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JP3120884B2 - SiC被覆C/C複合材 - Google Patents

SiC被覆C/C複合材

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Publication number
JP3120884B2
JP3120884B2 JP03351272A JP35127291A JP3120884B2 JP 3120884 B2 JP3120884 B2 JP 3120884B2 JP 03351272 A JP03351272 A JP 03351272A JP 35127291 A JP35127291 A JP 35127291A JP 3120884 B2 JP3120884 B2 JP 3120884B2
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拓 山崎
春男 田添
茂男 加藤
照夫 菅井
弘明 小池
四郎 保立
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東芝セラミックス株式会社
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  • Materials Engineering (AREA)
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  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造工程で使用
されるサセプタ、ヒータ、ルツボ等や、核融合炉炉壁
材、タービンブレード、航空用ブレーキ材、宇宙航空機
体用SiC複合材として用いられるSiC被覆C/C複
合材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、SiC被覆C/C複合材が半導体
分野で広く用いられている。これは、C/C複合基材の
表面に、CVD法等の気相成長法や、けい化法、塗布
法、含浸法等によってSiC層をコーティングしたもの
である。C/C複合基材は熱伝導性が良好で高周波誘導
加熱によって均一に加熱できると共に、耐熱衝撃性に優
れ、かつ高純度化が可能である。従って高温部材として
適している。しかし、C/C複合基材はガスを吸収し易
く加熱時にそれを放出するため、表面にSiC層を形成
してこれを防止している。
【0003】しかしながら、SiC被膜とC/C複合基
材は熱膨張係数が異なるため、急熱急冷を繰り返すヒー
トサイクルによって、SiC被膜にクラックが生じたり
剥離する等の不都合が生じている。また、両者は機械的
性質も異なるので、全体的強度の点でもマイナスであ
る。
【0004】SiC被膜とC/C複合基材の熱膨張差を
吸収緩和するために、両者の間に中間層を形成すること
が試みられている。例えば、SiC被膜をコーティング
する前にC/C複合基材にけい化処理を施し、その表層
部にけい化層を形成する。そして、けい化層の表面にS
iC被膜をコーティングするのである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このようにし
てSiC被膜とC/C複合基材の間に形成した従来のけ
い化層は、表層部が炭素繊維の中心部まで100%また
はそれに近い比率でけい化されている。このため、緩衝
層として充分に機能せず、他方では機械的強度の低下も
生じている。このため、依然として、SiC被膜の剥離
等の問題が生じ、充分な製品寿命が得られていない状況
にある。
【0006】本発明は、C/C複合基材とSiC被膜の
熱的及び機械的マッチングを良好に行い、耐熱衝撃性に
優れ機械的強度も充分に高く、製品としての耐用寿命が
長いSiC被覆C/C複合材を提供することを目的とし
ている。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は、C繊維を含
むC/C複合基材にSiC層を被覆したSiC被覆C/
C複合材において、C/C複合基材とSiC層の間に強
化層を設け、強化層がC/C複合基材を部分的にけい化
処理することによって構成されていて、強化層の厚さが
SiC層の厚さの7/10〜10/7倍でありかつC繊
維直径の10〜30倍であって、強化層におけるけい化
部分の総断面積がけい化されていないC繊維の総断面積
の1/9〜1倍であることを特徴とするSiC被覆C/
C複合材を要旨としている。
【0008】
【作用】C/C複合基材とSiC層の間に形成された強
化層は、熱的及び機械的にC/C複合基材とSiC層の
中間的性質を有する。従って、C/C複合基材とSiC
層を熱的及び機械的に良好にマッチングすることができ
る。
【0009】
【実施例】強化層の厚さをSiC層の厚さの7/10〜
10/7倍にしたのは、これが7/10倍未満であると
C/C複合基材とSiC層の熱膨張差を充分に吸収でき
ないからである。また、10/7倍を超えると強化層が
厚くなりすぎて、けい化処理の段階で強化層の外側部分
のけい化が進みすぎてけい化度100%の層が形成され
る可能性があるからである。
【0010】強化層の厚さをC繊維の直径の10〜30
倍に設定したのは、これが10倍未満であると強化層の
厚さが不充分となり、熱膨張差を充分に吸収できないか
らである。また30倍を超えると、強化層が厚くなりす
ぎて、前述したように、けい化処理によって部分的にけ
い化度100%の層が形成される恐れがあるからであ
る。
【0011】所定位置で断面をとった場合に、強化層に
おけるけい化部分の総断面積がけい化されていないC繊
維の総断面積の1/9〜1倍になるように設定したの
は、この範囲内であると、強化層の熱的及び機械的性質
がC/C複合基材とSiC層の性質の中間的値を有し、
良好なマッチングが可能になるからである。
【0012】SiC被覆C/C複合材の製造方法を簡単
に説明する。まず、C/C複合基材の表面に多孔性のS
iC被膜を形成する。被覆はCVD法や他の気相成長
法、または塗布法によって行ってもよい。次に、多孔性
SiC被膜の上からけい化処理を行って、強化層を形成
する。最後に、強化層の表面に緻密なSiC被膜を形成
する。緻密SiC被膜はCVD法によってSiC柱状結
晶となるように形成するのが望ましい。
【0013】多孔性SiC被膜の膜厚は5〜50μmに
設定するのが望ましい。この範囲の膜厚ならば、けい化
処理の際に適度な浸透が得られるからである。また、多
孔性SiC被覆の孔径は、1〜50μmが望ましい。孔
径が1μm未満であると、この孔を通してのC/C複合
基材のけい化が行われにくくなる。50μmを超える
と、この孔を通してのC/C複合基材の表層部のけい化
が過度に進行し、けい化度が100%の層が形成される
可能性がある。さらに望ましくは10〜30μmに設定
する。
【0014】強化層の厚さは前述の条件を満し、しかも
50〜150μmにするのが望ましい。
【0015】C繊維の直径が5〜10μmで、SiC層
の厚みが50〜200μmが好ましい。
【0016】C/C複合基材は、PAN系、ピッチ系、
セルロール系のCファイバーがフィラーで、ピッチ含
浸、焼成、CVIによりカーボンを含浸したマトリック
スからなる材料である。C/C複合基材の種類は製品の
用途に合せて適当に選択する。例えば、半導体製造具と
しては密度が1.60〜1.85g/cm3 で2次元材
または短繊維系のものが用いられ、また、航空宇宙用耐
熱材としては密度が1.70〜1.85g/cm3 で1
次元の積層構造のものが用いられる。C/C複合基材の
厚さは半導体用が10〜30mmで、航空用が1〜10
mmであることが望ましい。
【0017】緻密なSiC被膜の厚さは20〜2000
μmが望ましい。20μ未満であると表面の被覆が不充
分で耐酸化性に劣ってしまう。また2000μmを超え
ると使用に際しSiC被覆の歪が大きくなり、クラッ
ク、剥離を生じ易い。より望ましくは40〜120μm
である。
【0018】図示例 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。
【0019】密度1.8g/cm3 、PAN系2次元の
黒鉛繊維を含有するC/C複合基材5(2×5×30m
m)を反応炉内に設置し、反応温度1500℃で反応ガ
スとしてSiCl4 ,CH4 及びH2 を流し、蒸着スピ
ード1〜10μm/hrでCVD反応を行い、厚さ20
μm、孔径1〜50μmの多孔性のSiC被膜3を形成
した。
【0020】ついで、反応温度1500℃で反応ガスと
してSiOガスを流し、C/C複合基材1の表層部にけ
い化処理を施し、厚さ200μmの強化層4を形成し
た。このけい化処理に際し、多孔性のSiC被膜3はマ
スクとして機能する。多孔性SiC被膜3によって強化
層4の表層部におけるけい化が適度に抑制され、けい化
度100%の領域は形成されず、C/C複合基材の表層
部が選択的に深部までけい化される。図1では強化層4
におけるけい化部分を符号9で示した。また、反応等は
未だ充分解明されていないが、C充填物の方が繊維より
選択的にけい化され、繊維8のけい化はその表層部でわ
ずかに表面にとどまり、中心部までには達していない。
けい化部は0.05〜0.1μmのSiC微結晶層とな
る。強化層4では、けい化部分9の総断面積がけい化さ
れていないC繊維8の総断面積の約1倍になっている。
また、強化層4の厚さはSiC層2の厚さの約8〜10
倍、C繊維10の直径の約10倍になっている。図1の
例では強化層4とC/C複合基材5の境界が平面になっ
ているが、実際には図2に示すように凹凸になる。
【0021】上記けい化処理後、反応温度1300℃で
反応ガスとしてメチルトリクロロシラン(MTCS)と
2 を流し、蒸着スピード5〜10μm/hrでCVD
反応を行い、厚さ80μmの緻密なSiC柱状結晶から
なる被膜2を形成した。柱状結晶の径は5μmである。
このSiC被膜2は、表層部のけい化層及び多孔性のS
iC被膜3と一体となっている。
【0022】得られたSiC被覆C/C複合材は、以下
に述べるヒートサイクルテストを施したがマイクロクラ
ックは全く発生せず、また剥離も生じなかった。
【0023】ヒートサイクルテストは、試験片を120
0℃まで昇温した炉内に挿入し、2分間保持した後、炉
外(室温約25℃)へ取り出す操作を繰り返し行うもの
で、5回おきにその表面状態を目視により観察し、50
回まで行った。
【0024】また、曲げ強度を測定したところ、65M
Paであった。
【0025】比較例 実験例と同様のC/C複合基材を反応炉内に納置し、反
応温度1500℃で反応ガスとしてSiOガスを流し、
C/C複合基材の表層部にけい化処理を施し、厚さ20
0μmのけい化層を形成した。このけい化処理によっ
て、けい化度100%領域が表面から80〜120μm
の深さで全面に亘って形成された。
【0026】ついで、反応温度1300℃で反応ガスと
してMTCS+H2を流し、蒸着スピード5〜10μm
/hrでCVD反応を行い、厚さ80μmの緻密なSi
C被膜を形成した。
【0027】得られたSiC被覆C/C複合体は、5回
のヒートサイクルテストでマイクロクラックが多数発生
し、SiC被膜が剥離した。また、曲げ強度を測定した
ところ、35MPaであった。
【0028】従って、本発明に係る実施例によるもの
は、耐熱衝撃性に優れていると共に、強度も優れている
ことがわかる。
【0029】
【発明の効果】本発明のSiC被覆C/C複合材におい
ては、強化層によってC/C複合基材とSiC被膜のマ
ッチングが良好に行われているので、耐熱衝撃性に優
れ、機械的強度も充分に高い。従って、本発明のSiC
被覆C/C複合材は従来品にくらべて高品質であって耐
用寿命が飛躍的に長い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のSiC被覆C/C複合材の実施例を模
式的に示した断面図。
【図2】本発明のSiC被覆C/C複合材の実施例を示
す断面図。
【符号の説明】
1 SiC被覆C/C複合材 2 SiC柱状結晶被膜 3 多孔質SiC被膜 4 強化層 5 C/C複合基材 6 SiC柱状結晶 8 表層のみがけい化されたC繊維 9 けい化部 10 C繊維 11 境界
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C04B 35/83 C04B 35/80 B (72)発明者 菅井 照夫 山形県西置賜郡小国町大字小国町378番 地 東芝セラミックス株式会社小国製造 所内 (72)発明者 小池 弘明 山形県西置賜郡小国町大字小国町378番 地 東芝セラミックス株式会社小国製造 所内 (72)発明者 保立 四郎 東京都新宿区西新宿1―26―2 東芝セ ラミックス株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 41/80 - 41/91

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 C繊維を含むC/C複合基材にSiC層
    を被覆したSiC被覆C/C複合材において、C/C複
    合基材とSiC層の間に強化層を設け、強化層がC/C
    複合基材を部分的にけい化処理することによって構成さ
    れていて、強化層の厚さがSiC層の厚さの7/10〜
    10/7倍でありかつC繊維直径の10〜30倍であっ
    て、強化層におけるけい化部分の総断面積がけい化され
    ていないC繊維の総断面積の1/9〜1倍であることを
    特徴とするSiC被覆C/C複合材。
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