JP2002274985A - 炭素系複合体、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐熱性、耐酸化性、耐摩耗性、耐熱衝撃性、
及び耐衝撃性等に優れ、かつ簡単な製造工程で、低コス
トで製造することができる炭素系複合体、及びその製造
方法を提供する。 【解決手段】 炭素系材料からなる基体と、珪素含有炭
素系材料からなる表層体とを備える炭素系複合材料であ
る。基体と表層体間に、表層体中の珪素成分の浸透を防
止する保護層を配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、炭素系複合体、
及びその製造方法に関する。より詳しくは、溶湯攪拌シ
ャフト又は金属板を熱処理する装置に用いられる搬送ロ
ーラ等、極めて高温下で用いられる部材に好適な炭素系
複合体、及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】 従来、金属溶湯の際に用いる溶湯攪拌
シャフトとしては、炭素粉末、窒化珪素、又は炭化珪素
等のセラミックスからなるものが用いられているが、耐
熱性、耐酸化性、耐衝撃性等の特性が充分でないことか
ら、約一週間単位という短期間で、極めて高温化で行わ
れる治具の交換を余儀なくされ、作業者の安全性、作業
効率等に関し問題が指摘されている。

【０００３】 また、従来、金属板等の熱処理装置に用
いられる搬送ローラとしては、炭素粉末又はステンレス
からなるものが用いられている。しかし、炭素粉末から
なる搬送ローラでは、耐摩耗性、耐衝撃性、及び耐酸化
性が不充分であることから、被搬送物との接触等による
損傷、酸素雰囲気下での焼失等の問題が指摘されてい
る。また、ステンレスからなる搬送ローラでは、耐熱性
が不充分であることから、使用中に変形するという問題
が指摘され、金属同士の擦れ合いによる凝着等を生ずる
ことから、被搬送物が損傷してしまうといった問題が指
摘されている。

【０００４】 このような状況下、近年、耐熱性、耐熱
衝撃性等に優れるとともに、従来、セラミックス固有の
欠点とされていた脆さをも克服した材料として、二次元
又は三次元方向に配列した炭素繊維の間隙に炭素からな
るマトリックスを形成してなるＣ／Ｃコンポジットが開
発されている。

【０００５】 しかし、このＣ／Ｃコンポジットは、炭
素材料を主成分とするため、酸素の存在下で高温に曝し
た場合には、容易に燃焼してしまうとともに、１０００
℃を超える温度で金属と接触すると金属と炭素とが固溶
体を形成し、製品品質を劣化させるという問題があり、
金属溶湯用治具や熱処理する金属板等を搬送するローラ
等へ適用することは事実上困難であった。

【０００６】 他方、このＣ／Ｃコンポジットに珪素を
含浸、拡散させて、二次元又は三次元方向に配列した炭
素繊維の間隙に、珪素若しくは珪素及び炭化珪素からな
るマトリックスを形成してなるＳｉ−ＳｉＣ系複合材
料、又は二次元又は三次元方向に配列した炭素繊維の間
隙に、炭化珪素からなるマトリックスを形成してなるＳ
ｉＣ系複合材料が開発されている。

【０００７】 これら複合材料は、材料の表層に炭化珪
素層を形成するため、酸素の存在下でも、耐熱性、耐熱
衝撃性に優れるとともに、耐摩耗性、強度、靭性、耐酸
化性等の点でも極めて優れた特性を有するものであり、
上述した金属溶湯用治具等の極めて過酷な状況で使用さ
れるものの材料として期待されるものである。

【０００８】 ところで、従来、金属板を熱処理する際
に用いる搬送用ローラ、アルミ溶湯攪拌シャフト等に上
述した複合材料を用いる場合には、低コストのカーボ
ン、若しくは黒鉛、又は耐熱衝撃性、耐衝撃性等に優れ
るＣ／Ｃコンポジット等の炭素系材料からなる芯材と、
耐酸化性、耐摩耗性等に優れるＳｉ−ＳｉＣ系複合材料
又はＳｉＣ系複合材料からなる円筒状の外周体とを組み
合わせた構造とすることが知られている。

【０００９】 しかし、従来、このような構造体を作製
するには、芯材と外周体とを別々に作製した後、外周体
の中空に芯材を嵌合する必要があった。

【０００１０】 これは、カーボン、黒鉛又はＣ／Ｃコ
ンポジットからなる芯材の周囲に、Ｃ／Ｃコンポジット
からなる外周前駆体を配設して一体化した後に、外周前
駆体に珪素を含浸、拡散させて、炭化珪素化して外周体
を製造すると、含浸、拡散させた珪素の一部が、芯材の
カーボン、黒鉛又はＣ／Ｃコンポジット中の炭素と反応
し、この際に反応熱が発生するため、芯材と外周体との
界面に熱膨張差による応力が発生して外周体が剥離又は
破壊してしまうからである。

【００１１】 また、Ｃ／Ｃコンポジットからなる芯材
とした場合には、外周前駆体に含浸、拡散させた珪素
が、芯材のＣ／Ｃコンポジットと反応して、Ｃ／Ｃコン
ポジット材料の優れた特性である耐熱衝撃性や耐衝撃性
を低下させてしまうという問題もあった。

【００１２】 その一方、芯材と外周体を別々に作製す
ると、芯材の外径に外周体の内径を合わせるために、焼
成の際に治具が必要となるばかりか、芯材の外径と外周
体の内径とを精密に合わせることが、実際上極めて困難
なため、外周体の作成後に、寸法合わせのための加工工
程が必要になるのが現状であった。この結果、従来の複
合材料では製造工程が煩雑となるばかりか製品コストが
高くなるため、芯材と外周体とを一体的に成形すること
ができる複合材料が強く望まれていた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】 本発明は、上述の問
題に鑑みてなされたものであり、耐熱性、耐酸化性、耐
摩耗性、耐熱衝撃性、及び耐衝撃性等に優れ、かつ簡単
な製造工程で、低コストで製造することができる炭素系
複合体、及びその製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】 本発明者は、上述の課
題を解決するべく鋭意研究した結果、炭素系材料からな
る基体と、珪素含有炭素系材料からなる表層体との間に
珪素の浸透を防止する保護層を設けることにより、上述
の課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成させ
た。

【００１５】 即ち、本発明によれば、炭素系材料から
なる基体と、珪素含有炭素系材料からなる表層体とを備
える炭素系複合体であって、該基体と該表層体との間
に、珪素成分の浸透を防止する保護層を配設したことを
特徴とする炭素系複合体が提供される。

【００１６】 本発明においては、基体を構成する炭素
系材料が、入手性、コスト面からカーボン、黒鉛が好ま
しい。一方、高強度、高靭性等の特性を求められる場合
は炭素繊維の繊維軸方向を制御した炭素繊維材料である
ことが好ましく、中でも、Ｃ／Ｃコンポジットが好まし
い。

【００１７】 また、表層体を構成する珪素含有炭素系
材料は、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料、ＳｉＣ系複合材料、
又は珪化金属含浸複合材料の少なくとも１種であること
が好ましい。

【００１８】 更に、保護層は、炭化硼素（Ｂ₄Ｃ）を
主成分とするものが好ましく、その厚さは、３０〜３０
０μｍであることが好ましく、１００〜２００μｍであ
ることがより好ましい。

【００１９】 本発明における用途としては、炭素系材
料からなる芯材と、この芯材の周囲に配設される珪素含
有炭素系材料からなる表層体とを備える、芯材と表層体
との間に、表層体中の珪素成分の浸透を防止する保護層
を配設した金属板等の熱処理装置用の搬送ローラ又はア
ルミ溶湯シャフトを挙げることができる。

【００２０】 他方、本発明によれば、炭素系材料から
なる基体の表面に、窒化硼素（ＢＮ）を主成分とする前
駆層を形成した後、前駆層を焼成により炭化硼素（Ｂ₄
Ｃ）を主成分とする保護層に変化させ、次いで、保護層
上に、炭素系材料からなる表層前駆体を配設した後、こ
の表層前駆体に珪素を含浸、拡散して珪素含有炭素系材
料からなる表層体を形成することを特徴とする炭素系複
合体の製造方法が提供される。

【００２１】 本発明の製造方法においては、基体を構
成する炭素系材料が、入手性、コスト面からカーボン、
黒鉛が好ましい。一方、曲げ強度、耐衝撃性等の特性を
求められる場合は繊維軸方向を制御した炭素繊維材料で
あることが好ましく、中でもＣ／Ｃコンポジットが好ま
しい。また、表層体を構成する珪素含有炭素系材料は、
Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料、ＳｉＣ系複合材料、又は珪化
金属含浸複合材料より選ばれる少なくとも１種の材料で
あることが好ましい。更に、保護層の厚さは、３０〜３
００μｍが好ましく、１００〜２００μｍがより好まし
い。

【００２２】 また、前駆層の形成は、窒化硼素（Ｂ
Ｎ）粉体を分散媒中に分散させた懸濁液を調製し、この
懸濁液を基体に塗布して行うことが好ましい。分散媒と
しては、水、アルコール等の有機溶媒が使用できるが、
作業性、安全性の面から水が好ましく、窒化硼素（Ｂ
Ｎ）粉体としては、平均粒径１〜２０μｍのものが好ま
しい。

【００２３】 また、窒化硼素（ＢＮ）層の形成を、窒
化硼素（ＢＮ）粉体を分散媒中に分散させた懸濁液を調
製し、この懸濁液を、基体を加熱しながら、基体に塗布
して行うことが効率的に反応防止層を形成する上で好ま
しい。また、前駆層を、焼成により炭化硼素（Ｂ₄Ｃ）
を主成分とする保護層に変化させる際には、その焼成温
度が、２０００℃以上であることが好ましく、不活性雰
囲気下で行うことが好ましい。

【００２４】

【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施形態につい
て具体的に説明する。 １．炭素系複合体 本発明の炭素系複合体は、炭素系材料からなる基体と、
炭化珪素系材料からなる表層体とを備え、基体と表層体
間に、表層体中の珪素成分の浸透を防止する保護層を配
設したものである。

【００２５】 これにより、炭素系材料からなる基体と
炭素系材料からなる表層前駆体とを一体化した状態で、
表層前駆体に珪素を含浸、拡散させて、珪素含有炭素複
合材料からなる表層体としても、表層体の破壊がなく、
曲げ強度、耐衝撃性等に優れる炭素系複合体を得ること
ができるため、基体と表層体とを別途作製することによ
る寸法合わせのための加工工程が不要となり、製造工程
の簡素化及び製品コストの低減化を図ることができる。

【００２６】 また、この複合材料では、酸素遮断性を
有する保護層を選択することにより、極めて高温化で
も、酸素と基体中の炭素との反応を完全に防止すること
ができるため、より高温化での耐衝撃性、曲げ強度、耐
摩耗性等の特性に優れる材料とすることができる。以
下、各構成要素毎に詳しく説明する。

【００２７】（１）基体 本発明において、基体は、炭素系材料により構成される
ものであり、ここでの炭素系材料には、炭素元素により
構成される材料全てが含まれるものである。

【００２８】 本発明は、上述のように、基体中の炭素
と表層体中の珪素の反応を防止することを特徴とするも
のであり、本発明では、珪素と反応し得る炭素を含有す
るものであれば同様の効果を期待できるからである。

【００２９】 炭素系材料としては、例えば、炭素粉
末、等方性黒鉛、炭素繊維複合材料を挙げることができ
るが、入手性、コストの面から炭素粉末が好ましい。一
方、その用途により、曲げ強度、耐衝撃性等の特性を求
められる場合は、炭素繊維の繊維軸を制御した炭素繊維
材料が好ましく、中でも、Ｃ／Ｃコンポジット材料が好
ましい。

【００３０】 ここで、Ｃ／Ｃコンポジット材料とは、
炭素繊維と炭素繊維以外の炭素とから構成され、炭素繊
維は、特定の直径、本数からなる炭素繊維束（ヤーン）
からなる積層構造を構成しており、炭素繊維以外の炭素
は、積層構造と積層構造との間の間隙にマトリックスを
構成している、特定積層構造とマトリックスの構造から
なる複合材料である。

【００３１】 本発明で用いられるＣ／Ｃコンポジット
としては、炭素繊維を１０〜７０％含有することが好ま
しい。また、炭素繊維以外の炭素成分は、炭素粉末であ
ることが好ましく、黒鉛化した炭素粉末であることがよ
り好ましい。

【００３２】 Ｃ／Ｃコンポジットは、直径が１０μｍ
前後の炭素繊維を、通常、数百本〜数万本束ねて繊維束
（ヤーン）を形成し、この繊維束を熱可塑性樹脂で被覆
して調製した柔軟性糸状中間材を得、これを特開平２−
８０６３９号公報に記載されている方法によりシート状
にし、このシート状としたものを二次元又は三次元方向
に配列して一方向シート（ＵＤシート）や各種クロスと
したり、また上記シートやクロスを積層したりすること
により、所定形状の予備成形体（繊維プリフォーム）を
形成し、予備成形体の繊維束の外周に形成されている有
機物からなる熱可塑性樹脂等の被膜を焼成して炭化除去
して得ることができる。この際、マトリックスは、炭素
繊維束を形成する際に、焼成後にマトリックスとして作
用する遊離炭素となるピッチ、コークス類を包含するバ
インダーと、必要に応じてフェノール樹脂粉末等を含有
させることによって形成することができる。尚、本明細
書において、参考の為に特開平２−８０６３９号公報の
記載を引用する。

【００３３】 また、別の方法として、数百本〜数万本
束ねて繊維束（ヤーン）を織り込み、織布状にしたクロ
スにフェノール樹脂を含浸したプリプレグを出発原料と
し、プレス成形法やシートワインディング法により所定
形状のＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）を成形
し、その後、乾燥・硬化を実施し、さらに樹脂を炭素に
かえる炭化処理を行うことにより得ることもできる。

【００３４】（２）表層体 本発明において、表層体は、前述の基体上に後述する保
護層を介して設けられるものであり、珪素含有炭素系材
料からなるものである。

【００３５】 表層体を構成する珪素含有炭素系材料と
しては、炭素成分を主成分とし、珪素成分を含有する材
料全てが含まれる。

【００３６】 本発明は、炭素系材料からなる表層前駆
体中に珪素を含浸させる際に、基体中の炭素と表層前駆
体中の珪素との反応を防止することを特徴とするもので
あり、珪素を含浸させる炭素系材料であれば同様の効果
を期待できるからである。

【００３７】 珪素含有炭素系材料としては、例えば、
炭素繊維材料を基本構成とする材料に珪素を含浸させた
材料を挙げることができるが、前述した基体の場合と同
様に、その用途により、曲げ強度、耐衝撃性等の特性を
求められる場合には、炭素繊維の繊維軸を制御した炭素
繊維材料を基本構成とする材料に珪素を含浸させた材料
が好ましく、中でも、前述したＣ／Ｃコンポジットを基
本構成とする材料に珪素を含浸、拡散させて得られるＳ
ｉ−ＳｉＣ系材料若しくはＳｉＣ系複合材料又はＣ／Ｃ
コンポジット等に種々の珪化金属を含有させる珪化金属
含有複合材料が好ましい。以下、これらの複合材料につ
いて説明する。

【００３８】 まず、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料とは、５
５質量％〜７５質量％の炭素と、１質量％〜１０質量％
の珪素と、１０質量％〜５０質量％の炭化珪素とから構
成され、少なくとも炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭素
成分とを含有するヤーンが層方向に配向しつつ三次元的
に組み合わされ、互いに分離しないように一体化されて
いるヤーン集合体と、このヤーン集合体中で隣り合う前
記ヤーンの間に充填されているＳｉ−ＳｉＣ系材料から
なるマトリックスとを備える複合材料をいう。

【００３９】 このＳｉ−ＳｉＣ系材料は、未反応の状
態で残存する珪素からなる珪素相からほぼ純粋な炭化珪
素に至るまでの、いくつかの相異なる相を有するもの総
てを含むものであり、典型的には珪素相と炭化珪素相か
らなるが、炭化珪素相には、珪素の含有量が傾斜的に変
化しているＳｉとＳｉＣとの共存相を有するものも含む
ものである。従って、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料とは、このよ
うにＳｉ−ＳｉＣ系列において、炭素の濃度として、０
〜５０ｍｏｌ％までの範囲以内で含まれている材料を総
称するものである。

【００４０】 このＳｉ−ＳｉＣ系複合材料では、ヤー
ンの表面から離れるにしたがって、珪素の含有比率が、
上昇する傾斜組成を有するマトリックスを有しているこ
とが好ましい。また、このＳｉ−ＳｉＣ系複合材料にお
いては、炭素繊維からなるヤーン集合体は、複数のヤー
ン配列体から構成されており、各ヤーン配列体はそれぞ
れ特定本数の炭素繊維を束ねて構成したヤーンをほぼ平
行に二次元的に配列することによって形成されており、
各ヤーン配列体が積層されることによってヤーン集合体
が構成されていることが好ましい。これによって、Ｓｉ
−ＳｉＣ系複合材料は、複数層のヤーン配列体を特定方
向に積層した積層構造を有することになる。

【００４１】 次に、ＳｉＣ系複合材料とは、炭化珪素
と炭素繊維と炭素繊維以外の炭素成分とから構成され、
骨格部と骨格部の周囲に形成されるマトリックスとから
なる構造を有する複合材料であって、炭化珪素の少なく
とも５０％はβ型で、骨格部は、炭素繊維と炭素繊維以
外の炭素成分により形成され、その骨格部の一部分には
炭化珪素が存在していてもよく、一方、マトリックス
は、炭化珪素により形成され、マトリックスと骨格部と
は一体的に形成されている複合材料をいう。

【００４２】 このＳｉＣ系複合材料は、骨格部とし
て、各炭素繊維束から構成されているＣ／Ｃコンポジッ
トを用いており、その一部にＳｉＣが形成されていて
も、各炭素繊維が、炭素繊維としての構造を、破壊され
ることなく保持することができ、炭化珪素化により短繊
維化することがないので、原料であるＣ／Ｃコンポジッ
トの有する機械的強度がほぼ保持されるか、炭化珪素化
により増大するという大きな特徴を有している。また、
ヤーン集合体中で隣り合うヤーンの間に、ＳｉＣ系材料
からなるマトリックスが形成されている点で、前述した
Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料とは異なる。尚、この材料は、
平成１１年２月９日付の出願に係る特願平１１−３１９
７９号明細書に開示された方法により製造することがで
き、参考の為に本明細書において、その記載を引用す
る。

【００４３】 更に、珪化金属含有複合材料とは、Ｃ／
Ｃコンポジットに、例えば、珪化チタン、珪化ジルコニ
ウム、珪化タンタル、珪化ニオブ、珪化クロム、珪化タ
ングステン又は珪化モリブデン等の珪化金属を少なくと
も一種含有させたもの（通常の含浸量：１〜５０重量
％）である。

【００４４】 以上、これらの複合材料は、耐摩耗性、
耐酸化性等に優れ、例えば、金属板等の熱処理装置用搬
送ローラ又は金属溶湯用治具等の材料としては極めて優
れた特性を有する。

【００４５】 尚、本発明における表層体は、複合体の
表面を構成することが可能なものではあるが、必要に応
じて、この表層体の上に、更にムライト、ジルコニア等
の層を形成することもできる。

【００４６】（３）保護層 本発明における保護層は、基体と表層体間に設けられ、
表層体中の珪素成分の浸透を防止するものである。

【００４７】 これにより、耐熱性、耐酸化性、耐摩耗
性、曲げ強度、及び耐衝撃性等に優れながらも、簡易、
かつ低コストで製造することが可能な炭素系複合体とす
ることができる。

【００４８】 本発明における保護層としては、例え
ば、炭化硼素、窒化珪素、硼酸ガラス、硼酸珪酸ガラ
ス、炭化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、窒化ア
ルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、又
はムライト等の少なくとも１種からなるものを挙げるこ
とができ、中でも、基体との密着性、高温での酸素遮断
性が高い点で、炭化硼素からなる保護層が好ましい。

【００４９】 尚、炭化硼素からなる保護層の酸素遮断
性は、構成材である炭化硼素が、酸素存在下で、５００
℃を超える温度となるとガラス化をおこし、酸化硼素
（Ｂ₂Ｏ₃）層を形成し、酸素遮断膜として機能すること
によるものである。

【００５０】 保護層の厚さは、用いる材料の特性に応
じて適宜好適な厚さとすればよく、例えば、炭化硼素か
らなる保護層とする場合は、３０〜３００μｍであるこ
とが好ましく、１００〜２００μｍであることがより好
ましい。

【００５１】 保護層が３０μｍより薄い場合は、珪素
の浸透を防止する効果が充分に得られないことがあり、
３００μｍより厚い場合は、保護層と基体との熱膨脹差
が増大して保護層が剥離する場合がある。

【００５２】 一方、本発明においては、このような保
護層の他、必要に応じて他の層を基体と表層体との間に
配設することができ、このような層としては、例えば、
ムライト、ジルコニアからなるものを挙げることができ
る。

【００５３】 以上、本発明における炭素系複合体につ
いて説明したが、このような炭素系複合体の特性を生か
したものとして、例えば、炭素系材料からなる芯材と、
この芯材の周囲に配設される珪素含有炭素系材料からな
る表層体とを備え、これら芯材と表層体との間に、表層
体中の珪素成分の浸透を防止する保護層を配設した金属
板等の熱処理装置用の搬送ローラ又はアルミ溶湯シャフ
ト等を挙げることができる。

【００５４】 これらは、耐衝撃性、曲げ強度等優れた
特性を有しながらも、従来のものより簡易かつ低コスト
で製造することができ、しかも、保護層を酸素遮断性の
ものを適用することで、酸素が存在する高温雰囲気下で
使用した場合でも、耐酸化性の向上により寿命を延長す
ることができるものである。

【００５５】２．製造方法 本発明の炭素系複合体の製造方法は、炭素系材料からな
る基体上に、窒化硼素（ＢＮ）を主成分とする前駆層を
形成し、前駆層を形成した基体を焼成して、前駆層を、
炭化硼素（Ｂ₄Ｃ）を主成分とする保護層に変化させ、
その後保護層上に、炭素系材料からなる表層前駆体を配
設し、表層前駆体に珪素を含浸、拡散させて珪素含有炭
素系材料からなる表層体を形成するものである。

【００５６】 これにより、炭素系材料からなる基体と
炭素系材料からなる表層前駆体とを一体化した状態で、
表層前駆体に珪素を含浸、拡散させて、珪素含有炭素複
合材料からなる表層体としても、基体中の炭素が珪素と
反応することがなく、表層体の破壊等を生じることがな
いあため、基体と表層前駆体とを最初から一体化した状
態で、優れた特性の炭素系複合体を製造することができ
る。この結果、基体と表層体とを別途作製することによ
る寸法合わせのための加工工程が不要となり、製造工程
の簡素化及び製造コストの低減化を達成することができ
る。

【００５７】 また、本発明によって形成される保護層
は、炭素系材料からなる基体、及び珪素含有炭素系材料
からなる表層体と極めて密着性に優れるため、更に、表
層体のクラックの発生又は剥離のない炭素系複合体とす
ることができる。

【００５８】 以下、各工程毎に詳細に説明する。本発
明の製造方法では、まず、炭素系材料からなる基体上
に、窒化硼素（ＢＮ）を主成分とする前駆層を形成す
る。基体を構成する炭素系材料については、本発明の炭
素系複合体で述べたものと同様であり、ここではその説
明を省略する。

【００５９】 窒化硼素（ＢＮ）を主成分とする前駆層
の形成は、例えば、ＣＶＤ法等の方法で行ってもよい
が、大掛かりな装置を必要とせず、大幅な作業の簡素化
及び製品のコストダウンが可能な点で、窒化硼素（Ｂ
Ｎ）粉体を分散媒中に分散させた懸濁液を、基体に塗布
して行うことが好ましい。

【００６０】 この際、懸濁液（スラリー）は、分散
媒：ＢＮ粉末（体積比）＝８０：２０〜７０：３０で配
合することが好ましい。この範囲であれば、懸濁液（ス
ラリー）中にＢＮ粒子を均一に分散させることができ、
塗布ムラ等を防止することができる。

【００６１】 また、窒化硼素（ＢＮ）粉体は、平均粒
径が１〜２０μｍ以下であることが好ましく、好ましく
は２〜１０μｍであることがより好ましい。

【００６２】 平均粒径が１μｍより小さいと、二次粒
子を形成しやすく、分散媒中への均一な分散が難しくな
るため、窒化硼素（ＢＮ）層にムラを生じて、その後得
られる保護層に隙間が発生し、性能が低下する場合があ
る。一方、２０μｍより大きいと、保護層内部の気孔
径、及び気孔率が大きくなるため、高温焼成により形成
された炭化硼素（Ｂ₄Ｃ）の保護層に隙間を生じ、その
性能が低下する場合がある。

【００６３】 更に、分散媒としては、水、エタノー
ル、キシレン等の有機溶媒を一種単独で又は二種以上を
組み合わせたものを挙げることができるが、安全性、作
業性の面から水が好ましい。

【００６４】 本発明では、次いで、上述した前駆層を
形成した基体を焼成して、前駆層を、炭化硼素（Ｂ
₄Ｃ）を主成分とする保護層に変化させる。

【００６５】 これは、前駆層中の窒化硼素（ＢＮ）
を、焼成により、基体中の炭素と反応させ、炭化硼素
（Ｂ₄Ｃ）を主成分とする保護層に変化させるものであ
り、密着性の高い保護層を簡易かつ確実に形成すること
ができるものである。

【００６６】 窒化硼素（ＢＮ）を主成分とする前駆層
を、炭化硼素（Ｂ₄Ｃ）を主成分とする保護層に変化さ
せる焼成は、窒化硼素（ＢＮ）層を形成した後、溶媒の
沸点付近で乾燥させた後に行うことが好ましい。また、
焼成条件としては、不活性ガス又は真空雰囲気下で、２
０００℃以上の温度で行うことが好ましく、２２００℃
以上の温度で行うことがより好ましい。

【００６７】 もっとも、本発明では、予め基体をこの
焼成温度で加熱した状態で、窒化硼素（ＢＮ）粉体を分
散媒中に分散させた懸濁液を、基体にスプレー塗布して
炭化硼素（Ｂ₄Ｃ）を主成分とする保護層を形成させる
方法も好ましい。この方法によれば、前駆層の形成、溶
媒の除去、及び窒化硼素（ＢＮ）の炭化硼素（Ｂ₄Ｃ）
への変換という一連の工程を一工程で行うことができる
ため、製造工程をより簡素化して製品コストをより低減
することができる。

【００６８】 本発明の製造方法では、次いで、得られ
た保護層上に、炭素系材料からなる表層前駆体をシート
ワインディング法等により配設し、一体成形した後、必
要に応じて炭化処理、黒鉛化処理等を実施し、更に表層
前駆体に、珪素を含浸、拡散させて炭化珪素系材料から
なる表層体を形成させる。

【００６９】 この際、表層前駆体に含浸、拡散させる
珪素は、前述した保護層により、基体中の炭素と反応す
ることが防止されるため、基体の炭化珪素化により反応
熱が発生することがなく、熱膨張による表層体の破壊を
防止することができる。

【００７０】 表層前駆体を構成する炭素系材料として
は、例えば、基体と同様のものを用いることができる。

【００７１】 また、表層前駆体に珪素を含浸、拡散さ
せる方法としては、珪素を含浸させて得る表層体を構成
する所望の材料に応じて適宜選択する必要があるが、こ
こでは、特に好ましい特性を有するものとして、表層体
を、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料又はＳｉＣ系複合材料によ
り構成させる場合について説明する。

【００７２】 Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料により構成させ
る場合では、まず、Ｃ／Ｃコンポジット材料からなる成
形体、又は焼成体と、珪素とを、１１００〜１４００℃
の温度域、炉内圧０．１〜１０ｈＰａで１時間以上保持
する。この際、成形体または焼成体と珪素の合計重量１
ｋｇ当たり０．１ＮＬ（ノルマルリットル：１２００
℃、圧力０．１ｈＰａの場合、５０６５リットルに相
当）以上の不活性ガスを流しつつ、成形体、又は焼成体
表面にＳｉＣ層を形成することが好ましい。

【００７３】 次いで、温度１４５０〜２５００℃、好
ましくは１７００〜１８００℃に昇温して、ＳｉＣ層を
形成した成形体、又は焼成体の開気孔内部へ珪素を溶
融、含浸させることにより、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料を
得ることができる。

【００７４】 詳細は、特願２０００−５１６８明細書
中に記載された方法の通りであり、本発明では、参考の
為、当該明細書中の記載を引用する。

【００７５】 一方、ＳｉＣ系複合材料により構成させ
る場合では、前述した条件で形成したＳｉ−ＳｉＣ系複
合材料を、炉内温度を一旦周囲環境温度（２０℃〜２５
℃）まで冷却するか、或いは、炉内温度をそのまま保持
しつつ、炉内圧力を約１気圧程度まで上げ、炉内温度を
２０００℃〜２８００℃、好ましくは、２１００℃〜２
５００℃まで上げて、場合によっては残存していること
もある珪素と、既に生成している炭化珪素とを、炭素繊
維と炭素繊維外の炭素成分中（一部黒鉛化した炭素を含
む遊離炭素と同義である）にまで拡散させ、これら炭素
と反応させることにより、ＳｉＣ系複合材料を得ること
ができる。

【００７６】 詳細は、平成１０年９月４日付の国際特
許出願（ＰＣＴ／ＪＰ９８／０４５２３）に係る国際公
開ＷＯ９９／１９２７３号公報に開示された方法の通り
であり、ここでは、参考の為、この公報を引用する。

【００７７】

【実施例】 以下、本発明を、実施例によりさらに詳し
く説明するが、本発明はその要旨を超えない限りこれら
の実施例によって何ら限定されるものではない。

【００７８】（実施例１）まず、芯材は、炭素粉末（東
海カーボン（株）社製）を、押出し成形して、７５ｍｍ
φ×８００ｍｍＬのものを作製した。

【００７９】 次に、窒化硼素粉末（平均粒径１０μ
ｍ、Ｈ．Ｃ．Starctk社製商品名：boron nitride grade
B50）２５質量％と、溶媒として水７５質量％とを混合
して懸濁液を得た。

【００８０】 次いで、得られた懸濁液を、炭素粉末か
らなる芯材を１５０℃に加熱しながら表面に塗布した
後、アルゴン（Ａｒ）雰囲気、大気圧で２２００℃で１
ｈｒ焼成することにより、芯材表面に炭化硼素（Ｂ
₄Ｃ）を主成分とする厚さ約１５０μｍの保護層を形成
した。

【００８１】 次いで、この保護層を形成した芯材に、
炭素繊維束を織り込み、織布状にしたクロス（東邦レー
ヨン（株）社製 商品名：カーボン繊維クロスＷ７１０
１）に、フェノール樹脂を含浸させたＣＦＲＰプリプレ
グからなる外周体を、シートワインディング法により、
厚さ５ｍｍ、幅７００ｍｍの範囲に巻きつけて、一体成
形し、大気中、１５０℃で、乾燥・硬化させた。

【００８２】 最後に、得られた成形体に、純度９９．
９％、平均粒径１ｍｍのＳｉ粉末を添加して焼成炉に入
れ、炉内温度１０００℃、大気圧下でアルゴンを流しな
がら炭化処理を実施し、その後炉内温度を１６００℃に
昇温させ、炉内圧力を１ｈＰａに保持して、珪素（Ｓ
ｉ）を含浸させ、炭素系複合体を得た。

【００８３】 得られた炭素系複合体を、肉眼により外
観観察を行ったところ、外周体の破壊や破壊につながる
クラック等もなく、良好な状態であった。また、焼成治
具が不要となり、更には加工工程が大幅に削減されたこ
とにより、芯材と外周体を個別に作製する方法に比較し
て、約０．７倍のコストで製作することが可能となっ
た。

【００８４】（比較例１）保護層の形成しないこと以外
は、実施例１と同様にして炭素系複合体を得た。得られ
た炭素系複合体を、肉眼により外観観察を行ったとこ
ろ、外周体が破壊されていた。

【００８５】

【発明の効果】 以上説明したように、本発明によれ
ば、耐熱性、耐酸化性、耐摩耗性、耐熱衝撃性、及び耐
衝撃性等に優れ、かつ簡単な製造工程で、低コストで製
造することができる炭素系複合体、及びその製造方法を
提供することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 位田 孝男 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 Ｆターム(参考） 4G032 AA04 AA14 AA42 AA52 BA02 GA08 GA11 GA12 GA19 GA20

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素系材料からなる基体と、珪素含有炭
   素系材料からなる表層体とを備える炭素系複合材料であ
   って、 該基体と該表層体間に、該表層体中の珪素成分の浸透を
   防止する保護層を配設したことを特徴とする炭素系複合
   体。
2. 【請求項２】 該基体を構成する炭素系材料が、炭素粉
   末、黒鉛、又はＣ／Ｃコンポジット材料の少なくとも１
   種である請求項１に記載の炭素系複合体。
3. 【請求項３】 該表層体を構成する珪素含有炭素系材料
   が、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料、ＳｉＣ系複合材料、又は
   珪化金属含浸複合材料の少なくとも１種である請求項１
   又は２に記載の炭素系複合体。
4. 【請求項４】 該保護層が、炭化硼素（Ｂ₄Ｃ）を主成
   分とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素系複
   合体。
5. 【請求項５】 該保護層の厚さが、３０〜３００μｍで
   ある請求項１〜４のいずれか一項に記載の炭素系複合
   体。
6. 【請求項６】 炭素系材料からなる芯材と、該芯材の周
   囲に配設される表層体と、該芯材と該表層体との間に配
   設され、珪素成分の浸透を防止する保護層とを備えるこ
   とを特徴とする熱処理装置用搬送ローラ又はアルミ溶湯
   シャフト。
7. 【請求項７】 炭素系材料からなる基体上に、窒化硼素
   （ＢＮ）を主成分とする前駆層を形成し、該前駆層を形
   成した該基体を焼成して、該前駆層を、炭化硼素（Ｂ₄
   Ｃ）を主成分とする保護層に変化させ、該保護層上に、
   炭素系材料からなる表層前駆体を配設し、該表層前駆体
   に珪素を含浸、拡散させて珪素含有炭素系材料からなる
   表層体を形成することを特徴とする炭素系複合体の製造
   方法。
8. 【請求項８】 該炭素系材料が、炭素粉末、黒鉛、又は
   Ｃ／Ｃコンポジット材料の少なくとも１種である請求項
   ７に記載の炭素系複合体の製造方法。
9. 【請求項９】 該珪素含有炭素系材料が、Ｓｉ−ＳｉＣ
   系複合材料、ＳｉＣ系複合材料、又は珪化金属含浸複合
   材料のいずれか１種である請求項７又は８に記載の炭素
   系複合体の製造方法。
10. 【請求項１０】 該保護層の厚さが、３０〜３００μｍ
    である請求項７〜９のいずれか一項に記載の炭素系複合
    体の製造方法。
11. 【請求項１１】 該前駆層の形成を、窒化硼素（ＢＮ）
    粉体を分散媒中に分散させた懸濁液を調製し、該懸濁液
    を該基体に塗布して行う請求項７〜１０のいずれか一項
    に記載の炭素系複合体の製造方法。
12. 【請求項１２】 該保護層の形成を、該基体を加熱しな
    がら、窒化硼素（ＢＮ）粉体を分散媒中に分散させた懸
    濁液を、該基体に塗布して行う請求項７〜１１のいずれ
    か一項に記載の炭素系複合体の製造方法。
13. 【請求項１３】 該前駆層を形成した該基体の焼成
    を、２０００℃以上の温度で行う請求項７〜１２のいず
    れか一項に記載の炭素系複合体の製造方法。