JPH09202668A - Ceramic-based composite material of ceramic continuous filament and its production - Google Patents

Ceramic-based composite material of ceramic continuous filament and its production

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JPH09202668A
JPH09202668A JP8012209A JP1220996A JPH09202668A JP H09202668 A JPH09202668 A JP H09202668A JP 8012209 A JP8012209 A JP 8012209A JP 1220996 A JP1220996 A JP 1220996A JP H09202668 A JPH09202668 A JP H09202668A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a low-cost ceramic composite material having high reliability and durability. SOLUTION: This ceramic-based composite material of ceramic continuous filaments has a constitutional structure comprising a ceramic sintered compact as a matrix substrate, the ceramic continuous filaments as a reinforcing material dispersed and compounded in the ceramic sintered compact and a phase of a glassy composition formed on the surface of the ceramic continuous filaments. Plural yarns (yarn bundles) of the ceramic continuous filaments are horizontally arranged at an optional width, immersed and passed through a slurry of ceramics for filling a matrix containing a sintering assistant of a glass composition while being continuously pulled, then horizontally arranged at an optional width on a carrier film, fixed and dried to prepare monolayered sheetlike prepregs of green ceramics reinforced with the ceramic continuous filaments. The plural sheets of the prepregs are then laminated in an optional direction, sintered and compounded at a temperature below the thermal deteriorating temperature of the ceramic continuous filaments under suitable pressurizing conditions.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス基長
繊維複合材料に係わり、緻密で強度および靱性値に優れ
ており、特に高温下において高い機械的特性と信頼性と
が要求されるガスタービン部品をはじめ、航空機部品、
原子力部品などの構造用部品として好適なセラミックス
基セラミックス長繊維複合材料およびその製造方法に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic-based long fiber composite material, which is dense and has excellent strength and toughness values, and is particularly required to have high mechanical properties and reliability at high temperatures. , Aircraft parts,
The present invention relates to a ceramic-based ceramic long-fiber composite material suitable as a structural component such as a nuclear component and a method for producing the same.

【0002】[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、耐食性、軽量性等の諸特性が金属材料と比較して
優れているため、重電機器部品、航空機部品、自動車部
品、電子部品、精密機器部品、半導体材料などの電子用
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。
2. Description of the Related Art Generally, a ceramic sintered body has a small strength decrease even at high temperatures and is excellent in various characteristics such as hardness, electric insulation, abrasion resistance, heat resistance, corrosion resistance and light weight as compared with a metal material. Therefore, it is used in a wide range of fields as electronic materials and structural materials such as heavy electric equipment parts, aircraft parts, automobile parts, electronic parts, precision equipment parts and semiconductor materials.

【0003】しかし、セラミックス焼結体は、圧縮に比
べ引張の応力に弱く、特に引張応力下では、破壊が一瞬
にして進行する、いわゆる、脆性という欠点を有してい
るため、不確定要因の外力に対して十分な信頼性が得ら
れにくいというのが現状である。このようなことから、
強度上の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
靱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。
[0003] However, the ceramics sintered body is weaker in tensile stress than compression, and has a defect of so-called brittleness, in which fracture progresses in an instant under tensile stress, so-called brittleness. The current situation is that it is difficult to obtain sufficient reliability against external force. From such a thing,
In order to make it possible to apply ceramic parts to parts requiring high reliability in strength, it is strongly required to increase the toughness and increase the fracture energy of the ceramic sintered body.

【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な
どにおいては、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なる補
強繊維、ウィスカー、ブレート、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靱性値や破壊エネ
ルギー値を高めたセラミックス複合材料の実用化研究が
国内外の研究機関等において進められている。
That is, in ceramic structural parts used for gas turbine parts, aircraft parts, automobile parts, etc., high reliability is required in addition to heat resistance and high temperature strength. Therefore, research on practical application of ceramics composite materials in which reinforcing materials made of inorganic substances and metals, whiskers, plates, particles, and other reinforcing materials are dispersed and composited in a matrix sintered body to increase toughness and fracture energy values Are being promoted by research institutes.

【0005】上記のようなセラミックス複合材料におい
て、強化素材として長繊維を用いたものは、特に破壊靱
性や破壊エネルギーが増大し、信頼性の向上に対して大
きな効果を示すことが知られている。現在、長繊維複合
材料を複雑形状の部品に適用する手段として、2次元あ
るいは3次元の織物としての適用が試みられており、長
繊維セラミックス織物のマトリックスとしてモノリシッ
クセラミックスを充填するための方法として、CVI法
(化学気相含浸法)やブリカーサー法が採用されてい
る。
It is known that, among the above-mentioned ceramic composite materials, those using long fibers as a reinforcing material have a great effect on the improvement of reliability because the fracture toughness and the fracture energy are increased. . At present, two-dimensional or three-dimensional woven fabrics have been tried to be applied as means for applying long-fiber composite materials to parts having complicated shapes, and as a method for filling monolithic ceramics as a matrix of long-fiber ceramics fabrics, The CVI method (chemical vapor impregnation method) and the bricarcer method are adopted.

【0006】しかし、上記いずれの方法も、繊維体積率
を上げるのが難しく、しかも、セラミックスのマトリッ
クス含浸率を上げるには極めて長時間を要するという問
題点がある。
However, in any of the above methods, it is difficult to increase the fiber volume ratio, and it takes a very long time to increase the ceramic matrix impregnation ratio.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】従来のセラミックス基
長繊維複合材料は、繊維体積率が低かったり、セラミッ
クスのマトリックス含浸率が低い場合、強度も破壊靱性
値も低くなって、セラミックス基長繊維複合材料として
期待する上記機械特性が得られない。
The conventional ceramic-based long-fiber composite materials have low strength and fracture toughness when the fiber volume ratio is low or the ceramic matrix impregnation ratio is low. The above mechanical properties expected as a material cannot be obtained.

【0008】また、従来のセラミックス基長繊維複合材
料の製造方法は、製造設備が高価で、製造に長時間を要
し、極めて高価な材料となるCVI法以外は、強度、破
壊靱性値や破壊エネルギーも期待値レベルにはまだまだ
達していないのが現状である。
Further, in the conventional method for producing a ceramic-based long-fiber composite material, the production equipment is expensive, the production requires a long time, and the strength, fracture toughness value and fracture are other than the CVI method which is an extremely expensive material. At present, energy has not reached the expected level.

【0009】そこで、本発明は、CVI法の設備に比べ
て安価な設備で、その他の従来方法に比べて繊維体積率
およびモノリシックセラミックスのマトリックス含浸率
を向上させ、初期破壊強度および破壊靱性値や破壊エネ
ルギーを増大せしめて、高い信頼性と耐久性を有する低
コストなセラミックス基セラミックス長繊維複合材料を
提供することを目的とするものである。
Therefore, the present invention is an equipment which is cheaper than the equipment of the CVI method and improves the fiber volume ratio and the matrix impregnation ratio of the monolithic ceramics as compared with other conventional methods, and the initial fracture strength and fracture toughness value and It is an object of the present invention to provide a low-cost ceramic-based ceramic long-fiber composite material having high reliability and durability by increasing the breaking energy.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックス基
セラミックス長繊維複合材料は、マトリックス基材とし
てのセラミックス焼結体と、セラミックス焼結体に分散
複合化された強化素材としてのセラミックス長繊維と、
セラミックス長繊維の表面に生成されたガラス組成の相
とからなる組織構造を有するものである。
The ceramic-based ceramic long-fiber composite material of the present invention comprises a ceramic sintered body as a matrix substrate, and a ceramic long-fiber as a reinforcing material dispersed and composited in the ceramic sintered body. ,
It has a texture structure composed of a glass composition phase formed on the surface of a long ceramic fiber.

【0011】また、本発明のセラミックス基セラミック
ス長繊維複合材料は、セラミックス長繊維のヤーン(糸
束)に、マトリックス充填用セラミックスのスラリーを
付着・乾燥させて、セラミックス長繊維補強の生セラミ
ックスのプリプレグを作製し、このプリプレグを複数任
意方向に積層し、適当な加圧条件下で焼結して複合化し
たものである。プリプレグは、シート状またはワイヤー
状のものとすることができる。
Further, the ceramic-based ceramic long-fiber composite material of the present invention is obtained by adhering and drying a slurry of matrix-filling ceramics to a yarn (yarn bundle) of ceramic long-fibers to prepare a prepreg of raw ceramics reinforced with long-fiber ceramics. Was prepared, a plurality of these prepregs were laminated in arbitrary directions, and sintered under appropriate pressure conditions to form a composite. The prepreg may have a sheet shape or a wire shape.

【0012】また、本発明のセラミックス基セラミック
ス長繊維複合材料は、セラミックス長繊維のヤーン(糸
束)を複数本、マトリックス充填用セラミックスのスラ
リー中を浸漬・通過させ、キャリヤーフィルム上に任意
の巾に水平に並べて固着・乾燥させて、セラミックス長
繊維補強の生セラミックスのモノレイヤーシート状のプ
リプレグを作製し、このプリプレグを複数枚任意方向に
積層し、適当な加圧条件下で焼結して複合化したもので
ある。
Further, the ceramic-based ceramic long-fiber composite material of the present invention is obtained by immersing and passing a plurality of yarns (yarn bundles) of long-fiber ceramics in a slurry of matrix-filling ceramics to give an arbitrary width on a carrier film. The prepregs are made of monolayer sheets of raw ceramics reinforced with long ceramic fibers, and are laminated in any direction, and sintered under appropriate pressure conditions. It is a composite.

【0013】焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温
度以下となるように、マトリックス充填用セラミックス
のスラリーに焼結助剤としてガラス組成の助剤を配合す
る。
An auxiliary agent having a glass composition is added as a sintering agent to the slurry of the ceramics for filling the matrix so that the sintering temperature becomes equal to or lower than the thermal deterioration temperature of the ceramic long fibers.

【0014】マトリックス基材としてのセラミックスが
Al23で、強化素材としてのセラミックス長繊維がS
iC長繊維、マトリックス基材としてのセラミックスが
SiCで、強化素材としてのセラミックス長繊維がSi
C長繊維、マトリックス基材としてのセラミックスがS
34で、強化素材としてのセラミックス長繊維がSi
C長繊維、マトリックス基材としてのセラミックスがA
23で、強化素材としてのセラミックス長繊維がAl
23長繊維である組合せとすることができる。
The ceramic as the matrix base material is Al 2 O 3 , and the ceramic long fiber as the reinforcing material is S
iC long fiber, ceramic as the matrix base material is SiC, and ceramic long fiber as the reinforcing material is Si
C long fiber, ceramics as matrix base material is S
With i 3 N 4 , ceramic long fibers as a reinforcing material are Si
C long fibers, ceramics as matrix base material are A
l 2 O 3 and long ceramic fibers as a reinforcing material are Al
It can be a combination that is 2 O 3 long fibers.

【0015】以上のようなセラミックス基セラミックス
長繊維複合材料は、セラミックス連続長繊維のヤーン
(糸束)を複数本、任意の幅に水平に並べて連続的に引
張りながら、ガラス組成の焼結助剤を含むマトリックス
充填用セラミックスのスラリー中を浸漬・通過させ、キ
ャリヤーフィルム上に任意の巾に水平に並べて固着・乾
燥させて、セラミックス長繊維補強の生セラミックスの
モノレイヤーシート状のプリプレグを作製し、このプリ
プレグを複数枚任意方向に積層し、適当な加圧条件下、
セラミックス長繊維の熱劣化温度以下の温度で焼結して
複合化することにより製造することができる。
The ceramic-based ceramic long-fiber composite material as described above is made up of a plurality of yarns (yarn bundles) of continuous continuous-fiber ceramics which are horizontally arranged in an arbitrary width and continuously pulled, while a sintering aid having a glass composition. Immersing and passing through a slurry of matrix-filling ceramics containing, laying horizontally on a carrier film to an arbitrary width and fixing and drying, to prepare a prepreg in the form of a monolayer sheet of raw ceramics reinforced with ceramic long fibers, Laminate a plurality of this prepreg in any direction, under appropriate pressure conditions,
It can be manufactured by sintering at a temperature lower than the thermal deterioration temperature of the long ceramic fibers to form a composite.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、マトリックス基材としての
セラミックスがAl23(アルミナ)で、強化素材とし
てのセラミックス長繊維がSiC長繊維である実施形態
について説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment in which the ceramic as a matrix substrate is Al 2 O 3 (alumina) and the ceramic long fibers as a reinforcing material are SiC long fibers will be described below.

【0017】図1は、この実施形態のAl23セラミッ
クス基SiCセラミックス長繊維複合材料の製造工程を
示すフローチャート図である。
FIG. 1 is a flow chart showing the manufacturing process of the Al 2 O 3 ceramics-based SiC ceramics long fiber composite material of this embodiment.

【0018】マトリックス充填用セラミックスのスラリ
ーは、Al23粉末、ガラス組成の助剤、および焼結助
剤を混合し、それに分散剤、エタノール、蒸留水を加
え、ボールミルで第1次粉砕を行なった後、バインダ
ー、可塑剤、および蒸留水を注入して第2次粉砕を行な
い、ついで、良く混合し真空脱泡を行なって作製したも
のである。この実施形態において、Al23粉末は平均
粒径が1.1μm、純度が99.5%かそれ以上のもの
{昭和電工社製(α−アルミナ AL45−1)等}、
ガラス組成の焼結助剤はSiO2−B23ベースのガラ
ス粉末、バインダーはHB−500、分散剤はLCD−
40B(いずれもライオン社製)、SiC長繊維はチラ
ノ繊維{宇部興産社製(Si−Ti−C−O繊維):以
下(SiC繊維)と記す。}を用いている。
The matrix-filling ceramics slurry is prepared by mixing Al 2 O 3 powder, a glass composition auxiliary agent, and a sintering auxiliary agent, adding a dispersant, ethanol, and distilled water, and subjecting to primary pulverization with a ball mill. After that, a binder, a plasticizer, and distilled water were injected to carry out secondary pulverization, and then they were well mixed and vacuum degassed. In this embodiment, the Al 2 O 3 powder has an average particle size of 1.1 μm and a purity of 99.5% or more {Showa Denko KK (α-alumina AL45-1) etc.},
The sintering aid of the glass composition is SiO 2 -B 2 O 3 -based glass powder, the binder is HB-500, and the dispersant is LCD-.
40B (all manufactured by Lion), SiC long fibers are Tyranno fiber (manufactured by Ube Industries (Si-Ti-C-O fiber): hereinafter (SiC fiber). } Is used.

【0019】ガラス組成の助剤(SiO2−B23ベー
スのガラス粉末)は、焼成時におけるSiC長繊維の熱
劣化を防止するため、セラミックス焼結温度を低下させ
ることを目的として配合される。また、後述するよう
に、ガラス組成の助剤をスラリー中に最適量配合するこ
とにより、焼成後の複合材料の組織構造において、セラ
ミックス長繊維の表面にガラス組成の相が生成され、強
化繊維/マトリックス基材の界面特性が改善される。
The glass composition aid (SiO 2 —B 2 O 3 -based glass powder) is blended for the purpose of lowering the ceramics sintering temperature in order to prevent thermal degradation of the SiC long fibers during firing. It Further, as will be described later, by adding an optimum amount of the glass composition auxiliary agent to the slurry, a phase of the glass composition is generated on the surface of the ceramic long fiber in the structure structure of the composite material after firing, and the reinforcing fiber / The interfacial properties of the matrix substrate are improved.

【0020】上記のようなマトリックス充填用Al23
のスラリーと、SiC長繊維のヤーン(糸束)とを用
い、SiCセラミックス長繊維補強の生Al23セラミ
ックスのプリプレグを作製する。
Al 2 O 3 for matrix filling as described above
A prepreg of raw Al 2 O 3 ceramics reinforced with SiC ceramics long fibers is prepared by using the slurry of (1) and a yarn (thread bundle) of SiC long fibers.

【0021】プリプレグは、例えば図2に概念的に示す
ような方法(改良ドクターブレード法)により作製する
ことができる。すなわち、SiC連続長繊維のヤーン
(糸束)を複数本、任意の幅に水平に並べて連続的に引
張りながら(キャリヤースピードは30cm/min程
度)、上記のようにして作製したスラリー中を浸漬・通
過させ、キャリヤーフィルム上に任意の巾に水平に並べ
て固着・乾燥させることにより作製することができる。
The prepreg can be produced, for example, by a method (improved doctor blade method) conceptually shown in FIG. That is, while a plurality of yarns (thread bundles) of continuous SiC filaments are horizontally arranged in an arbitrary width and continuously pulled (carrier speed is about 30 cm / min), the slurry produced as described above is dipped in the slurry. It can be produced by allowing the particles to pass through, horizontally arranging them on a carrier film in an arbitrary width, and fixing and drying.

【0022】そして、上記のようにして作製したモノレ
イヤーシート状のプリプレグを適当なサイズに裁断し、
キャリヤーフィルムを剥がし、SiC長繊維のヤーン方
向を適当な方向に順次選択して積層する。プリプレグ
は、ヤーンの方向の交差角を順次変えて積層することも
できる。例えば、ヤーンの方向を90°交差で、あるい
は、最初のプリプレグのヤーンの方向に対して0°、右
45°、左45°、ついで90°交差するように、順次
積層することができる。
Then, the monolayer sheet-shaped prepreg produced as described above is cut into an appropriate size,
The carrier film is peeled off, and the yarn direction of the SiC long fibers is sequentially selected in an appropriate direction and laminated. The prepreg may be laminated by sequentially changing the crossing angle in the yarn direction. For example, the yarns may be sequentially laminated at 90 ° intersections or 0 °, 45 ° right, 45 ° left, and then 90 ° to the yarn directions of the first prepreg.

【0023】プリプレグを積層した後、プレス加圧等し
て一体化し、高温加熱炉中で適当な温度条件、常圧ある
いは適当な加圧状態で焼成することにより、この実施形
態のAl23セラミックス基SiCセラミックス長繊維
複合材料を製造することができる。
After laminating the prepregs, the prepregs are integrated by press-pressing or the like, and the prepregs are fired in a high-temperature heating furnace under an appropriate temperature condition, an atmospheric pressure or an appropriate pressurizing state, whereby the Al 2 O 3 of this embodiment is formed. A ceramic-based SiC ceramic long fiber composite material can be manufactured.

【0024】焼成温度は、ガラス相を生成する焼結助剤
(この実施形態では、SiO2−B23ベースの助剤)
の組成調整によって決まり、その焼結温度の調整がこの
複合セラミックス材料の機械的特性、すなわち、破壊強
度および破壊靱性値に大きく影響する。従って、焼成温
度およびガラス組成の最適化が必要であり、試験の結
果、焼成温度を950°C、マトリックス基材としての
Al23とガラス組成剤との重量配合比を6:4とした
時に、最も良好な結果が得られることがわかっている。
The firing temperature is set to a sintering aid that produces a glass phase (in this embodiment, a SiO 2 —B 2 O 3 -based aid).
The composition temperature of the composite ceramic material is greatly influenced by the mechanical properties of the composite ceramic material, that is, the fracture strength and fracture toughness. Therefore, it is necessary to optimize the firing temperature and the glass composition. As a result of the test, the firing temperature was 950 ° C., and the weight mixing ratio of Al 2 O 3 as the matrix base material and the glass composition agent was 6: 4. It has been found that sometimes the best results are obtained.

【0025】[0025]

【実施例】図3は、Al23粉末とSiO2−B23
ースのガラス粉末との重量配合比を6:4{(アルミナ
/ガラス)=(6/4)}とした場合における本実施例
品(Si−Ti−C−O/Al23複合材:同図で白
○)と、モノリシックセラミックス材(Al23材:同
図で黒○)とについて、強度(引張強度)に及ぼす焼成
温度の影響を比較試験した結果を示している。
EXAMPLE FIG. 3 shows the case where the weight ratio of Al 2 O 3 powder and SiO 2 —B 2 O 3 -based glass powder is 6: 4 {(alumina / glass) = (6/4)}. this example product in: and (Si-Ti-C-O / Al 2 O 3 composite white ○ in the figure), monolithic ceramics material: for the (Al 2 O 3 material black ○ in the figure), the intensity ( The results of a comparative test of the effect of the firing temperature on the tensile strength) are shown.

【0026】同図に示すように、Si−Ti−C−O/
Al23複合材は、焼成温度を950°C、1000°
Cとした場合、モノリシックセラミックスAl23材に
比べて強度が著しく向上し、特に、焼成温度を950°
Cとした場合に最も高い強度値を示す。尚、マトリック
ス基材となるAl23についても、焼成温度950°C
で、最も高い強度値を示す。これら焼成温度以下におい
て強度が低くなっているのは、マトリックス基材として
のAl23の焼成度、および、強化繊維(Si−Ti−
C−O繊維)/マトリックス基材(Al23焼結体)の
界面におけるガラス組成の相の生成が不十分になるため
と考えられる。また、これら焼成温度以上で焼成する
と、Si−Ti−C−O繊維の熱劣化によって、強度が
低下すると考えられる。従って、焼成温度は950°C
〜1000°C程度、特に、950°C程度が最も好ま
しい。
As shown in the figure, Si--Ti--C--O /
The Al 2 O 3 composite material has firing temperatures of 950 ° C. and 1000 ° C.
In the case of C, the strength is remarkably improved as compared with the monolithic ceramics Al 2 O 3 material, and especially the firing temperature is 950 °.
The highest intensity value is obtained when C is set. For Al 2 O 3 which is the matrix base material, the firing temperature is 950 ° C.
Indicates the highest intensity value. The strength is lowered below these firing temperatures because of the firing degree of Al 2 O 3 as a matrix substrate and the reinforcing fibers (Si-Ti-
It is considered that the generation of the phase of the glass composition is insufficient at the interface of the C—O fiber) / matrix substrate (Al 2 O 3 sintered body). In addition, it is considered that the strength is lowered due to the thermal deterioration of the Si—Ti—C—O fiber when the firing is performed at the firing temperature or higher. Therefore, the firing temperature is 950 ° C
It is most preferably about 1000 ° C, especially about 950 ° C.

【0027】図4は、焼成温度950°Cで焼成した上
記Si−Ti−C−O/Al23複合材とモノリシック
セラミックスAl23材の引張応力−ひずみ曲線を示し
ている。
[0027] Figure 4 is fired the Si-Ti-C-O / Al 2 O 3 composite and monolithic ceramic Al 2 O 3 material of the tensile stress at the firing temperature 950 ° C - indicates the strain curve.

【0028】まず、モノリシックセラミックスAl23
材の変形破壊が線形で進行するのに対し、Si−Ti−
C−O/Al23複合材の変形破壊は非線形で進行する
点が注目される。また、Si−Ti−C−O/Al23
複合材は、最大ひずみおよび最大ひずみ応力(同図に示
す×点)、並びに、破壊吸収エネルギー(応力−ひずみ
曲線の積分値)が、モノリシックセラミックスAl23
材に比べて大幅に向上している。このことから、この実
施例のSi−Ti−C−O/Al23複合材は、モノリ
シックセラミックスAl23材に比べ、かなり靱性に富
んだ材料であるということができる。
First, monolithic ceramics Al 2 O 3
While the deformation and fracture of the material progresses linearly, Si-Ti-
Deformation and Fracture of C-O / Al 2 O 3 composite is noted that it progresses in a non-linear. Further, Si-Ti-C-O / Al 2 O 3
In the composite material, the maximum strain and the maximum strain stress (x point shown in the same figure), and the fracture absorption energy (integral value of stress-strain curve) are monolithic ceramics Al 2 O 3
Significantly improved compared to wood. From this, it can be said that the Si—Ti—C—O / Al 2 O 3 composite material of this example is a material having much higher toughness than the monolithic ceramic Al 2 O 3 material.

【0029】図5および図6は、(アルミナ/ガラス)
組成比と引張破壊強度(KIC)との関係を示してい
る。図5は焼成温度を950°Cとした場合の結果であ
り、破壊強度は(アルミナ/ガラス)=(6/4)の時
に最大値を示している。また、図6は焼成温度を100
0°Cとした場合の結果であり、(アルミナ/ガラス)
=(4/6)の時に最大値を示している。このように、
この実施例のSi−Ti−C−O/Al23複合材は、
破壊強度がモノリシックセラミックスAl23材に比
べ、2〜6倍程度にまで向上することが確認された。
FIGS. 5 and 6 show (alumina / glass).
The relationship between the composition ratio and the tensile fracture strength (KIC) is shown. FIG. 5 shows the results when the firing temperature is 950 ° C., and the breaking strength shows the maximum value when (alumina / glass) = (6/4). Further, FIG. 6 shows the firing temperature as 100
These are the results when the temperature is 0 ° C (alumina / glass).
The maximum value is shown when = (4/6). in this way,
Si-Ti-C-O / Al 2 O 3 composite of this Example,
It was confirmed that the fracture strength was improved to about 2 to 6 times as compared with the monolithic ceramic Al 2 O 3 material.

【0030】図7および図8は、上記Si−Ti−C−
O/Al23複合材の引張試験における破断面を示して
いる(破断面SEM写真)。図7は焼成温度を850°
Cとした場合、図8は焼成温度を950°Cとした場合
の破断面を示している。図7(焼成温度850°C)に
示す破断面には、Si−Ti−C−O繊維が残存してい
る形跡は見られない。これは、強化繊維/マトリックス
基材の界面特性が良好でなく、そのため、幾分脆いと言
える態様で破断に至っていることを示している。一方、
図8(焼成温度950°C)示す破断面には、Si−T
i−C−O繊維が残存しており、約50μm程度の引抜
き長さが得られている。これは、強化繊維(Si−Ti
−C−O繊維)/マトリックス基材(Al23焼結体)
の界面特性が、Si−Ti−C−O繊維の表面に生成さ
れるガラス組成の相によって改善されたため、また、ガ
ラス組成の焼結助剤を配合することによって焼成温度を
下げることができ、これにより、強化繊維(Si−Ti
−C−O繊維)の熱劣化が抑制されたためと考えられ
る。つまり、本実施例のセラミックス基セラミックス長
繊維複合材料において、破壊強度および破壊靱性値や破
壊エネルギー等の機械的特性が向上する重要な要素は、
強化繊維の表面にガラス組成の相が生成され、強化繊維
/マトリックス基材の界面特性が改善されたことによる
引抜き性の向上、焼成温度を強化繊維の熱劣化温度以下
に低下させたことによる強化繊維の強度向上にあると考
えられる。
7 and 8 show the above Si-Ti-C-
The fracture surface in the tensile test of the O / Al 2 O 3 composite material is shown (broken surface SEM photograph). FIG. 7 shows a firing temperature of 850 °
8 shows the fracture surface when the firing temperature is 950 ° C. In the fracture surface shown in FIG. 7 (firing temperature 850 ° C.), there is no evidence that Si—Ti—C—O fibers remain. This indicates that the interfacial properties of the reinforcing fiber / matrix substrate are not good, leading to fracture in a somewhat brittle manner. on the other hand,
In the fracture surface shown in FIG. 8 (firing temperature 950 ° C.), Si-T
The i-C-O fiber remains, and a drawing length of about 50 μm is obtained. This is a reinforcing fiber (Si-Ti
-C-O fibers) / matrix substrate (Al 2 O 3 sintered body)
Since the interfacial properties of the glass composition were improved by the phase of the glass composition formed on the surface of the Si-Ti-C-O fiber, the firing temperature could be lowered by incorporating the sintering aid of the glass composition. Thereby, the reinforcing fiber (Si-Ti
It is considered that the thermal deterioration of (—C—O fiber) was suppressed. That is, in the ceramic-based ceramic long-fiber composite material of this example, the important factors for improving the mechanical properties such as fracture strength and fracture toughness value and fracture energy are:
A glass composition phase is generated on the surface of the reinforcing fiber, improving the drawability by improving the interfacial characteristics of the reinforcing fiber / matrix base material, and strengthening by lowering the firing temperature below the thermal deterioration temperature of the reinforcing fiber. It is considered to improve the strength of the fiber.

【0031】尚、マトリックス基材としてのセラミック
ス、強化素材としてのセラミックス長繊維は、以上に例
示した材料に限らず、特許請求の範囲に記載した組合
せ、その他の種々のセラミックス材料による組合せを採
用することができる。また、異種セラミックス材料によ
るプリプレグを適宜組み合わせて積層し、焼成して複合
材料を作製することも可能である。例えば、異種セラミ
ックス材料によるモノレイヤーシート状のプリプレグ
を、熱膨張に傾斜がつくように順次積層し、適当な加圧
条件下で焼結して複合化することにより、表層部に熱傾
斜をもたせることができる。さらに、強化素材としての
セラミックス長繊維のヤーンの表面にBNコート等を施
しても良い。
The ceramics used as the matrix substrate and the ceramic long fibers used as the reinforcing material are not limited to the above-exemplified materials, and the combinations described in the claims and combinations of various other ceramic materials are adopted. be able to. It is also possible to produce a composite material by appropriately combining and stacking prepregs made of different kinds of ceramic materials and firing them. For example, monolayer sheet prepregs made of different ceramic materials are sequentially laminated so as to have a gradient in thermal expansion, and sintered under appropriate pressure conditions to form a composite, so that the surface layer has a thermal gradient. be able to. Furthermore, a BN coat or the like may be applied to the surface of the yarn of ceramic long fibers as a reinforcing material.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明は、以下に示す効果を有する。 (1)本発明のセラミックス基セラミックス長繊維複合
材料は、繊維体積率およびモノリシックセラミックスの
マトリックス含浸率が高く、強度および破壊靱性値や破
壊エネルギー等の機械的特性に優れ、高い信頼性と耐久
性を有する。しかも、従来のCVI法の設備に比べて安
価な設備で、比較的短時間で製造することができ、経済
性にも優れている。 (2)セラミックス長繊維のヤーン(糸束)に、マトリ
ックス充填用セラミックスのスラリーを付着・乾燥させ
た、セラミックス長繊維補強の生セラミックスのプリプ
レグは、長期間保存でき、また、必要時に適当なサイズ
に裁断して使用できるので、極めて便利でかつ経済的で
ある。また、マトリックス基材および長繊維の材質の選
択、積層数、積層方向等によって、必要とする強度、硬
度、線膨張係数等の特性を最適調整することができるの
で、応用範囲が極めて広い。
The present invention has the following effects. (1) The ceramic-based ceramic long-fiber composite material of the present invention has a high fiber volume ratio and a matrix impregnation ratio of monolithic ceramics, is excellent in mechanical properties such as strength and fracture toughness value and fracture energy, and has high reliability and durability. Have. In addition, it can be manufactured in a relatively short period of time with equipment that is less expensive than the equipment of the conventional CVI method, and is economically superior. (2) Ceramic long-fiber-reinforced green ceramic prepreg, in which slurry of matrix-filling ceramics is adhered to and dried on a yarn (thread bundle) of long-ceramics, can be stored for a long period of time and has an appropriate size when needed. It is extremely convenient and economical because it can be cut into pieces. In addition, the required properties such as strength, hardness, linear expansion coefficient, etc. can be optimally adjusted by selecting the materials of the matrix base material and the long fibers, the number of layers, the direction of lamination, etc., so that the application range is extremely wide.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】製造工程を示すフローチャート図である。FIG. 1 is a flowchart showing manufacturing steps.

【図2】プリプレグの製造方法を概念的に示す断面図
(図a)平面図(図b)である。
FIG. 2 is a cross-sectional view (FIG. A) and a plan view (FIG. B) conceptually showing a method of manufacturing a prepreg.

【図3】焼成温度−引張強度の試験結果を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing a test result of firing temperature-tensile strength.

【図4】応力−ひずみの試験結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing stress-strain test results.

【図5】組成比−破壊強度の試験結果を示す図である
(焼成温度950°C)。
FIG. 5 is a diagram showing a test result of composition ratio-breaking strength (calcination temperature: 950 ° C.).

【図6】組成比−破壊強度の試験結果を示す図である
(焼成温度1000°C)。
FIG. 6 is a view showing a test result of composition ratio-breaking strength (calcination temperature: 1000 ° C.).

【図7】引張試験における破断面のSEM写真である
(焼成温度850°C)。
FIG. 7 is a SEM photograph of a fracture surface in a tensile test (firing temperature 850 ° C.).

【図8】引張試験における破断面のSEM写真である
(焼成温度950°C)。
FIG. 8 is an SEM photograph of a fracture surface in a tensile test (firing temperature 950 ° C.).

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 マトリックス基材としてのセラミックス
焼結体と、セラミックス焼結体に分散複合化された強化
素材としてのセラミックス長繊維と、セラミックス長繊
維の表面に生成されたガラス組成の相とからなる組織構
造を有することを特徴とするセラミックス基セラミック
ス長繊維複合材料。
1. A ceramics sintered body as a matrix substrate, ceramics long fibers as a reinforcing material dispersed and composited in the ceramics sintered body, and a glass composition phase formed on the surface of the ceramics long fibers. A ceramic-based ceramic long-fiber composite material having the following structure structure.
【請求項2】 セラミックス長繊維のヤーン(糸束)
に、マトリックス充填用セラミックスのスラリーを付着
・乾燥させて、セラミックス長繊維補強の生セラミック
スのプリプレグを作製し、このプリプレグを複数任意方
向に積層し、適当な加圧条件下で焼結して複合化したこ
とを特徴とするセラミックス基セラミックス長繊維複合
材料。
2. A yarn (yarn bundle) of long ceramic fibers.
Then, a slurry of matrix filling ceramics is attached and dried to prepare a prepreg of raw ceramics reinforced with long ceramic fibers, and the prepregs are laminated in a plurality of arbitrary directions and sintered under an appropriate pressure condition to form a composite. Ceramic-based ceramic long-fiber composite material characterized by
【請求項3】 セラミックス長繊維のヤーン(糸束)を
複数本、マトリックス充填用セラミックスのスラリー中
を浸漬・通過させ、キャリヤーフィルム上に任意の巾に
水平に並べて固着・乾燥させて、セラミックス長繊維補
強の生セラミックスのモノレイヤーシート状のプリプレ
グを作製し、このプリプレグを複数枚任意方向に積層
し、適当な加圧条件下で焼結して複合化したことを特徴
とするセラミックス基セラミックス長繊維複合材料。
3. A ceramic filament is obtained by immersing and passing a plurality of yarns (thread bundles) of ceramic long fibers in a slurry of ceramics for matrix filling, horizontally arranging them on a carrier film in an arbitrary width and fixing and drying. A ceramic-based ceramic length characterized by producing a mono-layer sheet prepreg of fiber-reinforced raw ceramics, laminating a plurality of prepregs in an arbitrary direction, and sintering them under appropriate pressure conditions to form a composite. Fiber composite material.
【請求項4】 焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化
温度以下となるように、マトリックス充填用セラミック
スのスラリーに焼結助剤としてガラス組成の助剤を配合
したことを特徴とする請求項2又は3記載のセラミック
ス基セラミックス長繊維複合材料。
4. A glass composition aid is added as a sintering aid to the slurry of the ceramics for matrix filling so that the sintering temperature becomes equal to or lower than the thermal deterioration temperature of the ceramic long fibers. Alternatively, the ceramic-based ceramic long-fiber composite material according to item 3.
【請求項5】 マトリックス基材としてのセラミックス
がAl23で、強化素材としてのセラミックス長繊維が
SiC長繊維であることを特徴とする請求項1、2、3
又は4記載のセラミックス基セラミックス長繊維複合材
料。
5. A ceramic as a matrix base material is Al 2 O 3 and a ceramic long fiber as a reinforcing material is a SiC long fiber.
Alternatively, the ceramic-based ceramic long-fiber composite material according to item 4.
【請求項6】 マトリックス基材としてのセラミックス
がSiCで、強化素材としてのセラミックス長繊維がS
iC長繊維であることを特徴とする請求項1、2、3又
は4記載のセラミックス基セラミックス長繊維複合材
料。
6. The ceramic as a matrix base material is SiC, and the ceramic long fiber as a reinforcing material is S.
The ceramic-based ceramic long-fiber composite material according to claim 1, 2, 3 or 4, which is an iC long-fiber.
【請求項7】 マトリックス基材としてのセラミックス
がSi34で、強化素材としてのセラミックス長繊維が
SiC長繊維であることを特徴とする請求項1、2、3
又は4記載のセラミックス基セラミックス長繊維複合材
料。
7. The ceramic as a matrix base material is Si 3 N 4 , and the ceramic long fibers as a reinforcing material are SiC long fibers.
Alternatively, the ceramic-based ceramic long-fiber composite material according to item 4.
【請求項8】 マトリックス基材としてのセラミックス
がAl23で、強化素材としてのセラミックス長繊維が
Al23長繊維であることを特徴とする請求項1、2、
3又は4記載のセラミックス基セラミックス長繊維複合
材料。
8. The ceramic material as a matrix substrate is Al 2 O 3 , and the ceramic long fibers as a reinforcing material are Al 2 O 3 long fibers.
The ceramic-based ceramic long-fiber composite material according to 3 or 4.
【請求項9】 セラミックス連続長繊維のヤーン(糸
束)を複数本、任意の幅に水平に並べて連続的に引張り
ながら、ガラス組成の焼結助剤を含むマトリックス充填
用セラミックスのスラリー中を浸漬・通過させ、キャリ
ヤーフィルム上に任意の巾に水平に並べて固着・乾燥さ
せて、セラミックス長繊維補強の生セラミックスのモノ
レイヤーシート状のプリプレグを作製し、このプリプレ
グを複数枚任意方向に積層し、適当な加圧条件下、セラ
ミックス長繊維の熱劣化温度以下の温度で焼結して複合
化することを特徴とするセラミックス基セラミックス長
繊維複合材料の製造方法。
9. A continuous ceramic continuous filament yarn (yarn bundle) is arranged horizontally in an arbitrary width and continuously drawn while being immersed in a slurry of a ceramic for matrix filling containing a sintering aid having a glass composition.・ Passing, horizontally arranging horizontally on a carrier film to an arbitrary width, and fixing and drying to prepare a monolayer sheet prepreg of raw ceramics reinforced with ceramic long fibers, and laminating a plurality of these prepregs in an arbitrary direction, A method for producing a ceramic-based ceramic long-fiber composite material, which comprises sintering at a temperature not higher than the thermal deterioration temperature of the long-fiber ceramics to form a composite under appropriate pressure conditions.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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