JPH05213665A - 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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JPH05213665A
JPH05213665A JP4042437A JP4243792A JPH05213665A JP H05213665 A JPH05213665 A JP H05213665A JP 4042437 A JP4042437 A JP 4042437A JP 4243792 A JP4243792 A JP 4243792A JP H05213665 A JPH05213665 A JP H05213665A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】コーディエライトの強度及びクリープ特性を改
善する。 【構成】コーディエライトマトリックスに板状の炭化珪
素を両者の合量に対し5〜40重量%存在させる。

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も知られている。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20
μm 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.
Vol. 10, No9〜10 1231 〜1243 (1989) 参照)等があ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前者の手段は強度や耐
熱衝撃性を改善する程度が小さく、しかも成形時に分散
が悪く欠陥となり易いとともに、炭化珪素が細かいウイ
スカーの為、酸化性雰囲気中での焼成で損傷を受け易い
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
トリックス中に板状の炭化珪素を両者の合量に対して 5
〜40重量%存在せしめた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にある。
【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結合
助剤とから成っている。このうちコーディエライトは後
述する炭化珪素を含む全コーディエライト質マトリック
スに対して60〜95重量%を採用するのが適当である。
【0008】コーディエライトの使用量が前記範囲に満
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、逆に前記範囲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。そしてこれら範囲のうちで前記表示に従って
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】本発明においてコーディエライト質マトリ
ックス中には板状の炭化珪素を前記マトリックスと炭化
珪素の総量に対し 5〜40重量%用いることが必要であ
る。炭化珪素の使用量が前記範囲に満たない場合には強
度及びクリープ特性の向上が不十分となり、逆に前記範
囲を超える場合には低熱膨張性が失われ、焼結が阻害さ
れるので何れも不適当である。
【0011】そしてこれら範囲のうち、前記表示に従っ
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、かつ十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る炭化珪素は、板状の形態のも
のであり、具体的には、直径が 3〜100 μm であってア
スペクト比(直径/厚さの比)が 5〜30の円盤状である
のが好ましい。
【0012】この様な形態を採用すると、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、十分な強度と高いクリープ特性をもた
せ得る。
【0013】板状の炭化珪素の直径が前記範囲に満たな
い場合には、焼成中に酸化消失が生じ、逆に前記範囲を
超える場合には強度が低下するので何れも好ましくな
い。
【0014】そしてこれらの範囲のうち、直径が 5〜50
μm 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】アスペクト比が前記範囲に満たない場合に
は、強度、靭性の向上が不十分となり、逆に前記範囲を
超える場合には均一な混合、成形が困難となるので何れ
も好ましくない。
【0016】そしてこれら範囲のうちアスペクト比(直
径/厚さの比)が10〜20を採用すると、混合、成形に問
題もなく、かつ、強度、靭性が十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の炭化珪素
の合成方法としては、例えば Ache-son 法により得るこ
とが出来る。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をし、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
られる板状の炭化珪素の直径及びアスペクト比を制御す
る。
【0019】また、コーディエライト質マトリックスの
合成法としては、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
石またはカリ長石等の低融点の助剤を用いて温度1300〜
1400℃で 1〜5 時間程度焼結せしめたものを適宜用い得
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迄任
意に使用し得る。
【0020】かくして得られた板状の炭化珪素とコーデ
ィエライト質マトリックスは混合され、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、板状の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の粒径は
3〜100 μm 程度を採用するのが適当である。粒径が前
記範囲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、逆に前記範囲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何れも好ましくない。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
スと板状の炭化珪素は温度1200〜1400℃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粒子と板状炭化珪素の結合が不十分
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何れも好ましくな
い。
【0023】そしてこれら範囲のうち、焼成温度1300〜
1400℃、焼成時間 1〜5 時間を採用するとコーディエラ
イトと炭化珪素が適度に結合し、複合化の効果が現れ易
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差し支えな
い。
【0024】また、コーディエライトマトリックスはコ
ーディエライトと焼結助剤等の他の成分から成るが、こ
れは板状の炭化珪素と混合する前に焼成してマトリック
スにしておいてもよく、或は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板状の炭化
珪素とを混合して焼成してもいずれでも差し支えない。
【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 100μm
の粉砕品を得た。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 の粉砕品とした。
【0026】そして前記平均粒径 100μm の粉砕品35重
量%と平均粒径20μm の粉砕品 5重量%と平均粒径 100
μm 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%をよく混合し、乾燥することにより、
コーディエライトマトリックスを合成した。
【0027】次に市販の板状炭化珪素(カナダ,C-Axis
Technology 社製 平均粒径17μm、アスペクト比10)を
炭化珪素とコーディエライトマトリックスの合量に対し
10重量%、前記乾燥したコーディエライトマトリックス
に混合し、回転式混合機を用いて十分に混合分散させ
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)を測定した結果は次の
様であった。
【0030】実施例2 実施例1で用いたコーディエライトマトリックスに実施
例1で用いた板状炭化珪素を40重量%混合し、実施例1
と同様に押し出し、焼成したコーディエライト質複合材
料を実施例1と同様に測定した結果は次の様であった。
【0031】実施例3 実施例1で作製した電融コーディエライトを更に粉砕
し、平均粒径 3μm の粉砕品とした。そして前記平均粒
径 3μm の粉砕品75重量%と結合剤として濃度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 、アスペクト比10の炭化
珪素を20重量%混合し、ボールミルを用いて十分混合分
散させた。
【0032】次いで 200×100 ×10 mm 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コーデ
ィエライト質複合材料を得た。得られた前記材料につい
ての室温と1100℃の曲げ強度試験及び熱衝撃試験(△
T)の結果は以下の様であった。
【0033】実施例4 実施例3で合成したコーディエライトマトリックス60重
量%に実施例1で用いた炭化珪素のうち、特に平均直径
5μm 、アスペクト比10の炭化珪素40重量%を混合し、
実施例3と同様に成形焼成したコーディエライト質複合
材料について実施例3と同様に測定した。
【0034】
【発明の効果】本発明によるとコーディエライトマトリ
ックスに板状の炭化珪素を存在させることにより、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 (3)

    【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に板状の
    炭化珪素を両者の合量に対して 5〜40重量%存在せしめ
    た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】コーディエライト質複合材料中のコーディ
    エライトは、60〜95重量%である請求項1のコーディエ
    ライト質複合材料。
  3. 【請求項3】板状の炭化珪素は直径が 3〜50μm でアス
    ペクト比(直径/厚さの比)が 5〜30の円盤状である請
    求項1のコーディエライト質複合材料。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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