JPH11100281A - 繊維結合型立体セラミックスの製造方法とそのガスタービン部品 - Google Patents

繊維結合型立体セラミックスの製造方法とそのガスタービン部品

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JPH11100281A
JPH11100281A JP9260347A JP26034797A JPH11100281A JP H11100281 A JPH11100281 A JP H11100281A JP 9260347 A JP9260347 A JP 9260347A JP 26034797 A JP26034797 A JP 26034797A JP H11100281 A JPH11100281 A JP H11100281A
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fibers
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彰樹 正木
Taketami Yamamura
武民 山村
Tetsuro Hirokawa
哲朗 広川
Takeshi Tanamura
武司 田那村
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Shikibo Ltd
IHI Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 繊維の境界面や積層面で剥離や亀裂が生じに
くく、ホットプレス成形による原料繊維の損傷が少な
く、原料繊維間に空隙ができ難く、これにより緻密なマ
トリックス層を形成できかつ高い繊維の体積含有率を得
ることができる繊維結合型立体セラミックスの製造方法
とそのガスタービン部品を提供する。 【解決手段】 ポリチタノカルボシランを溶融紡糸した
後、不融化、焼成して合成されるＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏか
らなる無機質繊維を原料繊維１とし、立体織り工程１２
で原料繊維からホットプレス時の加圧方向に対してすべ
ての繊維が垂直又は斜めに延びる立体織物２を形成し、
酸化工程１４で立体織物を空気中で熱処理して表面に酸
化層を有する酸化繊維立体織物３とし、ホットプレス工
程１６で酸化繊維立体織物を各繊維にほぼ直交する加圧
方向に加圧しながらホットプレス成形し、これにより表
面の酸化層を互いに密着させてマトリックス化して繊維
結合型立体セラミックス４を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、繊維結合型セラミ
ックスに係わり、更に詳しくは、３次元的に結合した繊
維結合型立体セラミックスの製造方法とそのガスタービ
ン部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】表面酸化したＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維
（商標名：チラノ繊維）を高温でホットプレスして製造
されるＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維結合型セラミックス（商
標名：チラノヘックス）が発表され（例えば、「Ｓｉ−
Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維結合型セラミックスの微細構造と特
性」、平成７年７月１８日、日本材料学会第７６回セラ
ミック材料部門委員会）かつ権利化されている（例え
ば、特許第２５７９８５４号、「無機繊維焼結体及びそ
の製造方法」）。
【０００３】チラノ繊維（Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維）
は、ポリチタノカルボシランを溶融紡糸した後、不融
化、焼成して合成されるＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏからなる無
機質繊維であり、これを空気中で熱処理して表面に酸化
層を有する酸化チラノ繊維とし、この繊維から調製され
た一方向プリプレグシートを方向を揃えて積層し、ホッ
トプレスにより高温で加圧することにより、チラノヘッ
クス（Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維結合型セラミックス）が
製造される。
【０００４】かかるチラノヘックスは、原料繊維の表面
に存在していた酸化物層がホットプレス成形によりマト
リックス層を形成したものであり、繊維と繊維の隙間
は、原料繊維の表面に存在していた酸化物で均一に充填
され、気孔の極めて少ない緻密な構造をしている。ま
た、チラノ繊維自体が、高い力学的特性と優れた耐熱性
・耐酸化性を有していることから、チラノヘックスも力
学的強度と耐熱性・耐酸化性に優れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したチラノヘック
ス（繊維結合型セラミックス）の優れた特性を生かし
て、チラノヘックスを機械加工して所望のガスタービン
部品を製作することが要望されている。例えば、タービ
ンの動翼及び静翼、燃焼器、アフターバーナーのフラッ
プや分割構造ライナを、チラノヘックスを加工して製造
することにより、従来の耐熱金属製（耐用温度約１００
０℃、比重約８）に比べて耐熱強度を高め（１４００℃
以上）、かつ軽量化（比重約２．６）することができ
る。
【０００６】しかし、チラノヘックスからタービン部品
を製造するために切断や切削加工をすると、繊維と平行
な方向に裂けやすい問題点があった。例えば、１方向材
のチラノヘックスをバイスにクランプして繊維に直角方
向に切断する場合に、砥石の回転による摩擦抵抗や自重
による切断時の回転モーメント等複雑な応力が繊維の境
界部に作用して境界面で剥離することがある。
【０００７】また、この問題点を改善するために、チラ
ノ繊維を予め２次元織りし、これを積層して立体のチラ
ノヘックスを製造する場合でも、機械加工により積層面
で剥離しやすい問題点があった。更に、この剥離を防ぐ
ために、チラノ繊維を加圧方向に平行な繊維を含む構造
に立体織りしてからチラノヘックスを製造しようとする
と、ホットプレス成形により原料繊維がキンクして強度
が大幅に低下したり、原料繊維間に空隙ができ易く、緻
密なマトリックス層が形成できず、繊維の体積含有率が
低下して耐熱強度が大幅に低下する問題点があった。
【０００８】本発明は上述した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、繊
維の境界面や積層面で剥離や亀裂が生じにくく、ホット
プレス成形による原料繊維の損傷が少なく、原料繊維間
に空隙ができ難く、これにより緻密なマトリックス層を
形成できかつ高い繊維の体積含有率を得ることができる
繊維結合型立体セラミックスの製造方法とそのガスター
ビン部品を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ポリチ
タノカルボシランを溶融紡糸した後、不融化、焼成して
合成されるＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏからなる無機質繊維を原
料繊維とし、該原料繊維からホットプレス時の加圧方向
に対してすべての繊維が垂直又は斜めに延びる立体織物
を形成し、該立体織物を空気中で熱処理して表面に酸化
層を有する酸化繊維立体織物とし、該酸化繊維立体織物
を前記加圧方向に加圧しながらホットプレス成形し、こ
れにより表面の酸化層を互いに密着させてマトリックス
化する、ことを特徴とする繊維結合型立体セラミックス
の製造方法が提供される。
【００１０】上記本発明の方法によれば、立体織物を構
成するすべての繊維（チラノ繊維）がホットプレス時の
加圧方向に対して垂直又は斜めに延びるているので、ホ
ットプレス成形時の加圧力が繊維に対して横方向に作用
する。従って、繊維のキンクや剪断が起こに難く、かつ
加圧力が繊維間を縮める方向に作用するので空隙ができ
ずに緻密なマトリックス層を形成することができ、繊維
の体積含有率を高く保持して耐熱強度の高い繊維結合型
立体セラミックスを製造することができる。このように
３次元的に結合した繊維結合型立体セラミックスは、繊
維間が気孔の極めて少ない緻密な構造となるため、繊維
の境界面や積層面で剥離や亀裂が生じにくくなる。
【００１１】また、このように製造した繊維結合型立体
セラミックスを成形してガスタービン部品とすることに
より、繊維の境界面や積層面で剥離や亀裂が生じにくい
ガスタービン部品とすることができる。
【００１２】本発明の好ましい実施形態によれば、原料
繊維を横糸と縦糸とし、横糸を多層に配置し、縦糸を２
層以上の横糸間を交互に交差させて２軸３次元の立体織
物を形成する。この方法により、縦糸と横糸の両方に対
してほぼ垂直にホットプレス成形時の加圧力を作用させ
ることができ、緻密な繊維結合型立体セラミックスを製
造することができる。
【００１３】また、原料繊維を横糸と縦糸とする２軸２
次元の平面織物を積層し、該積層物を斜めに交互に交差
する第３糸で一体化して立体織物を形成してもよい。こ
の方法により、横糸及び縦糸に対してはほぼ垂直に、第
３糸に対しては斜めにホットプレス加圧力を作用させる
ことができ、同様に緻密な繊維結合型立体セラミックス
を製造することができる。
【００１４】更に、原料繊維に同一の短繊維を予め絡ま
せて短繊維付繊維を形成し、該繊維を加圧方向と垂直に
揃えて積層して立体織物を形成してもよい。この方法に
よって、繊維に対して垂直にホットプレス成形時の加圧
力を作用させることができると共に、ホットプレス時の
圧縮によるキンクを無くし、内部に生じやすい空隙部を
最小限にすることができ、かつ比較的安価に繊維結合型
立体セラミックスを製造することができる。
【００１５】
【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、本発明の方法を示
すフロー図である。この図に示すように、本発明の繊維
結合型立体セラミックスの製造方法は、原料繊維１から
立体織物２を形成する立体織り工程１２と、この立体織
物２を酸化させる酸化工程１４と、酸化した立体織物３
をホットプレスするホットプレス工程１６とからなる。
【００１６】原料繊維１は上述したチラノ繊維であり、
ポリチタノカルボシランを溶融紡糸した後、不融化、焼
成して合成されるＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏからなる無機質繊
維である。酸化工程１４は、立体織物２を空気中で熱処
理して表面に酸化層を有する酸化繊維立体織物３とする
工程である。この工程は、例えば約１１５０℃前後の空
気中で１０〜４０時間熱処理し、約２５０〜６００ｎｍ
の平均厚さの酸化層を原料繊維の表面に形成する。
【００１７】ホットプレス工程１６は、酸化繊維からな
る立体織物３の各繊維にほぼ直交する方向に加圧しなが
らホットプレス成形して、表面の酸化層を互いに密着さ
せてマトリックス化する。この工程は、例えば約１７５
０℃前後の高温真空中で約５０ＮＰａの圧力で行うのが
よい。この工程により、繊維結合型立体セラミックス４
が完成する。
【００１８】図２は、立体織物２の形成方法を示す模式
図である。この図において、（Ａ）は第１の方法、
（Ｂ）は第２の方法による立体織物２を模式的に示して
いる。これらの方法により、ホットプレス時の加圧方向
（この図で上下方向）に対してすべての原料繊維が垂直
又は斜めに延びる立体織物２を形成することができる。
（Ａ）の第１の方法（以下、２軸３次元織りという）で
は、原料繊維１を横糸１ａと縦糸１ｂとし、ｙ方向（紙
面に直交する方向）に延びる横糸１ａを多層に配置し、
ｚ方向に上下しながらｘ方向に延びる縦糸１ｂにより、
２層以上の横糸１ａの間を交互に上下に交差させて２軸
３次元の立体織物を形成する。なお、図２（Ａ）のａで
は、２本の横糸１ａを束ねて使用し、ｂでは１本の横糸
１ａを使用している。
【００１９】この２軸３次元織りでは、縦糸１ａと横糸
１ｂの両方がほぼ水平に延びているので、この図で上下
方向にホットプレス成形時の加圧力を作用させることに
より、ホットプレス成形時の加圧力がすべての繊維に対
してほぼ横方向に作用する。従って、繊維のキンクや剪
断が起こに難く、かつ加圧力が繊維間を縮める方向に作
用するので空隙ができずに緻密なマトリックス層を形成
することができ、繊維の体積含有率を高く保持して耐熱
強度の高い繊維結合型立体セラミックスを製造すること
ができる。このように３次元的に結合した繊維結合型立
体セラミックスは、繊維間が気孔の極めて少ない緻密な
構造となるため、繊維の境界面や積層面で剥離や亀裂が
生じにくくなる。
【００２０】（Ｂ）の第２の方法（以下、重ね織りとい
う）では、原料繊維１を横糸１ａと縦糸１ｂとする２軸
２次元の平面織物を形成し、この平面織物を積層して積
層織物を形成し、更にこの積層織物を斜めに交互に交差
する第３糸ｃで一体化して立体織物を形成する。この重
ね織りでは、横糸１ａ及び縦糸１ｂに対してはほぼ垂直
に、第３糸１ｃに対しては斜めにホットプレス加圧力を
作用させることができるので、第１の方法と同様に、緻
密な繊維結合型立体セラミックスを製造することができ
る。
【００２１】また、このように製造した繊維結合型立体
セラミックスを成形してガスタービン部品とすることに
より、繊維の境界面や積層面で剥離や亀裂が生じにくい
ガスタービン部品とすることができる。
【００２２】
【実施例】表１は、上述した本発明の方法による繊維結
合型立体セラミックスの試験結果である。この試験で
は、原料繊維１としてＬｏｘＭグレードのチラノ繊維を
用いた。
【００２３】
【表１】
【００２４】この表において、比率（Ｘ：Ｙ：Ｚ）とは
横糸、縦糸、第３糸の体積比率であり、Ｖｆ（繊維の体
積含有率）とは、立体織物形成時の繊維形状を保持して
いる部分の体積割合を意味している。また、曲げ強度
（Ｘ方向、Ｙ方向）は、それぞれ横糸及び縦糸に曲げモ
ーメントを作用させた場合の最大破断応力を示してい
る。
【００２５】表１から、図２（Ａ）（Ｂ）に示した「２
軸３次元織り」と「重ね織り」のいずれの方法によって
も、十分な強度と高い繊維の体積含有率を有する繊維結
合型立体セラミックスを製造できることがわかった。ま
た、表には示していないが、製作したセラミックスの顕
微鏡写真からも、原料繊維間に空隙がなく、緻密なマト
リックス層が形成されていることが確認された。
【００２６】図３は、立体織物の別の形成方法を示す模
式図である。この図において、（Ａ）は第３の方法、
（Ｂ）は第４の方法による立体織物２を模式的に示して
いる。これらの方法によっても、ホットプレス時の加圧
方向に対してすべての原料繊維が垂直又は斜めに延びる
立体織物２を形成することができる。（Ａ）の第３の方
法（以下、ネットシェープ織りいう）では、原料繊維
（面内糸１ａ，１ｂ）を加圧方向に垂直に揃えて積層
し、第３糸１ｃを図のように斜めに交差させて表面と第
４糸１ｄとの間で面内糸１ａ，１ｂを束ねるようになっ
ている。第３糸１ｃの傾斜方向は、常に同一方向であっ
てもよく、或いは図に破線で示すように傾斜方向を交互
に逆にしてもよい。この方法により、ホットプレス時の
圧縮によるキンクを無くし、かつ内部に生じやすい空隙
部を最小限にすることができる。
【００２７】（Ｂ）の第４の方法（以下、フレックス織
りという）では、ｂに示すように、原料繊維１に同一の
短繊維５を予め絡ませて短繊維付繊維を形成し、この繊
維をａに示すように、加圧方向に垂直に積層して立体織
物を形成する。この方法によっても、原料繊維に対して
垂直にホットプレス成形時の加圧力を作用させることが
できると共に、ホットプレス時の圧縮によるキンクを無
くし、内部に生じやすい空隙部を最小限にすることがで
き、かつ比較的安価に繊維結合型立体セラミックスを製
造することができる。なお、ｃに示すように、繊維自体
に毛羽があるものを使用してもよい。
【００２８】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
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。
【００２９】
【発明の効果】上述したように、本発明の繊維結合型立
体セラミックスの製造方法とそのガスタービン部品によ
れば、繊維の境界面や積層面で剥離や亀裂が生じにく
く、ホットプレス成形による原料繊維の損傷が少なく、
原料繊維間に空隙ができ難く、これにより緻密なマトリ
ックス層を形成できかつ高い繊維の体積含有率を得るこ
とができる、等の優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を示すフロー図である。
【図２】立体織物の形成方法を示す模式図である。
【図３】立体織物の別の形成方法を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 原料繊維 １ａ 横糸 １ｂ 縦糸 １ｃ 第３糸 ２ 立体織物 ３ 酸化立体織物 ４ 繊維結合型立体セラミックス ５ 短繊維 １２ 立体織り工程 １４ 酸化工程 １６ ホットプレス工程
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｄ０３Ｄ 25/00 Ｄ０３Ｄ 25/00 Ｃ０４Ｂ 35/80 Ａ (72)発明者 山村 武民 山口県宇部市大字小串1978番地の５ (72)発明者 広川 哲朗 滋賀県八日市市柴原南町1500−５ (72)発明者 田那村 武司 滋賀県八日市市柴原南町1500−５

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ポリチタノカルボシランを溶融紡糸した
    後、不融化、焼成して合成されるＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏか
    らなる無機質繊維を原料繊維とし、該原料繊維からホッ
    トプレス時の加圧方向に対してすべての繊維が垂直又は
    斜めに延びる立体織物を形成し、該立体織物を空気中で
    熱処理して表面に酸化層を有する酸化繊維立体織物と
    し、該酸化繊維立体織物を前記加圧方向に加圧しながら
    ホットプレス成形し、これにより表面の酸化層を互いに
    密着させてマトリックス化する、ことを特徴とする繊維
    結合型立体セラミックスの製造方法。
  2. 【請求項２】 原料繊維を横糸と縦糸とし、横糸を多層
    に配置し、縦糸を２層以上の横糸間を交互に交差させて
    ２軸３次元の立体織物を形成する、ことを特徴とする請
    求項１の繊維結合型立体セラミックスの製造方法。
  3. 【請求項３】 原料繊維を横糸と縦糸とする２軸２次元
    の平面織物を積層し、該積層物を斜めに交互に交差する
    第３糸で一体化して立体織物を形成する、ことを特徴と
    する請求項１に記載の繊維結合型立体セラミックスの製
    造方法。
  4. 【請求項４】 原料繊維に同一の短繊維を予め絡ませて
    短繊維付繊維を形成し、該繊維を加圧方向と垂直に揃え
    て積層して立体織物を形成する、ことを特徴とする請求
    項１に記載の繊維結合型立体セラミックスの製造方法。
  5. 【請求項５】 ポリチタノカルボシランを溶融紡糸した
    後、不融化、焼成して合成されるＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏか
    らなる無機質繊維を原料繊維とし、該原料繊維からホッ
    トプレス時の加圧方向に対してすべての繊維が垂直又は
    斜めに延びる立体織物を形成し、該立体織物を空気中で
    熱処理して表面に酸化層を有する酸化繊維立体織物と
    し、該酸化繊維立体織物を前記加圧方向に加圧しながら
    ホットプレス成形し、これにより表面の酸化層を互いに
    密着させてマトリックス化し、これを成形する、ことを
    特徴とする繊維結合型立体セラミックスのガスタービン
    部品。
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