JPH09268065A - 長繊維複合セラミックスおよびその製造方法 - Google Patents
長繊維複合セラミックスおよびその製造方法Info
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- JPH09268065A JPH09268065A JP8103653A JP10365396A JPH09268065A JP H09268065 A JPH09268065 A JP H09268065A JP 8103653 A JP8103653 A JP 8103653A JP 10365396 A JP10365396 A JP 10365396A JP H09268065 A JPH09268065 A JP H09268065A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】マトリックスを反応焼結ＳｉＣとするとともに
複合繊維をＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維とする長繊維複合セラ
ミックスにあって、ＢＮ被覆の膜厚を特に大きくする必
要なく、亀裂進展時のすべり効果ひいては破壊エネルギ
を高めることができるようにする。 【解決手段】ＢＮ被覆２を施したＳｉＣ長繊維１を多数
引き揃えてヤーンとし、またはヤーンを製織して２次元
または３次元の製織体を形成し、このヤーンまたは製織
体でプリフォームをつくるとともに、そのプリフォーム
の繊維間隙にＣ粉末５を配置して成形体を作製し、その
成形体にＳｉ溶湯を注入して反応焼結により繊維間隙に
ＳｉＣマトリックスを形成する長繊維複合セラミックス
の製造方法。Ｓｉ溶湯含浸前のプリフォームの段階でＳ
ｉＣ長繊維１の周囲部にＢ濃度が高い領域３を形成して
おき、反応焼結時に前記領域のＢをＳｉに固溶させるこ
とにより、Ｓｉに対するＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維中のＢの
固溶を抑止する。
複合繊維をＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維とする長繊維複合セラ
ミックスにあって、ＢＮ被覆の膜厚を特に大きくする必
要なく、亀裂進展時のすべり効果ひいては破壊エネルギ
を高めることができるようにする。 【解決手段】ＢＮ被覆２を施したＳｉＣ長繊維１を多数
引き揃えてヤーンとし、またはヤーンを製織して２次元
または３次元の製織体を形成し、このヤーンまたは製織
体でプリフォームをつくるとともに、そのプリフォーム
の繊維間隙にＣ粉末５を配置して成形体を作製し、その
成形体にＳｉ溶湯を注入して反応焼結により繊維間隙に
ＳｉＣマトリックスを形成する長繊維複合セラミックス
の製造方法。Ｓｉ溶湯含浸前のプリフォームの段階でＳ
ｉＣ長繊維１の周囲部にＢ濃度が高い領域３を形成して
おき、反応焼結時に前記領域のＢをＳｉに固溶させるこ
とにより、Ｓｉに対するＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維中のＢの
固溶を抑止する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＳｉＣマトリック
ス中にＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維を反応焼結によって複合さ
せる技術に係り、特にＢＮ被覆の反応焼結時におけるＢ
遊離によるすべり機能の低下を防止して、破壊エネルギ
を大きくすることができる長繊維複合セラミックスおよ
びその製造方法に関するものである。
ス中にＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維を反応焼結によって複合さ
せる技術に係り、特にＢＮ被覆の反応焼結時におけるＢ
遊離によるすべり機能の低下を防止して、破壊エネルギ
を大きくすることができる長繊維複合セラミックスおよ
びその製造方法に関するものである。
【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。
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、圧縮応力
に比較して引張り応力に弱く、特にこの引張応力下にお
いて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の増
大を図ることが強く求められている。
に比較して引張り応力に弱く、特にこの引張応力下にお
いて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。その要求に対応するため、無機物質や金属からなる
繊維、ウィスカー、ブレード、粒子等の複合素材をマト
リックス焼結体に分散複合化させて破壊靭性値や破壊エ
ネルギ値、あるいは耐熱衝撃性等を高めたセラミックス
複合材料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。
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。その要求に対応するため、無機物質や金属からなる
繊維、ウィスカー、ブレード、粒子等の複合素材をマト
リックス焼結体に分散複合化させて破壊靭性値や破壊エ
ネルギ値、あるいは耐熱衝撃性等を高めたセラミックス
複合材料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】従来、このような複合材料の中で炭化ケイ
素（ＳｉＣ）マトリックス中にＳｉＣ長繊維を複合化し
た長繊維複合セラミックスが汎用性の点から注目されて
いる。ＳｉＣ長繊維は、これを多数本引き揃えたヤーン
として、またヤーンを２次元または３次元に製織したク
ロスとして種々の形状部品に適用することができる。但
し、この複合セラミックスの場合は、マトリックスおよ
び長繊維ともＳｉＣの同材質であるため、マトリックス
と長繊維とが同一面で破断する問題があった。
素（ＳｉＣ）マトリックス中にＳｉＣ長繊維を複合化し
た長繊維複合セラミックスが汎用性の点から注目されて
いる。ＳｉＣ長繊維は、これを多数本引き揃えたヤーン
として、またヤーンを２次元または３次元に製織したク
ロスとして種々の形状部品に適用することができる。但
し、この複合セラミックスの場合は、マトリックスおよ
び長繊維ともＳｉＣの同材質であるため、マトリックス
と長繊維とが同一面で破断する問題があった。
【０００６】そこで近年ではＳｉＣ長繊維の表面に他の
材質からなるコーティング層を形成し、これをすべり層
とすることにより亀裂進展時にマトリックスからの繊維
の引抜けを良くして破壊エネルギを向上させる技術が開
発されている。ＳｉＣ長繊維の好適なすべり層として
は、窒化ホウ素（ＢＮ）が考えられ、発明者においても
種々研究を行ってきた。
材質からなるコーティング層を形成し、これをすべり層
とすることにより亀裂進展時にマトリックスからの繊維
の引抜けを良くして破壊エネルギを向上させる技術が開
発されている。ＳｉＣ長繊維の好適なすべり層として
は、窒化ホウ素（ＢＮ）が考えられ、発明者においても
種々研究を行ってきた。
【０００７】一方、ＳｉＣマトリックスの形成について
は、ＳｉＣ長繊維を用いたプリフォームの繊維間隙に炭
素（Ｃ）粉末を配置させ、得られた成形体にシリコン
（Ｓｉ）溶湯を注入して反応させることによりＳｉＣマ
トリックスを形成する反応焼結法が開発されている。こ
の反応焼結法によると比較的容易な工程で長繊維複合セ
ラミックスが製造でき、しかも製品は高温での機械的特
性に優れたものとなる。特に反応焼結時でのマトリック
スの収縮がほとんどないため容易に長繊維と複合が可能
である。
は、ＳｉＣ長繊維を用いたプリフォームの繊維間隙に炭
素（Ｃ）粉末を配置させ、得られた成形体にシリコン
（Ｓｉ）溶湯を注入して反応させることによりＳｉＣマ
トリックスを形成する反応焼結法が開発されている。こ
の反応焼結法によると比較的容易な工程で長繊維複合セ
ラミックスが製造でき、しかも製品は高温での機械的特
性に優れたものとなる。特に反応焼結時でのマトリック
スの収縮がほとんどないため容易に長繊維と複合が可能
である。
【０００８】以上のことから、ＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維を
複合素材として適用するとともに、マトリックスに反応
焼結ＳｉＣを適用した長繊維複合セラミックスに大きな
期待が寄せられている。
複合素材として適用するとともに、マトリックスに反応
焼結ＳｉＣを適用した長繊維複合セラミックスに大きな
期待が寄せられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところが、実際にＢＮ
被覆ＳｉＣ長繊維を複合素材として反応焼結によりＳｉ
Ｃマトリックスを形成した長繊維複合セラミックスを製
造すると、必ずしも十分なすべり効果が得られず、亀裂
進展時にマトリックスと繊維とが同一面で破断する例が
多く見られる。このような同一面での破断はＢＮ被覆が
薄い場合に顕著であり、被膜厚さを大きくすれば同一面
での破断傾向は減少する傾向にある。しかしながら、Ｂ
Ｎ被覆の膜厚を大きくすると高コスト化につながり、実
用化の阻害要因となる。
被覆ＳｉＣ長繊維を複合素材として反応焼結によりＳｉ
Ｃマトリックスを形成した長繊維複合セラミックスを製
造すると、必ずしも十分なすべり効果が得られず、亀裂
進展時にマトリックスと繊維とが同一面で破断する例が
多く見られる。このような同一面での破断はＢＮ被覆が
薄い場合に顕著であり、被膜厚さを大きくすれば同一面
での破断傾向は減少する傾向にある。しかしながら、Ｂ
Ｎ被覆の膜厚を大きくすると高コスト化につながり、実
用化の阻害要因となる。
【００１０】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、マトリックスを反応焼結ＳｉＣとするとともに
複合繊維をＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維とする長繊維複合セラ
ミックスにあって、ＢＮ被覆の膜厚を特に大きくする必
要なく、亀裂進展時のすべり効果ひいては破壊エネルギ
を高めることができる長繊維複合セラミックスおよびそ
の製造方法を提供しようとするものである。
もので、マトリックスを反応焼結ＳｉＣとするとともに
複合繊維をＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維とする長繊維複合セラ
ミックスにあって、ＢＮ被覆の膜厚を特に大きくする必
要なく、亀裂進展時のすべり効果ひいては破壊エネルギ
を高めることができる長繊維複合セラミックスおよびそ
の製造方法を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】マトリックスと繊維とが
同一面で破断した試料について、破断面の材料分析の結
果、ＳｉＣ長繊維を被覆するＢＮ層が極端に減厚してい
た。この原因は、溶融Ｓｉの反応性が極めて強いため、
ＢＮ中のホウ素（Ｂ）が反応焼結時に溶融Ｓｉと反応し
て下記の式で表されるＳｉ−Ｂ固溶体が形成されてＢＮ
被覆が劣化するものと考えられる。
同一面で破断した試料について、破断面の材料分析の結
果、ＳｉＣ長繊維を被覆するＢＮ層が極端に減厚してい
た。この原因は、溶融Ｓｉの反応性が極めて強いため、
ＢＮ中のホウ素（Ｂ）が反応焼結時に溶融Ｓｉと反応し
て下記の式で表されるＳｉ−Ｂ固溶体が形成されてＢＮ
被覆が劣化するものと考えられる。
【００１２】
【数１】
【００１３】このように、ＢがＳｉ中に固溶してＢＮが
分解されると、すべり層の機能を失って溶融ＳｉとＳｉ
長繊維とが直接接触し、亀裂進展の際にマトリックスと
繊維とが同一面で破断するようになり、破壊エネルギが
低下するものである。
分解されると、すべり層の機能を失って溶融ＳｉとＳｉ
長繊維とが直接接触し、亀裂進展の際にマトリックスと
繊維とが同一面で破断するようになり、破壊エネルギが
低下するものである。
【００１４】そこで発明者においては、反応焼結の際、
プリフォームに注入されるＳｉ溶湯がＳｉＣ長繊維の表
面のＢＮ被覆層に達する前に他のＢ物質と予め反応して
Ｓｉ−Ｂ固溶体を形成するようにし、ＢＮ被覆層では既
に溶融Ｓｉが不活性な状態となるようにすれば、もはや
ＢＮ被覆のＢと反応することがなくなり、それによって
ＢＮ被覆を保護することが可能となるとの知見を得た。
プリフォームに注入されるＳｉ溶湯がＳｉＣ長繊維の表
面のＢＮ被覆層に達する前に他のＢ物質と予め反応して
Ｓｉ−Ｂ固溶体を形成するようにし、ＢＮ被覆層では既
に溶融Ｓｉが不活性な状態となるようにすれば、もはや
ＢＮ被覆のＢと反応することがなくなり、それによって
ＢＮ被覆を保護することが可能となるとの知見を得た。
【００１５】本発明に係る長繊維複合セラミックスの製
造方法は以上の知見に基づいてなされたものであり、Ｂ
Ｎ被覆ＳｉＣ長繊維を多数引き揃えてヤーンとし、また
はヤーンを製織して２次元または３次元の製織体を形成
し、このヤーンまたは製織体でプリフォームをつくると
ともに、そのプリフォームの繊維間隙にＣ粉末を配置し
成形体を作製する。その成形体にＳｉ溶湯を注入して反
応焼結により繊維間隙にＳｉＣマトリックスを形成する
長繊維複合セラミックスの製造方法において、Ｓｉ溶湯
含浸前の成形体の段階でＳｉＣ長繊維の周囲部にＢ濃度
が高い領域を形成しておき、反応焼結時に前記領域のＢ
をＳｉに固溶させることにより、Ｓｉに対するＢＮ被覆
ＳｉＣ長繊維中のＢの固溶を抑止することを特徴とす
る。
造方法は以上の知見に基づいてなされたものであり、Ｂ
Ｎ被覆ＳｉＣ長繊維を多数引き揃えてヤーンとし、また
はヤーンを製織して２次元または３次元の製織体を形成
し、このヤーンまたは製織体でプリフォームをつくると
ともに、そのプリフォームの繊維間隙にＣ粉末を配置し
成形体を作製する。その成形体にＳｉ溶湯を注入して反
応焼結により繊維間隙にＳｉＣマトリックスを形成する
長繊維複合セラミックスの製造方法において、Ｓｉ溶湯
含浸前の成形体の段階でＳｉＣ長繊維の周囲部にＢ濃度
が高い領域を形成しておき、反応焼結時に前記領域のＢ
をＳｉに固溶させることにより、Ｓｉに対するＢＮ被覆
ＳｉＣ長繊維中のＢの固溶を抑止することを特徴とす
る。
【００１６】本発明の方法によると、反応焼結時に含浸
する溶融ＳｉはマトリックスのＣをケイ化しながら内部
まで進入していく。そして、ＳｉＣ長繊維の周囲の高Ｂ
濃度の領域で溶融Ｓｉ中にＢを固溶しながらさらに進入
するため、ＳｉＣ長繊維表面のＢＮ被覆に溶融Ｓｉが到
達したときには、溶融Ｓｉ中に多量のＢを既に固溶して
いる。この効果でＢＮ被覆の浸食、即ちＢを固溶する程
度が減少するため、ＳｉＣ長繊維表面のＢＮ被覆は比較
的健全に保持される。その結果、亀裂進展時にマトリッ
クスと長繊維との間ですべりが起こり、初期破壊後の亀
裂進展抵抗は増大する。
する溶融ＳｉはマトリックスのＣをケイ化しながら内部
まで進入していく。そして、ＳｉＣ長繊維の周囲の高Ｂ
濃度の領域で溶融Ｓｉ中にＢを固溶しながらさらに進入
するため、ＳｉＣ長繊維表面のＢＮ被覆に溶融Ｓｉが到
達したときには、溶融Ｓｉ中に多量のＢを既に固溶して
いる。この効果でＢＮ被覆の浸食、即ちＢを固溶する程
度が減少するため、ＳｉＣ長繊維表面のＢＮ被覆は比較
的健全に保持される。その結果、亀裂進展時にマトリッ
クスと長繊維との間ですべりが起こり、初期破壊後の亀
裂進展抵抗は増大する。
【００１７】本発明において望ましくは、Ｂ濃度が高い
領域を形成する物質として、窒化ホウ素（ＢＮ），炭化
ホウ素（Ｂ4 Ｃ），酸化ホウ素（Ｂ2 Ｏ3 ）の少なくと
もいずれかを適用する。勿論これらを混合してもよい。
領域を形成する物質として、窒化ホウ素（ＢＮ），炭化
ホウ素（Ｂ4 Ｃ），酸化ホウ素（Ｂ2 Ｏ3 ）の少なくと
もいずれかを適用する。勿論これらを混合してもよい。
【００１８】ＢＮを適用した場合には、溶融Ｓｉとの反
応によってＳｉ−Ｂ固溶体とともにＳｉＮが形成され、
Ｂ4 Ｃを適用した場合には同様にＳｉＣが形成され、Ｂ
2 Ｏ3 を適用した場合にはＳｉＯ2 が形成される。
応によってＳｉ−Ｂ固溶体とともにＳｉＮが形成され、
Ｂ4 Ｃを適用した場合には同様にＳｉＣが形成され、Ｂ
2 Ｏ3 を適用した場合にはＳｉＯ2 が形成される。
【００１９】また、本発明においては、Ｂ化合物以外の
ＳｉＣやＳｉ3 Ｎ4 等の骨材、あるいはＣのようなマト
リックス形成成分を添加することは効果的である。
ＳｉＣやＳｉ3 Ｎ4 等の骨材、あるいはＣのようなマト
リックス形成成分を添加することは効果的である。
【００２０】また、本発明の製造方法においては、Ｂ濃
度が高い領域を形成する物質のＢ含有量は、反応焼結時
にプリフォームに注入されるＳｉ溶湯に対する固溶飽和
量を上限とする含有量に設定することが望ましい。
度が高い領域を形成する物質のＢ含有量は、反応焼結時
にプリフォームに注入されるＳｉ溶湯に対する固溶飽和
量を上限とする含有量に設定することが望ましい。
【００２１】予め装填する物質中のＢ濃度が溶融Ｓｉに
対する固溶飽和量を超えると、Ｂが単体あるいは化合物
として残存し、製造コストの無駄を生じ、また強度も低
下するからである。
対する固溶飽和量を超えると、Ｂが単体あるいは化合物
として残存し、製造コストの無駄を生じ、また強度も低
下するからである。
【００２２】さらに本発明の製造方法においては、Ｂ濃
度が高い領域を形成する物質は粉末あるいはＢの有機化
合物の状態でプリフォームのＳｉＣ長繊維の表面に付着
させ、または反応焼結用Ｃ粉末とともにマトリックス形
成用の繊維間隙部位に挿入配置させる２種類の工程が選
択できる。
度が高い領域を形成する物質は粉末あるいはＢの有機化
合物の状態でプリフォームのＳｉＣ長繊維の表面に付着
させ、または反応焼結用Ｃ粉末とともにマトリックス形
成用の繊維間隙部位に挿入配置させる２種類の工程が選
択できる。
【００２３】以上のようにして製造される本発明に係る
長繊維複合セラミックスは、ＳｉＣマトリックス中に、
ＢＮからなるすべり層で被覆したＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維
を、ヤーンまたは製織体の状態で複合化した長繊維複合
セラミックスであって、ＳｉＣマトリックスはＳｉ溶湯
およびＣ粉末を用いた反応焼結によって形成したものに
おいて、ＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維の周囲部に位置するＳｉ
Ｃマトリックス中に、固溶飽和量を上限としてＳｉにＢ
を固溶させたＳｉ−Ｂ固溶体領域を形成したことを特徴
とする。
長繊維複合セラミックスは、ＳｉＣマトリックス中に、
ＢＮからなるすべり層で被覆したＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維
を、ヤーンまたは製織体の状態で複合化した長繊維複合
セラミックスであって、ＳｉＣマトリックスはＳｉ溶湯
およびＣ粉末を用いた反応焼結によって形成したものに
おいて、ＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維の周囲部に位置するＳｉ
Ｃマトリックス中に、固溶飽和量を上限としてＳｉにＢ
を固溶させたＳｉ−Ｂ固溶体領域を形成したことを特徴
とする。
【００２４】このような構成の長繊維複合セラミックス
では、ＢＮ被覆の膜厚を特に大きくする必要なく、亀裂
進展時のすべり効果が十分に得られ、破壊エネルギを高
めることができる。
では、ＢＮ被覆の膜厚を特に大きくする必要なく、亀裂
進展時のすべり効果が十分に得られ、破壊エネルギを高
めることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。
図面を参照して説明する。
【００２６】（実施例１）本実施例では高濃度Ｂ領域を
形成するためのＢ源をＢＮとした。このＢＮ粉末とＣ粉
末とを水に溶かして混合し、スリップを作成した。この
スリップを一定の容器に収容しておき、ＢＮ被覆ＳｉＣ
長繊維のヤーンをスリップ内に挿通してディップ操作を
行った。
形成するためのＢ源をＢＮとした。このＢＮ粉末とＣ粉
末とを水に溶かして混合し、スリップを作成した。この
スリップを一定の容器に収容しておき、ＢＮ被覆ＳｉＣ
長繊維のヤーンをスリップ内に挿通してディップ操作を
行った。
【００２７】なお、ＳｉＣ長繊維としては商品名ハイニ
カロン（日本カーボン株式会社製のフィラメント糸（直
径１４μｍ））を適用した、このモノフィラメントの表
面にＣＶＤ法によってすべり層としての０．４μｍ厚の
ＢＮ被覆を行い、これにより、前記のＢＮ被覆ＳｉＣ長
繊維を得た。
カロン（日本カーボン株式会社製のフィラメント糸（直
径１４μｍ））を適用した、このモノフィラメントの表
面にＣＶＤ法によってすべり層としての０．４μｍ厚の
ＢＮ被覆を行い、これにより、前記のＢＮ被覆ＳｉＣ長
繊維を得た。
【００２８】このようにして得たＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維
を例えば５００本引き揃えてヤーンとし、これに対して
前記のＢＮ，Ｃスリップへのディップを行った。このデ
ィップしたＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維を乾燥させることによ
り、繊維表面にＢＮ粉末およびＣ粉末を付着させた。付
着したＢＮ粉末の量は、後に注入されるＳｉに対するＢ
の固溶飽和量となるように設定した。これについては後
に詳述する。
を例えば５００本引き揃えてヤーンとし、これに対して
前記のＢＮ，Ｃスリップへのディップを行った。このデ
ィップしたＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維を乾燥させることによ
り、繊維表面にＢＮ粉末およびＣ粉末を付着させた。付
着したＢＮ粉末の量は、後に注入されるＳｉに対するＢ
の固溶飽和量となるように設定した。これについては後
に詳述する。
【００２９】次に、ＢＮ粉末およびＣ粉末が付着した前
記のＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維のヤーンを、石膏型の内部に
配置した。そして、Ｃ粉末のみのスリップを石膏型内に
流し込み、後に乾燥させることにより、繊維間隙のマト
リックスとなる部分にＣ粉末を充填させ、これを成形体
とした。本実施例で作成した成形体は略直方体状（縦４
０mm×横４０ｍ×厚さ５mm）のものであり、ＳｉＣ長繊
維の体積率は２５％とした。
記のＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維のヤーンを、石膏型の内部に
配置した。そして、Ｃ粉末のみのスリップを石膏型内に
流し込み、後に乾燥させることにより、繊維間隙のマト
リックスとなる部分にＣ粉末を充填させ、これを成形体
とした。本実施例で作成した成形体は略直方体状（縦４
０mm×横４０ｍ×厚さ５mm）のものであり、ＳｉＣ長繊
維の体積率は２５％とした。
【００３０】図１は、得られた成形体Ａの断面形状を模
式的に示したものである。この図１に示すように、Ｓｉ
Ｃ長繊維１の外周面にすべり層としてのＢＮ被覆２が形
成されており、その周囲の破線で示した一定の領域３が
ＢＮ粉末４およびＣ粉末５の付着によるＢ濃度の高い領
域となっている。さらに、他の領域６にはＣ粉末７が充
填されている。
式的に示したものである。この図１に示すように、Ｓｉ
Ｃ長繊維１の外周面にすべり層としてのＢＮ被覆２が形
成されており、その周囲の破線で示した一定の領域３が
ＢＮ粉末４およびＣ粉末５の付着によるＢ濃度の高い領
域となっている。さらに、他の領域６にはＣ粉末７が充
填されている。
【００３１】このような成形体Ａに対し、１４５０℃の
Ｓｉ溶湯を注入し、成形体Ａを形成しているＣ粉末と溶
融Ｓｉとを反応焼結させることによって、マトリックス
をＳｉＣとするＳｉＣ長繊維複合セラミックスの試料を
得た。
Ｓｉ溶湯を注入し、成形体Ａを形成しているＣ粉末と溶
融Ｓｉとを反応焼結させることによって、マトリックス
をＳｉＣとするＳｉＣ長繊維複合セラミックスの試料を
得た。
【００３２】図２は、得られた試料の断面形状を模式的
に示したものである。この図２に示すように、ＳｉＣ長
繊維１の外周面にはＢＮ被覆２が破壊することなく健全
な状態で残存していた。そして、図１に示したＢ濃度の
高い領域３であった部分には、Ｓｉ−Ｂ固溶体が存在し
ていた。このことから、Ｓｉ溶湯注入による反応焼結時
に、前記のＢ濃度の高い領域３にあるＢＮ粉末中のＢが
溶融Ｓｉに固溶して、Ｓｉ−Ｂ固溶体が生成され、Ｓｉ
Ｃ長繊維１の表面のＢＮ被覆２に溶融Ｓｉが到達したと
きには既にＳｉ−Ｂ固溶体となっていて、ＳｉＣ繊維表
面のＢＮ被覆２からＢが放出されることなく、その被覆
が保護されることが確認された。なお、図２中、８は反
応焼結によって生成したＳｉＣマトリックスの部分であ
る。
に示したものである。この図２に示すように、ＳｉＣ長
繊維１の外周面にはＢＮ被覆２が破壊することなく健全
な状態で残存していた。そして、図１に示したＢ濃度の
高い領域３であった部分には、Ｓｉ−Ｂ固溶体が存在し
ていた。このことから、Ｓｉ溶湯注入による反応焼結時
に、前記のＢ濃度の高い領域３にあるＢＮ粉末中のＢが
溶融Ｓｉに固溶して、Ｓｉ−Ｂ固溶体が生成され、Ｓｉ
Ｃ長繊維１の表面のＢＮ被覆２に溶融Ｓｉが到達したと
きには既にＳｉ−Ｂ固溶体となっていて、ＳｉＣ繊維表
面のＢＮ被覆２からＢが放出されることなく、その被覆
が保護されることが確認された。なお、図２中、８は反
応焼結によって生成したＳｉＣマトリックスの部分であ
る。
【００３３】図３は前記試料の中央部における繊維軸線
に直交する断面の顕微鏡写真（倍率１７０倍）である。
同図に白色で表われている部分がＳｉ濃度の高い部分で
マトリックス中に全体的に均質に分散しており、この部
分がＢＮ粉末からＢが溶融Ｓｉに取込まれてＳｉ−Ｂ固
溶体となっている。ＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維が溶融Ｓｉの
侵食を受けていないことは、繊維が健全でかつ引き抜け
が生じていることから明らかである。
に直交する断面の顕微鏡写真（倍率１７０倍）である。
同図に白色で表われている部分がＳｉ濃度の高い部分で
マトリックス中に全体的に均質に分散しており、この部
分がＢＮ粉末からＢが溶融Ｓｉに取込まれてＳｉ−Ｂ固
溶体となっている。ＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維が溶融Ｓｉの
侵食を受けていないことは、繊維が健全でかつ引き抜け
が生じていることから明らかである。
【００３４】これに対し、図４は後述する比較例１で示
すように、ＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維の周囲にＢ濃度の高い
領域を設けなかった場合の顕微鏡写真（倍率１７０倍）
である。同図に白色で表われている部分がＳｉ濃度の高
い部分であるが、溶融Ｓｉが繊維表面のＢＮ被覆２を破
壊して、繊維までも侵食していることが判る。しかも、
同図から明らかなように、侵食を受けている部分は広範
囲に亘っている。
すように、ＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維の周囲にＢ濃度の高い
領域を設けなかった場合の顕微鏡写真（倍率１７０倍）
である。同図に白色で表われている部分がＳｉ濃度の高
い部分であるが、溶融Ｓｉが繊維表面のＢＮ被覆２を破
壊して、繊維までも侵食していることが判る。しかも、
同図から明らかなように、侵食を受けている部分は広範
囲に亘っている。
【００３５】以上の試料（実施例１，比較例２）につい
て破壊エネルギおよび繊維残存率を調べたところ、下記
の表１に示したように、実施例１では破壊エネルギが
１．９、繊維残存率が９０％であった。これに対し、比
較例１の場合は破壊エネルギが１、繊維残存率が４０％
であった。
て破壊エネルギおよび繊維残存率を調べたところ、下記
の表１に示したように、実施例１では破壊エネルギが
１．９、繊維残存率が９０％であった。これに対し、比
較例１の場合は破壊エネルギが１、繊維残存率が４０％
であった。
【００３６】なお、図５はＳｉ−Ｂ状態図である。同図
で示されるように、Ｓｉに固溶されるＢ量は溶融温度に
よって異なる。本実施例においては、反応焼結のために
プリフォームに注入するＳｉ溶湯の温度を１４５０℃と
したが、この場合のＢの固溶飽和量は５重量％である。
Ｓｉ溶湯温度が１３９０℃の場合はＢの固溶飽和量が３
重量％、同１４１０℃の場合は１重量％と温度低下に従
って固溶量が低下する。反応焼結上の観点からはＳｉ溶
湯温度が高い方が望ましいが、その場合には繊維損傷率
が大きくなるので、過度の高温化は必ずしも好適ではな
い。総合的には本実施例の如く、Ｓｉ溶湯を１４５０℃
とすることが最適であった。
で示されるように、Ｓｉに固溶されるＢ量は溶融温度に
よって異なる。本実施例においては、反応焼結のために
プリフォームに注入するＳｉ溶湯の温度を１４５０℃と
したが、この場合のＢの固溶飽和量は５重量％である。
Ｓｉ溶湯温度が１３９０℃の場合はＢの固溶飽和量が３
重量％、同１４１０℃の場合は１重量％と温度低下に従
って固溶量が低下する。反応焼結上の観点からはＳｉ溶
湯温度が高い方が望ましいが、その場合には繊維損傷率
が大きくなるので、過度の高温化は必ずしも好適ではな
い。総合的には本実施例の如く、Ｓｉ溶湯を１４５０℃
とすることが最適であった。
【００３７】（実施例２，３）前記実施例１と同様の工
程で、Ｂ濃度の高い領域を形成するためのＢ化合物とし
て、Ｂ4 Ｃ（実施例２）およびＢ2 Ｏ（実施例３）を適
用してＳｉ長繊維複合セラミックスの試料を作成した。
程で、Ｂ濃度の高い領域を形成するためのＢ化合物とし
て、Ｂ4 Ｃ（実施例２）およびＢ2 Ｏ（実施例３）を適
用してＳｉ長繊維複合セラミックスの試料を作成した。
【００３８】これらの試料について破壊エネルギおよび
繊維残存率を調べたところ、下記の表１に示すように、
実施例２，３の場合とも、破壊エネルギが１．８、繊維
残存率が８５％であった。
繊維残存率を調べたところ、下記の表１に示すように、
実施例２，３の場合とも、破壊エネルギが１．８、繊維
残存率が８５％であった。
【００３９】（実施例４）この実施例４では前記各実施
例と異なり、ＢＮ被覆Ｓｉ長繊維の表面にＢ化合物の粉
末を付着させることなく、ＢＮ被覆Ｓｉ長繊維のヤーン
を石膏型内に配置しておき、この石膏型内にＳｉへの固
溶飽和量以下のＢＮ粉末と、Ｃ粉末とのスリップを流し
込み、繊維間隙部分にＢＮ粉末が存在するようにした。
例と異なり、ＢＮ被覆Ｓｉ長繊維の表面にＢ化合物の粉
末を付着させることなく、ＢＮ被覆Ｓｉ長繊維のヤーン
を石膏型内に配置しておき、この石膏型内にＳｉへの固
溶飽和量以下のＢＮ粉末と、Ｃ粉末とのスリップを流し
込み、繊維間隙部分にＢＮ粉末が存在するようにした。
【００４０】そして、乾燥したプリフォームに対してＳ
ｉ溶湯を注入して反応焼結を行わせて試料を作成した。
ｉ溶湯を注入して反応焼結を行わせて試料を作成した。
【００４１】この試料については下記の表１に示すよう
に、破壊エネルギが１．７であり、繊維残存率が８０％
であった。
に、破壊エネルギが１．７であり、繊維残存率が８０％
であった。
【００４２】（比較例１）ＢＮ被覆Ｓｉ長繊維を石膏型
に配置して、Ｃ粉末のみを水に溶かしたスリップを流し
込み、乾燥によりプリフォームを得た。
に配置して、Ｃ粉末のみを水に溶かしたスリップを流し
込み、乾燥によりプリフォームを得た。
【００４３】このプリフォームにＳｉ溶湯を注入して反
応焼結を行わせＳｉＣマトリックスの形成を行って試料
を作成した。
応焼結を行わせＳｉＣマトリックスの形成を行って試料
を作成した。
【００４４】この結果、下記の表１に示すように、破壊
エネルギが１、繊維残存率が４０％であり、前記の各実
施例に比べて強度が低いものであった。
エネルギが１、繊維残存率が４０％であり、前記の各実
施例に比べて強度が低いものであった。
【００４５】（比較例２）この比較例では前記実施例１
と略同様の材料を使用し、同様の工程で試料を作成した
が、その場合にＢ濃度の高い領域を形成するためのＢＮ
粉末の添加量を、溶融Ｓｉへの固溶飽和量を超えて多量
に設定した。
と略同様の材料を使用し、同様の工程で試料を作成した
が、その場合にＢ濃度の高い領域を形成するためのＢＮ
粉末の添加量を、溶融Ｓｉへの固溶飽和量を超えて多量
に設定した。
【００４６】この結果得られた試料については、破壊エ
ネルギが１．２、繊維残存率が８５％であった。つま
り、マトリックス中にＢＮが残存するため破壊強度が低
下し、その結果、破壊エネルギが低下するものと考えら
れる。
ネルギが１．２、繊維残存率が８５％であった。つま
り、マトリックス中にＢＮが残存するため破壊強度が低
下し、その結果、破壊エネルギが低下するものと考えら
れる。
【００４７】なお、以上の実施例１〜４、比較例１，２
について、下記の表１に試験結果を示すが、破壊エネル
ギは試料の３点曲げ試験により測定し、比較例１の場合
を１として規格したものである。また、繊維残存率につ
いては、切断面の微構造観察により健全なＢＮ被覆Ｓｉ
Ｃ繊維の残存率を測定したものである。
について、下記の表１に試験結果を示すが、破壊エネル
ギは試料の３点曲げ試験により測定し、比較例１の場合
を１として規格したものである。また、繊維残存率につ
いては、切断面の微構造観察により健全なＢＮ被覆Ｓｉ
Ｃ繊維の残存率を測定したものである。
【００４８】
【表１】
【００４９】
【発明の効果】以上で詳述したように、本発明によれ
ば、マトリックスを反応焼結ＳｉＣとするとともに複合
繊維をＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維とする長繊維複合セラミッ
クスにあって、ＢＮ被覆の膜厚を特に大きくする必要な
く、亀裂進展時のすべり効果ひいては破壊エネルギを高
めることができる長繊維複合セラミックスおよびその製
造方法を提供することができる。
ば、マトリックスを反応焼結ＳｉＣとするとともに複合
繊維をＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維とする長繊維複合セラミッ
クスにあって、ＢＮ被覆の膜厚を特に大きくする必要な
く、亀裂進展時のすべり効果ひいては破壊エネルギを高
めることができる長繊維複合セラミックスおよびその製
造方法を提供することができる。
【図１】本発明の実施例１において製造される試料の途
中形成体であるプリフォームの断面を示す模式図。
中形成体であるプリフォームの断面を示す模式図。
【図２】本発明の実施例１において製造される試料の最
終断面を示す模式図。
終断面を示す模式図。
【図３】図２に示した試料の断面形状を示す顕微鏡写
真。
真。
【図４】比較例１（従来例）に基づく試料の断面形状を
示す顕微鏡写真。
示す顕微鏡写真。
【図５】シリコン（Ｓｉ）−ホウ素（Ｂ）状態図。
１ ＳｉＣ長繊維 ２ ＢＮ被覆 ３ 領域 ４ ＢＮ粉末 ５ Ｃ粉末 ６ 領域 ７ Ｃ粉末 ８ マトリックス
【手続補正書】
【提出日】平成８年６月５日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４】
Claims (5)
- 【請求項１】 ＳｉＣマトリックス中に、ＢＮからなる
すべり層で被覆したＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維を複合化した
長繊維複合セラミックスであって、前記ＳｉＣマトリッ
クスはＳｉ溶湯およびＣ粉末を用いた反応焼結によって
形成したものにおいて、前記ＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維の周
囲部に位置する前記ＳｉＣマトリックス中に、固溶飽和
量を上限としてＳｉにＢを固溶させたＳｉ−Ｂ固溶体領
域を形成したことを特徴とする長繊維複合セラミック
ス。 - 【請求項２】 ＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維を多数引き揃えて
ヤーンとし、またはヤーンを製織して２次元または３次
元の製織体を形成し、このヤーンまたは製織体でプリフ
ォームをつくるとともに、そのプリフォームの繊維間隙
にＣ粉末を配置して成形体を形成し、その成形体にＳｉ
溶湯を注入して反応焼結により繊維間隙にＳｉＣマトリ
ックスを形成する長繊維複合セラミックスの製造方法に
おいて、Ｓｉ溶湯含浸前のプリフォームの段階でＳｉＣ
長繊維の周囲部にＢ濃度が高い領域を形成しておき、反
応焼結時に前記領域のＢをＳｉに固溶させることによ
り、Ｓｉに対するＢＮ被覆ＳｉＣ長繊維中のＢの固溶を
抑止することを特徴とする長繊維複合セラミックスの製
造方法。 - 【請求項３】 請求項２記載の長繊維複合セラミックス
の製造方法において、Ｂ濃度が高い領域を形成する物質
として、ＢＮ，Ｂ4 Ｃ，Ｂ2 Ｏ3 の少なくともいずれか
を適用することを特徴とする長繊維複合セラミックスの
製造方法。 - 【請求項４】 請求項２または３記載の長繊維複合セラ
ミックスの製造方法において、Ｂ濃度が高い領域を形成
する物質のＢ含有量は、反応焼結時にプリフォームに注
入されるＳｉ溶湯に対する固溶飽和量を上限とする含有
量に設定することを特徴とする長繊維複合セラミックス
の製造方法。 - 【請求項５】 請求項２、３または４記載の長繊維複合
セラミックスの製造方法において、Ｂ濃度が高い領域を
形成する物質は粉末の状態でプリフォームのＳｉＣ長繊
維の表面に付着させ、または反応焼結用Ｃ粉末とともに
マトリックス形成用の繊維間隙部位に挿入配置させるこ
とを特徴とする長繊維複合セラミックスの製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8103653A JPH09268065A (ja) | 1996-03-30 | 1996-03-30 | 長繊維複合セラミックスおよびその製造方法 |
| US08/827,248 US5955391A (en) | 1996-03-29 | 1997-03-28 | Ceramic matrix composite and method of manufacturing the same |
| EP97105371A EP0798281B1 (en) | 1996-03-29 | 1997-04-01 | Ceramic matrix composite and method of manufacturing the same |
| DE69702677T DE69702677T2 (de) | 1996-03-29 | 1997-04-01 | Keramikmatrix-Verbundwerkstoff und Verfahren zur Herstellung desselben |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8103653A JPH09268065A (ja) | 1996-03-30 | 1996-03-30 | 長繊維複合セラミックスおよびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09268065A true JPH09268065A (ja) | 1997-10-14 |
Family
ID=14359747
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8103653A Pending JPH09268065A (ja) | 1996-03-29 | 1996-03-30 | 長繊維複合セラミックスおよびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09268065A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013180764A1 (en) * | 2012-01-20 | 2013-12-05 | Free Form Fibers Llc | High strength ceramic fibers and methods of fabrication |
| WO2018216816A1 (ja) * | 2017-05-25 | 2018-11-29 | イビデン株式会社 | ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材の製造方法 |
| US10676391B2 (en) | 2017-06-26 | 2020-06-09 | Free Form Fibers, Llc | High temperature glass-ceramic matrix with embedded reinforcement fibers |
| US10876227B2 (en) | 2016-11-29 | 2020-12-29 | Free Form Fibers, Llc | Fiber with elemental additive(s) and method of making |
| US11362256B2 (en) | 2017-06-27 | 2022-06-14 | Free Form Fibers, Llc | Functional high-performance fiber structure |
| US11761085B2 (en) | 2020-08-31 | 2023-09-19 | Free Form Fibers, Llc | Composite tape with LCVD-formed additive material in constituent layer(s) |
| US12006605B2 (en) | 2020-07-24 | 2024-06-11 | Free Form Fibers, Llc | Non-woven micro-trellis fabrics and composite or hybrid-composite materials reinforced therewith |
-
1996
- 1996-03-30 JP JP8103653A patent/JPH09268065A/ja active Pending
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015509152A (ja) * | 2012-01-20 | 2015-03-26 | フリー フォーム ファイバーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー | 高強度セラミック繊維および製造方法 |
| US10047015B2 (en) | 2012-01-20 | 2018-08-14 | Free Form Fibers, Llc | High strength ceramic fibers and methods of fabrication |
| WO2013180764A1 (en) * | 2012-01-20 | 2013-12-05 | Free Form Fibers Llc | High strength ceramic fibers and methods of fabrication |
| US10882749B2 (en) | 2012-01-20 | 2021-01-05 | Free Form Fibers, Llc | High strength ceramic fibers and methods of fabrication |
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| US11788213B2 (en) | 2016-11-29 | 2023-10-17 | Free Form Fibers, Llc | Method of making a multi-composition fiber |
| WO2018216816A1 (ja) * | 2017-05-25 | 2018-11-29 | イビデン株式会社 | ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材の製造方法 |
| US11220465B2 (en) | 2017-05-25 | 2022-01-11 | Ibiden Co., Ltd. | Method for producing SiC/SiC composite material |
| JP2018199588A (ja) * | 2017-05-25 | 2018-12-20 | イビデン株式会社 | ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材の製造方法 |
| US10676391B2 (en) | 2017-06-26 | 2020-06-09 | Free Form Fibers, Llc | High temperature glass-ceramic matrix with embedded reinforcement fibers |
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| US12006605B2 (en) | 2020-07-24 | 2024-06-11 | Free Form Fibers, Llc | Non-woven micro-trellis fabrics and composite or hybrid-composite materials reinforced therewith |
| US11761085B2 (en) | 2020-08-31 | 2023-09-19 | Free Form Fibers, Llc | Composite tape with LCVD-formed additive material in constituent layer(s) |
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