JPH10101445A - セラミックス基繊維複合材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】微視的にみた場合も含めてより一層の等方的な
破壊靭性を取得可能な繊維構造を構築し、破壊靭性の低
い部分からの破壊の発生及び進展を抑制する。 【解決手段】セラミックス基繊維複合材料１は、反応焼
結で形成されたＳｉＣを主相とするマトリックス２と、
このマトリックス２中に複合化させたＳｉＣセラミック
スの繊維３とで成る。繊維３は、単繊維４を束ねた第１
繊維束３ａを更に束ねて成る第２繊維束３ｂを構成単位
とし、この第２繊維束３ｂをＸＹＸの三軸方向に製織し
た三次元構造体で成る。この構造体内に単繊維４を第１
繊維束３ａ内の複数箇所の分岐位置から枝状に分岐させ
て成る枝状繊維４ａを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガスタービン等
の燃焼器、動翼、静翼等の高温部品用材料に使用される
セラミックス基繊維複合材料およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、セラミックス焼結体は、高温ま
での強度低下が少なく、硬度、電気絶縁性、耐摩耗性、
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、このセラミックス焼結体は、圧縮
に比べて引張りの応力に弱く、特に欠陥が潜在する場合
には、その欠陥部分に応力が集中して破壊が一気に進行
する、いわゆる脆性という欠点を有している。実際に、
セラミックス部品は異物の衝突等で破壊しやすく、この
ことがガスタービン部品等への実用化の大きな妨げとな
っている。従って、セラミックス部品を高信頼性が要求
される部位に適用するためには、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要求
されている。

【０００４】そこで、このような要求を受けて、近年、
セラミックス基複合材料（ＣＭＣ）の研究・開発が盛ん
に行われている。この中でも、特に連続長繊維を強化素
材として用いた複合材は、破壊靭性や破壊エネルギーの
増大効果に優れ、信頼性をより一層高めるものとして、
また、炭化ケイ素（ＳｉＣ）をマトリックスとして用い
た複合材料は、高い耐熱性を有することから高温用構造
部材を構成する有望な材料として、脚光を浴びている。

【０００５】このような繊維をＳｉＣマトリックスに複
合化させたセラミックス基繊維複合材料として、近年、
提案されている一例を図４に基づいて説明する。

【０００６】図４に示す複合材料１００は、反応焼結で
形成されたＳｉＣを主相としたセラミックスマトリック
ス（以下、単に「マトリックス」）１０１と、このマト
リックス１０１中に複合化させたＳｉＣから成るセラミ
ックス繊維（以下、単に「繊維」）１０２とで成り、こ
の繊維１０２は、例えば２５〜３０本の単繊維１０３を
束ねた第１繊維束１０２ａを更に束ねた第２繊維束１０
２ｂを構成単位とし、この第２繊維束１０２ｂをＸＹＺ
の三軸方向に配置させた三次元構造体で構成している。

【０００７】この複合材料の製造方法を説明すると、ま
ず、ＳｉＣから成る繊維の表面に予め厚さが約０．２〜
２μｍのＢＮ層をコーティングし、この単繊維を５００
〜１２，０００本程度有する繊維束から第１の予備成形
体を製織する。この製織構造は、破壊靭性の等方性を得
るためにＸＹＺの三軸方向に繊維を配置させた直交三次
元構造となる。

【０００８】次いで、この第１の予備成形体内にスリッ
プキャスト法等の湿式法を用いてセラミックス原料粉末
（ＳｉＣ粉末、Ｃ粉末）を充填し、繊維と原材料粉末と
からなる第２の予備成形体を作製する。その後、この第
２の予備成形体を真空中で１４２０〜１５００℃に加熱
し、溶融Ｓｉを含浸させて成形体中のＣ成分との反応焼
結を行わせることにより、ＳｉＣを主相としたマトリッ
クス１中に繊維２を複合化させたセラミックス基繊維複
合材料を得る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来例で提案されているセラミックス基繊維複合材料
は、繊維束の直交三次元構造により破壊靭性の等方性を
得るようにしているが、この場合の等方性は必ずしも微
視的な場合を意識したものでなかった。

【００１０】この複合材料を微視的にみた場合には、例
えば三軸間、繊維束間、および繊維束内における各繊維
間の関係は、厳密に言えば等方的なものではない。特に
繊維束内では、互いに平行配置される単繊維間に繊維が
存在しないため、この繊維間の破壊靭性が低くなる傾向
にあった。

【００１１】このように複合材料中に微視的に破壊靭性
が低い部分が存在すれば、その部分が起点となってクラ
ックが進展しやすく、例えば繊維束内や、繊維間にクラ
ックが生じたり、それに伴って剥離が発生した場合に破
壊靭性の低い部分に沿った破壊進行を有効に抑制できな
いといった問題が生じてしまう。

【００１２】この発明は、このような従来の問題を考慮
してなされたもので、微視的にみた場合も含めてより一
層の等方的な破壊靭性を取得可能な繊維構造を構築し、
破壊靭性の低い部分からの破壊の発生及び進展を抑制す
ることを、目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するため、微視的にみた場合も含めて破壊靭性の等
方性を得る対策として、ＸＹＺの三軸方向に沿った繊維
配置に加え、その他の方向を含めた多軸方向の繊維配置
が可能な構造について種々の検討および研究を行ってき
た。

【００１４】このような多軸方向の繊維配置について
は、例えば長繊維を束ねた繊維束を用いて直交三次元構
造を構築するほか、これに短繊維やウィスカーを適宜に
混合させる方法が想到される。しかしながら、この場合
には、長繊維とは別途に短繊維などが必要であること、
また製造工程も複雑になり、材料全体が比較的高価なも
のになるといった難点があった。

【００１５】そこで、本発明者は、短繊維などの混合工
程を必要とせずに比較的簡素な工程で多軸方向の繊維配
置を構築するため、直交三次元構造を成す繊維束を活用
すること、特に有効な繊維束の活用方法として繊維束か
ら単繊維を枝状に分岐させることに着目した。この結
果、このように分枝させた繊維（以下、「枝状繊維」と
よぶ）を積極的に活用することにより、微視的にみた場
合を含めた多軸方向の繊維配置を比較的簡素に構築で
き、従って繊維複合材料の破壊靭性をより一層等方的に
高め、これにより、例えば破壊靭性の低い部分を起点と
した破壊の発生および進展をより有効に抑制できる知見
を得た。

【００１６】即ち、この発明に係るセラミックス基繊維
複合材料は、セラミックスのマトリックスと、このマト
リックス中に複合化させたセラミックスの繊維とで構成
し、この繊維は、単繊維を束ねた繊維束で構成された構
造体で成り且つこの構造体内に上記単繊維を当該繊維束
内の複数箇所の分岐位置から枝状に分岐させて成る枝状
繊維を備えたことを特徴とする。ここで、マトリックス
と繊維との界面には、マトリックスに対して繊維のすべ
りを発現させるＢＮなどの界面層（すべり層）が存在す
ることが望ましい。

【００１７】前記複数箇所の分岐位置は、好ましくは前
記繊維束の長さ１０ｃｍに対して当該繊維束を成す繊維
数の３０％以下（０％を除く）の個数で定めた複数箇所
の分岐位置とする。この分岐位置数（繊維束内の単繊維
の分岐数量）が多ければ、多軸方向での破壊靭性の向上
が期待でき、より等方的に破壊靭性を向上させることが
できるが、上記の３０％を超える場合には、繊維束の配
置に基づくＸＹＺの三軸方向の破壊靭性が減少し、この
方向を含めた多軸方向の等方的な破壊靭性を確保できな
いためである。

【００１８】ここで、分岐位置数の下限値としては、望
ましくは上記の１０ｃｍあたりで単繊維数の１％以上が
必要であり、好ましくは５％以上、更に好ましくは２０
％以上に相当する数量とする。例えば、単繊維数の５％
以下の場合には、期待される等方的な破壊靭性を得るこ
とが難しい。従って、多軸方向に等方的な破壊靭性を得
るには、好ましくは分岐位置数が繊維束の長さ１０ｃｍ
あたりに単繊維数の５％以上３０％以下、更に好ましく
は２０％以上３０％以下とする。

【００１９】前記繊維は、好ましくはセラミックス繊維
であり、更に好ましくはＳｉＣを主成分とする繊維とす
る。この繊維表面には、上記のＢＮなどの界面層（すべ
り層）をコーティングすることが望ましい。

【００２０】前記セラミックスのマトリックスは、好ま
しくは反応焼結で形成された炭化ケイ素を主相とするマ
トリックスとする。

【００２１】この発明に係るセラミックス基繊維複合材
料は、例えばガスタービンの燃焼器ライナー、トランジ
ションピース、動翼、静翼などの高温部品用材料として
使用することで、上記の等方的な破壊靭性に関する特性
をより最大限に発揮させることができる。

【００２２】上記の複合材料は、例えば以下の方法で製
造できる。

【００２３】即ち、この発明に係るセラミックス基繊維
複合材料の製造方法は、単繊維を束ねた繊維束内の複数
箇所の分岐位置から当該単繊維を枝状に分岐させて枝状
繊維を形成し、この枝状繊維を含む繊維束を製織して形
状物を作製し、この形状物内の繊維間にセラミックスの
マトリックスを形成することを特徴とする。

【００２４】前記枝状繊維を形成する工程として、好ま
しくは前記単繊維を束ねた繊維束を当該単繊維の折損曲
率に基づく曲率で湾曲させることにより、上記単繊維を
前記複数箇所の分岐位置で折損させる工程を用いる。

【００２５】例えば、単繊維の折損曲率に基づく曲率に
沿った側面を有する円筒柱を使用し、この円筒柱の側面
に繊維束を所定回数巻き付けて単繊維を部分的に折損さ
せることにより、枝状繊維を作製する。この場合の円筒
柱の巻き付け回数は、所望の枝状繊維数が得られる範囲
内で少ない方が好ましく、例えば５回を超える場合には
上記のＢＮ膜の剥離を招きやすいため、望ましくは１回
以上５回以下とする。

【００２６】前記単繊維の折損曲率に基づく曲率とし
て、好ましくは当該単繊維の折損曲率の１．１倍以上
１．４倍以下の曲率を用いる。この曲率が単繊維の折損
曲率の１．１倍よりも小さい場合には、単繊維の大部分
が折損してしまい、また１．４倍よりも大きい場合に
は、例えば上述の円筒柱を用いる場合の巻き付け回数、
即ち接触回数を増やす必要があり、このように円筒柱に
過度に接触させることで、例えば繊維表面にコーティン
グしたＢＮ膜などの剥離を招くといった不都合が生じや
すいためである。

【００２７】なお、上記のように繊維束を所定の曲率で
湾曲させる方法のほか、枝状繊維の作製方法としては、
外部から繊維束に衝撃を加える方法などを用いてもよ
い。例えば次のような方法が適用できる。すなわち、繊
維束を製織して形状物を作製する過程で、繊維束を他部
材に摺動させあるいは繊維束相互に摺動させて枝状繊維
を生成させる方法や、製織加工後の形状物に木槌等によ
り衝撃を加える方法である。後者の方法の場合、具体的
には、５〜７kg／cm² 程度の力で１０〜３０回程度衝撃
を加える。衝撃力が弱いと、枝状繊維の生成が充分でな
く、強すぎると繊維表面の界面層（ＢＮ層）の剥離を生
ずるため上記の範囲が望ましい。また、衝撃回数が少な
いと繊維の分岐が充分でなく、多すぎると界面層（ＢＮ
層）の剥離を生ずるため上記の範囲がよい。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係るセラミック
ス基繊維複合材料およびその製造方法の実施形態を具体
的に説明する。

【００２９】図１に示すセラミックス基繊維複合材料
（以下、単に「複合材料」とよぶ）１は、反応焼結で形
成されたＳｉＣを主相とするマトリックス２と、このマ
トリックス２中に複合化させたＳｉＣから成る繊維３と
で成るものである。

【００３０】繊維３は、２５本の単繊維４を束ねた第１
繊維束３ａを更に５００本の単繊維４となるように束ね
て構成した第２繊維束３ｂを構成単位とし、この第２繊
維束３ｂをＸＹＺの三軸方向の夫々に製織して成る三次
元構造体で構成されている。この構造体を成す繊維３内
には、第１繊維束３ａ内の複数箇所の分岐位置から単繊
維４を枝状に分岐させて成る複数の枝状繊維４ａが含ま
れている。

【００３１】この複合材料の製造方法を図２及び図３に
基づいて説明する。

【００３２】まず、ＳｉＣ系繊維（日本カーボン株式会
社製、商品名：ハイニカロン）４を２５本束ねた第１繊
維束３ａを準備し、これを単繊維４の折損曲率の１．１
〜１．４倍に相当する曲率に沿った外周面を有する円筒
柱に２〜５回巻き付けることにより、図２および図３に
示すように、第１繊維束３ａ中の単繊維４を複数箇所の
分岐位置から部分的に折損させ、そこから枝状に分岐さ
せた枝状繊維４ａを形成する。この枝状繊維４ａの分岐
位置数としては、繊維束１０ｃｍあたりに５〜７か所、
即ち単繊維数（２５本）の２０〜３０％に相当するもの
を用いる。

【００３３】次いで、この枝状繊維４ａを含む第１繊維
束３ａを更に束ねて５００本の単繊維４から成る第２繊
維束３ｂを形成する。ここで、第２繊維束３ｂ内の枝状
繊維４ａの分岐位置数は、繊維束１０ｃｍあたりに１０
０〜１４０か所となる。

【００３４】このように枝状繊維４ａを含む第２繊維束
３ｂをＸＹＺの直交三次元方向に製織して所定形状の予
備成形体を作製し、この予備成形体を石膏製の型に入
れ、これに反応焼結用スラリーを流し込む。このスラリ
ーとしては、純水中に分散剤、カーボン粒子、およびＳ
ｉＣ粒子を添加・分散させたものを使用する。

【００３５】その後、スラリー中の水分が型に吸収され
る一方、スラリー中に残るカーボン粒子およびＳｉＣ粒
子が予備成形体内に着肉されて、成形体が作製される。
この成形体を室温で１〜２日放置して乾燥させ、水分を
完全に除去し、その後、真空中で成形体中に溶融Ｓｉを
含浸させ、この溶融Ｓｉと成形体中のカーボン粒子と互
いに反応焼結させることにより、Ｓｉ−ＳｉＣマトリッ
クス２中に繊維３を複合化させた複合材料を得る。

【００３６】従って、この複合材料は、繊維束の三次元
構造に基づくＸＹＺの三軸方向の繊維配置に加え、繊維
束の枝状繊維による多軸方向の繊維配置を構築したた
め、微視的にみた場合の破壊靭性の多軸方向間の高低の
ばらつきを抑制し、その結果、多軸方向により均質で等
方的な破壊靭性を備えたものとなっている。

【００３７】そこで、この複合材料の破壊靭性の等方性
を調べるため、上記製造条件で得られた複合材料を実施
例として試験片形状に加工し、その破壊靭性値を測定し
た。この測定は、繊維束の三次元構造に基づく三軸方向
（以下、「０度方向」）及びこの方向に対して４５度傾
けた方向（以下、「４５度方向」）の２つの方向で行っ
た。比較のため、枝状繊維を含まない従来例について
も、同様の測定を行った。この測定結果を表１に示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】この表１に示すように、実施例では、破壊
靭性値が０度方向の場合に６．３ＭＰａｍ^1/2 、４５度
方向の場合に６．４ＭＰａｍ^1/2 であり、両者の差が
０．１ＭＰａｍ^1/2 と小さく、多軸方向にほぼ等方的な
破壊靭性を示すことが確認された。これに対し、従来例
では、破壊靭性値が０度方向の場合に実施例よりも減少
して６．０ＭＰａｍ^1/2 、４５度方向の場合に実施例よ
りも上昇して６．８ＭＰａｍ^1/2 であり、実施例と比べ
て両者の差が０．８ＭＰａｍ^1/2 と大きかった。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、繊維束からの枝状繊維を用いた多軸方向の繊維配置
を構築したため、多軸方向にほぼ均質で等方的な破壊靭
性を得ることができ、例えば繊維束内などの破壊靭性の
低い部分を起点した破壊の発生および進展をより効果的
に抑制することができる。この効果は、特に高温度下で
高信頼性が要求されるガスタービン部品等の構造材料に
適用した場合に最大限に発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るセラミックス基繊維複合材料の
構成を説明する概念図。

【図２】枝状繊維の作製方法を説明する概略斜視図。

【図３】枝状繊維の作製方法を説明する概略側面図。

【図４】従来のセラミックス基繊維複合材料の構成を説
明する概念図。

【符号の説明】

１ セラミックス基繊維複合材料 ２ マトリックス ３ 繊維 ３ａ 第１繊維束 ３ｂ 第２繊維束 ４ 単繊維 ４ａ 枝状繊維

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックスのマトリックスと、このマ
   トリックス中に複合化させた繊維とで構成し、この繊維
   は、単繊維を束ねた繊維束で構成された構造体で成り且
   つこの構造体内に上記単繊維を上記繊維束内の複数箇所
   の分岐位置から枝状に分岐させて成る枝状繊維を備えた
   ことを特徴とするセラミックス基繊維複合材料。
2. 【請求項２】 前記複数箇所の分岐位置は、前記繊維束
   の長さ１０ｃｍに対して当該繊維束を成す繊維数の３０
   ％以下（０％を除く）の個数で定めた複数箇所の分岐位
   置である請求項１記載のセラミックス基繊維複合材料。
3. 【請求項３】 前記繊維は、セラミックス繊維である請
   求項１又は２記載のセラミックス基繊維複合材料。
4. 【請求項４】 前記セラミックス繊維は、ＳｉＣを主成
   分とする繊維である請求項３記載のセラミックス基繊維
   複合材料。
5. 【請求項５】 前記セラミックスのマトリックスは、反
   応焼結で形成されたＳｉＣを主相とするマトリックスで
   ある請求項１乃至４のいずれか１項記載のセラミックス
   基繊維複合材料。
6. 【請求項６】 単繊維を束ねた繊維束内の複数箇所の分
   岐位置から当該単繊維を枝状に分岐させて枝状繊維を形
   成し、この枝状繊維を含む繊維束を製織して形状物を作
   製し、この形状物内の繊維間にセラミックスのマトリッ
   クスを形成することを特徴とするセラミックス基繊維複
   合材料の製造方法。
7. 【請求項７】 前記枝状繊維を形成する工程として、前
   記単繊維を束ねた繊維束を当該単繊維の折損曲率に基づ
   く曲率で湾曲させることにより、上記単繊維を前記複数
   箇所の分岐位置で折損させる工程を用いる請求項６記載
   のセラミックス基繊維複合材料の製造方法。
8. 【請求項８】 前記単繊維の折損曲率に基づく曲率とし
   て、当該単繊維の折損曲率の１．１倍以上１．４倍以下
   の曲率を用いる請求項７記載のセラミックス基繊維複合
   材料の製造方法。