JPH1059771A - セラミックス基繊維複合材料およびその製造方法 - Google Patents
セラミックス基繊維複合材料およびその製造方法Info
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- JPH1059771A JPH1059771A JP8218826A JP21882696A JPH1059771A JP H1059771 A JPH1059771 A JP H1059771A JP 8218826 A JP8218826 A JP 8218826A JP 21882696 A JP21882696 A JP 21882696A JP H1059771 A JPH1059771 A JP H1059771A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】緻密質なＳｉＣマトリックスを形成する反応焼
結法を適用し、このマトリックスと繊維との界面に少な
くともすべり層が存在するものを対象とし、反応焼結時
に反応性が高いＳｉと繊維又はすべり層との反応をより
有効に抑制する。 【解決手段】セラミックス基繊維複合材料は、反応焼結
で形成されたＳｉＣを主相とするマトリックス及びこの
マトリックス中に複合化させたセラミックスの繊維で成
る。この繊維及びマトリックスの界面に少なくともマト
リックスに対して繊維のすべりを発現可能なすべり層が
存在する。繊維は、繊維束で構成された構造体で成る。
マトリックスは、その遊離Ｓｉ量が繊維束の内部とその
近傍とで繊維束の外部よりも実質的に少ない組成を有す
る。
結法を適用し、このマトリックスと繊維との界面に少な
くともすべり層が存在するものを対象とし、反応焼結時
に反応性が高いＳｉと繊維又はすべり層との反応をより
有効に抑制する。 【解決手段】セラミックス基繊維複合材料は、反応焼結
で形成されたＳｉＣを主相とするマトリックス及びこの
マトリックス中に複合化させたセラミックスの繊維で成
る。この繊維及びマトリックスの界面に少なくともマト
リックスに対して繊維のすべりを発現可能なすべり層が
存在する。繊維は、繊維束で構成された構造体で成る。
マトリックスは、その遊離Ｓｉ量が繊維束の内部とその
近傍とで繊維束の外部よりも実質的に少ない組成を有す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、セラミックス基
繊維複合材料およびその製造方法に係り、とくにマトリ
ックスとして反応焼結法で形成された緻密質の炭化ケイ
素（ＳｉＣ）を用いた複合材の改善に関する。
繊維複合材料およびその製造方法に係り、とくにマトリ
ックスとして反応焼結法で形成された緻密質の炭化ケイ
素（ＳｉＣ）を用いた複合材の改善に関する。
【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。
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
応力に比べて引張り応力に弱く、この引張り応力下で破
壊が一気に進行する、いわゆる脆性という欠点を有して
いるため、このような脆性を改善して高靭性化や破壊エ
ネルギーの増大を図ることが適用対象によっては必要と
なる。このような脆性改善の試みは、耐熱性及び高温強
度に加え、特に高信頼性が要求されるガスタービン部
品、航空機部品、自動車部品等のセラミックス構造部品
への適用に際し、強く要請されている。
応力に比べて引張り応力に弱く、この引張り応力下で破
壊が一気に進行する、いわゆる脆性という欠点を有して
いるため、このような脆性を改善して高靭性化や破壊エ
ネルギーの増大を図ることが適用対象によっては必要と
なる。このような脆性改善の試みは、耐熱性及び高温強
度に加え、特に高信頼性が要求されるガスタービン部
品、航空機部品、自動車部品等のセラミックス構造部品
への適用に際し、強く要請されている。
【０００４】そこで、このような要請を受けて、破壊靭
性値、破壊エネルギー値、耐熱衝撃性等を高めたセラミ
ックス焼結体として、無機物質や金属からなる繊維、ウ
ィスカー、プレート、粒子等の複合素材をマトリックス
中に分散複合化させて形成したセラミックス基複合材料
が脚光を浴び、この実用化研究が内外の研究機関等にお
いて精力的に進められている。特に、繊維を複合化させ
てセラミックス基繊維複合材料とした場合には、破壊抵
抗の改良効果が大きいため、その実用化が期待されてい
る。
性値、破壊エネルギー値、耐熱衝撃性等を高めたセラミ
ックス焼結体として、無機物質や金属からなる繊維、ウ
ィスカー、プレート、粒子等の複合素材をマトリックス
中に分散複合化させて形成したセラミックス基複合材料
が脚光を浴び、この実用化研究が内外の研究機関等にお
いて精力的に進められている。特に、繊維を複合化させ
てセラミックス基繊維複合材料とした場合には、破壊抵
抗の改良効果が大きいため、その実用化が期待されてい
る。
【０００５】このようなセラミックス基繊維複合材料の
中でも、特に高温材料としてＳｉＣをマトリックスとす
る複合材が脚光を浴びている。この複合材のＳｉＣマト
リックスの合成法の一例としては、繊維耐熱性を考慮に
入れると、比較的合成温度の低いＣＶＩ法（Chemical V
apor Infiltration ：化学蒸気含浸法）、ＰＣ（プリカ
ーサ）法、反応焼結法などが挙げられるが、この中でも
特に初期破壊強度特性を改良しやすく、高い信頼性を得
ることができる代表例として、緻密質なＳｉＣマトリッ
クスを形成する反応焼結法が注目されている。
中でも、特に高温材料としてＳｉＣをマトリックスとす
る複合材が脚光を浴びている。この複合材のＳｉＣマト
リックスの合成法の一例としては、繊維耐熱性を考慮に
入れると、比較的合成温度の低いＣＶＩ法（Chemical V
apor Infiltration ：化学蒸気含浸法）、ＰＣ（プリカ
ーサ）法、反応焼結法などが挙げられるが、この中でも
特に初期破壊強度特性を改良しやすく、高い信頼性を得
ることができる代表例として、緻密質なＳｉＣマトリッ
クスを形成する反応焼結法が注目されている。
【０００６】ところで一方、上記のようなセラミックス
基繊維複合材料においては、繊維の複合効果を発揮させ
るため、特にマトリックスと繊維との界面での結合状態
を適正に制御することが極めて重要なテーマとなってい
る。繊維とセラミックスとが強固に結合すれば、ブリッ
ジングやプルアウト等の複合効果が十分に発揮されず、
脆性破壊しやすくなるためである。その対策として、繊
維とマトリックスとの結合を弱めてマトリックスに対す
る繊維のすべりを発現させる窒化ホウ素（ＢＮ）等のす
べり層を繊維表面にコーティングする方法が知られてい
る。
基繊維複合材料においては、繊維の複合効果を発揮させ
るため、特にマトリックスと繊維との界面での結合状態
を適正に制御することが極めて重要なテーマとなってい
る。繊維とセラミックスとが強固に結合すれば、ブリッ
ジングやプルアウト等の複合効果が十分に発揮されず、
脆性破壊しやすくなるためである。その対策として、繊
維とマトリックスとの結合を弱めてマトリックスに対す
る繊維のすべりを発現させる窒化ホウ素（ＢＮ）等のす
べり層を繊維表面にコーティングする方法が知られてい
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たすべり層は、反応焼結法を適用した場合にマトリック
ス形成材料との反応等により変質したり、分解、消失し
てしまうといった問題があった。例えば、セラミックス
の繊維で形成したプリフォームに溶融Ｓｉを含浸させて
ＳｉＣマトリックスを形成する反応焼結法を適用する場
合には、含浸させられる溶融Ｓｉは反応性が高いため、
すべり層や繊維自体と反応しやすく、その結果、上述し
た繊維の複合効果を十分に発揮させることができないと
いった不具合が生じることがあった。
たすべり層は、反応焼結法を適用した場合にマトリック
ス形成材料との反応等により変質したり、分解、消失し
てしまうといった問題があった。例えば、セラミックス
の繊維で形成したプリフォームに溶融Ｓｉを含浸させて
ＳｉＣマトリックスを形成する反応焼結法を適用する場
合には、含浸させられる溶融Ｓｉは反応性が高いため、
すべり層や繊維自体と反応しやすく、その結果、上述し
た繊維の複合効果を十分に発揮させることができないと
いった不具合が生じることがあった。
【０００８】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、緻密質なＳｉＣマトリックスを形
成する反応焼結法を適用し、このマトリックスと繊維と
の界面に形成する繊維コート層として少なくともすべり
層が存在するものを対象とし、焼結時に反応性が高いＳ
ｉと繊維又はすべり層との反応をより有効に抑制して、
得られたマトリックス中に繊維及びすべり層を健全な状
態で存在させることを、目的とする。
してなされたもので、緻密質なＳｉＣマトリックスを形
成する反応焼結法を適用し、このマトリックスと繊維と
の界面に形成する繊維コート層として少なくともすべり
層が存在するものを対象とし、焼結時に反応性が高いＳ
ｉと繊維又はすべり層との反応をより有効に抑制して、
得られたマトリックス中に繊維及びすべり層を健全な状
態で存在させることを、目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者は、マトリックス形成材料である反応性が
高い溶融Ｓｉと繊維又はすべり層との反応抑制策につい
て種々の研究を行ってきたところ、繊維を複合した成形
体において乾燥収縮に伴って発生する亀裂を有効に防止
するため、乾燥収縮がほぼ０のマトリックス組成としな
ければならない制約があり、そのためマトリックス中に
は強度や耐熱性等の面ではネックとなる焼結後の遊離Ｓ
ｉを所定量含有することとなり、このことが反応焼結時
の溶融Ｓｉと繊維等との接触機会を増やしている事実に
着目した。溶融Ｓｉと繊維等との接触機会が増加するこ
とは、両者の間で反応がより進行しやすいことを意味す
る。
め、本発明者は、マトリックス形成材料である反応性が
高い溶融Ｓｉと繊維又はすべり層との反応抑制策につい
て種々の研究を行ってきたところ、繊維を複合した成形
体において乾燥収縮に伴って発生する亀裂を有効に防止
するため、乾燥収縮がほぼ０のマトリックス組成としな
ければならない制約があり、そのためマトリックス中に
は強度や耐熱性等の面ではネックとなる焼結後の遊離Ｓ
ｉを所定量含有することとなり、このことが反応焼結時
の溶融Ｓｉと繊維等との接触機会を増やしている事実に
着目した。溶融Ｓｉと繊維等との接触機会が増加するこ
とは、両者の間で反応がより進行しやすいことを意味す
る。
【００１０】このことから、得られたマトリックス中に
所定量の遊離Ｓｉを含有しつつ、そのＳｉと繊維等との
反応を有効に抑制する対策として、複合させる繊維に繊
維束で構成された構造体を使用し、その繊維束の内部と
その近傍とのマトリックス部分については、乾燥収縮に
伴って発生する亀裂による強度劣化等の影響が繊維束の
外部のマトリックス部分よりも少ないことから、乾燥収
縮があっても残留する遊離Ｓｉが少なくなる組成として
繊維等と溶融Ｓｉの接触機会を減らすことが有効である
との考えに至った。
所定量の遊離Ｓｉを含有しつつ、そのＳｉと繊維等との
反応を有効に抑制する対策として、複合させる繊維に繊
維束で構成された構造体を使用し、その繊維束の内部と
その近傍とのマトリックス部分については、乾燥収縮に
伴って発生する亀裂による強度劣化等の影響が繊維束の
外部のマトリックス部分よりも少ないことから、乾燥収
縮があっても残留する遊離Ｓｉが少なくなる組成として
繊維等と溶融Ｓｉの接触機会を減らすことが有効である
との考えに至った。
【００１１】即ち、本発明者は、繊維束の外部のマトリ
ックス部分では遊離Ｓｉを所定量含有することを許容す
ることにより、乾燥収縮に伴う亀裂発生による強度劣化
を十分に防止できると共に、繊維束の内部とその近傍と
のマトリックス部分で遊離Ｓｉを少ない組成とすること
により、反応焼結時に含浸させられる溶融Ｓｉと繊維等
との反応を有効に抑制できるとの知見を得て、以下の発
明を完成するに至った。
ックス部分では遊離Ｓｉを所定量含有することを許容す
ることにより、乾燥収縮に伴う亀裂発生による強度劣化
を十分に防止できると共に、繊維束の内部とその近傍と
のマトリックス部分で遊離Ｓｉを少ない組成とすること
により、反応焼結時に含浸させられる溶融Ｓｉと繊維等
との反応を有効に抑制できるとの知見を得て、以下の発
明を完成するに至った。
【００１２】即ち、この発明に係るセラミックス基繊維
複合材料は、反応焼結で形成されたＳｉＣを主相とする
マトリックス及び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成り、この繊維及びマトリックス
の界面に少なくとも当該マトリックスに対して上記繊維
のすべりを発現可能なすべり層が存在する構成であっ
て、上記繊維は、繊維束で構成された構造体で成り、上
記マトリックスは、上記繊維束の内部とその近傍とで当
該繊維束の外部よりも遊離Ｓｉ量（体積％）が実質的に
少ない組成を有することを特徴とする。
複合材料は、反応焼結で形成されたＳｉＣを主相とする
マトリックス及び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成り、この繊維及びマトリックス
の界面に少なくとも当該マトリックスに対して上記繊維
のすべりを発現可能なすべり層が存在する構成であっ
て、上記繊維は、繊維束で構成された構造体で成り、上
記マトリックスは、上記繊維束の内部とその近傍とで当
該繊維束の外部よりも遊離Ｓｉ量（体積％）が実質的に
少ない組成を有することを特徴とする。
【００１３】前記マトリックスは、望ましくは前記繊維
束の外部における遊離Ｓｉ量が２５体積％よりも小さい
組成を有するものとする。繊維束の外部における遊離Ｓ
ｉ量が２５体積％以上となると、ＳｉＣに対するＳｉの
占める割合が増加して強度低下が見られるためである。
束の外部における遊離Ｓｉ量が２５体積％よりも小さい
組成を有するものとする。繊維束の外部における遊離Ｓ
ｉ量が２５体積％以上となると、ＳｉＣに対するＳｉの
占める割合が増加して強度低下が見られるためである。
【００１４】前記マトリックスは、更に望ましくは前記
繊維束の内部及びその近傍における遊離Ｓｉ量をａ（体
積％）とし、上記繊維束の外部における遊離Ｓｉ量をｂ
（体積％）としたときに上記ａに対するｂの比率（ｂ／
ａ）が１．２５以上の組成を有するものとする。このよ
うな遊離Ｓｉ量でマトリックスの組成を調整すれば、上
述した反応抑制効果をより確実に発揮させることができ
るためである。
繊維束の内部及びその近傍における遊離Ｓｉ量をａ（体
積％）とし、上記繊維束の外部における遊離Ｓｉ量をｂ
（体積％）としたときに上記ａに対するｂの比率（ｂ／
ａ）が１．２５以上の組成を有するものとする。このよ
うな遊離Ｓｉ量でマトリックスの組成を調整すれば、上
述した反応抑制効果をより確実に発揮させることができ
るためである。
【００１５】前記すべり層は、望ましくはＢ、Ｎ、Ｓ
ｉ、Ｃ、及びＯの少なくとも１種を含む材料からなるも
のとする。例えば、すべりを発現可能な成分としてＢ
Ｎ、Ｃ等が望ましく、またＢＮ、Ｃ等の成分にＳｉＣ、
ＳｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 、非晶質成分（Ｓｉ−Ｃ−Ｎ−Ｏ
化合物）等を複合介在させて耐酸化性等の機能を分担さ
せたものでもよい。
ｉ、Ｃ、及びＯの少なくとも１種を含む材料からなるも
のとする。例えば、すべりを発現可能な成分としてＢ
Ｎ、Ｃ等が望ましく、またＢＮ、Ｃ等の成分にＳｉＣ、
ＳｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 、非晶質成分（Ｓｉ−Ｃ−Ｎ−Ｏ
化合物）等を複合介在させて耐酸化性等の機能を分担さ
せたものでもよい。
【００１６】上記のセラミックス基繊維複合材料は、以
下の方法を用いて製造できる。
下の方法を用いて製造できる。
【００１７】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、セラミックスの繊維で構造体を
形成し、この構造体にＣ成分を含む反応焼結用原料を含
浸させ、その後に溶融Ｓｉを含浸させて上記Ｃ成分と溶
融Ｓｉとの反応焼結を行わせることにより、ＳｉＣを主
相とするマトリックス中に上記繊維を複合化させるセラ
ミックス基繊維複合材料の製造方法であって、上記反応
焼結後のマトリックス中の遊離Ｓｉ量を制御する方法と
して、上記反応焼結前に上記マトリックス中のＳｉ残留
量に基づいて組成を予め調整した第１の反応焼結用原料
を上記繊維を束ねた繊維束の内部とその近傍とに含浸さ
せ、その後に上記第１の反応焼結用原料よりも上記Ｓｉ
残留量が多くなるように組成を予め調整した第２の反応
焼結用原料を上記繊維束の外部に含浸させる方法を用い
ることを特徴とする。
複合材料の製造方法は、セラミックスの繊維で構造体を
形成し、この構造体にＣ成分を含む反応焼結用原料を含
浸させ、その後に溶融Ｓｉを含浸させて上記Ｃ成分と溶
融Ｓｉとの反応焼結を行わせることにより、ＳｉＣを主
相とするマトリックス中に上記繊維を複合化させるセラ
ミックス基繊維複合材料の製造方法であって、上記反応
焼結後のマトリックス中の遊離Ｓｉ量を制御する方法と
して、上記反応焼結前に上記マトリックス中のＳｉ残留
量に基づいて組成を予め調整した第１の反応焼結用原料
を上記繊維を束ねた繊維束の内部とその近傍とに含浸さ
せ、その後に上記第１の反応焼結用原料よりも上記Ｓｉ
残留量が多くなるように組成を予め調整した第２の反応
焼結用原料を上記繊維束の外部に含浸させる方法を用い
ることを特徴とする。
【００１８】また、前記第１及び第２の反応焼結原料と
して、望ましくはＳｉＣ粉末、Ｃ粉末、セラミックスプ
リカーサ、及び樹脂の少なくとも１種を主成分としたス
ラリーを用いる。
して、望ましくはＳｉＣ粉末、Ｃ粉末、セラミックスプ
リカーサ、及び樹脂の少なくとも１種を主成分としたス
ラリーを用いる。
【００１９】例えば、Ｃ粉末を含むスラリーを用いる場
合には、例えば粒径（粒度特性）が異なる２種のＣ粉末
を用意し、粒径が小さいＣ粉末を多く含むスラリーを第
１の反応焼結用原料とし、粒径が大きいＣ粉末を多く含
むスラリーを第２の反応焼結用原料とすればよい。
合には、例えば粒径（粒度特性）が異なる２種のＣ粉末
を用意し、粒径が小さいＣ粉末を多く含むスラリーを第
１の反応焼結用原料とし、粒径が大きいＣ粉末を多く含
むスラリーを第２の反応焼結用原料とすればよい。
【００２０】また、セラミックスプリカーサ（セラミッ
クス前駆体）を用いる場合には、ポリカルボシランとＣ
粉末の混合物を第１の反応焼結用原料とし、ポリカルボ
シランとＣ粉末及びＳｉＣ粉末の混合物を第２の反応焼
結用原料とすればよい。
クス前駆体）を用いる場合には、ポリカルボシランとＣ
粉末の混合物を第１の反応焼結用原料とし、ポリカルボ
シランとＣ粉末及びＳｉＣ粉末の混合物を第２の反応焼
結用原料とすればよい。
【００２１】樹脂を用いる場合には、フェノール樹脂を
第１の反応焼結用原料とし、フェノール樹脂とＳｉＣ粉
末の混合物を第２の反応焼結用原料とすればよい。
第１の反応焼結用原料とし、フェノール樹脂とＳｉＣ粉
末の混合物を第２の反応焼結用原料とすればよい。
【００２２】
【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。
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。
【００２３】この実施形態では、繊維として直径１４μ
ｍのＳｉＣ系セラミックス繊維（日本カーボン株式会社
製、商品名：ハイニカロン）を５００本、束ねてヤーン
とした繊維束（５００Ｆ／Ｙ）で、そのモノフィラメン
トの表面にＢＮをコーティングして所定厚さのすべり層
を形成したものを準備し、この繊維束から平織クロスを
製織した。
ｍのＳｉＣ系セラミックス繊維（日本カーボン株式会社
製、商品名：ハイニカロン）を５００本、束ねてヤーン
とした繊維束（５００Ｆ／Ｙ）で、そのモノフィラメン
トの表面にＢＮをコーティングして所定厚さのすべり層
を形成したものを準備し、この繊維束から平織クロスを
製織した。
【００２４】この平織クロスを第１のスラリー（スリッ
プ）１に浸積して含浸させた。第１のスラリー１として
は、中心粒径が３０ｎｍ程度の粒状カーボン粉末（３０
ｗｔ％）に純水（６５ｗｔ％）及び界面活性剤（５ｗｔ
％）を混合したものを使用した。
プ）１に浸積して含浸させた。第１のスラリー１として
は、中心粒径が３０ｎｍ程度の粒状カーボン粉末（３０
ｗｔ％）に純水（６５ｗｔ％）及び界面活性剤（５ｗｔ
％）を混合したものを使用した。
【００２５】続いて、この平織クロスを乾燥後に積層し
てプリフォームとし、これを多孔質樹脂製成形型にセッ
トして（繊維体積率（Ｖｆ＝２７％））、第２のスラリ
ー（スリップ）２を含浸させ、成形して乾燥させること
により、成形体を得た。ここで、第２のスラリー２とし
ては、ＳｉＣ粉末（７０ｗｔ％）及び中心粒径が８５ｎ
ｍ程度の粒状カーボン粉末（３０ｗｔ％）を固形分と
し、この固形分（５０ｗｔ％）に純水（４７ｗｔ％）及
び界面活性剤（３ｗｔ％）を混合したものを使用した。
てプリフォームとし、これを多孔質樹脂製成形型にセッ
トして（繊維体積率（Ｖｆ＝２７％））、第２のスラリ
ー（スリップ）２を含浸させ、成形して乾燥させること
により、成形体を得た。ここで、第２のスラリー２とし
ては、ＳｉＣ粉末（７０ｗｔ％）及び中心粒径が８５ｎ
ｍ程度の粒状カーボン粉末（３０ｗｔ％）を固形分と
し、この固形分（５０ｗｔ％）に純水（４７ｗｔ％）及
び界面活性剤（３ｗｔ％）を混合したものを使用した。
【００２６】上記のように２種のスラリーを夫々分けて
繊維束及びプリフォームに含浸させることにより、その
含浸粉末の粒径分布及び組成に基づくＣ充填量に応じ
て、反応焼結で得られるマトリックス中のＳｉ残留量を
繊維束の内部（近傍を含む）と外部とで制御する方法を
用いた。ここで、ＳｉＣ粉末の充填部分を除く空隙単位
体積当たりのＣ充填量が増加することは、溶融Ｓｉとの
反応焼結時に未反応として残るＳｉ量が少なくなること
を意味する。
繊維束及びプリフォームに含浸させることにより、その
含浸粉末の粒径分布及び組成に基づくＣ充填量に応じ
て、反応焼結で得られるマトリックス中のＳｉ残留量を
繊維束の内部（近傍を含む）と外部とで制御する方法を
用いた。ここで、ＳｉＣ粉末の充填部分を除く空隙単位
体積当たりのＣ充填量が増加することは、溶融Ｓｉとの
反応焼結時に未反応として残るＳｉ量が少なくなること
を意味する。
【００２７】そこで、上記のようにＳｉ残留量を制御し
て作製した成形体をＳｉ溶融金属（純度９９．９ｗｔ
％）に接触させ、真空中で５ｈｒ、１４３０℃に加熱し
て溶融含浸させることにより、マトリックスに反応焼結
ＳｉＣを合成させると共に、そのマトリックス中の遊離
Ｓｉ量が繊維束の内部とその近傍とで繊維束の外部より
も少ない組成をもつセラミックス基繊維複合材料を得
た。
て作製した成形体をＳｉ溶融金属（純度９９．９ｗｔ
％）に接触させ、真空中で５ｈｒ、１４３０℃に加熱し
て溶融含浸させることにより、マトリックスに反応焼結
ＳｉＣを合成させると共に、そのマトリックス中の遊離
Ｓｉ量が繊維束の内部とその近傍とで繊維束の外部より
も少ない組成をもつセラミックス基繊維複合材料を得
た。
【００２８】従って、この複合材では、反応焼結時に反
応性が高い溶融Ｓｉと繊維又はすべり層との反応が繊維
束の内部とその近傍とでより有効に抑制されるため、す
べり層及び繊維をマトリックス中により健全な状態で存
在させることができる。
応性が高い溶融Ｓｉと繊維又はすべり層との反応が繊維
束の内部とその近傍とでより有効に抑制されるため、す
べり層及び繊維をマトリックス中により健全な状態で存
在させることができる。
【００２９】次に、このセラミックス基繊維複合材料の
特性を検証するため、マトリックス中の遊離Ｓｉ量を変
え、それ以外は上記と略同様の製造プロセスで複数のセ
ラミックス基繊維複合材料を取得し、これらから所定サ
イズの試験片（「実施例１〜３」）を切り出して、下記
の表１に示す各種試験を行った。
特性を検証するため、マトリックス中の遊離Ｓｉ量を変
え、それ以外は上記と略同様の製造プロセスで複数のセ
ラミックス基繊維複合材料を取得し、これらから所定サ
イズの試験片（「実施例１〜３」）を切り出して、下記
の表１に示す各種試験を行った。
【００３０】以下、この実施形態のセラミックス基繊維
複合材料の特性を表１に基づいて説明する。
複合材料の特性を表１に基づいて説明する。
【００３１】実施例１ 実施例１は、表１に示すように、得られた複合材の密度
は３．０ｇ／cm3 であり、マトリックス中の遊離Ｓｉ量
（以下、繊維束の内部とその近傍をａとし、繊維束の外
部をｂとする）については、ａが１６ｖｏｌ％、ｂが２
１ｖｏｌ％、両者の比率（ｂ／ａ）は１．３１であっ
た。
は３．０ｇ／cm3 であり、マトリックス中の遊離Ｓｉ量
（以下、繊維束の内部とその近傍をａとし、繊維束の外
部をｂとする）については、ａが１６ｖｏｌ％、ｂが２
１ｖｏｌ％、両者の比率（ｂ／ａ）は１．３１であっ
た。
【００３２】室温３点曲げ強度については、初期マトリ
ックス破壊強度σ１が２００ＭＰａ、最大強度σ２が４
９０ＭＰａであり、３点曲げ試験の荷重変位曲線に基づ
いて破壊エネルギーを調べたところ、有効破壊エネルギ
ーγが６．９ｋＪ／ｍ2 であり、破壊は完全な破断まで
一気に至らない複合材料特有の安定的な破壊挙動を示し
た。また、破面をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で観察した
ところ、単繊維１本１本の表面にＢＮ層が均質に且つ健
全に存在し、繊維の引き抜けが顕著であることが明瞭に
確認された。
ックス破壊強度σ１が２００ＭＰａ、最大強度σ２が４
９０ＭＰａであり、３点曲げ試験の荷重変位曲線に基づ
いて破壊エネルギーを調べたところ、有効破壊エネルギ
ーγが６．９ｋＪ／ｍ2 であり、破壊は完全な破断まで
一気に至らない複合材料特有の安定的な破壊挙動を示し
た。また、破面をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で観察した
ところ、単繊維１本１本の表面にＢＮ層が均質に且つ健
全に存在し、繊維の引き抜けが顕著であることが明瞭に
確認された。
【００３３】実施例２ 実施例２は、表１に示すように、得られた複合材の密度
は３．０ｇ／cm3 であり、マトリックス中の遊離Ｓｉ量
については、ａが１８ｖｏｌ％、ｂが２１ｖｏｌ％、両
者の比率（ｂ／ａ）は１．１７であった。
は３．０ｇ／cm3 であり、マトリックス中の遊離Ｓｉ量
については、ａが１８ｖｏｌ％、ｂが２１ｖｏｌ％、両
者の比率（ｂ／ａ）は１．１７であった。
【００３４】室温３点曲げ強度については、σ１が２１
０ＭＰａ、σ２が４１０ＭＰａであり、有効破壊エネル
ギーγが５．８ｋＪ／ｍ2 であり、破壊は完全な破断ま
で一気に至らない複合材料特有の安定的な破壊挙動を示
した。また、破面のＳＥＭ観察では、単繊維１本１本の
表面にＢＮ層が均質に且つ健全に存在し、繊維の引き抜
けが顕著であることが明瞭に確認された。
０ＭＰａ、σ２が４１０ＭＰａであり、有効破壊エネル
ギーγが５．８ｋＪ／ｍ2 であり、破壊は完全な破断ま
で一気に至らない複合材料特有の安定的な破壊挙動を示
した。また、破面のＳＥＭ観察では、単繊維１本１本の
表面にＢＮ層が均質に且つ健全に存在し、繊維の引き抜
けが顕著であることが明瞭に確認された。
【００３５】実施例３ 実施例３は、表１に示すように、得られた複合材の密度
は３．０ｇ／cm3 であり、マトリックス中の遊離Ｓｉ量
については、ａが１７ｖｏｌ％、ｂが２６ｖｏｌ％、両
者の比率（ｂ／ａ）は１．５３であった。
は３．０ｇ／cm3 であり、マトリックス中の遊離Ｓｉ量
については、ａが１７ｖｏｌ％、ｂが２６ｖｏｌ％、両
者の比率（ｂ／ａ）は１．５３であった。
【００３６】室温３点曲げ強度については、σ１が２０
０ＭＰａ、σ２が４４０ＭＰａであり、有効破壊エネル
ギーγが６．１ｋＪ／ｍ2 であり、破壊は完全な破断ま
で一気に至らない複合材料特有の安定的な破壊挙動を示
した。また、破面のＳＥＭ観察では、単繊維１本１本の
表面にＢＮ層が均質に且つ健全に存在し、繊維の引き抜
けが顕著であることが明瞭に確認された。
０ＭＰａ、σ２が４４０ＭＰａであり、有効破壊エネル
ギーγが６．１ｋＪ／ｍ2 であり、破壊は完全な破断ま
で一気に至らない複合材料特有の安定的な破壊挙動を示
した。また、破面のＳＥＭ観察では、単繊維１本１本の
表面にＢＮ層が均質に且つ健全に存在し、繊維の引き抜
けが顕著であることが明瞭に確認された。
【００３７】比較例１ 比較例１では、上記の第１のスラリーを使用せずに、プ
リフォームに第２のスラリーを含浸させ、その他につい
ては上記と略同様の製造プロセスでセラミックス基複合
材料を取得し、この切り出し試験片に対して上記と同様
の試験を行った。
リフォームに第２のスラリーを含浸させ、その他につい
ては上記と略同様の製造プロセスでセラミックス基複合
材料を取得し、この切り出し試験片に対して上記と同様
の試験を行った。
【００３８】その結果、表１に示すように、得られた複
合材の密度は３．０ｇ／cm3 であり、マトリックス中の
遊離Ｓｉ量については、ａが２２ｖｏｌ％、ｂが２１ｖ
ｏｌ％で、両者の比率（ｂ／ａ）は０．９５であった。
合材の密度は３．０ｇ／cm3 であり、マトリックス中の
遊離Ｓｉ量については、ａが２２ｖｏｌ％、ｂが２１ｖ
ｏｌ％で、両者の比率（ｂ／ａ）は０．９５であった。
【００３９】室温３点曲げ強度については、σ１が２８
０ＭＰａ、σ２が２９０ＭＰａであり、有効破壊エネル
ギーγについては３．６ｋＪ／ｍ2 と上記各実施例と比
べて小さく、破断は一気に至るものではないものの、よ
り脆性的な破壊挙動を示した。また、破面のＳＥＭ観察
では、溶融Ｓｉとの反応によりＢＮ層が一部の箇所で消
失し、その消失箇所で繊維とマトリックスとが一体化し
た状況が明瞭に認められた。
０ＭＰａ、σ２が２９０ＭＰａであり、有効破壊エネル
ギーγについては３．６ｋＪ／ｍ2 と上記各実施例と比
べて小さく、破断は一気に至るものではないものの、よ
り脆性的な破壊挙動を示した。また、破面のＳＥＭ観察
では、溶融Ｓｉとの反応によりＢＮ層が一部の箇所で消
失し、その消失箇所で繊維とマトリックスとが一体化し
た状況が明瞭に認められた。
【００４０】比較例２ 比較例２では、ｂを２６ｖｏｌ％とし、その他について
は上記比較例１と略同様の製造プロセスでセラミックス
基複合材料を取得し、この切り出し試験片に対して試験
を行った。その結果、表１に示すように、得られた複合
材の密度は３．０ｇ／cm3 であり、マトリックス中の遊
離Ｓｉ量については、ａが２６ｖｏｌ％、ｂが２６ｖｏ
ｌ％で、両者の比率（ｂ／ａ）は１．００であった。
は上記比較例１と略同様の製造プロセスでセラミックス
基複合材料を取得し、この切り出し試験片に対して試験
を行った。その結果、表１に示すように、得られた複合
材の密度は３．０ｇ／cm3 であり、マトリックス中の遊
離Ｓｉ量については、ａが２６ｖｏｌ％、ｂが２６ｖｏ
ｌ％で、両者の比率（ｂ／ａ）は１．００であった。
【００４１】室温３点曲げ強度については、σ１が２９
０ＭＰａ、σ２が最大強度σ2 については脆性的で確認
できず、有効破壊エネルギーγについては０．７ｋＪ／
ｍ2と上記各実施例と比べて小さく、破断は一気に至る
ものではないものの、より脆性的な破壊挙動を示した。
また、破面のＳＥＭ観察では、上記比較例１と同様に溶
融Ｓｉとの反応によりＢＮ層が一部の箇所で消失し、そ
の消失箇所で繊維とマトリックスとが一体化した状況が
明瞭に認められた。
０ＭＰａ、σ２が最大強度σ2 については脆性的で確認
できず、有効破壊エネルギーγについては０．７ｋＪ／
ｍ2と上記各実施例と比べて小さく、破断は一気に至る
ものではないものの、より脆性的な破壊挙動を示した。
また、破面のＳＥＭ観察では、上記比較例１と同様に溶
融Ｓｉとの反応によりＢＮ層が一部の箇所で消失し、そ
の消失箇所で繊維とマトリックスとが一体化した状況が
明瞭に認められた。
【００４２】
【表１】
【００４３】なお、その他として、１）：すべり層とし
て、ＢＮのほかにＢ、Ｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｏの少なくとも１
種の材料からなるものを用いた場合、２）：製造方法と
して、セラミックスプリカーサを主成分としたスラリー
を用いた場合と樹脂を主成分としたスラリーを用いた場
合においても、上記と略同様の結果であった。
て、ＢＮのほかにＢ、Ｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｏの少なくとも１
種の材料からなるものを用いた場合、２）：製造方法と
して、セラミックスプリカーサを主成分としたスラリー
を用いた場合と樹脂を主成分としたスラリーを用いた場
合においても、上記と略同様の結果であった。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、マトリックスは、その遊離Ｓｉ量が繊維束の内部と
その近傍とで繊維束の外部よりも実質的に少ない組成を
有しているため、反応焼結時に反応性が高い溶融Ｓｉと
繊維又はすべり層との反応を繊維束の縁部近傍を含む内
側でより有効に抑制でき、マトリックス中に繊維及びす
べり層を健全な状態で存在させることができる。従っ
て、耐酸化性に優れた緻密質な反応焼結ＳｉＣをマトリ
ックスとするセラミックス基繊維複合材料を、繊維及び
界面の特性を殆ど劣化させることなく取得できる。
ば、マトリックスは、その遊離Ｓｉ量が繊維束の内部と
その近傍とで繊維束の外部よりも実質的に少ない組成を
有しているため、反応焼結時に反応性が高い溶融Ｓｉと
繊維又はすべり層との反応を繊維束の縁部近傍を含む内
側でより有効に抑制でき、マトリックス中に繊維及びす
べり層を健全な状態で存在させることができる。従っ
て、耐酸化性に優れた緻密質な反応焼結ＳｉＣをマトリ
ックスとするセラミックス基繊維複合材料を、繊維及び
界面の特性を殆ど劣化させることなく取得できる。
Claims (6)
- 【請求項１】 反応焼結で形成されたＳｉＣを主相とす
るマトリックス及び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で成り、この繊維及びマトリックス
の界面に少なくとも当該マトリックスに対して上記繊維
のすべりを発現可能なすべり層が存在するセラミックス
基繊維複合材料であって、上記繊維は、繊維束で構成さ
れた構造体で成り、上記マトリックスは、その遊離Ｓｉ
量が上記繊維束の内部とその近傍とで当該繊維束の外部
よりも実質的に少ない組成を有することを特徴とするセ
ラミックス基繊維複合材料。 - 【請求項２】 前記マトリックスは、前記繊維束の外部
における遊離Ｓｉ量が２５体積％よりも小さい組成を有
する請求項１記載のセラミックス基繊維複合材料。 - 【請求項３】 前記マトリックスは、前記繊維束の内部
及びその近傍における遊離Ｓｉ量をａ（体積％）とし、
上記繊維束の外部における遊離Ｓｉ量をｂ（体積％）と
したときに上記ａに対するｂの比率（ｂ／ａ）が１．２
５以上の組成を有する請求項１又は２記載のセラミック
ス基繊維複合材料。 - 【請求項４】 前記すべり層は、Ｂ、Ｎ、Ｓｉ、Ｃ、及
びＯの少なくとも１種を含む材料からなる請求項１乃至
３のいずれか１項記載のセラミックス基繊維複合材料。 - 【請求項５】 セラミックスの繊維で構造体を形成し、
この構造体にＣ成分を含む反応焼結用原料を含浸させ、
その後に溶融Ｓｉを含浸させて上記Ｃ成分と溶融Ｓｉと
の反応焼結を行わせることにより、ＳｉＣを主相とする
マトリックス中に上記繊維を複合化させるセラミックス
基繊維複合材料の製造方法であって、上記反応焼結後の
マトリックス中の遊離Ｓｉ量を制御する方法として、上
記反応焼結前に上記マトリックス中のＳｉ残留量に基づ
いて組成を予め調整した第１の反応焼結用原料を上記繊
維を束ねた繊維束の内部とその近傍とに含浸させ、その
後に上記第１の反応焼結用原料よりも上記Ｓｉ残留量が
多くなるように組成を予め調整した第２の反応焼結用原
料を上記繊維束の外部に含浸させる方法を用いることを
特徴とするセラミックス基繊維複合材料の製造方法。 - 【請求項６】 前記第１及び第２の反応焼結用原料とし
て、ＳｉＣ粉末、Ｃ粉末、セラミックスプリカーサ、及
び樹脂の少なくとも１種を主成分としたスラリーを用い
る請求項５記載のセラミックス基繊維複合材料の製造方
法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21882696A JP3756583B2 (ja) | 1996-08-20 | 1996-08-20 | セラミックス基繊維複合材料およびその製造方法 |
| US08/914,245 US6235379B1 (en) | 1996-08-20 | 1997-08-19 | Ceramic matrix composite and method of manufacturing the same |
| DE1997603471 DE69703471T2 (de) | 1996-08-20 | 1997-08-20 | Keramikmatrixverbund und Verfahren zur Herstellung desselben |
| EP19970114371 EP0825163B1 (en) | 1996-08-20 | 1997-08-20 | Ceramic matrix composite and method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21882696A JP3756583B2 (ja) | 1996-08-20 | 1996-08-20 | セラミックス基繊維複合材料およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1059771A true JPH1059771A (ja) | 1998-03-03 |
| JP3756583B2 JP3756583B2 (ja) | 2006-03-15 |
Family
ID=16725960
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21882696A Expired - Lifetime JP3756583B2 (ja) | 1996-08-20 | 1996-08-20 | セラミックス基繊維複合材料およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3756583B2 (ja) |
-
1996
- 1996-08-20 JP JP21882696A patent/JP3756583B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3756583B2 (ja) | 2006-03-15 |
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