JP3065421B2 - コーディエライト質複合材料 - Google Patents

コーディエライト質複合材料

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JP3065421B2 JP4042437A JP4243792A JP3065421B2 JP 3065421 B2 JP3065421 B2 JP 3065421B2 JP 4042437 A JP4042437 A JP 4042437A JP 4243792 A JP4243792 A JP 4243792A JP 3065421 B2 JP3065421 B2 JP 3065421B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はコーディエライト質複合
材料、特に高温での強度が高く、クリープ特性の優れた
コーディエライト質複合材料に関する。
【0002】
【従来の技術】コーディエライトは広い温度範囲にわた
って低い熱膨張率を有しており、優れた耐熱衝撃性と耐
熱性を有する材料として知られている。しかし最近の自
動車エンジン周りの用途では高温での更に優れたクリー
プ特性や耐衝撃性が求められている。
【0003】その代表例として排ガス浄化に用いられて
いるモノリシックコーディエライトは、その強度や耐熱
衝撃性の改善が種々行われている。例えば、強度や耐熱
衝撃性の向上を目的として、コーディエライトに長さ2
0μm程度の単結晶の炭化珪素ウイスカーを複合させる
方法(特開昭62−256776号公報参照)や、炭化
珪素の長繊維を複合させる方法(Ceram.Eng.
Sci.Press.10,1231(1989)参
照)等がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前者の方法は強度や耐
熱衝撃性を改善する程度が小さく、しかも成形時に分散
が悪く欠陥となりやすいとともに、炭化珪素が細かいウ
イスカーのため、酸化性雰囲気中での焼成で損傷を受け
やすい等の問題があった。他方、後者の方法では靭性や
強度の向上は期待されるものの、これには方向性があ
り、その製法も特殊なものであるため、複雑形状の製
造はかなりの制限を受ける欠点があった。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者はこれら従来法
が有している諸欠点を克服し、高温で強度が高く、クリ
ープ特性の優れたコーディエライト質複合材料を得るこ
とを目的として種々研究、検討した結果、コーディエラ
イト質マトリックスに特定の形状の炭化珪素を特定量含
有させることにより前記目的を達成し得ることを見出し
た。
【0006】かくして本発明は、コーディエライト質マ
トリックス状炭化珪素とを含有し、両者の合量に対
する板状炭化珪素の含有量が5〜40重量%であること
を特徴とするコーディエライト質複合材料を提供する。
【0007】本発明において、コーディエライト質マト
リックスはコーディエライトのみでもよいが、主として
コーディエライトとソーダ長石等の低融点の無機系焼結
助剤とから成っている。コーディエライトは後述する
炭化珪素を含むコーディエライト質複合材料中60〜
95重量%であるのが好適である。
【0008】コーディエライトの含有量が60重量%
満たない場合にはコーディエライトの特性である低熱膨
張性が失われ、逆に95重量%を超える場合には炭化珪
素の複合による高強度化の効果が薄れる虞れがあるので
好ましくない。そしてコーディエライト質複合材料中の
コーディエライト含有量として70〜85重量%を採用
すると低熱膨張性を有したまま、高靭性で、高強度が得
られるので特に好ましい。
【0009】次にコーディエライト質マトリックス中の
コーディエライト以外の例えば焼結助剤等の成分は前記
表示に従って0〜50重量%を採用するのが適当であ
る。使用量が前記範囲を超える場合には低熱膨張性が失
われる結果となるので好ましくない。そしてこれら範囲
のうち、前記表示に従って20〜30重量%を採用する
と優れた低熱膨張性が保持できるので特に好ましい。
【0010】本発明においては板状炭化珪素の含有量が
コーディエライト質マトリックスと板状炭化珪素との合
量に対し5〜40重量%であることが必要である。板状
炭化珪素の含有量が5重量%に満たない場合には強度及
びクリープ特性の向上が不分となり、逆に40重量%
を超える場合には低熱膨張性が失われ、焼結が阻害され
るのでいずれも不適当である。
【0011】上記含有量として15〜30重量%を採用
する場合には強度、クリープ特性が優れ、かつ分低熱
膨張となるので特に好ましい。本発明において用いられ
板状炭化珪素としては、粒子の形態のものであり直径
が3〜100μmであってかつ直径/厚さの比が5〜3
0の円盤状粒子であるものが好ましい。
【0012】このような板状炭化珪素を採用すると、ウ
イスカーに代表されるような混合のしにくさや非酸化性
雰囲気を用いる必要もなく、分な強度と高いクリープ
特性をもたせ得る。
【0013】板状炭化珪素の直径が3μmに満たない場
合には焼成中に酸化消失が生じ、逆に100μmを超え
る場合には強度が低下するのでいずれも好ましくない。
【0014】なかでも直径が5〜50μmの板状炭化珪
を採用すると、強度、靭性の向上が得られ、かつ、酸
化の影響がないので特に好ましい。
【0015】直径/厚さの比がに満たない場合には、
強度、靭性の向上が不分となり、逆に30を超える場
合には均一な混合、成形が困難となるのでいずれも好ま
しくない。
【0016】なかでも直径/厚さの比が10〜20であ
る板状炭化珪素を採用すると、混合、成形に問題もな
く、かつ、強度、靭性が分に向上するので特に好まし
い。
【0017】本発明において用いられる板状炭化珪
、例えばアチソン法により合成できる。即ち、一対の
固定電極間に黒鉛粉を棒状に詰め、その周囲に珪石(シ
リカ)とコークス(炭素)を配合した原料をセットす
る。
【0018】これに通電して黒鉛粉のコア部に発生する
ジュール熱により温度上昇させ、シリカの還元炭化を
進め、炭化珪素を得る。このときの通電の仕方によって
得られる板状炭化珪素の直径及び厚さを制御する。
【0019】また、コーディエライト質マトリック
、例えば0.5〜20μmのシリカ、アルミナ、マグ
ネシア等のコーディエライト原料を用いてこれらを所定
量混合し、更に所望により、ソーダ長石、灰長石はカ
リ長石等の低融点の助剤を用いて温度1300〜140
0℃で1〜5時間程度焼結せしめたものを粉砕して得ら
れる粒子から形成される。そしてその性状としては、気
孔率が実質的に0%の緻密なものから、気孔率が50%
程度の多孔性のものまで任意に使用し得る。
【0020】かくして得られた板状炭化珪素とコーディ
エライト質マトリックスを形成する粒子は混合され、焼
結される。混合は例えば加圧式混練機等の混合機を用
い、混合されるが、板状炭化珪素は破壊されることなく
原形を保持している。
【0021】コーディエライト質マトリックスを形成す
る粒子の粒径は3〜100μm程度を採用するのが適当
である。粒径が3μmに満たない場合には炭化珪素の均
一な混合が困難となり、逆に100μmを超える場合に
は混合成形が困難となる虞れがあるのでいずれも好ま
しくない。そしてこれら範囲のうち、5〜20μmを採
用すると混合、成形が容易で均一な複合体が得られるの
で特に好ましい。
【0022】混合されたコーディエライト質マトリック
を形成する粒子と板状炭化珪素は温度1200〜14
00℃で1〜5時間焼成される。焼成温度と焼成時間が
前記範囲に満たないとコーディエライト質マトリックス
を形成する粒子と板状炭化珪素の結合が不分で低強度
となり、逆に焼成温度と焼成時間が前記範囲を超えると
コーディエライト質マトリックスを形成する粒子と板状
炭化珪素の結合が進みすぎ複合化の効果が消えるので
れも好ましくない。
【0023】そしてこれら範囲のうち、焼成温度130
0〜1400℃、焼成時間1〜5時間を採用するとコー
ディエライト質マトリックスを形成する粒子と板状炭化
珪素が適度に結合し、複合化の効果が現れやすいので特
に好ましい。なお、焼成は普通空気中で行われるが、所
望により非酸化性雰囲気で行ってもい。
【0024】また、コーディエライトマトリックス
形成する粒子はコーディエライトと焼結助剤等の他の成
分から成るが、これは板状炭化珪素と混合する前に焼
ておいてもよく、板状炭化珪素と混合するときにコー
ディエライトと焼結助剤等の他の成分とを加えてから
成してもい。
【0025】
【実施例】実施例1 平均粒径1μmのアルミナ37重量%、平均粒径5μm
のシリカ48重量%、平均粒径5μmのマグネシア15
重量%を混合し、これを電気炉中で電融してコーディエ
ライトを合成した。これを粉砕機で粉砕し、平均粒径1
00μmのコー ディエライト粒子を得た。合成コーディ
エライトの一部は更に粉砕して平均粒径20μmのコー
ディエライト粒子とした。
【0026】そして前記平均粒径100μmのコーディ
エライト粒子35重量%と平均粒径20μmのコーディ
エライト粒子5重量%と平均粒径100μmのソーダ長
石5重量%及び結合剤としてメチルセルロース7.5重
量%に水を加えてよく混合し、乾燥後さらに解砕するこ
とにより、コーディエライトマトリックスを形成する
粒子を調製した
【0027】このコーディエライト質マトリックスを形
成する粒子に市販の板状炭化珪素(カナダ、C−Axi
s Technology社製平均粒径17μm、
径/厚さの比10)を板状炭化珪素とコーディエライト
マトリックスを形成する粒子の合量に対し10重量
合し、回転式混合機を用いて分に混合分散させ
た。
【0028】次いで水26重量%を添加し、加圧型混練
機によって混練後、プランジャー型押し出し機によって
直径20mm、長さ100mmの押し出し物を得た。こ
れを50℃で10時間乾燥後、1300℃で5時間大気
中において焼成してコーディエライト質複合材料を得
た。
【0029】得られた試料について室温と1100℃の
曲げ強度試験及び熱衝撃試験(△T)をった。室温で
の曲げ強度は390kg/cm 2 、1100℃での曲げ
強度は208kg/cm 2 、△Tは600℃であった。
【0030】実施例2 実施例1において、板状炭化珪素とコーディエライト
マトリックスを形成する粒子の合量に対して板状炭化珪
素を40重量%混合した他は実施例1と同様にして、
し出し、焼成して得たコーディエライト質複合材料の室
温での曲げ強度は305kg/cm 2 、1100℃での
曲げ強度は264kg/cm 2 、△Tは 650℃であっ
た。
【0031】実施例3 実施例1で得た合成コーディエライトを更に粉砕し、平
均粒径3μmのコーディエライト粒子とした。そして前
記平均粒径3μmのコーディエライト粒子75重量%
結合剤として濃度10重量%のPVA水溶液5重量
%と、実施例1で用いた板状炭化珪素のうち特に平均直
径5μm、直径/厚さの比10の板状炭化珪素20重量
とを混合し、ボールミルを用いて分混合分散させ
た。
【0032】次いで200×100×10mmの型に振
動充填した後、2t/cm2 でラバープレスを行い、成
形体とした。前記成形体を1400℃で5時間空気中で
焼成して得たコーディエライト質複合材料の室温での曲
げ強度は1100kg/cm 2 、1100℃での曲げ強
度は1100kg/cm 2 、△Tは650℃であった。
【0033】実施例4前記平均粒径3μmの コーディエライト粒子を75重量
%から60重量%に変更し、平均直径5μm、直径/厚
さの比10の板状炭化珪素を20重量%から35重量%
に変更した他は実施例3と同様にして成形焼成したコ
ーディエライト質複合材料の室温での曲げ強度は840
kg/cm 2 、1100℃での曲げ強度は900kg/
cm 2 、△Tは700℃であった。
【0034】
【発明の効果】本発明によると板状炭化珪素を存在させ
ることにより、コーディエライト質複合材料の強度及び
クリープ特性を改善することができる。また、炭化珪素
は板状であるため、押し出しや一方向プレスを行う場
合、圧縮方向の抵抗を下げるため、面を一方向にそろえ
る傾向を示し、これによりランダムに複合したものに比
べて著しく破壊に対する抵抗を増す効果を有する。特に
フィルター等の薄肉の場合その効果は著しい。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】コーディエライト質マトリックス状炭
    化珪素とを含有し、両者の合量に対する板状炭化珪素の
    含有量が5〜40重量%であることを特徴とするコーデ
    ィエライト質複合材料。
  2. 【請求項2】板状炭化珪素は直径が3〜100μmで
    あり直径/厚さの比が5〜30の円盤状である請求項1
    に記載のコーディエライト質複合材料。
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