KR20010003809A - Silicon-doped boron nitride coated fibers in silicon melt infiltrated composites - Google Patents

Silicon-doped boron nitride coated fibers in silicon melt infiltrated composites Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A silicon molten impregnated complex including fibers coated with a silicon-doped boron nitride is provided to have an enhanced anti-oxidation property in anhydride or hydride conditions. CONSTITUTION: First, a pre former including a mixture of matrix components containing particles selected from a group consisting of fibrous material coated with a silicon-doped boron nitride film, carbon, silicon carbide and blend thereof is selected. Then, high dense silicon-silicon carbide matrix complex is prepared by implementing the pre former with at least molten silicon. Therefore, the tensile strength of the silicon-silicon carbide matrix complex reinforced with fibrous material is increased. The fibrous material is selected from a fiber, a filament, a strand, a bundle, a whisker, a cloth, a pelt and a combination thereof.

Description

규소-도핑된 붕소 질화물 피복된 섬유를 포함하는 규소 용융 침윤된 복합체{Silicon-doped boron nitride coated fibers in silicon melt infiltrated composites}Silicon-doped boron nitride coated fibers in silicon melt infiltrated composites}

미국 정부는 협정 번호 DEFC0292CE41000인 에너지부(Department of Energy, DOE)와의 정부협정하에 본 발명에 대한 특정 권리를 가질 수 있다.The U.S. Government may have certain rights in the invention under a government agreement with the Department of Energy (DOE), agreement number DEFC0292CE41000.

본 발명은 함수 환경에서 고온 사용에 적절한 고밀도 세라믹 매트릭스 복합체에 관한 것이다. 본 발명은 또한 규소 용융 침윤된 세라믹 매트릭스 복합체에 있어서 규소-도핑된 붕소 질화물 피복된 섬유에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 습윤, 수성 환경에 노출된 규소-규소 탄화물 세라믹 매트릭스중에 규소-도핑된 붕소 질화물 피막으로 세라믹 섬유를 보호하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to high density ceramic matrix composites suitable for high temperature use in aqueous environments. The present invention also relates to silicon-doped boron nitride coated fibers in silicon melt impregnated ceramic matrix composites. More specifically, the present invention relates to a method for protecting ceramic fibers with a silicon-doped boron nitride coating in a silicon-silicon carbide ceramic matrix exposed to a wet, aqueous environment.

오늘날 고온에서 작용하기 위한 구조를 갖는 소재가 요구되고 있다. 대부분의 세라믹 물질은 종래의 합금에 있어서 작용 범위 이상의 온도에서 겪게 되는 크리이프(creep) 및 화학적 침투에 대해 장기간 안정성을 갖는다. 그러나, 세라믹의 낮은 파열 에너지 때문에, 세라믹은 파괴되기 쉽다. 균열이 번지면서 아주 사소한 결함이 시작되며, 이러한 균열이 세라믹 성분을 통해 전개되어 파괴될 수 있다. 따라서, 그 우수한 특성을 잃지 않으면서 균열 인성, 즉 세라믹에 인성을 부여하는 성질을 향상시키기 위한 방법이 계속 추구되고 있다.There is a need for a material having a structure for operating at high temperatures today. Most ceramic materials have long term stability against creep and chemical penetration experienced at temperatures above the operating range in conventional alloys. However, due to the low bursting energy of the ceramic, the ceramic is susceptible to destruction. As the cracks spread, very minor defects begin, which can develop and break through the ceramic components. Therefore, methods for improving the crack toughness, that is, the property of imparting toughness to ceramics without losing its excellent properties, continue to be pursued.

세라믹에 인성을 부여하는 한가지 방법은 섬유-보강된 세라믹 복합체를 갖는 것이다. 섬유-보강된 세라믹은 일반적으로 소위 세라믹 매트릭스 복합체, 또는 CMC(ceramic matrix composite)라 칭한다. 섬유-보강된 세라믹 복합체는 종래에 사용된 초합금보다 높은 온도 내성 및 더욱 가벼운 중량을 갖는다. 결과적으로, 비행기 및 발전기 시스템에 그 용도를 고려해볼 수 있다. 이러한 유력한 용도로 사용할 때, 섬유-보강된 세라믹 복합체는 가혹한 열 및 기계적 조건에 도입된다. 비록 섬유-보강된 복합체가 매트릭스 균열 응력 아래에서 사용되도록 설계되지만, 열적 충격의 결과에 의해 열적으로 또는 외부 물체 충돌에 의해 기계적으로 우발적인 과응력을 거의 피하기 힘들다.One way to impart toughness to the ceramic is to have a fiber-reinforced ceramic composite. Fiber-reinforced ceramics are commonly referred to as so-called ceramic matrix composites, or ceramic matrix composites (CMCs). Fiber-reinforced ceramic composites have higher temperature resistance and lighter weight than conventional superalloys used. As a result, its use can be considered in aircraft and generator systems. When used in this potent application, fiber-reinforced ceramic composites are introduced into harsh thermal and mechanical conditions. Although fiber-reinforced composites are designed to be used under matrix crack stresses, it is hard to avoid mechanically accidental overstress, either thermally or as a result of thermal impacts as a result of thermal shock.

복합체가 매트릭스 균열 응력보다 높은 응력에 도입될 때 섬유-보강된 복합체 매트릭스중에서 균열이 발생된다. 이러한 균열은 작동 응력이 매트릭스 균열 응력 아래 값까지 계속해서 감소될지라도 여전히 벌어져 있어서, 피막 및/또는 섬유가 환경에 노출된다. 결과적으로, 섬유-보강된 복합체 매트릭스중에 균열이 존재하면, 특히 균열이 복합체의 두께를 통과하면, 복합체의 성능 및 내구성에 영향을 미친다.Cracks occur in the fiber-reinforced composite matrix when the composite is introduced at a stress higher than the matrix crack stress. These cracks are still open even though the working stress continues to decrease to values below the matrix crack stress, exposing the coating and / or fibers to the environment. As a result, the presence of cracks in the fiber-reinforced composite matrix, in particular if the cracks pass through the thickness of the composite, affects the performance and durability of the composite.

이러한 균열은 환경적인 기체상을 복합체로 옮기기 위한 신속한 경로로서 작용할 수 있다. 산소는 매트릭스 안에서 극도로 작은 균열을 통해 매우 신속하게 확산된다. 섬유상에 존재할 수 있는 섬유 및 임의의 피막이 균열을 통해 확산하는 산소에 의해 산화될 수 있다. 산소는 섬유 피막 및 궁극적으로는 섬유와 반응하여 섬유와 매트릭스 사이의 국소적인 결합을 야기한다. 이러한 결합된 위치에서, 그 결과로 응력 집중 및 섬유 열화가 나타나기 때문에 섬유 파괴가 개시된다. 섬유 말단이 노출되면 역시 같은 결과가 발생한다. 이러한 과정은 남아 있는 섬유가 하중을 운반할 수 없을 때까지 계속되고, 복합체는 최종 강도보다 다소 작은 응력에서 파괴된다. 복합체는 또한 섬유와 매트릭스 사이의 강한 결합 때문에 그 인성 양태를 손실한다. 따라서, 세라믹 매트릭스 복합체의 수명을 제한하는 심각한 문제는 섬유 피막의 산화 후 섬유가 균열을 기준으로 산화되는 것이다.Such cracks can act as a rapid route for transferring the environmental gas phase into the composite. Oxygen diffuses very quickly through extremely small cracks in the matrix. The fibers and any coatings that may be present on the fibers may be oxidized by oxygen diffusing through the cracks. Oxygen reacts with the fibrous coating and ultimately with the fibers, causing a local bond between the fibers and the matrix. At this bonded position, fiber breakdown is initiated as a result of stress concentration and fiber degradation. The same result occurs when the fiber ends are exposed. This process continues until the remaining fibers cannot carry the load and the composite breaks at a stress somewhat less than the final strength. The composite also loses its toughness aspect because of the strong bond between the fiber and the matrix. Thus, a serious problem of limiting the lifetime of ceramic matrix composites is that the fibers are oxidized on the basis of cracks after oxidation of the fibrous coating.

일반적으로, 탄소 또는 붕소 질화물은 고온 사용을 위해 세라믹 매트릭스 복합체에 사용되는 섬유 피막을 위해 선택되는 물질이었다. 이러한 물질은 복합체 가공중에 섬유를 보호하고 또한 매트릭스 경계에 약한 섬유를 제공하고, 이러한 겅계는 섬유 풀아웃(pullout) 또는 섬유-매트릭스 해결합에 의해 복합체의 인성을 증가시킨다. 그러나, 탄소는 모든 산소-함유 환경에서 산화되고 붕소 질화물은 쉽게 산화되어 고온에서, 특히 수증기의 높은 부분 압력의 분위기, 예를 들면 기체 터빈 엔진으로서 연료 연소 생성물중에서 연속적으로 휘발된다. 붕소 질화물 피막의 산화 및 휘발은 섬유 및 매트릭스의 결합을 유도하고, 이로써 깨지기 쉬운 복합체를 수득한다. 따라서, 섬유-매트릭스 해결합을 나타내는 섬유 피막을 가지면서도 산화 및 높은 함수 환경에 대해 내성이 큰 것이 바람직하다.In general, carbon or boron nitride has been the material of choice for fiber coatings used in ceramic matrix composites for high temperature use. Such materials protect the fibers during composite processing and also provide weak fibers at the matrix boundaries, which increase the toughness of the composite by fiber pullout or fiber-matrix solution. However, carbon is oxidized in all oxygen-containing environments and boron nitride is easily oxidized and continuously volatilized at high temperatures, particularly in the high partial pressure atmosphere of water vapor, for example in fuel combustion products as a gas turbine engine. Oxidation and volatilization of the boron nitride film lead to bonding of the fibers and the matrix, thereby obtaining a brittle complex. Thus, it is desirable to have a fiber coating that exhibits a fiber-matrix solution, while being highly resistant to oxidation and high water environments.

엔진 용도를 위해 흥미있는 세라믹 매트릭스 복합체는 탄소 섬유를 포함하는 탄소 매트릭스를 갖는, 탄소-탄소 복합체 및 규소 탄화물 복합체에 초점이 맞추어지는데, 이때 섬유는 통상적으로 피복된다. 탄소화된 구조적 물질의 사용에 있어서 중요한 한계는 이들이 고온, 산화 대기에서 쉽게 산화된다는 것이다. 산소는 탄소화된 물질의 표면을 침투하여 일정불변하게 존재하는 간극의 공극 안으로 스며들어 공극 표면을 산화시키고 물질을 계속해서 약화시킨다. 섬유, 탄소 및 흑연 섬유에 도달하는 산화 대기는 복합 구조물을 심각하게 열화시킨다. 탄소-탄소 복합체의 산화를 극복하기 위한 접근은 산화 억제제로서 유리-형성제를 사용하는 것이었다. 유리-형성제는 외부 탄소-탄소 복합체를 둘러싸는 피막으로서 사용된다. 탄소-탄소 복합체에 있어서 많은 진전이 있었음에도 불구하고, 여전히 높은 온도 및 기계적 능력을 갖는 향상된 세라믹 복합체에 대한 필요성이 존재한다.Ceramic matrix composites of interest for engine applications focus on carbon-carbon composites and silicon carbide composites having a carbon matrix comprising carbon fibers, wherein the fibers are typically coated. An important limitation in the use of carbonized structural materials is that they are easily oxidized in high temperature, oxidizing atmospheres. Oxygen penetrates the surface of the carbonized material and seeps into the pores of the invariably existing gaps, oxidizing the surface of the pores and continuing to weaken the material. Oxidizing atmospheres reaching the fibers, carbon and graphite fibers severely degrade the composite structure. The approach to overcoming the oxidation of carbon-carbon composites has been to use glass-forming agents as oxidation inhibitors. The glass-forming agent is used as a coating surrounding the outer carbon-carbon composite. Although much progress has been made in carbon-carbon composites, there is still a need for improved ceramic composites with high temperature and mechanical capabilities.

규소 탄화물-규소 탄화물 복합체는 규소 탄화물 섬유를 포함하는 규소 탄화물 매트릭스이다. 규소 탄화물 복합체를 제조하는 방법은 화학적 증기 침윤을 사용하는 것이다. 본원에서는, 섬유상 물질로 제조된 직물층을 화학적 증기 침윤에 의해 붕소 질화물로 피복한다. 피막 물질 약 0.5 ㎛를 침착하기 위해서는 약 1일이 소요된다. 이어서, 직물층을 약 10 내지 20일동안 화학적 증기 침윤에 의해 규소 탄화물로 피복한다. 규소 탄화물 복합체의 산화를 극복하기 위한 접근은 미국 특허 제 5,094,901 호에 개시된 바와 같이 세라믹 섬유 및 해결합 층과 긴밀한 접촉으로 산소-소거 밀봉제-형성 영역을 사용하는 것이었다.Silicon carbide-silicon carbide composites are silicon carbide matrices comprising silicon carbide fibers. The method for producing the silicon carbide composite is to use chemical vapor infiltration. Here, the fabric layer made of fibrous material is coated with boron nitride by chemical vapor infiltration. It takes about one day to deposit about 0.5 μm of the coating material. The fabric layer is then coated with silicon carbide by chemical vapor infiltration for about 10-20 days. The approach to overcome oxidation of silicon carbide composites has been to use oxygen-erasing sealant-forming regions in intimate contact with ceramic fibers and solution bonding layers as disclosed in US Pat. No. 5,094,901.

산화반응 및 함수 환경으로부터 보강 섬유를 성공적으로 보호하는 향상된 세라믹 매트릭스 복합체에 대한 필요성이 존재한다. 규소 탄화물-규소 탄화물 복합체 및 탄소-탄소 복합체를 위한 화학적 증기 침윤 방법보다 시간이 덜 소요되는 세라믹 매트릭스 복합체를 제조하기 위한 필요성이 여전히 존재한다. 약 600℃보다 큰 고온에서 무수 및 함수 환경에서 보호할 수 있는, 용융된 규소 침윤으로부터 제조된 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체 및 제품을 제조할 필요성이 여전히 존재한다.There is a need for an improved ceramic matrix composite that successfully protects reinforcing fibers from oxidation and hydrous environments. There is still a need to produce ceramic matrix composites that take less time than chemical vapor infiltration methods for silicon carbide-silicon carbide composites and carbon-carbon composites. There is still a need to produce silicon-silicon carbide matrix composites and articles made from molten silicon infiltrates that can protect in anhydrous and hydrous environments at high temperatures greater than about 600 ° C.

이러한 필요성은 무수 또는 함수 환경 및 고온에서 향상된 내산화성을 갖는 섬유-보강된 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체의 개발에 의해 만족되었다. 본 발명은 섬유를 규소-도핑된 붕소 질화물로 피복함으로써 규소-규소 탄화물 매트릭스중에 섬유-매트릭스 경계를 보호하기 위한 방법을 제공한다. 섬유는 유리질 물질을 형성하는 붕소 질화물 피막중에 규소의 부가에 의해 추가로 보호된다. 결정적인 인자는 원자비 또는 중량비와 같은 피막중 규소대 붕소의 비이고, 이는 복합체의 인성을 유지하면서 특히 함수 환경에서 복합체의 내산화성을 향상시키기 위해 필요하다.This need has been met by the development of fiber-reinforced silicon-silicon carbide matrix composites having improved oxidation resistance in anhydrous or hydrous environments and at elevated temperatures. The present invention provides a method for protecting the fiber-matrix boundaries in a silicon-silicon carbide matrix by coating the fibers with silicon-doped boron nitride. The fibers are further protected by the addition of silicon in the boron nitride film forming the glassy material. The decisive factor is the ratio of silicon to boron in the coating, such as atomic ratio or weight ratio, which is necessary to maintain the toughness of the composite while improving the oxidation resistance of the composite, especially in an aqueous environment.

본 발명의 장점은 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체를 매트릭스 균열 응력보다 높은 응력에 도입시킬 때, 복합체 성질을 보호하는 것이다. 규소-도핑된 붕소 질화물 피막은 아래에 있는 섬유를 보호하기 때문에, 전반적인 규소-규소 탄화물 복합체의 인성이 산화적 및 함수 환경에서 유지된다.An advantage of the present invention is to protect the composite properties when the silicon-silicon carbide matrix composite is introduced at a stress higher than the matrix crack stress. Since the silicon-doped boron nitride coating protects the underlying fiber, the toughness of the overall silicon-silicon carbide composite is maintained in oxidative and hydrous environments.

간략하게 말하면, 본 발명의 한가지 양태는In short, one aspect of the present invention

하나 이상의 규소-도핑된 붕소 질화물 피막을 갖는 섬유상 물질, 및 탄소, 규소 탄화물 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 입자를 포함하는 매트릭스 구성 물질로 피복된 섬유를 포함하는 혼합물을 함유하는 예비성형물을 선택하는 단계;Selecting a preform containing a fibrous material having at least one silicon-doped boron nitride film and a mixture comprising fibers coated with a matrix constituent material comprising particles selected from the group consisting of carbon, silicon carbide and mixtures thereof step;

적어도 용융된 규소를 상기 예비성형물 안으로 침윤시켜서 보강 섬유로 고밀도 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체를 제조하는 단계를 포함하는, 섬유로 보강된 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체의 인성을 증가시키기 위한 방법이다.A method for increasing the toughness of a fiber-reinforced silicon-silicon carbide matrix composite, comprising infiltrating at least molten silicon into the preform to produce a high density silicon-silicon carbide matrix composite with reinforcing fibers.

본 발명의 또 다른 양태에서, 규소-규소 탄화물 매트릭스중에서 규소-도핑된 붕소 질화물 피복된 섬유를 포함하는, 향상된 산화 및 휘발 내성을 갖는 섬유-보강된 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체를 제공한다.In another aspect of the invention, there is provided a fiber-reinforced silicon-silicon carbide matrix composite with improved oxidation and volatilization resistance, comprising silicon-doped boron nitride coated fibers in a silicon-silicon carbide matrix.

본 발명의 또 다른 양태는 엔진에서 사용하기 위한 제품을 포함하는데, 이때 이러한 제품은 원소성 규소 상, 규소 탄화물 상, 피복된 섬유상 물질을 갖는 세라믹 매트릭스 복합체로 이루어지고, 이때 상기 섬유상 물질은 하나 이상의 규소-도핑된 붕소 질화물 피막을 갖는다.Another aspect of the invention includes a product for use in an engine, wherein the product consists of a ceramic matrix composite having an elemental silicon phase, a silicon carbide phase, and a coated fibrous material, wherein the fibrous material is at least one Silicon-doped boron nitride film.

본 발명의 보강된-섬유 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체는 원소성 규소 상 및 규소 탄화물 상을 포함하는 고밀도 매트릭스, 및 하나 이상의 규소-도핑된 붕소 질화물 피막을 갖는 보강 규소 탄화물-함유 섬유를 포함하고, 이는 1420℃ 이상의 가공 온도에서 열적 안정성 및 함수 환경에서 화학적 및 기계적 안정성을 갖는다.The reinforced-fiber silicon-silicon carbide matrix composites of the present invention comprise a high density matrix comprising an elemental silicon phase and a silicon carbide phase, and a reinforced silicon carbide-containing fiber having at least one silicon-doped boron nitride film, It has thermal and chemical and mechanical stability in aqueous environments at processing temperatures of 1420 ° C. and above.

도 1은 규소-도핑된 붕소 질화물 유형의 섬유 피막중에서 규소 함량에 따른 해결합 특성 및 환경 안정성 양태를 도식적으로 나타낸다.FIG. 1 schematically shows the solution properties and environmental stability aspects with silicon content in silicon-doped boron nitride type fiber coatings.

도 2는 규소 15 중량%를 함유하는 규소-도핑된 붕소 질화물로 피복된 규소 탄화물 섬유로 보강된 규소 용융 침윤된 세라믹 매트릭스 복합체의 인장 응력-변형률 양태를 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the tensile stress-strain mode of silicon melt impregnated ceramic matrix composites reinforced with silicon carbide fibers coated with silicon-doped boron nitride containing 15 wt% silicon.

도 3은 10% 산소 및 90% 물을 포함하는 대기중에 24시간 산화 처리에 대해, 피막중에 있는 규소 중량%의 함수로서 피복 물질 산화/휘발성을 나타내는 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing coating material oxidation / volatility as a function of percent by weight of silicon in the coating for a 24-hour oxidation treatment in an atmosphere containing 10% oxygen and 90% water.

도 4는 규소 중량%에 대해 최종 강도(ksi) 및 최종 강도에서의 변형률(%)을 도시함으로써, 상이한 규소 도핑량에 대한 복합체중의 섬유 피막 양태를 나타내는 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the fiber coating aspect in the composite for different amounts of silicon doping, showing the final strength (ksi) and the percent strain at the final strength relative to the silicon weight percent.

본 발명은 규소 탄화물-함유 규소 탄화물-함유 섬유 보강된 고밀도 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체를 제조하는 방법 및 이러한 방법으로 수득된 제품에 관한 것으로, 이때 섬유는 하나 이상의 규소-도핑된 붕소 질화물 피막으로 피복된다. 본 발명에서 수득된 매트릭스 물질은 깨끗한 형상 가공 능력 및 제작 용이함을 갖는 용융된 규소 침윤된 규소-규소 탄화물이다.The present invention relates to a process for producing silicon carbide-containing silicon carbide-containing fiber reinforced high density silicon-silicon carbide matrix composites and articles obtained by such methods, wherein the fibers are coated with one or more silicon-doped boron nitride films do. The matrix material obtained in the present invention is molten silicon impregnated silicon-silicon carbide with clean shape processing capability and ease of manufacture.

본 발명은 일반적으로 약 20체적% 미만의 다공성을 갖는 고밀도 세라믹 매트릭스 복합체를 생성한다. 본 발명의 복합체는 그 성분이 복합체의 약 5체적%를 차지하고 약 5 내지 약 40중량% 사이의 (B(Si)N) 피막의 총중량에 대한 규소의 중량비를 갖는 하나 이상의 규소-도핑된 붕소 질화물 피막(B(Si)N); 및The present invention generally produces a high density ceramic matrix composite having a porosity of less than about 20 volume percent. The composite of the present invention comprises at least one silicon-doped boron nitride whose components comprise about 5% by volume of the composite and have a weight ratio of silicon to the total weight of the (B (Si) N) coating between about 5 and about 40% by weight. Film (B (Si) N); And

실질적으로 규소를 포함하는 원소성 규소 상의 약 1체적% 이상을 갖는 복합체 매트릭스를 포함한다. 원소성 규소 상은 실질적으로 규소를 포함하고, 단 붕소와 같은 그밖에 용해된 원소를 포함할 수 있다. 본 발명에 의해, 피복된 섬유가 고온의 무수 또는 함수 환경에서 산화 보호 및 인성 복합체를 제공하는 것을 추가로 발견하였다.And a composite matrix having at least about 1% by volume substantially on elemental silicon comprising silicon. The elemental silicon phase substantially comprises silicon and may include other dissolved elements such as boron. By the present invention, it was further found that the coated fibers provide oxidative protection and toughness composites in high temperature anhydrous or hydrous environments.

본 발명의 또 다른 실시양태는Another embodiment of the invention

규소 탄화물-함유 섬유상 물질상에 하나 이상의 규소-도핑된 붕소 질화물 피막을 침착시키는 단계(이때, 피막은 상기 섬유상 물질의 외면을 실질적으로 피복한다);Depositing at least one silicon-doped boron nitride coating on the silicon carbide-containing fibrous material, wherein the coating substantially covers the outer surface of the fibrous material;

탄소, 규소 탄화물, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 입자를 상기 섬유상 물질과 혼합하는 단계;Mixing the particles selected from the group consisting of carbon, silicon carbide, and mixtures thereof with the fibrous material;

상기 혼합물을 예비성형물로 성형하는 단계;Molding the mixture into a preform;

상기 예비성형물을 실질적으로 용융된 규소를 포함하는 침윤제로 침윤시키는 단계; 및Infiltrating the preform with a wetting agent comprising substantially molten silicon; And

상기 침윤된 예비성형물을 냉각시켜 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체를 제조하는 단계를 포함하고,Cooling the infiltrated preform to produce a silicon-silicon carbide matrix composite,

이때 상기 B(Si)N 피막의 총 중량에 대한 규소의 중량비는 약 5 내지 약 40중량%인, 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체를 산화적 및 습식 환경에서 향상된 성질로 만들 수 있는 방법에 의해 제공된다.Wherein the weight ratio of silicon to the total weight of the B (Si) N coating is from about 5 to about 40 weight percent, provided by a method that can make the silicon-silicon carbide matrix composites with improved properties in oxidative and wet environments .

본원에서 사용된 바와 같이, "탄소"는 흑연, 입자, 플레이크, 위스커(whisker) 또는 비결정성 섬유, 단결정, 또는 다결정성 탄소, 탄소화 식물 섬유, 램프 블랙(lamp black), 미분된 석탄, 목탄 및 탄소화 중합체 섬유 또는 펠트(예: 레이온, 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리아세틸렌)를 비롯한 모든 형태의 원소성 탄소를 포함한다. "섬유상 물질"은 섬유, 필라멘트, 스트랜드, 번들(bundle), 위스커, 직물, 펠트 또는 이들의 조합을 포함한다. 섬유는 연속상 또는 불연속상이다. 규소 탄화물-함유 섬유 또는 섬유상 물질은 종래의 시판중인 물질을 포함하고, 이때 규소 탄화물은 코어 또는 지지체(substrate)를 감싸거나, 또는 규소 탄화물은 코어 또는 지지체이다. 규소 탄화물이 감쌀 수 있는 그 밖의 코어 물질은 탄소 및 텅스텐을 포함한다. 섬유상 물질은 비결정성, 결정성 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 결정성 물질은 단결정 또는 다결정성일 수 있다. 규소 탄화물-함유 섬유상 물질의 예는 규소 탄화물, Si-C-O, Si-C-O-N, Si-C-B 및 Si-C-O-금속이고, 이때 금속 성분은 다양하지만, 티탄, 지르코늄 또는 붕소가 흔하다. 당해 기술분야에는 규소 탄화물-함유 섬유를 제조하기 위한 유기 전구체를 사용하는 방법이 존재하고, 이때 이러한 섬유는 다양한 원소를 섬유로 도입시킬 수 있다. 이들 섬유의 예로서 일본 요코하마 소재의 닛폰 카본 캄파니 리미티드(Nippon Carbon Company, Ltd.)로부터 시판중인 니칼론(Nicalon, 등록상표), 하이-니칼론(Hi-Nicalon, 등록상표) 및 하이-니칼론 S(Hi-Nicalon S, 등록상표); 일본 야마구치 우베시 소재의 우베 인더스트리즈, 리미티드(Ube Industries, Ltd.)로부터 시판중인 티라노(Tyranno, 등록상표) 섬유; 및 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 코닝 코포레이션(Dow Corning Corporation)의 등록상표인 실라믹(Sylramic, 등록상표) 섬유가 있다.As used herein, "carbon" refers to graphite, particles, flakes, whiskers or amorphous fibers, monocrystalline, or polycrystalline carbon, carbonated plant fibers, lamp black, finely divided coal, charcoal And elemental carbon in all forms, including carbonized polymer fibers or felts such as rayon, polyacrylonitrile, and polyacetylene. "Fibrous material" includes fibers, filaments, strands, bundles, whiskers, fabrics, felts or combinations thereof. The fibers are continuous or discontinuous. Silicon carbide-containing fibers or fibrous materials include conventional commercially available materials, wherein silicon carbide surrounds the core or substrate, or silicon carbide is the core or support. Other core materials that silicon carbide can wrap include carbon and tungsten. The fibrous material may be amorphous, crystalline or mixtures thereof. The crystalline material may be monocrystalline or polycrystalline. Examples of silicon carbide-containing fibrous materials are silicon carbide, Si-C-O, Si-C-O-N, Si-C-B and Si-C-O-metals, with varying metal components, but titanium, zirconium or boron are common. There is a method in the art using organic precursors for producing silicon carbide-containing fibers, where such fibers can introduce various elements into the fibers. Examples of these fibers are Nicalon (registered trademark), Hi-Nicalon (registered trademark) and Hi-needle sold by Nippon Carbon Company, Ltd., Yokohama, Japan. Hilonical S (registered trademark); Tyranno® fiber, commercially available from Ube Industries, Ltd., Ube City, Yamaguchi, Japan; And Silamic® fiber, which is a registered trademark of Dow Corning Corporation, Midland, Mich., USA.

본 발명의 방법을 수행할 때, 피복 시스템은 섬유상 물질상에 침착되고, 이러한 물질은 적어도 섬유상 물질의 어떠한 부분도 노출되지 않도록 유지하고, 바람직하게는 전체 물질을 피복한다. 피복 시스템은 하나의 피막 또는 일련의 피막을 함유할 수 있다. 하나의 피막만 존재하면, 이는 규소-도핑된 붕소 질화물(B(Si)N) 피막 또는 붕소 질화물의 규소-도핑된 붕소 질화물까지의 구배 피막이다. 피막은 연속적이어야 하고 어떠한 상당한 다공성도 갖지 않으며 바람직하게는 기공이 없고 상당한 균일형태이어야 한다. 피막중에 규소-함유 화합물은 상당량으로 존재하여 B(Si)N 피막의 총중량에 대한 규소의 중량비가 약 5 내지 약 40중량%이 되도록 한다. 바람직한 범위는 약 10 내지 25중량%이고, 가장 바람직한 양은 약 11 내지 19 중량%이다.In carrying out the process of the invention, a coating system is deposited on the fibrous material, which keeps at least no part of the fibrous material exposed, and preferably covers the entire material. The coating system may contain one coating or a series of coatings. If only one coating is present, it is a silicon-doped boron nitride (B (Si) N) coating or a gradient coating of boron nitride to silicon-doped boron nitride. The coating should be continuous and have no significant porosity, preferably free of pores and of substantial uniformity. The silicon-containing compound in the coating is present in significant amounts such that the weight ratio of silicon to the total weight of the B (Si) N coating is from about 5 to about 40 weight percent. The preferred range is about 10 to 25% by weight and the most preferred amount is about 11 to 19% by weight.

B(Si)N 피막은 붕소 질화물(BN) 및 규소 질화물(Si3N4)의 원자성 혼합물로서 화학적으로 고려될 수 있고, 이는 원래 비결정성 또는 결정성일 수 있다. 상이한 양의 도핑은 Si3N4에 대한 BN의 상이한 비율에 상응하고, B(Si)N 조성의 전범위는 순수한 BN으로부터 순수한 Si3N4까지 고려된다. 이러한 범위의 한쪽 극단에서, 순수한 BN은 세라믹 매트릭스 복합체를 위한 양호한 섬유-매트릭스 해교 특성을 부여하지만, 산화/휘발 내성은 열등하다. 또 다른 극단에서, 순수한 Si3N4는 매우 양호한 산화/휘발 내성을 갖지만, 복합체 파괴중에 섬유 해교를 위한 약한 섬유-매트릭스 경계를 제공하지 않는다. 중간생성 조성물에서, B(Si)N이 양호한 섬유-매트릭스 해교 특성을 제공하고 양호한 환경 안정성을 갖는 규소 함량의 범위가 존재한다. 이는 도 1에 도식적으로 표현된다.The B (Si) N coating can be considered chemically as an atomic mixture of boron nitride (BN) and silicon nitride (Si 3 N 4 ), which can be amorphous or crystalline in nature. Different amounts of doping correspond to different ratios of BN to Si 3 N 4 , and the full range of B (Si) N compositions is considered from pure BN to pure Si 3 N 4 . At one extreme in this range, pure BN imparts good fiber-matrix peptizing properties for ceramic matrix composites, but inferior oxidation / volatile volatility. At another extreme, pure Si 3 N 4 has very good oxidation / volatility resistance but does not provide a weak fiber-matrix boundary for fiber peptising during composite breakdown. In the intermediate composition, there is a range of silicon content in which B (Si) N provides good fiber-matrix peptizing properties and has good environmental stability. This is represented schematically in FIG. 1.

B(Si)N 피막중에 규소 중량%의 범위는 약 5 내지 약 40중량%이고, 바람직하게는 약 10 내지 약 25중량%이고, 가장 바람직하게는 약 11 내지 약 19중량% 규소이다.The weight percent silicon in the B (Si) N coating is in the range of about 5 to about 40 weight percent, preferably about 10 to about 25 weight percent, most preferably about 11 to about 19 weight percent silicon.

또한, 하나 이상의 B(Si)N 피막에 덧붙여, B(Si)N을 함유하는 그 밖의 구성부(예: B(Si)N과 초기 및/또는 중간 탄소층의 다층), 또는 B(Si)N의 초기층에 이어서 규소 탄화물 또는 Si3N4의 피막, 탄소와 같은 B(Si)N상의 규소-습윤가능한 피막 추가층, 또는 상기의 조합이 사용될 수 있다.Further, in addition to one or more B (Si) N films, other components containing B (Si) N (eg, multilayers of B (Si) N and initial and / or intermediate carbon layers), or B (Si) Subsequent to the initial layer of N, a film of silicon carbide or Si 3 N 4 , a silicon-wettable film additional layer on B (Si) N, such as carbon, or a combination thereof may be used.

섬유 또는 섬유상 물질상의 B(Si)N 피막과의 임의의 조합으로 사용되는 피복 시스템의 추가의 예로서 붕소 질화물, 규소 탄화물; 붕소 질화물, 규소 질화물; 붕소 질화물, 탄소, 규소 질화물 등이 있다. 본 발명을 만족시키는 섬유상 물질상의 추가의 피막의 예에는 질화물, 붕소화물, 탄화물, 산화물, 규산화물, 또는 그 밖의 유사한 세라믹 내화 물질이 있다. 세라믹 탄화물 피막의 대표적인 예는 붕소, 크롬, 하프늄, 니오븀, 규소, 탄탈, 티탄, 바나듐, 지르코늄 및 이들의 혼합물의 탄화물이다. 본 발명의 방법에서 유용한 세라믹 질화물의 대표적인 예는 하프늄, 니오븀, 규소, 탄탈, 티탄, 바나듐, 지르코늄 또는 이들의 혼합물의 질화물이다. 세라믹 붕소화물의 예는 하프늄 , 니오븀, 탄탈, 티탄, 바나듐, 지르코늄 및 이들의 혼합물의 붕소화물이다. 산화물 피막의 예는 알루미늄, 이트륨, 티탄, 지르코늄, 베릴륨, 규소 및 귀금속의 산화물이다. 피막의 두께는 약 0.3 내지 5 ㎛일 수 있다.Further examples of coating systems used in any combination with B (Si) N coatings on fibrous or fibrous materials include boron nitride, silicon carbide; Boron nitride, silicon nitride; Boron nitride, carbon, silicon nitride and the like. Examples of additional coatings on fibrous materials that satisfy the present invention include nitrides, borides, carbides, oxides, silicates, or other similar ceramic refractory materials. Representative examples of ceramic carbide films are carbides of boron, chromium, hafnium, niobium, silicon, tantalum, titanium, vanadium, zirconium and mixtures thereof. Representative examples of ceramic nitrides useful in the process of the present invention are nitrides of hafnium, niobium, silicon, tantalum, titanium, vanadium, zirconium or mixtures thereof. Examples of ceramic borides are borides of hafnium, niobium, tantalum, titanium, vanadium, zirconium and mixtures thereof. Examples of oxide films are oxides of aluminum, yttrium, titanium, zirconium, beryllium, silicon and noble metals. The thickness of the coating may be about 0.3 to 5 μm.

논의한 바와 같이, 섬유상 물질은 하나 이상의 피막을 가질 수 있다. 추가의 보호막은 규소로 습윤가능하고 약 500 Å 내지 약 3 ㎛이다. 유용한 규소-습윤가능한 물질의 대표적인 예는 원소성 탄소, 금속 탄화물, 금속 피막이 있고, 이러한 피막은 후에 용융된 규소와 반응하여 규산화물, 규소 질화물과 같은 금속 질화물 및 금속 규산화물을 형성한다. 원소성 탄소가 바람직하고 열분해성 탄소 형태로 아래 있는 피막상에 통상적으로 침착된다. 일반적으로, 금속 탄화물은 규소, 탄탈, 티탄, 또는 텅스텐의 탄화물이다. 일반적으로, 금속 규산화물은 크롬, 몰리브덴, 탄탈, 티탄, 텅스텐 및 지르코늄의 규산화물이다. 이후에 용융된 규소와 반응하여 규산화물을 형성하는 금속은 규소의 융점보다 높은 융점을 갖고, 바람직하게는 약 1450℃보다 높다. 통상적으로, 금속 및 이의 규산화물은 종래의 방법에서는 고체이다. 이러한 금속의 대표적인 예는 크롬, 몰리브덴, 탄탈, 티탄 및 텅스텐이다.As discussed, the fibrous material may have one or more coatings. Additional protective films are wettable with silicon and are from about 500 mm 3 to about 3 μm. Representative examples of useful silicon-wettable materials are elemental carbon, metal carbide, metal coatings, which later react with molten silicon to form metal nitrides such as silicon oxides, silicon nitrides, and metal silicates. Elemental carbon is usually deposited on the underlying coating in the form of a pyrolytic carbon. Generally, the metal carbide is a carbide of silicon, tantalum, titanium, or tungsten. Generally, the metal silicate is a silicate of chromium, molybdenum, tantalum, titanium, tungsten and zirconium. The metal which subsequently reacts with the molten silicon to form the silicon oxide has a melting point higher than that of silicon and is preferably higher than about 1450 ° C. Typically, the metal and its silicate are solid in conventional methods. Representative examples of such metals are chromium, molybdenum, tantalum, titanium and tungsten.

공지된 기술을 사용하여 피막을 침착시킬 수 있는데, 일반적으로 화학적 증착에 의해 저압 기술을 사용하여 침착된다.Known techniques can be used to deposit the coating, which is generally deposited using low pressure techniques by chemical vapor deposition.

이러한 방법에서, 섬유를 토우(tow)로 묶고 피막으로 또는 이의 조합으로 피복한다. 토우는 구조물로 형성되고, 이어서 구조물은 용융 규소로 침윤된다. 이러한 방법으로, 섬유상에 붕소 질화물 피복을 사용하여 종종 섬유를 용융 규소에 의해 침투로부터 보호하거나 해교에 대해 보호할 수 있다. 이어서 규소-도핑된 붕소 질화물 피막을 부가하거나 또는 비도핑된 붕소 질화물 피막 대신 첨가한다. 본 발명에서 피막은 비도핑된 붕소 질화물로부터 규소-도핑된 붕소 질화물 피막까지 구배될 수 있다. 비구배 피막은 또한 본 발명에 사용하기에 적절하다.In this method, the fibers are bundled with tow and coated with a coating or with a combination thereof. The tow is formed into a structure, which is then infiltrated with molten silicon. In this way, boron nitride coatings on the fibers are often used to protect the fibers from penetration by molten silicon or against peptising. A silicon-doped boron nitride film is then added or in place of the undoped boron nitride film. In the present invention, the coating can be gradient from undoped boron nitride to silicon-doped boron nitride coating. Non-gradient coatings are also suitable for use in the present invention.

규소 탄화물-규소 복합체를 제조하기 위해 사용된 또 다른 방법은 직물 형태 또는 3차원 구조물 형태의 섬유를 사용하고, 이를 원하는 형상으로 적층된다. 붕소 질화물 피막을 상기 언급한 바와 같이 화학적 증기 침윤에 의해 직물층상에서 침착하고, 규소-도핑된 붕소 질화물 피막을 이어서 비도핑된 붕소 질화물 피막에 덧붙여 또는 그 대신 사용한다. 규소 탄화물 또는 규소 질화물의 추가의 피막이 붕소 질화물 피막상에 존재할 수 있다. 본 발명에서 피막은 비도핑된 붕소 질화물로부터 규소-도핑된 붕소 질화물 피막까지 구배될 수 있다. 비-구배된 피막 또한 본 발명의 용도를 만족시킨다. 이어서 구조물을 슬러리로 가공하고 용융 규소로 용융 침윤시킨다. 용융 규소는 붕소 및 몰리브덴과 같은 그 밖의 물질의 극소량을 함유할 수 있다.Another method used to prepare silicon carbide-silicon composites uses fibers in the form of fabrics or three-dimensional structures, which are laminated to the desired shape. The boron nitride film is deposited on the fabric layer by chemical vapor infiltration as mentioned above, and the silicon-doped boron nitride film is then used in addition to or instead of the undoped boron nitride film. Additional coatings of silicon carbide or silicon nitride may be present on the boron nitride coating. In the present invention, the coating can be gradient from undoped boron nitride to silicon-doped boron nitride coating. Non-graded coatings also satisfy the use of the present invention. The structure is then processed into a slurry and melt infiltrated with molten silicon. Molten silicon may contain trace amounts of other materials such as boron and molybdenum.

상기 설명한 바와 같이, 피복된 섬유상 물질은 하나 이상의 탄소 또는 규소 탄화물 또는 탄소와 규소 탄화물 물질의 혼합물을 포함하는 매트릭스 구성 물질과 혼합된다. 그 밖의 원소 또는 화합물은 혼합물에 첨가되어 상이한 복합체 성질 또는 구조를 제공할 수 있다. 혼합물의 특정 조성은 실험적으로 결정가능하고 대부분 목적하는 특정 조성물, 즉 복합체에서 기대하는 특정 성질에 의존한다. 그러나, 혼합물은 항상 충분한 원소성 탄소, 또는 규소 탄화물, 또는 탄소와 규소 탄화물의 혼합물을 함유하여 본 발명의 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체를 확실히 생성할 수 있다. 구체적으로, 예비성형물은 충분한 원소성 탄소 또는 규소 탄화물 또는 탄소와 규소 탄화물의 혼합물을 함유해야 하고, 일반적으로 이들의 대부분 또는 모두는 혼합물에 의해 제공될 수 있고 그중 일부는 섬유상 물질상에서 희생적인 피막으로서 제공되어 용융된 규소 침윤제와 반응하여 규소 탄화물과 규소를 함유하는 본 발명의 복합체를 생성한다. 일반적으로, 원소성 탄소는 혼합물의 약 0체적%, 약 10 또는 20체적% 내지 거의 약 100체적%까지일 수 있다.As described above, the coated fibrous material is admixed with a matrix constituent material comprising one or more carbon or silicon carbides or a mixture of carbon and silicon carbide materials. Other elements or compounds may be added to the mixture to provide different composite properties or structures. The specific composition of the mixture is experimentally determinable and depends largely on the particular composition desired, i.e. the specific properties expected in the composite. However, the mixture can always contain sufficient elemental carbon, or silicon carbide, or a mixture of carbon and silicon carbide to reliably produce the silicon-silicon carbide matrix composite of the present invention. Specifically, the preform should contain sufficient elemental carbon or silicon carbide or a mixture of carbon and silicon carbide, and in general, most or all of them may be provided by the mixture, some of which may be sacrificial on the fibrous material. Provided to react with the molten silicon wetting agent to produce a composite of the present invention containing silicon carbide and silicon. In general, the elemental carbon may be from about 0%, about 10 or 20% by volume to about 100% by volume of the mixture.

탄소 또는 규소 탄화물의 혼합물 또는 탄소와 규소 탄화물의 예비성형물은 분말 형태일 수 있고 약 50 ㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 약 10 ㎛ 미만의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 예비성형물을 침윤시키는 용융된 규소는 실질적으로 규소로 구성되지만, 또한 원소성 붕소를 함유할 수도 있고, 이는 용융된 규소중에 제한된 가용성을 가진다. 규소 침윤제는 또한 붕소 함유 화합물 또는 그밖의 원소 또는 화합물을 함유할 수도 있다.The mixture of carbon or silicon carbide or the preform of carbon and silicon carbide may be in powder form and have an average particle size of less than about 50 μm, more preferably less than about 10 μm. The molten silicon that infiltrates the preform consists essentially of silicon, but may also contain elemental boron, which has limited solubility in molten silicon. Silicon wetting agents may also contain boron containing compounds or other elements or compounds.

탄소 또는 규소 탄화물 또는 규소 탄화물과 탄소의 혼합물을 함유하는 예비성형물 형태의 혼합물을 용융된 규소 침윤제에 의해 습윤화한다. 본 발명의 방법을 수행하는데 있어서, 예비성형물은 침윤 수단에 의해 규소 침윤제와 접촉한다. 침윤 수단은 규소 침윤제가 예비성형물로 침윤될 수 있게 한다. 본원에서 참조로서 인용하는 미국 특허 제 4,737,328 호는 침윤 기술을 개시한다. 본 발명의 방법에서, 충분한 용융된 규소 침윤제를 예비성형물로 침윤시켜서 본 발명의 복합체를 생성한다. 구체적으로, 용융된 규소 침윤제는 유동성이고 예비성형물중에 존재하는 임의의 탄소와 매우 반응성이 커서 규소 탄화물을 형성한다. 규소 상의 포켓이 또한 매트릭스중에 형성된다.The mixture in the form of preforms containing carbon or silicon carbide or a mixture of silicon carbide and carbon is wetted with molten silicon wetting agent. In carrying out the process of the invention, the preform is contacted with the silicon wetting agent by means of infiltration. Infiltration means allow silicon infiltration to infiltrate into the preform. US Pat. No. 4,737,328, which is incorporated herein by reference, discloses infiltration techniques. In the process of the present invention, sufficient molten silicon wetting agent is infiltrated into the preform to produce the composite of the present invention. Specifically, the molten silicon wetting agent is fluid and highly reactive with any carbon present in the preform to form silicon carbide. Pockets on silicon are also formed in the matrix.

침윤제에 요구되는 기간은 실험적인 것이고 대부분 예비성형물의 크기 및 요구되는 침윤 정도에 의존한다. 일반적으로, 약 60분 미만 및 종종 약 10분 미만이 완전하다. 생성된 침윤된 몸체를 대기중에서 냉각시키고 이러한 비율로는 어떠한 손상도 없다.The period of time required for the infiltrant is experimental and depends largely on the size of the preform and the degree of infiltration required. In general, less than about 60 minutes and often less than about 10 minutes are complete. The resulting infiltrated body is cooled in the atmosphere and there is no damage at this rate.

본 발명의 복합체는 피복된 섬유상 물질과 매트릭스 상으로 구성된다. 매트릭스 상은 피복된 섬유상 물질을 통해 분산되고 일반적으로 실질적으로 공간 충진되고 통상적으로 상호연결된다. 일반적으로, 피복된 섬유상 물질은 매트릭스 상에 의해 전체적으로 포장된다. 매트릭스 상은 규소 탄화물 및 규소의 상 혼합물을 함유한다. 섬유상 물질은 복합체 약 5체적% 이상, 또는 약 10체적% 이상을 포함한다. 매트릭스는 규소 탄화물상을 복합체의 약 5 내지 95체적%의 양으로, 또는 약 10 내지 80체적%의 양, 또는 약 20 내지 60체적%로 포함한다. 매트릭스는 원소성 규소 상을 복합체 체적의 약 1 내지 30체적%로 함유할 수 있다.The composite of the present invention consists of a coated fibrous material and a matrix phase. The matrix phase is dispersed through the coated fibrous material and is generally substantially space filled and commonly interconnected. In general, the coated fibrous material is wholly wrapped by the matrix phase. The matrix phase contains a phase mixture of silicon carbide and silicon. The fibrous material comprises at least about 5%, or at least about 10%, by volume of the composite. The matrix comprises the silicon carbide phase in an amount of about 5 to 95 volume percent of the composite, or in an amount of about 10 to 80 volume percent, or about 20 to 60 volume percent. The matrix may contain the elemental silicon phase at about 1-30% by volume of the composite volume.

다음 실시예는 본 발명을 추가로 설명하는 것으로, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.The following examples further illustrate the invention and do not limit the invention.

실시예Example

하이-니칼론 규소 탄화물 섬유 토우를 규소 약 15중량%를 함유하는 B(Si)N의 1㎛ 두께의 피막으로 피복하였다. 피복된 토우를 탄소-함유 슬러리로 미리 함침시키고 드럼상으로 감아서 한방향 수지침투 테이프를 제조한다. 슬러리(이로부터 복합체 예비성형물의 매트릭스가 유도된다)를 지르코니아 분쇄 매질 300 g, 규소 탄화물 분말 35 g, 탄소 분말 15 g, 폴리비닐 부티랄 수지 8 g, 푸르푸릴 알콜-유도된 수지 14 g, 분산제 2 g, 톨루엔 40.32 g 및 4-메틸-2-펜타논 26.77 g을 250 mL 용량 폴리에틸렌 병에 첨가하여 제조하였다. 혼합물을 페인트 진탕기상에서 10분 동안 진탕하여 성분을 혼합한 후 1시간 동안 볼 밀상에 놓고 혼합물을 완전히 균질화하였다. 2시간 동안 건조시킨 후, 테이프를 드럼 밖으로 잘라내고, 단편으로 자르고 손으로 (0。 방향으로 보강된 4겹과 90。 방향으로 보강된 2겹을 갖는 6겹 복합체) 위에 놓고, 이어서 가열 프레스중에 120℃에서 15분 동안 인치2당 100 파운드에서 적층하였다.The high-nikalon silicon carbide fiber tow was coated with a 1 μm thick coating of B (Si) N containing about 15% silicon by weight. The coated tow is preimpregnated with a carbon-containing slurry and wound onto a drum to prepare a unidirectional dendritic tape. The slurry (from which the matrix of the composite preform is derived) was subjected to 300 g of zirconia grinding media, 35 g of silicon carbide powder, 15 g of carbon powder, 8 g of polyvinyl butyral resin, 14 g of furfuryl alcohol-derived resin, dispersant 2 g, 40.32 g of toluene and 26.77 g of 4-methyl-2-pentanone were added to a 250 mL volume polyethylene bottle. The mixture was shaken on a paint shaker for 10 minutes to mix the ingredients and then placed on a ball mill for 1 hour to fully homogenize the mixture. After drying for 2 hours, the tape is cut out of the drum, cut into pieces and placed by hand on a 6-ply composite with 4 plies reinforced in the 0 ° direction and 2 plies reinforced in the 90 ° direction, followed by 120 during a heating press. Lamination at 100 pounds per inch 2 for 15 minutes at < RTI ID = 0.0 >

생성된 적층 복합체 예비성형물을 오븐에 120℃에서 밤새 놓고 수지를 매트릭스 안에서 경화하였다. 결합제를 소각하고 규소 용융 침윤을 하나의 연속 작업으로 수행하였지만, 이러한 공정은 별도로 수행될 수 있다. 복합체 예비성형물을 탄소 직물 심지상에 놓고 이를 붕소-질화물 피복된 흑연판상에서 지지하였다. 충분한 규소(Si-5% B 합금)을 심지상에 놓고 심지를 완전히 포화시키고, 용융시 예비성형물을 충진하였다. 이어서, 조립체를 탄소 전기 저항 가열 부재 및 탄소 절연체를 함유하는 진공로에 넣고, 이러한 진공로를 2 Torr 내지 20 mTorr에서 기계적 진공 펌프를 사용하여 배기하였다. 진공로의 초기의 가열 속도는 분당 0.75。씩 450。까지였다. 느린 가열 속도를 사용하여 폴리비닐 부티랄 결합제의 소각 속도 및 푸르푸릴 수지의 열분해 속도를 제한한다. 이어서 가열속도를 분당 1℃씩 450 내지 550℃까지 올린다. 진공로를 분당 4℃의 속도로 1380℃까지 가열하고 1380℃에서 10분 동안 유지하여 진공로 온도가 평형에 도달하도록 유지하였다. 이어서 진공로를 1380 내지 1430℃로 분당 3℃의 속도로 가열하고, 1430℃에서 20분 동안 유지한 후, 1350℃까지 분당 3℃의 속도로 냉각시켰다. 이어서 진공로 제어기를 프로그래밍하여 진공로를 실온까지 분당 5℃의 속도로 냉각시키고, 단 진공로의 열 용량은 진공로가 실행상 이를 신속하게 냉각시키는 것을 방지한다.The resulting laminate composite preform was placed in an oven at 120 ° C. overnight to cure the resin in a matrix. Although the binder was incinerated and the silicon melt infiltration was carried out in one continuous operation, this process can be carried out separately. The composite preform was placed on a carbon fabric wick and supported on a boron-nitride coated graphite plate. Sufficient silicon (Si-5% B alloy) was placed on the wick to fully saturate the wick and fill the preform upon melting. The assembly was then placed in a vacuum furnace containing a carbon electrical resistance heating element and a carbon insulator, and the vacuum furnace was evacuated using a mechanical vacuum pump at 2 Torr to 20 mTorr. The initial heating rate of the vacuum furnace was up to 450 ° at 0.75 ° per minute. Slow heating rates are used to limit the burn rate of the polyvinyl butyral binder and the pyrolysis rate of furfuryl resin. The heating rate is then raised to 450-550 ° C. at 1 ° C. per minute. The vacuum furnace was heated to 1380 ° C. at a rate of 4 ° C. per minute and held at 1380 ° C. for 10 minutes to keep the vacuum furnace temperature at equilibrium. The vacuum furnace was then heated to 1380-1430 ° C. at a rate of 3 ° C. per minute, held at 1430 ° C. for 20 minutes, and then cooled to 1350 ° C. at a rate of 3 ° C. per minute. The vacuum furnace controller is then programmed to cool the vacuum furnace to room temperature at a rate of 5 ° C. per minute, provided that the heat capacity of the vacuum furnace prevents the vacuum furnace from cooling it quickly in practice.

냉각 후, 침윤된 복합체 몸체를 부착된 탄소 직물 심지로부터 떼어내고 가장자리가 곧은 인장 바아를 다이아몬드 연마 절단 및 분쇄를 사용하여 복합체 패널로부터 기계화하였다. 이러한 바아를 인스트론 시험 기계에서 파괴에 대한 인장 시험을 하고, 변형률을 접촉 신장 강도계로 측정하였다. 일반적인 생성된 응력-변형률 곡선을 도 2에 나타내었다. 매트릭스 균열 후 높은 강도 및 높은 변형률은 파괴중에 적절한 섬유-매트릭스 해결합을 나타낸다.After cooling, the infiltrated composite body was removed from the attached carbon fabric wick and the straightened tensile bar was mechanized from the composite panel using diamond abrasive cutting and grinding. This bar was subjected to a tensile test for failure in an Instron test machine and the strain was measured with a contact elongation strength meter. A typical resulting stress-strain curve is shown in FIG. 2. High strength and high strain after matrix cracking indicate a suitable fiber-matrix solution for fracture.

도 3은 10% 산소 및 90% 물의 대기중에 24시간의 산화처리 동안 규소 중량%의 함수로서 B(Si)N 산화/휘발성(질량 손실)을 나타낸다. 낮은 규소량에 대해, 휘발 속도는 높고 이어서 규소 함량이 약 15중량% 규소 이하로 증가하면서 감소한다. 산화/휘발 속도는 많이 변하지는 않으며, 그 후 이는 15중량% 이상의 규소가 습식 대기중에 산화에 대한 최대 저항에 대해 바람직하다는 것을 지시하는 것이다.Figure 3 shows B (Si) N oxidation / volatility (mass loss) as a function of weight percent silicon during 24 hours of oxidation in an atmosphere of 10% oxygen and 90% water. For low amounts of silicon, the volatilization rate is high and then decreases with increasing silicon content below about 15% silicon by weight. The oxidation / volatility rate does not change much, which then indicates that at least 15% by weight of silicon is desirable for maximum resistance to oxidation in the wet atmosphere.

도 4는 상이한 양의 규소 도핑중에 복합체중에 섬유 피막의 양태를 나타낸다. 순수한 붕소 질화물 피막(0% 규소)에서, 붕소 질화물은 용융 침윤 과정중에 화학적으로 침투된다. 0% 규소에 대한 도 4에서의 데이타는 순수한 붕소 질화물 피막 및 탄소 및 규소 질화물의 추가의 보호 피막을 갖는 복합체를 위한 것이다. 모든 그 밖의 데이타는 추가의 규소 질화물 피막이 없는 피막을 위한 것이다. 규소를 첨가하면 복합체 가공중 용융된 규소에 대한 피막의 화학적 내성이 증가하고, 약 15중량% 규소에서 강도 및 변형값 모두가 매우 양호하고, 추가의 규소 질화물 피막 없이도 매우 양호하다. 약 20중량% 이상에서는, 피막은 더 이상 섬유와 매트릭스의 용이한 해결합을 제공하지 않고, 복합체가 강도 및 파괴 변형률 감소를 수반하면서 더욱 깨지기 쉽게 된다.4 shows an embodiment of a fibrous coating in a composite during different amounts of silicon doping. In a pure boron nitride coating (0% silicon), boron nitride is chemically penetrated during the melt infiltration process. The data in FIG. 4 for 0% silicon is for a composite with a pure boron nitride film and an additional protective film of carbon and silicon nitride. All other data are for coatings without additional silicon nitride coatings. The addition of silicon increases the chemical resistance of the coating to molten silicon during composite processing, very good both strength and strain values at about 15% by weight silicon, and very good without additional silicon nitride coating. Above about 20% by weight, the coating no longer provides an easy solution of the fibers and the matrix, and the composite becomes more brittle, accompanied by a decrease in strength and breaking strain.

본 발명에 의해 무수 또는 함수 환경 및 고온에서 향상된 내산화성을 갖는 섬유-보강된 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체를 제조할 수 있다.The present invention makes it possible to produce fiber-reinforced silicon-silicon carbide matrix composites having improved oxidation resistance in anhydrous or hydrous environments and at elevated temperatures.

Claims (28)

규소-도핑된 붕소 질화물 피막으로 피복된 섬유상 물질과 탄소, 규소 탄화물 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 입자를 포함하는 매트릭스 구성 물질의 혼합물을 함유하는 예비성형물을 선택하는 단계; 및Selecting a preform containing a mixture of a fibrous material coated with a silicon-doped boron nitride film and a matrix constituent material comprising particles selected from the group consisting of carbon, silicon carbide and mixtures thereof; And 적어도 용융된 규소를 상기 예비성형물로 침윤시켜서 섬유상 물질로 보강된 고밀도 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체를 제조하는 단계를 포함하는, 섬유상 물질로 보강된 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체의 인성을 증가시키기 위한 방법.Infiltrating at least molten silicon with the preform to produce a high density silicon-silicon carbide matrix composite reinforced with fibrous material. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 섬유상 물질이 섬유, 필라멘트, 스트랜드, 번들(bundle), 위스커(whisker), 직물, 펠트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 방법.And wherein the fibrous material is selected from the group consisting of fibers, filaments, strands, bundles, whiskers, fabrics, felts, and combinations thereof. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 섬유상 물질이 연속상 또는 불연속상인 방법.The fibrous material is a continuous or discontinuous phase. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 섬유상 물질이 규소 탄화물을 함유하고, 이때 규소 탄화물이 코어 또는 지지체(substrate)를 감싸거나, 또는 규소 탄화물이 코어 또는 지지체인 방법.Wherein the fibrous material contains silicon carbide, wherein the silicon carbide surrounds the core or substrate, or the silicon carbide is the core or support. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 섬유상 물질이 규소-도핑된 붕소 질화물 피막, 및Silicon-doped boron nitride films with fibrous material, and 붕소 질화물; 탄소; 붕소, 크롬, 하프늄, 니오븀, 규소, 탄탈, 티탄, 바나듐, 지르코늄 및 이들의 혼합물의 탄화물; 하프늄, 니오븀, 규소, 탄탈, 티탄, 바나듐, 지르코늄 및 이들의 혼합물의 질화물; 하프늄 , 니오븀, 탄탈, 티탄, 바나듐, 지르코늄 및 이들의 혼합물의 붕소화물; 알루미늄, 이트륨, 티탄, 지르코늄, 베릴륨, 규소, 귀금속 및 이들의 혼합물의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 추가의 피막을 갖는 방법.Boron nitride; carbon; Carbides of boron, chromium, hafnium, niobium, silicon, tantalum, titanium, vanadium, zirconium and mixtures thereof; Nitrides of hafnium, niobium, silicon, tantalum, titanium, vanadium, zirconium and mixtures thereof; Borides of hafnium, niobium, tantalum, titanium, vanadium, zirconium and mixtures thereof; And a further coating selected from the group consisting of oxides of aluminum, yttrium, titanium, zirconium, beryllium, silicon, precious metals and mixtures thereof. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 추가의 피막이 붕소 질화물, 탄소, 규소 탄화물, 규소-도핑된 붕소 질화물, 규소 질화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 방법.And wherein the further coating is selected from the group consisting of boron nitride, carbon, silicon carbide, silicon-doped boron nitride, silicon nitride, and mixtures thereof. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 규소-도핑된 붕소 질화물 피막이 규소 약 5 내지 40중량%를 함유하는 방법.And wherein the silicon-doped boron nitride film contains about 5 to 40 weight percent silicon. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 규소-도핑된 붕소 질화물 피막이 규소 약 10 내지 25중량%를 함유하는 방법.And wherein the silicon-doped boron nitride film contains about 10 to 25 weight percent silicon. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 규소-도핑된 붕소 질화물 피막이 규소 약 11 내지 19중량%를 함유하는 방법.Wherein the silicon-doped boron nitride film contains about 11-19 weight percent silicon. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 혼합물중의 탄소가 원소성 탄소이고, 흑연, 입자, 플레이크, 위스커, 비결정성 섬유, 단결정 또는 다결정성 탄소, 탄소화 식물 섬유, 램프 블랙(lamp black), 미분된 석탄, 목탄, 탄소화 중합체 섬유, 펠트, 레이온, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아세틸렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 방법.The carbon in the mixture is elemental carbon, graphite, particles, flakes, whiskers, amorphous fibers, monocrystalline or polycrystalline carbon, carbonated plant fibers, lamp black, finely divided coal, charcoal, carbonized polymer fibers , Felt, rayon, polyacrylonitrile, polyacetylene and mixtures thereof. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 규소-규소 탄화물 복합체가 원소성 규소 상 및 규소 탄화물 상을 포함하는 고밀도 매트릭스, 및 약 20체적% 미만의 다공성을 갖는 방법.Wherein the silicon-silicon carbide composite has a high density matrix comprising an elemental silicon phase and a silicon carbide phase, and a porosity of less than about 20% by volume. 규소-규소 탄화물 매트릭스중에 규소-도핑된 붕소 질화물 피복된 섬유상 물질을 포함하는, 향상된 산화 및 휘발 내성을 갖는 섬유-보강된 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체.A fiber-reinforced silicon-silicon carbide matrix composite with improved oxidation and volatilization resistance comprising a silicon-doped boron nitride coated fibrous material in a silicon-silicon carbide matrix. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 섬유상 물질이 섬유, 필라멘트, 스트랜드, 번들, 위스커, 직물, 펠트 또는 이들의 조합을 포함하는 복합체.A composite in which the fibrous material comprises fibers, filaments, strands, bundles, whiskers, fabrics, felts or a combination thereof. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 섬유상 물질이 규소 탄화물을 함유하고, 이때 규소 탄화물이 코어 또는 지지체를 감싸거나, 또는 규소 탄화물이 코어 또는 지지체인 복합체.A composite in which the fibrous material contains silicon carbide, wherein silicon carbide surrounds the core or support, or silicon carbide is the core or support. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 규소-규소 탄화물 복합체가 원소성 규소 상 및 규소 탄화물 상을 포함하는 고밀도 매트릭스, 및 약 20체적% 미만의 다공성을 갖는 복합체.Wherein the silicon-silicon carbide composite has a high density matrix comprising an elemental silicon phase and a silicon carbide phase, and a composite having less than about 20 volume percent porosity. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 규소-도핑된 붕소 질화물 피막이 규소 약 5 내지 40중량%를 함유하는 복합체.The composite wherein the silicon-doped boron nitride film contains about 5 to 40 weight percent silicon. 제 16 항에 있어서,The method of claim 16, 규소-도핑된 붕소 질화물 피막이 규소 약 10 내지 25중량%를 함유하는 복합체.The composite wherein the silicon-doped boron nitride film contains about 10 to 25 weight percent silicon. 제 17 항에 있어서,The method of claim 17, 규소-도핑된 붕소 질화물 피막이 규소 약 11 내지 19중량%를 함유하는 복합체.The composite wherein the silicon-doped boron nitride film contains about 11 to 19 weight percent silicon. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 섬유상 물질이 규소-도핑된 붕소 질화물 피막, 및Silicon-doped boron nitride films with fibrous material, and 붕소 질화물; 탄소; 붕소, 크롬, 하프늄, 니오븀, 규소, 탄탈, 티탄, 바나듐, 지르코늄 및 이들의 혼합물의 탄화물; 하프늄, 니오븀, 규소, 탄탈, 티탄, 바나듐, 지르코늄 및 이들의 혼합물의 질화물; 하프늄 , 니오븀, 탄탈, 티탄, 바나듐, 지르코늄 및 이들의 혼합물의 붕소화물; 알루미늄, 이트륨, 티탄, 지르코늄, 베릴륨, 규소, 귀금속 및 이들의 혼합물의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 추가의 피막을 갖는 복합체.Boron nitride; carbon; Carbides of boron, chromium, hafnium, niobium, silicon, tantalum, titanium, vanadium, zirconium and mixtures thereof; Nitrides of hafnium, niobium, silicon, tantalum, titanium, vanadium, zirconium and mixtures thereof; Borides of hafnium, niobium, tantalum, titanium, vanadium, zirconium and mixtures thereof; A composite having an additional coating selected from the group consisting of oxides of aluminum, yttrium, titanium, zirconium, beryllium, silicon, precious metals and mixtures thereof. 원소성 규소 상, 규소 탄화물 상 및 피복된 섬유상 물질을 포함하는 세라믹 매트릭스 복합체로 이루어진 제품으로서, 상기 섬유상 물질이 하나 이상의 규소-도핑된 붕소 질화물 피막을 갖는, 엔진에서 사용하기 위한 제품.An article consisting of a ceramic matrix composite comprising an elemental silicon phase, a silicon carbide phase and a coated fibrous material, wherein the fibrous material has at least one silicon-doped boron nitride coating. 제 20 항에 있어서,The method of claim 20, 섬유상 물질이 섬유, 필라멘트, 스트랜드, 번들, 위스커, 직물, 펠트 또는 이들의 조합을 포함하는, 엔진에서 사용하기 위한 제품.An article for use in an engine, wherein the fibrous material comprises fibers, filaments, strands, bundles, whiskers, fabrics, felts, or a combination thereof. 제 20 항에 있어서,The method of claim 20, 섬유상 물질이 규소 탄화물을 함유하고, 이때 규소 탄화물이 코어 또는 지지체를 감싸거나, 또는 이때 규소 탄화물이 코어 또는 지지체인, 엔진에서 사용하기 위한 제품.An article for use in an engine wherein the fibrous material contains silicon carbide, wherein silicon carbide surrounds the core or support, or wherein silicon carbide is the core or support. 제 20 항에 있어서,The method of claim 20, 복합체가 고밀도 매트릭스 및 약 20체적% 미만의 다공성을 갖는, 엔진에서 사용하기 위한 제품.An article for use in an engine, wherein the composite has a high density matrix and less than about 20 volume percent porosity. 제 20 항에 있어서,The method of claim 20, 규소-도핑된 붕소 질화물 피막이 규소 약 5 내지 40중량%를 함유하는, 엔진에서 사용하기 위한 제품.A product for use in an engine, wherein the silicon-doped boron nitride film contains about 5 to 40 weight percent silicon. 제 24 항에 있어서,The method of claim 24, 규소-도핑된 붕소 질화물 피막이 규소 약 10 내지 25중량%를 함유하는, 엔진에서 사용하기 위한 제품.A product for use in an engine, wherein the silicon-doped boron nitride film contains about 10 to 25 weight percent silicon. 제 25 항에 있어서,The method of claim 25, 규소-도핑된 질화물 피막이 규소 약 11 내지 19중량%를 함유하는, 엔진에서 사용하기 위한 제품.An article for use in an engine, wherein the silicon-doped nitride film contains about 11-19 weight percent silicon. 제 20 항에 있어서,The method of claim 20, 섬유상 물질이 규소-도핑된 붕소 질화물 피막, 및Silicon-doped boron nitride films with fibrous material, and 붕소 질화물; 탄소; 붕소, 크롬, 하프늄, 니오븀, 규소, 탄탈, 티탄, 바나듐, 지르코늄 및 이들의 혼합물의 탄화물; 하프늄, 니오븀, 규소, 탄탈, 티탄, 바나듐, 지르코늄 및 이들의 혼합물의 질화물; 하프늄 , 니오븀, 탄탈, 티탄, 바나듐, 지르코늄 및 이들의 혼합물의 붕소화물; 알루미늄, 이트륨, 티탄, 지르코늄, 베릴륨, 규소, 귀금속 및 이들의 혼합물의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 추가의 피막을 갖는, 엔진에서 사용하기 위한 제품.Boron nitride; carbon; Carbides of boron, chromium, hafnium, niobium, silicon, tantalum, titanium, vanadium, zirconium and mixtures thereof; Nitrides of hafnium, niobium, silicon, tantalum, titanium, vanadium, zirconium and mixtures thereof; Borides of hafnium, niobium, tantalum, titanium, vanadium, zirconium and mixtures thereof; A product for use in an engine having an additional coating selected from the group consisting of oxides of aluminum, yttrium, titanium, zirconium, beryllium, silicon, precious metals and mixtures thereof. 규소 탄화물-함유 섬유상 물질상에 하나 이상의 규소-도핑된 붕소 질화물(B(Si)N) 피막을 침착시키는 단계(이때, 피막은 상기 섬유상 물질의 외면을 실질적으로 피복한다);Depositing at least one silicon-doped boron nitride (B (Si) N) coating on the silicon carbide-containing fibrous material, wherein the coating substantially covers the outer surface of the fibrous material; 탄소, 규소 탄화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 침윤-촉진 입자를 포함하는 미립자 물질을 상기 섬유상 물질과 혼합하는 단계;Mixing the particulate material with the fibrous material comprising infiltrating-promoting particles selected from the group consisting of carbon, silicon carbide and mixtures thereof; 상기 혼합물을 예비성형물로 성형하는 단계;Molding the mixture into a preform; 상기 예비성형물을 실질적으로 용융된 규소를 포함하는 침윤제로 침윤시키는 단계; 및Infiltrating the preform with a wetting agent comprising substantially molten silicon; And 상기 침윤된 예비성형물을 냉각시켜 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체를 제조하는 단계를 포함하고,Cooling the infiltrated preform to produce a silicon-silicon carbide matrix composite, 이때 상기 B(Si)N 피막중의 규소의 중량%는 약 5 내지 약 40중량%인, 산화 및 습식 환경에서 향상된 성질을 갖는 규소-규소 탄화물 매트릭스 복합체를 제조하는 방법.Wherein the weight percent of silicon in the B (Si) N coating is from about 5 to about 40 weight percent, the method of producing a silicon-silicon carbide matrix composite having improved properties in oxidative and wet environments.
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