JPH07197264A - Surface treating method of fiber, reinforced fiber and its application - Google Patents
Surface treating method of fiber, reinforced fiber and its applicationInfo
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- JPH07197264A JPH07197264A JP5352317A JP35231793A JPH07197264A JP H07197264 A JPH07197264 A JP H07197264A JP 5352317 A JP5352317 A JP 5352317A JP 35231793 A JP35231793 A JP 35231793A JP H07197264 A JPH07197264 A JP H07197264A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、無機質繊維の表面処理
方法と、その処理を施した強化用無機質繊維と、その強
化用無機質繊維を用いたセラミックスマトリックス複合
材料及びその製造方法に係る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface treatment method for inorganic fibers, a reinforcing inorganic fiber subjected to the treatment, a ceramic matrix composite material using the reinforcing inorganic fiber and a method for producing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】金属では実現し得ない高温特性を有す
る、セラミックスマトリックス複合材料の開発が内外で
盛んに行なわれているが、優れた強度特性を有しセラミ
ックス固有の脆性を克服した材料は未だ世に現われてい
ない。強化材として、パウダー、ウィスカー、短繊維、
長繊維があり、複合化に際してはこれら一種もしくは複
合強化(マルチタフニング)による強化材料が報告(ロ
ーレル・エム・シェパード;セラミック・ブルテン〔La
urel M.Sheppard, CERAMIC BULLETIN.VOL71, No.4,617-
631(1992) 〕)されているが現在まで特筆すべき材料系
は得られていない。2. Description of the Related Art Ceramic matrix composite materials having high-temperature characteristics that cannot be realized by metals are being actively developed both in Japan and abroad, but materials that have excellent strength characteristics and overcome the inherent brittleness of ceramics have not yet been developed. Not appearing in the world. As a reinforcing material, powder, whiskers, short fibers,
There are long fibers, and in the case of compounding, one of these or a reinforcing material by compound reinforcement (multi-toughing) is reported (Laurel M Shepherd; Ceramic Burten [La
urel M. Sheppard, CERAMIC BULLETIN.VOL71, No.4,617-
631 (1992)]), but to date, no material system to be noted has been obtained.
【0003】長繊維強化系複合材料が靱性克服に最も有
効であるのは、一般に知られているところであるが、そ
の界面の制御が困難であり、今日まで実現されていない
原因の一つとなっている。強化繊維への表面処理に関し
ては、炭素、窒化硼素、炭化珪素等に関するものが開示
されており、炭素では、市川らにより非晶質炭素被膜を
形成された炭化珪素繊維について特公開1−31473
0号公報にて開示されている。高強度な繊維強化ガラス
セラミックスを得る事が出来ているが、セラミックスマ
トリックスについては記載されておらず耐反応性につい
ては未確認である。またグリフィンらによる炭素被覆フ
ィラメントを提供するものがある。(特公開5−156
569号公報および同5−19406号公報)縦型炉に
より膜生成を行ない、炉芯管径の変化により構造の異な
る擬多層の炭素膜を呈するものであり、亀裂伝播等の改
善が図れるとされている。しかし、組成が炭素単体のた
め耐酸化性に欠けるのは否めない。コービンらの米国特
許第4,885,199 号では、炭素および窒化ホウ素固有の弱
い剪断特性、界面結合を利用し靱性等の特性向上を図っ
ているが、単一層のみにより種々の界面特性劣化因子を
阻害することは困難である。It is generally known that the long fiber reinforced composite material is most effective for overcoming the toughness, but it is difficult to control the interface thereof, which is one of the causes that have not been realized to date. There is. Regarding the surface treatment of the reinforcing fiber, those relating to carbon, boron nitride, silicon carbide, etc. are disclosed, and regarding carbon, silicon carbide fibers having an amorphous carbon film formed by Ichikawa et al. Are disclosed in Japanese Patent Publication No. 1-31473.
It is disclosed in Japanese Patent No. 0. Although high-strength fiber-reinforced glass ceramics can be obtained, the ceramic matrix is not described and the reaction resistance is unconfirmed. There is also one that provides a carbon coated filament by Griffin et al. (Special Publication 5-156
No. 569 and No. 5-19406) A film is formed by a vertical furnace and a pseudo multi-layer carbon film having a different structure is exhibited due to a change in the diameter of the furnace core tube, and it is said that crack propagation and the like can be improved. ing. However, it cannot be denied that the composition is carbon alone and thus lacks in oxidation resistance. In U.S. Pat. No. 4,885,199 to Corbin et al., Weak shear properties inherent to carbon and boron nitride are used to improve properties such as toughness by utilizing interfacial bonding, but it is necessary to inhibit various interfacial property deterioration factors by only a single layer. It is difficult.
【0004】窒化ホウ素系に関しては、ライスにより米
国特許第4,642,271号で開示され、その有効性
が示唆された。しかしながら、強度的には低調であり、
比較的良好な結果を示したSiO2 以外のマトリックス
では明確な効果が確認されていない。チャンらによる特
公開3−152270号公報および特公開4−2241
74号公報では、六方晶BNを主構造とするB−N−C
x混成コーティングあるいはアルミナのオーバーコーテ
ィングを開示している。高温時に於ても高強度を保持し
ているがBNよりもアルミナによるオーバーコーティン
グが有効に働いていることが推察される。また、サット
ンによる特公開3−115140号公報では、窒化ホウ
素被膜を得る際のキャリアガスとして不活性ガスを用い
ることにより強化繊維の元強度が保持されていると開示
されている。しかしながら、水素等のエッチング効果に
よる特性劣化は既知であり、あまり新規性に富んでいる
とは言い難い。その他、複合化した際のマトリックス中
の亀裂伝播に関して、カーペンターらにより各種コンポ
ーネントによる複合強化が提示されている。With respect to the boron nitride system, Rice disclosed in US Pat. No. 4,642,271 and suggested its effectiveness. However, the strength is low,
No clear effect was confirmed with matrices other than SiO 2 , which showed relatively good results. Japanese Patent Publication No. 3-152270 and Japanese Patent Publication No. 4-2241
In Japanese Patent Publication No. 74, BNC having a hexagonal BN as a main structure.
x hybrid coatings or alumina overcoatings are disclosed. Although it retains high strength even at high temperatures, it is surmised that overcoating with alumina is more effective than BN. Further, Japanese Patent Publication No. 3-115140 by Sutton discloses that the original strength of the reinforcing fiber is maintained by using an inert gas as a carrier gas for obtaining the boron nitride film. However, characteristic deterioration due to the etching effect of hydrogen or the like is already known, and it cannot be said that it is very novel. In addition, regarding the crack propagation in the matrix when compounded, Carpenter et al. Have proposed compound reinforcement by various components.
【0005】セラミックス繊維−マトリックス複合材を
強化するための非充填孔を有する脆弱な繊維コーティン
グ(特公開5−97528号公報)、非酸素系セラミッ
クスマトリックス複合材を強化するための延性繊維コー
ティング(特公開5−85840号公報)、上記を目的
としたプリクラック繊維コーティング(特公開5−85
841号公報)および非結合多層繊維コーティング(特
公開5−85842号公報)がある。これらはすべて、
所望の効果を得るための表面処理方法であるが、実際の
適応例が明確でないうえに、特公開5−85842号公
報に関しては複数の処理工程により多層膜を得ているこ
とから、工業的には困難である。A brittle fiber coating having non-filled pores for strengthening a ceramic fiber-matrix composite (Japanese Patent Publication No. 5-97528), a ductile fiber coating for strengthening a non-oxygen-based ceramic matrix composite (special Publication No. 5-85840), pre-crack fiber coating for the above purpose (Japanese Patent Publication No. 5-85).
841) and non-bonded multilayer fiber coating (Japanese Patent Publication No. 5-85842). These are all
Although it is a surface treatment method for obtaining a desired effect, an actual application example is not clear, and in Japanese Patent Publication No. 5-85842, a multilayer film is obtained by a plurality of treatment steps. It is difficult.
【0006】本発明者らも繊維強化用セラミックス複合
材料および強化用繊維として特開平3−285877号
公報にて開示し、その強化材表面への無機コーティング
について言及している。また、セラミックス前駆体ポリ
マーであるポリシラザンを一種以上含んだものを強化繊
維のプリフォームに含浸させ、架橋硬化させ、さらに焼
成させてセラミックスに転化させることを特徴とする繊
維強化複合材料の製造方法も特開平4−342649号
公報にて開示しており、高温特性に優れたセラミックス
複合材料の開発を進めてきたが、より改善された強化繊
維への表面処理方法が要望されている。The present inventors have also disclosed a ceramic composite material for fiber reinforcement and a fiber for reinforcement in JP-A-3-285877, and mention the inorganic coating on the surface of the reinforcement material. In addition, a method for producing a fiber-reinforced composite material, characterized in that a preform of reinforcing fiber is impregnated with one or more containing polysilazane which is a ceramic precursor polymer, cross-linked and cured, and further fired to convert into ceramics. Although disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-342649, the development of a ceramic composite material excellent in high temperature characteristics has been advanced, but a further improved surface treatment method for reinforcing fibers is desired.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】無機質繊維強化複合材
用繊維に対し、一回のCVD工程により最適な表面処理
を提供し、さらに好適な表面処理により新規な強度発現
を呈する表面処理無機質繊維と、この繊維で強化した複
合材料とその製造方法を提供することを目的とする。[Problems to be Solved by the Invention] A surface-treated inorganic fiber which provides optimum surface treatment to a fiber for an inorganic fiber-reinforced composite material by a single CVD step, and further exhibits a new strength by a suitable surface treatment. An object of the present invention is to provide a composite material reinforced with this fiber and a manufacturing method thereof.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、少なくとも入口と出口を有する1つの反
応炉内に、入口から出口へ向って2以上の異なる温度の
帯域を形成し、入口から出口へ向って連続繊維を通糸
し、かつ反応炉中に2種類以上の原料ガスを供給して、
上記各温度帯域において異なる膜種を化学気相堆積させ
ることにより、連続繊維上に多層構造の表面処理膜を形
成することを特徴とする繊維の表面処理方法と、無機質
繊維表面に、亀裂先端クラックの開口を妨げ強化繊維の
引き抜けを生じさせうる下地層及びマトリックスとの耐
反応性を持つ表面層を含む多層構造の表面処理層を施し
た強化用無機質繊維、特に、無機質繊維表面に、繊維軸
に垂直な方向に配向したグラファイト構造を有する炭素
又はBN層と、該炭素又はBN層上にケイ素又はホウ素
をドープした炭素層を有することを特徴とする強化用無
機質繊維と、上記強化用無機質繊維で強化されたセラミ
ックス含有マトリックス複合材料、特に窒化ケイ素質セ
ラミックス含有マトリックス複合材料と、上記強化用無
機質繊維の集合体にポリシラザンを含浸し、焼成して窒
化ケイ素質セラミックス含有マトリックス複合材料の製
造方法を提供するものである。In order to achieve the above object, the present invention forms two or more different temperature zones from an inlet to an outlet in one reactor having at least an inlet and an outlet. , Continuous fiber is passed from the inlet to the outlet, and two or more kinds of raw material gas are supplied into the reaction furnace,
By chemical vapor deposition of different film species in each of the above temperature zones, a surface treatment method of the fiber, characterized in that a surface treatment film of a multilayer structure is formed on the continuous fiber, the inorganic fiber surface, crack tip crack Of the reinforcing inorganic fiber, especially the surface of the inorganic fiber, which has been subjected to a surface-treating layer having a multi-layered structure including a surface layer having a resistance to the underlying layer and a matrix capable of preventing the opening of the reinforcing fiber and pulling out the reinforcing fiber. A carbon or BN layer having a graphite structure oriented in a direction perpendicular to the axis, and a reinforcing inorganic fiber characterized by having a carbon layer doped with silicon or boron on the carbon or BN layer, and the reinforcing inorganic material. Fiber-reinforced ceramic-containing matrix composite material, in particular silicon nitride ceramic-containing matrix composite material, and an aggregate of the above-mentioned reinforcing inorganic fibers Polysilazane was impregnated and baking is to provide a method for producing a silicon nitride ceramic containing matrix composites.
【0009】以下、本発明を説明するが、便宜上、最初
に強化用無機質繊維について述べる。複合材料中の強化
材の働きは、その特性が保持されない限り明確には発現
されない。特に界面状態の保持は重要であり、セラミッ
クスマトリックスに埋め込まれた強化用無機質繊維の界
面には、マトリックス中の組成元素等の化学的反応によ
るアタック、もしくはマトリックスの熱的挙動にともな
う焼成収縮、固有の熱膨張係数による強化繊維とのミス
マッチ等の物理的挙動が付随する。さらに材料使用時に
は荷重負荷に伴いマトリックス中にクラックが発生し、
この進展挙動が材料全体の破壊形態に反映している。結
果として界面が最適な場合、以下の理由により発生した
クラックの進行が、強化繊維界面にて停止し全体破壊に
は至らない。(1)強化繊維/マトリックス界面で亀裂
先端が繊維方向に沿って分岐されると、分岐にエネルギ
ーを消費し、亀裂先端での応力が緩和される為、破壊が
停止する。(2)強化繊維/マトリックス界面に沿って
亀裂が進行した場合、マトリックスから繊維を引き抜く
のに余分のエネルギーを要する。以上の効果を得るため
界面の保持、そして最適な界面状態が提供されることは
非常に重要な条件であるといえる。The present invention will be described below, but for convenience, the reinforcing inorganic fiber will be described first. The function of the reinforcement in the composite material is not manifested unless its properties are retained. It is especially important to maintain the interfacial state, and the interface of the reinforcing inorganic fibers embedded in the ceramic matrix is attacked by the chemical reaction of the constituent elements in the matrix, or shrinkage due to firing due to the thermal behavior of the matrix The physical behavior such as mismatch with the reinforcing fiber due to the coefficient of thermal expansion of is accompanied. Furthermore, when the material is used, cracks occur in the matrix due to the load applied,
This evolution behavior is reflected in the fracture morphology of the entire material. As a result, when the interface is optimum, the progress of cracks generated at the interface for the following reasons stops at the interface of the reinforcing fibers and does not lead to total destruction. (1) When the crack tip is branched along the fiber direction at the reinforcing fiber / matrix interface, energy is consumed for branching and the stress at the crack tip is relieved, so that the fracture stops. (2) If cracks propagate along the reinforcing fiber / matrix interface, extra energy is required to pull the fiber out of the matrix. In order to obtain the above effects, maintaining the interface and providing the optimum interface state are very important conditions.
【0010】本発明はこれらの問題を解決するために、
強化用無機質繊維表面に、亀裂先端クラックの開口を妨
げ強化繊維の引き抜けを生じさせうる下地層と、マトリ
ックスとの耐反応性を持つ表面層を含む多層構造の表面
処理層を有する強化用無機質繊維を提供するもので、こ
れによって所望の特性を有することができた。ここに、
亀裂先端クラックの開口を妨げ強化繊維の引き抜けを生
じさせうる層(下地層)とは、複合材料中に発生したク
ラックにおける亀裂先端が分岐されることを特許とする
結晶構造を有するものであり、基本的には繊維及びマト
リックスと異なった結晶構造を有していれば効果がある
が、より最適には六角網目平面が繊維軸方向に対して垂
直方向に積層、配向した構造を主とする炭素もしくは窒
化ホウ素のような構造が好ましい。The present invention is directed to solving these problems.
Inorganic fiber for reinforcement having a multi-layered surface treatment layer including a base layer capable of preventing the opening of crack tip cracks and causing withdrawal of reinforcing fiber on the surface of the inorganic fiber for reinforcement, and a surface layer having resistance to reaction with a matrix It provides a fiber by which it can have the desired properties. here,
Crack tip A layer (underlying layer) that prevents the opening of cracks and allows the reinforcing fibers to pull out has a crystal structure that patents that the crack tips of the cracks generated in the composite material are branched. , Basically, it is effective if it has a crystal structure different from that of the fiber and matrix, but more optimally it is mainly a structure in which hexagonal mesh planes are laminated and oriented in the direction perpendicular to the fiber axis direction. Structures such as carbon or boron nitride are preferred.
【0011】また、マトリックスとの耐反応性を持つ層
(表面層)とは、マトリックスが焼成時に発生する分解
ガスであるNH3 ,H2 、含Si系ガス、炭化水素系ガ
ス、特にNH3 ,H2 により下地層が直接アタックされ
ないことを目的としており、炭化珪素、窒化ケイ素、炭
化ホウ素、窒化ホウ素などの物質にすることができる。
しかしながら、この表面層の機能は完全な結晶形態をと
っていなくても効果が発現し、下地層に対して数atom%
以下の含有量であっても充分である。Further, the layer (surface layer) having resistance to reaction with the matrix means NH 3 , H 2 , which is a decomposition gas generated when the matrix is fired, Si-containing gas, hydrocarbon gas, especially NH 3. , H 2 is intended to prevent the underlayer from being directly attacked, and substances such as silicon carbide, silicon nitride, boron carbide and boron nitride can be used.
However, the function of this surface layer is effective even if it does not have a perfect crystal morphology, and is several atom% relative to the underlayer.
The following contents are sufficient.
【0012】なお、要するに、下地層は裸の無機質繊維
と比べて亀裂先端クラックの開口を妨げ、強化繊維の引
き抜けを生じさせ易くする作用を持つ層、表面層は下地
層と比べてマトリックスとの耐反応性を向上させる作用
を持つ層である。また、ここに多層構造とは、表面処理
層の下地側と表面側とで層の組成が異なることを意味
し、その境界は必ずしも完全に分離される必要はなく、
組成が連続的に変化してもよい。[0012] In short, the base layer has a function of preventing the opening of crack tip cracks and facilitating the pulling out of the reinforcing fibers as compared with the bare inorganic fiber, and the surface layer forms a matrix as compared with the base layer. It is a layer having an action of improving the reaction resistance of. Further, the multilayer structure here means that the composition of the layer is different between the underlayer side and the surface side of the surface treatment layer, the boundary does not necessarily have to be completely separated,
The composition may change continuously.
【0013】好適なこのような表面処理層を例示する
と、炭素又はBN層の表面側にケイ素又はホウ素をドー
プした層を挙げることができる。炭素又はBN層は好ま
しくは繊維軸に垂直な方向に配向したグラファイト構造
を有することによって、強化繊維/マトリックス界面で
の亀裂先端が繊維方向に沿って分岐され、分岐にエネル
ギーを消費し、亀裂先端での応力が緩和されるので、亀
裂先端クラックの開口を妨げ、またこれにより強化繊維
が保持されたままマトリックス中の亀裂開口が進展する
ので強化繊維の引き抜けを生じさせる作用がある。Illustrative of such a suitable surface treatment layer is a layer in which the surface side of a carbon or BN layer is doped with silicon or boron. The carbon or BN layer preferably has a graphite structure oriented in a direction perpendicular to the fiber axis so that the crack tip at the reinforcing fiber / matrix interface is branched along the fiber direction, consuming energy in the branch, and crack tip. Since the stress is relaxed, the opening of the crack tip crack is prevented, and the crack opening in the matrix progresses while the reinforcing fiber is held, so that the reinforcing fiber is pulled out.
【0014】一方、炭素又はBN層は、セラミックス前
駆体ポリマーと特に焼成時に反応し易い欠点があるが、
ケイ素又はホウ素(両方でもよい)をドープすることに
よってセラミックス前駆体ポリマーとの反応性が低下す
る。このとき炭素又はBNは非晶質化していることが好
ましく、この目的からケイ素又はホウ素のドープ量が1
0atom%以下、さらには2〜5atom%であることが好適
である。ケイ素又はホウ素が過剰になるとSiC結晶が
形成され繊維の弾性率が低下するので好ましくない。On the other hand, the carbon or BN layer has a drawback that it easily reacts with the ceramic precursor polymer, especially during firing.
Doping with silicon or boron (or both) reduces reactivity with the ceramic precursor polymer. At this time, it is preferable that carbon or BN is made amorphous, and for this purpose, the doping amount of silicon or boron is 1
It is preferably 0 atom% or less, and more preferably 2 to 5 atom%. Excessive silicon or boron is not preferable because SiC crystals are formed and the elastic modulus of the fiber decreases.
【0015】表面処理層の厚さは全体で30〜5000
Å、さらには100〜1000Åであることが好まし
い。この厚さが小さすぎると表面処理の効果がなく、一
方厚くしすぎると強化繊維/マトリックス界面の弾性率
等の物理的マッチングがよくない。また、表面処理層中
に占める表面層(ケイ素又はホウ素ドープ層)の厚さは
20〜100Å、とくに30〜60Åが好ましい。強化
繊維の引き抜けを生じさせうる役割は下地層が担ってお
り、表面層を必要以上に厚くすることはこの効果を低減
させることになり好ましくない。The total thickness of the surface treatment layer is 30 to 5000.
Å, more preferably 100 to 1000Å. If this thickness is too small, the effect of surface treatment is not obtained, while if it is too thick, physical matching such as the elastic modulus of the reinforcing fiber / matrix interface is not good. The thickness of the surface layer (silicon or boron doped layer) in the surface treatment layer is preferably 20 to 100Å, particularly 30 to 60Å. The underlayer plays a role in causing the pull-out of the reinforcing fibers, and making the surface layer thicker than necessary undesirably reduces this effect.
【0016】さらに、表面処理層の下地層と表面処理層
の間の組成は連続的に変化し、濃度勾配を持つことが好
適である。これによって下地層と表面層の間のなじみが
よく剥離のおそれがなく、しかも表面側に所望の耐反応
性を有することができるからである。なお、上記C又は
BN系表面処理層には任意成分として酸素が含まれてい
てもよく、数atom%までの混在は界面性状に大きな変化
を与えない。Further, it is preferable that the composition between the underlayer and the surface treatment layer of the surface treatment layer continuously changes and has a concentration gradient. This is because the base layer and the surface layer are well compatible with each other and there is no fear of peeling, and the desired reaction resistance can be provided on the surface side. Oxygen may be contained as an optional component in the C or BN-based surface treatment layer, and mixing up to several atom% does not significantly change the interface property.
【0017】ここで、強化用材料として用いる無機質繊
維は、珪素及び窒素を必須成分とし、酸素、炭素及び金
属類を任意の成分とする無機質繊維であり、結晶性につ
いては、結晶又は非晶質の如何を問わないが、実質的に
非晶質であるものが好ましい。即ち、X線回折分析によ
る非晶質のものまたは結晶子の大きさ(X線回折半値巾
法(JONES法)を用いて測定 注))がすべての方位で2
000Å以下の微結晶相を含有するものが好ましい。特
に好ましい結晶子の大きさは1000Å以下であり、更
に好ましい結晶子の大きさは500Å以下である。Here, the inorganic fiber used as the reinforcing material is an inorganic fiber containing silicon and nitrogen as essential components, and oxygen, carbon and metals as optional components, and the crystallinity is crystalline or amorphous. However, it is preferably substantially amorphous. In other words, the size of amorphous or crystallites (measured using the X-ray diffraction half-width method (JONES method)) by X-ray diffraction analysis is 2 in all directions.
Those containing a fine crystal phase of 000Å or less are preferable. A particularly preferred crystallite size is 1000 Å or less, and a more preferred crystallite size is 500 Å or less.
【0018】注1)H.P.Klug and L.E.Alexander, 「X-
Ray DIFFRACTION PROCEDURES(2nd Edition), P618 〜Ch
apter9(1974), John Wiley & Sons. また、微結晶相の割合はX線小角散乱強度が空気に対し
て20倍を越えないように設定される。Note 1) HP Klug and LE Alexander, "X-
Ray DIFFRACTION PROCEDURES (2nd Edition), P618 ~ Ch
apter9 (1974), John Wiley & Sons. The proportion of the microcrystalline phase is set so that the X-ray small angle scattering intensity does not exceed 20 times that of air.
【0019】本発明で用いる特に好適な窒化ケイ素質無
機繊維を構成する各元素の比率は原子比で表わして、N
/Si 0.05〜3、O/Si 15以下、C/Si
7以下、M/Si 5以下であり、好ましい原子比
は、N/Si 0.1〜2.3、O/Si 10以下、
C/Si 3.5以下、M/Si 2.5以下である。
更に好ましい原子比は、N/Si 0.5〜2.0、O
/Si 4以下、C/Si 3.5以下、M/Si 1
以下(但し、Mは元素周期律表第I族〜第VIII族の金属
元素の群から選択される一種又は二種以上)である。The ratio of each element constituting the particularly preferred silicon nitride inorganic fiber used in the present invention is expressed by atomic ratio, N
/ Si 0.05-3, O / Si 15 or less, C / Si
7 or less, M / Si 5 or less, and a preferable atomic ratio is N / Si 0.1 to 2.3, O / Si 10 or less,
C / Si is 3.5 or less and M / Si is 2.5 or less.
More preferable atomic ratio is N / Si 0.5 to 2.0, O
/ Si 4 or less, C / Si 3.5 or less, M / Si 1
The following is provided (however, M is one or more selected from the group of metal elements belonging to Group I to Group VIII of the Periodic Table of the Elements).
【0020】元素比が上記の範囲に包含されない場合、
セラミックス複合材料の強化用繊維としての引張強度、
弾性率及び耐熱性を充足しうる性能を発揮することがで
きない。更に、本発明者らの検討によれば、セラミック
ス複合材料の強化用繊維としての無機質繊維が、特定の
小角散乱強度を有するものである場合、前述の目的を達
成するには極めて効果的であることが判明した。When the element ratio is not within the above range,
Tensile strength as a fiber for reinforcing ceramic composite materials,
It is not possible to exhibit the performance capable of satisfying the elastic modulus and the heat resistance. Further, according to the study of the present inventors, when the inorganic fiber as the reinforcing fiber of the ceramic composite material has a specific small angle scattering strength, it is extremely effective in achieving the above-mentioned object. It has been found.
【0021】セラミックス複合材料の強化用繊維として
要求される性質は、小角散乱強度が1°及び0.5°に
おいて各々空気の散乱強度の1倍〜20倍の範囲にある
ことである。好ましい小角散乱強度比は、1〜10倍で
あり、更に好ましい強度は、1°及び0.5°のいずれ
もが1倍〜5倍の範囲である。小角散乱強度は、無機繊
維の内部の微細孔、即ちボイド(void)又は空孔の
存在を検知するものであり、繊維中に微細孔が存在すれ
ば、系内の電子密度の偏在により小角散乱が観測され
る。The property required for the reinforcing fiber of the ceramic composite material is that the small angle scattering intensity is in the range of 1 to 20 times the scattering intensity of air at 1 ° and 0.5 °, respectively. A preferable small angle scattering intensity ratio is 1 to 10 times, and a more preferable intensity is in the range of 1 to 5 times for both 1 ° and 0.5 °. The small-angle scattering intensity detects the presence of fine pores inside the inorganic fiber, that is, voids or vacancies. If fine pores are present in the fiber, small-angle scattering intensity is caused by uneven distribution of electron density in the system. Is observed.
【0022】上記の如き特性を持つ窒化ケイ素質無機繊
維は、一般式The silicon nitride-based inorganic fiber having the above-mentioned characteristics is represented by the general formula
【0023】[0023]
【化1】 [Chemical 1]
【0024】で表わされる繰り返し単位を有し、数平均
分子量が100〜500,000の範囲のポリシラザン
を紡糸し、紡糸した繊維を焼成して得ることができる。
上記一般式中R1 ,R2 及びR3 は、各々独立に水素原
子、窒素原子、酸素原子、炭素原子、珪素原子及び炭化
水素基からなる置換基又は骨格であり、R1 ,R2 及び
R3 のすべてが同一又は少なくとも一種が異なるもので
もよい。炭化水素基としてはアルキル基、アルケニル
基、シクロアルキル基、又はアリール基等が挙げられ
る。It can be obtained by spinning polysilazane having a repeating unit represented by and having a number average molecular weight in the range of 100 to 500,000 and firing the spun fiber.
In the above general formula, R 1 , R 2 and R 3 are each independently a substituent or skeleton composed of a hydrogen atom, a nitrogen atom, an oxygen atom, a carbon atom, a silicon atom and a hydrocarbon group, and R 1 , R 2 and R 3 All of R 3 may be the same or different in at least one kind. Examples of the hydrocarbon group include an alkyl group, an alkenyl group, a cycloalkyl group, an aryl group and the like.
【0025】特に、上記式においてR1 ,R2 ,R3 が
すべて水素原子であるペルヒドロポリシラザン(無機ポ
リシラザン)を焼成して得たものは好適である。その他
にも各種のポリシラザンから同様の窒化ケイ素質繊維を
製造できるが、このようなポリシラザンについては特開
平3−285877号公報などに開示されている。In particular, those obtained by firing perhydropolysilazane (inorganic polysilazane) in which R 1 , R 2 and R 3 in the above formula are all hydrogen atoms are preferable. Besides, similar silicon nitride fibers can be produced from various polysilazanes, and such polysilazanes are disclosed in JP-A-3-285877.
【0026】また種々の用途、目的に合った繊維強化セ
ラミックス複合材料を作製するため、前記繊維以外に他
の強化用無機質繊維を使用することもできる。これらの
繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、ボロン繊維、炭
化珪素繊維、アルミナ繊維、シリカ−アルミナ繊維、窒
化ホウ素繊維、炭化ホウ素繊維、炭化珪素−炭化チタン
繊維等を挙げることができる。In addition to the above-mentioned fibers, other reinforcing inorganic fibers may be used in order to produce fiber-reinforced ceramic composite materials suitable for various uses and purposes. Examples of these fibers include glass fibers, carbon fibers, boron fibers, silicon carbide fibers, alumina fibers, silica-alumina fibers, boron nitride fibers, boron carbide fibers, and silicon carbide-titanium carbide fibers.
【0027】本発明に従えば、さらに、上記の如き強化
用無機質繊維の多層構造の表面処理層を一回のCVD処
理(1個の反応炉)で形成しうるCVD法が提供され
る。従来の報告されている多層膜は、複数工程を必須と
しており、工業的に工程および経費が煩雑になり実際に
は困難である。これを、一回の工程で行なえることは工
程や経費に対し大きな利点を付与することになる。According to the present invention, there is further provided a CVD method capable of forming a surface-treated layer having a multi-layered structure of reinforcing inorganic fibers as described above by a single CVD treatment (one reaction furnace). Conventionally reported multilayer films require a plurality of steps, which is industrially difficult due to complicated process and cost. Being able to do this in a single process gives a great advantage to the process and costs.
【0028】この目的は、少なくとも入口と出口を有す
る1つの反応炉内に、入口から出口へ向って2以上の異
なる温度の帯域即ち温度分布を形成し、入口から出口へ
向って連続繊維を通糸し、かつ反応炉中に2種類以上の
原料ガスを供給して、上記温度分布のゆえに2以上の異
なる膜種を化学気相堆積させることにより、連続繊維上
に多層構造の表面処理膜を形成することを特徴とする繊
維の表面処理方法によって達成される。The purpose of this is to form two or more different temperature zones or temperature distributions from the inlet to the outlet in one reactor having at least an inlet and an outlet, and to pass continuous fibers from the inlet to the outlet. A multi-layered surface-treated film is formed on the continuous fiber by spinning and feeding two or more kinds of raw material gas into the reaction furnace to cause chemical vapor deposition of two or more different film species due to the above temperature distribution. It is achieved by a fiber surface treatment method characterized by forming.
【0029】すなわち、この方法は、1つのCVD反応
炉中に2以上の温度帯域を形成して、反応炉内に温度分
布を形成し、この温度分布を利用して異なる膜を堆積さ
せることを本質としている。ここで、温度帯域は3以上
であることができ、それによってより精密な温度制御を
することが可能になる。ただし、温度帯域が3以上であ
っても、堆積する膜種が温度帯域の数に対応して増加す
る必要はない。要は、異なる温度帯域があって、結果と
して2以上の膜種の堆積がなされればよい。That is, this method forms two or more temperature zones in one CVD reaction furnace, forms a temperature distribution in the reaction furnace, and uses this temperature distribution to deposit different films. It is the essence. Here, the temperature band can be 3 or more, which enables more precise temperature control. However, even if the temperature band is 3 or more, it is not necessary to increase the number of deposited film types in accordance with the number of temperature bands. The point is that there are different temperature zones, and as a result, two or more film species can be deposited.
【0030】また、上記反応炉において、原料ガスは入
口側と出口側の一方から反応炉内に導入し、他方から排
気するほか、反応炉の途中の1箇所又は2箇所以上にポ
ートを有して、入口及び出口を含む反応炉全体のポート
のうち2又は3以上のポートを利用して導入及び排気を
行なってもよい。このように、温度分布と併せて原料ガ
スの導入排出箇所を制御することにより、より精密に、
またより所望の分布の多層構造の膜を析出させることが
できる。In the above reaction furnace, the raw material gas is introduced into the reaction furnace from one of the inlet side and the outlet side and exhausted from the other side, and also has ports at one or more points in the middle of the reactor. In addition, two or more ports out of the ports of the entire reaction furnace including the inlet and the outlet may be used for introduction and exhaust. In this way, by controlling the point of introduction and discharge of the source gas together with the temperature distribution, more precise,
Further, it is possible to deposit a film having a multilayer structure having a more desired distribution.
【0031】このCVD方法により堆積しうる膜種は特
に限定されず、具体的には炭素のほか、下記のものを例
示できる。 炭化物:炭化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウ
ム、炭化バナジウム、炭化クロム、炭化タングステン、
炭化ベリリウム、炭化硼素、その他の炭化物。 窒化物:窒化珪素、窒化チタン、窒化ジルコニウ
ム、窒化バナジウム、窒化ベリリウム、窒化硼素、窒化
アルミニウム、その他の窒化物。The type of film that can be deposited by this CVD method is not particularly limited, and specific examples include carbon and the following. Carbides: silicon carbide, titanium carbide, zirconium carbide, vanadium carbide, chromium carbide, tungsten carbide,
Beryllium carbide, boron carbide, and other carbides. Nitride: Silicon nitride, titanium nitride, zirconium nitride, vanadium nitride, beryllium nitride, boron nitride, aluminum nitride, and other nitrides.
【0032】 酸化物:アルミナ、シリカ、マグネシ
ア、ジルコニア、チタニア、ムライト、コージライト、
イットリア、硼素酸塩ガラス、高シリカ含有ガラス、酸
窒化珪素、サイアロン、その他の酸化物。 珪化物:一珪化鉄、一珪化三硼素、一珪化六硼素、
一珪化二マグネシウム、一珪化マンガン、珪化コバル
ト、一珪化二バナジウム、その他の珪化物。Oxides: alumina, silica, magnesia, zirconia, titania, mullite, cordierite,
Yttria, borate glass, high silica glass, silicon oxynitride, sialon, and other oxides. Silicide: iron monosilicide, triboron monosilicide, hexaboron monosilicide,
Dimagnesium monosilicide, manganese monosilicide, cobalt silicide, divanadium monosilicide, and other silicides.
【0033】 硼化物:硼化クロム、硼化タングステ
ン、硼化チタン、硼化モリブデン、硼化ニッケル、硼化
二モリブデン、硼化二タングステン、炭化四硼素、三酸
化二硼素、その他の硼化物。 これらの膜を堆積するための原料ガスの種類や反応条件
はそれ自体公知である。Borides: Chromium boride, tungsten boride, titanium boride, molybdenum boride, nickel boride, dimolybdenum boride, ditungsten boride, tetraboron carbide, diboron trioxide, and other borides. The type of source gas and reaction conditions for depositing these films are known per se.
【0034】また、反応炉内のCVD条件も特に限定さ
れないが、一般的には、温度200〜1500℃であり
好ましくは1000℃〜が良い。圧力雰囲気は、減圧下
数torrから760torr(大気圧)までさらに加圧下で可
能である。原料ソースとしては、炭素、炭化物、窒化
物、硼化物、酸化物などを得ることのできる組成種を含
んだ物が供給出来る。また、キャリアガスとしては、水
素および窒素、アルゴン等の不活性ガスの少なくとも一
種を選択することができ、希望により混合ガスとして供
給することもできる。The CVD conditions in the reaction furnace are not particularly limited, but generally the temperature is 200 to 1500 ° C., preferably 1000 ° C. or higher. The pressure atmosphere can be increased to several torr to 760 torr (atmospheric pressure) under reduced pressure. As the raw material source, a material containing a composition species capable of obtaining carbon, carbide, nitride, boride, oxide or the like can be supplied. Further, as the carrier gas, at least one of hydrogen and an inert gas such as nitrogen or argon can be selected, and if desired, it can be supplied as a mixed gas.
【0035】ここで、前記の好ましい表面処理層である
炭素層(下地層)とケイ素又はホウ素ドープ炭素層(表
面層)は、SiCl4 などのケイ素化合物,CH4 など
の炭化水素又は炭化水素化合物(沸点100℃以下),
N2 、必要に応じてH2 を原料ガスとして繊維入口側よ
り高温域を1100〜1300℃、低温域を1000〜
1200℃にすると、反応炉内前部で炭素層、後部でS
iがドープされた炭素層が堆積される。そして、温度分
布に応じてSiドープ量は濃度勾配を持つことが可能で
ある。また、BCl3 などのホウ素化合物、CH4 など
の炭化水素又は炭化水素化合物(沸点100℃以下)、
N2 、必要に応じてH2 を原料ガスとして繊維入口側よ
り高温域を1100〜1300℃、低温域を1000〜
1200℃にすることによってBをドープした炭素層を
堆積することができる。このとき、反応炉内に連続繊維
を移動させると、下地炭素層は繊維軸に垂直方向(半径
方向)に配向したグラファイト構造を持ち、表面Si又
はBドープ炭素層は非晶質相であることができる。[0035] Here, the carbon layer wherein a preferred surface treatment layer (undercoat layer) and a silicon or boron-doped carbon layer (surface layer), a silicon compound such as SiCl 4, hydrocarbons or hydrocarbon compounds such as CH 4 (Boiling point below 100 ° C),
N 2 and, if necessary, H 2 as a raw material gas from the fiber inlet side in a high temperature range of 1100 to 1300 ° C. and a low temperature range of 1000 to
When the temperature is set to 1200 ° C, the carbon layer is formed in the front part of the reaction furnace and S
A carbon layer doped with i is deposited. The Si doping amount can have a concentration gradient according to the temperature distribution. Further, a boron compound such as BCl 3 or the like, a hydrocarbon such as CH 4 or a hydrocarbon compound (boiling point 100 ° C. or lower),
N 2 and, if necessary, H 2 as a raw material gas from the fiber inlet side in a high temperature range of 1100 to 1300 ° C. and a low temperature range of 1000 to
A carbon layer doped with B can be deposited at 1200 ° C. At this time, when the continuous fiber is moved into the reaction furnace, the underlying carbon layer has a graphite structure oriented in the direction perpendicular to the fiber axis (radial direction), and the surface Si or B-doped carbon layer is in an amorphous phase. You can
【0036】また、BCl3 などのホウ素化合物、NH
3 又はアミン化合物SiCl4 などのケイ素化合物、N
2 、必要に応じてH2 を原料ガスとし、繊維入口側より
高温域を1000〜1300℃、低温域を900〜12
00℃とすると、反応炉前部でBN、後部でSiをドー
プしたBNを堆積させることができる。このとき、反応
炉に通糸して、下地BN層は繊維軸に垂直方向に配向し
た結晶構造を有する層とし、SiドープBN表面層は非
晶質相とすることができる。Further, a boron compound such as BCl 3 or NH
3 or silicon compounds such as amine compound SiCl 4 , N
2, and H 2 as raw material gases optionally, 1000 to 1300 ° C. The high temperature range than the fiber inlet side, a low temperature range from 900 to 12
When the temperature is 00 ° C., BN can be deposited in the front part of the reactor and BN doped with Si can be deposited in the rear part. At this time, the base BN layer can be passed through the reaction furnace to form a layer having a crystal structure oriented in the direction perpendicular to the fiber axis, and the Si-doped BN surface layer can be an amorphous phase.
【0037】以上の如くして製造された強化用無機質繊
維の集合体にセラミックス前駆体ポリマーを含浸し、焼
成してマトリックスをセラミックス化することにより、
繊維強化セラミックス複合材料を得ることができるが、
本発明の強化用無機質繊維、特に前記二層構造の繊維
は、特に窒化ケイ素質セラミックスマトリックス複合材
料への応用に好適である。By impregnating the aggregate of the reinforcing inorganic fibers produced as described above with the ceramic precursor polymer and firing it to make the matrix ceramic,
Fiber reinforced ceramics composite material can be obtained,
The reinforcing inorganic fiber of the present invention, in particular, the fiber having the two-layer structure is particularly suitable for application to a silicon nitride ceramic matrix composite material.
【0038】この窒化ケイ素質セラミックスマトリック
スの前駆体としては、下記A〜Pから選ばれるポリシラ
ザン、特に、数平均分子量200〜3000、含浸温度
で粘度1Pa・s未満のポリシラザン系ポリマーの1種以
上(1)と、数平均分子量200〜100,000、含
浸温度で粘度1Pa・s以上又は固体のポリシラザン系ポ
リマーの1種以上(2)とを混合してなり、かつ数平均
分子量200〜3000、含浸温度で粘度100Pa・s
以下に調整したポリシラザン系ポリマー混合物(3)が
好適である。As the precursor of this silicon nitride ceramic matrix, one or more polysilazanes selected from the following A to P, particularly polysilazane polymers having a number average molecular weight of 200 to 3000 and a viscosity at the impregnation temperature of less than 1 Pa · s ( 1) and a number average molecular weight of 200 to 100,000 and a viscosity of 1 Pa · s or more at the impregnation temperature or one or more of solid polysilazane-based polymers (2) are mixed, and the number average molecular weight of 200 to 3000 is impregnated. Viscosity at temperature 100Pa ・ s
The polysilazane-based polymer mixture (3) prepared below is suitable.
【0039】A)主たる繰り返し単位が−〔(SiH2)
n (NH)r 〕−(式中、n,rは1,2又は3であ
る。)であるポリシラザン。 B)主たる繰り返し単位が−〔(SiH2)n (N
H)r 〕−及び−〔(SiH2)m O〕−(式中、n,
m,rは1,2又は3である。)であるポリシロキサザ
ン。A) The main repeating unit is-[(SiH 2 ).
n (NH) r ]-(In formula, n, r is 1, 2 or 3.) The polysilazane. B) main repeating unit is - [(SiH 2) n (N
H) r ]-and-[(SiH 2 ) m O]-(wherein n,
m and r are 1, 2 or 3. ) Is polysiloxazane.
【0040】C)組成式(RSiHNH)x 〔(RSi
H)1.5N〕1-x (式中、Rはそれぞれ独立してアルキル
基、アルケニル基、シクロアルキル基、アリール基、ア
ルキルシリル基、アルキルアミノ基、アルキルヒドラジ
ン基又はアルコキシ基を表わし、そして0.4<x<1
である。)で表わされるポリオルガノ(ヒドロ)シラザ
ン。C) Compositional formula (RSiHNH) x [(RSi
H) 1.5 N] 1-x (wherein each R independently represents an alkyl group, an alkenyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, an alkylsilyl group, an alkylamino group, an alkylhydrazine group or an alkoxy group, and 0 .4 <x <1
Is. ) Polyorgano (hydro) silazane represented by
【0041】D)主たる繰り返し単位が−〔(SiH2)
n (NH)r 〕−及び−〔(SiR′H)n (NR′)
r 〕−(式中、R′は同じでも異なってもよく、水素原
子又は上記Rと同であり、n,rは1,2又は3であ
る。)であるポリシラザン。 E)主たる繰り返し単位が−SiH(N<)2 −及び−
〔(SiR′H)n (NR′)r 〕−(式中、R′は同
じでも異なってもよく、水素原子又は上記Rと同であ
り、n,rは1,2又は3である。)であるポリシラザ
ン。D) The main repeating unit is-[(SiH 2 ).
n (NH) r ]-and-[(SiR'H) n (NR ')
r ]-(in the formula, R ′ may be the same or different and is the same as hydrogen atom or the above R, and n and r are 1, 2 or 3). E) The main repeating unit is -SiH (N <) 2- and-
[(SiR′H) n (NR ′) r ]-(In the formula, R ′ may be the same or different and is the same as hydrogen atom or the above R, and n and r are 1, 2 or 3. ) Is polysilazane.
【0042】F)上記Aのポリシラザンを(R1)2 NH
〔式中、R1 はそれぞれ独立してアルキル基、又は(R
2)3 N−(式中、R2 はそれぞれ独立してアルキル基又
は水素であるが、少なくとも1個は水素でない)であ
る。〕で表されるアルキルアミン又はアルキルシラザン
又はアルキルアミノシランと反応して得られる改質ポリ
シラザン。F) The polysilazane of the above A is added to (R 1 ) 2 NH
[In the formula, each R 1 is independently an alkyl group, or (R
2 ) 3 N- (in the formula, each R 2 is independently an alkyl group or hydrogen, but at least one is not hydrogen). ] A modified polysilazane obtained by reacting with an alkylamine, an alkylsilazane, or an alkylaminosilane represented by
【0043】G)上記Aのポリシラザンをアルコール、
有機酸、エステル、ケトン、アルデヒド、イソシアネー
ト、アミド、又はメルカプタンと反応して得られる改質
ポリシラザン。 H)上記Aのポリシラザンをさらに架橋、分岐させて得
られる、1分子中の−SiH2 基と−SiH3 基の比が
2.5〜8.4であるシラザン高重合体。G) The polysilazane of the above A is alcohol,
Modified polysilazanes obtained by reacting with organic acids, esters, ketones, aldehydes, isocyanates, amides, or mercaptans. H) A high silazane polymer having a ratio of -SiH 2 groups to -SiH 3 groups in one molecule of 2.5 to 8.4, which is obtained by further crosslinking and branching the polysilazane of A.
【0044】I)主たる繰り返し単位が−Si(R3)2
NR3 −(式中、R3 はそれぞれ独立して水素原子又は
上記Rと同であるが、R3 のうち少なくとも1個は水素
原子である)で表されるポリシラザンと、M(OR4)m
(式中、Mは元素周期律表の第2A族から第5A族及び
第2B族から第5B族までの元素から選ばれる元素であ
り、R4 はそれぞれ独立に水素原子、炭素数1〜20個
のアルキル基、又はアリール基を表すが、少なくとも1
個のR4 は水素原子でなく、mはMの原子値である。)
で表されるメタルアルコキシドを反応させて得られるポ
リメタロシラザン。I) The main repeating unit is --Si (R 3 ) 2
NR 3 — (wherein, R 3 is independently a hydrogen atom or the same as the above R, but at least one of R 3 is a hydrogen atom), and M (OR 4 ) m
(In the formula, M is an element selected from elements of Groups 2A to 5A and 2B to 5B of the Periodic Table of Elements, and R 4 is independently a hydrogen atom and a carbon number of 1 to 20. Represents one alkyl group or aryl group, but at least 1
R 4 s are not hydrogen atoms, and m is the atomic value of M. )
A polymetallosilazane obtained by reacting a metal alkoxide represented by:
【0045】J)主たる繰り返し単位が−〔(SiH2)
n (NH)r 〕−(式中、n,rは1,2又は3であ
る。)と−B(N<)2 であるポリボロシラザン。 K)主たる繰り返し単位が−Si(R3)2 NR3 −(式
中、R3 は上記と同である。)で表わされ、架橋結合J) The main repeating unit is-[(SiH 2 ).
Polyborosilazane which is n (NH) r ]-(in the formula, n and r are 1, 2 or 3) and -B (N <) 2 . K) The main repeating unit is represented by —Si (R 3 ) 2 NR 3 — (wherein R 3 is the same as above), and a cross-linking bond is formed.
【0046】[0046]
【化2】 [Chemical 2]
【0047】(式中、R5 はそれぞれ独立に水素原子、
ハロゲン原子、炭素原子数1〜20個を有するアルキル
基、アルケニル基、シクロアルキル基、アリール基、ア
ルコキシ基、アルキルアミノ基、水酸基、又はアミノ基
であり、R6 はR5 のうち窒素原子を有する基の窒素原
子に結合している残基であり、最後の化学式では各3個
の窒素原子及び硼素原子からなる合計6個のうち少なく
とも2個が架橋に使われ、残りの原子にはR5 が結合す
ることができる。)を有するポリボロシラザン。(In the formula, each R 5 is independently a hydrogen atom,
A halogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkenyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, an alkoxy group, an alkylamino group, a hydroxyl group, or an amino group, and R 6 is a nitrogen atom among R 5. It is a residue that is bonded to the nitrogen atom of the group having, and in the last chemical formula, at least two out of a total of six consisting of three nitrogen atoms and a boron atom are used for the bridge, and the remaining atoms are R Five can be combined. ).
【0048】L)主たる繰り返し単位が−Si(R3)2
NR3 −(式中、R3 は上記と同である。)で表わさ
れ、架橋結合L) The main repeating unit is --Si (R 3 ) 2
NR 3 − (in the formula, R 3 is the same as above) and represents a cross-linking bond.
【0049】[0049]
【化3】 [Chemical 3]
【0050】(式中、R5 は上記と同じであり、R6 は
R5 のうち窒素原子を有する基の窒素原子に結合してい
る残基であり、最後の化学式では結合手のうち少なくと
も2個が架橋に使われ、残りの原子にはR5 が結合する
ことができる。)を有するポリホスホシラザン。 M)主たる繰り返し単位が−〔(SiH2)n (N
H)r 〕−(式中、n,rは1,2又は3である。)で
あるポリシラザンと熱可塑性珪素含有ポリマーとを共重
合して成る熱硬化性共重合体。(In the formula, R 5 is the same as above, R 6 is a residue bonded to the nitrogen atom of the group having a nitrogen atom in R 5 , and in the final chemical formula, at least one of the bonds is 2 are used for the bridge, and R 5 can be bonded to the rest of the atoms). M) is main repeating unit - [(SiH 2) n (N
H) r ]-(wherein n and r are 1, 2 or 3) and a thermosetting copolymer obtained by copolymerizing a polysilazane with a thermoplastic silicon-containing polymer.
【0051】N)主たる繰り返し単位が−〔(SiH2)
n (NH)r 〕−(式中、n,rは1,2又は3であ
る。)であるポリシラザンと金属化合物の反応生成物
と、熱可塑性珪素含有ポリマーとを共重合して成る熱硬
化性共重合体。 O)上記I,J,Kに記載したポリボロシラザンと熱可
塑性珪素含有ポリマーとを共重合して成る熱硬化性共重
合体。N) The main repeating unit is-[(SiH 2 ).
n (NH) r ]-(wherein n and r are 1, 2 or 3) and thermosetting obtained by copolymerizing a reaction product of a polysilazane and a metal compound with a thermoplastic silicon-containing polymer. Sex copolymer. O) A thermosetting copolymer obtained by copolymerizing the polyborosilazane described in I, J, and K with a thermoplastic silicon-containing polymer.
【0052】P)上記ポリマーの共重合体。 これらのポリシラザン自体については特願平4−317
510号公報に提案されている。このポリシラザンを無
機質繊維集合体に含浸し、焼成して窒化ケイ素質セラミ
ックスマトリックス複合材料を得る。無機質繊維集合体
はプリフォームでもプリプレグ用でもよい。焼成条件
は、一般に、不活性雰囲気中1000〜1400℃であ
る。この焼成の際強化用無機質繊維は最外層に耐反応性
の層を有するので、下層の亀裂防止、引き抜き許容層が
保護され、その結果この複合材料は優れた複合効果を発
揮し、実用可能な無機質連続繊維強化のセラミックスマ
トリックス複合材料が提供される。P) Copolymers of the above polymers. Regarding these polysilazanes themselves, Japanese Patent Application No. 4-317
It is proposed in Japanese Patent Publication No. 510. An inorganic fiber aggregate is impregnated with this polysilazane and fired to obtain a silicon nitride ceramic matrix composite material. The inorganic fiber aggregate may be for preform or prepreg. Firing conditions are generally 1000 to 1400 ° C. in an inert atmosphere. During this firing, the reinforcing inorganic fiber has a reaction-resistant layer as the outermost layer, so that the lower layer is prevented from cracking and the pull-out permissible layer is protected, and as a result, this composite material exhibits an excellent composite effect and is practically usable. An inorganic continuous fiber reinforced ceramic matrix composite material is provided.
【0053】参考例1(無機ポリシラザンの製造方法) 温度が0℃の恒温槽内に設置した反応器内を乾燥窒素で
置換した後、乾燥ピリジン4.5リットルを入れ温度が
一定となるまで保持した後、攪拌しながらジクロロシラ
ン(SiH2 Cl2 )505.0gを加え、白色固体状
のアダクトを得た。反応混合物を0℃に冷却し、攪拌し
ながら、乾燥アンモニア360gを吹きこんだ。 Reference Example 1 (Production Method of Inorganic Polysilazane) After replacing the reactor with a dry nitrogen in a thermostat having a temperature of 0 ° C., 4.5 liters of dry pyridine was added and kept until the temperature became constant. Then, 505.0 g of dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) was added with stirring to obtain a white solid adduct. The reaction mixture was cooled to 0 ° C. and 360 g of dry ammonia was bubbled in with stirring.
【0054】反応終了後、乾燥窒素を吹きこみ、未反応
のアンモニアを除去した後、窒素雰囲気下で加圧濾過
し、濾液4.5リットルを得た。この濾液に乾燥o−キ
シレン5.0リットルを加え、約4.5リットルになる
まで減圧下で溶媒を除去し、さらに乾燥o−キシレン
5.0リットルを加え再び減圧蒸留して3.5リットル
の溶媒を得た。溶液の一部を分取し、さらに溶媒を減圧
除去すると無色の粘性液体が得られた。After completion of the reaction, dry nitrogen was blown into the reaction mixture to remove unreacted ammonia, and the mixture was filtered under pressure in a nitrogen atmosphere to obtain 4.5 liters of filtrate. To this filtrate was added 5.0 liters of dry o-xylene, the solvent was removed under reduced pressure until the amount was about 4.5 liters, 5.0 liters of dry o-xylene was added, and the mixture was distilled again under reduced pressure to 3.5 liters. The solvent was obtained. A part of the solution was separated and the solvent was removed under reduced pressure to give a colorless viscous liquid.
【0055】この粘性液体を、GPCにより分子量を測
定したところ数平均分子量(Mn)は902であった。
また粘度は75mPa ・S:25℃であった。また、前記
重合体の元素組成(重量%)はSi:64.3、N:2
6.8、O:1.9、C:2.6であった。参考例2(改質ポリシラザンの製造方法) 温度が60℃の恒温槽内に設置した反応器内を乾燥窒素
で置換した後、参考例1で得られた無機ポリシラザンの
ピリジン溶液3.0リットルを入れ温度が一定となるま
で保持した後、アンモニアガスを注入した。調節弁から
余分なガスを放出して反応器の圧力が5kg/cm2 Gとな
るように設定し、14時間保持した。When the molecular weight of this viscous liquid was measured by GPC, the number average molecular weight (Mn) was 902.
The viscosity was 75 mPa · S: 25 ° C. The elemental composition (% by weight) of the polymer is Si: 64.3, N: 2
It was 6.8, O: 1.9, and C: 2.6. Reference Example 2 (Method for producing modified polysilazane) After replacing the inside of a reactor installed in a constant temperature bath at a temperature of 60 ° C. with dry nitrogen, 3.0 liters of a pyridine solution of the inorganic polysilazane obtained in Reference Example 1 was added. After keeping the charging temperature constant, ammonia gas was injected. Excess gas was discharged from the control valve to set the pressure of the reactor to 5 kg / cm 2 G and the pressure was maintained for 14 hours.
【0056】反応終了後、3.5リットルの乾燥o−キ
シレンを加え乾燥窒素を吹き込み、未反応のアンモニア
を除去した後、約3.5リットルになるまで減圧下で溶
媒を除去し、さらに乾燥o−キシレン3.5リットルを
加え再び減圧蒸留して2.5リットルの溶液を得た。溶
液の一部を分取し、さらに溶媒を減圧除去すると白色固
体状のシラザンが得られた。After completion of the reaction, 3.5 liters of dry o-xylene was added and dry nitrogen was blown to remove unreacted ammonia. Then, the solvent was removed under reduced pressure to about 3.5 liters, and further dried. 3.5 liters of o-xylene was added and distilled again under reduced pressure to obtain a 2.5 liter solution. A part of the solution was collected, and the solvent was removed under reduced pressure to obtain white solid silazane.
【0057】GPCにより分子量を測定したところ数平
均分子量(Mn)は2070であった。また、元素分析
により珪素と窒素の組成比は1.05であった。参考例3(ポリボロシラザンの製造方法) 参考例1で得られた無機ポリシラザンのピリジン溶液
(無機ポリシラザンの濃度:5.10重量%)500ml
を内容積1.5リットルの耐圧反応容器に入れ、トリメ
チルボレート20.0cc(0.175mol ) を加え密閉
系で160℃で3時間攪拌しながら反応を行なった。反
応前後で圧力は1.0kg/cm2 上昇した。発生した気体
はガスクロマトグラフィー(GC)測定により、水素お
よびメタンであった。室温に冷却後、乾燥φ−キシレン
500mlを加え、圧力3〜5mmHg、温度50〜70℃で
溶媒を除いたところ、54.5gの白色粉末が得られ
た。この粉末は、トルエン、テトラヒドロフラン、クロ
ロホルムおよびその他の有機溶媒に可溶であった。When the molecular weight was measured by GPC, the number average molecular weight (Mn) was 2070. The compositional ratio of silicon and nitrogen was 1.05 by elemental analysis. Reference Example 3 (Method for producing polyborosilazane) 500 ml of a pyridine solution of the inorganic polysilazane obtained in Reference Example 1 (concentration of inorganic polysilazane: 5.10% by weight)
Was placed in a pressure-resistant reaction vessel having an internal volume of 1.5 liter, 20.0 cc (0.175 mol) of trimethylborate was added, and the reaction was carried out in a closed system at 160 ° C. for 3 hours with stirring. The pressure increased by 1.0 kg / cm 2 before and after the reaction. The generated gas was hydrogen and methane as measured by gas chromatography (GC). After cooling to room temperature, 500 ml of dry φ-xylene was added, and the solvent was removed at a pressure of 3 to 5 mmHg and a temperature of 50 to 70 ° C. to obtain 54.5 g of white powder. This powder was soluble in toluene, tetrahydrofuran, chloroform and other organic solvents.
【0058】前記重合体粉末の数平均分子量は、GPC
により測定したところ、1680であった。またその組
成はSi:42.4%、N:25.9%、C:8.8
%、O:12.7%、B:7.0%、H:3.8%であ
った。参考例4(ランダム共重合シラザンの製造方法) 温度が0℃の恒温槽内に設置した反応器内を乾燥窒素で
置換した後、乾燥ピリジン900mlを入れ温度が一定と
なるまで保持した後、攪拌しながらメチルジクロロシラ
ン(CH3 SiH2 Cl2 )57.5g、ジクロロシラ
ン(SiH2 Cl2 )50.5gをそれぞれ加え錯体混
合物を形成させ、白色固体状のアダクトを得た。反応混
合物を0℃に冷却し、攪拌しながら、乾燥アンモニア7
2gを吹き込んだ。The number average molecular weight of the polymer powder is GPC.
It was 1680 when measured by. The composition is Si: 42.4%, N: 25.9%, C: 8.8.
%, O: 12.7%, B: 7.0%, and H: 3.8%. Reference Example 4 (Method for producing random copolymerized silazane) After replacing the inside of a reactor installed in a thermostat at a temperature of 0 ° C. with dry nitrogen, 900 ml of dry pyridine was added and maintained until the temperature became constant, and then stirred. While adding 57.5 g of methyldichlorosilane (CH 3 SiH 2 Cl 2 ) and 50.5 g of dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) respectively, a complex mixture was formed to obtain a white solid adduct. The reaction mixture was cooled to 0 ° C. and stirred with dry ammonia 7
Blow 2g.
【0059】反応終了後、乾燥窒素を吹き込み、未反応
のアンモニアを除去した後、窒素雰囲気下で加圧濾過
し、濾液850mlを得た。この濾液に乾燥o−キシレン
1000mlを加え減圧下で溶媒を除去したところ、3
9.2gの無色の粘性液体が得られた。この粘性液体の
数平均分子量は、GPCにより測定したところ630で
あった。After completion of the reaction, dry nitrogen was blown into the reaction mixture to remove unreacted ammonia, and the mixture was filtered under pressure in a nitrogen atmosphere to obtain 850 ml of a filtrate. When 1000 ml of dry o-xylene was added to this filtrate and the solvent was removed under reduced pressure, 3
9.2 g of colorless viscous liquid was obtained. The number average molecular weight of this viscous liquid was 630 as measured by GPC.
【0060】また、前記重合体の元素組成(重量%)は
Si:54.4、N:23.8、O:3.0、C:1
2.9であった。参考例5(窒化珪素繊維の製造方法) 参考例2と同様な方法で製造した改質ポリシラザンのキ
シレン溶液を濃縮し、400poise :23℃に調整し
た。The elemental composition (% by weight) of the polymer is Si: 54.4, N: 23.8, O: 3.0, C: 1.
It was 2.9. Reference Example 5 (Method for producing silicon nitride fiber) A xylene solution of modified polysilazane produced by the same method as in Reference Example 2 was concentrated and adjusted to 400 poise: 23 ° C.
【0061】この溶液をノズル径0.1mm、ホール数2
50、吐出測度2.5m/min 、乾燥温度80℃の条件
で乾式紡糸を行い、油剤塗付後ワインダーに90m/mi
n の速度で巻き取った。その後、1000m巻きのボビ
ン4本から、1000フィラメント/ストランドの合糸
繊維を速度20m/min でネルソンローラーを用い、ケ
ンス取りをバスケット中に行った。この合糸した生繊維
を昇温速度180℃/Hrでアンモニア中600℃で1時
間保持した。This solution was used with a nozzle diameter of 0.1 mm and 2 holes.
50, discharge rate 2.5m / min, dry temperature 80 ℃, dry spinning, 90m / mi on winder after applying oil
Winded at a speed of n. Then, cans were removed from four bobbins of 1000 m in diameter by using a Nelson roller at a speed of 20 m / min for 1000 filaments / strands of mixed fiber, and canning was performed in a basket. The mixed raw fiber was held in ammonia at 600 ° C. for 1 hour at a heating rate of 180 ° C./Hr.
【0062】続いてアンモニア焼成繊維をボビンに巻き
取り、窒素中連続焼成を行った。連続焼成は、昇温速度
20℃/min で1300℃まで行った。得られた窒化珪
素繊維は、引張強度250kgf /mm2 、引張弾性率23
tonf/mm2 の酸素2.7%、炭素0.2%を含む以外
は、化学量論的な窒化珪素組成であった。Subsequently, the ammonia calcined fiber was wound around a bobbin and continuously calcined in nitrogen. The continuous firing was performed up to 1300 ° C. at a temperature rising rate of 20 ° C./min. The obtained silicon nitride fiber has a tensile strength of 250 kgf / mm 2 and a tensile modulus of 23.
It had a stoichiometric silicon nitride composition except that it contained 2.7% tonf / mm 2 of oxygen and 0.2% of carbon.
【0063】実施例1(被表面処理窒化ケイ素繊維一方
向強化複合材料の作製) 参考例5に記した東燃製窒化ケイ素繊維(引張強度25
0kgf /mm2 、引張弾性率23tonf/mm2 、1K本/ス
トランド)を、図1のCVD装置により表面処理した。
図1において、1は繊維供給部、2は脱サイズ炉、3は
反応炉、4は繊維巻取部、5,6,7はヒータ、8は原
料ガス供給口、9は排ガス出口、10は窒化ケイ素連続
繊維である。 Example 1 (one surface treated silicon nitride fiber)
Preparation of direction-strengthening composite material) Tonen's silicon nitride fiber (tensile strength 25
0 kgf / mm 2 , tensile elastic modulus 23 tonf / mm 2 , 1K strands / strand) was surface-treated by the CVD apparatus shown in FIG.
In FIG. 1, 1 is a fiber supply unit, 2 is a de-sizing furnace, 3 is a reaction furnace, 4 is a fiber winding unit, 5, 6 and 7 are heaters, 8 is a source gas supply port, 9 is an exhaust gas outlet, and 10 is It is a silicon nitride continuous fiber.
【0064】該窒化ケイ素繊維10を窒素雰囲気500
℃に加熱した管状の脱サイズ炉2に通糸し、サイジング
剤などの付着物を焼き飛ばして繊維表面を清浄にし、そ
の後連続的に、管状の反応炉3に通糸した。反応炉3内
の温度はヒータ5〜7を用いて入口側1200℃、中央
1175℃、出口側1150℃に制御されていた。原料
ガスとしてSiCl4 を500SCCM、CH4 を500SC
CM、N2 を5.6SLM (合計6.6SLM )流した。反応
炉3の管径は6.0cmであるのでガス流速は3.9cm/
sec である。反応器内の圧力は760torr(大気圧)と
した。また、通糸速度は2m/min とした(0.5〜3
m/min でも可能である)。The silicon nitride fiber 10 is placed in a nitrogen atmosphere 500.
The fiber was passed through a tubular desizing furnace 2 heated to 0 ° C. to burn off adhering substances such as a sizing agent to clean the fiber surface, and then continuously passed through a tubular reaction furnace 3. The temperature inside the reaction furnace 3 was controlled to 1200 ° C. on the inlet side, 1175 ° C. in the center, and 1150 ° C. on the outlet side using heaters 5 to 7. 500 sccm of SiCl 4 and 500 sc of CH 4 as source gases
CM and N 2 were flushed with 5.6 SLM (total of 6.6 SLM). Since the tube diameter of the reactor 3 is 6.0 cm, the gas flow rate is 3.9 cm /
sec. The pressure in the reactor was 760 torr (atmospheric pressure). The threading speed was set to 2 m / min (0.5 to 3
m / min is also possible).
【0065】この処理により、厚さ0.1ミクロン前後
の二層無機コーティング被膜を得た。繊維表面から厚さ
約0.1ミクロンの炭素膜、および最表面には100オ
ングストローム以下のSiドープ炭素膜(Si/C原子
比2.45%)が形成されているのが、オージェ電子分
光法により確認された。含浸液として、前記Aの無機ポ
リシラザン(数平均分子量:902、粘度:75mPa ・
S:25℃)と前記Kのポリボロシラザン(数平均分子
量:1680、固体)とを重量比で10:1で混合し
た、混合ポリシラザン(数平均分子量:980、粘度2
08mPa ・S:25℃)を用いた。By this treatment, a two-layer inorganic coating film having a thickness of about 0.1 μm was obtained. The carbon film having a thickness of about 0.1 micron from the fiber surface and the Si-doped carbon film (Si / C atomic ratio 2.45%) of 100 Å or less are formed on the outermost surface by Auger electron spectroscopy. Confirmed by. As the impregnating liquid, the inorganic polysilazane of A (number average molecular weight: 902, viscosity: 75 mPa.
S: 25 ° C.) and the polyborosilazane of K (number average molecular weight: 1680, solid) in a weight ratio of 10: 1, mixed polysilazane (number average molecular weight: 980, viscosity 2)
08 mPa · S: 25 ° C.) was used.
【0066】プリプレグの作製は、前記含浸液を浸漬し
た被表面処理窒化珪素繊維ヤーンをフィラメントワイン
ディング法により100mm角、厚さ10mmのマンドレル
に一方向に巻き取り、強化繊維の体積率が50%となる
までプレス成形することで行なった。その後以下の架橋
硬化、焼成工程を経て焼成体を得るが、このままでは低
密度であるため含浸液の再含浸、架橋硬化、焼成工程を
8回繰り返して焼成体を得た。焼成体を得るための工程
としては、以下の通りである。The prepreg was produced by winding the surface-treated silicon nitride fiber yarn in which the impregnating solution was dipped in one direction on a mandrel of 100 mm square and 10 mm thickness by the filament winding method, and the volume ratio of the reinforcing fiber was 50%. It was performed by press molding until it became. Thereafter, a fired body is obtained through the following crosslinking and curing and firing steps. However, since the density is low as it is, re-impregnation of the impregnating liquid, crosslinking and curing and firing steps were repeated 8 times to obtain a fired body. The steps for obtaining a fired body are as follows.
【0067】 含浸工程 金属製圧力容器にいれた焼成体(?)を80℃、10-1
torrで1時間真空引きすることで脱気したのち、ポリマ
ーを導入し、真空含浸した。つぎに、圧力容器に窒素ガ
スで5kg/cm2 Gまで加圧し1時間保持し、ポリマーを
加圧含浸した。 架橋硬化工程 5kg/cm2 Gの窒素で加圧した圧力容器を昇温速度1℃
/min で200℃に1時間保温しポリマーを架橋硬化さ
せた。このとき圧力は6.7kg/cm2 Gまで上昇した。Impregnation Step The fired product (?) Placed in a metal pressure vessel was heated at 80 ° C for 10 -1.
After degassing by vacuuming for 1 hour at torr, the polymer was introduced and vacuum impregnated. Next, the pressure vessel was pressurized with nitrogen gas to 5 kg / cm 2 G and held for 1 hour to impregnate the polymer under pressure. Crosslinking and curing process Pressurize a pressure vessel pressurized with 5 kg / cm 2 G of nitrogen at a heating rate of 1 ° C
The polymer was crosslinked and cured by keeping the temperature at 200 ° C for 1 hour / min. At this time, the pressure rose to 6.7 kg / cm 2 G.
【0068】 焼成工程 圧力容器から硬化の終了した焼成体を取出し、窒素雰囲
気で1250℃(昇温速度3℃/min 、1時間保持)ま
で焼成した。このようにして得られた、焼成体の繊維体
積含有率は46vol %であった。焼成体からJIS−R
−1601に準拠した曲げ試験片(1×4×36mm)を
切り出し、三点曲げ強度試験を行なった。室温曲げ強度
は82kgf /mm2 であった。また、破壊形態は非脆性的
で、繊維の引き抜けが顕著に観察された。Firing Step The fired body that had been cured was taken out from the pressure vessel and fired in a nitrogen atmosphere up to 1250 ° C. (heating rate 3 ° C./min, holding for 1 hour). The fiber volume content of the fired body thus obtained was 46 vol%. From fired body to JIS-R
Bending test pieces (1 × 4 × 36 mm) according to −1601 were cut out and subjected to a three-point bending strength test. The room temperature bending strength was 82 kgf / mm 2 . Further, the fracture mode was non-brittle, and fiber pull-out was noticeably observed.
【0069】引き抜け部繊維およびマトリックスの深さ
方向分析を、オージェ電子分光法により行なったとこ
ろ、引き抜け位置が表面処理膜とマトリックスの界面で
あることが分かった。また、界面が保持されたことによ
り、表面処理膜の変化は認められなかった。さらに、透
過型電子顕微鏡により界面部位の微細構造観察を行なっ
たところ、界面は密接な状態を呈しているのが確認され
た。When the fibers in the drawn-out portion and the matrix were analyzed in the depth direction by Auger electron spectroscopy, it was found that the drawn-out position was the interface between the surface-treated film and the matrix. In addition, since the interface was retained, no change was observed in the surface-treated film. Furthermore, when the fine structure of the interface was observed with a transmission electron microscope, it was confirmed that the interface was in a close state.
【0070】比較例1(被表面処理窒化ケイ素繊維一方
向強化複合材料の作製) 参考例5に記した東燃製窒化ケイ素繊維(引張強度25
0kgf /mm2 、引張弾性率23tonf/mm2 、1K本/ス
トランド)を、図1のCVD装置により表面処理した。
該窒化ケイ素繊維を窒素雰囲気500℃に加熱した管状
脱サイズ炉に通糸し、サイジング剤などの付着物を焼き
飛ばして繊維表面を清浄にし、その後連続的に、反応炉
3に通糸した。反応炉3内の温度は全体に1200℃と
した。原料ガスとしてCH4 を1.0SLM 、H2 を5.
0SLM (合計6.0SLM )流した(ガス流速3.5cm/
sec )。圧力は760torr、通糸速度は2.0m/min
とした。 Comparative Example 1 (one surface treated silicon nitride fiber)
Preparation of direction-strengthening composite material) Tonen's silicon nitride fiber (tensile strength 25
0 kgf / mm 2 , tensile elastic modulus 23 tonf / mm 2 , 1K strands / strand) was surface-treated by the CVD apparatus shown in FIG.
The silicon nitride fiber was passed through a tubular desizing furnace heated to a nitrogen atmosphere of 500 ° C. to burn off deposits such as a sizing agent to clean the fiber surface, and then continuously passed through the reaction furnace 3. The temperature inside the reaction furnace 3 was 1200 ° C. as a whole. CH 4 is 1.0 SLM and H 2 is 5.
0 SLM (total 6.0 SLM) was flown (gas flow rate 3.5 cm /
sec). Pressure is 760 torr, threading speed is 2.0 m / min
And
【0071】この処理により厚さ0.1μm前後の単層
無機コーティング(炭素)被膜を得た。実施例1と同様
の含浸液を用い、実施例1と同様にプリプレグの作製、
含浸、架橋硬化、焼成工程を繰り返し焼成体を得た。こ
のようにして得られた、焼成体の繊維体積含有率は46
vol %であった。焼成体からJIS−R1601に準拠
した曲げ試験片(1×4×36mm)を切り出し、三点曲
げ強度試験を行なった。室温曲げ強度は23kgf /mm2
であった。また、破壊形態はやや脆性的で、繊維の引き
抜けはあまり観察されなかった。引き抜け部繊維および
マトリックスの深さ方向分析を、オージェ電子分光法に
より行なったところ、引き抜け位置が表面処理膜とマト
リックスの界面もしくは表面処理膜内であることが分か
った。これは、表面処理膜が変質したことにより界面が
保持されなかった為と考えられる。By this treatment, a single-layer inorganic coating (carbon) film having a thickness of about 0.1 μm was obtained. Using the same impregnating liquid as in Example 1, preparation of prepreg as in Example 1,
The impregnation, cross-linking curing and firing steps were repeated to obtain a fired body. The fiber volume content of the fired body thus obtained was 46.
It was vol%. Bending test pieces (1 × 4 × 36 mm) according to JIS-R1601 were cut out from the fired body and subjected to a three-point bending strength test. Room temperature bending strength is 23kgf / mm 2
Met. Further, the fracture mode was rather brittle, and fiber pull-out was hardly observed. The depth direction analysis of the drawn-out fibers and the matrix was performed by Auger electron spectroscopy, and it was found that the drawn-out position was at the interface between the surface-treated film and the matrix or in the surface-treated film. It is considered that this is because the interface was not retained due to the deterioration of the surface-treated film.
【0072】さらに、透過型電子顕微鏡により界面部位
の微細構造観察を行なったところ、繊維/マトリックス
界面に50〜100オングストローム程度のすきまと思
われるコントラスの異なる部分が繊維周方向に沿って観
察され、界面が保持されていない様子が確認された。比較例2(非表面処理窒化ケイ素繊維一方向強化複合材
料の作製) 参考例5に記した東燃製窒化ケイ素繊維(引張強度25
0kgf /mm2 、引張弾性率23tonf/mm2 、1K本/ス
トランド)を用いて、表面処理は行なわず繊維強化複合
材を作製した。Further, when the fine structure of the interface portion was observed by a transmission electron microscope, a different portion of the contrast, which was considered to have a clearance of about 50 to 100 angstroms, was observed along the fiber circumferential direction at the fiber / matrix interface. It was confirmed that the interface was not retained. Comparative Example 2 (Non-surface-treated silicon nitride fiber unidirectionally reinforced composite material)
Preparation of material) Tonen's silicon nitride fiber described in Reference Example 5 (tensile strength 25
Using 0 kgf / mm 2 , tensile elastic modulus of 23 tonf / mm 2 , 1K strands / strand), no surface treatment was carried out to prepare a fiber reinforced composite material.
【0073】該窒化ケイ素繊維を窒素雰囲気500℃に
加熱した管状炉に通糸し、サイジング剤などの付着物を
焼き飛ばして繊維表面を清浄にした。その後実施例1と
同様の含浸液を用い、実施例1と同様にプリプレグの作
製、含浸、架橋硬化、焼成工程を繰り返し焼成体を得
た。このようにして得られた、焼成体の繊維体積含有率
は55vol %であった。焼成体からJIS−R1601
に準拠した曲げ試験片(1×4×36mm)を切り出し、
三点曲げ強度試験を行なった。室温曲げ強度は15kgf
/mm2 であった。また、破壊形態は脆性的で、繊維の引
き抜けは観察されなかった。The silicon nitride fiber was passed through a tubular furnace heated to 500 ° C. in a nitrogen atmosphere, and deposits such as a sizing agent were burned off to clean the fiber surface. After that, using the same impregnation liquid as in Example 1, the steps of producing, impregnating, crosslinking and curing the prepreg were repeated in the same manner as in Example 1 to obtain a fired body. The fiber volume content of the fired body thus obtained was 55 vol%. From fired body to JIS-R1601
Bending test piece (1 x 4 x 36 mm) according to
A three-point bending strength test was conducted. Room temperature bending strength is 15kgf
It was / mm 2 . Further, the fracture morphology was brittle, and fiber pull-out was not observed.
【0074】実施例2(被表面処理窒化珪素繊維一方向
強化複合材料の作製) 参考例5に記した東燃製窒化珪素繊維(引張強度250
kgf /mm2 、引張弾性率23tonf/mm2 、1K本/スト
ランド)を、実施例1と同様にCVD装置により表面処
理し、二層無機コーティング被膜を得た。含浸液とし
て、参考例4記載のランダム共重合シラザン(数平均分
子量:756、粘度:55mPa ・S:25℃)と前記K
のポリボロシラザン(数平均分子量:1680、固体)
とを重量比で5:1に混合した、混合ポリシラザン(数
平均分子量:910、粘度:437mPa ・S:25℃)
を用いた。 Example 2 (Surface-treated silicon nitride fiber in one direction
Preparation of Reinforced Composite Material) Tonen Silicon Nitride Fiber (Tensile Strength 250
kgf / mm 2 , tensile modulus of 23 tonf / mm 2 , 1K strands / strand) was surface-treated by a CVD apparatus in the same manner as in Example 1 to obtain a two-layer inorganic coating film. As the impregnating liquid, the random copolymerized silazane described in Reference Example 4 (number average molecular weight: 756, viscosity: 55 mPa · S: 25 ° C.) and the above K were used.
Polyborosilazane (number average molecular weight: 1680, solid)
And 5: 1 in a weight ratio of mixed polysilazane (number average molecular weight: 910, viscosity: 437 mPa · S: 25 ° C.)
Was used.
【0075】そして、実施例1と同様にプリプレグの作
製、含浸、架橋硬化、焼成工程を繰り返し焼成体を得
た。但し、焼成温度については1350℃窒素雰囲気に
て行なった。このようにして得られた、焼成体の繊維体
積含有率は55vol %であった。焼成体からJIS−R
1601に準拠した曲げ試験片(1×4×36mm)を切
り出し、三点曲げ強度試験を行なった。室温曲げ強度は
107kgf /mm2 であった。また、1250℃にて20
0時間保持した後の室温曲げ強度は、83kgf /mm2で
あった。破壊形態は非脆性的で、繊維の引き抜けが顕著
に観察された。Then, in the same manner as in Example 1, the steps of producing a prepreg, impregnation, crosslinking and curing, and firing were repeated to obtain a fired body. However, the firing temperature was 1350 ° C. in a nitrogen atmosphere. The fiber volume content of the fired body thus obtained was 55 vol%. From fired body to JIS-R
A bending test piece (1 × 4 × 36 mm) according to 1601 was cut out and a three-point bending strength test was performed. The room temperature bending strength was 107 kgf / mm 2 . Also, 20 at 1250 ° C
The room temperature bending strength after holding for 0 hour was 83 kgf / mm 2 . The fracture morphology was non-brittle and fiber pull-out was noticeably observed.
【0076】実施例3(被表面処理炭化珪素質繊維一方
向強化複合材料の作製) 宇部興産製炭化珪素質(Si−Ti−C−O)繊維、チ
ラノLoxMグレード(引張強度342kgf /mm2 、引
張弾性率19tonf/mm2 、0.8K本/ストランド)
を、実施例1と同様にCVD装置により表面処理し、二
層無機コーティング被膜を得た。 Example 3 (Surface-treated silicon carbide fiber one side)
Preparation of reinforced composite material) Silicon carbide (Si-Ti-C-O) fiber manufactured by Ube Industries, Tyranno LoxM grade (tensile strength 342 kgf / mm 2 , tensile elastic modulus 19 tonf / mm 2 , 0.8 K strands / strand)
Was surface-treated with a CVD apparatus in the same manner as in Example 1 to obtain a two-layer inorganic coating film.
【0077】その後実施例2と同様の含浸液を用い、実
施例2と同様にプリプレグの作製、含浸、架橋硬化、焼
成工程を繰り返し焼成体を得た。このようにして得られ
た、焼成体の繊維体積含有率は52vol %であった。焼
成体からJIS−R1601に準拠した曲げ試験片(1
×4×36mm)を切り出し、三点曲げ強度試験を行なっ
た。室温曲げ強度は120kgf /mm2 であった。また、
1250℃にて200時間保持した後の室温曲げ強度
は、65kgf /mm2であった。破壊形態は非脆性的で、
繊維の引き抜けが顕著に観察された。Thereafter, the same impregnating liquid as in Example 2 was used to repeat the steps of producing a prepreg, impregnation, crosslinking and curing, and firing in the same manner as in Example 2 to obtain a fired body. The fiber volume content of the fired body thus obtained was 52 vol%. Bending test piece (1 according to JIS-R1601 from the fired body
(× 4 × 36 mm) was cut out and a three-point bending strength test was performed. The room temperature bending strength was 120 kgf / mm 2 . Also,
The room temperature flexural strength after holding at 1250 ° C. for 200 hours was 65 kgf / mm 2 . The fracture mode is non-brittle,
Remarkable fiber pull-out was observed.
【0078】実施例4(被表面処理炭化珪素質繊維一方
向強化複合材料の作製) 日本カーボン製炭化珪素質(Si−C−O)繊維、ニカ
ロンNL−221細径グレード(引張強度344kgf /
mm2 、引張弾性率20tonf/mm2 、0.5K本/ストラ
ンド)を、実施例1と同様にCVD装置により表面処理
し、二層無機コーティング被膜を得た。 Example 4 (Surface-treated silicon carbide fiber one side
Manufacture of direction-strengthening composite material) Silicon carbonaceous (Si—C—O) fiber made by Nippon Carbon, Nicalon NL-221 fine diameter grade (tensile strength 344 kgf /
mm 2 and tensile elastic modulus of 20 tonf / mm 2 , 0.5K strands / strand) were surface-treated by a CVD apparatus in the same manner as in Example 1 to obtain a two-layer inorganic coating film.
【0079】その後実施例2と同様の含浸液を用い、実
施例2と同様にプリプレグの作製、含浸、架橋硬化、焼
成工程を繰り返し焼成体を得た。このようにして得られ
た、焼成体の繊維体積含有率は53vol %であった。焼
成体からJIS−R1601に準拠した曲げ試験片(1
×4×36mm)を切り出し、三点曲げ強度試験を行なっ
た。室温曲げ強度は110kgf /mm2 であった。また、
破壊形態は非脆性的で、繊維の引き抜けが顕著に観察さ
れた。Thereafter, the same impregnating liquid as in Example 2 was used to repeat the steps of producing a prepreg, impregnation, crosslinking and curing, and firing in the same manner as in Example 2 to obtain a fired body. The fiber volume content of the fired body thus obtained was 53 vol%. Bending test piece (1 according to JIS-R1601 from the fired body
(× 4 × 36 mm) was cut out and a three-point bending strength test was performed. The room temperature bending strength was 110 kgf / mm 2 . Also,
The fracture morphology was non-brittle and fiber pull-out was noticeably observed.
【0080】比較例3(被表面処理炭化珪素質繊維一方
向強化複合材料の作製) 日本カーボン製炭素被覆炭化珪素質(Si−C−O)繊
維、ニカロンNL−607グレード(引張強度264kg
f /mm2 、引張弾性率20tonf/mm2 、0.5K本/ス
トランド)を用いて、繊維強化複合材を作製した。該炭
素被覆炭化珪素質繊維を窒素雰囲気500℃に加熱した
管状炉に通糸し、サイジング剤などの付着物を焼き飛ば
して繊維表面を清浄にした。 Comparative Example 3 (one surface treated silicon carbide fiber)
Preparation of reinforced composite material) Carbon coated silicon carbide (Si-C-O) fiber made by Nippon Carbon, Nicalon NL-607 grade (tensile strength 264 kg
A fiber-reinforced composite material was produced using f / mm 2 , tensile elastic modulus of 20 tonf / mm 2 , 0.5K strands / strand. The carbon-coated silicon carbide fiber was passed through a tubular furnace heated to 500 ° C. in a nitrogen atmosphere, and deposits such as a sizing agent were burned off to clean the fiber surface.
【0081】その後実施例2と同様の含浸液を用い、実
施例2と同様にプリプレグの作製、含浸、架橋硬化、焼
成工程を繰り返し焼成体を得た。このようにして得られ
た、焼成体の繊維体積含有率は41vol %であった。焼
成体からJIS−R1601に準拠した曲げ試験片(1
×4×36mm)を切り出し、三点曲げ強度試験を行なっ
た。室温曲げ強度は82kgf /mm2 であった。また、破
壊形態は非脆性的であったが、一部繊維の引き抜けが少
ない部分もしくは無い部分が観察された。Thereafter, the same impregnating solution as in Example 2 was used to repeat the steps of producing a prepreg, impregnation, crosslinking and curing, and firing in the same manner as in Example 2 to obtain a fired body. The fiber volume content of the fired body thus obtained was 41 vol%. Bending test piece (1 according to JIS-R1601 from the fired body
(× 4 × 36 mm) was cut out and a three-point bending strength test was performed. The room temperature bending strength was 82 kgf / mm 2 . Further, the fracture morphology was non-brittle, but some of the fibers were not pulled out or some were not.
【0082】[0082]
【発明の効果】強化用連続無機質繊維の表面を適切に処
理することにより、最適の強化(複合化)効果を得ると
ができ、セラミックスマトリックスを連続無機質繊維で
強化した実用可能な複合材料が得られる。また、無機質
繊維の表面に多層構造の処理膜を1回のCVD(1つの
反応炉)で形成することを可能にした。EFFECT OF THE INVENTION By appropriately treating the surface of the reinforcing continuous inorganic fiber, it is possible to obtain the optimum reinforcing (compositing) effect, and to obtain a practical composite material in which the ceramic matrix is reinforced with the continuous inorganic fiber. To be In addition, it is possible to form a multi-layered treatment film on the surface of the inorganic fiber by one-time CVD (one reaction furnace).
【図1】本発明の方法を実施するCVD装置を示す。1 shows a CVD apparatus for carrying out the method of the invention.
1…繊維供給部 2…脱サイズ炉 3…反応炉 4…繊維巻取部 5〜7…ヒータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fiber supply part 2 ... Desizing furnace 3 ... Reaction furnace 4 ... Fiber winding part 5-7 ... Heater
─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成6年3月15日[Submission date] March 15, 1994
【手続補正1】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】請求項4[Name of item to be corrected] Claim 4
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【手続補正2】[Procedure Amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】請求項5[Name of item to be corrected] Claim 5
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【手続補正3】[Procedure 3]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0003[Name of item to be corrected] 0003
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【0003】長繊維強化系複合材料が靱性克服に最も有
効であるのは、一般に知られているところであるが、そ
の界面の制御が困難であり、今日まで実現されていない
原因の一つとなっている。強化繊維への表面処理に関し
ては、炭素、窒化硼素、炭化珪素等に関するものが開示
されており、炭素では、市川らにより非晶質炭素被膜を
形成された炭化珪素繊維について特公開1−31473
0号公報にて開示されている。高強度な繊維強化ガラス
セラミックスを得る事が出来ているが、セラミックスマ
トリックスについては記載されておらず耐反応性につい
ては未確認である。またグリフィンらによる炭素被覆フ
ィラメントを提供するものがあり(特公開5−1565
69号公報および同5−194062号公報)、縦型炉
により膜生成を行ない、炉芯管径の変化により構造の異
なる擬多層の炭素膜を呈するものであり、亀裂伝播等の
改善が図れるとされている。しかし、組成が炭素単体の
ため耐酸化性に欠けるのは否めない。コービンらの米国
特許第4,885,199 号では、炭素および窒化ホ
ウ素固有の弱い剪断特性、界面結合を利用し靱性等の特
性向上を図っているが、単一層のみにより種々の界面特
性劣化因子を阻害することは困難である。It is generally known that the long fiber reinforced composite material is most effective for overcoming the toughness, but it is difficult to control the interface thereof, which is one of the causes that have not been realized to date. There is. Regarding the surface treatment of the reinforcing fiber, those relating to carbon, boron nitride, silicon carbide, etc. are disclosed, and regarding carbon, silicon carbide fibers having an amorphous carbon film formed by Ichikawa et al. Are disclosed in Japanese Patent Publication No. 1-31473.
It is disclosed in Japanese Patent No. 0. Although high-strength fiber-reinforced glass ceramics can be obtained, the ceramic matrix is not described and the reaction resistance is unconfirmed. There are also provides a carbon coating filaments by Griffin et al. (Japanese Patent Publication 5-1565
No. 69 and No. 5-194062 ), a film is formed by a vertical furnace, and a pseudo multilayer carbon film having a different structure is exhibited due to a change in the diameter of a furnace core tube, and crack propagation and the like can be improved. Has been done. However, it cannot be denied that the composition is carbon alone and thus lacks in oxidation resistance. In U.S. Pat. No. 4,885,199 to Corbin et al., Weak shearing properties peculiar to carbon and boron nitride and interfacial bonding are used to improve properties such as toughness. Is difficult to inhibit.
【手続補正4】[Procedure amendment 4]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0010[Correction target item name] 0010
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【0010】本発明はこれらの問題を解決するために、
強化用無機質繊維表面に、亀裂先端クラックの開口を妨
げ強化繊維の引き抜けを生じさせうる下地層と、マトリ
ックスとの耐反応性を持つ表面層を含む多層構造の表面
処理層を有する強化用無機質繊維を提供するもので、こ
れによって所望の特性を有することができた。ここに、
亀裂先端クラックの開口を妨げ強化繊維の引き抜けを生
じさせうる層(下地層)とは、複合材料中に発生したク
ラックにおける亀裂先端が分岐されることを特徴とする
結晶構造を有するものであり、基本的には繊維及びマト
リックスと異なった結晶構造を有していれば効果がある
が、より最適には六角網目平面が繊維軸方向に対して垂
直方向に積層、配向した構造を主とする炭素もしくは窒
化ホウ素のような構造が好ましい。The present invention is directed to solving these problems.
Inorganic fiber for reinforcement having a multi-layered surface treatment layer including a base layer capable of preventing the opening of crack tip cracks and causing withdrawal of reinforcing fiber on the surface of the inorganic fiber for reinforcement, and a surface layer having resistance to reaction with a matrix It provides a fiber by which it can have the desired properties. here,
Crack tip A layer (underlying layer) that can prevent crack opening and cause reinforcement fiber pull-out has a crystal structure characterized by branching of crack tips in a crack generated in a composite material. , Basically, it is effective if it has a crystal structure different from that of the fiber and matrix, but more optimally it is mainly a structure in which hexagonal mesh planes are laminated and oriented in the direction perpendicular to the fiber axis direction. Structures such as carbon or boron nitride are preferred.
【手続補正5】[Procedure Amendment 5]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0035[Correction target item name] 0035
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【0035】ここで、前記の好ましい表面処理層である
炭素層(下地層)とケイ素又はホウ素ドープ炭素層(表
面層)は、SiCl4 などのケイ素化合物,CH4 など
の炭化水素又は炭化水素化合物(沸点100℃以下),
N2 、必要に応じてH2 を原料ガスとして、繊維入口側
を1100〜1300℃、出口側を1000〜1200
℃に設定すると(炉内温度は設定温度と異なる可能性あ
り)、反応炉内前部で炭素層、後部でSiがドープされ
た炭素層が堆積される。そして、温度分布に応じてSi
ドープ量は濃度勾配を持つことが可能である。また、B
Cl3 などのホウ素化合物、CH4 などの炭化水素又は
炭化水素化合物(沸点100℃以下)、N2 、必要に応
じてH2 を原料ガスとして繊維入口側より高温域を11
00〜1300℃、低温域を1000〜1200℃にす
ることによってBをドープした炭素層を堆積することが
できる。このとき、反応炉内に連続繊維を移動させる
と、下地炭素層は繊維軸に垂直方向(半径方向)に配向
したグラファイト構造を持ち、表面Si又はBドープ炭
素層は非晶質相であることができる。[0035] Here, the carbon layer wherein a preferred surface treatment layer (undercoat layer) and a silicon or boron-doped carbon layer (surface layer), a silicon compound such as SiCl 4, hydrocarbons or hydrocarbon compounds such as CH 4 (Boiling point below 100 ° C),
N 2 and, if necessary, H 2 as a raw material gas , the fiber inlet side
1100 to 1300 ° C, the outlet side is 1000 to 1200
If set to ° C (the furnace temperature may differ from the set temperature
Then , a carbon layer is deposited in the front part of the reaction furnace and a carbon layer doped with Si is deposited in the rear part. Then, depending on the temperature distribution, Si
The doping amount can have a concentration gradient. Also, B
Using a boron compound such as Cl 3 or the like, a hydrocarbon such as CH 4 or a hydrocarbon compound (boiling point of 100 ° C. or lower), N 2 and, if necessary, H 2 as a raw material gas, the high temperature range from the fiber inlet side to 11
The carbon layer doped with B can be deposited by setting the temperature to 00 to 1300 ° C. and the low temperature range to 1000 to 1200 ° C. At this time, when the continuous fiber is moved into the reaction furnace, the underlying carbon layer has a graphite structure oriented in the direction perpendicular to the fiber axis (radial direction), and the surface Si or B-doped carbon layer is in an amorphous phase. You can
【手続補正6】[Procedure correction 6]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0036[Correction target item name] 0036
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【0036】また、BCl3 などのホウ素化合物、NH
3 又はアミン化合物SiCl4 などのケイ素化合物、N
2 、必要に応じてH2 を原料ガスとし、繊維入口側より
を1000〜1300℃、出口側を900〜1200℃
に設定すると、反応炉前部でBN、後部でSiをドープ
したBNを堆積させることができる。このとき、反応炉
に通糸して、下地BN層は繊維軸に垂直方向に配向した
結晶構造を有する層とし、SiドープBN表面層は非晶
質相とすることができる。Further, a boron compound such as BCl 3 or NH
3 or silicon compounds such as amine compound SiCl 4 , N
2. If necessary, use H 2 as the source gas, and from the fiber inlet side
1000 to 1300 ° C , outlet side 900 to 1200 ° C
When set to , BN can be deposited at the front of the reactor and BN doped with Si at the rear. At this time, the base BN layer can be passed through the reaction furnace to form a layer having a crystal structure oriented in the direction perpendicular to the fiber axis, and the Si-doped BN surface layer can be an amorphous phase.
【手続補正7】[Procedure Amendment 7]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0067[Correction target item name] 0067
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【0067】 含浸工程 金属製圧力容器にいれた成形体を80℃、10-1torrで
1時間真空引きすることで脱気したのち、ポリマーを導
入し、真空含浸した。つぎに、圧力容器に窒素ガスで5
kg/cm2 Gまで加圧し1時間保持し、ポリマーを加圧含
浸した。 架橋硬化工程 5kg/cm2 Gの窒素で加圧した圧力容器を昇温速度1℃
/min で200℃に1時間保温しポリマーを架橋硬化さ
せた。このとき圧力は6.7kg/cm2 Gまで上昇した。Impregnation Step After degassing the molded body placed in a metal pressure vessel by vacuuming at 80 ° C. and 10 −1 torr for 1 hour, a polymer was introduced and vacuum impregnation was performed. Next, add 5 to the pressure vessel with nitrogen gas.
The polymer was pressure-impregnated under pressure of up to kg / cm 2 G and kept for 1 hour. Crosslinking and curing process Pressurize a pressure vessel pressurized with 5 kg / cm 2 G of nitrogen at a heating rate of 1 ° C.
The polymer was crosslinked and cured by keeping the temperature at 200 ° C for 1 hour / min. At this time, the pressure rose to 6.7 kg / cm 2 G.
【手続補正8】[Procedure Amendment 8]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0068[Correction target item name] 0068
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【0068】 焼成工程 圧力容器から硬化の終了した成形体を取出し、窒素雰囲
気で1250℃(昇温速度3℃/min 、1時間保持)ま
で焼成した。このようにして得られた、焼成体の繊維体
積含有率は46vol %であった。焼成体からJIS−R
−1601に準拠した曲げ試験片(1×4×36mm)を
切り出し、三点曲げ強度試験を行なった。室温曲げ強度
は82kgf /mm2 であった。また、破壊形態は非脆性的
で、繊維の引き抜けが顕著に観察された。 ─────────────────────────────────────────────────────
Baking Step The cured molded body was taken out of the pressure vessel and baked in a nitrogen atmosphere up to 1250 ° C. (heating rate 3 ° C./min, holding for 1 hour). The fiber volume content of the fired body thus obtained was 46 vol%. From fired body to JIS-R
Bending test pieces (1 × 4 × 36 mm) according to −1601 were cut out and subjected to a three-point bending strength test. The room temperature bending strength was 82 kgf / mm 2 . Further, the fracture mode was non-brittle, and fiber pull-out was noticeably observed. ─────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成7年2月23日[Submission date] February 23, 1995
【手続補正1】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0035[Correction target item name] 0035
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【0035】ここで、前記の好ましい表面処理層である
炭素層(下地層)とケイ素又はホウ素ドープ炭素層(表
面層)は、SiCl4 などのケイ素化合物,CH4 など
の炭化水素又は炭化水素化合物(沸点100℃以下),
N2 、必要に応じてH2 を原料ガスとして、繊維入口側
を1100〜1300℃、出口側を1000〜1200
℃に設定すると(炉内温度は設定温度と異なる可能性あ
り)、反応炉内前部で炭素層、後部でSiがドープされ
た炭素層が堆積される。そして、温度分布に応じてSi
ドープ量は濃度勾配を持つことが可能である。また、B
Cl3 などのホウ素化合物、CH4 などの炭化水素又は
炭化水素化合物(沸点100℃以下)、N2 、必要に応
じてH2 を原料ガスとして繊維入口側より高温域を10
00〜1400℃、低温域を800〜1200℃にする
ことによってBをドープした炭素層を堆積することがで
きる。このとき、反応炉内に連続繊維を移動させると、
下地炭素層は繊維軸に垂直方向(半径方向)に配向した
グラファイト構造を持ち、表面Si又はBドープ炭素層
は非晶質相であることができる。Here, the carbon layer (underlayer) and the silicon- or boron-doped carbon layer (surface layer), which are the preferred surface treatment layers, are a silicon compound such as SiCl 4 or a hydrocarbon or hydrocarbon compound such as CH 4 . (Boiling point below 100 ° C),
N 2 and, if necessary, H 2 as a source gas, 1100 to 1300 ° C. on the fiber inlet side, and 1000 to 1200 on the outlet side.
When the temperature is set to 0 ° C. (the temperature inside the furnace may be different from the set temperature), a carbon layer is deposited in the front part of the reaction furnace and a carbon layer doped with Si is deposited in the rear part. Then, depending on the temperature distribution, Si
The doping amount can have a concentration gradient. Also, B
A boron compound such as Cl 3 or a hydrocarbon such as CH 4 or a hydrocarbon compound (boiling point of 100 ° C. or lower), N 2 and, if necessary, H 2 is used as a source gas, and the high temperature range from the fiber inlet side is 10
The carbon layer doped with B can be deposited by setting the temperature to 00 to 1400 ° C. and the low temperature range to 800 to 1200 ° C. At this time, if the continuous fiber is moved into the reaction furnace,
The underlying carbon layer has a graphite structure oriented in the direction perpendicular to the fiber axis (radial direction), and the surface Si or B-doped carbon layer can be in an amorphous phase.
【手続補正2】[Procedure Amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0036[Correction target item name] 0036
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【0036】また、BCl3 などのホウ素化合物、NH
3 又はアミン化合物SiCl4 などのケイ素化合物、N
2 、必要に応じてH2 を原料ガスとし、繊維入口側より
を800〜1300℃、出口側を700〜1200℃に
設定すると、反応炉前部でBN、後部でSiをドープし
たBNを堆積させることができる。このとき、反応炉に
通糸して、下地BN層は繊維軸に垂直方向に配向した結
晶構造を有する層とし、SiドープBN表面層は非晶質
相とすることができる。Further, a boron compound such as BCl 3 or NH
3 or silicon compounds such as amine compound SiCl 4 , N
2, and H 2 as raw material gases optionally a more fiber inlet side 800 to 1300 ° C., deposition by setting the outlet side 700 to 1200 ° C., BN in the reactor front portion, a BN doped with Si at the rear Can be made. At this time, the base BN layer can be passed through the reaction furnace to form a layer having a crystal structure oriented in the direction perpendicular to the fiber axis, and the Si-doped BN surface layer can be an amorphous phase.
【手続補正3】[Procedure 3]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0037[Name of item to be corrected] 0037
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【0037】以上の如くして製造された強化用無機質繊
維の集合体にセラミックス前駆体ポリマーを含浸し、焼
成してマトリックスをセラミックス化することにより、
繊維強化セラミックス複合材料を得ることができるが、
本発明の強化用無機質繊維、特に前記二層構造の表面処
理膜は焼成中に非晶質下地層(C又はBN)が配向性を
持つ構造に変化した場合にも同様の効果を発揮する。特
に窒化ケイ素質セラミックスマトリックス複合材料への
応用に好適である。By impregnating the aggregate of the reinforcing inorganic fibers produced as described above with the ceramic precursor polymer and firing it to make the matrix ceramic,
Fiber reinforced ceramics composite material can be obtained,
The reinforcing inorganic fiber of the present invention, especially the surface treatment of the two-layer structure
The amorphous base layer (C or BN) of the laminating film is oriented during firing.
The same effect is exhibited when the structure is changed. In particular, it is suitable for application to a silicon nitride ceramic matrix composite material.
───────────────────────────────────────────────────── 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 35/80 41/89 A C23C 16/34 D01F 9/08 Z C04B 35/80 G (72)発明者 手塚 厚 埼玉県入間郡大井町西鶴ヶ岡1丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内 (72)発明者 茅 博司 埼玉県入間郡大井町西鶴ヶ岡1丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内 (72)発明者 礒田 武志 埼玉県入間郡大井町西鶴ヶ岡1丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical indication C04B 35/80 41/89 A C23C 16/34 D01F 9/08 Z C04B 35/80 G (72) Inventor Atsu Tezuka Nishi-tsurugaoka 1-3-1, Oi-cho, Iruma-gun, Saitama Prefecture Tonen Corporation Research Institute (72) Inventor Hiroshi Kaya 1-3-3 Nishitsurugaoka, Oi-cho, Iruma-gun, Saitama Prefecture Tonen Corporation Inside the Research Institute (72) Inventor Takeshi Isoda 1-3-1 Nishitsurugaoka, Oi-cho, Iruma-gun, Saitama Tonen Research Institute
Claims (11)
応炉内に、入口から出口へ向って2以上の異なる温度の
帯域即ち温度分布を形成し、入口から出口へ向って連続
繊維を通糸し、かつ反応炉中に2種類以上の原料ガスを
供給して、上記温度分布のゆえに2以上の異なる膜種を
化学気相堆積させることにより、連続繊維上に多層構造
の表面処理膜を形成することを特徴とする繊維の表面処
理方法。1. In a reactor having at least an inlet and an outlet, two or more zones or temperature distributions of different temperatures are formed from the inlet to the outlet, and continuous fibers are threaded from the inlet to the outlet. Further, two or more kinds of source gases are supplied into the reaction furnace, and two or more different film species are chemically vapor-deposited due to the above temperature distribution, thereby forming a surface-treated film having a multilayer structure on continuous fibers. A method for surface treatment of fibers, which is characterized in that
形成する請求項1記載の方法。2. The method according to claim 1, wherein a concentration gradient is formed in the multilayer structure of the surface treatment film.
みが化学気相堆積する帯域と、前記原料ガスの全部が化
学気相堆積する帯域とを含む請求項1又は2記載の方
法。3. The method according to claim 1, wherein the temperature zone includes a zone in which only a part of the raw material gas is subjected to chemical vapor deposition and a zone in which all of the raw material gas is subjected to chemical vapor deposition.
水素又は炭化水素化合物及びN2 、さらに必要に応じて
H2 を供給し、反応炉内を入口から出口へ向って温度が
上昇するようにして、繊維表面に最初に炭素層を堆積
し、その上にケイ素ドープした炭素層を堆積する請求項
1,2又は3記載の方法。4. A silicon compound, a hydrocarbon or a hydrocarbon compound and N 2 and, if necessary, H 2 are supplied as the raw material gas so that the temperature rises from the inlet to the outlet in the reaction furnace. 4. The method of claim 1, 2 or 3 wherein the carbon layer is first deposited on the fiber surface and the silicon-doped carbon layer is deposited thereon.
素化合物、アンモニア又はアミン化合物、及びN2 、さ
らに必要に応じてH2 を供給し、反応炉内を入口から出
口へ向って温度が上昇するようにして、繊維表面に最初
にBN層を堆積し、その上にSiドープしたBN層を堆
積する請求項1,2又は3記載の方法。5. A boron compound, a silicon compound, ammonia or an amine compound, and N 2 and, if necessary, H 2 are supplied as the raw material gas so that the temperature rises from the inlet to the outlet in the reaction furnace. 4. The method according to claim 1, wherein the BN layer is first deposited on the fiber surface and the Si-doped BN layer is deposited thereon.
開口を妨げ強化繊維の引き抜けを生じさせる下地層及び
マトリックスとの耐反応性を持つ表面層を含む多層構造
の表面処理層を施した強化用無機質繊維。6. A strengthened structure in which a surface treatment layer having a multi-layered structure is provided on the surface of an inorganic fiber, which includes a base layer that prevents the opening of crack tip cracks and causes pull-out of reinforcing fibers, and a surface layer having resistance to reaction with a matrix. Inorganic fiber.
したグラファイト構造を有する炭素層であり、前記表面
層がケイ素又はホウ素をドープした炭素層である請求項
6記載の強化用無機質繊維。7. The reinforcing inorganic fiber according to claim 6, wherein the underlayer is a carbon layer having a graphite structure oriented in a direction perpendicular to the fiber axis, and the surface layer is a carbon layer doped with silicon or boron. .
プ炭素層の合計厚さが30Å〜5000Åであり、かつ
前記ケイ素又はホウ素ドープ炭素層の厚さが20Å〜1
00Åである請求項7記載の強化用無機質繊維。8. The total thickness of the carbon layer and the silicon or boron doped carbon layer is 30Å to 5000Å, and the thickness of the silicon or boron doped carbon layer is 20Å to 1.
The reinforcing inorganic fiber according to claim 7, which is 00Å.
イ素又はホウ素が10atom%以下ドープされかつ繊維断
面の繊維中心から繊維表面方向に濃度勾配を有する請求
項7又は8記載の強化用無機質繊維。9. The reinforcing inorganic fiber according to claim 7, wherein the carbon layer doped with silicon or boron is doped with silicon or boron in an amount of 10 atom% or less and has a concentration gradient from the fiber center of the fiber cross section toward the fiber surface.
無機質繊維で強化された窒化ケイ素質セラミックス含有
マトリックスからなることを特徴とする複合材料。10. A composite material comprising a silicon nitride ceramics-containing matrix reinforced with the reinforcing inorganic fiber according to claim 6, 7, 8 or 9.
無機質繊維の集合体にポリシラザンを含浸し、焼成して
窒化ケイ素質セラミックス含有マトリックス複合材料を
得る複合材料の製造方法。11. A method for producing a composite material, wherein the aggregate of reinforcing inorganic fibers according to claim 6, 7, 8 or 9 is impregnated with polysilazane and fired to obtain a silicon nitride ceramics-containing matrix composite material.
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