JPH10194864A

JPH10194864A - 軽量ｃｍｃ吸音材とその製造方法

Info

Publication number: JPH10194864A
Application number: JP8349894A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Oishi; 勉大石; Yoshinari Nakamura; 良也中村; Hiroya Ishizuka; 博弥石塚; Takeo Sasaki; 丈夫佐々木
Original assignee: IHI Corp; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: IHI Corp; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 1998-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】軽量で耐熱衝撃性に優れ、吸音性能が高く、
かつジェットエンジンのガスジェットに耐えることがで
きる軽量ＣＭＣ吸音材とその製造方法を提供する。【解決手段】軽量ＣＭＣ吸音材が、ＳｉＣウィスカー
１１を含むアルミナ系セラミックス１２からなる。この
アルミナ系セラミックス１２は、気孔率が８０〜９２％
の多孔体であり、表面付近に平均５０〜４５０μｍの気
孔を有しかつ裏面に近づくにつれて気孔が大きくなり、
裏面付近で平均５００〜３４００μｍの気孔径に至る傾
斜配向した気孔が存在する。この吸音材は、アルミナ系
セラミックス粉粒体、ＳｉＣウィスカー１１と分散剤、
有機バインダー及び起泡剤を含有する水溶液を混合して
発泡スラリーを形成し、該スラリーを型枠に流し込み、
ついで気孔同士の集合による気孔径の増加制御を行いな
がら、脱水乾燥し、脱型、脱脂、焼成することにより製
造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジェットエンジン
の排気ノズル等に用いられ、軽量かつ耐熱衝撃性及び吸
音性に優れた軽量ＣＭＣ吸音材とその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ジェットエンジンの排気ノズル等に用い
る吸音材として、図４に例示するハニカム構造吸音材が
従来用いられている。このハニカム構造吸音材は、耐熱
合金のハニカム１、孔開き板２及び背面板３からなり、
ヘルムホルツ共鳴器構造のリアクティブ形であり、媒体
の運動に基づく壁面摩擦、運動量による損失によりエネ
ルギーを散逸させるものである。

【０００３】しかし、かかるハニカム構造吸音材は、高
温（例えば７００〜８００Ｋ以上）の排ガスにより、孔
開き板２や内部のハニカム１やその背面板３が過熱され
たり、大きく熱変形する問題点があった。すなわち、孔
開き板２は例えばステンレスやアルミニウムの板からな
るので、過熱により損傷や熱変形を受け、更にハニカム
１とのロウ付け部が剥がれることがあった。また、この
吸音構造では、吸音できる騒音の帯域が狭く、ジェット
エンジンのような広帯域の騒音（例えば１０００〜３０
００Ｈｚ）が十分消音できない問題点があった。

【０００４】一方、多孔質層、繊維質層からなる抵抗形
の吸音材が知られており、種々の吸音材が提案されてい
る（例えば、特開昭６１−１４３５０１号、特開昭６１
−４４１０２号、特開平６−４２０７１号、特開平６−
２４７７７８号）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開昭６１−
１４３５０１号の「多孔質吸音材の製造方法」及び特開
昭６１−４４１０２号の「軽量高強度吸音材」は、金属
粒子を構成材料とし、かつ残存する気孔率が２０〜５０
％と低いため、耐熱強度が低くかつ比重量が大きく重量
がかさむ問題点がある。

【０００６】また、特開平６−４２０７１号の「セラミ
ック製吸音材」は、セラミックスを構成材料とするた
め、耐熱強度は高いが、全体が均質なため、耐熱衝撃性
に乏しく、クラックが入りやすい問題点があった。更
に、特開平６−２４７７７８号の「傾斜配向した気孔を
もつ軽量セラミックス成形体及びその製造方法」では、
傾斜配向によりクラックの進展を遅らせることができる
が、吸音性能が不十分であり、かつジェットエンジンに
適用した場合にガスジェットにより表面が過熱される
と、クラックにより飛散しやすい問題点があった。

【０００７】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、軽量で耐熱衝撃性に優れ、吸音性能が高く、かつジ
ェットエンジンのガスジェットに耐えることができる軽
量セラミックス吸音材とその製造方法を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の発明者等は、流
れ抵抗を大きくすると吸音率が向上することに着目し、
嵩比重を変えずに炭化珪素繊維を添加することにより流
れ抵抗を制御することにより、重量をほとんど変えるこ
となく吸音率を向上させることに成功した。本発明はか
かる新規の知見に基づくものである。

【０００９】すなわち、本発明によれば、ＳｉＣウィス
カーを含むアルミナ系セラミックスからなり、気孔率が
８０〜９２％の多孔体であり、表面付近に平均５０〜４
５０μｍの気孔を有しかつ裏面に近づくにつれて気孔が
大きくなり、裏面付近で平均５００〜３４００μｍの気
孔径に至る傾斜配向した気孔が存在する、ことを特徴と
する軽量ＣＭＣ吸音材が提供される。

【００１０】上記本発明の構成によれば、アルミナ系セ
ラミックスが８０〜９２％の気孔を有するため軽量であ
り、かつＳｉＣウィスカー（炭化珪素繊維）で強化され
ているので、耐熱衝撃性にも優れており、ガスジェット
に直接曝されても長時間耐えることができる。更に、表
面付近に平均５０〜４５０μｍの気孔を有しかつ裏面に
近づくにつれて気孔が大きくなり、裏面付近で平均５０
０〜３４００μｍの気孔径に至る傾斜配向した気孔が存
在するので、局所的にクラックが発生しても、発生した
クラックは表層に進むにしたがって進展が遅くなり、更
に、ＳｉＣウィスカー（炭化珪素繊維）で強化されてい
るので、耐熱衝撃性を更に高めることができ、表層に亀
裂が生じにくい。

【００１１】また、本発明によれば、アルミナ系セラミ
ックス粉粒体、ＳｉＣウィスカーと分散剤、有機バイン
ダー及び起泡剤を含有する水溶液を混合して発泡スラリ
ーを形成し、該スラリーを型枠に流し込み、ついで気孔
同士の集合による気孔径の増加制御を行いながら、脱水
乾燥し、脱型、脱脂、焼成することを特徴とする軽量Ｃ
ＭＣ吸音材の製造方法が提供される。

【００１２】この方法により、ＳｉＣウィスカー（炭化
珪素繊維）をアルミナ系セラミックスと一体化でき、か
つ型の材質や型の吸水速度を変化させて脱水乾燥を制御
することにより、気泡の成長を制御し、これにより緻密
層の形成と同時に傾斜配向した気孔の形成ができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。図１は、本発明による軽量
ＣＭＣ吸音材の模式的構成図である。この図に示すよう
に、本発明の軽量ＣＭＣ吸音材１０は、ＳｉＣウィスカ
ー１１を含むアルミナ系セラミックス１２からなるセラ
ミックス系複合材料である。アルミナ系セラミックス１
２は、気孔率が８０〜９２％の多孔体であり、表面付近
に平均５０〜４５０μｍの気孔を有しかつ裏面に近づく
につれて気孔が大きくなり、裏面付近で平均５００〜３
４００μｍの気孔径に至る傾斜配向した気孔が存在して
いる。

【００１４】また、ＳｉＣウィスカー１１は、炭化珪素
繊維であり、アルミナ系セラミックス１２に一体に成形
され、アルミナ系セラミックス１２を耐熱性、引張強度
の高い炭化珪素繊維で繊維強化している。

【００１５】上記本発明の構成によれば、アルミナ系セ
ラミックス１２が８０〜９２％の気孔を有するため軽量
であり、かつＳｉＣウィスカー１１（炭化珪素繊維）で
強化されているので、耐熱衝撃性にも優れており、ガス
ジェットに直接曝されても長時間耐えることができる。
更に、表面付近に平均５０〜４５０μｍの気孔を有しか
つ裏面に近づくにつれて気孔が大きくなり、裏面付近で
平均５００〜３４００μｍの気孔径に至る傾斜配向した
気孔が存在するので、局所的にクラックが発生しても、
発生したクラックは表層に進むにしたがって進展が遅く
なり、更に、ＳｉＣウィスカー（炭化珪素繊維）で強化
されているので、耐熱衝撃性を更に高めることができ、
表層に亀裂が生じにくい。

【００１６】また、本発明の軽量ＣＭＣ吸音材の製造方
法は、アルミナ系セラミックス粉粒体、ＳｉＣウィスカ
ーと分散剤、有機バインダー及び起泡剤を含有する水溶
液を混合して発泡スラリーを形成し、該スラリーを型枠
に流し込み、ついで気孔同士の集合による気孔径の増加
制御を行いながら、脱水乾燥し、脱型、脱脂、焼成する
ことを特徴とするもので、ＳｉＣウィスカー（炭化珪素
繊維）をアルミナ系セラミックスと一体化でき、かつ型
の材質や型の吸水速度を変化させて脱水乾燥を制御する
ことにより、気泡の成長を制御し、これにより緻密層の
形成と同時に傾斜配向した気孔の形成ができ、比較的容
易かつ安価に傾斜配向した吸音材を製造することができ
る。

【００１７】本発明において、アルミナ系セラミックス
多孔体中にＳｉＣウィスカーを含有させることにより補
強されると共に連続気孔が得られ、炭化珪素繊維の長短
により気孔率及び気孔径を制御することができ、長い繊
維を含有するときは、気孔率及び気孔径が小となり、短
い繊維を含有するときは、気孔率及び気孔径は大とな
る。また鋳込み型の材質及び吸水速度を変化させて脱水
乾燥速度を制御することにより気泡の成長を制御でき
る。これを利用して、その気孔に傾斜配向性を持たせる
ことにより、耐熱衝撃性や強度が大幅に上昇する。

【００１８】以下、本発明について更に詳細に説明す
る。本発明の軽量ＣＭＣ吸音材のセラミックス成分は、
アルミナ系に制限され、粉末又は粉末状で用いるのが好
ましい。また、このアルミナ系セラミックスには炭化珪
素繊維を含有している。炭化珪素繊維には、長繊維、短
繊維、ウィスカーがあるが、特に理想強度に近い強度を
有し、かつセラミックス内への一体化が比較的容易であ
るＳｉＣウィスカー（炭化珪素繊維）を用いるのがよ
い。また、この無機質繊維は、繊維状のものや環状体、
網目状のもの等の適宜の形状にして用いられ、好ましく
は繊維状又は網目状に形成したものがよい。炭化珪素繊
維の添加量によって補強の程度を用途に応じて調整する
ことができ、また繊維の長短によって気孔率を上下させ
ることができる。炭化珪素繊維の添加量としては、セラ
ミックス原料に対して３重量％〜３０重量％であり、好
ましくは５重量％〜２０重量％。炭化珪素繊維の添加量
が３重量％未満では補強効果に乏しくまた連続孔の形成
ができない。また３０重量％を超えるこ、同様に補強効
果がかえって減少する。

【００１９】本発明では、繊維状のものとして、短繊維
乃至長繊維が用いられ、繊維の長短によって気孔率を上
下させることが容易にできる。繊維の長さは１５μｍ〜
１００μｍが好ましい。この繊維長が短くなると、気孔
率及び気孔径が大となり、長くなると、気孔率及び気孔
径が小となる。したがって、繊維の長さが１０μｍ未満
では、繊維による補強効果が期待できない上に気孔の制
御が困難になる。

【００２０】本発明の軽量ＣＭＣ吸音材では、その気孔
率が８０〜９２％で、表面付近に平均５０〜４５０μｍ
の気孔を有しかつ裏面に近づくにつれて気孔が大きくな
り、裏面付近で平均５００〜３４００μｍの気孔径に至
る傾斜配向した気孔が存在するものである。本発明の軽
量セラミックス吸音材の表面付近には、平均５０〜４５
０μｍの気孔を有しかつ炭化珪素繊維で補強されている
ので、強度が高くまたこの炭化珪素繊維の長短により気
孔率を制御できる。本発明では、表面付近から裏面付近
に至る厚さ方向に対して気孔径が傾斜配向されている
が、気孔率が８０％未満の場合には、軽量体としての特
性を発揮できなくなり、一方９２％を越えると強度が低
下して好ましくない。

【００２１】本発明では、表面付近に１０〜５００μｍ
の気孔を有するが、気孔径が１０μｍ未満のときは、吸
音材としての特性がでないばかりか軽量性に欠ける点で
好ましくなく、５００μｍを越えると傾斜傾向の効果が
減少しまた強度の低下や鋳込み中の割れの原因となりや
すく好ましくない。また裏面付近で平均５００〜３４０
０μｍの気孔径を有することにより、顕著な傾斜配向し
た吸音材が得られ、実用的にも許容される強度が得られ
る。したがって、最大５０００μｍの気孔径を越えると
強度の低下を招き好ましくない。気孔の形状は特に限定
されないが、球形に近いものが好ましく、この球形の気
孔は接触部が点で接続されている形で気孔は連結してお
り、連続気孔を形成していることが好ましい。

【００２２】本発明の吸音材は裏面から表層に向かって
気孔径が小さくなる傾斜配向を有するため、発生したク
ラックは表層に進むにしたがって進展が遅くなるので、
熱衝撃による軽量ＣＭＣ吸音材の剥離や表面クラックが
非常に少なく、極めて耐熱衝撃性が優れるものである。

【００２３】次に、本発明の軽量ＣＭＣ吸音材の製造方
法について説明する。最初にセラミックススラリーの調
製を行う。上記したような酸化物アルミナ系のセラミッ
クス粉末を原料として用い、該セラミックス粉粒体、Ｓ
ｉＣウィスカーと分散剤、有機バインダー及び起泡剤を
含有する水溶液を混合して発泡スラリーを形成する。つ
いで、発泡スラリーを型枠に流し込み、ついで気孔同士
の集合による気孔径の増加制御を行いながら、脱水乾燥
し、脱型、脱脂、焼成することにより製造する。このス
ラリーの調整において、水の配合量は、通常セラミック
ス粉末原料１００重量部に対して２５〜５０重量部とす
るのが好ましい。２５重量部未満の場合には、スラリー
の調製が困難となり、５０重量部を超えると水分が多す
ぎるため鋳込み後の固化に時間がかかり、あまり望まし
くない。上記において、有機バインダーとしては、この
技術分野において通常用いられるものでよく、好ましく
はポリビニルアルコール、アクリル系樹脂、メチルセル
ロース等が挙げられる。

【００２４】上記において起泡剤としては、発泡に際
し、気孔の直径が１０μｍ〜２０００μｍになるものが
好ましく、具体的には、タンパク質系起泡剤、卵白及び
界面活性剤を主成分とする起泡剤などが好ましく用いら
れる。この他前記スラリーには必要に応じて、常法に従
い公知の滑剤、分散剤、界面活性剤等の各種添加物を加
えても良い。分散剤としては、ポリカルボン酸アンモニ
ウム塩系分散剤（アニオン系分散剤）が代表的なものと
して挙げられる。また界面活性剤としてはアルキルベン
ゼンスルホン酸塩、高級アルキルアミノ酸等が例示でき
る。また、本発明では必要に応じて、常法に従い公知の
増粘剤、糊剤等を適宜添加することもできる。増粘剤、
糊剤等としては、例えばメチルセルロース、ポリビニル
アルコール、サッカロース、塘蜜、キサンタンガムなど
がある。これらを添加することにより、気泡の強度の向
上を図り、気泡を安定化することができる。

【００２５】本発明の製造方法において、気泡を導入し
たスラリーを型に流し込み、型の材質や型の吸水速度を
変化させて脱水乾燥を制御することにより、気泡の成長
を制御する。これにより気孔傾斜特性の制御を行う。即
ち、脱水速度が速いと乾燥が早く起こり、気泡が成長し
ないばかりでなく着肉時に泡が潰れ、緻密質を形成す
る。逆に脱水速度を遅くするとその間、泡は成長しなが
ら着肉するので、大きな気泡が残留する。このように、
型の吸水性、気孔率、気孔径、スラリーや型の温度、ス
ラリーの鋳込み時の圧力等をコントロールすることによ
って、成形体の脱水乾燥速度を制御し、脱水完了した後
に傾斜配向した気孔が形成できる。このように製造され
た本発明の軽量ＣＭＣ吸音材は、ジェットエンジン用の
吸音材として特に適しているが、他の用途、例えば建
材、電子部品、機械部品等にも適用することができる。

【００２６】

【実施例】以下に、本発明を実施例および比較例により
詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定され
るものではない。〔実施例１〕原料としてアルミナ系セラミックス粉末
（平均粒径０．６μｍ）、炭化珪素繊維としてＳｉＣウ
ィスカー（直径０．５μｍ、長さ１５μｍ）を用いて、
軽量ＣＭＣ吸音材を作製した。ポリカルボン酸アンモニ
ウム塩系分散剤１８ｇ、アクリルエマルジョン系バイン
ダー５ｇ、アニオン界面活性剤系起泡剤５ｇ、増粘剤１
ｇを１４０ｇの水に溶解した水溶液に、アルミナ系セラ
ミックス粉末２８５ｇを添加し、容量２００ｍｌのポッ
ト中でボールミル混合することにより発泡スラリーを得
た。この発泡スラリーを型に流し込み、脱水乾燥後、脱
型し、得られた吸音材の嵩比重を測定したところ、０．
３ｇ／ｃｍ³であった。この吸音材の破断面を観察する
と、表面付近に１０〜５００μｍの気泡があり、裏面に
向かって気泡は大きくなり、中心部分には１０００μｍ
〜３０００μｍの気泡があり、更に裏面付近には最大５
０００μｍの気泡径を有する気孔が存在し、したがって
表面から裏面まで傾斜配向した気孔が導入されているこ
とがわかった。また、気孔はほぼ球形で、主として連続
気孔であった。

【００２７】ついで、脱型した吸音材を、空気中６００
℃で５時間加熱した脱脂した後、１６５０℃で１時間大
気中で焼成を行うことにより、本発明の軽量ＣＭＣ吸音
材を得た。得られた吸音材には大きなソリや割れは認め
られず、吸音材の破断面を観察すると、表面付近に１０
〜５００μｍの気泡があり、中心部分には１０００μｍ
〜３０００μｍの気泡があり、裏面付近に最大径５００
０μｍの気泡を有し、表面から裏面にわたって傾斜傾向
した気孔が導入されていることがわかった。

【００２８】〔実施例２〕実施例１において、炭化珪素
繊維の種類と量を変化させて種々のＣＭＣセラミックス
吸音体を製造し、その物性を測定した。その結果を表１
及び図２に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１及び図２から明らかなように、本発明
の炭化珪素繊維を添加した多孔体では、気孔率が高い割
に強度も高いことがわかる。従って、軽量で強度の良好
な多孔体が得られることがわかる。また本発明の製造方
法により表面及び裏面の気泡状態を任意に制御して傾斜
配向した多孔体が得られることがわかる。

【００３１】〔実施例３〕実施例１、２と同様の方法で
種々の軽量セラミックス吸音材を製造しこれを従来の軽
量セラミックス吸音材と比較したこの結果を表２及び図
３に示す。表２は、得られた本発明による軽量ＣＭＣ吸
音材（本発明）を繊維を含まない吸音材（従来）と比較
したものであり、図３は、表２のｃａｓｅ５と６に対応
する吸音率の周波数特性図である。なお、表２及び図３
における気孔率は、（１−嵩比重／実比重）×１００で
示される。また、流れ抵抗は１０ｃｇｓ・Ｒａｙｌｓ／
ｃｍ＝１０ｋ・ｍｋｓ・Ｒａｙｌｓ＝１０Ｐａ・ｓｅｃ
／ｍ＝１０ｋｇ／ｍ／ｓｅｃである。

【００３２】

【表２】

【００３３】表２から流れ抵抗を大きくすると吸音率が
向上し、かつ炭化珪素繊維の添加より嵩比重をほとんど
変えずに流れ抵抗を制御することができることがわか
る。更に、図３から、炭化珪素繊維を含有する本発明の
軽量ＣＭＣ吸音材が、特にｃａｓｅ５と６の場合におい
て、１ｋＨｚ〜４ｋＨｚの広い帯域において、繊維を含
まない従来の吸音材に比べて、約１０％〜３０％の吸音
率向上が得られることがわかる。

【００３４】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。

【００３５】

【発明の効果】上述したように、本発明の構成によれ
ば、アルミナ系セラミックスが８０〜９２％の気孔を有
するため軽量であり、かつＳｉＣウィスカー（炭化珪素
繊維）で強化されているので、耐熱衝撃性にも優れてお
り、ガスジェットに直接曝されても長時間耐えることが
できる。更に、表面付近に平均５０〜４５０μｍの気孔
を有しかつ裏面に近づくにつれて気孔が大きくなり、裏
面付近で平均５００〜３４００μｍの気孔径に至る傾斜
配向した気孔が存在するので、局所的にクラックが発生
しても、発生したクラックは表層に進むにしたがって進
展が遅くなり、更に、ＳｉＣウィスカー（炭化珪素繊
維）で強化されているので、耐熱衝撃性を更に高めるこ
とができ、表層に亀裂が生じにくい。

【００３６】また、本発明によれば、アルミナ系セラミ
ックス粉粒体、ＳｉＣウィスカーと分散剤、有機バイン
ダー及び起泡剤を含有する水溶液を混合して発泡スラリ
ーを形成し、該スラリーを型枠に流し込み、ついで気孔
同士の集合による気孔径の増加制御を行いながら、脱水
乾燥し、脱型、脱脂、焼成する方法により、ＳｉＣウィ
スカー（炭化珪素繊維）をアルミナ系セラミックスと一
体化でき、かつ型の材質や型の吸水速度を変化させて脱
水乾燥を制御することにより、気泡の成長を制御し、こ
れにより緻密層の形成と同時に傾斜配向した気孔の形成
ができる。

【００３７】従って、本発明の軽量ＣＭＣ吸音材とその
製造方法は、軽量で耐熱衝撃性に優れ、吸音性能が高
く、かつジェットエンジンのガスジェットに耐えること
ができる等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による吸音材の全体構成図である。

【図２】嵩比重と曲げ強度との関係を示す図である。

【図３】本発明による吸音材の周波数特性図である。

【図４】従来の高温用吸音構造図である。

【符号の説明】

１ハニカム２孔開き板３背面板１０軽量ＣＭＣ吸音材１１ＳｉＣウィスカー１２アルミナ系セラミックス

フロントページの続き (72)発明者石塚博弥埼玉県大宮市北袋町一丁目297番地三菱マテリアル株式会社総合研究所内 (72)発明者佐々木丈夫埼玉県大宮市北袋町一丁目297番地三菱マテリアル株式会社総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＳｉＣウィスカーを含むアルミナ系セラ
ミックスからなり、気孔率が８０〜９２％の多孔体であ
り、表面付近に平均５０〜４５０μｍの気孔を有しかつ
裏面に近づくにつれて気孔が大きくなり、裏面付近で平
均５００〜３４００μｍの気孔径に至る傾斜配向した気
孔が存在する、ことを特徴とする軽量ＣＭＣ吸音材。
【請求項２】アルミナ系セラミックス粉粒体、ＳｉＣ
ウィスカーと分散剤、有機バインダー及び起泡剤を含有
する水溶液を混合して発泡スラリーを形成し、該スラリ
ーを型枠に流し込み、ついで気孔同士の集合による気孔
径の増加制御を行いながら、脱水乾燥し、脱型、脱脂、
焼成することを特徴とする軽量ＣＭＣ吸音材の製造方
法。