JPS599508B2 - 炭化けい素成形体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高密度の炭化けい素成形体を容易に製造する方
法に関するものである。

比較的高密度の炭化けい素成形体を製造する方法さして
は、たとえばα−ＳｊＣの粉末にバインダーとしてＭｇ
ＯあるいはＡＩ０３などを数パーセントないしはそれ以
下の量で添加し、これを約１ ４ ０ ｋｇ／ｃｒ？ｉ
に加圧しながら１９５０℃以上のような高温に加熱して
焼結させるといういわゆるホットプレス法が公知とされ
ている。

しかし、この方法には上記した加圧加熱を行うための所
望形状の鋳型が必要とされ、この鋳型は上記のような高
温に耐えかつそのような高温で原料α−ＳｉＣ等と反応
を起こさない材質のものであることが要求されるため、
一般にはこの鋳型として黒鉛製のものが使用されるが、
高価な黒鉛を用いて複雑な形状の鋳型を作製することは
いきおい目的製品のコスト高をまねクシ、またこのよう
な黒鉛製の鋳型では通常その形状を複雑なものとするこ
とが困難であるため、目的とする炭化けい素成形体の形
状が比較的単純なものに限られてしまうという欠点もあ
る。

他方、微粉末状の炭化けい素を高圧でスリップキャスト
し、ついでこれを還元ふん囲気中約２４００℃以上の高
温に加熱して再結晶化を行わせて粒子を結合させること
により比較酌高密度の炭化けい素成形体を得る方法が公
知とされているが、この方法には再結晶時に大きな収縮
を起こすため所期の寸法形状の成形体を得ることが困難
であるほか、得られた成形体は曲げ強さ等の機械的強度
に劣る（曲げ強さはおおむね２ｔ／ｃｒ？ｔである）と
いう欠点がある。

さらに他の方法として、ジメチルジク口ロシランを１２
００〜１３００℃で熱分解させるか、または四塩化けい
素とメタンとの混合ガス体を反応させることにより、生
成する炭化けい素を黒鉛等の基体上に析出させるいイつ
ゆるＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉ一ｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が知られているが、この方法に
は基体上に析出させる方法であるため、均一な厚さで析
出させることおよび肉厚に析出させることが困難であり
、また工業的方法としての生産能率にきわめて劣るとい
う欠点がある。

一方、炭化けい素成形体を得る方法としては、α一Ｓｉ
Ｃ粉末および黒鉛粉末の混合物を有機質バインダーを添
加して成形し、これを高温に加熱することにより該有機
質バインダーを除去ないしは炭化させた後、これにシリ
コンの溶融体または蒸気を接触させ成形体中の黒鉛粉末
と反応させるコトニよりβ一ＳｉＣを生成させ、この７
−ＳｉＣがα−８ｌＣを結合一体化するいわゆる自己結
合法が公知とされており、この方法は複雑な所望形状の
炭化けい素成形体を得ることが容易で、鋳型を必要とせ
ず、量産が可能であるなどの長所を有するが、反面有機
質バインダーを使用しなければならないほか、この有機
質バ．インダーは良好な成形を可能とするためには比較
的多量に添加しなければならず、多量に添加すれば最終
製品の物性を劣化するという問題を生ずるためにバイン
ダーの種類を厳選する必要があり、この目的達成のため
の良好なバインダーを取得することが困難であるという
欠点がある。

また、上記自己結合法に類似する方法として、黒鉛製の
鋳型に炭素繊維を充てんし、この充てんされた炭素繊維
に溶融シリコンを浸透させて反応させることにより該鋳
型の形状に応じた炭化けい素成形体を得る方法が提案（
％開昭５０−２６２６号公報）されているが、この方法
には、（１）黒鉛製の鋳型を必要とするためこの点では
前記ホットプレス法で述べたと同様の問題点がある、（
２）炭素繊維はかさばることからこれを鋳型中により高
密晩で充てんすることが困難であり、このため高密度の
炭化けい素成形体を得ることが難しい、（３）生成した
炭化けい素成形体を鋳型から取出すには鋳型を破壊する
必要があり、また炭化けい素成形体は鋳型に強固に固着
しているのでその取出し作業が大変であるほか、目的成
形体を損傷するおそれがある、（４）溶融シリコンが浸
透した際に鋳型に亀裂が生じることがあり、この場合に
は得られる炭化けい素成形体はきわめて品質の劣るもの
となる、という種々の欠点がある。

本発明は従来法のかかる欠点を除去した炭化けい素成形
体の製造方法を提供しようとするもので、これは炭素繊
維を炭素繊維のひも状物で巻締めた集束体を溶融シリコ
ンと接触させることにより該溶融シリコンを該集束体内
部に浸透させ高密度炭化けい素を生成させることを特徴
とする方法である。

この本発明の方法によれば、（１）上記巻締めの強さを
大きくすることにより集束体中の炭素繊維密度を高くす
ることができるため、結果として高密度炭化けい素成形
体を容易に製造することができる。

（２）成形体の形状はたとえばＳ字形、Ｙ字形など種々
の形状のものとすることができる、（３）得られる炭化
けい素成形体はきわめて均質であり、たとえば前記した
黒鉛製の鋳型を使用する特開昭５０−２６２６号公報に
比べて格段に高品質の製品が得られる、（４）所望の形
状の成形体を正確な寸法精度で得ることができる、（５
）製造コストが安価である、など種々の効果が与えられ
る。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明の方法は、原料として使用される炭素繊維をあら
かじめ炭素繊維のひも状物で巻締めて集束体とするので
あるが、この原料炭素繊維の形状としてはトウ、フエル
ト、ブレイド、クロスなどが、また炭素繊維の巻締めの
ひも状物としては炭素繊維のブレイド、黒鉛繊維のヤー
ンなどが例示される。

集束体を作る方法としては炭素繊維のトウあるいはブレ
イドの多数本をほぼ同一方向にそろえて適当な長さの束
にし、これを前記した炭素繊維のひも状物でその一端か
ら一定の強さで順に巻締める方法、炭素繊維のフエルト
あるいはクロスをできるだけ密に巻回しこれを前記した
炭素繊維のひも状物で巻締める方法などによればよい。

特にすぐれた品質を有する炭化けい素成形体を得るため
には、炭素繊維のブレイドの多数本を適当な長さにそろ
えて束にし、これを黒鉛繊維のヤーンでその一端から所
望する強さで間隙を残さないように密に他端まで巻締め
て得た収束体を使用することが望ましい。

本発明の方法はこのようにして作成した収束体をついて
溶融シリコンと接触させるのであるが、この溶融シリコ
ンとの接触に先立って該収束体を真直ぐな棒状、適当な
曲率に曲げた形状、Ｕ字状、Ｓ字状等の形状に整え、そ
の形状で溶融シリコンと接触させると、この形状が維持
された状態の炭化けい素成形体が得られる。

もちろんこの収束体は上記した形状のはかＹ字形、Ｘ字
形等種々の形状に作成することができることは言うまで
もない。

収束体と溶融シリコンとを接触させるには、これをアル
ゴンガスなどの不活性ガス下または真空下に行うことが
よく、具体的にはたとえば適当な容器中でシリコンをア
ルゴンガス中または真空中で加熱溶解させその溶融温度
以上に保持し、ついでこの容器中のシリコン面よりわず
かに離して収束体を保持し、容器内のふん囲気をたとえ
ば１『′ｉＬ７７ｌＨｇ以下のアルゴンガスとした状態
で該加熱された収束体を溶融シリコン中に浸漬させると
いう方法により行われる。

この浸漬により溶融シリコンが収束体中に浸透し、炭素
とシリコンとが反応して炭化けい素が生成される。

生成時間は目的生成物の大きさによって異なるが、はげ
しい発熱反応をともなうので生成速度は非常に速く、た
とえば直径３ｃｒＩｌ１長さｌ５ｃｒｆＩの棒状の場合
数分で糸冬了する。

つぎにこれを溶融シリコン層中から引上げ、冷却を開始
すると炭化けい素に変化した収束体中のマトリックスシ
リコンは膨張し、その膨張分が余剰となって収束体の外
部に析出し、結果として内部に気泡などの含まない高品
質な炭化けい素成形体ＳｉＣ−Ｓｉが得られる。

なおこうして得られた成形体についてその形状の寸法精
度を向上させる必要がある場合には、成形体の表面部を
研磨除去すればよい。

この方法によれば収束体作成の際にその巻締め強さを大
きくすることにより、ＳｉＣが９０容量係以上であるよ
うな高密度高品質のＳｉＣ−Ｓｉを容易に得ることがで
きる。

しかし、これを前記した特開昭５０−２６２６号に記載
の方法により製造しようとすると、鋳型中に原料炭素繊
維をきわめて高い充てん密度で充てんしなければならな
いが、本発明者らの実験によれば原料炭素繊維がかさば
っていることからそれはほとんど不可能で、できるだけ
高い充てん密度で充てんしても得られるＳｉ（：−Ｓｉ
中のＳｉＣはせいぜい８５容量係程度であり、これ以上
のものを得ることはほとんど不可能である。

また、かかる従来法によるときは鋳型にひび割れが起こ
るのをできるだけ避けるために肉厚の鋳型を使用するが
、この鋳型は生成した炭化けい素と強固に固着するため
、これを破壊して炭化けい素成形体を取出すが、その際
に炭化けい素成形体が損傷されるおそれがある。

これに対し、本発明の方法では鋳型を使用しないためか
かる問題が生じる余地が全くなく、高品質の炭化けい素
成形体が再現性よく高生産能率で製造することができる
。

つぎに、本発明方法の実施例をあげる。

実施例 １ 長さ２００ｍｍの炭素繊維ブレイドを１３．６ｇ採取し
、これを長さ方向にそろえて束にし、その一端から１０
０朋のところまで束の直径が１０ｍｙｔになるように黒
鉛繊維のヤーンで間隙を残さないように巻締め、束の巻
締めない部分を切断除去して丸棒状集束体を作った。

このようにして作った丸棒状収束体をるつぼ中の中間部
に保持し、１ ０ ’ｍｍＨ９の減圧下に加熱し３時間
で１０００℃にまで昇温した。

一方このるつぼ中の該集束体の直下約ＩＣＴｔの距離に
溶融シリコンの層を形成させた後、このるつぼ中にアル
ゴンガスを導入して１０−２１ｒＬ７ｒＬＨｇの減圧度
とし溶融シリコンの温度を１４５０℃にまで加熱して、
これに該集束体の全体を浸漬し１５分間保持した。

この浸漬により溶融シリコンが集束体内部に浸透し反応
して炭化けい素が生成された。

つぎに、この集束体を溶融シリコン中から取出し冷却し
たところ、直径１０，５〜１１ｍｍの丸棒（ＳｉＣ−Ｓ
ｉ）が得られた。

この九棒の周囲をダイヤモンド砥石で均一に研磨して直
径１０ｒ／ｔ７ｌ１長さ１００ｍｍの丸棒（ＳＩＣ−Ｓ
ｉ）とし、これについて物性を測定したところ、つぎの
とおりであった。

比 重 ３．０ 曲げ強さ ４． ５ ｔ ／ｃｒｉｔ弾性率
３．３ Ｘ １ ０３ｔ ／ｃｒｉｔ実施例 ２ 長さ２００ｍｍの炭素繊維ブレイドを１３６ｇ採集し、
これを長さ方向にそろえて束にし、その一端から１５０
ｍｍのところまで束の直径が１０ｍｒｒｔになるように
黒鉛繊維のヤーンで間隙を残さないように巻締め、つぎ
に残りの部分（５０ｍｍ）を２分してそれぞれが直径３
５〜４、Ｏｍｍとなるように同様に該ヤーンで巻締め、
この２本がなす角度を４５゜としたＹ字形集束体を作っ
た。

つぎに、このＹ字形集東体をアルゴンガスふん囲気中で
加熱し３時間で１４１２℃まで昇温し、ついでこれを常
圧アルゴンガスふん囲気中で１４５０℃に加熱された溶
融シリコンと接触させ、反応させたところ、下記のよう
な耐薬品性を示す、耐食性、耐熱性および機械的強さに
すぐれた比重３．０のＹ字形ＳｉＣ−Ｓｉが得られた。

〔耐薬品性〕

（１）５％硫酸 Ｏｇ／ｍ’／ｈｒ．（２）９８
係硫酸 （３）３６％塩酸 １．２ Ｘ １ ０−３９ ／
ｈｒ．（Ｊｓｏ％弗酸 ２． ６ Ｘ １ ０
” ＆ ／ ｍ”／ｈｒ．（５）１２ＮＮａＯＨ
１．９Ｘ１０２．９／ｍ／ｈｒ．なお、ＳＵＳ−３１６
の５係硫酸に対する同様の試験結果は５，９７ｍ／ｈｒ
．であった。

実施例 ３ 実施例１の方法に準じて、直径２０ｍｍ，長さ１００ｍ
ｍの丸棒状ＳｉＣ−Ｓｉ（ＳｉＣ容量８５係）を製造し
た。

この丸棒をダイヤモンド砥石で研磨して、巾１５ｍｍ、
高さ（厚さ）１０關、長さ１００ｍｍの角材を作り、こ
れについい物性を測定したところ、下記のとおりであっ
た。

比 重 ２．９ 曲げ強さ ４．２ｔ／ＣＩ？Ｌ 弾性率 ３０×１０３ｔ／ｄ 比較例 外径１００ｍｍ．，長さ１００ｍｍの黒鉛寿型の中心部
に、巾１５．５ｍｍ，高さ（厚さ）１０．５ｍ１１ｌの
長方形の穴を長さ方向にくり抜き、この穴に前記実施例
３と同じＳｉＣ容量８５０７０となるように計算された
量の炭素繊維ブレイドを装入した。

なお、この装入作業にあたっては炭素繊維ブレイドが穴
の入口で引っかかり、またすり切れたりし、困難をきわ
めた。

この炭素繊維ブレイドが装入された鋳型を１０’ｍｍＨ
，９の減圧下に加熱し３時間で１０００℃にまで昇温し
、これを１０”ｍｍＨ９のアルゴンガスふん囲気中で１
４５０℃の温度に保持された溶融シリコンと接触させて
該炭素繊維中に溶融シリコンを浸透させ反応させて１５
分間保持したところ、鋳型に亀裂が生じ、得られたＳｉ
Ｃ−Ｓｉはその組織中に極端なＳｉの偏析が認められ、
長さ方向の寸法形状はかなり不均一であった。

またこのものの物性は下記のとおりであった。

比 重 ２．６ 曲げ強さ ２．Ｏｔ／ｉ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 炭素繊維を炭素繊維のひも状物で巻締めた集束体を
   溶融シリコンと接触させることを特徴とする高密度炭化
   けい素成形体の製造方法。