JPS61146754A - 複合セラミツクスの製造法 - Google Patents
複合セラミツクスの製造法Info
- Publication number
- JPS61146754A JPS61146754A JP59267771A JP26777184A JPS61146754A JP S61146754 A JPS61146754 A JP S61146754A JP 59267771 A JP59267771 A JP 59267771A JP 26777184 A JP26777184 A JP 26777184A JP S61146754 A JPS61146754 A JP S61146754A
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- JP
- Japan
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- whiskers
- particles
- metal
- composite ceramics
- nitrogen gas
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- Ceramic Products (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕 ・
本発明は、複合セラミックスの製造法に係り、特に高靭
性、高温強度を必要とする構造用複合セラミ、クスの製
造法に関する。
性、高温強度を必要とする構造用複合セラミ、クスの製
造法に関する。
一般に、エンジンやタービンなどの構造材料に適するエ
ンジニアリングセラミックスとしては、耐熱性や耐熱衝
撃性が優れ九窒化珪素や炭化珪素などが知られ【いる。
ンジニアリングセラミックスとしては、耐熱性や耐熱衝
撃性が優れ九窒化珪素や炭化珪素などが知られ【いる。
しかし、窒化珪素や炭化珪素は、共有結合性の強い化合
物である九め、単独では焼結が困難であり、高密度の焼
結体を得るためには焼結助剤の添加が必要である。例え
ば、炭化珪素をホットブレスで焼結する場合の焼結助剤
としては、硼素、硼素化合物、アルミニウムあるいはア
ルミニウム化合物などが知られている。また、炭化珪素
を常圧で焼結する場合には、炭素を添加することで高密
度焼結体が得られることが知られている。しかし常圧焼
結法の場合、炭化珪素が分解しやすく、そのために成形
体が充分に緻密化せず、特に複雑形状品、大寸法品の場
合には問題となりていた。また、これら焼結助剤による
がラス相は高温にお−て軟化するため、高温における焼
結体の強度が著しく低下する。この高温での強度低下を
防止するため、焼結助剤の添加量をできるだけ少なくし
たり、焼結助剤に起因する粒界のガラスを結晶化させる
などの検討が行なわれているが、完全な解決には至って
いない。
物である九め、単独では焼結が困難であり、高密度の焼
結体を得るためには焼結助剤の添加が必要である。例え
ば、炭化珪素をホットブレスで焼結する場合の焼結助剤
としては、硼素、硼素化合物、アルミニウムあるいはア
ルミニウム化合物などが知られている。また、炭化珪素
を常圧で焼結する場合には、炭素を添加することで高密
度焼結体が得られることが知られている。しかし常圧焼
結法の場合、炭化珪素が分解しやすく、そのために成形
体が充分に緻密化せず、特に複雑形状品、大寸法品の場
合には問題となりていた。また、これら焼結助剤による
がラス相は高温にお−て軟化するため、高温における焼
結体の強度が著しく低下する。この高温での強度低下を
防止するため、焼結助剤の添加量をできるだけ少なくし
たり、焼結助剤に起因する粒界のガラスを結晶化させる
などの検討が行なわれているが、完全な解決には至って
いない。
一方、焼結助剤とは別に、 SiC、シリコンナイトラ
イド等の高強度繊維(ウィスカー)混合による複合化に
よって高温強度を高める繊維強化法も考えられている(
窯業協会誌、91=(:11)#1983、P491)
。
イド等の高強度繊維(ウィスカー)混合による複合化に
よって高温強度を高める繊維強化法も考えられている(
窯業協会誌、91=(:11)#1983、P491)
。
この方法が有効な理由は、
(1):ウイスカーがセラミックス中の微小な傷の拡大
を停止、あるいは抑制して応力の集中を防ぐ。
を停止、あるいは抑制して応力の集中を防ぐ。
(2):ウイスカーがセラミ、クスと強く結合して、ウ
ィスカーが応力を担う。
ィスカーが応力を担う。
(3):ウイスカーがセラミックスと弱く結合(例えば
、物理的に付着)していればセラミ、クスからの繊維の
引き抜きKよるエネルギーの吸収が起こる。
、物理的に付着)していればセラミ、クスからの繊維の
引き抜きKよるエネルギーの吸収が起こる。
(4):ウイスカーは弱い部分から順々に破断していく
ので破断面が複雑になる。
ので破断面が複雑になる。
以上の様な効果でセラミックスの脆さおよび耐熱衝撃性
が向上するものと考えられている。
が向上するものと考えられている。
しかし、この様な繊維強化セラミックスの製造において
、原料混合時にウィスカーが互いに絡まり合い、塊状に
なることが問題となっている。そこでウィスカーをマト
リックス中に分散させる方法として、ウィスカーを水中
に投入し、機械的攪拌や超音波照射により分散させ、フ
ィルターを通すことにより未分散塊や粒状物を除いた後
、さらに吸引−過を行ない、グリーンシートとすること
が考えられている。ところが、それでは2次元配合にな
っているため異方性が生じ易い。従りて、ウィスカーに
よる高強度・高靭性複合焼結体を得るためには、うまく
3次元的に分散させることが大きな問題となる。
、原料混合時にウィスカーが互いに絡まり合い、塊状に
なることが問題となっている。そこでウィスカーをマト
リックス中に分散させる方法として、ウィスカーを水中
に投入し、機械的攪拌や超音波照射により分散させ、フ
ィルターを通すことにより未分散塊や粒状物を除いた後
、さらに吸引−過を行ない、グリーンシートとすること
が考えられている。ところが、それでは2次元配合にな
っているため異方性が生じ易い。従りて、ウィスカーに
よる高強度・高靭性複合焼結体を得るためには、うまく
3次元的に分散させることが大きな問題となる。
本発明の目的は複合セラミックスの製造法において、高
靭性、高温強度を得るために、セラミックス粒子をウィ
スカーで結合する製造法を提供することにある。
靭性、高温強度を得るために、セラミックス粒子をウィ
スカーで結合する製造法を提供することにある。
本発明は、焼成中に成形体中の金属Si粉末から生成す
るウィスカーで粒子相互間を結合するとともに粒子間の
空隙を減少させることにより、高靭性、高温強度を得る
ものである。本発明複合セラミックスの製造法の特徴は
、酸化物、炭化物、窒化物、酸窒化物などの無機化合物
の少なくとも1種と、金属Siとからなる混合物の成形
体を、酸素濃度2〜10 ppmの窒素ガス中、金属s
iの融点未満で加熱し、焼成体粒子間に針状ウィスカー
を成長させ、該ウィスカーにより粒子間を結合すること
である。
るウィスカーで粒子相互間を結合するとともに粒子間の
空隙を減少させることにより、高靭性、高温強度を得る
ものである。本発明複合セラミックスの製造法の特徴は
、酸化物、炭化物、窒化物、酸窒化物などの無機化合物
の少なくとも1種と、金属Siとからなる混合物の成形
体を、酸素濃度2〜10 ppmの窒素ガス中、金属s
iの融点未満で加熱し、焼成体粒子間に針状ウィスカー
を成長させ、該ウィスカーにより粒子間を結合すること
である。
本発明において、成形体の粒子相互間を成形体の焼成中
に生成させたウィスカーで結合した理由は、ウィスカー
を原料に予め混合、分散させておい九場合、ウィスカー
は焼成体中の粒子間の空隙に存在するが、全てのウィス
カーが粒子と結合しているのではなく、塊状や単独で存
在するウィスカーが残るためである。本発明によれば、
粒子間の空隙を、成形体中の粒子から生成した多数の針
状のウィスカーが比較的真直ぐに延びて交差することに
より結合し、結合状態でないウィスカーは存在しないの
で、高靭性、高温強度が得られるものである。
に生成させたウィスカーで結合した理由は、ウィスカー
を原料に予め混合、分散させておい九場合、ウィスカー
は焼成体中の粒子間の空隙に存在するが、全てのウィス
カーが粒子と結合しているのではなく、塊状や単独で存
在するウィスカーが残るためである。本発明によれば、
粒子間の空隙を、成形体中の粒子から生成した多数の針
状のウィスカーが比較的真直ぐに延びて交差することに
より結合し、結合状態でないウィスカーは存在しないの
で、高靭性、高温強度が得られるものである。
本発明による焼結体中の生成ウィスカーの結合状態を第
1図に示す。また、ウィスカーを原料に予め混合、分散
した場合の焼結体中のウィスカーの結合状態を第2図に
示す。
1図に示す。また、ウィスカーを原料に予め混合、分散
した場合の焼結体中のウィスカーの結合状態を第2図に
示す。
本発明において、成形体中にウィスカーを生成させるの
に酸素濃度2〜10 Ppmの窒素ガス中、金属Siの
融点未満で加熱生長させた理由は、酸素濃度が10 p
pmをこえる窒素ガス中では成形体表面にウィスカーが
生成し、酸素濃度が2ppm未満の窒素ガス中ではウィ
スカーの生成量が少ないからである。また、金属Siの
融点以上の温度まで加熱すると金属Siが溶融し、表面
にしみ出てくるからである。従って、本発明の加熱条件
下で成形体の大きさKより適当な時間加熱することによ
り成形体中にウィスカーをより多く生成させることがで
きる。
に酸素濃度2〜10 Ppmの窒素ガス中、金属Siの
融点未満で加熱生長させた理由は、酸素濃度が10 p
pmをこえる窒素ガス中では成形体表面にウィスカーが
生成し、酸素濃度が2ppm未満の窒素ガス中ではウィ
スカーの生成量が少ないからである。また、金属Siの
融点以上の温度まで加熱すると金属Siが溶融し、表面
にしみ出てくるからである。従って、本発明の加熱条件
下で成形体の大きさKより適当な時間加熱することによ
り成形体中にウィスカーをより多く生成させることがで
きる。
また本発明では、焼成体粒子100重量部に対し、ウィ
スカーが1〜70重量部、好ましくは10〜30重量部
含ま尾部ことが好ましい。この理由は、ウィスカーが1
0重量部〜70重量部では靭性がほとんど変わらず、1
重量部未満及び71重量部以上では従来以上の顕著な効
果がみられないからである。
スカーが1〜70重量部、好ましくは10〜30重量部
含ま尾部ことが好ましい。この理由は、ウィスカーが1
0重量部〜70重量部では靭性がほとんど変わらず、1
重量部未満及び71重量部以上では従来以上の顕著な効
果がみられないからである。
さらに本発明では、焼成のための加熱温度が、1100
〜1400℃であることが好ましい。
〜1400℃であることが好ましい。
実施例1
平均粒径16μmの炭化珪素50JiFと、窒化珪素ウ
ィスカーを生成させろための平均粒径1μmの金属シリ
コン21〜80.9の混合粉末に、成形助剤トシてポリ
ビニルブチラール10憾溶液を100国添加し、ポット
ミルで24時間混合し、次に室温で乾燥させ供試原料と
した。これらの原料をメカニカルプレスを用いて成形圧
力250に9/□2で、それぞれ直径50 tm 、厚
さ30mのものに成形した。この各成形体から成形助剤
を分散揮散させた後、酸素濃度3 ppmの窒素ガス中
、1100℃で10時間、次いで1200℃で20時間
、次いで1300℃で10時間、次いで1350℃で5
時間以上保持後炉冷した。ここで各昇温速度は10’C
/minである。
ィスカーを生成させろための平均粒径1μmの金属シリ
コン21〜80.9の混合粉末に、成形助剤トシてポリ
ビニルブチラール10憾溶液を100国添加し、ポット
ミルで24時間混合し、次に室温で乾燥させ供試原料と
した。これらの原料をメカニカルプレスを用いて成形圧
力250に9/□2で、それぞれ直径50 tm 、厚
さ30mのものに成形した。この各成形体から成形助剤
を分散揮散させた後、酸素濃度3 ppmの窒素ガス中
、1100℃で10時間、次いで1200℃で20時間
、次いで1300℃で10時間、次いで1350℃で5
時間以上保持後炉冷した。ここで各昇温速度は10’C
/minである。
得られた焼結体の試験結果を第1表に示す。破壌靭性値
(Kxc)は3X 4 X 40 m (三点曲げ試験
のスパン30■)の試験片にダイヤモンドホイールで0
.5−の切り欠きを入れたノッチドビーム法で測定した
。
(Kxc)は3X 4 X 40 m (三点曲げ試験
のスパン30■)の試験片にダイヤモンドホイールで0
.5−の切り欠きを入れたノッチドビーム法で測定した
。
比較の為に酸素濃度30ppmの窒素ガス中で同様に熱
処理したものを第2表AIVC示す。また、従来のよう
に始めから窒化珪素ウィスカーを原料に混合、分散させ
て、熱処理したものを第2表ム2に示す。
処理したものを第2表AIVC示す。また、従来のよう
に始めから窒化珪素ウィスカーを原料に混合、分散させ
て、熱処理したものを第2表ム2に示す。
第1表
本発明実施例による焼結体の試験後の破面をsWsMで
観察してみると炭化珪素粒子間の空隙を直径0.1〜2
μmφ、長さ5μm程度の針状及び繊維状の窒化珪素ウ
ィスカーがほぼ直線的に伸びて3次元的に交差して結合
していることが分った。
観察してみると炭化珪素粒子間の空隙を直径0.1〜2
μmφ、長さ5μm程度の針状及び繊維状の窒化珪素ウ
ィスカーがほぼ直線的に伸びて3次元的に交差して結合
していることが分った。
比較例第2表/に1の酸素濃度が高い窒素ガス中で熱処
理したものは、窒化珪素ウィスカーは焼結体中に゛はほ
とんど生成せず、焼結体の表面に白色の窒化珪素ウィス
カーが生成し、焼結体の相対密度が70俤はどしかなか
つ九。
理したものは、窒化珪素ウィスカーは焼結体中に゛はほ
とんど生成せず、焼結体の表面に白色の窒化珪素ウィス
カーが生成し、焼結体の相対密度が70俤はどしかなか
つ九。
比較例第2表A2の混合ウィスカーの場合は、塊状の窒
化珪素ウィスカーが多く見られ、粒子間の空隙を完全に
結合していないことが分った。
化珪素ウィスカーが多く見られ、粒子間の空隙を完全に
結合していないことが分った。
実施例2
平均粒径2μmの窒化チタン5oIIと平均粒径1μm
の金属シリコン5oIIの混合粉末、平均粒径1μmの
アルミナ5oIIと平均粒径1μmの金属シリコン50
11の混合粉末、平均粒径1μmost−ムt−0−N
50 Iiの混合粉末を実施例1と同様に混合。
の金属シリコン5oIIの混合粉末、平均粒径1μmの
アルミナ5oIIと平均粒径1μmの金属シリコン50
11の混合粉末、平均粒径1μmost−ムt−0−N
50 Iiの混合粉末を実施例1と同様に混合。
成形、加熱した焼結体の試験結果を第3表に示す。
第3表
焼結体の試験後の破面を5F2Aで観察してみると実施
例1ど同様に粒子間の空隙を直径0.1〜2μmφ長さ
5μm程度の針状及び繊維状の窒化珪素ウィスカーがほ
ぼ直線的に伸びて3次元的に交差して結合していること
が分りた。
例1ど同様に粒子間の空隙を直径0.1〜2μmφ長さ
5μm程度の針状及び繊維状の窒化珪素ウィスカーがほ
ぼ直線的に伸びて3次元的に交差して結合していること
が分りた。
実施例3
平均粒径5μmの窒化珪素5oIIと窒化珪素ウィスカ
ーを生成させるための平均粒径1μmの金属シリコン3
3〜95g、および焼結助剤として酸化マグネシウムを
51I添加し、イツトミルで24時間混合し供試原料と
した。これらの原料をメカニカルプレスを用いて成形圧
力500kII1511”で直径100■、厚さ30■
のものを成形した。これを酸素濃度3ppmの窒素がス
雰囲気中14oO℃以下で数時間処理した。この処理温
度2時間は原料から生成するウィスカーの量によすJ4
なるが、1300℃で10時間1次いで1400Cで5
時間以上おこなりた。この−次焼結体を1 k!F/−
の窒素fス雰囲気中1750℃に昇温して1時間保持し
緻密化焼結をおこなった。得られた焼結体の試験結果を
第4表A1〜6&2:示す。破壊靭性値(KIC)は3
X4X40箇(三点曲げ試験のスノ平ン30■)の試験
片にダイヤモンドホイールで0.5■の切り欠きを入れ
たノッチドピーム法で測定した。
ーを生成させるための平均粒径1μmの金属シリコン3
3〜95g、および焼結助剤として酸化マグネシウムを
51I添加し、イツトミルで24時間混合し供試原料と
した。これらの原料をメカニカルプレスを用いて成形圧
力500kII1511”で直径100■、厚さ30■
のものを成形した。これを酸素濃度3ppmの窒素がス
雰囲気中14oO℃以下で数時間処理した。この処理温
度2時間は原料から生成するウィスカーの量によすJ4
なるが、1300℃で10時間1次いで1400Cで5
時間以上おこなりた。この−次焼結体を1 k!F/−
の窒素fス雰囲気中1750℃に昇温して1時間保持し
緻密化焼結をおこなった。得られた焼結体の試験結果を
第4表A1〜6&2:示す。破壊靭性値(KIC)は3
X4X40箇(三点曲げ試験のスノ平ン30■)の試験
片にダイヤモンドホイールで0.5■の切り欠きを入れ
たノッチドピーム法で測定した。
比較のために、金属シリコンのかゎりに窒化珪素ウィス
カーを原料に混合、分散させて同様に熱処理したものを
第5表AIK示す。また、もう一つ比較のために、窒化
珪素と金属シリコンと酸化マグネシウムの混合粉末を1
450℃で窒素ガス雰囲気中2時間ウィスカー成長熱処
理後所定形状に成形し、その成形体を1 kg/cm”
の窒素ガス雰囲気中で1750℃に昇温して1時間保持
したものを第5表属2に示す。
カーを原料に混合、分散させて同様に熱処理したものを
第5表AIK示す。また、もう一つ比較のために、窒化
珪素と金属シリコンと酸化マグネシウムの混合粉末を1
450℃で窒素ガス雰囲気中2時間ウィスカー成長熱処
理後所定形状に成形し、その成形体を1 kg/cm”
の窒素ガス雰囲気中で1750℃に昇温して1時間保持
したものを第5表属2に示す。
第4表
本発明において原料粉末は、使用用途により炭化物、酸
化物、窒化物、It窒化物などの無機化合物の少なくと
′411種と金属Siおよび遷移金属、希土類元素、有
機化合物などを出発物質とする。ここで、これらの原料
は市販のものをそのまま使用できる。また、ミルなどに
より粉砕した丸みを帯びた粒子を使用してもよい。
化物、窒化物、It窒化物などの無機化合物の少なくと
′411種と金属Siおよび遷移金属、希土類元素、有
機化合物などを出発物質とする。ここで、これらの原料
は市販のものをそのまま使用できる。また、ミルなどに
より粉砕した丸みを帯びた粒子を使用してもよい。
成形方法は、射出成形、鋳込み成形、ラバープレス成形
、押出し成形、金型成型、 HIP 、ホットプレス法
など形状と要求特性に応じて成形方法を選択する。
、押出し成形、金型成型、 HIP 、ホットプレス法
など形状と要求特性に応じて成形方法を選択する。
成形体の焼結方法は、成形体中の金属Siからウィスカ
ーを生成させ、要求特性に応じて常圧焼結。
ーを生成させ、要求特性に応じて常圧焼結。
ホットプレスなど一株以上の加熱処理により耐熱高靭性
複合セラミックスとする。
複合セラミックスとする。
なお本発明の実施においては、前述原料に予めウィスカ
ーを混合しておき、これに前述の加熱処理をして金属S
iから別個のウィスカーを成長させるよう属することも
できる。
ーを混合しておき、これに前述の加熱処理をして金属S
iから別個のウィスカーを成長させるよう属することも
できる。
本発明では粒子相互間を生成物である比較的真直ぐに伸
びたウィスカーで3次元的に結合するためセラミ、クス
の靭性が向上する。これKより、高温強度、耐熱性、耐
熱衝撃性、高靭性が必要な耐火物、エンジンやタービン
などの構造用部品をはじめ、航空、宇宙関係、鉄鋼、海
洋開発などの分野へのセラミックスの利用範囲が拡大す
る。
びたウィスカーで3次元的に結合するためセラミ、クス
の靭性が向上する。これKより、高温強度、耐熱性、耐
熱衝撃性、高靭性が必要な耐火物、エンジンやタービン
などの構造用部品をはじめ、航空、宇宙関係、鉄鋼、海
洋開発などの分野へのセラミックスの利用範囲が拡大す
る。
図面は1本発明と比較例とのウィスカーの結合の違いを
模式的に示したものであり、第1図は本発明によるセラ
ミ、クスの概略拡大図、第2図は比較例の概略拡大図で
ある。 第1図 第2図
模式的に示したものであり、第1図は本発明によるセラ
ミ、クスの概略拡大図、第2図は比較例の概略拡大図で
ある。 第1図 第2図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 無機化合物である酸化物、炭化物、窒化物および酸
窒化物の少なくとも1種と、金属Siとからなる混合物
の成形体を、酸素濃度2〜10ppmの窒素ガス中にて
金属Siの融点未満で加熱して焼成体粒子間に針状ウィ
スカーを成長させ、該ウィスカーにより粒子間を結合す
ることを特徴とする複合セラミックスの製造法。 2 焼成体粒子100重量部に対し、ウィスカーが1〜
70重量部含まれる特許請求の範囲第1項記載の複合セ
ラミックスの製造法。 3 加熱温度が1100〜1400℃である特許請求の
範囲第1項又は第2項記載の複合セラミックスの製造法
。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59267771A JPS61146754A (ja) | 1984-12-19 | 1984-12-19 | 複合セラミツクスの製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59267771A JPS61146754A (ja) | 1984-12-19 | 1984-12-19 | 複合セラミツクスの製造法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS61146754A true JPS61146754A (ja) | 1986-07-04 |
JPH0319191B2 JPH0319191B2 (ja) | 1991-03-14 |
Family
ID=17449355
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP59267771A Granted JPS61146754A (ja) | 1984-12-19 | 1984-12-19 | 複合セラミツクスの製造法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS61146754A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4923829A (en) * | 1986-09-05 | 1990-05-08 | Hitachi, Ltd. | Composite ceramics and method of making the same |
JPH038771A (ja) * | 1989-06-07 | 1991-01-16 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 窒化ケイ素焼結体の製造方法 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5957964A (ja) * | 1982-09-28 | 1984-04-03 | 住友電気工業株式会社 | 繊維強化型窒化硅素焼結体の製造法 |
-
1984
- 1984-12-19 JP JP59267771A patent/JPS61146754A/ja active Granted
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5957964A (ja) * | 1982-09-28 | 1984-04-03 | 住友電気工業株式会社 | 繊維強化型窒化硅素焼結体の製造法 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4923829A (en) * | 1986-09-05 | 1990-05-08 | Hitachi, Ltd. | Composite ceramics and method of making the same |
JPH038771A (ja) * | 1989-06-07 | 1991-01-16 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 窒化ケイ素焼結体の製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0319191B2 (ja) | 1991-03-14 |
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