JPH0687673A - Silicon nitride based inorganic fiber reinforced ceramic composite material - Google Patents

Silicon nitride based inorganic fiber reinforced ceramic composite material

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JPH0687673A
JPH0687673A JP4113893A JP11389392A JPH0687673A JP H0687673 A JPH0687673 A JP H0687673A JP 4113893 A JP4113893 A JP 4113893A JP 11389392 A JP11389392 A JP 11389392A JP H0687673 A JPH0687673 A JP H0687673A
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silicon nitride
composite material
oxide
particles
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晧一 新原
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敦 中平
Taketami Yamamura
武民 山村
Mitsuhiko Sato
光彦 佐藤
Makoto Tamura
誠 田村
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Abstract

PURPOSE:To obtain a composite material exhibiting excellent strength and fracture toughness at a room temp. to a high temp. by using a silicon nitride based inorganic fiber as a reinforcing material and an oxide based nanocomposite material as a matrix and compositing them. CONSTITUTION:The silicon nitride based inorganic fiber reinforced ceramic composite material is obtained by using the silicon carbide based inorganic fiber as the reinforcing material and the oxide based nanocomposite material nanocomposited by carbide particles as the matrix. The oxide based nanocomposite material to be the matrix is a ceramic constituted by the structure made by transgranular nanocompositing, intergranular nanocompositing or both trans- and inter-granular nanocompositing at least one kind dispersion particle of the carbide particles and nitride particles with an oxide ceramic. The ratio of the dispersion particles in the oxide based nanocomposite material is usually 1-50 volume % and the ratio of the silicon nitride based inorganic fiber in the composite material is usually 1-70 volume %.

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、高靭性、及び
高耐熱性を有する窒化ケイ素系無機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 silicon nitride-based inorganic 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、靭性が
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、強度及び靭性を向上させる試
みが積極的に行われている。
2. Description of the Related Art Oxide ceramics such as aluminum oxide have excellent heat resistance, but their applications as engineering ceramics have 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、破壊靭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
高い破壊靭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、窒化ケイ素系無機繊
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、窒化ケイ素系無機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 show 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 to use a silicon nitride-based inorganic fiber as a reinforcing material and a matrix of an oxide-based nanocomposite material that is nanocomposited with carbide particles and / or nitride particles as a matrix. Achieved by

【0006】本発明における窒化ケイ素系無機繊維の具
体例としては、(1)ケイ素及び窒素、あるいはケイ
素、窒素及び酸素からなる非晶質物質、又は(2)結晶
質Si微粒子及び/又は結晶質SiO微粒
子、場合によりこの結晶質微粒子と非晶質SiOとの
集合体、(3)上記(1)の非晶質物質と上記(2)の
集合体との混合物で構成されている無機繊維を挙げるこ
とができる。この無機繊維における構成元素の割合は、
一般に、Si:40〜65重量%、N:10〜40重量
%、O:0〜40重量%である。上記無機繊維は、例え
ば、特開昭63−235526号公報、同61−129
15号公報,同62−125012号公報に記載の方法
に従って調製することができる。
Specific examples of the silicon nitride-based inorganic fiber in the present invention include (1) silicon and nitrogen, or an amorphous substance composed of silicon, nitrogen and oxygen, or (2) crystalline Si 3 N 4 fine particles and / or Or crystalline Si 2 N 2 O fine particles, optionally an aggregate of the crystalline fine particles and amorphous SiO 2 , (3) a mixture of the amorphous substance of (1) above and the aggregate of (2) above Inorganic fibers composed of can be mentioned. The ratio of the constituent elements in this inorganic fiber is
Generally, Si: 40 to 65% by weight, N: 10 to 40% by weight, O: 0 to 40% by weight. The above-mentioned inorganic fibers are disclosed in, for example, JP-A Nos. 63-235526 and 61-129.
It can be prepared according to the method described in JP-A No. 15 and JP-A No. 62-125012.

【0007】窒化ケイ素系無機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 silicon nitride inorganic fiber is not particularly limited, and may be chopped fiber, plain weave woven from continuous fibers, satin weave, multiaxial weave, three-dimensional weave or non-woven fabric, and further continuous. It may be a sheet-shaped product in which fibers are aligned in one direction.

【0008】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ーオ
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
947〜982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 a structure in which the matrix particles themselves are compounded by dispersing dispersed particles of nano-order in the matrix particles of the oxide-based ceramic, as in the model shown in FIG. On the other hand, the grain boundary nanocomposite structure is
For example, as in the model shown in FIG. 2, it is a structure in which nano-order dispersed particles are dispersed in the matrix grain boundaries of the oxide-based ceramics to form a composite. Such oxide-based nanocomposite
For example, it can be prepared according to the method described in "The Ceramic Society of Japan", Volume 99, pages 947-982 (1991).

【0009】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.

【0010】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.

【0011】本発明の窒化ケイ素系無機繊維強化セラミ
ックス複合材料は、窒化ケイ素系無機繊維及び酸化物系
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。窒化ケイ素
系無機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。窒化ケイ素系無機繊維が長繊維、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、本発明の窒化ケ
イ素系無機繊維強化セラミックス複合材料を得ることが
できる。複合材料における窒化ケイ素系無機繊維の割合
は、通常、1〜70体積%である。
The silicon nitride inorganic fiber reinforced ceramics composite material of the present invention can be prepared by blending the silicon nitride inorganic fiber and the oxide nanocomposite material according to a method known per se and sintering. . When the silicon nitride-based inorganic fibers are chopped, a mixture is prepared by mixing the chopped fibers and the oxide-based nanocomposite powder. When the silicon nitride-based inorganic fiber is a long fiber, a woven fabric, a non-woven fabric, or a sheet-like product, a laminate is prepared by alternately laminating a layer composed of these and a layer composed of oxide-based nanocomposite powder. To do. Then, the above-mentioned mixture or laminate is heat-sintered after being formed into a desired shape or at the same time as the formation, whereby the silicon nitride-based inorganic fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention can be obtained. The ratio of the silicon nitride inorganic fiber in the composite material is usually 1 to 70% by volume.

【0012】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、400〜2100℃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窒化ケイ素
系無機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 product under normal pressure or reduced pressure, a hot pressing method or a hot isostatic pressing method in which molding and sintering are simultaneously performed. Can be adopted. The heating and sintering temperature is usually 400 to 2100 ° C. If the heating and sintering temperature is too low, the oxide nanocomposite matrix will not be sufficiently sintered, and if the temperature is too high, the silicon nitride inorganic fibers will be decomposed.

【0013】本発明の窒化ケイ素系無機繊維強化セラミ
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窒化ケイ素系無機繊維との複合
化が同時に、あるいは逐次的に起こり、本発明の窒化ケ
イ素系無機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 silicon nitride-based inorganic fiber reinforced ceramics 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 oxide-based ceramic powder to be obtained and carbide particles and / or nitride particles 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 silicon nitride-based inorganic fiber occur simultaneously or sequentially, and the silicon nitride-based inorganic fiber-reinforced ceramic composite material of the present invention is obtained. Is prepared.

【0014】[0014]

【実施例】以下に本発明の実施例を示す。 参考例1 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
して合成されたポリジメチルシランを、還流冷却器を備
えた反応容器に入れ、窒素気流下で、攪拌しながら容器
内が450℃になるように徐々に加熱し、同温度に15
時間保持した。冷却した後に反応生成物をキシレン溶液
として取り出し、濾過した後キシレンを蒸発させ、数平
均分子量約2000のポリカルボシランを得た。このポ
リカルボシランを溶融紡糸した後、紡糸繊維に真空中で
10MGyの電子線照射を行って不融化し、ついでアン
モニアガス気流中、1300℃で焼成して、窒化ケイ素
系無機繊維を得た。以下この無機繊維を無機繊維Aとい
う。無機繊維Aは酸素含有量1重量%以下、繊維径約1
1μmであり、引張強度2.9GPa、引張弾性率24
0GPa(測定は単繊維試験法による)であった。
EXAMPLES Examples of the present invention will be shown below. Reference Example 1 Polydimethylsilane synthesized by dechlorinating and condensing dimethyldichlorosilane with sodium metal was placed in a reaction vessel equipped with a reflux condenser, and the temperature in the vessel was kept at 450 ° C. with stirring under a nitrogen stream. Gradually heat to 15 to the same temperature
Held for hours. After cooling, the reaction product was taken out as a xylene solution, filtered, and xylene was evaporated to obtain polycarbosilane having a number average molecular weight of about 2000. After melt-spinning this polycarbosilane, the spun fiber was irradiated with an electron beam of 10 MGy in a vacuum to make it infusible, and then fired at 1300 ° C. in an ammonia gas stream to obtain a silicon nitride-based inorganic fiber. Hereinafter, this inorganic fiber is referred to as an inorganic fiber A. The inorganic fiber A has an oxygen content of 1% by weight or less and a fiber diameter of about 1
1 μm, tensile strength 2.9 GPa, tensile modulus 24
It was 0 GPa (measurement was by the single fiber test method).

【0015】参考例2 参考例1で得られたポリカルボシランを溶融紡糸し、紡
糸繊維を酸素ガス中、160℃で加熱して不融化し、つ
いで不融化繊維をアンモニアガス中1300℃で焼成し
て、窒化ケイ素系無機繊維を得た。以下この無機繊維を
無機繊維Bという。無機繊維Bは酸素含有量12重量
%、繊維径11μmであり、引張強度2.8GPa、引
張弾性率190GPa(測定は単繊維試験法による)で
あった。
Reference Example 2 The polycarbosilane obtained in Reference Example 1 was melt-spun, the spun fiber was heated in oxygen gas at 160 ° C. to be infusible, and then the infusible fiber was fired in ammonia gas at 1300 ° C. Then, a silicon nitride-based inorganic fiber was obtained. Hereinafter, this inorganic fiber is referred to as an inorganic fiber B. The inorganic fiber B had an oxygen content of 12% by weight, a fiber diameter of 11 μm, a tensile strength of 2.8 GPa, and a tensile modulus of elasticity of 190 GPa (measured by a single fiber test method).

【0016】参考例3 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 3 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.

【0017】参考例4 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系ナノ複合材(Si
C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 4 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 1700.
Hot-pressed in a graphite die at a temperature of 1900 ° C and strengthened with silicon carbide particles magnesia nanocomposite (Si
C grain / 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.

【0018】実施例1 参考例3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1で得られた無機繊維A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、各無機繊維A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無機繊維
A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、1
550℃の温度、60MPaの圧力でホットプレスし
て、SiC粒/Alナノ複合材料をマトリックス
とする無機繊維強化セラミックス複合材料を得た。複合
材料中の無機繊維A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1.62GPa、1300
℃で1.49GPa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靭性値(K1C)は18.5
MPa・m1/2であった。
Example 1 The SiC particles / Al 2 O 3 nanocomposite material obtained in Reference Example 3 was crushed for 30 hours in distilled water 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
Add 12% by weight and then use silicon nitride balls
The mixture was wet-mixed for an hour to obtain a matrix raw material slurry.
The bundle of the inorganic fibers A obtained in Reference Example 1 was opened by blowing air and then dipped in the slurry of the above matrix raw material to attach the matrix powder around each inorganic fiber A. A bundle of the inorganic fibers A to which the matrix powder was adhered was wound on a square drum and then sufficiently dried to prepare a prepreg sheet. After cutting this prepreg sheet into a desired shape, the prepreg sheet was laminated in a graphite die coated with boron nitride as a mold release agent, and then, in an argon gas atmosphere, 1
Hot pressing was performed at a temperature of 550 ° C. and a pressure of 60 MPa to obtain an inorganic fiber-reinforced ceramics composite material using the SiC particles / Al 2 O 3 nanocomposite material as a matrix. The ratio of the inorganic fibers A in the composite material was 45% by volume. The bending strength of this composite material is 1.62 GPa, 1300 at room temperature.
It was 1.49 GPa at 0 ° C. The fracture toughness value (K 1C ) of the composite material measured by the chevron notch method is 18.5.
It was MPa · m 1/2 .

【0019】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15
時間湿式混合した後、充分乾燥させ、さらに11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2で得られた無機繊維Bの束を空気に吹き
つけることにより開繊して得られた無機繊維Bのシート
と上記マト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、1000℃温度、50MPaの圧力で
ホットプレスして仮焼結体を得た。この仮焼結体に、離
型剤として窒化ホウ素を塗布した後、ガラスカプセルに
真空封入し、140MPaで熱間静水圧プレスして、S
粒/Alナノ複合材をマトリックスとす
る無機繊維強化セラミックス複合材料を得た。複合材料
中の無機繊維Bの割合は60体積%であった。この複合
材料の曲げ強度は常温で1.89GPa、1300℃で
1.52GPa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靭性値(K1C)は22.5MP
a・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 for 15 minutes in ethanol by a ball mill.
The mixed powder, which was wet-mixed for an hour, sufficiently dried, and further dry-mixed for 11 hours, was used as a raw material powder for the matrix. A graphite die in which a sheet of inorganic fibers B obtained by opening the bundle of inorganic fibers B obtained in Reference Example 2 by blowing it into air and the matrix raw material powder are coated with boron nitride as a release agent. The layers were alternately laminated inside and hot-pressed at a temperature of 1000 ° C. and a pressure of 50 MPa in an argon gas atmosphere to obtain a temporary sintered body. After applying boron nitride as a release agent to this temporary sintered body, it is vacuum-sealed in a glass capsule and hot isostatically pressed at 140 MPa to obtain S.
An inorganic fiber reinforced ceramics composite material having a matrix of i 3 N 4 grains / Al 2 O 3 nanocomposite material was obtained. The ratio of the inorganic fibers B in the composite material was 60% by volume. The flexural strength of this composite material was 1.89 GPa at room temperature and 1.52 GPa at 1300 ° C. Fracture toughness value (K 1C ) of composite material measured by chevron notch method is 22.5MP
It was a · m 1/2 .

【0020】実施例3 参考例2で得られた無機繊維B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1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
ルによりエタノール中で4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1mm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、1400℃の温度、75MPa
の圧力でホットプレスすることにより、SiC粒/Al
ナノ複合材をマトリックスとする無機繊維強化セ
ラミックス複合材料を得た。複合材料中の無機繊維B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1.5GPa、1300℃で1.35GPa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
壊靭性値(K1C)は9.5MPa・m1/2であっ
た。
Example 3 The inorganic fiber B obtained in Reference Example 2 was cut into a chopped fiber having a length of 1 to 2 mm. The chopped fibers were dispersed in ethanol using ultrasonic waves and an omni mixer together. After the slurry of the matrix raw material prepared in Example 1 was added to the dispersion liquid, it was wet-mixed for 4 hours in ethanol by a ball mill using nylon balls. From this mixed slurry, a thin plate prepreg sheet having a thickness of 1 mm in which chopped fibers were uniformly dispersed was prepared by a filtration method. After cutting this prepreg sheet into a desired shape, it is laminated in a graphite die coated with boron nitride as a release agent,
In argon gas atmosphere, temperature of 1400 ° C, 75 MPa
By hot pressing at pressure of SiC grain / Al
An inorganic fiber reinforced ceramic composite material having a 2 O 3 nano composite material as a matrix was obtained. The ratio of the inorganic fibers B in the composite material was 30% by volume. The flexural strength of this composite material was 1.5 GPa at room temperature and 1.35 GPa at 1300 ° C. The fracture toughness value (K 1C ) of the composite material measured by the chevron notch method was 9.5 MPa · m 1/2 .

【0021】実施例4 参考例4で得られたSiC粒/MgOナノ複合材を窒化
ケイ素ボール及び窒化ケイ素ポットを使用して、ボール
ミルによりエタノール及び蒸留水の混合溶媒中で30時
間粉砕してナノ複合材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8重量%添加した後、窒化ケイ素ボー
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無機繊
維Aの開繊、上記マトリックス原料の無機繊維A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、1700℃の温度、140M
Paの圧力で熱間静水圧プレスを行って、SiC粒/M
gOナノ複合材料をマトリックスとする繊維強化セラミ
ックス複合材料を得た。この複合材料中の無機繊維A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1.2GPa、1300℃で1.28GPa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
壊靭性値(K1C)は18.5MPa・m1/2であっ
た。
Example 4 The SiC particles / MgO nanocomposite material obtained in Reference Example 4 was crushed for 30 hours in a mixed solvent of ethanol and distilled water by a ball mill using a silicon nitride ball and a silicon nitride pot to prepare a nano-sized nanoparticle. A slurry of composite material was prepared. After adding 8% by weight of polyethylene oxide as a binder to this slurry with respect to the nanocomposite material, wet mixing was performed for 12 hours using silicon nitride balls to obtain a matrix raw material slurry. In the same manner as in Example 1, the inorganic fiber A was opened, the matrix raw material was attached to the inorganic fiber A, 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 laminated body and vacuum-sealing it in a glass capsule, in argon gas at a temperature of 1700 ° C. and 140 M
Perform hot isostatic pressing at a pressure of Pa to obtain SiC grains / M
A fiber-reinforced ceramic composite material having a gO nanocomposite material as a matrix was obtained. The ratio of the inorganic fibers A in this composite material was 40% by volume. The bending strength of this composite material was 1.2 GPa at room temperature and 1.28 GPa at 1300 ° C. The fracture toughness value (K 1C ) of the composite material measured by the chevron notch method was 18.5 MPa · m 1/2 .

【0022】[0022]

【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 Ogushi, Ube City, Yamaguchi Prefecture, 1978, No. 5 1978, Ube Industries, Ltd., Inorganic Materials Laboratory (72) Inventor, Makoto Tamura 5 1978, Ogushi, Ube, Yamaguchi Prefecture, Ube Kosan Inorganic Materials Research Center

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】窒化ケイ素系無機繊維を強化材とし、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、窒化ケイ素系無機繊
維強化セラミックス複合材料。
1. A silicon nitride-based inorganic fiber reinforced ceramics composite material comprising a silicon nitride-based inorganic fiber as a reinforcing material and an oxide-based nanocomposite material which is nanocomposited with carbide particles and / or nitride particles as a matrix.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US9581041B2 (en) 2010-02-09 2017-02-28 Rolls-Royce Corporation Abradable ceramic coatings and coating systems

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