JPS63277563A - 繊維強化炭化けい素セラミックスおよびその製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ガスタービン部品、ディーゼル部品など、高
温または腐食・摩耗性環境で使用される炭化けい素セラ
ミックスに係り、特に強度と靭性を与えるべく炭化けい
素短繊維を加えた繊維強化炭化けい素セラミックスおよ
びその製造方法に関するものである。

［従来の技術］ エネルギー、素材、輸送などの分野で、ガスタービン部
品、ディーゼルエンジン部品、過給機部品、熱交換器部
品など高温または腐食・摩純性環境で、強度と靭性を必
要とされる機械構造部品には炭化けい素セラミックスの
使用が期待されている。

一般にセラミックス材料は、靭性が低いことが欠点とさ
れ、このためセラミックスの靭性強化の最も有望な方法
として繊維強化、特に短繊維による強化が研究されてい
る。

従来、この強化方法は、セラミックスの粉と短繊維とを
そのまま混合した後、加圧焼結を行なって繊維強化セラ
ミックスとしている。

し発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、混合や成形等の工程で、短繊維の表面が
傷つき易く、強化の効果が低減しやすい。

またセラミックス粉からなるマトリックスを焼結させる
ため、成形体を高温で処理する際、短繊維の表面が雰囲
気と反応したり、変質したりしやすい問題がある。さら
に緻密化の際にＭ繊維とセラミックス粉が直接接触して
いるため、その界面が強固に接合してしまい、マトリッ
クスの破壊の際に、短繊維も共に破壊してしまいやすく
、マトリックスの強化の効果が少ない。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、混合、
成形、焼結などの工程でセラミックス短繊維の表面を損
傷から保護し、かつマトリックスと短繊維とが直接強固
に接合することを防ぎ、靭性が良好な繊維強化炭化けい
素セラミックス及びその製造方法を提供することを目的
とする。

［問題点を解決するための手段及び作用］本発明は、上
記の目的を達成するために、セラミックスにより表面コ
ーティングした炭化けい素Ｍ繊維を、炭化けい素のマト
リックス中に分散させたもので、またその製造は、炭化
けい素短繊維にセラミックスをコーティングし、そのコ
ーティングした炭化けい素繊維と炭化けい素粉とを混合
したのち、所定の形状に成形し、その後成形体を緻密化
して構成する。

上記の構成によれば、炭化けい索類繊維の表面にセラミ
ックスをコーティングしているため・そ００ラミツクス
で短繊維が保護され、混合・成形時に短繊維が損傷され
ることがなく・またセラミックマトリックスの界面に境
界層があるため、直接強固な接合を起すことがなく、マ
トリックスの破壊の際に、この境界での亀裂の停止・反
射・分岐等の現象が起こって繊維が容易に破断しない。

先ず、本発明の繊維強化セラミックスの適用用途である
機械構造材料としての強度・耐食性・耐摩耗性・耐熱衝
撃性等を満足するためには、マトリックスは炭化けい素
を６５％以上含むものであることが必要である。

これらのセラミックスに対しては炭化けい素に対して、
ほう素、アルミニウム、炭素等を添加すると、焼結が促
進され、マトリックスが緻密化しやすいことが知られて
おり、これらの焼結促進剤をマトリックス中に加えてお
いてもよい。

また炭化けい素の場合、例えば窒化アルミニウムとの間
に（Ｓｔ　Ｃ）１−ｘ　　（Ａ！Ｎ）ｘ　、但しくｘ−
０〜１）なる組成の固溶体をつくり、それによって機械
的性質、熱的性質、耐食性などを変化させることができ
、このような固溶体組成のマトリックスを用いてもよい
。

また、炭化けい素に対して炭化チタンなど、他のセラミ
ック粒子を分散すると機械的性質を向上できるため、他
のセラミック粒子をマトリックス中に加えてもよい。

セラミック短繊維は、マトリックスと類似のセラミック
スの単結晶からなるウィスカーを用いることが、強度及
び熱的化学的安定性の点から望ましい。このセラミック
ス類ｓａｇは、マトリックスと同等またはそれ以上の高
い弾性率を有し、応力が負荷された時に、できるだけマ
トリックスの負荷を低減できるものが望ましい。またマ
トリックスの緻密化の工程等で熱的に安定であることが
必要である。

従って、炭化けい素を主成分とするマトリックスに対し
ては、炭化けい素ウィスカーからなる短Ｉｌｌを使用す
る。

この炭化けい衆知ｔｔｕｉを、他のセラミックスでコー
ティングし、これをマトリックスに分散させて、このコ
ーティング層によりウィスカーとマトリックス、どの境
界層を形成させる。このコーティング用のセラミックス
は、マトリックスを緻密化させる段階で、セラミックｍ
雑ともマトリックスとも化学的な反応をあまり起こさず
、熱的にも安定に存在するものがよい。またコーティン
グ用のセラミックスは、マトリックスと繊維との直接の
接合を防ぎ、その界面自体の剪断強度を、マトリックス
および繊維自体の強度よりも低いものにし、マトリック
スに亀裂が入るような負荷条件下では、繊維との界面で
亀裂を停止または反転、分岐させたり或いはマトリック
スと短１！雑とを剥離させて、短繊維のマトリックス中
からの引き抜きを可能とする。

この炭化けい素短繊維へのセラミックスのコーティング
方法としては、無機気体化合物の熱化学反応等によりセ
ラミックスを生成させるＣＶＤ法（Ｑ　ｈｃｉｔｅａｌ
　　Ｖ　ａｐｏｒ　　Ｄ　Ｈｏ５ｌｔｉｏｎ法）、液体
またはコロイド溶液状の無機化合物あるいは無機高分子
から化学反応によりセラミックスを生成させるゾルゲル
法等、あるいはセラミックス固体を直接気体化させた後
、コーティングを形成させるＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ
　　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｌｔｉｏｒｉ）法などを用
いる。

セラミックスコーティングを行なった炭化けい素短繊維
を、炭化けい素の７１−ワックスに分散させる方法は、
まずコーティングした短繊維とマトリックスとなる炭化
けい素セラミックスの原料粉とを混合する。この混合は
、乾式で行ってもよいが、水溶液、非水溶液、溶融ワッ
クス、溶融樹脂等の液体中で必要により分散剤を添加し
て行なうようにしてもよい。

この混合物は、混しよう鋳込成形、射出成形、押出成形
、静水圧プレス成形などの方法により使用部品に応じた
所定の形状に成形する。

その後、この成形体を緻密化させる。この緻密化の方法
としては、焼結法、特に熱間等方圧プレス法などの加圧
焼結法によっても、ポリカーポジラン、ポリシラン、ポ
リシラザンなどの液状のセラミクス前駆体を含浸させる
方法によってもよい。

またシラン系気体化合物の熱化学反応を利用してセラミ
ックスを含浸させるＣｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖ　ａｐｏｒ
Ｉ　ｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ法によってもよく、また上
述の各緻密化方法を組み合せて用いてもよい。

尚、炭化けい素短繊維へのセラミックスのコーティング
は、予め原料のＶ１繊維の段階で行なってもよいし、短
繊維とマトリックス用セラミック粉とを混合する段階で
行なってもよいし、短ｌＩ維とマトリックス用セラミッ
クス粉を所定の形状に成形してから行なってもよい。

炭化けい素をマトリックスとし、炭化けい素短繊維を分
散させる場合のコーティングに適したセラミックスとし
ては、ほう素の窒化物（ＢＮ）または炭化物（Ｂ４Ｃ）
、ベリリウムの酸化物（Ｂｅ　Ｏ）　、アルミニウムの
酸化物（Ａｆｆｉ２０３　）または窒化物（／、）、け
い素の酸化物（ＳｉＯｚ　）または窒化物（３ｉ３Ｎａ
）、炭素（Ｃ）、ＩＶ族、Ｖ族、ＶＩ族遷移金属の炭化
物、窒化物、酸化物（Ｔｉ　Ｃ，Ｚｒ　Ｇ、Ｈｆ　Ｃ，
ＶＣ，Ｎｂ　Ｃ。

Ｔａ　ｃ、Ｃｒ　ｊ　Ｃ２、ＭＯ２Ｃ，ＷＣ，丁、。

Ｚｒ　Ｎ、Ｈｆ　Ｎ、ＶＮ、Ｎｂ　Ｎ、Ｔａ　Ｎ、Ｃｒ
　Ｎ。

Ｔｉ　０２　、　Ｚｒ　０２　、　Ｈｆ　０２　、　Ｑ
ｒ　２０３）の中から選んで用いる。

［実施例］ 以下本発明の好適実ｆ１例を添付図面に基づいて説明す
る。

第１図は本発明のｍ維強化炭化けい素セラミックスの組
織図を示し、図において、１は炭化けい素セラミックス
のマトリックス、２はセラミックコーティング３を施し
た炭化けい素短繊維を示す。

次に第２図により繊維強化炭化けい素セラミックスの製
造方法を説明する。

先ず、炭化けい素層ｍ維２にセラミックスの表面コーテ
ィング３を施す。この表面コーティング３を施した短１
ｔＩ！２と、炭化けい素粉４とを混合５したのち、成形
６する。この成形体７は短繊維２と炭化けい素粉４とが
混った状態となる。次にこの成形体７を直接又はセラミ
ック前駆体を含浸後焼結させて緻密化８し、焼結体９を
得る。

次に、より具体的な実施例を説明する。

（実施例１） 炭化けい素ウィスカーを、反応容器内にて加熱しつつ攪
拌し、この状態で金属塩化物ガス＋メタン＋水素または
金属塩化物ガス＋アンモニア士水素を用いてＣＶＤ法に
より表１に示す金属炭化物および金属窒化物を炭化けい
素ウィスカー上にコーティングさせた。

次にほう素０．５％、炭素２％を含む炭化けい素粉に対
して、このウィスカーを３０体積％混合し、エタノール
溶液中で超音波を用いて充分分散させたのち、静水圧プ
レスによる成形を行なった。この後、この成形体をシリ
カガラスを用いたカプセル中に封入し、アルゴンガスを
用いた熱間等方圧プレスにより１９００℃、２０００気
圧にて、焼結させた。

得られた焼結体より切り出した試験片を用いてビッカー
ス圧痕法により測定した破＠靭性は表１の通りで、比較
のための全くセラミックスコーティングを行なわない炭
化けい素ウィスカーを用いて製造した成形焼結体の破壊
靭性は表１の最下段に示したように４Ｍｐａ−ｍ２であ
り、コーティングを施すことでいずれも破壊靭性が向上
することが判る。

表゛１ （実施例２） 炭化けい素粉と炭化けい素ウィスカーとを６０＝４０で
含む水系泥しようを、鋳入成形した。金属酸化物ないし
水酸化物のゾルをこの成形体に含浸させてウィスカーの
コーティングを行ない、その後乾燥し、加熱する方法に
よって表２に示す金属酸化物を成形体中の炭化けい素ウ
ィスカーおよび炭化けい素粉の表面に形成させた。

その後、この成形体の空隙に、更にポリカーポジランを
含浸させ、これを熱分解させ、この工程を５回繰り返し
た後、熱間等方圧プレスにより１９００℃、１５００気
圧にて緻密化を行なった。

得られた繊維強化炭化けい素セラミックスの破壊靭性値
は表２に示す通りであり、全く金属酸化物のコーティン
グを行なわずに同じ製法による緻密化させた試料の特性
を表２の下段に比較して示す。表２において、このコー
ティングを行なわない場合の破壊靭性４ＭＰａ−一と比
較して特にその破壊靭性の優れた物にＯ印を示しである
。

表２ （実施例３） 炭化けい素粉、炭化けい素ウィスカー、ポリシラスチレ
ンとを体積比で５０＋２０：３０とし、加熱混練したの
ち、押出成形により円管状に成形した。

この円管を加熱してポリシラスチレンを炭化けい素に転
換させた侵、更に加熱しつつ、メタン＋水素ガスを送っ
て成体体内の炭化けい素ウィスカー及び炭化けい素粉上
に炭素を析出させた。

その後、ガスの組成をメチルトリクロロシラン十水素ガ
スに切換え、Ｃｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖ　ａｐｏｒ　　Ｉ
ｎ−ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ法により、成形体内の空隙に
炭化けい素を形成せさて高密度化し、最後にこの成形体
を２２００℃、　２０００気圧にて熱間等方圧プレス処
理し、Ｉ密化させた。

得られた成形焼結体は４点曲げ強度６００ＭＰａ。

破壊靭性１２Ｍｐａ−ｍ”を有する優れた特性のもので
あることが判った。

［発明の効果］ 以上説明してきたことから明らかなように本発明によれ
ば次のごとき優れた効果を発揮する。。

（１）　　炭化けい素セラミックス短ＩＩｉ雑の表面を
セラミックスでコーティングするため、混合、成形時に
その短繊維を損傷したり、変質させることがなく、短繊
維による強化を向上できる。

Ｑ）　炭化けい素セラミック短ｌ１１１とセラミックス
・マトリックスの界面に境界層があるため、直接強固な
接合を起こすことがなく、マトリックスの破壊の際に、
この境界での亀裂の停止、反射、分岐等の現象が起って
繊維が容易に破断しないため、その強度を保て、またマ
トリックスからＩＩ維を引き抜＜＊ｉ！２抵抗が大きい
。

（３）　　以上より従来得られなかった高い強度と靭性
を持った繊維強化セラミックスが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の繊維強化炭化けい素セラミックスの組
織を示す図、第２図は本発明のｍ雑像化炭化けい素セラ
ミッス製造方法を示す工程図である。 図中、１は炭化けい素セラミックスのマトリックス、２
は炭化けい素短繊維、３はセラミックコーティングであ
る。 特許出願人　　石川島播磨重工業株式会社代理人弁理士
　　絹　　谷　　信　　雄第１図 第２図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックスにより表面コーティングした炭化け
   い素短繊維を、炭化けい素のマトリックス中に分散させ
   たことを特徴とする繊維強化炭化けい素セラミックス。
2. （２）炭化けい素短繊維をコーティングするセラミック
   スが、ほう素の窒化物または炭化物、ベリリウムの酸化
   物、アルミニウムの酸化物または窒化物、けい素の酸化
   物または窒化物、炭素、IV族、Ｖ族、VI族遷移金属の炭
   化物、窒化物または酸化物の中から選ばれたものよりな
   る特許請求の範囲第１項に記載の繊維強化炭化けい素セ
   ラミックス。
3. （３）セラミックスにより表面コーティングした炭化け
   い素短繊維を、炭化けい素を６５％以上含むマトリック
   ス中に分散させた特許請求の範囲第１項又は第２項に記
   載の繊維強化炭化けい素セラミックス。
4. （４）炭化けい素短繊維にセラミックスをコーティング
   し、そのコーティングした炭化けい素繊維と炭化けい素
   粉とを混合したのち、所定の形状に成形し、その後成形
   体を緻密化することを特徴とする繊維強化炭化けい素セ
   ラミックスの製造方法。