JPH08169761A - 炭化珪素基繊維複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】特に大型の複合材料または複雑形状を有する複
合材料の場合でも、高い寸法精度で容易に製造すること
が可能であり、かつ緻密で破壊に対する抵抗が大きな炭
化珪素基繊維複合材料の製造方法を提供する。 【構成】所定形状を有する多孔質炭素成形体１とセラミ
ックス繊維２とを配置して積層体３を形成し、得られた
積層体３を加熱して溶融珪素を含浸せしめ、珪素と炭素
成分とを反応焼結させて炭化珪素から成るマトリックス
を形成し、マトリックスとセラミック繊維２とを一体化
することを特徴とする。また多孔質炭素成形体１の嵩密
度を１．０ｇ／cm³ 以下，平均気孔径を０．５μｍ以上
に設定するとよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は炭化珪素マトリックス中
にセラミックス繊維を複合した炭化珪素基繊維複合材料
の製造方法に係り、特に大型の複合材料または複雑形状
を有する複合材料の場合でも、高い寸法精度で容易に製
造することが可能であり、また破壊に対する抵抗性を大
幅に改善することが可能な炭化珪素基繊維複合材料の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にセラミックス焼結体は、高温まで
強度低下が少なく、硬度，電気絶縁性，耐摩耗性，耐熱
性，耐腐食性，軽量性等の諸特性が従来の金属材と比較
して優れているため、重電設備部品，航空機部品，自動
車部品，電子機器，精密機械部品，半導体装置材料など
の電子用材料や構造用材料として広い分野において使用
されている。

【０００３】しかし、セラミックス焼結体は、圧縮に較
べて引張の応力に弱く、特にこの引張り応力下では破壊
が一気に進行する、いわゆる脆性という欠点を有してい
る。このようなことから、高信頼性が要求される部位へ
のセラミックス部品の適用を可能にするために、セラミ
ックス焼結体の高靭性化や破壊エネルギーの増大を図る
ことが強く求められている。

【０００４】すなわちガスタービン部品，航空機部品，
自動車部品等に使用されるセラミックス構造部品には耐
熱性および高温強度に加えて高い信頼性が要求される。
そのため無機物質や金属から成る補強繊維，ウィスカ
ー，プレート，粒子等の強化素材をマトリックス焼結体
に分散複合化させて靭性値や破壊エネルギー値等を高め
たセラミックス基複合材料（ＣＭＣ：Ceramic Matrix C
omposites ）の実用化研究が内外の研究機関等において
進められている。

【０００５】上記のようなセラミックス基複合材料（Ｃ
ＭＣ）において、特に繊維を強化素材として用いたもの
は、破壊靭性や破壊エネルギーの増大効果に優れ、信頼
性の向上に対しては大きな効果を示す。上記ＣＭＣ用の
強化素材としては、ガラス繊維，炭素繊維，セラミック
ス繊維等の連続繊維や短繊維が主として使用されてい
る。

【０００６】上記繊維強化したセラミックス基繊維複合
材料の中でも、特に炭化珪素(SiC)をマトリックスとす
る複合材料は、高い耐熱特性を有することから高温用構
造部材を構成する材料として有望である。

【０００７】従来、上記のようなセラミックス基繊維複
合材料における強化素材の複合方法として下記のような
方法が採用されている。すなわちセラミックス繊維で形
成した予備成形体内にスリップキャスト法などの湿式法
でセラミックス原料粉末を充填し、強化素材を含む成形
体を作製した後、通常の焼結体の作製と同様に、常圧焼
結，雰囲気加圧焼結，ホットプレス，ＨＩＰ等で焼結す
る方法が挙げられる。

【０００８】しかしながら、現在市販されているセラミ
ックス繊維は、耐熱温度が低く、１２００℃前後におい
て劣化が始まり、耐熱性や耐酸化性が低い欠点がある。
また現在開発中の耐熱繊維でも、温度１６００℃から強
度の低下が始まることが報告されている。

【０００９】一方、炭化けい素（ＳｉＣ），窒化けい素
（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ），サイアロン（Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ）等
のセラミックスをマトリックスとする場合、通常の粉末
焼成法では焼結温度が１６００〜２２００℃とかなり高
い。したがって、上記焼結温度で焼結を実施した場合に
は、強化素材（繊維）が焼成中に劣化・分解してしま
い、複合繊維としての機能を喪失してしまう。また、収
縮を伴う焼結では、収縮が阻害されて緻密化できない。
さらに、収縮時に繊維が機械的にダメージを受けるとい
う問題がある。特にホットプレスやＨＩＰでは、強化素
材が高温・高圧状態を経るため、強化素材が劣化し易い
という問題もある。

【００１０】そこで従来の繊維複合材料の製造方法にお
いては、焼成温度を下げ、繊維の劣化を防止することを
主目的として以下のような製造方法が採用されていた。

【００１１】(1) 気体の化学反応による方法（ＣＶＩ
法：Chemical Vapor Infiltration ，化学蒸気含浸
法）：マトリックス原料となる気体を強化素材から成る
予備成形体内部に温度や圧力の勾配をつけて導入し、そ
こで化学反応させて反応生成物を析出させてマトリック
スを合成する方法である。

【００１２】(2) 有機ポリマーからの合成：マトリック
ス原料としてのポリシラザン，ポリカルボシラシ，ポリ
シラスチレンなどの有機ポリマーを使用してＳｉＣやＳ
ｉ₃ Ｎ₄ などのマトリックスを合成する方法である。す
なわち、セラミックス粉末を溶媒に溶かし、さらに有機
ポリマーを混合したものを強化素材から成る予備成形体
に含浸せしめて成形し、得られた成形体を焼成する方法
である。

【００１３】(3) 溶融金属との反応焼結による方法：炭
素源，骨材成分などの出発原料および強化素材を含有す
る成形体中にＳｉなどの溶融金属を含浸し、出発原料と
溶融金属との反応焼結によりマトリックスを形成する方
法である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記
（１）項のＣＶＩ法によれば、反応温度が低く、強化素
材へのダメージが少なく、また焼結助剤を含まず高純度
のマトリックスが得られるという利点がある反面、製造
に長時間を要する難点がある。また、製造した複合材料
中のマトリックス密度を９０％以上の高密度にすること
も困難である。特に設備費用を含めて複合材料の製造コ
ストが高くなるという問題点がある。

【００１５】また（２）項の有機ポリマーからの合成法
を使用してＳｉＣやＳｉ₃ Ｎ₄ などのマトリックスを合
成する場合、酸素を含んだ非晶質のマトリックスが形成
され易いため、１２００℃以上の高温での強度特性が劣
り、かつ高密度化が困難な問題点がある。

【００１６】さらに（３）項の溶融金属と出発原料との
反応による方法によれば、焼結温度が低く、かつ焼結時
における収縮が極めて少ないため、特に小型で単純形状
を有する複合材料の製造方法として優れている。しかし
ながら大型形状物や複雑形状物を、上記反応焼結法を使
用して製造することは極めて困難であった。すなわち、
大型で複雑形状を有する成形体を従来のスリップキャス
ト法などの湿式法によって形成する場合、カーボンブラ
ック粉末などの炭素源や骨材成分を成形体全体にわたっ
て均一に分散することが困難であったため、湿式成形後
あるいは反応焼結操作後においてクラックが発生し易
く、また変形を生じ易い問題点があった。そのため、寸
法精度が高く信頼性に優れた複合材料を高い歩留りで得
ることが困難であるという致命的な問題点があった。

【００１７】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、特に大型の複合材料または複雑形状を
有する複合材料の場合でも、高い寸法精度で容易に製造
することが可能であり、かつ緻密で破壊に対する抵抗が
大きな炭化珪素基繊維複合材料の製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者らはマトリックスの焼結法として、焼結温
度が低く、かつ焼結時に収縮が極めて少なく寸法精度が
良い反応焼結法を採用するとともに、均一なマトリック
スを形成するための炭素源として多孔質炭素成形体を採
用した。この多孔質炭素成形体によれば、従来の粉状炭
素源を使用した場合と比較して、複雑形状製品に対応し
た所定形状とすることが容易であることが判明した。ま
た上記多孔質炭素成形体とセラミックス繊維とを交互に
配置した後に、多孔質炭素成形体と珪素とを反応させて
炭化珪素マトリックスに転化することによりセラミック
ス繊維とマトリックスとが一体化したＳｉＣ基繊維複合
材料が容易に得られるという知見を得た。また得られた
複合材料は、焼結によるセラミックス繊維の劣化が少な
いため、優れた耐熱性と靭性とを有するという知見を得
た。本発明は上記知見に基づいて完成されたものであ
る。

【００１９】すなわち本発明に係る炭化珪素（ＳｉＣ）
基繊維複合材料の製造方法は、所定形状を有する多孔質
炭素成形体とセラミックス繊維とを配置して積層体を形
成し、得られた積層体を加熱して溶融珪素を含浸せし
め、珪素と炭素成分とを反応焼結させて炭化珪素から成
るマトリックスを形成し、マトリックスとセラミック繊
維とを一体化することを特徴とする。

【００２０】また多孔質炭素成形体の嵩密度が１．０ｇ
／cm³ 以下であることを特徴とする。さらに多孔質炭素
成形体の平均気孔径は、０．５μｍ以上に、さらに好ま
しくは２μｍ以上に設定するとよい。

【００２１】ここで上記多孔質炭素成形体は溶融珪素と
反応してＳｉＣマトリックスを形成するための炭素源で
ある。この多孔質炭素成形体を構成する材料としては、
嵩密度が１．０ｇ／cm³ 以下または平均気孔径が０．５
μｍ以上である比較的に多孔質の炭素質材料が好適であ
る。上記炭素質材料の嵩密度が１．０ｇ／cm³ を超える
場合または平均気孔径が０．５μｍ未満と緻密な場合に
おいては、溶融珪素が炭素質材料の中心部まで充分に円
滑に含浸されない等の理由により、反応焼結によって炭
素源が完全にＳｉＣマトリックスに転換されず、多くの
未反応カーボン部分がマトリックス中に残存してしま
う。その結果、高い耐熱性を有する複合材料が得られな
いことになる。

【００２２】上記のような嵩密度または平均気孔径を有
する炭素質材料の具体例としては、黒鉛質の多孔質カー
ボン，炭素質の多孔質カーボン，ガラス質の多孔質カー
ボン，炭素質繊維から成るフェルト，ひも状体，カーボ
ン繊維織物等が好適である。

【００２３】本願発明方法において、上記炭素質材料
は、最終製品形状に対応した形状に予め成形加工された
多孔質炭素成形体として使用されることにより、Ｓｉ含
浸後の加工を容易に、かつ歩留り良く実施することが可
能となる。

【００２４】また上記セラミックス繊維は反応焼結Ｓｉ
Ｃマトリックスの靭性を高めるために所定量配合され
る。このセラミックス繊維としては、長繊維，短繊維，
ウィスカー等の種々の形状のものが使用され、またこの
セラミックス繊維の材質は、特に限定されるものではな
く、マトリックスの構成材料と同様なセラミックス材料
を用いることもできる。このようなセラミックス繊維の
具体例としては、炭化けい素系繊維（ＳｉＣ，Ｓｉ−Ｃ
−Ｏ，Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ等），ＳｉＣ被覆繊維（芯線
は例えばＣ），アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）繊維，ジルコニ
ア（ＺｒＯ₂ ）繊維，炭素（Ｃ）繊維，ボロン（Ｂ）繊
維，窒化けい素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）系繊維，Ｓｉ₃ Ｎ₄ 被覆
繊維（芯線は例えばＣ），ムライト繊維，ＳｉＣウィス
カー，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ウィスカー，Ａｌ₂ Ｏ₃ ウィスカー，
ＺｒＯ₂ ウィスカー等の繊維状物質から選択された少な
くとも一種を使用するとよい。

【００２５】これらのセラミックス繊維は、複合材料全
体に対して繊維体積率（Ｖｆ）で１０％以上の割合で添
加されることが好ましい。しかしながら添加量が５０％
を超える過量となると、各繊維周囲に均一にマトリック
スを配置することが困難になり、欠陥の発生に伴い複合
材料の強度特性が急激に低下してしまうこともある。し
たがって複合効果が現れる好ましい添加量は１〜５０体
積％であり、より好ましくは１０〜４０体積％の範囲で
ある。

【００２６】セラミックス繊維の径および長さは、成形
体中における繊維の配置，繊維とマトリックスとの界面
状態，複合材料の強度特性，破壊エネルギーに大きく影
響を及ぼす。特に複合材料の靭性を向上させる観点から
繊維の径および長さについては、本発明では直径が１μ
ｍ以上、好ましくは３〜１５０μｍ、長さが０．１mm以
上の短繊維または連続繊維を使用する。直径が１μｍ未
満の場合にはマトリックスの補強効果が少なく、また直
径が１５０μｍを超える太い繊維では、熱膨張差等によ
り割れが発生し易くなるとともに、微視的なレンジでの
クラック進展に対する阻止効果が期待できず、かつ繊維
の剛性が大きいため製品形状付与が困難になる。また繊
維の長さが０．１mm未満の場合にも、クラック進展に対
する阻止効果が少なく靭性の改善効果も少なくなる。

【００２７】すなわち、直径が１〜１５０μｍで、かつ
長さが０．１mm以上のセラミックス繊維を用いることに
よって、良好な形状付与性能を維持しつつ、繊維による
複合効果を大幅に改善することが可能となる。すなわち
最終的に得られるＳｉＣ基繊維複合材料の破壊に対する
抵抗、すなわち破壊靭性値を充分に向上させることがで
きる。但し、このようなセラミックス繊維の含有量が１
％未満であると、上記した繊維による複合効果が充分に
発揮されないため、セラミックス繊維の含有量は１％以
上とすることが好ましい。

【００２８】また上記セラミックス繊維を多孔質炭素成
形体と積層する前に、カーボンおよび炭化珪素の少なく
とも一方を含有するスラリー中に、上記セラミックス繊
維を予め浸漬し、セラミックス繊維間の間隙部を、上記
カーボンや炭化珪素成分によって部分的に埋めることに
より、より緻密で高強度のＳｉＣ基繊維複合材料とする
ことができる。すなわち間隙部を埋めた炭素成分は、焼
結時に珪素と反応し最終的にＳｉＣに転換され、マトリ
ックス同士をより強固に結合させる作用を発揮する。な
お上記セラミックス繊維の間隙部を埋める方法として
は、上記のスラリー含浸法の他にＣＶＤ法（化学的蒸着
法）やＰＶＤ法（物理的蒸着法）などの気相法を採用す
ることもできる。

【００２９】また上記セラミックス繊維とマトリックス
との界面に、初期破壊強度を低下させない剪断強度を付
与するため、および初期破壊後の繊維の引き抜け時のす
べり抵抗を大きくし破壊エネルギーを増大化させるため
に、セラミックス繊維表面に厚さ５μｍ以下程度のすべ
り層を形成するとよい。このすべり層は繊維表面に、例
えば窒化ほう素（ＢＮ）等をコーティングして形成する
とよい。

【００３０】上記すべり層によりセラミックス繊維と、
マトリックスとの間の反応を防止することができ、また
応力負荷時に界面での剥離が生じて靭性向上に不可欠の
繊維の引抜けが生じるような複合材料が得られる。

【００３１】上記のようなセラミックス繊維をマトリッ
クス中に分散したセラミックス基繊維複合材料は、例え
ば下記の工程で製造される。すなわち嵩密度が１．０g/
cm³以下または平均気孔径が０．５μｍ以上である前記
多孔質の炭素質材料に、最終製品形状に対応する所定形
状を付与して多孔質炭素成形体を調製する。一方、すべ
り層を必要に応じて形成したセラミックス繊維で所定形
状の二次元織物や三次元織物を形成する。さらに必要に
応じてセラミックス繊維から成る織物を、前記カーボン
や炭化珪素を含むスラリー中に浸漬して織物の間隙部を
カーボン等で埋めておく。次に上記のように調製した多
孔質炭素成形体とセラミックス繊維織物とを交互に配置
して積層体とする。

【００３２】しかる後に、得られた積層体を上記多孔質
炭素成形体の珪化に必要なＳｉ量を充填したカーボンモ
ールド中に配置し、真空または不活性ガス雰囲気に調整
した焼成炉において、Ｓｉの融点付近の温度範囲、具体
的には１４００℃以上であり、かつ真空中または不活性
ガス雰囲気中において実質的にＳｉが溶融し、またＳｉ
の蒸着が顕著となる温度未満の範囲で１〜１０時間程度
加熱することにより、溶融Ｓｉの含浸を行いつつ、Ｓｉ
とＣとの反応焼結を進行せしめてＳｉＣマトリックスを
形成することにより、目的とする緻密なＳｉＣ基繊維複
合材料が得られる。

【００３３】なお溶融Ｓｉを含浸させる際に使用するカ
ーボンモールドを構成する材料としては、溶融Ｓｉとの
反応を回避するために、気孔率が５％以下の緻密なカー
ボン材を使用する。

【００３４】ここで上記反応焼結温度は、具体的には１
４００℃以上であり、かつ真空中または不活性ガス雰囲
気中において実質的にＳｉの蒸着が顕著となる温度未満
の範囲に設定される。反応焼結温度が１４００℃未満の
場合には、反応焼結が十分に進行せず、未反応の部分が
残留してしまう。一方、温度が実質的にＳｉが溶融する
温度を大幅に超えＳｉの蒸発が顕著となる場合は、セラ
ミックス繊維の熱劣化による強度低下を起こしてしま
う。あるいはＳｉが蒸発してしまうため、反応焼結温度
は上記範囲に設定される。

【００３５】なお、多孔質炭素成形体と珪素とを反応さ
せ、炭化珪素（ＳｉＣ）へ転換させる方法としては、上
記のように、高温真空中または不活性ガス雰囲気中で多
孔質炭素成形体と溶融Ｓｉとを反応させる方法の他に、
ＣＶＤ法（化学的蒸着法）等の気相反応を用いる方法が
ある。

【００３６】

【作用】上記構成に係る炭化珪素基繊維複合材料の製造
方法によれば、マトリックスを形成するための炭素源と
して多孔質炭素成形体を採用しているため、従来の粉状
炭素源を使用する場合と比較して、複雑形状製品に対応
した所定形状を付与することが極めて容易であり、かつ
炭素源をその製品形状全体に均一に配置することが可能
である。したがって大型で複雑形状を有する複合材料の
場合でも、組成むらや変形を生じるおそれが少なく、緻
密で高い寸法精度を有する複合材料を容易に製造するこ
とができる。

【００３７】また焼結温度が低く、かつ焼結時における
寸法収縮が少ない反応焼結法によってＳｉＣマトリック
スを形成しているため、セラミックス繊維の劣化を効果
的に防止でき、よって高靭性化や破壊エネルギーの増大
を有効に実現することができる。さらに焼結時の収縮が
少ないため、目的とする複雑形状製品に近似した複合材
料を得ることができ、後加工に要するコストの削減を図
ることも可能となる。

【００３８】

【実施例】次に本発明を以下の実施例に基づいて具体的
に説明する。

【００３９】実施例１ 反応焼結ＳｉＣマトリックスの出発原料となる炭素質材
料として、嵩密度が０．５０ｇ／cm³ であり、平均気孔
径が２０μｍであるガラス質カーボンを機械研削加工す
ることにより、図１に示すような外径１００mm，内径５
０mmのリング状の多孔質炭素成形体１を多数調製した。

【００４０】一方、直径１０μｍの炭化珪素（ＳｉＣ）
連続繊維から成る２次元織物を切り出して、図１に示す
ように、外径１００mm，内径５０mmのリング状のセラミ
ックス織物を多数調製した。さらに上記各セラミックス
織物を、ＳｉＣおよびカーボンを含有するスラリー中に
浸漬することにより、セラミックス織物の空隙部をＳｉ
Ｃ成分およびカーボンで部分的に埋めたセラミックス繊
維織物２を用意した。次に上記多孔質炭素成形体１とセ
ラミックス繊維織物２とを、厚さ方向に交互に配置し
て、図１に示すような積層体３を調製した。

【００４１】次に上記多孔質炭素成形体１と、織物の空
隙部に埋められたカーボン成分との珪化に必要な粉末Ｓ
ｉを充填したカーボンモールド内に、上記積層体３を配
置し、治具により固定した。そして真空中にて１４８０
℃の温度で１時間保持することにより、溶融珪素の含浸
を行いつつ、上記多孔質炭素成形体１およびカーボン成
分を反応焼結させて炭化珪素（ＳｉＣ）に転化し、全体
としてＳｉＣマトリックス中にＳｉＣ連続繊維２次元シ
ートを一体に埋め込んだ構造を有する実施例１に係るＳ
ｉＣ基繊維複合材料を多数調製した。

【００４２】比較例１ 実施例１で調製したセラミックス繊維織物２を使用する
一方、多孔質炭素成形体の代りにカーボンブラック粉末
を炭素源として使用し、下記従来製法で比較例１に係る
ＳｉＣ基繊維複合材料を調製した。すなわち骨材として
のＳｉＣ粉末と炭素源としてのカーボンブラックとを溶
媒に分散せしめて低粘度原料スラリーを調製した。次に
この原料スラリーを上記セラミックス繊維織物２中に含
浸させて、セラミックス成形体とした。またセラミック
ス繊維織物２は原料スラリー中に埋設されるように形成
された。

【００４３】次に得られたセラミックス成形体を自然乾
燥後、Ｎ₂ ガス雰囲気中で温度６００℃で２時間脱脂し
た後に、真空中で温度１４８０℃に加熱保持し、成形体
中に溶融したＳｉを含浸させながら反応焼結を実施し、
ＳｉＣから成る反応焼結マトリックスを形成することに
より、比較例１に係るＳｉＣ基繊維複合材料を調製し
た。

【００４４】上記のように調製した実施例１および比較
例１に係る各ＳｉＣ基繊維複合材料について、密度，室
温（ＲＴ）および高温（１３００℃）における三点曲げ
強度，破壊靭性値および割れや変形等の欠陥の発生割合
を測定した。測定評価結果を下記表１に示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】表１に示す結果から明らかなように、炭素
源として多孔質炭素成形体を使用し、反応焼結法によっ
てＳｉＣマトリックスを形成した実施例１に係るＳｉＣ
基繊維複合材料は、従来のカーボンブラック粉末を使用
して形成した比較例１に係る複合材料と比較して、炭素
源を材料全体に均一に配置することができるため、相対
的に強度および破壊靭性値が優れていることが判明し
た。また大型の複合材料であっても、割れや変形等の欠
陥が少なく高い寸法精度を有する複合材料が容易に得ら
れることが確認できた。

【００４７】実施例２ 反応焼結ＳｉＣマトリックスの出発原料となる炭素質材
料として、嵩密度が０．５０ｇ／cm³ であり、平均気孔
径が２０μｍであるガラス質カーボンを機械研削加工す
ることにより、図２に示すような円筒状の多孔質炭素成
形体１ａを多数調製した。

【００４８】一方、直径１０μｍの炭化珪素（ＳｉＣ）
連続繊維から成る２次元織物を切り出して、図２に示す
ように、径が異なり高さが１００mmの円筒状のセラミッ
クス織物を多数調製した。さらに上記各セラミックス織
物を、ＳｉＣおよびカーボンを含有するスラリー中に浸
漬することにより、セラミックス織物の空隙部をＳｉＣ
成分およびカーボンで部分的に埋めたセラミックス繊維
織物２ａを用意した。次に上記多孔質炭素成形体１ａと
セラミックス繊維織物２ａとを、同心状に交互に配置し
て、図２に示すような積層体３ａを調製した。

【００４９】次に上記多孔質炭素成形体１ａと、織物の
空隙部に埋められたカーボン成分との珪化に必要な粉末
Ｓｉを充填したカーボンモールド内に、上記積層体３ａ
を配置し、治具により固定した。そして真空中にて１４
８０℃の温度で１時間保持することにより、溶融珪素の
含浸を行ないつつ、上記多孔質炭素成形体１ａおよびカ
ーボン成分を反応焼結させて炭化珪素（ＳｉＣ）に転化
し、全体としてＳｉＣマトリックス中にＳｉＣ連続繊維
２次元シートを一体に埋め込んだ構造を有する実施例２
に係るＳｉＣ基繊維複合材料を多数調製した。

【００５０】比較例２ 実施例２で調製したセラミックス繊維織物２ａを使用す
る一方、多孔質炭素成形体の代りにカーボンブラック粉
末を炭素源として使用し、下記従来製法で比較例２に係
るＳｉＣ基繊維複合材料を調製した。すなわち骨材とし
てのＳｉＣ粉末と炭素源としてのカーボンブラックとを
溶媒に分散せしめて低粘度原料スラリーを調製した。次
にこの原料スラリーを上記セラミックス繊維織物２ａ中
に含浸させて、セラミックス成形体とした。またセラミ
ックス繊維織物２ａは原料スラリー中に埋設されるよう
に形成された。

【００５１】次に得られたセラミックス成形体を自然乾
燥後、Ｎ₂ ガス雰囲気中で温度８００℃で２時間脱脂し
た後に、真空中で温度１４８０℃に加熱保持し、成形体
中に溶融したＳｉを含浸させながら反応焼結を実施し、
ＳｉＣから成る反応焼結マトリックスを形成することに
より、比較例２に係るＳｉＣ基繊維複合材料を調製し
た。

【００５２】上記のように調製した実施例２および比較
例２に係る各ＳｉＣ基繊維複合材料について、密度，室
温（ＲＴ）および高温（１３００℃）における三点曲げ
強度，破壊靭性値および割れや変形等の欠陥の発生割合
を測定した。測定評価結果を下記表２に示す。

【００５３】

【表２】

【００５４】表２に示す結果から明らかなように、炭素
源として多孔質炭素成形体を使用し、反応焼結法によっ
てＳｉＣマトリックスを形成した実施例２に係るＳｉＣ
基繊維複合材料は、従来のカーボンブラック粉末を使用
して形成した比較例２に係る複合材料と比較して、炭素
源を材料全体に均一に配置することができるため、相対
的に強度および破壊靭性値が優れていることが判明し
た。また大型の複合材料であっても、割れや変形等の欠
陥が少なく高い寸法精度を有する複合材料が容易に得ら
れることが確認できた。

【００５５】実施例３ 反応焼結ＳｉＣマトリックスの出発原料となる炭素質材
料として、嵩密度が０．７０ｇ／cm³ であり、平均気孔
径が１０μｍであるグラファイト質カーボンを機械研削
加工することにより、図３に示すような円筒状の多孔質
炭素成形体１ｂを調製した。

【００５６】一方、直径１０μｍの炭化珪素（ＳｉＣ）
連続繊維から成る２次元織物を切り出して、図３に示す
ように、径が異なり高さが１００mmの円筒状のセラミッ
クス織物を調製した。さらに上記各セラミックス織物
を、ＳｉＣおよびカーボンを含有するスラリー中に浸漬
することにより、セラミックス織物の空隙部をＳｉＣ成
分およびカーボンで部分的に埋めたセラミックス繊維織
物２ｂを用意した。次に上記多孔質炭素成形体１ｂとセ
ラミックス繊維織物２ｂとを、同心状に配置して、図３
に示すような積層体３ｂを調製した。この際、セラミッ
クス繊維織物は２ｂは２次元シートを多層に積層したも
のを使用した。

【００５７】次に上記多孔質炭素成形体１ｂと、織物の
空隙部に埋められたカーボン成分との珪化に必要な粉末
Ｓｉを充填したカーボンモールド内に、上記積層体３ｂ
を配置し、治具により固定した。そして真空中にて１４
８０℃の温度で１時間保持することにより、溶融珪素の
含浸を行ないつつ、上記多孔質炭素成形体１ｂおよびカ
ーボン成分を反応焼結させて炭化珪素（ＳｉＣ）に転化
し、全体としてＳｉＣマトリックス中にＳｉＣ連続繊維
２次元シートを一体に埋め込んだ構造を有する実施例３
に係るＳｉＣ基繊維複合材料を調製した。

【００５８】比較例３ 実施例３で調製したセラミックス繊維織物２ｂを使用す
る一方、グラファイト質カーボンの代りにカーボンブラ
ック粉末を炭素源として使用し、下記従来製法で比較例
３に係るＳｉＣ基繊維複合材料を調製した。すなわち骨
材としてのＳｉＣ粉末と炭素源としてのカーボンブラッ
クとを溶媒に分散せしめて低粘度原料スラリーを調製し
た。次にこの原料スラリーを上記セラミックス繊維織物
２ｂ中に含浸させて、セラミックス成形体とした。また
セラミックス繊維織物２ｂは原料スラリー中に埋設され
るように形成された。

【００５９】次に得られたセラミックス成形体を自然乾
燥後、Ｎ₂ ガス雰囲気中で温度６００℃で２時間脱脂し
た後に、真空中で温度１４８０℃に加熱保持し、成形体
中に溶融したＳｉを含浸させながら反応焼結を実施し、
ＳｉＣから成る反応焼結マトリックスを形成することに
より、比較例３に係るＳｉＣ基繊維複合材料を調製し
た。

【００６０】上記のように調製した実施例３および比較
例３に係る各ＳｉＣ基繊維複合材料について、密度，室
温（ＲＴ）および高温（１３００℃）における三点曲げ
強度，破壊靭性値および割れや変形等の欠陥の発生割合
を測定した。測定評価結果を下記表３に示す。

【００６１】

【表３】

【００６２】表３に示す結果から明らかなように、炭素
源としてグラファイト質カーボンを使用し、反応焼結法
によってＳｉＣマトリックスを形成した実施例３に係る
ＳｉＣ基繊維複合材料は、従来のカーボンブラック粉末
を使用して形成した比較例３に係る複合材料と比較し
て、炭素源を材料全体に均一に配置することができるた
め、相対的に強度および破壊靭性値が優れていることが
判明した。また大型の複合材料であっても、割れや変形
等の欠陥が少なく高い寸法精度を有する複合材料が容易
に得られることが確認できた。

【００６３】実施例４ 反応焼結ＳｉＣマトリックスの出発原料となる炭素質材
料として、嵩密度が０．２０ｇ／cm³ であるフェルト質
カーボンを加工することにより、図４に示すような円筒
状の多孔質炭素成形体１ｃを調製した。

【００６４】一方、直径１０μｍの炭化珪素（ＳｉＣ）
連続繊維から成る２次元織物を切り出して、図４に示す
ように、高さが１００mmの円筒状のセラミックス織物を
調製した。さらに上記各セラミックス織物およびフェル
ト質カーボンを、ＳｉＣおよびカーボンを含有するスラ
リー中に浸漬することにより、セラミックス織物および
フェルト質カーボンの空隙部をＳｉＣ成分およびカーボ
ンで部分的に埋めた多孔質炭素成形体１ｃとしてのフェ
ルト質カーボンおよびセラミックス繊維織物２ｃを用意
した。次に上記フェルト質カーボン製の多孔質炭素成形
体１ｃとセラミックス繊維織物２ｃとを、同心状に配置
して、図４に示すような積層体３ｃを調製した。この
際、セラミックス繊維織物２ｃは３次元織物を用いた。

【００６５】次に上記フェルト質カーボン製多孔質炭素
成形体１ｃと、織物の空隙部に埋められたカーボン成分
との珪化に必要な粉末Ｓｉを充填したカーボンモールド
内に、上記積層体３ｃを配置し、治具により固定した。
そして真空中にて１４８０℃の温度で１時間保持するこ
とにより、溶融珪素の含浸を行ないつつ、上記多孔質炭
素成形体１ｃおよびカーボン成分を反応焼結させて炭化
珪素（ＳｉＣ）に転化し、全体としてＳｉＣマトリック
ス中にＳｉＣ連続繊維３次元シートを一体に埋め込んだ
構造を有する実施例４に係るＳｉＣ基繊維複合材料を多
数調製した。

【００６６】比較例４ 実施例４で調製したセラミックス繊維織物２ｃを使用す
る一方、多孔質炭素成形体の代りにカーボンブラック粉
末を炭素源として使用し、下記従来製法で比較例４に係
るＳｉＣ基繊維複合材料を調製した。すなわち骨材とし
てのＳｉＣ粉末と炭素源としてのカーボンブラックとを
溶媒に分散せしめて低粘度原料スラリーを調製した。次
にこの原料スラリーを上記セラミックス繊維織物２ｃ中
に含浸させて、セラミックス成形体とした。またセラミ
ックス繊維織物２ｃは原料スラリー中に埋設されるよう
に形成された。

【００６７】次に得られたセラミックス成形体を自然乾
燥後、Ｎ₂ ガス雰囲気中で温度６００℃で２時間脱脂し
た後に、真空中で温度１４８０℃に加熱保持し、成形体
中に溶融したＳｉを含浸させながら反応焼結を実施し、
ＳｉＣから成る反応焼結マトリックスを形成することに
より、比較例４に係るＳｉＣ基繊維複合材料を調製し
た。

【００６８】上記のように調製した実施例４および比較
例４に係る各ＳｉＣ基繊維複合材料について、密度，室
温（ＲＴ）および高温（１３００℃）における三点曲げ
強度，破壊靭性値および割れや変形等の欠陥の発生割合
を測定した。測定評価結果を下記表４に示す。

【００６９】

【表４】

【００７０】表４に示す結果から明らかなように、炭素
源としてフェルト質カーボン製の多孔質炭素成形体を使
用し、反応焼結法によってＳｉＣマトリックスを形成し
た実施例４に係るＳｉＣ基繊維複合材料は、従来のカー
ボンブラック粉末を使用して形成した比較例４に係る複
合材料と比較して、炭素源を材料全体に均一に配置する
ことができるため、相対的に強度および破壊靭性値が優
れていることが判明した。また大型の複合材料であって
も、割れや変形等の欠陥が少なく高い寸法精度を有する
複合材料が容易に得られることが確認できた。

【００７１】実施例５ 反応焼結ＳｉＣマトリックスの出発原料となる炭素質材
料として、繊維径が５μｍであり、織密度が１２×１２
yarn／inchであるカーボン繊維２次元織物を使用して、
図５に示すような外径１００mm，内径６０mmのリング状
の多孔質炭素成形体１ｄを多数調製した。

【００７２】一方、直径１０μｍの炭化珪素（ＳｉＣ）
連続繊維から成る２次元織物を切り出して、図５に示す
ように、外径１００mm，内径６０mmのリング状のセラミ
ックス織物を多数調製した。さらに上記各セラミックス
織物およびカーボン繊維２次元織物を、ＳｉＣおよびカ
ーボンを含有するスラリー中に浸漬することにより、セ
ラミックス織物の空隙部およびカーボン繊維２次元織物
の空隙部をＳｉＣ成分およびカーボンで部分的に埋めた
セラミックス繊維織物２ｄおよび多孔質炭素形成体１ｄ
を用意した。次に上記多孔質炭素成形体１ｄとしてのカ
ーボン繊維２次元織物とセラミックス繊維織物２ｄと
を、厚さ方向に交互に配置して、図５に示すような積層
体３ｄを調製した。

【００７３】次に上記多孔質炭素成形体１ｄとしてのカ
ーボン繊維２次元織物と、織物の空隙部に埋められたカ
ーボン成分との珪化に必要な粉末Ｓｉを充填したカーボ
ンモールド内に、上記積層体３ｄを配置し、治具により
固定した。そして真空中にて１４８０℃の温度で１時間
保持することにより、溶融珪素の含浸を行いつつ、上記
多孔質炭素成形体１ｄおよびカーボン成分を反応焼結さ
せて炭化珪素（ＳｉＣ）に転化し、全体としてＳｉＣマ
トリックス中にＳｉＣ連続繊維２次元シートを一体に埋
め込んだ構造を有する実施例５に係るＳｉＣ基繊維複合
材料を多数調製した。

【００７４】比較例５ 実施例５で調製したセラミックス繊維織物２ｄを使用す
る一方、多孔質炭素成形体の代りにカーボンブラック粉
末を炭素源として使用し、下記従来製法で比較例５に係
るＳｉＣ基繊維複合材料を調製した。すなわち骨材とし
てのＳｉＣ粉末と炭素源としてのカーボンブラックとを
溶媒に分散せしめて低粘度原料スラリーを調製した。次
にこの原料スラリーを上記セラミックス繊維織物２ｄ中
に含浸させて、セラミックス成形体とした。またセラミ
ックス繊維織物２ｄは原料スラリー中に埋設されるよう
に形成された。

【００７５】次に得られたセラミックス成形体を自然乾
燥後、Ｎ₂ ガス雰囲気中で温度６００℃で２時間脱脂し
た後に、真空中で温度１４８０℃に加熱保持し、成形体
中に溶融したＳｉを含浸させながら反応焼結を実施し、
ＳｉＣから成る反応焼結マトリックスを形成することに
より、比較例５に係るＳｉＣ基繊維複合材料を調製し
た。

【００７６】上記のように調製した実施例５および比較
例５に係る各ＳｉＣ基繊維複合材料について、密度，室
温（ＲＴ）および高温（１３００℃）における三点曲げ
強度，破壊靭性値および割れや変形等の欠陥の発生割合
を測定した。測定評価結果を下記表５に示す。

【００７７】

【表５】

【００７８】表５に示す結果から明らかなように、炭素
源として多孔質炭素成形体を使用し、反応焼結法によっ
てＳｉＣマトリックスを形成した実施例５に係るＳｉＣ
基繊維複合材料は、従来のカーボンブラック粉末を使用
して形成した比較例５に係る複合材料と比較して、炭素
源を材料全体に均一に配置することができるため、相対
的に強度および破壊靭性値が優れていることが判明し
た。また大型の複合材料であっても、割れや変形等の欠
陥が少なく高い寸法精度を有する複合材料が容易に得ら
れることが確認できた。

【００７９】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る炭化珪素
基繊維複合材料の製造方法によれば、マトリックスを形
成するための炭素源として多孔質炭素成形体を採用して
いるため、従来の粉状炭素源を使用する場合と比較し
て、複雑形状製品に対応した所定形状に加工することが
極めて容易であり、かつ炭素源をその製品形状全体に均
一に配置することが可能である。したがって大型で複雑
形状を有する複合材料の場合でも、組成むらや変形を生
じるおそれが少なく、高い寸法精度を有する複合材料を
容易に製造することができる。

【００８０】また焼結温度が低く、かつ焼結時における
寸法収縮が少ない反応焼結法によってＳｉＣマトリック
スを形成しているため、セラミックス繊維の劣化を効果
的に防止でき、よって高靭性化や破壊エネルギーの増大
を有効に実現することができる。さらに焼結時の収縮が
少ないため、目的とする複雑形状製品に近似した複合材
料を得ることができ、後加工に要するコストの削減を図
ることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】リング状の多孔質炭素成形体とセラミックス繊
維織物とを厚さ方向に交互に配置して形成した積層体の
断面図。

【図２】円筒状の多孔質炭素成形体とセラミックス繊維
織物とを同心状に交互に配置して形成した積層体の断面
図。

【図３】積層体の他の構成例を示す断面図。

【図４】積層体の他の構成例を示す断面図。

【図５】積層体の他の構成例を示す断面図。

【符号の説明】

１，１ａ 多孔質炭素成形体 ２，２ａ セラミックス繊維（織物） ３，３ａ 積層体

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｇ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定形状を有する多孔質炭素成形体とセ
   ラミックス繊維とを配置して積層体を形成し、得られた
   積層体を加熱して溶融珪素を含浸せしめ、珪素と炭素成
   分とを反応焼結させて炭化珪素から成るマトリックスを
   形成し、マトリックスとセラミックス繊維とを一体化す
   ることを特徴とする炭化珪素基繊維複合材料の製造方
   法。
2. 【請求項２】 多孔質炭素成形体の嵩密度が１．０ｇ／
   cm³ 以下であることを特徴とする請求項１記載の炭化珪
   素基繊維複合材料の製造方法。
3. 【請求項３】 多孔質炭素成形体の平均気孔径が０．５
   μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の炭化珪
   素基繊維複合材料の製造方法。