JPH07187787A - カーボンファイバーで補強された複合体の製造方法 - Google Patents

カーボンファイバーで補強された複合体の製造方法

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JPH07187787A
JPH07187787A JP6220428A JP22042894A JPH07187787A JP H07187787 A JPH07187787 A JP H07187787A JP 6220428 A JP6220428 A JP 6220428A JP 22042894 A JP22042894 A JP 22042894A JP H07187787 A JPH07187787 A JP H07187787A
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silicon carbide
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silicon
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ルドルフ・シュルテン
Harald Lorson
ハラルト・ローソン
Kusnanto
クス・ナント
Behzad Sahabi
ベーツァット・ザハビ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】十分な機械的特性を有する構成要素を製造可能
な、複合体の製法に関するプロセスを開示することにあ
る。 【構成】本発明の複合体１０は炭化ケイ素とモリブデン
二ケイ化物とからなるマトリックス１４を有し、マトリ
ックス１４が炭化ケイ素、カーボン及びモリブデン二ケ
イ化物の粉末混合物から形成され、バインダーがこの粉
末混合物に添加され、次いでカーボンファイバーがこれ
に添加され、こうして得られたファイバー、マトリック
ス混合物は比較的高圧力の下で準備された型で成形さ
れ、所望の形状に１２０℃から１４０℃で硬化され、硬
化した成形体は８００℃から１０００℃の温度で熱分解
され、液状またはペースト状のシリコンが成形体の外面
に付加され、二段階の熱処理、すなわちまず８００℃か
ら１０００℃で熱分解され、次いでシリコンの融点以上
の温度、できれば１５００℃から１７００℃で熟成する
熱処理が実行される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、炭化ケイ素(silicon c
arbide) とモリブデン二ケイ化物(molybdenum disilici
de) とからなるマトリックスを有するカーボンファイバ
ーで補強された複合体(composite) の製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】高温環境にさらされる熱エンジンや装置
の構成要素について、最近、一般に使用されていた高温
耐久性材料、例えばニッケル、あるいはその同等物の代
わりに、より温度耐久性の高い、よりコストの安価な別
の材料を使用するという関心が高まっている。
【０００３】これに関して、ある特定の課題は、いわゆ
るファイバーで補強された材料、特にファイバーで補強
された複合体によって達成でき、この場合、高温度耐久
性のマトリックスは、高強度ファイバーの混合物によっ
て望ましい高温強度を達成できる。特に重要な発展すべ
き課題は、その機械的特性、特に破壊強度を改善するこ
とに関するファイバー補強セラミックスの製法である。
セラミックスの中では、炭化ケイ素は良好な腐食耐久
性、及び高い引張り強度を有するために重要である。さ
らに、炭化ケイ素の機械的特性を改善するために、適当
なファイバーを用いて炭化ケイ素を補強することが行わ
れた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】これらのファイバーは
１２００℃から１３００℃の温度で消失するため、今ま
でに炭化ケイ素ファイバーを用いた試みは、失敗であっ
たと考えられる。この主な理由は、多分この温度領域で
開始する再結晶化と同様に、このタイプの製法では避け
ることのできない酸素が包まれることにある。炭化ケイ
素の焼結プロセスは、２０００℃以下の温度で行われる
が、シリコンがカーボンファイバーに作用して、これら
のファイバーの特性をかなり劣化させる。このため、従
来、いずれもカーボンファイバーを使用して成功した例
はなかった。そのうえ、より低温で焼結プロセスを行う
と、十分な密度に至らないため、使用できない炭化ケイ
素体が形成される。
【０００５】本発明の目的は、この従来技術からスター
トしたもので、それゆえ十分な機械的特性を有する構成
要素を製造可能な、前述のタイプの複合体の製法に関す
るプロセスを開示することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的は、請求項１に
特徴付けられる方法による、本発明によって達成でき
る。
【０００７】すなわち、炭化ケイ素とモリブデン二ケイ
化物とからなるマトリックス１４を有するカーボンファ
イバー１６で補強された複合体１２の製造方法におい
て、マトリックス１４は炭化ケイ素、カーボン及びモリ
ブデン二ケイ化物の粉末混合物を用意し、バインダーを
この粉末混合物に添加し、次いでカーボンファイバーを
この粉末混合物に添加し、こうして得られたファイバ
ー、マトリックス混合物を比較的高圧力下、約１０乃至
５０ＭＰａでモールド成形し、所望の形状に１２０℃か
ら１４０℃で硬化し、硬化した成形体を８００℃から１
０００℃の温度で熱分解し、液状またはペースト状のシ
リコンを成形体の外面に付加し、二段階の熱処理、すな
わちまず８００℃から１０００℃で熱分解し、次いでシ
リコンの融点以上の温度、できれば１５００℃から１７
００℃で熟成する熱処理を実行することを特徴とする、
複合体の製造方法。
【０００８】
【作用】炭化ケイ素、カーボン、及びモリブデン二ケイ
化物の粉末混合物を用意する。この混合物にバインダー
を添加し、次いで混合物にカーボンファイバーを混合す
る。約１０から５０ＭＰａの比較的高圧力下で、また同
時に、１２０℃から１４０℃の処理温度で成形すること
によって、この混合物は所望の形状に硬化される。相当
する後処理、例えば物質の除去などを経て、この形状は
最終的なサイズにされる。得られた成形体は、次いで真
空中、あるいは不活性ガス雰囲気中で８００℃から１０
００℃の温度で熱分解される。液状シリコンが成形体の
外面に付加された後、シリコンの融点以上の温度、でき
れば１５００℃から１７００℃で浸透処理される。この
プロセスは、ドイツ国特許出願 P 42 03 773.5の要旨
で、その中で十分に説明されている。このプロセスによ
れば、成形体は炭化水素、例えば微粉末とシリコンとの
混合物によって形成されるペーストで外面を覆われる。
ペーストで被膜形成された成形体を加熱することによっ
て、炭化水素化合物は、まず８００℃から１０００℃で
の熱分解によってカーボンスケルトンに変換され、さら
に１４５０℃以上の温度で加熱され、シリコンが液化す
る。カーボンと反応しない過剰のシリコンは、成形体の
表面に収集され、毛管作用のため成形体の細孔に浸透
し、ここで依然として存在している成形体中のカーボン
粒子と反応し、このようにして細孔が、生成した炭化ケ
イ素で満たされる。同時に、シリコンは、同様に含まれ
ているカーボンファイバーを破壊することなしに、コン
パクトな炭化ケイ素にするために加えられるカーボン粒
子と成形体中で結合する。カーボンファイバーは、薄い
炭化ケイ素層を形成するための二酸化ケイ素を伴ったフ
ァイバーの前処理の結果として、又低温処理の結果とし
て作用されない。
【０００９】前述の粉末混合物は炭化ケイ素、カーボ
ン、モリブデン二ケイ化物、及びバインダーとからなる
が、この組成は、粉末に対して、炭化ケイ素の重量の約
６５から８５％、カーボンの重量の約５から１５％、及
びモリブデン二ケイ化物の重量の約１０から３０％の範
囲で適宜選択する。前記バインダーは、重量に対して約
５から１０％の残余部分をなす。
【００１０】ファイバー補強するためには、長さ約１ｍ
ｍ、厚さ約１０μｍの短いファイバーか、または長いフ
ァイバーが適当である。後者は、カーボンファイバー編
地(fabric)の形でマトリックスに含むことができる。
【００１１】短いカーボンファイバーの包含以前に、こ
れらは薄い炭化ケイ素層で適切に覆われる。この層は、
短いファイバーを二酸化ケイ素で被膜形成することによ
って、又は、ケイ酸エステルを添加することによって形
成され、次いで被膜形成されたファイバーが約８００℃
から１３００℃で加熱される。この処理に伴って、約１
時間で少くとも厚さ０．２μｍの炭化ケイ素層が、ファ
イバーに形成される。
【００１２】こうして被膜形成された短いファイバー
は、前述のマトリックスに浸透するのに用いた混合物
と、体積に対して約５０％の含有量で混合される。これ
によって、複合体の熱特性と同様に機械的強度のかなり
の改善が達成できる。
【００１３】短いファイバーの代わりに長いファイバ
ー、例えば従来のカーボン編地を用いれば、二酸化ケイ
素の前処理、またはファイバーを被膜形成する炭化ケイ
素を形成するためのケイ酸エステルは、全く不必要とな
る。開示されたプロセスでは、後者は、１５００℃から
１７００℃の領域で熱処理される間に、シリコンによっ
てほとんど作用されず、それ故、完全にカーボンファイ
バーの形状が残る。しかしこの場合、層中の編地シート
を前述の粉末混合物で覆うことが適当であり、層厚を約
０．０１から０．１ｍｍ、好ましくは０．０５から０．
１ｍｍに維持することが必要であり、そのため編地と粉
末混合物との層の連続が成形体をより大きく、より厚く
する。
【００１４】さらに炭化ケイ素、シリコン、カーボン、
モリブデン二ケイ化物、及びバインダーからなる層で外
面全体を覆われ、完全に密閉された成形体を提供するこ
とによって腐食保護体が形成できる。この層は、前述の
成形プロセスの過程に応じて調整される。本発明による
１００μｍから数ｍｍの厚さを有するこの層は、外面の
層に適用することが望ましい。
【００１５】
【実施例】図に示された実施例に基づき、本発明、及び
本発明の有効的な発展と改善及び特別な利点をさらに詳
細に記載する。
【００１６】図１は、本発明のプロセスによって製造さ
れる複合体の概略的構成を示す断面図である。
【００１７】複合体１０の断面が図１に示され、この複
合体は本発明によるプロセスに一致して構成される。そ
のコア領域１２はシリコン、炭化水素及びモリブデン二
ケイ化物からなるマトリックス１４とカーボンファイバ
ー編地１６とが交互に配列され、ここに図示されたもの
は、正確な寸法ではないが全く概略的に記載されたもの
としてみなす。さらに図１に記載からわかることは、カ
ーボンファイバー編地のカーボンファイバー１６がマト
リックス１４中に完全に埋め込まれ、すなわち外部から
完全に保護されている。特別な腐食防止の必要性から、
マトリックス１４とファイバー編地１６とで形成される
複合体１０のコア１２は、その全面を取り囲む炭化ケイ
素の保護層１８を備えている。
【００１８】
【発明の効果】本発明によるプロセスによって、複雑な
幾何構造を有する成形体を製造することが可能である。
例えば板状、管状、円筒状、曲面を有する形状の成形体
を製造することが可能となる。
【００１９】また、本発明によるプロセスによって、十
分な機械的強度を備えた複合体を製造することが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプロセスによって製造される複合体の
概略的構成を示す断面図。
【符号の説明】
１０…複合体 １２…コア領域 １４…マトリックス １６…カーボンファイバ
ー編地 １８…保護層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０４Ｂ 35/58 １０６ Ａ 35/80 Ｃ０４Ｂ 35/80 Ｂ (72)発明者 ルドルフ・シュルテン ドイツ連邦共和国、デー − 52072 ア ーヘン、カール − フリードリッヒ − シュトラーセ ４ (72)発明者 ハラルト・ローソン ドイツ連邦共和国、デー − 52080 ア ーヘン、テュルムヒェンベーク 10 (72)発明者 クス・ナント ドイツ連邦共和国、デー − 52064 ア ーヘン、マリアブルンシュトラーセ 51 (72)発明者 ベーツァット・ザハビ ドイツ連邦共和国、デー − 52070 ア ーヘン、ユリッヒャー・シュトラーセ 41

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭化ケイ素とモリブデン二ケイ化物とから
    なるマトリックス１４を有するカーボンファイバー１６
    で補強された複合体１２の製造方法において、マトリッ
    クス１４は炭化ケイ素、カーボン及びモリブデン二ケイ
    化物の粉末混合物から形成され、バインダーをこの粉末
    混合物に添加し、次いでカーボンファイバーをこの粉末
    混合物に添加し、こうして得られたファイバー、マトリ
    ックス混合物を比較的高圧力下でモールド成形し、所望
    の形状に１２０℃から１４０℃で硬化し、硬化した成形
    体を８００℃から１０００℃の温度で熱分解し、液状ま
    たはペースト状のシリコンを成形体の外面に付加し、二
    段階の熱処理、すなわちまず８００℃から１０００℃で
    熱分解し、次いでシリコンの融点以上の温度、できれば
    １５００℃から１７００℃で熟成する熱処理を実行する
    ことを特徴とする、複合体の製造方法。
  2. 【請求項２】炭化ケイ素の重量の約６５から８５％、カ
    ーボンの重量の５から１５％、及びモリブデン二ケイ化
    物の重量の約１０から３０％からなるマトリックスを製
    造するための粉末混合物を用意する請求項１に記載の方
    法。
  3. 【請求項３】長さ約１ｍｍ、厚さ約１０μｍのファイバ
    ーを粉末混合物に添加することを特徴とする請求項１又
    は２に記載の方法。
  4. 【請求項４】長いカーボンファイバーを粉末混合物に添
    加することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
  5. 【請求項５】長いファイバーで形成されたカーボンファ
    イバー編地を粉末混合物に添加することを特徴とする請
    求項４に記載のプロセス。
  6. 【請求項６】成形体はカーボンファイバーの層と、バイ
    ンダーを含み、炭化ケイ素、カーボン及びモリブデン二
    ケイ化物から形成されるマトリックスの層とを交互に配
    列し、各層の厚さが０．０１から０．１ｍｍの層で形成
    されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記
    載の方法。
  7. 【請求項７】成形体がマトリックスに対して１対１の体
    積比に相当する、体積の約５０％のファイバー含有量で
    製造されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか
    に記載の方法。
  8. 【請求項８】成形体が炭化ケイ素、カーボン、シリコン
    およびモリブデン二ケイ化物およびバインダーの付加層
    をすべての面に備えたため、成形体が無ファイバー炭化
    ケイ素によって完全に密閉されることを特徴とする請求
    項１乃至７のいずれかに記載の方法。
  9. 【請求項９】付加層の層厚が１００μｍから数ｍｍの間
    であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】付加層が成形体上に１０から５０ＭＰａ
    で圧縮成形されることを特徴とする請求項８または９に
    記載の方法。
  11. 【請求項１１】短いカーボンファイバーで補強された炭
    化ケイ素、モリブデン二ケイ化物マトリックスが腐食保
    護層、および磨耗保護層としてグラファイト体上に成形
    されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに
    記載の方法。
JP6220428A 1993-09-15 1994-09-14 カーボンファイバーで補強された複合体の製造方法 Pending JPH07187787A (ja)

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EP0643023A3 (de) 1995-09-27
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