JPS63277566A - 繊維強化炭化けい素セラミックスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ガスタービン部品、ディーゼル部品など、高
温または腐食・摩耗性環境で使用される窒化けい素セラ
ミックスに係り、特に強度と靭性を与えるべく炭化けい
素短繊維または窒化けい素短繊維を加えたｍＮ強化窒化
けい素セラミックスおよびその製造方法に関するもので
ある。

［従来の技術］ エネルギー、素材、輸送などの分野で、ガスタービン部
品、ディーゼルエンジン部品、過給機部量、熱交換器部
品など高温または腐食・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窒化けい素セラミックスの
使用が期待されている。

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Ｉ繊維による強化が研究されてい
る。

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、加圧焼結を行なって繊維強化セラ
ミックスとしている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、混合や成形等の工程で、ＶＪ４１雑の表
面が傷つき易く、強化の効果が低減しやすい。

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、変質したりしやすい問題がある。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、短繊維も共に破壊してしまいやすく
、マトリックスの強化の効果が少ない。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、混合、
成形、焼結など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、靭性が良好なｍ帷強化窒化けい
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。

［問題点を解決するための手段及び作用］本発明は、上
記の目的を達成するために、セラミックスにより表面コ
ーティングした炭化けい素短繊維または窒化けい衆知ｍ
維を、窒化けい素のマトリックス中に分散させたもので
、またその製造は、炭化けい素短繊維または窒化けい素
短繊維にセラミックスをコーティングし、そのコーティ
ングした炭化けい素または窒化けい素短繊維と窒化けい
素粉とを混合したのち、所定の形状に成形し、その後成
形体を緻密化して構成する。

上記の構成によれば、炭化けい素短繊維またはｉ　化Ｇ
ｔい素短繊維の表面にセラミックスをコーティングして
いるため、そのセラミックス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、またセラミ
ックマトリックスの界面に境界層があるため、直接強固
な接合を起すことがなく、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・分岐等の現象が起こっ
て繊維が容易に破断しない。

先ず、本発明の繊維強化セラミックスの適用用途である
機械構造材料としての強度・耐食性・耐摩耗性・耐熱衝
撃性等を満足するためには、マトリックスは窒化けい素
を６５％以上含むものであることが必要である。

この窒化けい素に対して、アルミナ、イツトリア、セリ
ア、窒化アルミニウム等を添加すると、焼結が促進され
、マトリックスが緻密化しやすいことが知られており、
これらの焼結促進剤をマトリックス中に加えておいても
よい。

また窒化けい素は、例えばアルミナ及び窒化アルミニウ
ムとの間に（Ｓｉ　３Ｎａ　）　１−ｘ　　（Ａｆｆｉ
２０３　・ＡｆＮ）Ｘ　ｚ但しくｘ　−０〜０．６７　
）なる組成の固溶体をつくり、それによって機械的性質
、熱的性質、耐食性などを変化させることができ、この
ような固溶体組成のマトリックスを用いてもよい。

また、窒化けい素に対してジルコニアや炭化けい素など
、他のセラミック粒子を分散すると機械的性質を向上で
きるため、他のセラミック粒子をマトリックス中に加え
てもよい。

セラミック短ＩＩ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。

従って、窒化けい素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または窒化けい素ウィスカ
ーからなる短繊維を使用する。

この炭化けい素または窒化けい衆知繊維を、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ウィスカーとマトリッ
クスとの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
トリックスおよびＩＩ維出自体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、Ｉ
ＩＮとの界面で亀裂を停止または反転、分岐させたり或
いはマトリックスと短繊維とを剥離させて、短繊維のマ
トリックス中からの引き抜きを可能とする。

この炭化けい素または窒化けい衆知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（Ｑ
　ｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖ　ａｐＯｒ　　Ｄ　８１）Ｏ−
ｓｉ口Ｏｎ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ぜるＰ　
Ｖ　Ｄ　（Ｐ　ｈｙｓｉｃａｌ　　Ｖ　ａｐｏｒＯｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ　）法などを用いる。

セラミックスコーティングを行なった炭化けい素または
窒化けい衆知繊維を窒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
スとなる窒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
散剤を添加して行なうようにしてもよい。

この混合物は、混しよう鋳込成形、射出成形、押出成形
、静水圧プレス成形などの方法により使用部品に応じた
所定の形状に成形する。

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、特に熱間等方圧プレス法などの加圧焼
結法によっても、ポリカーポジラン、ポリシラン、ポリ
シラザンなどの液状のセラミ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Ｇ　ｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖ　ａｐｏ
ｒｌ　ｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ法によってもよく、ま上
述の各緻密化方法を組み合せて用いてもよい。

尚、炭化けい素または窒化けい衆知繊維へのセラミック
スのコーティングは、予め原料の短繊維の段階で行なっ
てもよいし、短繊維とマトリックス用セラミック粉とを
混合する段階で行なってもよいし、短繊維とマトリック
ス用セラミックス粉を所定の形状に成形してから行なっ
てもよい。

窒化けい素をマトリックスとし、炭化けい衆知繊維また
は窒化けい衆知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、けい素の酸化物＜Ｓｉ　
０２　）ｊ５よび酸窒化物（Ｓｉ２Ｎ２０）、ほう素の
窒化物（ＢＮ）、アルミニウム窒化物（ＡβＮ）、ＩＶ
族、Ｖ族、■族遷移金属の窒化物（Ｔｉ　Ｎ、Ｚｒ　Ｎ
、　Ｈｌ　Ｎ。

Ｖｆ’ｑ、Ｎｂ　Ｎ、Ｔａ　Ｎ、Ｃｒ　Ｎ、Ｍｏ　Ｎ、
ＷＮ）の中から選んで用いる。

［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
。

第１図は本発明の繊維強化窒化けい素セラミックスの組
織図を示し、図において、１は窒化けい素セラミックス
のマトリックス、２はセラミックコーティング３を施し
た炭化けい衆知繊維または窒化けい素層ｍ帷を示す。

次に第２図により繊維強化窒化けい素セラミックスの製
造方法を説明する。

先ず、炭化けい素または窒化けい衆知繊維２にセラミッ
クスの表面コーティング３を施す。この表面コーティン
グ３を施した短繊維２と、炭化けい素粉４とを混合５し
たのち、成形６する。この成形体７は短繊維２と炭化け
い素粉４とが混った状態となる。次にこの成形体７を直
接又はセラミック前駆体を含浸後焼結させて緻密化８し
、焼結体９を得る。

次に、より具体的な実施例を説明する。

（実施例１） 炭化けい素ウィスカーまたは窒化けい素ウィスカーを、
反応容器内にて加熱しつつ攪拌し、この状態で金属塩化
物ガス＋アンモニアガス十水素を用いてＣＶＤ法により
表１に示す金属窒化物を炭化けい素または窒化けい素ウ
ィスカー上にコーティングさせた。

次にアルミナ５重量％、窒化アルミニウム５重１％、セ
リフ５重置％を添加した窒化けい素粉を用い、これに対
して表１のウィスカーを２０体積％混合し、エタノール
溶液中で超音波を用いて充分分散させたのち、静水圧プ
レスによる成形を行なった。この後、この成形体を１８
５０℃、１０気圧の窒素ガス中で予備焼結させた後、更
に、アルゴンガスを用いた熱間等方圧プレスにより１８
５０℃、２０００気圧にて、焼結し、緻密化させた。

得られた焼結体より切り出した試験片を用いてビッカー
ス圧痕法により測定した破壊靭性は表１の通りで、比較
のための全くセラミックスコーティングを行なわないウ
ィスカーを用いて製造した成形焼結体の破壊靭性は表１
の最下段に示したように５ＭＰａ−一であり、コーティ
ングを施すことでいずれも破壊靭性が向上することが判
る。

表１ （実施例２） 窒化けい素に、アルミナ８重量％、窒化アルミニウム４
重量％を含み、その一部を固溶体として均質化させたセ
ラミック粉に対して、炭化けい素ウィスカーを４００重
量加え、ワックスと、エチレン酢酸ビニル樹脂を主成分
とする有機バインダーと１２０℃にて混練した。

この混線物を、射出成形法にて成形し、空気流中にて５
００℃まで加熱して有機バインダーを除去した後、コロ
イダルシリカ水溶液を含浸して、成形体中の炭化けい素
ウィスカーおよびセラミック粉の表面にシリカを形成さ
せた。

この成形体に対して更にポリシラザンのテトラヒドロフ
ラン溶液を含浸させ、１０気圧の窒素中にて１０００℃
まで加熱して成形体の空隙に窒化けい素および炭化けい
素の混合物を生成させた。その後、この成形体をシリカ
ガラスを主成分とするカプセル中に封入し、熱間等方圧
プレスにより１６５０℃。

１５００気圧にて焼結させた。

得られた焼結体は、はぼ理論密度にまで緻密化し、Ｓｔ
　−ＡＪ２−０−Ｎ系窒化けい素置溶体のマトリックス
中に炭化けい素ウィスカーが分散し、その境界には、酸
窒化けい素を主成分とする層が形成されていることが確
認された。

また焼結体から切り出した試験片により４点曲げ強度８
５０ＭＰａ、破壊靭性１０Ｍｐａ−ｍ”という優れた特
性を有することが明らかとなった。

比較のため、コロイダルシリカ水溶液含浸によるシリカ
のコーティングを行なわずに、全く同じ方法により焼結
体を製作したところ４点曲げ強度６００ＭＰａ、破壊靭
性８ＭＰａ−ｍ”と、本発明のようにコーティングを行
なった場合と比較して特性がやや低いことが確認された
。

〔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
ば次のごとき優れた効果を発揮する。

（１）　　炭化けい素または窒化けい素セラミックス短
繊維の表面をセラミックスでコーティングするため、混
合、成形時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。

（２）　　炭化けい素または窒化けい素セラミック短繊
維とセラミックス・マトリックスの界面に境界層がある
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
の現象が起って繊維が容易に破断しないため、その強度
を保て、またマトリックスから繊維を引き抜く摩擦抵抗
が大きい。

（３）　　以上より従来得られなかった高い強度と靭性
を持った繊維強化セラミックスが得られる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の１！維強化窒化けい素セラミックスの
組織を示す図、第２因は本発明の繊維強化窒化けい素セ
ラミツス製造方法を示す工程図である。 図中、１は窒化けい素セラミックスのマトリックス、２
は炭化けい素または窒化けい衆知繊維、３はセラミック
コーティングである。 第１図 第２図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックスにより表面コーティングした炭化け
   い素短繊維または窒化けい素短繊維を窒化けい素のマト
   リックス中に分散させたことを特徴とする繊維強化窒化
   けい素セラミックス。
2. （２）炭化けい素または窒化けい素短繊維をコーティン
   グするセラミックスが、けい素の酸化物または酸窒化物
   、ほう素、アルミニウム、IV族、Ｖ族、VI族遷移金属の
   窒化物の中から選ばれたものよりなる特許請求の範囲第
   １項に記載の繊維強化窒化けい素セラミックス。
3. （３）セラミックスにより表面コーティングした炭化け
   い素または窒化けい素短繊維を窒化けい素を６５％以上
   含むマトリックス中に分散させた特許請求の範囲第１項
   又は第２項に記載の繊維強化窒化けい素セラミックス。
4. （４）炭化けい素短繊維または窒化けい素短繊維にセラ
   ミックスをコーティングし、そのコーティングした炭化
   けい素または窒化けい素短繊維と炭化けい素粉とを混合
   したのち、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窒化けい素セラミックス
   の製造方法。