JPH06287061A - SiC基複合セラミックスおよびその製造方法 - Google Patents

SiC基複合セラミックスおよびその製造方法

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JPH06287061A
JPH06287061A JP5073362A JP7336293A JPH06287061A JP H06287061 A JPH06287061 A JP H06287061A JP 5073362 A JP5073362 A JP 5073362A JP 7336293 A JP7336293 A JP 7336293A JP H06287061 A JPH06287061 A JP H06287061A
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sic
matrix
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less
composite ceramic
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JP5073362A
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Masahiro Asayama
雅弘 浅山
Tsuneji Kameda
常治 亀田
Akiko Suyama
章子 須山
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 SiCをマトリックスとする複合セラミックス
において、繊維等による複合強化効果を十分に得ること
を可能にすることによって、高強度で、信頼性に優れた
SiC基複合セラミックスを提供する。 【構成】 SiCを主成分とするマトリックス内に、長繊
維、短繊維およびウィスカーから選ばれる少なくとも 1
種の強化素材を複合した SiC基複合セラミックスであ
る。マトリックスは、α-SiCを少なくとも80重量% 含む
出発原料からなり、かつマトリックスを構成する SiC結
晶粒の平均アスペクト比(長径/短径)は 3以下であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、繊維等で強化した SiC
基複合セラミックスおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、 SiC、Si3 N 4 、サイアロン等
の非酸化物系セラミックス材料は、耐熱性、強度、耐摩
耗性等に優れ、また軽量である等という金属等の従来材
料にない各種特性を有することから、構造・機械部品用
材料等への適用が進められている。ただし、セラミック
ス材料は、本質的に引張応力に弱く、破壊が一気に進行
する、いわゆる脆性という欠点を有している。
【0003】このようなことから、セラミックス部品の
信頼性をより向上させるために、セラミックス材料の高
靭性化や高信頼性化等を図ることが強く求められてい
る。そこで、上述したような各種のセラミックス材料を
マトリックスとし、このマトリックス内にセラミックス
長繊維やウィスカー等を分散含有させた、繊維強化複合
セラミックスの実用化が進められている。
【0004】上記したような繊維強化複合セラミックス
としては、従来、Si3 N 4 をマトリックスとしたものが
精力的に研究されてきたが、Si3 N 4 は焼結中に粒成長
を起こし、長繊維やウィスカーによる高靭性化機構であ
るプルアウトやブリッジングをSi3 N 4 粒子が起こすた
め、必ずしも複合化による靭性向上効果が十分に得られ
ていない。
【0005】一方、 SiCの高硬度で耐酸化性や耐食性等
に優れるという特徴を活かすために、マトリックスとし
て SiCを用い、これに長繊維やウィスカー等を複合化す
ることも試みられているが、一般に出発原料として用い
られているβ-SiCは、Si3 N4 と同様に粒成長を起こす
ため、ウィスカー等と区別がつかなくなったり、あるい
は長繊維によって粒成長が抑制され、緻密な焼結体が得
られにくくなる等の問題が生じている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の SiC基複合セラミックスでは、マトリックスの出発原
料が粒成長を起こすことから、複合強化素材の添加効果
が十分に得られないというような問題や、緻密な焼結体
が得られにくくなる等という問題を招いていた。このよ
うなことから、高硬度で耐摩耗性部品等に好適で、かつ
耐酸化性や耐アルカリ性等に優れる SiCセラミックスの
複合強化による高靭性化・高信頼性化を、有効に実現す
ることを可能にする技術が強く求められている。
【0007】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、 SiCをマトリックスとする複合セラ
ミックスにおいて、繊維等による複合強化効果を十分に
得ることを可能にすることによって、高強度で、信頼性
に優れた SiC基複合セラミックスおよびその製造方法を
提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段と作用】本発明の SiC基複
合セラミックスは、 SiCを主成分とするマトリックス内
に、長繊維、短繊維およびウィスカーから選ばれる少な
くとも 1種の強化素材が複合された SiC基複合セラミッ
クスであって、前記マトリックスは、α-SiCを少なくと
も80重量% 含む出発原料からなり、かつ前記マトリック
スを構成する SiC結晶粒の平均アスペクト比(長径/短
径)が 3以下であることを特徴としている。
【0009】また、本発明の SiC基複合セラミックスの
製造方法は、 SiCを主成分とするマトリックス内に、長
繊維、短繊維およびウィスカーから選ばれる少なくとも
1種の強化素材を複合した SiC基複合セラミックスを製
造するにあたり、前記マトリックスの出発原料として、
α-SiCを少なくとも80重量% 含むと共に、平均粒径が5
μm 以下で、かつ粒径 0.1μm 以下の微細粒子の含有量
が 5重量% 以下の SiC原料粉末を用いることを特徴とし
ている。
【0010】本発明の SiC基複合セラミックスのマトリ
ックスは、出発原料がα-SiCを少なくとも80重量% 含む
原料粉末からなるものである。本発明で出発原料として
用いるα-SiCは、焼結時における粒成長がβ-SiCに比べ
て等方的で、均質な焼結体が得られると共に、粒状の S
iC結晶粒、すなわち長径と短径との比である平均アスペ
クト比(長径/短径)が 3以下の結晶粒により焼結体
(マトリックス)を構成することができる。
【0011】このような粒状の SiC結晶粒でマトリック
スを構成することによって、添加する強化素材(長繊
維、短繊維、ウィスカー)の効果を十分に発揮させるこ
とが可能となる。すなわち、β-SiCを出発原料とする
と、焼結時に粒成長によって SiC結晶粒が板状となり、
繊維状強化素材が板状 SiC結晶粒間に埋もれ、その効果
を十分に得ることができなくなるのに対し、α-SiCを出
発原料として用いることによって、粒状 SiC結晶粒間に
繊維状強化素材を所期の状態で配置することが可能とな
り、その効果を十分に発揮させることができる。出発原
料中のα-SiC量が80重量% 未満であると、上記したよう
な効果を十分に得ることができなくなる。出発原料は、
ほぼ全てα-SiCとすることがより好ましい。
【0012】ここで、マトリックスを構成する SiC結晶
粒の平均アスペクト比が 3を超えると、β-SiCを出発原
料とする場合と同様に、繊維状強化素材と区別しにくく
なり、その効果を十分に発揮させることができなくなる
と共に、繊維に粒成長が阻害され、緻密な焼結体が得ら
れにくくなる。また、 SiCマトリックスは、結晶粒の平
均粒径が50μm 以下で、かつ最大粒径が 100μm 以下、
すなわち 100μm を超える結晶粒を含まないことが好ま
しい。 SiC結晶粒の平均粒径が50μm を超えると、結晶
粒自体が潜在的な欠陥となり、クラックの発生起点とな
るおそれがある。ただし、破壊靭性値は SiC結晶粒の粒
径の増大に伴って良好な値を示すようになることから、
SiC結晶粒の平均粒径は、 1〜50μm の範囲とすること
が好ましい。
【0013】さらに、出発原料としてα-SiCを用いる
と、β-SiCを用いた場合に比べて、焼結温度を 100℃以
上下げることが可能となる。これにより、マトリックス
内に分散配置する繊維状強化素材の劣化を抑制すること
ができ、より一層繊維状強化素材による複合効果を良好
に得ることができる。
【0014】本発明に用いる強化素材は、長繊維、短繊
維およびウィスカーから選ばれる少なくとも 1種の繊維
状物質であればよく、特にその材質等に限定されるもの
ではないが、高強度等を有することから、炭化ケイ素繊
維、窒化ケイ素繊維、炭素繊維、炭化ケイ素ウィスカ
ー、窒化ケイ素ウィスカー、アルミナウィスカー等を用
いることが好ましい。また、強化素材の形状も、特に限
定されるものではなく、要求特性に応じて選択すればよ
い。このような強化素材の配合量は、強化素材の材質や
形状によっても異なるが、複合セラミックスの全体積に
対して20〜50体積% の範囲とすることが好ましい。
【0015】本発明の SiC基複合セラミックスは、例え
ば以下のようにして作製する。すなわち、まず出発原料
として、α-SiCを少なくとも80重量% 含有する SiC原料
粉末を用意する。この出発原料となる SiC原料粉末は、
平均粒径が 5μm 以下で、かつ粒径 0.1μm 以下の微細
粒子の含有量が 5重量% 以下のものを用いることが好ま
しい。 SiC原料粉末の平均粒径が 5μm を超えると、成
形時に繊維状強化素材の隙間に、十分に SiC粉末を充填
することができず、焼結体密度の低下等を招くおそれが
ある。また、 0.1μm 以下の微細粒子を 5重量% を超え
て含んでいると、成形性の低下を招き、成形体密度が低
下してしまう。
【0016】上述したような SiC粉末に、ホウ素+炭素
系やアルミナ系の焼結助剤を適量加え、十分に混合した
後、繊維状強化素材を所望の比率で混合する。この際、
繊維状強化素材で予め予備成形体を作製したり、繊維状
強化素材を成形型内に予め配置し、これらに SiC原料粉
末を充填するようにしてもよい。また、成形体の作製方
法としては、スリップキャスト法、プレス成形法等、各
種公知の成形法を適用することができる。この後、例え
ばホットプレスによって、マトリックスとなるSiCを焼
結させる。なお、焼結方法としては、常圧焼結、雰囲気
加圧焼結、熱間静水圧焼結法(HIP)等を適用するこ
とも可能である。
【0017】
【実施例】以下、本発明を実施例によって説明する。
【0018】実施例1 まず、 SiC粉末の出発原料として、平均粒径が 0.6μm
のα-SiC粉末(粒径が0.1μm 以下の微細粒子の含有量
は 5重量% 以下、α化率 85%)を用意し、これに焼結助
剤としてカーボンを 2重量% とホウ素を 1重量% 加え、
分散媒として純水を用いて、ボールミル中で48時間混合
し、 SiC原料スラリーを作製した。
【0019】一方、強化素材としての長繊維として、 S
iC繊維(平均長さ=50mm,平均径= 15μm)を用意した。こ
の長繊維を石こう型のキャビティ内に予め配置し、その
上から上記 SiC原料スラリーを流し込み、形状が50×50
×6mm の長繊維含有 SiC成形体を作製した。なお、長繊
維の配合量は、焼結後において複合セラミックス中の長
繊維の体積比が 30%となるようにした。
【0020】この後、上記長繊維含有 SiC成形体を、18
00℃でホットプレスして焼結させることにより、 SiC基
複合セラミックスを得た。この複合セラミックスを後述
する特性評価に供した。
【0021】比較例1 マトリックスの出発原料として、平均粒径が 0.8μm の
β-SiC粉末(粒径 0.1μm 以下の微細粒子の含有量は 5
重量% 以下)を用い、かつホットプレス温度を1950℃と
する以外は、上記実施例1と同様にして、 SiC基複合セ
ラミックスを作製し、後述する特性評価に供した。
【0022】実施例2、3 強化素材として、 SiC短繊維(平均長さ=1mm,平均径=
15μm)、および SiCウイスカー(平均長さ=100μm,平均
径=2μm)を用意した。これらをそれぞれ実施例1と同様
に作製した SiC原料スラリーに、焼結後の配合量が体積
比で 30%となるように添加し、さらにボールミルで 2時
間混合した後、それぞれ石こう型のキャビティ内に流し
込み、形状が50×50×6mm の短繊維含有 SiC成形体、お
よびウイスカー含有 SiC成形体を作製した。これら成形
体を実施例1と同一条件で焼成して、それぞれ SiC基複
合セラミックスを得た。これら複合セラミックスを後述
する特性評価に供した。
【0023】比較例2、3 マトリックスの出発原料として、平均粒径が 0.8μm の
β-SiC粉末(粒径 0.1μm 以下の微細粒子は 5重量% 未
満)を用い、かつホットプレス温度を1950℃とする以外
は、上記実施例2、3とそれぞれ同様にして SiC基複合
セラミックスを作製し、後述する特性評価に供した。
【0024】上記した実施例1〜3および比較例1〜3
で得た各 SiC基複合セラミックスの特性を以下のように
して評価した。まず、各 SiC基複合セラミックス中のマ
トリックスの結晶粒形状(平均アスペクト比)と平均粒
径を測定するため、エッチングにより粒界相を溶かし、
Si3 N 4 粒子 1個ずつばらばらにして、各粒子の形状と
粒径を測定した。平均値は、1000個の粒子の平均として
求めた。また、JIS R1601に準拠して、焼結体密度およ
び常温での 3点曲げ強度を測定した。さらに、3点曲げ
試験における応力−歪み曲線から破壊エネルギーを求め
た。これらの結果を表1にまとめて示す。なお、表1中
の破壊エネルギーは、 SiCのモノリシック材で規格化し
た値である。
【0025】
【表1】 表1から明らかなように、各実施例による SiC基複合セ
ラミックスは、1800℃とホットプレス(HP)温度を低く抑
えているにもかかわらず、良好な焼結体密度が得られて
いると共に、それぞれ強化素材の所期の効果が十分に得
られていることが分かる。よって、摺動部材や高温部材
等として好適な、高強度で信頼性に優れた SiC基複合セ
ラミックスを提供することができる。
【0026】実施例4〜6 α-SiC粉末に添加する焼結助剤を、 4重量% のAl2 O 3
粉末に変更する以外は、それぞれ実施例1〜3と同様に
して、 SiC基複合セラミックスを作製した。
【0027】比較例4〜6 マトリックスの出発原料として、平均粒径が 0.8μm の
β-SiC粉末(粒径 0.1μm 以下の微細粒子の含有量は 5
重量% 以下)を用い、かつホットプレス温度を1950℃と
する以外は、上記実施例4〜6とそれぞれ同様にして S
iC基複合セラミックスを作製した。
【0028】上記実施例4〜6および比較例4〜6で得
た各 SiC基複合セラミックスの特性を、前述した実施例
と同様にして評価した。それらの結果を表2に示す。
【0029】
【表2】
【0030】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の SiC基複
合セラミックスによれば、繊維状強化素材による複合効
果を十分に得ることが可能となる。よって、高強度で、
信頼性に優れ、摺動部材や高温部材等として好適な SiC
基複合セラミックスを再現性よく提供することが可能と
なる。
【0031】

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 SiCを主成分とするマトリックス内に、
    長繊維、短繊維およびウィスカーから選ばれる少なくと
    も 1種の強化素材が複合された SiC基複合セラミックス
    であって、 前記マトリックスは、α-SiCを少なくとも80重量% 含む
    出発原料からなり、かつ前記マトリックスを構成する S
    iC結晶粒の平均アスペクト比(長径/短径)が3以下で
    あることを特徴とする SiC基複合セラミックス。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の SiC基複合セラミックス
    において、 前記マトリックスを構成する SiC結晶粒は、その平均粒
    径が50μm 以下で、かつ最大粒径が 100μm 以下である
    ことを特徴とする SiC基複合セラミックス。
  3. 【請求項3】 SiCを主成分とするマトリックス内に、
    長繊維、短繊維およびウィスカーから選ばれる少なくと
    も 1種の強化素材を複合した SiC基複合セラミックスを
    製造するにあたり、 前記マトリックスの出発原料として、α-SiCを少なくと
    も80重量% 含むと共に、平均粒径が 5μm 以下で、かつ
    粒径 0.1μm 以下の微細粒子の含有量が 5重量% 以下の
    SiC原料粉末を用いることを特徴とする SiC基複合セラ
    ミックスの製造方法。
JP5073362A 1993-03-31 1993-03-31 SiC基複合セラミックスおよびその製造方法 Withdrawn JPH06287061A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPWO2021205820A1 (ja) * 2020-04-06 2021-10-14

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