JPH069269A - 耐酸化性に優れた炭素繊維強化炭素複合材料 - Google Patents
耐酸化性に優れた炭素繊維強化炭素複合材料Info
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- JPH069269A JPH069269A JP4168812A JP16881292A JPH069269A JP H069269 A JPH069269 A JP H069269A JP 4168812 A JP4168812 A JP 4168812A JP 16881292 A JP16881292 A JP 16881292A JP H069269 A JPH069269 A JP H069269A
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- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
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- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/52—Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
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- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
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Abstract
(57)【要約】
【目的】耐酸化性に優れた炭素繊維強化炭素複合材料の
提供。 【構成】炭素繊維強化炭素複合材料の表面に、B,C
r,Hf,Ir,Mo,Nb,Pt,Ta,Ti,V,
WおよびZrよりなる群から選ばれた少なくとも1種類
の高融点金属の被覆層を有し、さらにその上に炭化硅素
または窒化硅素の被覆層を有する耐酸化性に優れた炭素
繊維強化炭素複合材料。さらに、硅素、硼素、アルミニ
ウム、ナトリウム、リチウムおよびチタンの酸化物から
選ばれた少なくとも1種類のガラス状物質の被覆層を有
する。
提供。 【構成】炭素繊維強化炭素複合材料の表面に、B,C
r,Hf,Ir,Mo,Nb,Pt,Ta,Ti,V,
WおよびZrよりなる群から選ばれた少なくとも1種類
の高融点金属の被覆層を有し、さらにその上に炭化硅素
または窒化硅素の被覆層を有する耐酸化性に優れた炭素
繊維強化炭素複合材料。さらに、硅素、硼素、アルミニ
ウム、ナトリウム、リチウムおよびチタンの酸化物から
選ばれた少なくとも1種類のガラス状物質の被覆層を有
する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、耐酸化性に優れた炭素
繊維強化複合材料に関する。
繊維強化複合材料に関する。
【0002】
【従来の技術】炭素繊維強化炭素複合材料いわゆるC/
Cコンポジットは炭素繊維を補強材とし、炭素をマトリ
ックスとした複合材料であって、耐熱性、耐薬品性、耐
磨耗性に優れ、かつ高強度で軽量なためロケットノズル
や航空機のブレーキディスクパッド等に使用されてい
る。しかしながら、C/Cコンポジットを含めて、炭素
材料は一般に500℃程度から酸化を受け、それ自身の
持つ優れた物理的、化学的性質が低下するため、高温大
気中での使用は極く短時間の場合を除き不可能であっ
た。この現象を防止するために従来から炭素材料の耐酸
化性を高める方法について種々の検討がなされてきた。
Cコンポジットは炭素繊維を補強材とし、炭素をマトリ
ックスとした複合材料であって、耐熱性、耐薬品性、耐
磨耗性に優れ、かつ高強度で軽量なためロケットノズル
や航空機のブレーキディスクパッド等に使用されてい
る。しかしながら、C/Cコンポジットを含めて、炭素
材料は一般に500℃程度から酸化を受け、それ自身の
持つ優れた物理的、化学的性質が低下するため、高温大
気中での使用は極く短時間の場合を除き不可能であっ
た。この現象を防止するために従来から炭素材料の耐酸
化性を高める方法について種々の検討がなされてきた。
【0003】それらの方法の中で化学蒸着法(CVD)
によるセラミックスの被覆はもっとも一般的に行われて
いる方法の一つであり、この方法により緻密な皮膜を得
ることができる。しかしながら、この方法では被覆時
に、基材となる炭素材料を1000℃前後の温度まで加
熱しなければならない場合が多く、被覆処理後冷却時に
表面のセラミックス皮膜が剥離したり割れを起こすこと
が多かった。これは、基材と析出させるセラミックス間
の熱膨張率の差が大きいことが原因である。C/Cコン
ポジットを用いる場合は、その熱膨張率が炭素繊維自体
の熱膨張率に拘束され自由に調節することができず、ま
た、その熱膨張率に合致した耐熱性セラミックス被覆材
料もないため、CVD法による緻密な被覆膜を利用する
ことができなかった。
によるセラミックスの被覆はもっとも一般的に行われて
いる方法の一つであり、この方法により緻密な皮膜を得
ることができる。しかしながら、この方法では被覆時
に、基材となる炭素材料を1000℃前後の温度まで加
熱しなければならない場合が多く、被覆処理後冷却時に
表面のセラミックス皮膜が剥離したり割れを起こすこと
が多かった。これは、基材と析出させるセラミックス間
の熱膨張率の差が大きいことが原因である。C/Cコン
ポジットを用いる場合は、その熱膨張率が炭素繊維自体
の熱膨張率に拘束され自由に調節することができず、ま
た、その熱膨張率に合致した耐熱性セラミックス被覆材
料もないため、CVD法による緻密な被覆膜を利用する
ことができなかった。
【0004】特開平3−253498号にはCVD法に
よりSiCを被覆する前に、C/Cコンポジットの表層
に金属硅素を被覆したのちこれをSiC化させ、CVD
SiC層との密着性を高める方法が記載されている。こ
の方法は密着性を高める上では優れているが、C/Cコ
ンポジットの表層をSiC化するため材料強度が低下し
てしまうという問題があった。
よりSiCを被覆する前に、C/Cコンポジットの表層
に金属硅素を被覆したのちこれをSiC化させ、CVD
SiC層との密着性を高める方法が記載されている。こ
の方法は密着性を高める上では優れているが、C/Cコ
ンポジットの表層をSiC化するため材料強度が低下し
てしまうという問題があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明はセラミックス
被覆膜とC/Cコンポジットとの密着性に優れ、強度の
高い耐酸化被覆を施した炭素繊維強化炭素複合材料を提
供することを目的とするものである。
被覆膜とC/Cコンポジットとの密着性に優れ、強度の
高い耐酸化被覆を施した炭素繊維強化炭素複合材料を提
供することを目的とするものである。
【0006】
【問題を解決するための手段】本発明は、C/Cコンポ
ジットの表面に高融点金属を被覆し、さらにその上に炭
化硅素、窒化硅素などのセラミックスを被覆した耐酸化
性C/Cコンポジットおよびその耐酸化性C/Cコンポ
ジットにさらにガラス状物質を被覆したC/Cコンポジ
ットを提供するものである。高融点金属は、B,Cr,
Hf,Ir,Mo,Nb,Pt,Ta,Ti,V,Wお
よびZrから選ばれた少なくとも1種類の金属である。
ジットの表面に高融点金属を被覆し、さらにその上に炭
化硅素、窒化硅素などのセラミックスを被覆した耐酸化
性C/Cコンポジットおよびその耐酸化性C/Cコンポ
ジットにさらにガラス状物質を被覆したC/Cコンポジ
ットを提供するものである。高融点金属は、B,Cr,
Hf,Ir,Mo,Nb,Pt,Ta,Ti,V,Wお
よびZrから選ばれた少なくとも1種類の金属である。
【0007】本発明のC/Cコンポジットは、熱膨張率
の違いは高温において塑性変形する金属層により緩和さ
れるため、その外層に被覆する炭化硅素または窒化硅素
などのセラミックスとC/Cコンポジットの密着性に優
れ、熱サイクル環境下において、界面の密着強度低下が
ほとんど起こらない。
の違いは高温において塑性変形する金属層により緩和さ
れるため、その外層に被覆する炭化硅素または窒化硅素
などのセラミックスとC/Cコンポジットの密着性に優
れ、熱サイクル環境下において、界面の密着強度低下が
ほとんど起こらない。
【0008】
【作用】以下に本発明をさらに詳細に説明する。基材と
なるC/Cコンポジットを構成する炭素繊維として、平
織り、朱子織り、綾織りなどの二方向織布、一方向配向
材、三方向配向材、n方向配向材、フェルト、トウなど
が用いられ、バインダーとしてはフェノール樹脂、フラ
ン樹脂などの熱硬化性物質、タール、ピッチのような熱
可塑性物質を用いることができる。C/Cコンポジット
の製造方法としては、例えば、前記炭素繊維をバインダ
ーの含浸、塗布などの方法によりプリプレグ化し、加圧
加熱して成型体とする。この成型体は熱処理によってバ
インダーを完全に硬化させ、その後常法によって焼成
し、さらに必要に応じて黒鉛化することによりC/Cコ
ンポジットとする。その後、用途に応じて熱硬化性物
質、ピッチ類などの含浸、再炭化を行う含浸法、例えば
メタン、プロパンなどの炭化水素ガスを熱分解して炭素
を得るCVD法などにより緻密化を繰り返し行い、さら
に高強度のC/Cコンポジットとすることもできる。
なるC/Cコンポジットを構成する炭素繊維として、平
織り、朱子織り、綾織りなどの二方向織布、一方向配向
材、三方向配向材、n方向配向材、フェルト、トウなど
が用いられ、バインダーとしてはフェノール樹脂、フラ
ン樹脂などの熱硬化性物質、タール、ピッチのような熱
可塑性物質を用いることができる。C/Cコンポジット
の製造方法としては、例えば、前記炭素繊維をバインダ
ーの含浸、塗布などの方法によりプリプレグ化し、加圧
加熱して成型体とする。この成型体は熱処理によってバ
インダーを完全に硬化させ、その後常法によって焼成
し、さらに必要に応じて黒鉛化することによりC/Cコ
ンポジットとする。その後、用途に応じて熱硬化性物
質、ピッチ類などの含浸、再炭化を行う含浸法、例えば
メタン、プロパンなどの炭化水素ガスを熱分解して炭素
を得るCVD法などにより緻密化を繰り返し行い、さら
に高強度のC/Cコンポジットとすることもできる。
【0009】前記のようにして得たC/Cコンポジット
の表層にはじめにB,Cr,Hf,Ir,Mo,Nb,
Pt,Ta,Ti,V,WおよびZrよりなる群から選
ばれた1種類以上の金属を被覆する。前記金属が選ばれ
る理由は高い融点を有していることによる。融点が15
00℃以下では、通常C/Cコンポジットが使われる1
500℃以上の温度において完全に溶融し最外層の炭化
硅素、窒化硅素が剥離してしまうため使用できない。前
記金属を被覆する方法としては、気相蒸着法、スパッタ
法、鍍金法など通常金属被覆に用いられる方法が使用で
きる。高融点金属被覆層の膜厚は状況によって変える
が、1μm以上がよい。1μm未満では緩和層としての
効果が低くなり、亀裂の発生率が高くなる。
の表層にはじめにB,Cr,Hf,Ir,Mo,Nb,
Pt,Ta,Ti,V,WおよびZrよりなる群から選
ばれた1種類以上の金属を被覆する。前記金属が選ばれ
る理由は高い融点を有していることによる。融点が15
00℃以下では、通常C/Cコンポジットが使われる1
500℃以上の温度において完全に溶融し最外層の炭化
硅素、窒化硅素が剥離してしまうため使用できない。前
記金属を被覆する方法としては、気相蒸着法、スパッタ
法、鍍金法など通常金属被覆に用いられる方法が使用で
きる。高融点金属被覆層の膜厚は状況によって変える
が、1μm以上がよい。1μm未満では緩和層としての
効果が低くなり、亀裂の発生率が高くなる。
【0010】高融点金属の被覆層上には、炭化硅素また
は窒化硅素の被覆層(セラミックス層)を形成するが、
これらが選ばれる理由は、高温における低い蒸発性、炭
素との低い反応性、及び低い酸素透過性による。これら
のセラミックスを被覆する方法としては、反応法、気相
蒸着法、焼結法などが挙げられるが、緻密な皮膜を得ら
れることから気相蒸着法が好ましい。
は窒化硅素の被覆層(セラミックス層)を形成するが、
これらが選ばれる理由は、高温における低い蒸発性、炭
素との低い反応性、及び低い酸素透過性による。これら
のセラミックスを被覆する方法としては、反応法、気相
蒸着法、焼結法などが挙げられるが、緻密な皮膜を得ら
れることから気相蒸着法が好ましい。
【0011】ここで、被覆したセラミックスに亀裂、ピ
ンホールなどの欠陥が発生すると、この欠陥から酸素が
進入し、C/Cコンポジットが酸化される。これに対
し、硅素、硼素、アルミニウム、ナトリウム、リチウム
およびチタンの酸化物から選ばれた少なくとも1種類の
ガラス状物質の被覆層を上記セラミックス層上に形成す
ることにより酸素の侵入を防ぎ、C/Cコンポジットの
酸化を抑えることができる。硝子状物質はセラミックス
皮膜の欠陥内に存在すれば酸化を防ぐことができるが、
C/Cコンポジット使用時に万一新たな欠陥が発生した
場合のことを考えて、セラミックス層上にもある方が好
ましい。硅素、硼素、アルミニウム、ナトリウム、リチ
ウムおよびチタンの酸化物から選ばれる理由は、これら
は炭素が酸化する500℃以上の温度で溶融軟化して、
欠陥を防ぐこと、高温での蒸気圧が高くないことであ
る。硝子を得る方法としては、例えば、溶融硝子を直接
付着させる方法、反応により硝子化する溶液を塗布(含
浸)する方法などをあげることができる。反応により硝
子化する溶液としては、具体的には、B2 O3 は硼酸ト
リエチル、SiO2 は硅酸テトラエチル、Al2 O3 は
燐酸アルミニウムなどをあげることができる。
ンホールなどの欠陥が発生すると、この欠陥から酸素が
進入し、C/Cコンポジットが酸化される。これに対
し、硅素、硼素、アルミニウム、ナトリウム、リチウム
およびチタンの酸化物から選ばれた少なくとも1種類の
ガラス状物質の被覆層を上記セラミックス層上に形成す
ることにより酸素の侵入を防ぎ、C/Cコンポジットの
酸化を抑えることができる。硝子状物質はセラミックス
皮膜の欠陥内に存在すれば酸化を防ぐことができるが、
C/Cコンポジット使用時に万一新たな欠陥が発生した
場合のことを考えて、セラミックス層上にもある方が好
ましい。硅素、硼素、アルミニウム、ナトリウム、リチ
ウムおよびチタンの酸化物から選ばれる理由は、これら
は炭素が酸化する500℃以上の温度で溶融軟化して、
欠陥を防ぐこと、高温での蒸気圧が高くないことであ
る。硝子を得る方法としては、例えば、溶融硝子を直接
付着させる方法、反応により硝子化する溶液を塗布(含
浸)する方法などをあげることができる。反応により硝
子化する溶液としては、具体的には、B2 O3 は硼酸ト
リエチル、SiO2 は硅酸テトラエチル、Al2 O3 は
燐酸アルミニウムなどをあげることができる。
【0012】以上の様に耐酸化性皮膜を被覆した本発明
のC/Cコンポジットは、基材C/Cコンポジットとセ
ラミックス被覆層との間に、高融点金属層を配置してい
るため、C/Cコンポジットの断面方向と平面方向の熱
膨張率がほぼ等しくなり、亀裂の発生が低下する。ま
た、基材C/Cコンポジットとセラミックスとの熱膨張
率の違いは高融点金属の延性によって緩和されるため、
同様に亀裂発生は著しく低下する。
のC/Cコンポジットは、基材C/Cコンポジットとセ
ラミックス被覆層との間に、高融点金属層を配置してい
るため、C/Cコンポジットの断面方向と平面方向の熱
膨張率がほぼ等しくなり、亀裂の発生が低下する。ま
た、基材C/Cコンポジットとセラミックスとの熱膨張
率の違いは高融点金属の延性によって緩和されるため、
同様に亀裂発生は著しく低下する。
【0013】
【実施例】以下に本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。 (実施例1)二方向強化C/Cコンポジットに、スパッ
タ法により高融点金属であるZrを10μmの厚さで被
覆した後、シリコンカーバイドを100μm被覆した材
料について、室温から1600℃まで昇温するサイクル
試験を10回行い、酸化重量減少を測定したところ4.
5%であった。
明する。 (実施例1)二方向強化C/Cコンポジットに、スパッ
タ法により高融点金属であるZrを10μmの厚さで被
覆した後、シリコンカーバイドを100μm被覆した材
料について、室温から1600℃まで昇温するサイクル
試験を10回行い、酸化重量減少を測定したところ4.
5%であった。
【0014】(実施例2)二方向強化C/Cコンポジッ
トに鍍金法により、高融点金属であるCrを15μmの
厚さで被覆し、窒化硅素を150μm被覆後、SiO2
−B2 O3 ガラスを被覆した材料について実施例1に示
す条件で熱サイクル試験を行い酸化重量減少率を測定し
たところ3.8%であった。
トに鍍金法により、高融点金属であるCrを15μmの
厚さで被覆し、窒化硅素を150μm被覆後、SiO2
−B2 O3 ガラスを被覆した材料について実施例1に示
す条件で熱サイクル試験を行い酸化重量減少率を測定し
たところ3.8%であった。
【0015】(比較例1)二方向強化C/Cコンポジッ
トにSiCを150mm被覆した材料について実施例1
に示す条件で熱サイクル試験を行ったところ酸化重量減
少率が7%で被覆膜が剥離したため試験を1回で中止し
た。
トにSiCを150mm被覆した材料について実施例1
に示す条件で熱サイクル試験を行ったところ酸化重量減
少率が7%で被覆膜が剥離したため試験を1回で中止し
た。
【0016】(比較例2)二方向強化C/Cコンポジッ
トにSi3 N4 を100mm被覆した後、これにテトラ
エチルオルソシリケートを含浸させた後加熱してシリケ
ートをSiO2 に変えた後、実施例1に示す条件で熱サ
イクル試験を行ったところ3回で酸化重量減少率が10
%を越え、被覆膜が剥離したので実験を中止した。
トにSi3 N4 を100mm被覆した後、これにテトラ
エチルオルソシリケートを含浸させた後加熱してシリケ
ートをSiO2 に変えた後、実施例1に示す条件で熱サ
イクル試験を行ったところ3回で酸化重量減少率が10
%を越え、被覆膜が剥離したので実験を中止した。
【0017】
【発明の効果】以上のように本発明のC/Cコンポジッ
トは非常に優れた耐酸化性を示し、ジェットエンジン用
部材、宇宙往還機用の耐熱材料などに応用することがで
きる。
トは非常に優れた耐酸化性を示し、ジェットエンジン用
部材、宇宙往還機用の耐熱材料などに応用することがで
きる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇留野 智 之 千葉県千葉市中央区川崎町1番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者 平 本 治 郎 千葉県千葉市中央区川崎町1番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者 金 城 庸 夫 千葉県千葉市中央区川崎町1番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者 朱 建 平 台湾台南市大学路1号 国立成功大学材料 工程内
Claims (2)
- 【請求項1】炭素繊維強化炭素複合材料の表面に、B,
Cr,Hf,Ir,Mo,Nb,Pt,Ta,Ti,
V,WおよびZrよりなる群から選ばれた少なくとも1
種類の高融点金属の被覆層を有し、さらにその上に炭化
硅素または窒化硅素の被覆層を有する耐酸化性に優れた
炭素繊維強化炭素複合材料。 - 【請求項2】請求項1に記載の耐酸化性を有する炭素繊
維強化炭素複合材料上に、硅素、硼素、アルミニウム、
ナトリウム、リチウムおよびチタンの酸化物から選ばれ
た少なくとも1種類のガラス状物質の被覆層を有する耐
酸化性に優れた炭素繊維強化炭素複合材料。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4168812A JPH069269A (ja) | 1992-06-26 | 1992-06-26 | 耐酸化性に優れた炭素繊維強化炭素複合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4168812A JPH069269A (ja) | 1992-06-26 | 1992-06-26 | 耐酸化性に優れた炭素繊維強化炭素複合材料 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH069269A true JPH069269A (ja) | 1994-01-18 |
Family
ID=15874955
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4168812A Withdrawn JPH069269A (ja) | 1992-06-26 | 1992-06-26 | 耐酸化性に優れた炭素繊維強化炭素複合材料 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH069269A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103145445A (zh) * | 2013-03-21 | 2013-06-12 | 清华大学 | 一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面微结构制备方法 |
CN107382354A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-11-24 | 苏州宏久航空防热材料科技有限公司 | 一种新型的高温抗氧化c/c复合材料涂层的制备方法 |
CN114605173A (zh) * | 2022-04-18 | 2022-06-10 | 中南大学 | 一种耐烧蚀抗热震的硅酸锆-高铝玻璃/htbs高熵陶瓷涂层及其制备方法和应用 |
-
1992
- 1992-06-26 JP JP4168812A patent/JPH069269A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103145445A (zh) * | 2013-03-21 | 2013-06-12 | 清华大学 | 一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面微结构制备方法 |
CN107382354A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-11-24 | 苏州宏久航空防热材料科技有限公司 | 一种新型的高温抗氧化c/c复合材料涂层的制备方法 |
CN114605173A (zh) * | 2022-04-18 | 2022-06-10 | 中南大学 | 一种耐烧蚀抗热震的硅酸锆-高铝玻璃/htbs高熵陶瓷涂层及其制备方法和应用 |
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