JPH0967165A - 炭化けい素セラミックスおよびその製造方法 - Google Patents
炭化けい素セラミックスおよびその製造方法Info
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- JPH0967165A JPH0967165A JP7221750A JP22175095A JPH0967165A JP H0967165 A JPH0967165 A JP H0967165A JP 7221750 A JP7221750 A JP 7221750A JP 22175095 A JP22175095 A JP 22175095A JP H0967165 A JPH0967165 A JP H0967165A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
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- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 強度並びに破壊靭性に優れた炭化けい素セラ
ミックスを実現する。 【構成】 １はマトリックスのSiCであり、このSiC１の
結晶方位の影響を受けて焼結過程中に成長したSiC結晶
３が、SiC１の周囲に形成されている。このようにSiC１
とSiC結晶３からなる多結晶体の結晶粒界に、Al-Si-Oの
化合物、Zr-Si-Oの化合物、Ln-Si-O（ Lnはランタン系
列およびアクチニウム系列の元素並びにＹを表す）の化
合物の少なくとも1つからなる複合酸化物４を含ませ
る。なお、アルミナ、ジルコニア、Ln2O3の少なくとも1
つからなる単一酸化物２を前記結晶粒界に含ませてもよ
い。さらに、焼結体全体に、炭素繊維、炭化けい素繊
維、炭化けい素ウィスカ、炭化けい素短繊維、窒化けい
素ウィスカ、窒化けい素短繊維の少なくとも１つを含ま
せてもよい。
ミックスを実現する。 【構成】 １はマトリックスのSiCであり、このSiC１の
結晶方位の影響を受けて焼結過程中に成長したSiC結晶
３が、SiC１の周囲に形成されている。このようにSiC１
とSiC結晶３からなる多結晶体の結晶粒界に、Al-Si-Oの
化合物、Zr-Si-Oの化合物、Ln-Si-O（ Lnはランタン系
列およびアクチニウム系列の元素並びにＹを表す）の化
合物の少なくとも1つからなる複合酸化物４を含ませ
る。なお、アルミナ、ジルコニア、Ln2O3の少なくとも1
つからなる単一酸化物２を前記結晶粒界に含ませてもよ
い。さらに、焼結体全体に、炭素繊維、炭化けい素繊
維、炭化けい素ウィスカ、炭化けい素短繊維、窒化けい
素ウィスカ、窒化けい素短繊維の少なくとも１つを含ま
せてもよい。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は炭化けい素セラミックス
に係り、特に強度並びに破壊靭性に優れた炭化けい素セ
ラミックスおよびその製造方法に関する。
に係り、特に強度並びに破壊靭性に優れた炭化けい素セ
ラミックスおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】SiCは、高温で耐酸化特性、高強度特
性、耐摩耗特性等の優れた材料特性を有するため、Si3N
4とともに次世代を担う重要なニューセラミックス材料
として注目され、研究開発が活発に行われている。そし
て、これらSiC焼結体は、その特性を利用した、ガスタ
ービン部材等の高温用部材、原子力プラントにおける耐
摩耗用部材、核融合炉用のプラズマ対向部材等、いわゆ
るエンジニアリングセラミックスとしての応用が期待さ
れている。
性、耐摩耗特性等の優れた材料特性を有するため、Si3N
4とともに次世代を担う重要なニューセラミックス材料
として注目され、研究開発が活発に行われている。そし
て、これらSiC焼結体は、その特性を利用した、ガスタ
ービン部材等の高温用部材、原子力プラントにおける耐
摩耗用部材、核融合炉用のプラズマ対向部材等、いわゆ
るエンジニアリングセラミックスとしての応用が期待さ
れている。
【０００３】このようなエンジニアリングセラミックス
として使用するためには、強度、靭性に優れた信頼性の
高い材料でなればならない。そのための手法の一つとし
て、分散粒子、ウィスカ、短繊維強化、長繊維強化等の
ミクロ複合材と粒内複合化、粒界複合化、ナノ化等のナ
ノ複合材料とのハイブリッド化によって、強度・靭性に
対する目標を達成しようとする「ナノ複合化セラミック
ス」がある。この「ナノ複合化セラミックス」に関して
は、例えば、「金属 (１９９２年４月号）」の第１３
頁から第１８頁に記載されている。
として使用するためには、強度、靭性に優れた信頼性の
高い材料でなればならない。そのための手法の一つとし
て、分散粒子、ウィスカ、短繊維強化、長繊維強化等の
ミクロ複合材と粒内複合化、粒界複合化、ナノ化等のナ
ノ複合材料とのハイブリッド化によって、強度・靭性に
対する目標を達成しようとする「ナノ複合化セラミック
ス」がある。この「ナノ複合化セラミックス」に関して
は、例えば、「金属 (１９９２年４月号）」の第１３
頁から第１８頁に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の「ナノ複合セラ
ミックス」の典型的な材料組織として、アルミナマトリ
ックス中にSiCを分散させた Al2O3/SiC 系材料の組織の
模式図を図６に示す。図６に示すように、マトリックス
であるセラミックス結晶１中にナノ粒子５が分散した構
造になっている。ナノ粒子５は、導入されたクラックに
対してクラックを偏向させ、破壊エネルギの増大に起因
する破壊靭性の増大を狙ったものである。Al2O3/SiC系
においては、このナノ粒子５の分散によって靭性が３.
５→４.８ＭＰａ√ｍに増加することが示されている。
しかしながら、セラミックス材料の工業化を考えると、
この程度の靭性向上では不十分であり、１０MPa√m程度
の靭性が必要となる。
ミックス」の典型的な材料組織として、アルミナマトリ
ックス中にSiCを分散させた Al2O3/SiC 系材料の組織の
模式図を図６に示す。図６に示すように、マトリックス
であるセラミックス結晶１中にナノ粒子５が分散した構
造になっている。ナノ粒子５は、導入されたクラックに
対してクラックを偏向させ、破壊エネルギの増大に起因
する破壊靭性の増大を狙ったものである。Al2O3/SiC系
においては、このナノ粒子５の分散によって靭性が３.
５→４.８ＭＰａ√ｍに増加することが示されている。
しかしながら、セラミックス材料の工業化を考えると、
この程度の靭性向上では不十分であり、１０MPa√m程度
の靭性が必要となる。
【０００５】本発明の目的は、特に破壊靭性に優れた炭
化けい素セラミックスおよびその製造方法を提供するこ
とにある。
化けい素セラミックスおよびその製造方法を提供するこ
とにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の炭化けい素セラミックスは、Al-Si-Oの化
合物、Zr-Si-Oの化合物、Ln-Si-O（Ln はランタン系列
およびアクチニウム系列の元素並びにＹを表す）の化合
物の少なくとも１つの酸化物を結晶粒界に含むことを特
徴としている。ここで、Al-Si-Oの化合物はムライト（3
Al2O3・2SiO2)、Zr-Si-Oの化合物はジルコン（ZrSi
O4）、Ln-Si-Oの化合物は Ln2Si2O7(Lnは Y，La，Ce，S
m，Ho，Er，Ybの少なくとの１つ）である。
に、本発明の炭化けい素セラミックスは、Al-Si-Oの化
合物、Zr-Si-Oの化合物、Ln-Si-O（Ln はランタン系列
およびアクチニウム系列の元素並びにＹを表す）の化合
物の少なくとも１つの酸化物を結晶粒界に含むことを特
徴としている。ここで、Al-Si-Oの化合物はムライト（3
Al2O3・2SiO2)、Zr-Si-Oの化合物はジルコン（ZrSi
O4）、Ln-Si-Oの化合物は Ln2Si2O7(Lnは Y，La，Ce，S
m，Ho，Er，Ybの少なくとの１つ）である。
【０００７】また、本発明の炭化けい素セラミックス
は、ムライト(3Al2O3・2SiO2)、ジルコン（ZrSiO4）、Ln
2Si2O7(Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Ybの少なくとの
１つ）の少なくとも１つを結晶粒界に含むとともに、前
記結晶粒界を含めた焼結体全体に、炭素繊維、炭化けい
素繊維、炭化けい素ウィスカ、炭化けい素短繊維、窒化
けい素ウィスカ、窒化けい素短繊維の少なくとも１つを
含むことを特徴としている。なお、炭素繊維、炭化けい
素繊維、炭化けい素ウィスカ、炭化けい素短繊維、窒化
けい素ウィスカ、窒化けい素短繊維の少なくとも１つが
焼結体全体で占める体積割合は６０％以下である。
は、ムライト(3Al2O3・2SiO2)、ジルコン（ZrSiO4）、Ln
2Si2O7(Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Ybの少なくとの
１つ）の少なくとも１つを結晶粒界に含むとともに、前
記結晶粒界を含めた焼結体全体に、炭素繊維、炭化けい
素繊維、炭化けい素ウィスカ、炭化けい素短繊維、窒化
けい素ウィスカ、窒化けい素短繊維の少なくとも１つを
含むことを特徴としている。なお、炭素繊維、炭化けい
素繊維、炭化けい素ウィスカ、炭化けい素短繊維、窒化
けい素ウィスカ、窒化けい素短繊維の少なくとも１つが
焼結体全体で占める体積割合は６０％以下である。
【０００８】また、上記の炭化けい素セラミックスにお
いて、結晶粒界にムライトが存在する場合には少なくと
もアルミナが、ジルコンが存在する場合には少なくとも
ジルコニアが、Ln2Si2O7が存在する場合には少なくとも
Ln2O3(Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Ybの少なくとの１
つ）が当該結晶粒界に共存している。そして、ムライト
／（アルミナ＋ムライト）、ジルコン／（ジルコニア＋
ジルコン）、または、Ln2Si2O7／（Ln2O2＋Ln2Si2O7）
の体積割合は１０％以上で９０％以下であるのが望まし
い。さらに、アルミナ及びムライト、ジルコン及びジル
コニア、またはLn2Si2O7及びLn2O3が焼結体全体で占め
る体積割合は２％以上で４０％以下であるのが望まし
い。
いて、結晶粒界にムライトが存在する場合には少なくと
もアルミナが、ジルコンが存在する場合には少なくとも
ジルコニアが、Ln2Si2O7が存在する場合には少なくとも
Ln2O3(Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Ybの少なくとの１
つ）が当該結晶粒界に共存している。そして、ムライト
／（アルミナ＋ムライト）、ジルコン／（ジルコニア＋
ジルコン）、または、Ln2Si2O7／（Ln2O2＋Ln2Si2O7）
の体積割合は１０％以上で９０％以下であるのが望まし
い。さらに、アルミナ及びムライト、ジルコン及びジル
コニア、またはLn2Si2O7及びLn2O3が焼結体全体で占め
る体積割合は２％以上で４０％以下であるのが望まし
い。
【０００９】本発明の炭化けい素セラミックスは、ガス
タービン用の動翼、静翼、原子力プラント用耐摩耗部
材、核融合炉用プラズマ対向部材の一部または全体に用
いることができる。
タービン用の動翼、静翼、原子力プラント用耐摩耗部
材、核融合炉用プラズマ対向部材の一部または全体に用
いることができる。
【００１０】また、本発明に係る炭化けい素セラミック
スの製造方法は、炭素粉末と、炭化けい素粉末と、アル
ミナ（Al2O3)、ジルコニア（ZrO2）、希土類酸化物（ L
n2O3（ Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Ybの少なくとの
１つ））の少なくとも１つを含む粉末とを混合する混合
工程と、その混合粉末に圧力を加えて所定形状の圧粉体
を成形する成形工程と、この圧粉体を非酸化雰囲気で熱
処理して仮焼結体とする熱処理工程と、前記仮焼結体を
熱処理して溶融状態の金属けい素を含浸させる含浸工程
と、を有することを特徴としている。
スの製造方法は、炭素粉末と、炭化けい素粉末と、アル
ミナ（Al2O3)、ジルコニア（ZrO2）、希土類酸化物（ L
n2O3（ Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Ybの少なくとの
１つ））の少なくとも１つを含む粉末とを混合する混合
工程と、その混合粉末に圧力を加えて所定形状の圧粉体
を成形する成形工程と、この圧粉体を非酸化雰囲気で熱
処理して仮焼結体とする熱処理工程と、前記仮焼結体を
熱処理して溶融状態の金属けい素を含浸させる含浸工程
と、を有することを特徴としている。
【００１１】さらに、本発明に係る炭化けい素セラミッ
クスの製造方法は、炭素粉末と、炭化けい素粉末と、ア
ルミナ（Al2O3)、ジルコニア（ZrO2）、希土類酸化物(L
n2O3（ Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Ybの少なくとの
１つ））の少なくとも１つを含む粉末とを混合する混合
工程と、その混合粉末を、炭素繊維、炭化けい素繊維、
炭化けい素ウィスカ、炭化けい素短繊維、窒化けい素ウ
ィスカ、窒化けい素短繊維の少なくとも１つを含む繊維
構造体に充填する充填工程と、前記混合粉末が充填され
た前記繊維構造体を非酸化雰囲気で熱処理して仮焼結体
とする熱処理工程、前記仮焼結体を熱処理して溶融状態
の金属けい素を含浸させる含浸工程と、を有することを
特徴としている。
クスの製造方法は、炭素粉末と、炭化けい素粉末と、ア
ルミナ（Al2O3)、ジルコニア（ZrO2）、希土類酸化物(L
n2O3（ Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Ybの少なくとの
１つ））の少なくとも１つを含む粉末とを混合する混合
工程と、その混合粉末を、炭素繊維、炭化けい素繊維、
炭化けい素ウィスカ、炭化けい素短繊維、窒化けい素ウ
ィスカ、窒化けい素短繊維の少なくとも１つを含む繊維
構造体に充填する充填工程と、前記混合粉末が充填され
た前記繊維構造体を非酸化雰囲気で熱処理して仮焼結体
とする熱処理工程、前記仮焼結体を熱処理して溶融状態
の金属けい素を含浸させる含浸工程と、を有することを
特徴としている。
【００１２】
【作用】本発明者等は種々検討を重ねた結果、炭化けい
素セラミックスにおいて破壊靭性を高めるためには「マ
トリックスである炭化けい素は多結晶体から成り、結晶
粒界には、Al-Si-Oの化合物、Zr-Si-Oの化合物、Ln-Si-
Oの化合物の少なくとも１つの酸化物を含むこと」、更
に破壊靭性を向上させるためには「炭素繊維、炭化けい
素繊維を含むこと」が有効であることを見出した。ここ
で、Ln はランタン系列およびアクチニウム系列の元素
並びにＹを表している。
素セラミックスにおいて破壊靭性を高めるためには「マ
トリックスである炭化けい素は多結晶体から成り、結晶
粒界には、Al-Si-Oの化合物、Zr-Si-Oの化合物、Ln-Si-
Oの化合物の少なくとも１つの酸化物を含むこと」、更
に破壊靭性を向上させるためには「炭素繊維、炭化けい
素繊維を含むこと」が有効であることを見出した。ここ
で、Ln はランタン系列およびアクチニウム系列の元素
並びにＹを表している。
【００１３】本発明の典型的な材料組織を図１に示す。
１はマトリックスのSiCであり、この結晶１の結晶方位
の影響を受けて焼結過程中に成長したSiC結晶を３で示
す。１と３の結晶はエピタキシャル成長した場合には同
一方位を持つが、必ずしも１と３の結晶方位が一致する
とは限らない。このSiCマトリックスの粒界には、Al-Si
-Oの化合物、Zr-Si-Oの化合物、Ln-Si-Oの化合物のうち
の少なくとも１つの複合酸化物４を含み、さらに２で示
す単一酸化物のアルミナ、ジルコニア、Ln2O3が共存し
ている。
１はマトリックスのSiCであり、この結晶１の結晶方位
の影響を受けて焼結過程中に成長したSiC結晶を３で示
す。１と３の結晶はエピタキシャル成長した場合には同
一方位を持つが、必ずしも１と３の結晶方位が一致する
とは限らない。このSiCマトリックスの粒界には、Al-Si
-Oの化合物、Zr-Si-Oの化合物、Ln-Si-Oの化合物のうち
の少なくとも１つの複合酸化物４を含み、さらに２で示
す単一酸化物のアルミナ、ジルコニア、Ln2O3が共存し
ている。
【００１４】単一酸化物とその複合酸化物との体積割
合、すなわちアルミナ／(アルミナ＋ムライト）、ジル
コニア／(ジルコン＋ジルコニア）、Ln2O3／(Ln-Si-O＋
Ln2O3）の体積割合は１０％以上で９０％以下であり、
また、ムライト及びアルミナ、ジルコン及びジルコニ
ア、Ln-Si-O及びLn2O3が焼結体全体で占める体積割合は
２％以上で４０％以下とする。これらの範囲以下である
と靭性向上に対する効果が少なく、これらの範囲以上で
あるとSiCマトリックスに対する粒界部の化合物の割合
が多くなり、SiCが本来持っている強度特性を最大限に
発揮することができない。
合、すなわちアルミナ／(アルミナ＋ムライト）、ジル
コニア／(ジルコン＋ジルコニア）、Ln2O3／(Ln-Si-O＋
Ln2O3）の体積割合は１０％以上で９０％以下であり、
また、ムライト及びアルミナ、ジルコン及びジルコニ
ア、Ln-Si-O及びLn2O3が焼結体全体で占める体積割合は
２％以上で４０％以下とする。これらの範囲以下である
と靭性向上に対する効果が少なく、これらの範囲以上で
あるとSiCマトリックスに対する粒界部の化合物の割合
が多くなり、SiCが本来持っている強度特性を最大限に
発揮することができない。
【００１５】本発明に係る炭化けい素セラミックスの製
造方法としては反応焼結法が最適である。反応焼結法
は、SiC-C成形体を約７００〜９００℃の温度にて仮焼
結し、その後金属けい素が溶融する温度以上に加熱して
溶融けい素と仮焼結体とを接触させ、仮焼結体中の細孔
を利用して毛細管現象によってSiを含浸させる方法であ
る。
造方法としては反応焼結法が最適である。反応焼結法
は、SiC-C成形体を約７００〜９００℃の温度にて仮焼
結し、その後金属けい素が溶融する温度以上に加熱して
溶融けい素と仮焼結体とを接触させ、仮焼結体中の細孔
を利用して毛細管現象によってSiを含浸させる方法であ
る。
【００１６】以下、Al-Si-Oの化合物を例にとり詳細に
説明する。炭化けい素粉末とカーボンブラック、並びに
アルミナを混合し、これに結合剤としてフェノール樹脂
を加え、エタノール溶媒中でボールミル混合にて混合粉
体とする。この混合粉体を１ton/cm2程度の圧力でＣＩ
Ｐ成形した後、１０~2Torr 程度の真空中、あるいは不
活性ガス雰囲気中で８００〜１７００℃で数時間の熱処
理を行い仮焼結体とする。なお、混合及び成形はボール
ミル、ＣＩＰに限られるものではない。
説明する。炭化けい素粉末とカーボンブラック、並びに
アルミナを混合し、これに結合剤としてフェノール樹脂
を加え、エタノール溶媒中でボールミル混合にて混合粉
体とする。この混合粉体を１ton/cm2程度の圧力でＣＩ
Ｐ成形した後、１０~2Torr 程度の真空中、あるいは不
活性ガス雰囲気中で８００〜１７００℃で数時間の熱処
理を行い仮焼結体とする。なお、混合及び成形はボール
ミル、ＣＩＰに限られるものではない。
【００１７】次に、前記仮焼結体の上に約２倍の重量の
金属けい素をのせ、３〜１０~2Torrの真空中、１５００
〜１７００℃で０.５〜数十時間の熱処理を行い、金属
けい素を含浸させる。このようにして、SiCマトリック
ス中にアルミナ／ムライトが分散析出した材料を得るこ
とができる。
金属けい素をのせ、３〜１０~2Torrの真空中、１５００
〜１７００℃で０.５〜数十時間の熱処理を行い、金属
けい素を含浸させる。このようにして、SiCマトリック
ス中にアルミナ／ムライトが分散析出した材料を得るこ
とができる。
【００１８】このようにして得られた材料の４点曲げ強
度は約１０００MPa、鏡面に磨いた試験片表面にビッカ
ース圧子を押しつけ、更に圧痕の四隅から対角線の延長
上に亀裂を発生させ、圧痕の対角長さを測定して靭性を
評価するＩＦ（IndentationFracture）法によると破壊
靭性値は数十 MPa・√mが得られる。
度は約１０００MPa、鏡面に磨いた試験片表面にビッカ
ース圧子を押しつけ、更に圧痕の四隅から対角線の延長
上に亀裂を発生させ、圧痕の対角長さを測定して靭性を
評価するＩＦ（IndentationFracture）法によると破壊
靭性値は数十 MPa・√mが得られる。
【００１９】このように本発明によって、従来のSiCセ
ラミックスの３〜５MPa√mとは比較にならないほどの靭
性の向上が可能となるが、より高い信頼性を確保しエン
ジニアリングセラミックスとして使いやすく、設計しや
すくするためには、長繊維との複合化が必要となる。長
繊維には炭素繊維、炭化けい素を主成分とする長繊維が
適し、焼結体中に占めるこれら長繊維の体積割合は６０
％以下とする。繊維の体積割合がこれ以上であると、Si
Cマトリックスの有する耐熱・耐酸化特性等を十分発揮
でないためである。
ラミックスの３〜５MPa√mとは比較にならないほどの靭
性の向上が可能となるが、より高い信頼性を確保しエン
ジニアリングセラミックスとして使いやすく、設計しや
すくするためには、長繊維との複合化が必要となる。長
繊維には炭素繊維、炭化けい素を主成分とする長繊維が
適し、焼結体中に占めるこれら長繊維の体積割合は６０
％以下とする。繊維の体積割合がこれ以上であると、Si
Cマトリックスの有する耐熱・耐酸化特性等を十分発揮
でないためである。
【００２０】ここで、長繊維複合材料の製造例を示す。
繊維束が５００〜３０００本程度の炭化けい素、あるい
は炭素繊維の連続繊維を用いて、一次元、２次元、３次
元に繊維を配置し賦形化を行った。一次元配置では、繊
維の一次元配向、２次元配置では平織り、朱子織り、絡
み織り、３次元配置では、直交組織織り、絡み組織織り
が望ましい。ウィスカ、短繊維を用いる場合には、マッ
ト状の不織体を用いるのが望ましい。このときの繊維含
有率Ｖｆは、６０％以下であるものを使用する。この繊
維構造体に、前述の組成粉末を充填する。充填方法とし
ては、スラリー化して充填する方法が簡便であるが、こ
れに限定されない。すなわち、炭化けい素粉末とカーボ
ンブラック、並びにアルミナを混合し、これに結合剤と
してフェノール樹脂を加え、エタノール溶媒中でボール
ミル混合にて混合粉体スラリーとする。このスラリーを
加圧含浸によって繊維構造体に含浸する。この含浸構造
体を１０~2Torr程度の真空中、或いは不活性ガス雰囲気
中で８００〜１７００℃で数時間の熱処理を行い仮焼結
体とし、前述と同様の熱処理を行いSiの含浸処理を行
う。この様にして、SiCマトリックス中にアルミナ／ム
ライトが分散析出し、更に長繊維、ウイスカによって強
化された炭化けい素セラミックスを得ることができる。
４点曲げ強度は約１０００MPaで同程度で、前述の長繊
維を含まないものと同程度であるが、破壊靭性値は、数
倍大きく７０MPa・√m程度のものも得ることができる。
繊維束が５００〜３０００本程度の炭化けい素、あるい
は炭素繊維の連続繊維を用いて、一次元、２次元、３次
元に繊維を配置し賦形化を行った。一次元配置では、繊
維の一次元配向、２次元配置では平織り、朱子織り、絡
み織り、３次元配置では、直交組織織り、絡み組織織り
が望ましい。ウィスカ、短繊維を用いる場合には、マッ
ト状の不織体を用いるのが望ましい。このときの繊維含
有率Ｖｆは、６０％以下であるものを使用する。この繊
維構造体に、前述の組成粉末を充填する。充填方法とし
ては、スラリー化して充填する方法が簡便であるが、こ
れに限定されない。すなわち、炭化けい素粉末とカーボ
ンブラック、並びにアルミナを混合し、これに結合剤と
してフェノール樹脂を加え、エタノール溶媒中でボール
ミル混合にて混合粉体スラリーとする。このスラリーを
加圧含浸によって繊維構造体に含浸する。この含浸構造
体を１０~2Torr程度の真空中、或いは不活性ガス雰囲気
中で８００〜１７００℃で数時間の熱処理を行い仮焼結
体とし、前述と同様の熱処理を行いSiの含浸処理を行
う。この様にして、SiCマトリックス中にアルミナ／ム
ライトが分散析出し、更に長繊維、ウイスカによって強
化された炭化けい素セラミックスを得ることができる。
４点曲げ強度は約１０００MPaで同程度で、前述の長繊
維を含まないものと同程度であるが、破壊靭性値は、数
倍大きく７０MPa・√m程度のものも得ることができる。
【００２１】本発明の炭化けい素セラミックスは、ガス
タービン用の動翼、静翼、原子力プラント用耐摩耗部
材、核融合炉用プラズマ対向部材の一部または全部に適
用可能であるが、長繊維、ウィスカ、短繊維を用いる場
合には、主要な繊維軸の方向を使用中材料が受ける主応
力方向と一致させることが望ましい。
タービン用の動翼、静翼、原子力プラント用耐摩耗部
材、核融合炉用プラズマ対向部材の一部または全部に適
用可能であるが、長繊維、ウィスカ、短繊維を用いる場
合には、主要な繊維軸の方向を使用中材料が受ける主応
力方向と一致させることが望ましい。
【００２２】次に、靭性向上のメカニズムについて説明
する。靭性向上のメカニズムは、次のように i）き裂が
進展を開始することに対する抵抗力によるものと、 i
i）き裂進展を続けることに対する抵抗力によるもの
と、の二つに分類できる。前者には、内部応力（熱膨
張係数の異なる第２相により発生する残留応力）、荷
重転移（弾性率の高い第２相に荷重を負担）が、後者に
はき裂を閉じる応力（closure stress）を発生させる
機構、体積膨張により歪を緩和させる機構、き裂後
方（wake）中でのマイクロクラックと主き裂との相互作
用により、主き裂の応力集中を軽減させる機構、き裂
の偏向・湾曲・分岐、等が影響している。
する。靭性向上のメカニズムは、次のように i）き裂が
進展を開始することに対する抵抗力によるものと、 i
i）き裂進展を続けることに対する抵抗力によるもの
と、の二つに分類できる。前者には、内部応力（熱膨
張係数の異なる第２相により発生する残留応力）、荷
重転移（弾性率の高い第２相に荷重を負担）が、後者に
はき裂を閉じる応力（closure stress）を発生させる
機構、体積膨張により歪を緩和させる機構、き裂後
方（wake）中でのマイクロクラックと主き裂との相互作
用により、主き裂の応力集中を軽減させる機構、き裂
の偏向・湾曲・分岐、等が影響している。
【００２３】本発明の材料においては、これらの靭性向
上の機構のうち、上記の,,が有効に作用する材料
構造となっている。すなわち、図１に示されるように、
マトリックスであるSiC１よりも大きな熱膨張係数を有
するシリコンとの複合酸化物が存在し、更にその内部に
は熱膨張係数が前記複合酸化物よりは小さいが、SiC１
よりは大きい酸化物が存在する。このため、マトリック
スであるSiC内部には残留圧縮応力をの機構により発
生させることができ、また、これら複合酸化物にはマト
リックスと比べてその弾性率が大きいものがあり、この
析出分散相にの機構によって荷重を分担できる場合が
ある。
上の機構のうち、上記の,,が有効に作用する材料
構造となっている。すなわち、図１に示されるように、
マトリックスであるSiC１よりも大きな熱膨張係数を有
するシリコンとの複合酸化物が存在し、更にその内部に
は熱膨張係数が前記複合酸化物よりは小さいが、SiC１
よりは大きい酸化物が存在する。このため、マトリック
スであるSiC内部には残留圧縮応力をの機構により発
生させることができ、また、これら複合酸化物にはマト
リックスと比べてその弾性率が大きいものがあり、この
析出分散相にの機構によって荷重を分担できる場合が
ある。
【００２４】また、マトリックスであるSiCは、原料のS
iC１とその結晶学的な影響を受けて成長したSiC結晶３
との多重構造を取るため、１と３の界面、３と４の界
面、２と４の界面、４と４の界面によって、の機構の
クラックの偏向、湾曲、分岐等が生じる。そして、これ
ら材料に長繊維、ウィスカ、短繊維等を複合化した場合
には、これらが強度・靭性を担い、さらにマトリックス
と長繊維、ウィスカ、短繊維界面での破壊エネルギの緩
和が生ずるため、大幅な強度及び靭性の向上が可能とな
る。
iC１とその結晶学的な影響を受けて成長したSiC結晶３
との多重構造を取るため、１と３の界面、３と４の界
面、２と４の界面、４と４の界面によって、の機構の
クラックの偏向、湾曲、分岐等が生じる。そして、これ
ら材料に長繊維、ウィスカ、短繊維等を複合化した場合
には、これらが強度・靭性を担い、さらにマトリックス
と長繊維、ウィスカ、短繊維界面での破壊エネルギの緩
和が生ずるため、大幅な強度及び靭性の向上が可能とな
る。
【００２５】従来のナノ複合材料の構造を模式的に示し
た図１においては、マトリックス１にナノ粒子５が分散
した状態になっており、この構造でもナノ粒子５に熱膨
張の大きな酸化物を分散させた場合には、の機構、及
び１と１の界面でのクラックの偏向による靭性の向上が
考えられる。しかしながら、図２と図１とを比較すると
明らかなように、クラックの偏向、湾曲、分岐が生ずる
界面は本発明の方が圧倒的に多い。このため、本発明の
炭化けい素セラミックでは、クラックの解放エネルギが
従来例に比して極めて大きくなるのである。
た図１においては、マトリックス１にナノ粒子５が分散
した状態になっており、この構造でもナノ粒子５に熱膨
張の大きな酸化物を分散させた場合には、の機構、及
び１と１の界面でのクラックの偏向による靭性の向上が
考えられる。しかしながら、図２と図１とを比較すると
明らかなように、クラックの偏向、湾曲、分岐が生ずる
界面は本発明の方が圧倒的に多い。このため、本発明の
炭化けい素セラミックでは、クラックの解放エネルギが
従来例に比して極めて大きくなるのである。
【００２６】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 （実施例１）平均粒径２μｍのα型炭化けい素粉末と平
均粒径０.０１μｍのカーボンブラック、並びに平均粒
径０.２μｍのアルミナを表１の試料番号１〜５の組成
比で混合し、これに粘結剤としてフェノール樹脂を１
ｇ、エタノールを１４０cc 加え、SiC ボールを用いて
ボールミルにて混合し混合粉体を得た。この混合粉体を
１０００ kg/cm2の圧力で成形した後、１０~2Torr の真
空中で１０００℃で１時間の熱処理を行い仮焼体とし
た。この仮焼体の上に約２倍の重量の金属シリコンをの
せ、１０~2Torr の真空中、１６００℃で１時間の熱処
理を行い、含浸させた。
均粒径０.０１μｍのカーボンブラック、並びに平均粒
径０.２μｍのアルミナを表１の試料番号１〜５の組成
比で混合し、これに粘結剤としてフェノール樹脂を１
ｇ、エタノールを１４０cc 加え、SiC ボールを用いて
ボールミルにて混合し混合粉体を得た。この混合粉体を
１０００ kg/cm2の圧力で成形した後、１０~2Torr の真
空中で１０００℃で１時間の熱処理を行い仮焼体とし
た。この仮焼体の上に約２倍の重量の金属シリコンをの
せ、１０~2Torr の真空中、１６００℃で１時間の熱処
理を行い、含浸させた。
【００２７】そして、反応焼結後の強度及び破壊靭性値
について、ＪＩＳ ４点曲げ試験法、並びに鏡面に磨い
た試験片表面にビッカース圧子を押しつけ、圧痕の四隅
から対角線の延長上に亀裂を発生させ、圧痕の対角長さ
を測定してＩＦ法により評価した。その結果を示したの
が表１であり、表１から分かるように、本発明の炭化け
い素セラミックスに相当する試料番号２〜４（ムライト
及びアルミナが焼結体全体で占める体積割合が２％以上
で４０％以下のもの）では、強度及び破壊靭性値の双方
とも満足できる結果であった。
について、ＪＩＳ ４点曲げ試験法、並びに鏡面に磨い
た試験片表面にビッカース圧子を押しつけ、圧痕の四隅
から対角線の延長上に亀裂を発生させ、圧痕の対角長さ
を測定してＩＦ法により評価した。その結果を示したの
が表１であり、表１から分かるように、本発明の炭化け
い素セラミックスに相当する試料番号２〜４（ムライト
及びアルミナが焼結体全体で占める体積割合が２％以上
で４０％以下のもの）では、強度及び破壊靭性値の双方
とも満足できる結果であった。
【００２８】
【表１】
【００２９】（実施例２）実施例１の試料番号３の組成
の試料について、実施例１と同様に粉末の混合、成形、
仮焼結を行った後に、この仮焼体の上に、約２倍の重量
の金属シリコンをのせ、１０~2Torr の真空中で反応時
間を１０時間とし、焼結温度を１４５０℃〜１８００℃
と変化させて含浸を行った。
の試料について、実施例１と同様に粉末の混合、成形、
仮焼結を行った後に、この仮焼体の上に、約２倍の重量
の金属シリコンをのせ、１０~2Torr の真空中で反応時
間を１０時間とし、焼結温度を１４５０℃〜１８００℃
と変化させて含浸を行った。
【００３０】反応焼結後の強度及び破壊靭性値につい
て、実施例１と同様の方法で評価した。その結果を示し
たのが表２であり、表２から分かるように、本発明の炭
化けい素セラミックスに相当する試料番号７〜９（ムラ
イト／（アルミナ＋ムライト）の体積割合が１０％以上
で９０％以下のもの）では、強度及び破壊靭性値の双方
とも満足できる結果であった。
て、実施例１と同様の方法で評価した。その結果を示し
たのが表２であり、表２から分かるように、本発明の炭
化けい素セラミックスに相当する試料番号７〜９（ムラ
イト／（アルミナ＋ムライト）の体積割合が１０％以上
で９０％以下のもの）では、強度及び破壊靭性値の双方
とも満足できる結果であった。
【００３１】
【表２】
【００３２】（実施例３）平均粒径２μｍのα型炭化け
い素粉末と平均粒径０.０１μｍのカーボンブラック、
並びに平均粒径０.３μｍのZrO2を表３の試料番号１１
から１４の組成比で混合し、これに粘結剤としてフェノ
ール樹脂を１ｇ、エタノールを１４０cc加え、SiCボー
ルを用いてボールミルにて混合し混合粉体を得た。そし
て、この混合粉体から実施例１と全く同様の工程を経て
反応焼結体を得た。
い素粉末と平均粒径０.０１μｍのカーボンブラック、
並びに平均粒径０.３μｍのZrO2を表３の試料番号１１
から１４の組成比で混合し、これに粘結剤としてフェノ
ール樹脂を１ｇ、エタノールを１４０cc加え、SiCボー
ルを用いてボールミルにて混合し混合粉体を得た。そし
て、この混合粉体から実施例１と全く同様の工程を経て
反応焼結体を得た。
【００３３】そして、反応焼結後の強度及び破壊靭性値
について、ＪＩＳ ４点曲げ試験法、及びＩＦ法により
評価した。その結果を示したのが表３であり、表３から
分かるように、本発明の炭化けい素セラミックスに相当
する試料番号１２及び１３（ジルコン及びジルコニアが
焼結体全体で占める体積割合が２％以上で４０％以下の
もの）では、強度及び破壊靭性値の双方とも満足できる
結果であった。
について、ＪＩＳ ４点曲げ試験法、及びＩＦ法により
評価した。その結果を示したのが表３であり、表３から
分かるように、本発明の炭化けい素セラミックスに相当
する試料番号１２及び１３（ジルコン及びジルコニアが
焼結体全体で占める体積割合が２％以上で４０％以下の
もの）では、強度及び破壊靭性値の双方とも満足できる
結果であった。
【００３４】
【表３】
【００３５】（実施例４）実施例３の試料番号１３の組
成の試料について、実施例１と同様に粉末の混合、成
形、仮焼結を行った後に、この仮焼体の上に、約２倍の
重量の金属シリコンをのせ、１０~2Torr の真空中で反
応時間を１０時間とし、焼結温度を１４５０℃〜１８０
０℃と変化させて含浸を行った。
成の試料について、実施例１と同様に粉末の混合、成
形、仮焼結を行った後に、この仮焼体の上に、約２倍の
重量の金属シリコンをのせ、１０~2Torr の真空中で反
応時間を１０時間とし、焼結温度を１４５０℃〜１８０
０℃と変化させて含浸を行った。
【００３６】反応焼結後の強度及び破壊靭性値につい
て、実施例１と同様の方法で評価した。その結果を示し
たのが表４であり、表４から分かるように、本発明の炭
化けい素セラミックスに相当する試料番号１６及び１７
（ジルコン／（ジルコニア＋ジルコン）の体積割合が１
０％以上で９０％以下のもの）では、強度及び破壊靭性
値の双方とも満足できる結果であった。
て、実施例１と同様の方法で評価した。その結果を示し
たのが表４であり、表４から分かるように、本発明の炭
化けい素セラミックスに相当する試料番号１６及び１７
（ジルコン／（ジルコニア＋ジルコン）の体積割合が１
０％以上で９０％以下のもの）では、強度及び破壊靭性
値の双方とも満足できる結果であった。
【００３７】
【表４】
【００３８】（実施例５）平均粒径２μｍのα型炭化け
い素粉末と平均粒径０.０１μｍのカーボンブラック、
並びに平均粒径０.３μｍのY2O3を表５の試料番号２０
から２３の組成比で混合し、これに粘結剤としてフェノ
ール樹脂を１ｇ、エタノールを１４０cc加え、SiCボー
ルを用いてボールミルにて混合し混合粉体を得た。この
混合粉体から実施例１と全く同様の工程を経て反応焼結
体を得た。
い素粉末と平均粒径０.０１μｍのカーボンブラック、
並びに平均粒径０.３μｍのY2O3を表５の試料番号２０
から２３の組成比で混合し、これに粘結剤としてフェノ
ール樹脂を１ｇ、エタノールを１４０cc加え、SiCボー
ルを用いてボールミルにて混合し混合粉体を得た。この
混合粉体から実施例１と全く同様の工程を経て反応焼結
体を得た。
【００３９】反応焼結後の強度及び破壊靭性値ついて、
ＪＩＳ ４点曲げ試験法及びＩＦ法により評価した。そ
の結果を示したのが表５であり、表５から分かるよう
に、本発明の炭化けい素セラミックスに相当する試料番
号２１及び２２（Y2Si2O7およびY2O3が焼結体全体で占
める体積割合が２％以上で４０％以下のもの）では、強
度及び破壊靭性値の双方とも満足できる結果であった。
ＪＩＳ ４点曲げ試験法及びＩＦ法により評価した。そ
の結果を示したのが表５であり、表５から分かるよう
に、本発明の炭化けい素セラミックスに相当する試料番
号２１及び２２（Y2Si2O7およびY2O3が焼結体全体で占
める体積割合が２％以上で４０％以下のもの）では、強
度及び破壊靭性値の双方とも満足できる結果であった。
【００４０】
【表５】
【００４１】（実施例６）実施例５の試料番号２２の組
成の試料について、実施例１と同様に粉末の混合、成
形、仮焼結を行った後に、この仮焼体の上に、約２倍の
重量の金属シリコンをのせ、１０~2Torr の真空中で反
応時間を１０時間とし、焼結温度を１４５０℃〜１８０
０℃と変化させて含浸を行った。
成の試料について、実施例１と同様に粉末の混合、成
形、仮焼結を行った後に、この仮焼体の上に、約２倍の
重量の金属シリコンをのせ、１０~2Torr の真空中で反
応時間を１０時間とし、焼結温度を１４５０℃〜１８０
０℃と変化させて含浸を行った。
【００４２】反応焼結後の強度及び破壊靭性値につい
て、実施例１と同様の方法で評価した。その結果を示し
たのが表６であり、表６から分かるように、本発明の炭
化けい素セラミックスに相当する試料番号２５及び２６
（Y2Si2O7／（Y2O3＋Y2Si2O7）の体積割合が１０％以上
で９０％以下のもの）では、強度及び破壊靭性値の双方
とも満足できる結果であった。
て、実施例１と同様の方法で評価した。その結果を示し
たのが表６であり、表６から分かるように、本発明の炭
化けい素セラミックスに相当する試料番号２５及び２６
（Y2Si2O7／（Y2O3＋Y2Si2O7）の体積割合が１０％以上
で９０％以下のもの）では、強度及び破壊靭性値の双方
とも満足できる結果であった。
【００４３】
【表６】
【００４４】（実施例７）平均粒径２μｍのα型炭化け
い素粉末と平均粒径０.０１μｍのカーボンブラック、
並びに平均粒径０.１μｍのLa2O3，Ce2O3，Sm2O3，Ho2O
3，Er2O3，Yb2O3を表７の試料番号２８〜３３の組成比
で混合し、これに粘結剤としてフェノール樹脂を１ｇ、
エタノールを１４０cc 加え、SiCボールを用いてボール
ミルにて混合し混合粉体を得た。この混合粉体を実施例
１と全く同様の工程を経て反応焼結体を得た。
い素粉末と平均粒径０.０１μｍのカーボンブラック、
並びに平均粒径０.１μｍのLa2O3，Ce2O3，Sm2O3，Ho2O
3，Er2O3，Yb2O3を表７の試料番号２８〜３３の組成比
で混合し、これに粘結剤としてフェノール樹脂を１ｇ、
エタノールを１４０cc 加え、SiCボールを用いてボール
ミルにて混合し混合粉体を得た。この混合粉体を実施例
１と全く同様の工程を経て反応焼結体を得た。
【００４５】そして、反応焼結後の強度および破壊靭性
値について、ＪＩＳ ４点曲げ試験法およびＩＦ法によ
り評価した。その結果を示したのが表７であり、表７か
ら分かるように、本発明の炭化けい素セラミックスに相
当する試料番号２８〜３３（La2Si2O7及びLa2O3、Ce2Si
2O7及び Ce2O3、Sm2Si2O7及び Sm2O3、Ho2Si2O7及びHo2
O3、Er2Si2O7及びEr2O3、Yb2Si2O7及び Yb2O3が焼結体
全体で占める体積割合が２％以上で４０％以下のもの）
の全てが、強度及び破壊靭性値の双方とも満足できる結
果であった。
値について、ＪＩＳ ４点曲げ試験法およびＩＦ法によ
り評価した。その結果を示したのが表７であり、表７か
ら分かるように、本発明の炭化けい素セラミックスに相
当する試料番号２８〜３３（La2Si2O7及びLa2O3、Ce2Si
2O7及び Ce2O3、Sm2Si2O7及び Sm2O3、Ho2Si2O7及びHo2
O3、Er2Si2O7及びEr2O3、Yb2Si2O7及び Yb2O3が焼結体
全体で占める体積割合が２％以上で４０％以下のもの）
の全てが、強度及び破壊靭性値の双方とも満足できる結
果であった。
【００４６】
【表７】
【００４７】（実施例８）繊維束５００本の炭化けい素
の連続繊維を用いて、繊維の充填率の異なる３種類の直
交組織３次元織物からなる繊維構造体を製造した。この
繊維構造体に、実施例１の試料番号４と全く同様の組成
粉末を用いてスラリーとし充填した。すなわち、平均粒
径２μｍのα型炭化けい素粉末と平均粒径０.０１μｍ
のカーボンブラック、並びに平均粒径０.２μｍのアル
ミナを混合し、これに粘結剤としてフェノール樹脂を１
ｇ、エタノールを１４０cc加え、SiCボールを用いてボ
ールミルにて混合し混合粉体のスラリーを得た。このス
ラリーを加圧含浸によって繊維構造体に充填した。そし
て、この含浸体を乾燥させた後、１０~2Torrの真空中で
１０００℃で１時間の熱処理を行い仮焼結体とした。さ
らに、この仮焼体の上に、約２倍の重量の金属シリコン
をのせ、１０~2Torrの真空中、１６００℃で１時間の熱
処理を行い含浸させた。
の連続繊維を用いて、繊維の充填率の異なる３種類の直
交組織３次元織物からなる繊維構造体を製造した。この
繊維構造体に、実施例１の試料番号４と全く同様の組成
粉末を用いてスラリーとし充填した。すなわち、平均粒
径２μｍのα型炭化けい素粉末と平均粒径０.０１μｍ
のカーボンブラック、並びに平均粒径０.２μｍのアル
ミナを混合し、これに粘結剤としてフェノール樹脂を１
ｇ、エタノールを１４０cc加え、SiCボールを用いてボ
ールミルにて混合し混合粉体のスラリーを得た。このス
ラリーを加圧含浸によって繊維構造体に充填した。そし
て、この含浸体を乾燥させた後、１０~2Torrの真空中で
１０００℃で１時間の熱処理を行い仮焼結体とした。さ
らに、この仮焼体の上に、約２倍の重量の金属シリコン
をのせ、１０~2Torrの真空中、１６００℃で１時間の熱
処理を行い含浸させた。
【００４８】反応焼結後の強度及び破壊靭性値につい
て、ＪＩＳ ４点曲げ試験法、並びに鏡面に磨いた試験
片表面にビッカース圧子を押しつけ、圧痕の四隅から対
角線の延長上に亀裂を発生させ圧痕の対角長さを測定し
てＩＦ法によりを評価した。その結果を示したのが表８
であり、表８から分かるように、本発明の炭化けい素セ
ラミックスに相当する試料番号３４及び３５（繊維充填
率が焼結体全体で占める体積割合が６０％以下のもの）
では、強度及び破壊靭性値の双方とも満足できる結果で
あった。
て、ＪＩＳ ４点曲げ試験法、並びに鏡面に磨いた試験
片表面にビッカース圧子を押しつけ、圧痕の四隅から対
角線の延長上に亀裂を発生させ圧痕の対角長さを測定し
てＩＦ法によりを評価した。その結果を示したのが表８
であり、表８から分かるように、本発明の炭化けい素セ
ラミックスに相当する試料番号３４及び３５（繊維充填
率が焼結体全体で占める体積割合が６０％以下のもの）
では、強度及び破壊靭性値の双方とも満足できる結果で
あった。
【００４９】
【表８】
【００５０】（実施例９）繊維束５００本の炭素連続繊
維を用いて繊維の充填率が４１％の直交組織３次元織物
と、炭化けい素短繊維を用いた２００ g/m2のマットを
製造した。これら繊維構体に、実施例８と全く同様の組
成粉末を用いてスラリーとし、加圧含浸によって各繊維
構造体に含浸した。これら含浸体を乾燥させた後、１０
~2Torrの真空中で１０００℃で１時間の熱処理を行い仮
焼結体とし、これら仮焼結体の上に約２倍の重量の金属
シリコンをのせ、１０~2Torrの真空中、１６００℃で１
時間の熱処理を行い反応焼結させた。
維を用いて繊維の充填率が４１％の直交組織３次元織物
と、炭化けい素短繊維を用いた２００ g/m2のマットを
製造した。これら繊維構体に、実施例８と全く同様の組
成粉末を用いてスラリーとし、加圧含浸によって各繊維
構造体に含浸した。これら含浸体を乾燥させた後、１０
~2Torrの真空中で１０００℃で１時間の熱処理を行い仮
焼結体とし、これら仮焼結体の上に約２倍の重量の金属
シリコンをのせ、１０~2Torrの真空中、１６００℃で１
時間の熱処理を行い反応焼結させた。
【００５１】反応焼結後の強度及び破壊靭性値は、ＪＩ
Ｓ ４点曲げ試験法、並びに鏡面に磨いた試験片表面に
ビッカース圧子を押しつけ、圧痕の四隅から対角線の延
長上に亀裂を発生させ圧痕の対角長さを測定してＩＦ法
により評価した。その結果、炭素連続繊維を用いた構造
体では曲げ強度８９０MPa、破壊靭性値７８MPa√mの値
が、また、炭化けい素短繊維マット構造体では曲げ強度
９３０MPa、破壊靭性値４３MPa√mの値が得られた。
Ｓ ４点曲げ試験法、並びに鏡面に磨いた試験片表面に
ビッカース圧子を押しつけ、圧痕の四隅から対角線の延
長上に亀裂を発生させ圧痕の対角長さを測定してＩＦ法
により評価した。その結果、炭素連続繊維を用いた構造
体では曲げ強度８９０MPa、破壊靭性値７８MPa√mの値
が、また、炭化けい素短繊維マット構造体では曲げ強度
９３０MPa、破壊靭性値４３MPa√mの値が得られた。
【００５２】（実施例１０）繊維束５００本の炭化けい
素の連続繊維を用い、直交組織３次元織物によって、図
２に示すガスタービン用動翼及び図３に示すガスタービ
ン用静翼を製造した。図２に示すようにガスタービン用
動翼１０は翼部１１とプラットホーム部１２を備え、ま
た、図３に示すようにガスタービン用静翼１５は翼部１
６を備えている。本実施例では繊維の充填率は４５％で
あった。そして、この繊維構造体に、実施例１の試料番
号４と全く同様の組成粉末を用いてスラリーとして充填
した。すなわち、平均粒径２μｍのα型炭化けい素粉末
と平均粒径０.０１μｍのカーボンブラック、並びに平
均粒径０.２μｍのアルミナを混合し、これに粘結剤と
してフェノール樹脂を１ｇ、エタノールを１４０cc 加
え、SiCボールを用いてボールミルにて混合し混合粉体
のスラリーを得た。このスラリーを加圧含浸によって繊
維構造体に含浸した。この含浸体を１０~2Torr の真空
中で１０００℃で１時間の熱処理を行い仮焼結体とし
た。さらに、この仮焼体の上に、約２倍の重量の金属シ
リコンをのせ、１０~2Torr の真空中、１６００℃で１
時間の熱処理を行い反応焼結させた。このようにして製
造したセラミックス動翼及び静翼は、１５００℃で定格
回転数１１０００rpmの条件下でその健全性が確認され
た。
素の連続繊維を用い、直交組織３次元織物によって、図
２に示すガスタービン用動翼及び図３に示すガスタービ
ン用静翼を製造した。図２に示すようにガスタービン用
動翼１０は翼部１１とプラットホーム部１２を備え、ま
た、図３に示すようにガスタービン用静翼１５は翼部１
６を備えている。本実施例では繊維の充填率は４５％で
あった。そして、この繊維構造体に、実施例１の試料番
号４と全く同様の組成粉末を用いてスラリーとして充填
した。すなわち、平均粒径２μｍのα型炭化けい素粉末
と平均粒径０.０１μｍのカーボンブラック、並びに平
均粒径０.２μｍのアルミナを混合し、これに粘結剤と
してフェノール樹脂を１ｇ、エタノールを１４０cc 加
え、SiCボールを用いてボールミルにて混合し混合粉体
のスラリーを得た。このスラリーを加圧含浸によって繊
維構造体に含浸した。この含浸体を１０~2Torr の真空
中で１０００℃で１時間の熱処理を行い仮焼結体とし
た。さらに、この仮焼体の上に、約２倍の重量の金属シ
リコンをのせ、１０~2Torr の真空中、１６００℃で１
時間の熱処理を行い反応焼結させた。このようにして製
造したセラミックス動翼及び静翼は、１５００℃で定格
回転数１１０００rpmの条件下でその健全性が確認され
た。
【００５３】（実施例１１）実施例１の試料番号３と同
様にして、原子力プラントの制御駆動機構用のガイドロ
ーラ及びピンを製造した。ガイドローラ及びピンの構成
を図４に示す。図のように、原子力プラントの制御駆動
機構においては、ガイドローラ２０がピン２１によって
ピン固定部２２の先端に回転自在に固定される。ガイド
ローラ２０とピン２１が置かれる雰囲気は高温となるの
で、ガイドローラ２０とピン２１には耐熱衝撃性が求め
られている。
様にして、原子力プラントの制御駆動機構用のガイドロ
ーラ及びピンを製造した。ガイドローラ及びピンの構成
を図４に示す。図のように、原子力プラントの制御駆動
機構においては、ガイドローラ２０がピン２１によって
ピン固定部２２の先端に回転自在に固定される。ガイド
ローラ２０とピン２１が置かれる雰囲気は高温となるの
で、ガイドローラ２０とピン２１には耐熱衝撃性が求め
られている。
【００５４】実際に耐熱衝撃性試験を行ったところ、Δ
T=２５０℃、１０００回の評価に耐え、更に４０kgf、
１０００回の衝撃にも耐えた。また、摺動距離２００
ｍ、圧子にかかる荷重５０kg/cm2、環境雰囲気３００℃
の高温水中での摺動試験を実施した結果、摩耗量が０.
２mg/cm2以下であり、現用のステライト＃３を上回る特
性を示した。
T=２５０℃、１０００回の評価に耐え、更に４０kgf、
１０００回の衝撃にも耐えた。また、摺動距離２００
ｍ、圧子にかかる荷重５０kg/cm2、環境雰囲気３００℃
の高温水中での摺動試験を実施した結果、摩耗量が０.
２mg/cm2以下であり、現用のステライト＃３を上回る特
性を示した。
【００５５】（実施例１２）繊維束５００本、熱伝導率
６００W/mKの炭素連続繊維を用いて、繊維の充填率が６
３％の一次元配向試料を実施例１の試料番号４と全く同
様の方法によって製造した。熱流速２０MW/m2の照射に
よっても健全であり、熱伝導率は３００W/mKを越えた。
６００W/mKの炭素連続繊維を用いて、繊維の充填率が６
３％の一次元配向試料を実施例１の試料番号４と全く同
様の方法によって製造した。熱流速２０MW/m2の照射に
よっても健全であり、熱伝導率は３００W/mKを越えた。
【００５６】核融合炉においては、図５に示すように、
真空容器２５内面に冷却基材パネル２６を介してプラズ
マ対向部材２７が取り付けられている。本実施例の炭化
けい素セラミックスは、このような核融合炉用のプラズ
マ対向部材に好適である。
真空容器２５内面に冷却基材パネル２６を介してプラズ
マ対向部材２７が取り付けられている。本実施例の炭化
けい素セラミックスは、このような核融合炉用のプラズ
マ対向部材に好適である。
【００５７】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、強度並び
に破壊靭性に優れた炭化けい素セラミックスを容易に得
ることができ、その炭化けい素セラミックスを、ガスタ
ービン用の動翼や静翼、原子力プラント用耐摩耗部材、
核融合炉用プラズマ対向部材等に適用することにより、
いわゆるエンジニアリングセラミックスの工業化に際し
て大きな効果がある。
に破壊靭性に優れた炭化けい素セラミックスを容易に得
ることができ、その炭化けい素セラミックスを、ガスタ
ービン用の動翼や静翼、原子力プラント用耐摩耗部材、
核融合炉用プラズマ対向部材等に適用することにより、
いわゆるエンジニアリングセラミックスの工業化に際し
て大きな効果がある。
【図１】本発明に係る炭化けい素セラミックスの典型的
な材料組織の模式図である。
な材料組織の模式図である。
【図２】ガスタービン用の動翼の斜視図である。
【図３】ガスタービン用の静翼の斜視図である。
【図４】原子力プラントの燃料棒制御駆動用ガイドロー
ラとピンを示した図である。
ラとピンを示した図である。
【図５】核融合炉用のプラズマ対向部材を示した図であ
る。
る。
【図６】従来の「ナノ複合セラミックス」の典型的な材
料組織の模式図である。
料組織の模式図である。
１ マトリックス ２ 単一酸化物 ３ マトリックスの結晶方位を受けて成長した結晶 ４ 複合酸化物 ５ ナノ粒子 １０ ガスタービン用の動翼 １１ 翼部 １２ プラットホーム部 １５ ガスタービン用の静翼 １６ 翼部 ２０ ガイドローラ ２１ ピン ２２ ピン固定部 ２５ 真空容器 ２６ 冷却基材パネル ２７ プラズマ対向部材
───────────────────────────────────────────────────── 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 35/56 １０１Ｃ (72)発明者 沢井 裕一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 前田 邦裕 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内
Claims (13)
- 【請求項１】 Al-Si-Oの化合物、Zr-Si-Oの化合物、Ln
-Si-O（Ln はランタン系列およびアクチニウム系列の元
素並びにＹを表す）の化合物の少なくとも１つの酸化物
を結晶粒界に含むことを特徴とする炭化けい素セラミッ
クス。 - 【請求項２】 請求項１記載の炭化けい素セラミックス
において、Al-Si-Oの化合物はムライト（3Al2O3・2Si
O2)、Zr-Si-Oの化合物はジルコン（ZrSiO4）、Ln-Si-O
の化合物は Ln2Si2O7(Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Yb
の少なくとの１つ）であることを特徴とする炭化けい素
セラミックス。 - 【請求項３】 ムライト(3Al2O3・2SiO2)、ジルコン（Zr
SiO4）、 Ln2Si2O7(Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Ybの
少なくとの１つ）の少なくとも１つを結晶粒界に含むと
ともに、前記結晶粒界を含めた焼結体全体に、炭素繊
維、炭化けい素繊維、炭化けい素ウィスカ、炭化けい素
短繊維、窒化けい素ウィスカ、窒化けい素短繊維の少な
くとも１つを含むことを特徴とする炭化けい素セラミッ
クス。 - 【請求項４】 請求項３記載の炭化けい素セラミックス
において、炭素繊維、炭化けい素繊維、炭化けい素ウィ
スカ、炭化けい素短繊維、窒化けい素ウィスカ、窒化け
い素短繊維の少なくとも１つが焼結体全体で占める体積
割合は６０％以下であることを特徴とする炭化けい素セ
ラミックス。 - 【請求項５】 請求項２又は３記載の炭化けい素セラミ
ックスにおいて、前記結晶粒界にムライトが存在する場
合には少なくともアルミナが、ジルコンが存在する場合
には少なくともジルコニアが、Ln2Si2O7が存在する場合
には少なくともLn2O3(Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Yb
の少なくとの１つ）が当該結晶粒界に共存していること
を特徴とする炭化けい素セラミックス。 - 【請求項６】 請求項５記載の炭化けい素セラミックス
において、ムライト／(アルミナ＋ムライト)、ジルコン
／(ジルコニア＋ジルコン)、またはLn2Si2O7／(Ln2O2＋
Ln2Si2O7）の体積割合は１０％以上で９０％以下である
ことを特徴とする炭化けい素セラミックス。 - 【請求項７】 請求項５又は６記載の炭化けい素セラミ
ックスにおいて、アルミナ及びムライト、ジルコン及び
ジルコニア、またはLn2Si2O7及びLn2O3が焼結体全体で
占める体積割合は２％以上で４０％以下であることを特
徴とする炭化けい素セラミックス。 - 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載の炭化け
い素セラミックスを、一部または全体に用いたガスター
ビン用の動翼。 - 【請求項９】 請求項１〜７のいずれかに記載の炭化け
い素セラミックスを、一部または全体に用いたガスター
ビン用の静翼。 - 【請求項１０】 請求項１〜７のいずれかに記載の炭化
けい素セラミックスを、一部または全体に用いた原子力
プラント用耐摩耗部材。 - 【請求項１１】 請求項１〜７のいずれかに記載の炭化
けい素セラミックスを、一部または全体に用いた核融合
炉用プラズマ対向部材。 - 【請求項１２】 炭素粉末と、炭化けい素粉末と、アル
ミナ（Al2O3)、ジルコニア（ZrO2）、希土類酸化物（ L
n2O3（ Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Ybの少なくとの
１つ））の少なくとも１つを含む粉末とを混合する混合
工程と、その混合粉末に圧力を加えて所定形状の圧粉体
を成形する成形工程と、この圧粉体を非酸化雰囲気で熱
処理して仮焼結体とする熱処理工程と、前記仮焼結体を
熱処理して溶融状態の金属けい素を含浸させる含浸工程
と、を有する炭化けい素セラミックスの製造方法。 - 【請求項１３】 炭素粉末と、炭化けい素粉末と、アル
ミナ（Al2O3)、ジルコニア（ZrO2）、希土類酸化物（ L
n2O3（ Lnは Y，La，Ce，Sm，Ho，Er，Ybの少なくとの
１つ））の少なくとも１つを含む粉末とを混合する混合
工程と、その混合粉末を、炭素繊維、炭化けい素繊維、
炭化けい素ウィスカ、炭化けい素短繊維、窒化けい素ウ
ィスカ、窒化けい素短繊維の少なくとも１つを含む繊維
構造体に充填する充填工程と、前記混合粉末が充填され
た前記繊維構造体を非酸化雰囲気で熱処理して仮焼結体
とする熱処理工程、前記仮焼結体を熱処理して溶融状態
の金属けい素を含浸させる含浸工程と、を有する炭化け
い素セラミックスの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7221750A JP2926468B2 (ja) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | 炭化けい素セラミックスおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7221750A JP2926468B2 (ja) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | 炭化けい素セラミックスおよびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0967165A true JPH0967165A (ja) | 1997-03-11 |
| JP2926468B2 JP2926468B2 (ja) | 1999-07-28 |
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ID=16771635
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7221750A Expired - Fee Related JP2926468B2 (ja) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | 炭化けい素セラミックスおよびその製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2926468B2 (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0987232A2 (en) * | 1998-09-16 | 2000-03-22 | Research Institute Of Advanced Material Gas-Generator, Ltd. | Matrix for high-performance ceramic matrix composite |
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-
1995
- 1995-08-30 JP JP7221750A patent/JP2926468B2/ja not_active Expired - Fee Related
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