びスラリー６上面とピ
ストン２１間に残っている空気が、それを真空ポンプに
よる操作で容易に吸引することができ、結果的にマトリ
ックスの高密度充填が可能になる。

【００１９】２、加圧操作以前に投入されたスラリー６
は、繊維プリフォーム５の間隙への含浸を容易にするた
め低粘性状態にしている（媒質液体中での有機結合剤ま
たは前駆体物質の濃度が低い。）が、図２の装置による
加圧−吸引操作のうち、特に吸引操作によって、スラリ
ー６中での溶媒成分を多く離脱させることができ、結果
として、溶質（有機結合剤または前駆体物質）の濃度の
高い状態として、フィラー粉末と共に繊維プリフォーム
５の間隙に充填可能になる。なお、この効果は、図２の
シリンダ１３の底部にあるペーパーフィルタ１９の穴径
によって調節可能である。通常、小さな穴径（例えば、
０．３または０．１μｍ）のペーパーフィルタを用いる
と、かなりの量の溶質部分を残すことが可能である。）３、加圧操作に吸引操作を併用すると、スラリー中の脱
溶媒のために要する時間を短縮することができる。

【００２０】次に、本発明の複合材料製造方法の実施例
を示す。実質的に図２に示すような構成を有する装置を
用いて３次元繊維強化ＳｉＣ複合材料を作製した。３次
元繊維プリフォームとしては、炭素繊維を厚さ６mmの平
板状に直交組織した織成物（繊維含有率：５４％）を４
５mm×６０mmの大きさに切断したものを用いた。一方、
この３次元繊維プリフォームに圧入するスラリーは、８
０ｇのＳｉＣ微粉末（平均粒径：０．３μｍ）に、前駆
体物質として２０ｇのポリシラスチレンを加え、更に、
焼結助剤として５ｇのホウ化アルミニウム粉末を加えた
ものに、有機溶媒として１００ｇのトルエンを添加して
よく混合することにより調製した。

【００２１】このスラリーと炭素繊維で織成された３次
元繊維プリフォームをシリンダ中に入れ、ピストンの加
圧速度０．０５ mm/min で最大圧力２４ＭＰａまで加圧
し、その圧力で１．５時間保持して、繊維／セラミック
ス前駆体複合成形体を作製した。次に、この複合成形体
を、Ａｒ中７００℃で前駆体物質の熱分解を行った後、
更に、２０００℃、Ａｒ中で約１時間焼成することによ
り、気孔の含有量が非常に僅少な（気孔率１５％）３次
元繊維強化／ＳｉＣ複合材料を作製することができた。

【００２２】

【発明の効果】このような本発明の方法及び装置によれ
ば、３次元繊維プリフォーム内の間隙にマトリックス物
質を充填するに際し、スラリー状のマトリックス物質ま
たはその前駆体物質を高密に圧入し、焼成後における気
孔の含有量をできるだけ減少させて高密度化した３次元
繊維強化セラミックス基複合材料を製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】３次元繊維プリフォーム間にマトリックス物質
を充填する場合の問題点を説明するための説明図であ
る。

【図２】本発明に係る複合材料製造装置の実施例を示す
側断面図である。

【符号の説明】

５繊維プリフォーム、６スラリー、１３シリンダ、１８多孔性焼結金属板、１９ペーパーフィルタ、２１ピストン。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３次元繊維プリフォーム内の間隙に、マト
リックスとして、セラミックス微粉末と、有機結合剤又
はその前駆体物質を含むスラリーを高密に充填して、３
次元繊維強化セラミックス基複合材料を製造するための
方法であって、上記セラミックス微粉末と有機結合剤又は前駆体物質と
を含んだスラリーを、その３次元繊維プリフォーム内に
高圧で圧入すると同時に、３次元繊維プリフォームの反
対側からペーパーフィルタ及び多孔性燒結金属板を介し
て真空吸引し、このペーパーフィルタにおいてスラリー
中のセラミックス微粉末の通過を抑制しながら、溶媒部
分のみを通過させて排出し、３次元繊維プリフォーム中
にスラリーを高密に含浸させたセラミックス基複合材料
を得る、ことを特徴とする３次元繊維強化セラミックス
基複合材料の製造法。
【請求項２】３次元繊維プリフォーム内の間隙に、マト
リックスとして、セラミックス微粉末と、有機結合剤又
はその前駆体物質を含むスラリーを高密に充填して、３
次元繊維強化セラミックス基複合材料を製造するための
装置であって、ピストンによって加圧されるシリンダ内に３次元繊維プ
リフォーム及び上記スラリーを収容する空間を設けると
共に、多孔性焼結金属板及びその上に周辺をシールして
敷設したペーパーフィルタを通して、上記空間を真空ポ
ンプに接続される吸引室に連通させ、上記ペーパーフィ
ルタを、スラリー中のセラミックス微粉末の通過を抑制
するが溶媒部分を通過させるものとした、ことを特徴と
する３次元繊維強化セラミックス基複合材料の製造装
置。