JPWO2018168400A1 - 炭化ケイ素系複合体の製造方法 - Google Patents

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Abstract

炭化ケイ素系複合体の製造方法である。炭素繊維強化/炭化ケイ素複合体(C/SiC複合体)又は炭化ケイ素繊維強化/炭化ケイ素複合体(SiC/SiC複合体)から成る炭化ケイ素系複合体を製造する際、塩素を含まないポリシラン骨格及び/又はポリカルボシラン骨格を有する有機ケイ素ポリマーを用い、膜沸騰法を行う。上記有機ケイ素ポリマーが、室温で液体状である。C/SiC複合体又はSiC/SiC複合体のマトリックスにおけるSiとCとのモル比が、Si:C=1:1.08〜1:1.43である。

Description

本発明は、炭化ケイ素系複合体の製造方法に係り、更に詳細には、炭化ケイ素複合体をクリーンで製造効率良く製造できる炭化ケイ素系複合体の製造方法に関する。
従来、炭素繊維強化/炭化ケイ素複合体(C/SiC複合体)ないしは炭化ケイ素繊維強化/炭化ケイ素複合体(SiC/SiC複合体)などの炭化ケイ素系複合体は、代表的には、所望形状を有する炭素繊維製や炭化ケイ素繊維製のプリフォームを作成し、その後、このプリフォームに、CVI法(化学気相含浸法:Chemical Vapor Infiltration)、PIP法(ポリマー含浸焼成法:Polymer Infiltration and Pyrolysis)、MI法(溶融含浸法:Melt Infiltration)や膜沸騰法(Film Boiling)によって炭化ケイ素のマトリックス層を生成・含浸させることにより、製造されていた。
かかるCVI法としては、原料ガスであるメチルトリクロロシラン(CHClSi):MTS)を熱分解することによりSiCマトリックス層を形成する方法が知られており(例えば、特許文献1参照。)、気相含浸(蒸着)を行うので、プリフォームの繊維内部にまでSiCを浸透形成できる。
また、MTSを出発物質とし、FB法(膜沸騰法)によりSiC/SiC複合体を製造できることも知られており、コスト的に優れるといわれている。
さらに、SMP−10(Starfire社製:商品名)、CVD−742(Starfire社製:商品名)、CVD−4000(Starfire社製:商品名)及びCVD−2000(Starfire社製:商品名)というSiCセラミックスの液体前駆体も知られている。
日本国特開2010−255174号公報
しかしながら、上記のMTSを用いるCVI法では、SiCの成長速度が小さいためにSiCマトリックス層の形成に長時間を要するという問題があった。
また、MTSが塩素を含み反応排気ガスに塩化水素(HCl)が含まれるので、設備が腐食されて老朽化し易く、これを回避するために、頻繁な中和処理や排ガス処理設備が必要となり、運転コストや設備コストが増大するという問題もあった。
一方、MTSを用いたFB法では、膜沸騰処理中に原料のMTSから塩酸ガスが発生して処理液中に滞留するため、処理液の頻繁な更新が必要となり高コスト化を招く。また、この方法は、フランスCEA、P.DAVIDらによって研究レベルでのみ実施されているものの、工業的な利用は困難であると考えられる。
さらに、SMP−10を用いる方法は、SMP−10自体が比較的高価(数十万円/kg)であり、分子構造中に二重結合を有しており、比較的低温で高分子量化が進むことから、PIP法には用いられるもののFB法には不向きである。
さらにまた、PIP法は、比較的簡便にSiCマトリックスを形成できるが、性能面で劣り、繰り返し処理を要するため工期が長くなり高コストとなる。
また、MI法は、工期が短く比較的製造処理も簡便であるが、金属Siと炭素繊維、炭化ケイ素繊維との反応を抑えるのが難しい。繊維強度を保持するには、予め高コストのCVI処理を施しておく必要がある。
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、炭化ケイ素複合体をクリーンで製造効率良く製造できる炭化ケイ素系複合体の製造方法を提供することにある。
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定の有機ケイ素ポリマーを用い、膜沸騰法を行うことにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の炭化ケイ素系複合体の製造方法は、炭素繊維強化/炭化ケイ素複合体(C/SiC複合体)又は炭化ケイ素繊維強化/炭化ケイ素複合体(SiC/SiC複合体)から成る炭化ケイ素系複合体を製造するに当たり、
塩素を含まないポリシラン骨格及び/又はポリカルボシラン骨格を有する有機ケイ素ポリマーを用い、膜沸騰法を行うことを特徴とする。
また、本発明の炭化ケイ素系複合体の製造方法の好適形態は、上記有機ケイ素ポリマーが、室温で液体状であることを特徴とする。
さらに、本発明の炭化ケイ素系複合体の製造方法の他の形態は、上記C/SiC複合体又は上記SiC/SiC複合体のマトリックスにおけるSiとCとの組成比(モル比)が、Si:C=1:1.08〜1:1.43であることを特徴とする。
本発明によれば、所定の有機ケイ素ポリマーを用い、膜沸騰法を行うこととしたため、炭化ケイ素複合体をクリーンで製造効率良く製造できる炭化ケイ素系複合体の製造方法を提供することができる。
例えば、LPS(liquid polysilanes)をFB法に適用すると、処理液中に塩酸ガスが滞留することがなくなり、LPS以外では水素ガスしか発生しないことから、連続的なFB処理が可能となり、量産化が可能となる。
また、LPSを用いたFB法(LPS−FB法)を開発したことにより、従来技術であるPIP法及びMI法よりも低コスト高効率でのSiCマトリックスの形成が可能となる。
なお、本発明のように、FB法にLPSを適用すると、形成されるSiCマトリックスのSi:C比率(モル比)は1:1.43程度となり、MTSを用いて形成されるSiCのSi:C比率=1:1(化学量論比)よりもC(炭素)量が多くなる。この結果、高温での耐酸化性が低下することがある。
これに対し、この過剰量のCは脱炭素処理により低減可能であり、例えば、脱炭素処理によりSi:C比率=1:1.08程度まで低減できる。
PDMSの熱分解とPCSへの転換メカニズムを示す説明図である。 LPSの分子量分布を示す特性図である。 LPSの赤外線吸収スペクトルを示す特性図である。 LPSの29−Si−NMR分析スペクトルを示す特性図である。 SiCのSIMS分析像を示す図である。 膜沸騰曲線の模式図である。 C/SiC複合体を製造する工程フローを示す工程図である。 FB処理装置の一例を示す外観写真である。 複合体の密度推移を示す特性図である。 FB処理により生成したSiCマトリックスの顕微鏡写真である。 FB処理によるC/SiCディスクの外観写真及びX線回折結果を示す特性図である。 FB処理によるSiCマトリックスの顕微鏡写真及びEPMA分析結果を示す特性図である。
以下、本発明の炭化ケイ素系複合体の製造方法について説明する。
上述のように、本発明の炭化ケイ素系複合体の製造方法は、C/SiC複合体又はSiC/SiC複合体を製造する方法であって、塩素を含まないポリシラン骨格及び/又はポリカルボシラン骨格を有する有機ケイ素ポリマー(LPS)を用い、FB法を行う。
[LPS]
ここで、LPSの代表例としては、ポリジメチルシラン(PDMS)を挙げることができ、これらは−SiMe−(Me:−CH)単位が50個程度つながったポリマーである。
かかるポリマーを加熱すると、図1の左式に示すように、どんどん鎖が切れて(Si−Si結合の切断)、低分子量のポリシランへと熱分解していく。
平均分子量は分析結果より400程度と考えられることから、図1の式中のm5〜6程度であり、低分子量であるため室温で液体である。よって、このポリマーをLPS(liquid polysilanes)と称することができる。
このポリマーの末端には、おそらく他のポリシラン中のメチル基から水素を引き抜くなどしてSi−H結合が生成している。これ以下の分子量のポリシランは蒸気圧が高く、反応系外へ気体として揮散する。この分解で生成する低分子量物を、直ちに系外に蒸留操作で分離したものがLPSである。
構造式は、H(SiMe5〜6H(但し、Meはメチル基を示す)と表すことができるが、分子量に分布があるため厳密ではない。
(1)分子量分布
図2にLPSの分子量分布を示す。平均分子量は、ポリスチレン換算で400程度と推定された。分子量は133〜3437の範囲にある。
(2)赤外線吸収スペクトル
図3にLPSの赤外線吸収スペクトルを示す。LPSは、図3に示す構造を持つ有機ケイ素ポリマーであることが分かる。
(3)29−Si−NMR
図4にLPSの29−Si−NMRによる分子構造分析結果を示す。
赤外分光分析及び29−Si−NMR分析結果からは、主に29Si−NMRでSi原子が7個ぐらいで構成される分子で、構造単位の比がSiC:SiCH:SiCSi=1:3.31:1.08が妥当なところと推定される。このことは、FT−IR他の分析結果ともさほど矛盾しない。
[MTS−CVI法SiCのSIMS分析]
MTS(メチルトリクロロシラン)を原料として形成されたSiCマトリックスに塩素(Cl)が残存するか否かは、SIMS分析で確認することができる。
図5にSIMS分析の結果を示す。図5に示したように、SIMS分析によりClが検出された。よって、MTSを原料に用いるとSiCマトリックス内にClが残存することが分かる。よって、MTSを原料にするとClが残存するため、LPSを原料としたSiCマトリックスと判別できる。
また、上述のようにSMP−10をFB法に適用することは困難なので、炭素繊維や炭化ケイ素繊維周りに形成するSiCマトリックス用原料としては、LPSが好適であることが明らかである。
なお、ポリカルボシラン骨格を有するCVD−742、CVD−4000、CVD−2000はFB法に適用可能な処理剤である。
[膜沸騰(FB)処理]
膜沸騰(FB)は化学工学分野では伝熱に関する問題として取り扱われる現象である。
図6は、固液界面での伝熱による膜沸騰現象の変化を熱流束(固相から液相への単位面積当たりの伝熱量)と表面過熱度(固相/液相界面の温度差)との関係で表した膜沸騰曲線の模式図である。
液相と接する固相を過熱すると、対流、次いで核沸騰が起き、表面過熱度の増大とともに熱流束も増大していく。通常、液相の沸点は核沸騰領域の後半に相当する。さらに固相温度を上げると蒸気膜ができ、かえって熱流束は減少するようになり、固相/液相温度ともに一定に保つのが困難になる(遷移沸騰)。その後再び、表面過熱度の増加とともに熱流束が増大する膜沸騰領域に入る。
C/C化プロセスに膜沸騰現象を利用する場合、炭素繊維と液相(処理溶液:シクロヘキサン等の炭化水素系溶媒)の界面が均一に沸騰蒸気膜で覆われ、高濃度蒸気の熱分解によって炭素マトリックスが析出していく.液中のために連続的に高濃度蒸気膜が生成されることから、緻密化が高速で進行していく。
FB法は、1990年代からフランスのCEA王立研究所でP.Davidらにより研究が進められてきた。
FB法の特徴として、以下の知見が得られている。
(1)緻密化の進行が速くプロセス時間がCVI法の1/50程度である。
(2)原料使用量をCVI法の1/10程度に削減できる。
(3)繊維とマトリックスの結合が強固である。
(4)得られる炭素マトリックスがCVI炭素マトリックスと同質である。
(5)マトリックス生成速度は、温度が高いほど、圧力が高いほど速まる。
(6)マトリックス生成速度は、炭素含有率が高く乖離エネルギーが低い溶媒の方が速まる。
[脱炭素処理]
まず第一に、脱炭素処理がどの程度進んでいるのかを知るには、残存しているC成分量を正確に把握する必要がある。一般的には、EPMA分析で成分量を把握できると言われているが、この方法ではC成分量を正確に把握することは難しい。
そこで、本発明では、炭素(C)、水素(H)、酸素(O)及びケイ素(Si)の含有量を表1に示す手法で分析する。
この手法では、分析する材料を粉末化する必要があるため、FB法で形成したSiCマトリックスを分析試料とすることができない。よって、原料であるLPSを液相−気相熱分解縮合法で超高分子量にPCS化(ポリカルボシラン化)させ、さらに焼成させてSiCセラミックス化させたものを分析試料として用いる。
脱炭素処理はPCS(有機セラミックスポリマー)がSiCセラミックス化する過程で行われることから、このセラミックス化過程での焼成条件を変えることで、脱炭素挙動を確認する。
PCSとしては475℃で20時間保持して得られたものを主に用い、水素雰囲気中の焼成は管状炉を用い、40Vol%H2/Ar(250ml/min)中で200℃/hrにて所定温度まで過熱し、1時間保持することによって行うことができる。保持温度は、例えば、1000℃、1500℃、1600℃とすればよい。
Figure 2018168400
脱炭素処理条件による元素分析結果の一例を表2に示す。溶融塩分解法でのSi量のみ信頼性に欠けると判断し、Si量は他分析値合計を100%から減じた計算値を正としてある。
Figure 2018168400
これらの結果から、本発明において、LPSで得られるSiCマトリックスについては、脱炭素処理を行うと、Si/C比がSi:C=1:1.08〜1.43程度になることが分かる。
以下、本発明を若干の実施例より更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
ディスク形状のC/SiC複合体を、図7に示す工程フローに従って製造した。
すなわち、まず、日本バイリーン社製のフェルトを使用してディスク形状のプリフォームを形成した。この際、当該フェルトはPAN系炭素繊維(HTA)をベースに90質量%炭素繊維と10質量%アクリル繊維で構成されるものであり、Vfは約10%である。
次に、成型を行った。Vf30%となるまでボルト締めして成型を行い、成型寸法φ100(外径)、φ30(孔径)×25t(厚み)の孔開きディスク状の成型体を得た。
次いで、得られた成型体を用いて図8に示すFB処理装置を構成し、FB処理1を行った。この際、上記成型体をグラファイト板及びケイ酸カルシウム板で挟んで被処理体を形成し、これをLPS溶液に浸漬し、グラファイト板を誘導加熱した。この加熱は1200℃での6時間保持を2回実施して行った。処理後の成型体はマイクロフォーカスX線CTで観察した。
X線CT画像からは全体の密度は低いものの均質であることが分かった。
次に、FB処理2を行った。この際、上記の被処理体からグラファイト板を除去し、LPSに浸漬して加熱を行った(プリフォーム直接加熱)。加熱は1200℃での4時間保持を2回実施して行った。
次いで、上述のようにして得られた切断体を、小型黒鉛化炉にてアルゴン雰囲気中1500℃で1時間HTT処理した。HTT処理において、1200℃までは600℃/hr、1200℃〜1500℃は2.5hrで昇温し、1500℃で1hr保持した。HTT処理体はX線回折分析(回折角度20゜〜50゜)に供した。1500℃のHTT処理によりSiC化がかなり進むことが分かった。一連の処理による密度の推移を図9に示す。
図9より、最終的なFB処理後、得られる複合体の密度は1.7g/cm程度に推移していることが分かる。このとき、径中央部において、図10に示すように、FB処理によるSiCマトリックスの生成を確認した。
また、図11に示したX線回折より、SiC結合を示す高いピークが確認でき、図12に示したEPMA分析より、SiCの化学量論比に対してC量が過剰であることも分かった。
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
本発明は、C/SiCでは液体燃料ロケットノズル、SiC/SiCではジェットエンジンや発電機のタービン翼などに応用することができ、緻密・高密度な製品を製造効率良く得ることができる。

Claims (3)

  1. 炭素繊維強化/炭化ケイ素複合体(C/SiC複合体)又は炭化ケイ素繊維強化/炭化ケイ素複合体(SiC/SiC複合体)から成る炭化ケイ素系複合体を製造するに当たり、
    塩素を含まないポリシラン骨格及び/又はポリカルボシラン骨格を有する有機ケイ素ポリマーを用い、膜沸騰法を行うことを特徴とする炭化ケイ素系複合体の製造方法。
  2. 上記有機ケイ素ポリマーが、室温で液体状であることを特徴とする請求項1に記載の炭化ケイ素系複合体の製造方法。
  3. 上記C/SiC複合体又は上記SiC/SiC複合体のマトリックスにおけるSiとCとの組成比(モル比)が、Si:C=1:1.08〜1:1.43であることを特徴とする請求項1又は2に記載の炭化ケイ素系複合体の製造方法。
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