JPH06116036A - 繊維強化炭化けい素セラミックス及びその製造方法 - Google Patents

繊維強化炭化けい素セラミックス及びその製造方法

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JPH06116036A
JPH06116036A JP4285359A JP28535992A JPH06116036A JP H06116036 A JPH06116036 A JP H06116036A JP 4285359 A JP4285359 A JP 4285359A JP 28535992 A JP28535992 A JP 28535992A JP H06116036 A JPH06116036 A JP H06116036A
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silicon carbide
short fibers
ceramics
matrix
fiber
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JP4285359A
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Kaoru Miyahara
薫 宮原
Tadashi Sasa
正 佐々
Yuji Sekiya
裕次 関谷
Takashi Onami
隆志 大浪
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IHI Corp
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IHI Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い強度と靭性を有する繊維強化炭化けい素
セラミックスを得る。 【構成】 炭化けい素短繊維2の表面に、セラミックス
からなる易変形材3を0.05〜0.15μm望ましく
は炭化けい素短繊維2の表面粗さと同程度から表面粗さ
の3倍程度の厚みでコーティングしたコーティング済炭
化けい素短繊維を、炭化けい素のマトリックス1中に分
散させた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン部品、デ
ィーゼル部品等、高温または腐食、摩耗性環境で使用さ
れる炭化けい素セラミックスに係り、特に強度と靭性を
与えるべく炭化けい素短繊維を加えた繊維強化炭化けい
素セラミックス及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】エネルギー、素材、輸送等の分野で、ガ
スタービン部品、ディーゼルエンジン部品、過給機部
品、熱交換器部品等高温または腐食、摩耗性環境で、強
度と靭性を必要とされる機械構造部品には炭化けい素セ
ラミックスの使用が期待されている。
【0003】一般にセラミックス材料は、靭性が低いこ
とが欠点とされ、このためセラミックスの靭性強化の最
も有望な方法として繊維強化、特に短繊維による強化が
研究されている。
【0004】従来、この強化方法は、セラミックスの粉
と短繊維とをそのまま混合した後、加圧焼結を行って繊
維強化セラミックスとしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、混合や
成形等の工程で、短繊維の表面が傷つき易く、強化の効
果が低減し易い。またセラミックス粉からなるマトリッ
クスを焼結させるため、成形体を高温で処理する際、短
繊維の表面が雰囲気と反応したり、変質したりし易い問
題がある。
【0006】さらに緻密化の際に短繊維とセラミックス
粉が直接接触しているため、その界面が強固に接合して
しまい、マトリックスの破壊の際に、図5に破断面を示
すようにマトリックス1と炭化けい素短繊維2が共に一
体となって破壊してしまい易く、短繊維によるマトリッ
クスの強化の効果が少ない。
【0007】本発明は上記実情に鑑みてなしたもので、
混合、成形、焼結等の工程でセラミックス短繊維の表面
を損傷から保護し、かつマトリックスと短繊維とが直接
強固に接合することを防ぎ、高い強度と靭性を保持する
ことができる繊維強化炭化けい素セラミックス及びその
製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、炭化けい素短
繊維の表面に、セラミックスからなる易変形材を0.0
5〜0.15μm望ましくは炭化けい素短繊維の表面粗
さと同程度から表面粗さの3倍程度の厚みでコーティン
グしたコーティング済炭化けい素短繊維を、炭化けい素
のマトリックス中に分散させて成ることを特徴とする繊
維強化炭化けい素セラミックス、及び炭化けい素短繊維
をコーティングする易変形材が、ほう素の窒化物又は炭
化物、ベリリウムの酸化物、アルミニウムの酸化物又は
窒化物、けい素の酸化物又は窒化物、炭素、IV族、V
族、VI族遷移金属の炭化物、窒化物又は酸化物の中か
ら選ばれたものよりなる繊維強化炭化けい素セラミック
ス、及び炭化けい素短繊維の表面に、セラミックスから
なる易変形材を0.05〜0.15μm望ましくは炭化
けい素短繊維の表面粗さと同程度から表面粗さの3倍程
度の厚みでコーティングし、該コーティングした炭化け
い素短繊維と炭化けい素粉とを混合した後、所定の形状
に成形し、その後成形体を緻密化することを特徴とする
繊維強化炭化けい素セラミックスの製造方法、に係るも
のである。
【0009】
【作用】炭化けい素短繊維の表面に易変形材をコーティ
ングしているため、その易変形材で短繊維が保護され、
混合・成形時に短繊維が損傷されることがなく、また易
変形材によるコーティングの厚みを0.05〜0.15
μm望ましくは炭化けい素短繊維の表面粗さと同程度か
ら表面粗さの3倍程度としているので、炭化けい素短繊
維とマトリックスとの界面に有効な境界層が形成される
ことにより、直接強固な接合を起こすことがなく、マト
リックスの破壊の際に、この境界層によって亀裂の停止
・反射・分岐等の現象が起こって繊維が容易に破断しな
い。
【0010】セラミックス短繊維は、マトリックスと類
似のセラミックスの単結晶からなるウィスカーを用いる
ことが、強度及び熱的化学的安定性の点から望ましい。
このセラミックス短繊維は、マトリックスと同等または
それ以上の高い弾性率を有し、応力が負荷された時に、
できるだけマトリックスの負荷を低減できるものが望ま
しい。またマトリックスの緻密化の工程等で熱的に安定
であることが必要である。
【0011】従って、炭化けい素(SiC)を主成分と
するマトリックスに対しては、炭化けい素ウィスカーか
らなる短繊維を使用する。
【0012】この炭化けい素短繊維を、他のセラミック
スでコーティングし、これをマトリックスに分散させ
て、このコーティング層により短繊維とマトリックスと
の間に境界層を形成させる。このコーティング用のセラ
ミックスは、マトリックスを緻密化させる段階で、セラ
ミックス短繊維ともマトリックスとも化学的な反応をあ
まり起こさず、熱的にも安定に存在するものがよい。ま
たコーティング用のセラミックスは、マトリックスと短
繊維との直接の接合を防ぎ、その界面自体の剪断強度
を、マトリックス及び短繊維自体の強度よりも低いもの
にし、マトリックスに亀裂が入るような負荷条件下で
は、短繊維との界面で亀裂を停止または反転、分岐させ
たりあるいはマトリックスと短繊維とを剥離させて、短
繊維のマトリックスの中からの引き抜きを可能とする。
【0013】この炭化けい素短繊維へのセラミックスの
コーティング方法としては、無機気体化合物の熱化学反
応等によりセラミックスを生成させるCVD法(Che
mical Vapor Deposition法)、
液体またはコロイド溶液状の無機化合物あるいは無機高
分子から化学反応によりセラミックスを生成させるゾル
ゲル法等、あるいはセラミックス固体を直接気体化させ
た後、コーティングを形成させるPVD(Physic
al Vapor Deposition)法等を用い
る。
【0014】セラミックスコーティングを行った炭化け
い素短繊維を、炭化けい素のマトリックスに分散させる
方法は、まずコーティングした短繊維とマトリックスと
なる炭化けい素セラミックスの原料粉とを混合する。こ
の混合は、乾式で行ってもよいが、水溶液、非水溶液、
溶融ワックス、溶融樹脂等の液体中で必要により分散剤
を添加して行うようにしてもよい。
【0015】この混合物は、泥漿鋳込成形、射出成形、
押出成形、静水圧プレス成形等の方法によって使用部品
に応じた所定の形状に成形する。
【0016】その後、この成形体を緻密化させる。この
緻密化の方法としては、焼結法、特にHIP法(熱間等
方圧プレス法)等の加圧焼結法によっても、ポリカーボ
シラン、ポリシラン、ポリシラザン等の液状のセラミッ
クス前駆体を含浸させる方法によってもよい。またシラ
ン系気体化合物の熱化学反応を利用してセラミックスを
含浸させるChemical Vapor Infil
tration法によってもよく、また上述の各緻密化
方法を組み合せて用いてもよい。
【0017】炭化けい素をマトリックスとし、炭化けい
素短繊維を分散させる場合のコーティングに適したセラ
ミックスとしては、ほう素の窒化物(BN)または炭化
物(B4C)、ベリリウムの酸化物(BeO)、アルミ
ニウムの酸化物(Al23)または窒化物(AlN)、
けい素の酸化物(SiO2)または窒化物(Si
34)、炭素(C)、IV族、V族、VI族遷移金属の
炭化物、窒化物、酸化物(TiC,ZrC,HfC,V
C,NbC,TaC,Cr32,MO2C,WC,Ti
N,ZrN,HfN,VN,NbN,TaN,CrN,
TiO2,ZrO2,HfO2,Cr23)の中から選ん
で用いる。
【0018】
【実施例】以下本発明の好適実施例を添付図面に基づい
て説明する。
【0019】図1は本発明の繊維強化炭化けい素セラミ
ックスの組織図を示し、図において、1は炭化けい素セ
ラミックスのマトリックス、2はセラミックスコーティ
ング3を施した炭化けい素短繊維を示す。
【0020】次に繊維強化炭化けい素セラミックスの製
造方法を説明する。
【0021】繊維強化炭化けい素セラミックスの強度と
靱性の向上をはかるために、材料の微細組織を考慮して
図2のようなプロセスで製作を行った。すなわち、最終
的な材料中の短繊維/マトリックス界面の結合を最適に
制御し、かつ製造過程で短繊維を保護するために短繊維
表面へのCVDによる炭素コーティングを行った。CV
Dはメタン−水素混合ガスを用い、1250℃の反応温
度で熱CVD法で行った。原料である炭化けい素(Si
C)粉、短繊維及び焼結助剤(0.5%ボロン+2%炭
素)を均一に分散・混合するために超音波を用いた湿式
処理を用いた。スラリーの均一性を保持し、かつ短繊維
が二次元配向した高密度成形体を得るために加圧力50
MPaの加圧泥漿鋳込成形を行った。さらに成形体の緻
密化はカプセルHIP法により2000℃、200MP
aの条件で焼結を行った。
【0022】焼結体の破断面の一例を図3に示す。炭素
コーティングを行わない場合は図5に示したように破断
面は平滑で、短繊維の効果が認められなかったが、図3
に示す炭素コーティングを施したものでは短繊維2のマ
トリックス1からの引き抜けが認められ、これによる靱
性向上が起こることを示している。
【0023】図4には短繊維へのコーティング厚さとS
ENB(Single EdgeNotched Be
am)法により求めた靱性値を示している。用いた短繊
維は平均径2.2μm、平均長さ17.9μmのもので
あるが、この場合約0.11μの炭素コーティングにお
いて靱性の極大が認められ、コーティング量すなわちコ
ーティングの厚さが靱性向上のための重要なパラメータ
であることが分かる。
【0024】靱性の極大値近傍の材料を破断させて破断
面を透過電子顕微鏡写真で見たところ、短繊維及びマト
リックス側の界面は必ずしも平滑ではなく、靱性向上に
有効な境界層の厚さはそれぞれの界面の粗さと同程度も
しくは3倍程度の厚さを持っていることが分かった。
【0025】上記実施例から、繊維強化けい素セラミッ
クスの強度及び靱性を高めるためには、炭化けい素短繊
維の表面に、セラミックスからなる易変形材を0.05
〜0.15μm望ましくは炭化けい素短繊維の表面粗さ
と同程度から表面粗さの3倍程度の厚みでコーティング
することが有効であることが判明した。
【0026】
【発明の効果】以上説明してきたことから明らかなよう
に本発明によれば次の如き優れた効果を発揮する。
【0027】(1)炭化けい素セラミックス短繊維の表
面を易変形材でコーティングするため、混合、成形時に
その短繊維を損傷したり、変質させることがなく、短繊
維による強化を向上できる。
【0028】(2)易変形材によるコーティング厚みを
0.05〜0.15μm望ましくは炭化けい素短繊維の
表面粗さと同程度から表面粗さの3倍程度としているの
で、炭化けい素セラミックス短繊維とマトリックスの界
面に好適な境界層が形成されるため、直接強固な接合を
起こすことがなく、マトリックスの破壊の際に、この境
界での亀裂の停止、反射、分岐等の現象が顕著に起こっ
て短繊維が容易に破断しないため、靱性及びその強度を
高く保持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の繊維強化炭化けい素セラミックスの組
織を示す概念図である。
【図2】本発明の繊維強化炭化けい素セラミックスの製
造法を示す工程図である。
【図3】本発明の繊維強化炭化けい素セラミックスの破
断面を示す図である。
【図4】短繊維へのコーティング厚さと靱性値との関係
を示す線図である。
【図5】従来の繊維強化炭化けい素セラミックスの破断
面を示す図である。
【符号の説明】
1 マトリックス 2 炭化けい素短繊維 3 セラミックスコーティング(易変形材)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大浪 隆志 東京都江東区豊洲三丁目1番15号 石川島 播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭化けい素短繊維の表面に、セラミック
    スからなる易変形材を0.05〜0.15μm望ましく
    は炭化けい素短繊維の表面粗さと同程度から表面粗さの
    3倍程度の厚みでコーティングしたコーティング済炭化
    けい素短繊維を、炭化けい素のマトリックス中に分散さ
    せて成ることを特徴とする繊維強化炭化けい素セラミッ
    クス。
  2. 【請求項2】 炭化けい素短繊維をコーティングする易
    変形材が、ほう素の窒化物又は炭化物、ベリリウムの酸
    化物、アルミニウムの酸化物又は窒化物、けい素の酸化
    物又は窒化物、炭素、IV族、V族、VI族遷移金属の
    炭化物、窒化物又は酸化物の中から選ばれたものよりな
    る請求項1記載の繊維強化炭化けい素セラミックス。
  3. 【請求項3】 炭化けい素短繊維の表面に、セラミック
    スからなる易変形材を0.05〜0.15μm望ましく
    は炭化けい素短繊維の表面粗さと同程度から表面粗さの
    3倍程度の厚みでコーティングし、該コーティングした
    炭化けい素短繊維と炭化けい素粉とを混合した後、所定
    の形状に成形し、その後成形体を緻密化することを特徴
    とする繊維強化炭化けい素セラミックスの製造方法。
JP4285359A 1992-09-30 1992-09-30 繊維強化炭化けい素セラミックス及びその製造方法 Pending JPH06116036A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021506717A (ja) * 2017-12-22 2021-02-22 サフラン・セラミックス セラミックマトリックスを含む複合部品の製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021506717A (ja) * 2017-12-22 2021-02-22 サフラン・セラミックス セラミックマトリックスを含む複合部品の製造方法

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