JPH08188469A - Composite material of silicon carbide matrix and fiber and its production - Google Patents
Composite material of silicon carbide matrix and fiber and its productionInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は炭化珪素(SiC)基繊
維複合材料に係り、特に強度および破壊エネルギーを改
善した信頼性が高い炭化珪素基繊維複合材料およびその
特性を得るための効果的な製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon carbide (SiC) -based fiber composite material, and more particularly, to a silicon carbide-based fiber composite material having improved strength and fracture energy and having high reliability, and effective for obtaining the characteristics thereof. It relates to a manufacturing method.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般にセラミックス焼結体は、高温まで
強度低下が少なく、硬度,電気絶縁性,耐摩耗性,耐熱
性,耐腐食性,軽量性等の諸特性が従来の金属材と比較
して優れているため、重電設備部品,航空機部品,自動
車部品,電子機器,精密機械部品,半導体装置材料など
の電子用材料や構造用材料として広い分野において使用
されている。2. Description of the Related Art Generally, a ceramic sintered body has little strength decrease up to a high temperature, and has various characteristics such as hardness, electric insulation, wear resistance, heat resistance, corrosion resistance, and lightness as compared with conventional metal materials. Since it is excellent, it is used in a wide range of fields as electronic materials and structural materials such as heavy electric equipment parts, aircraft parts, automobile parts, electronic devices, precision machine parts, and semiconductor device materials.
【0003】しかし、セラミックス焼結体は、圧縮に比
べ引張の応力に弱く、特にこの引張応力下では破壊が一
気に進行する、いわゆる脆性という欠点を有している。
このようなことから、高信頼性が要求される部位へのセ
ラミックス部品の適用を可能にするために、セラミック
ス焼結体の高靭性化や破壊エネルギーの増大化を図るこ
とが強く求められている。However, the ceramics sintered body is weaker in tensile stress than in compression, and has a defect of so-called brittleness, in which fracture progresses at a stretch under this tensile stress.
For this reason, in order to enable the application of ceramic parts to parts requiring high reliability, it is strongly required to increase the toughness and increase the fracture energy of the ceramic sintered body. .
【0004】すなわちガスタービン部品,航空機部品,
自動車部品等に使用されるセラミックス構造部品には耐
熱性および高温強度に加えて高い信頼性が要求される。
そのため無機物質や金属から成る繊維,ウィスカー,プ
レート,粒子等の複合素材をマトリックス焼結体に分散
複合化させて靭性値や破壊エネルギー値等を高めたセラ
ミックス基複合材料の実用化研究が内外の研究機関等に
おいて進められている。That is, gas turbine parts, aircraft parts,
Ceramic structural parts used for automobile parts and the like are required to have high reliability in addition to heat resistance and high temperature strength.
For this reason, research on the practical application of ceramic-based composite materials in which composite materials such as fibers, whiskers, plates, and particles made of inorganic substances and metals are dispersed and composited in a matrix sintered body to increase the toughness value and fracture energy value, etc. It is being promoted in research institutions.
【0005】例えば直径が10μm前後のセラミックス
長繊維を、通常、数百本〜数千本束ねて繊維束(ヤー
ン)を形成し、この繊維束を二次元または三次元方向に
配列して一方向シート(UDシート:Uni-direction sh
eet )や各種クロスとしたり、また上記シートやクロス
を積層したりすることにより所定形状の予備成形体(繊
維プリフォーム)を形成し、この予備成形体の内部に、
CVI法(ChemicalVaper Infiltration method :化学
的気相含浸法)やプリカーサ含浸・無機化法などによっ
てマトリックスを形成したり、または上記予備成形体内
部にセラミックス粉末を鋳込み成形法によって充填した
後に焼結することによりマトリックスを形成して、セラ
ミックスマトリックス中に繊維を複合化したセラミック
ス基繊維複合材料が開発されている。For example, several hundred to several thousand ceramic long fibers having a diameter of about 10 μm are usually bundled to form a fiber bundle (yarn), and the fiber bundle is arranged in a two-dimensional or three-dimensional direction to form one direction. Seat (UD seat: Uni-direction sh
eet) or various cloths, or by laminating the above-mentioned sheets or cloths, a preformed body (fiber preform) having a predetermined shape is formed, and inside the preformed body,
Forming a matrix by CVI (Chemical Vaper Infiltration method) or precursor impregnation / mineralization method, or filling the above-mentioned preform with ceramic powder by a casting method and then sintering. A ceramic-based fiber composite material has been developed in which a matrix is formed according to the above and the fibers are compounded in the ceramic matrix.
【0006】ここで上記セラミックス繊維は、直径10
μm前後の繊維素材として量産され、この繊維素材を通
常数百本〜数千本単位で束ねた繊維束(ヤーン)として
市販供給されている。前記一方向シートや各種クロス
(織物)は上記繊維束(ヤーン)を織り上げて形成され
る。Here, the ceramic fiber has a diameter of 10
It is mass-produced as a fiber material having a size of about μm and is commercially available as a fiber bundle (yarn) obtained by bundling the fiber material in units of several hundreds to several thousands. The unidirectional sheet and various cloths (woven fabric) are formed by weaving the fiber bundle (yarn).
【0007】したがって、図3に示すように、従来のセ
ラミックス基繊維複合材料1は、ミクロ的に見ると多数
のセラミックス繊維2を束ねて形成した繊維束3をセラ
ミックスマトリックス4中に配置した構造を有する。つ
まり複合材料1中に配置されるセラミックス繊維2は、
数百本〜数千本が緻密に集合した繊維束3を一単位とし
てマトリックス4中に分散配置されている。Therefore, as shown in FIG. 3, the conventional ceramic matrix fiber composite material 1 has a structure in which a fiber bundle 3 formed by bundling a large number of ceramic fibers 2 is arranged in a ceramic matrix 4 when viewed microscopically. Have. That is, the ceramic fibers 2 arranged in the composite material 1
The fiber bundle 3 in which several hundreds to several thousands are densely assembled is set as a unit and dispersed in the matrix 4.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように繊維束をマトリックス中に配置した従来のセラミ
ックス基繊維複合材料では、密に集合した繊維束内部へ
のマトリックスの充填率が低くなる場合があり、複合材
料全体としては、セラミックス繊維が多い部分と、マト
リックス分率が高いモノリシックな部分とが混在し、い
ずれにしろマトリックス充填率は不均一になり、マトリ
ックスの初期破壊強度が低い問題があった。特に繊維が
多い部分とモノリシックな部分とにおける破壊機構の差
が無視できない程に増大化するため、クラック発生後に
おける材料の破壊エネルギーが小さくなり、高い信頼性
が得られないという問題点があった。However, in the conventional ceramic-based fiber composite material in which the fiber bundles are arranged in the matrix as described above, the filling rate of the matrix in the densely gathered fiber bundles may be low. However, in the composite material as a whole, there are mixed ceramic fibers and monolithic parts with a high matrix fraction. It was In particular, the difference in the fracture mechanism between the fiber-rich portion and the monolithic portion increases to a non-negligible level, and the fracture energy of the material after cracking becomes small, resulting in a problem that high reliability cannot be obtained. .
【0009】また複数本のセラミックス繊維を繊維束と
して含む従来のセラミックス基繊維複合材料において
は、複合材料の全体構造のうち繊維体積率や繊維の方向
性などのマクロな構造を規定するものが大部分であり、
上記のように繊維束の内部におけるセラミックス繊維や
マトリックスの分布などのミクロ構造まで規定して複合
材料の各種特性を比較評価している例は極めて少ない。In the conventional ceramic-based fiber composite material containing a plurality of ceramic fibers as a fiber bundle, most of the overall composite material structure defines a macroscopic structure such as a fiber volume ratio and a fiber directionality. Part,
As described above, there are very few examples in which various characteristics of the composite material are comparatively evaluated by defining the microstructure such as the distribution of the ceramic fibers and the matrix inside the fiber bundle.
【0010】本発明者らの知見によれば、セラミックス
基繊維複合材料の強度および破壊エネルギーは、マクロ
構造としての繊維束(ヤーン)の分布状態は勿論のこ
と、ミクロ構造としての繊維束内におけるセラミックス
繊維(モノフィラメント)の分布状態に大きな影響を受
けるという事実が判明している。しかしながら、従来の
複合材料の製造方法においては、予め多数本のセラミッ
クス繊維を密に束ねた繊維束を使用しているため、繊維
束内部におけるセラミックス繊維間の間隙を一定に制御
してミクロ構造を規定することは実質的に不可能であっ
た。したがって、繊維束内には充分にマトリックスが形
成されにくいため、繊維とマトリックスとの結合力や両
者間のすべり抵抗に基づく複合材料の強度や破壊エネル
ギーが不充分となり、いずれにしても複合材料全体とし
ての耐久性が低く実用部品に適用することが困難となる
問題があった。According to the findings of the present inventors, the strength and fracture energy of the ceramic-based fiber composite material are not limited to the distribution state of the fiber bundle (yarn) as a macrostructure, but also within the fiber bundle as a microstructure. It is known that the distribution state of ceramic fibers (monofilament) is greatly affected. However, in the conventional method for manufacturing a composite material, since a fiber bundle in which a large number of ceramic fibers are tightly bundled in advance is used, the gap between the ceramic fibers inside the fiber bundle is controlled to be constant to form a microstructure. It was virtually impossible to prescribe. Therefore, since the matrix is not easily formed in the fiber bundle, the strength and fracture energy of the composite material based on the binding force between the fiber and the matrix and the slip resistance between the two become insufficient, and in any case, the entire composite material As a result, there is a problem that the durability is low and it is difficult to apply it to practical parts.
【0011】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、特にミクロ構造としての繊維束内に
おけるセラミックス繊維の分布状態を改善し、セラミッ
クス繊維間の間隙を適正に設定することにより、強度お
よび破壊エネルギーを共に改善した信頼性が高い炭化珪
素基繊維複合材料と、その構造を得るための効果的な製
造方法とを提供することを目的とする。The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and particularly, to improve the distribution state of ceramic fibers in a fiber bundle having a microstructure and to properly set the gap between the ceramic fibers. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a highly reliable silicon carbide-based fiber composite material having improved strength and fracture energy, and an effective manufacturing method for obtaining the structure.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願発明者らは、繊維束の内部においても充分なマ
トリックスが形成されるようなミクロ構造を実現するた
めに、繊維束内において隣接するセラミックス繊維の間
隙を制御する方法を種々検討した。その結果、複数のセ
ラミックス繊維とカーボン繊維または有機高分子繊維と
を束ねて繊維束(ヤーン)を形成し、その繊維束を使用
して予備成形体(繊維プリフォーム)を形成し、この予
備成形体の内外部に反応焼結によって炭化珪素(Si
C)マトリックスを形成したときに、繊維束内で隣接す
るセラミックス繊維の間隙を任意に調整することが可能
となった。特に、この間隙をセラミックス繊維の半径以
上に設定したときに、繊維束内の隣接するセラミックス
繊維間に充分なSiCマトリックスを均質に形成するこ
とが初めて可能になり、セラミックス繊維とマトリック
スとの分散状態のばらつきが減少し、複合材料全体とし
ての初期破壊強度を大幅に改善できるという知見を得
た。また繊維束を構成する全てのセラミックス繊維がマ
トリックスと界面を形成するため、初期亀裂進展後にお
けるセラミックス繊維の引抜き(pull-out)抵抗の増大
化に全てのセラミックス繊維が寄与することとなる。さ
らにセラミックス繊維とマトリックスとの界面における
すべり抵抗も増大するため、破壊エネルギーが増大化し
た炭化珪素基繊維複合材料が初めて得られるという知見
を得た。本発明は上記知見に基づいて完成されたもので
ある。In order to achieve the above-mentioned object, the inventors of the present invention have made adjacent fibers within a fiber bundle in order to realize a microstructure in which a sufficient matrix is formed even inside the fiber bundle. Various methods of controlling the gap between the ceramic fibers were investigated. As a result, a plurality of ceramic fibers and carbon fibers or organic polymer fibers are bundled to form a fiber bundle (yarn), and the fiber bundle is used to form a preform (fiber preform). Silicon carbide (Si
C) When the matrix was formed, it became possible to arbitrarily adjust the gap between the adjacent ceramic fibers in the fiber bundle. In particular, when this gap is set to be equal to or larger than the radius of the ceramic fibers, it becomes possible for the first time to form a sufficient SiC matrix uniformly between the adjacent ceramic fibers in the fiber bundle, and the dispersed state of the ceramic fibers and the matrix becomes possible. It has been found that the variation of γ is reduced and the initial fracture strength of the composite material as a whole can be significantly improved. Further, since all the ceramic fibers constituting the fiber bundle form an interface with the matrix, all the ceramic fibers contribute to the increase in pull-out resistance of the ceramic fibers after the initial crack growth. Further, since the slip resistance at the interface between the ceramic fiber and the matrix is also increased, it was found for the first time that a silicon carbide-based fiber composite material with increased fracture energy can be obtained. The present invention has been completed based on the above findings.
【0013】すなわち本発明に係る炭化珪素基繊維複合
材料は、複数のセラミックス繊維を束ねて形成した繊維
束を、反応焼結炭化珪素から成るマトリックス中に配置
した炭化珪素基繊維複合材料において、上記繊維束内で
隣接するセラミックス繊維の平均間隙を、セラミックス
繊維径の1/2以上に設定したことを特徴とする。また
セラミックス繊維の表面に窒化ほう素(BN)から成る
すべり層を形成することが望ましい。さらに複合材料中
におけるセラミックス繊維の含有割合は、5〜55体積
%に設定するとよい。That is, the silicon carbide-based fiber composite material according to the present invention is a silicon carbide-based fiber composite material in which a fiber bundle formed by bundling a plurality of ceramic fibers is arranged in a matrix made of reaction-bonded silicon carbide. It is characterized in that the average gap between adjacent ceramic fibers in the fiber bundle is set to ½ or more of the diameter of the ceramic fibers. Further, it is desirable to form a sliding layer made of boron nitride (BN) on the surface of the ceramic fiber. Further, the content ratio of the ceramic fibers in the composite material may be set to 5 to 55% by volume.
【0014】ここで上記炭化珪素基繊維複合材料のマト
リックスを構成するセラミックスとしては、反応焼結法
によって形成される炭化けい素(SiC)を採用してい
る。一般に炭化珪素(SiC)焼結体を反応焼結法によ
って形成する場合には、カーボンブラック粉末等の炭素
源と骨材成分との原料混合体を所定形状に成形し、得ら
れた成形体を加熱しながら成形体中に溶融Siを含浸さ
せて炭素源とSi成分とを反応させて緻密なSiC焼結
体を形成している。Here, silicon carbide (SiC) formed by a reaction sintering method is adopted as the ceramics constituting the matrix of the above-mentioned silicon carbide based fiber composite material. Generally, when a silicon carbide (SiC) sintered body is formed by a reaction sintering method, a raw material mixture of a carbon source such as carbon black powder and an aggregate component is formed into a predetermined shape, and the obtained formed body is obtained. Molten Si is impregnated into the compact while being heated to react the carbon source with the Si component to form a dense SiC sintered body.
【0015】しかるに本願発明では、セラミックス繊維
間に介在させたカーボン繊維または有機高分子繊維を、
反応焼結に必要な炭素源として使用している。すなわち
上記カーボン繊維は溶融Si成分と反応焼結すると、S
iCマトリックスとなる。一方、有機高分子繊維は簡単
な熱処理によって炭化し、反応焼結に必要な炭素源に転
化できる。炭化した有機高分子繊維もSi成分と反応焼
結して、同様にSiCマトリックスとなる。However, in the present invention, carbon fibers or organic polymer fibers interposed between ceramic fibers are
It is used as a carbon source necessary for reaction sintering. That is, when the carbon fiber is reacted and sintered with the molten Si component, S
It becomes an iC matrix. On the other hand, organic polymer fibers can be carbonized by a simple heat treatment and converted into a carbon source necessary for reaction sintering. The carbonized organic polymer fibers also react and sinter with the Si component, and similarly become a SiC matrix.
【0016】また上記カーボン繊維および有機高分子繊
維は、共に繊維束内において隣接するセラミックス繊維
間の間隙を制御する機能も有する。すなわち、従来のよ
うにセラミックス繊維のみによって繊維束(ヤーン)を
形成した場合においては、図3に示すようにセラミック
ス繊維2,2同士がほぼ密着した状態になるが、セラミ
ックス繊維間に上記カーボン繊維または有機高分子繊維
を介在させることにより、繊維束内においてセラミック
ス繊維間に間隙を容易に確保することができる。この間
隙値は、セラミックス繊維とカーボン繊維または有機高
分子繊維との配合比を変えることによって任意に設定す
ることができる。Both the carbon fiber and the organic polymer fiber also have a function of controlling the gap between the adjacent ceramic fibers in the fiber bundle. That is, when the fiber bundle (yarn) is formed only by the ceramic fibers as in the prior art, the ceramic fibers 2 and 2 are in close contact with each other as shown in FIG. Alternatively, by interposing the organic polymer fiber, it is possible to easily secure a gap between the ceramic fibers in the fiber bundle. This gap value can be arbitrarily set by changing the compounding ratio of the ceramic fiber and the carbon fiber or the organic polymer fiber.
【0017】セラミックス繊維間に介在させたカーボン
繊維および有機高分子繊維は、Si成分の反応焼結によ
って最終的にSiCマトリックスとなる。したがって、
繊維束内の各セラミックス繊維間にも充分にSiCマト
リックスが形成され、複合材料全体の初期破壊強度を高
めることができ、かつ初期亀裂進展後におけるセラミッ
クス繊維の引抜き(pull-out)の抵抗およびマトリック
スとの界面でのすべり抵抗を増大化させることができ、
破壊エネルギー値が大きいSiC基繊維複合材料が得ら
れる。The carbon fiber and the organic polymer fiber interposed between the ceramic fibers finally become a SiC matrix by the reaction sintering of the Si component. Therefore,
A SiC matrix is sufficiently formed between the ceramic fibers in the fiber bundle, the initial fracture strength of the composite material as a whole can be enhanced, and the pull-out resistance and matrix of the ceramic fibers after the initial crack growth. It is possible to increase the slip resistance at the interface with
A SiC-based fiber composite material having a large breaking energy value can be obtained.
【0018】またマトリックス中に配置される繊維束は
複合材料の靭性を高めるために所定量複合化される。上
記繊維束は、直径10μm前後の微細なセラミックス繊
維とカーボン繊維または有機高分子繊維とを数百本〜数
千本程度束ねて直径0.1〜1.0mm程度の繊維束とし
た後に、この繊維束を2次元方向または3次元方向に編
み上げて形成した一方向シート,クロス(織物)または
予備成形体(繊維プリフォーム)として使用される。上
記有機高分子繊維としては、例えばポリエステル繊維な
どの各種合成繊維や天然繊維を使用することができる。The fiber bundles arranged in the matrix are compounded in a predetermined amount in order to enhance the toughness of the composite material. The fiber bundle is prepared by bundling hundreds to thousands of fine ceramic fibers having a diameter of about 10 μm and carbon fibers or organic polymer fibers into a fiber bundle having a diameter of 0.1 to 1.0 mm. It is used as a unidirectional sheet, a cloth (woven fabric) or a preform (fiber preform) formed by knitting a fiber bundle in a two-dimensional direction or a three-dimensional direction. As the organic polymer fibers, various synthetic fibers such as polyester fibers and natural fibers can be used.
【0019】また上記繊維束を構成するセラミックス繊
維の材質は、特に限定されるものではなく、種々のセラ
ミックス繊維を用いることができる。このようなセラミ
ックス繊維の具体例としては、炭化けい素系繊維(Si
C,Si−C−O,Si−Ti−C−O等),SiC被
覆繊維(芯線は例えばC),アルミナ繊維,ジルコニア
繊維,ボロン繊維,窒化けい素系繊維,Si3 N4 被覆
繊維(芯線は例えばC)およびムライト繊維等があり、
これらから選択された少なくとも一種を使用するとよ
い。The material of the ceramic fibers constituting the fiber bundle is not particularly limited, and various ceramic fibers can be used. Specific examples of such ceramic fibers include silicon carbide-based fibers (Si
C, SiC-O, Si- Ti-C-O and the like), SiC-coated fibers (core wire, for example C), alumina fibers, zirconia fibers, boron fibers, silicon Motokei nitride fibers, Si 3 N 4 coated fibers ( The core wire includes, for example, C) and mullite fiber,
It is preferable to use at least one selected from these.
【0020】上記繊維束内で隣接するセラミックス繊維
間の平均間隙の大小は、複合材料の初期破壊強度,破壊
抵抗および剥離強度に大きな影響を及ぼすことが、本願
発明者らの実験研究により明らかになり、本願発明で
は、上記セラミックス繊維間の平均間隙は、セラミック
ス繊維径の1/2以上に設定される。ここで、隣接した
セラミックス繊維間の平均間隙または最近接したセラミ
ックス繊維間の平均間隔は、図2に示すように複合材料
1a中の繊維束の垂直断面の研磨面に露出した繊維束3
bの中から10対のセラミックス繊維2,2をサンプリ
ングして、その間隙値W1,W2,…W10の算術平均
で表すものとする。この繊維束内におけるセラミックス
繊維間の平均間隙がセラミックス繊維径の1/2未満と
なる場合においては、セラミックス繊維間に充分な炭素
源を配置することができず、反応焼結によって繊維束内
において充分なSiCマトリックスを形成することが困
難となり、強度および破壊エネルギーが大きな複合材料
が得られにくい。一方、平均間隙がセラミックス繊維径
の1/2以上に設定した場合には、セラミックス繊維間
に形成される反応焼結SiCマトリックスが充分とな
り、複合材料全体としての初期破壊強度を高めることが
できる。また繊維束を構成する全てのセラミックス繊維
がSiCマトリックスと結合する構造となるため、界面
におけるすべり抵抗も大きくなり、複合材料の破壊エネ
ルギーを高めることができる。It is apparent from the experiments conducted by the inventors of the present application that the size of the average gap between the adjacent ceramic fibers in the fiber bundle has a great influence on the initial fracture strength, fracture resistance and peel strength of the composite material. Therefore, in the present invention, the average gap between the ceramic fibers is set to ½ or more of the diameter of the ceramic fibers. Here, the average gap between the adjacent ceramic fibers or the average gap between the closest ceramic fibers is, as shown in FIG. 2, the fiber bundle 3 exposed on the polishing surface of the vertical section of the fiber bundle in the composite material 1a.
It is assumed that 10 pairs of ceramic fibers 2 and 2 are sampled from b and are represented by the arithmetic mean of the gap values W1, W2, ... W10. When the average gap between the ceramic fibers in this fiber bundle is less than 1/2 of the ceramic fiber diameter, a sufficient carbon source cannot be arranged between the ceramic fibers, and reaction sintering causes It becomes difficult to form a sufficient SiC matrix, and it is difficult to obtain a composite material having high strength and breaking energy. On the other hand, when the average gap is set to 1/2 or more of the ceramic fiber diameter, the reaction-sintered SiC matrix formed between the ceramic fibers becomes sufficient, and the initial fracture strength of the composite material as a whole can be increased. Further, since all the ceramic fibers constituting the fiber bundle have a structure in which they are bonded to the SiC matrix, the sliding resistance at the interface also becomes large, and the fracture energy of the composite material can be increased.
【0021】繊維束を編み上げて形成した一方向シー
ト,繊維織物,繊維プリフォームは、複合材料全体に対
して繊維体積率(Vf)で5%以上の割合となるように
マトリックス中に配置される。しかしながら繊維体積率
が55%を超える過量となると、各セラミックス繊維の
周囲にSiCマトリックスを均一に配置することが困難
になり、空隙など欠陥の発生に伴い複合材料の強度特性
が急激に低下してしまう。したがって繊維複合効果が有
効に現れる好ましい添加量は20〜40体積%の範囲で
ある。The unidirectional sheet formed by knitting the fiber bundle, the fiber woven fabric, and the fiber preform are arranged in the matrix so that the fiber volume ratio (Vf) is 5% or more with respect to the whole composite material. . However, if the fiber volume ratio exceeds 55%, it becomes difficult to uniformly dispose the SiC matrix around each ceramic fiber, and the strength characteristics of the composite material are rapidly deteriorated due to the occurrence of defects such as voids. I will end up. Therefore, the preferable addition amount in which the fiber composite effect effectively appears is in the range of 20 to 40% by volume.
【0022】繊維束の径は、成形体中における繊維束の
分散性および配向性さらには複合材料の強度特性に大き
く影響を及ぼすものであり、本発明では直径が0.1mm
〜1.0mmの連続繊維束を使用する。直径が0.1mm未
満の場合には靭性向上効果が小さく、また直径が1.0
mmを超える太い繊維束では、形状付与性が悪化する場合
があるとともに短い領域でクラック進行を有効に抑制す
ることが困難になる。The diameter of the fiber bundle has a great influence on the dispersibility and orientation of the fiber bundle in the molded product and further on the strength characteristics of the composite material. In the present invention, the diameter is 0.1 mm.
Use ~ 1.0 mm continuous fiber bundles. If the diameter is less than 0.1 mm, the toughness improving effect is small, and the diameter is 1.0
If the fiber bundle is thicker than mm, the shape-imparting property may deteriorate, and it becomes difficult to effectively suppress the progress of cracks in a short region.
【0023】すなわち、直径が0.1mm〜1.0mmの連
続繊維束を用いることによって、良好な形状付与性能を
維持しつつ、繊維複合による靭性改良効果を充分に確保
することが可能となる。但し、このような繊維束の体積
率が5%未満であると、靭性改善効果が充分に発揮され
ず、また形状付与性能も低下するため、繊維束の体積率
は5%以上とすることが好ましい。That is, by using a continuous fiber bundle having a diameter of 0.1 mm to 1.0 mm, it becomes possible to sufficiently secure the effect of improving the toughness by the fiber composite while maintaining a good shape imparting performance. However, if the volume percentage of such a fiber bundle is less than 5%, the toughness improving effect is not sufficiently exerted and the shape-imparting performance is also deteriorated. Therefore, the volume percentage of the fiber bundle may be 5% or more. preferable.
【0024】また上記セラミックス繊維とマトリックス
との間の反応による強固な固着を防止するため、または
両者の界面におけるすべりを改善するために、セラミッ
クス繊維表面に厚さ0.05〜2μm程度のすべり層を
形成するとよい。このすべり層はセラミックス繊維表面
に窒化ほう素(BN)をコーティングして形成される。Further, in order to prevent strong adhesion due to the reaction between the ceramic fiber and the matrix or to improve the slippage at the interface between the two, a slipping layer having a thickness of about 0.05 to 2 μm is formed on the surface of the ceramic fiber. Should be formed. This sliding layer is formed by coating the surface of ceramic fibers with boron nitride (BN).
【0025】上記すべり層によりセラミックス繊維と、
マトリックスとの間の結合強度が最適化され、この最適
な結合強度に起因して初期破断後における保持強度が高
く維持でき、靭性値が高い複合材料が得られる。By the above-mentioned sliding layer, ceramic fibers and
The bond strength with the matrix is optimized, and due to this optimum bond strength, the holding strength after the initial fracture can be maintained high, and a composite material having a high toughness value can be obtained.
【0026】また複合材料の全表面に、繊維を含まない
モノリシックセラミックスのみから成る厚さ50μm以
上の単体層を一体に形成し、繊維および繊維とマトリッ
クスとの界面部が表面に露出しないように構成すること
により、繊維の露出による酸化劣化および強度低下を防
止することができる。さらに繊維表面に形成したすべり
層を構成するBN成分の酸化によるすべり機能の低下が
防止でき、複合材料の高温強度特性の劣化を効果的に防
止することができる。上記モノリシックセラミックス単
体層を厚さ500μm以下に形成することにより、上記
強度低下防止機能を十分に発揮できる。Further, a single layer having a thickness of 50 μm or more, which is made of only monolithic ceramics containing no fibers, is integrally formed on the entire surface of the composite material so that the fibers and the interface between the fibers and the matrix are not exposed on the surface. By doing so, it is possible to prevent oxidative deterioration and strength reduction due to the exposure of the fibers. Further, it is possible to prevent the slip function from being deteriorated due to the oxidation of the BN component constituting the slip layer formed on the fiber surface, and to effectively prevent the deterioration of the high temperature strength characteristics of the composite material. By forming the monolithic ceramic simple substance layer to a thickness of 500 μm or less, the strength reduction preventing function can be sufficiently exhibited.
【0027】上記マトリックス中に繊維束を配置した炭
化珪素基繊維複合材料は、例えば以下のように製造され
る。すなわち反応焼結用の炭素源としてカーボン繊維を
使用したSiC基繊維複合材料の製造方法は、複数のセ
ラミックス繊維およびカーボン繊維を束ねた繊維束を使
用して所定形状の繊維プリフォームを形成し、珪素およ
び炭素源を含有するマトリックス出発原料を上記繊維プ
リフォームに含浸せしめて所定形状の成形体を形成し、
得られた成形体を真空中または不活性ガス雰囲気中で1
400〜1550℃の温度範囲で加熱することにより珪
素と炭素源およびカーボン繊維との反応焼結を行って炭
化珪素から成るマトリックスを形成し、上記繊維プリフ
ォームとマトリックスとを一体に複合化することを特徴
とする。The silicon carbide based fiber composite material in which the fiber bundles are arranged in the matrix is manufactured as follows, for example. That is, a method for producing a SiC-based fiber composite material using carbon fibers as a carbon source for reaction sintering, a fiber preform having a predetermined shape is formed by using a fiber bundle obtained by bundling a plurality of ceramic fibers and carbon fibers, A matrix starting material containing a silicon and a carbon source is impregnated into the fiber preform to form a molded article having a predetermined shape,
The molded body obtained is vacuumed or in an inert gas atmosphere.
Reacting and sintering silicon, a carbon source, and carbon fibers by heating in a temperature range of 400 to 1550 ° C. to form a matrix composed of silicon carbide, and integrally combining the fiber preform and the matrix. Is characterized by.
【0028】一方、反応焼結用の炭素源として有機高分
子繊維を使用したSiC基繊維複合材料の製造方法は、
複数のセラミックス繊維および有機高分子繊維を束ねた
繊維束を使用して所定形状の繊維プリフォームを形成
し、珪素および炭素源を含有するマトリックス出発原料
を上記繊維プリフォームに含浸せしめて所定形状の成形
体を形成し、得られた成形体を500〜1000℃の温
度範囲で非酸化性雰囲気中で熱処理することにより上記
有機高分子繊維を炭化した後に、真空中または不活性ガ
ス雰囲気中で1400〜1550℃の温度範囲で加熱す
ることにより珪素と炭素源および炭化した有機高分子繊
維との反応焼結を行って炭化珪素から成るマトリックス
を形成し、上記繊維プリフォームとマトリックスとを一
体に複合化することを特徴とする。On the other hand, a method for producing a SiC-based fiber composite material using an organic polymer fiber as a carbon source for reaction sintering is as follows.
A fiber preform having a predetermined shape is formed by using a fiber bundle obtained by bundling a plurality of ceramic fibers and organic polymer fibers, and the matrix starting material containing a silicon and carbon source is impregnated into the fiber preform to obtain a predetermined shape. After forming a molded body and heat-treating the molded body in a temperature range of 500 to 1000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere to carbonize the organic polymer fibers, 1400 in a vacuum or an inert gas atmosphere. By heating in a temperature range of ˜1550 ° C., silicon and carbon source and carbonized organic polymer fibers are reacted and sintered to form a matrix made of silicon carbide, and the fiber preform and the matrix are integrally combined. It is characterized by
【0029】[0029]
【作用】上記構成に係る炭化珪素基繊維複合材料および
その製造方法によれば、焼結前の繊維束を構成するセラ
ミックス繊維とカーボン繊維または有機高分子繊維との
配合比を変えることによって繊維束内で隣接するセラミ
ックス繊維の平均間隙を任意に調整することが可能とな
る。特に、この平均間隙をセラミックス繊維径の1/2
以上に設定しているため、繊維束内の隣接するセラミッ
クス繊維間に充分なSiCマトリックスを形成すること
が初めて可能になる。したがってセラミックス繊維とマ
トリックスとの分散状態のばらつきが減少し、複合材料
全体としての初期破壊強度を大幅に改善できる。また繊
維束を構成する全てのセラミックス繊維がマトリックス
と結合するため、初期亀裂進展後におけるセラミックス
繊維の引抜き(pull-out)抵抗の増大化に全てのセラミ
ックス繊維が寄与することとなる。さらにセラミックス
繊維とマトリックスとの界面におけるすべり抵抗も増大
するため、破壊エネルギーが増大化した炭化珪素基繊維
複合材料を提供することができる。According to the silicon carbide-based fiber composite material and the method for producing the same according to the above-mentioned structure, the fiber bundle can be obtained by changing the compounding ratio of the ceramic fiber and the carbon fiber or the organic polymer fiber constituting the fiber bundle before sintering. It is possible to arbitrarily adjust the average gap between adjacent ceramic fibers. Especially, this average gap should be 1/2 of the ceramic fiber diameter.
Because of the above settings, it becomes possible for the first time to form a sufficient SiC matrix between the adjacent ceramic fibers in the fiber bundle. Therefore, the dispersion of the dispersion state of the ceramic fibers and the matrix is reduced, and the initial fracture strength of the composite material as a whole can be significantly improved. Further, since all the ceramic fibers forming the fiber bundle are bonded to the matrix, all the ceramic fibers contribute to the increase in pull-out resistance of the ceramic fibers after the initial crack growth. Further, since the slip resistance at the interface between the ceramic fiber and the matrix also increases, it is possible to provide a silicon carbide-based fiber composite material having an increased fracture energy.
【0030】[0030]
【実施例】以下本発明の実施例について添付図面を参照
して説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
【0031】実施例1 直径14μmのSiC連続繊維を500本と、直径10
μmのカーボン(C)繊維を500本とを束ねて繊維束
(ヤーン)を形成し、SiC繊維とカーボン繊維とが混
在した、直径約0.3mmのSiC連続繊維束を調製し
た。さらにこの繊維束を2次元方向に編み上げて平織り
クロス状の繊維織物を多数調製した。 Example 1 500 SiC continuous fibers having a diameter of 14 μm and a diameter of 10
500 μm carbon (C) fibers were bundled to form a fiber bundle (yarn), and a SiC continuous fiber bundle having a diameter of about 0.3 mm in which SiC fibers and carbon fibers were mixed was prepared. Further, this fiber bundle was knitted in a two-dimensional direction to prepare a number of plain weave cloth fabrics.
【0032】一方、骨材としての平均粒径1.5μmの
SiC粉末を70重量%および炭素源としての平均粒径
0.1μmのカーボン粉末を30重量%から成る混合粉
末を調製し、この混合粉末35重量%に対して水64.
5重量%および分散剤0.5重量%を配合してマトリッ
クス用スラリーを調製した。On the other hand, a mixed powder consisting of 70% by weight of SiC powder having an average particle size of 1.5 μm as an aggregate and 30% by weight of carbon powder having an average particle size of 0.1 μm as a carbon source was prepared, and this mixed powder was prepared. Water 64% to powder 35% by weight.
A matrix slurry was prepared by blending 5% by weight and 0.5% by weight of a dispersant.
【0033】次に繊維織物を縦50mm×横50mmの正方
形状に切断して多数の織物片を形成し、縦50mm×横5
0mm×深さ5mmのキャビティを有する圧力鋳込み成形用
型内に上記織物片を10枚積層した予備成形体(繊維プ
リフォーム)を配置した。次に上記予備成形体中に前記
マトリックス用スラリーを、1〜10MPaの加圧力で
鋳込み成形して成形体とした。Next, the fibrous woven fabric is cut into a square shape having a length of 50 mm and a width of 50 mm to form a large number of fabric pieces.
A preform (fiber preform) obtained by laminating 10 pieces of the woven fabric pieces was placed in a pressure casting mold having a cavity of 0 mm × 5 mm in depth. Next, the matrix slurry was cast into the preformed body under a pressure of 1 to 10 MPa to obtain a formed body.
【0034】上記のように得られた成形体6は、図1に
示すようにマトリックス成形体7中に、繊維束3aから
成る予備成形体を配置した構造を有する。繊維束3aは
複数のSiC連続繊維2とカーボン繊維5とが混在して
おり、SiC連続繊維2,2間に介在するカーボン繊維
5によって、隣接するSiC連続繊維2,2間の間隙が
確保されている。The molded body 6 obtained as described above has a structure in which a preformed body composed of the fiber bundle 3a is arranged in the matrix molded body 7 as shown in FIG. A plurality of SiC continuous fibers 2 and carbon fibers 5 are mixed in the fiber bundle 3a, and the carbon fibers 5 interposed between the SiC continuous fibers 2 and 2 secure a gap between the adjacent SiC continuous fibers 2 and 2. ing.
【0035】次に、得られた成形体を自然乾燥し、さら
に温度600〜800℃で2時間脱脂した後に、Si粉
末を充填した焼成容器(さや)内に配置し、真空中で温
度1420℃で3時間加熱し、成形体中に溶融したSi
を含浸させながら反応焼結を実施し、繊維束内を含めた
成形体内部および外周部にSiCおよびSiから成る反
応焼結マトリックスを合成して、図2に示すような実施
例1に係るSiC基繊維複合材料1aを調製した。Next, the obtained molded body is naturally dried and further degreased at a temperature of 600 to 800 ° C. for 2 hours, then placed in a baking container (sheath) filled with Si powder, and the temperature is 1420 ° C. in vacuum. Si melted in the compact after heating for 3 hours
The reaction sintering is carried out while impregnating the same, and the reaction sintering matrix composed of SiC and Si is synthesized inside and outside the molded body including the inside of the fiber bundle, and the SiC according to Example 1 as shown in FIG. A base fiber composite material 1a was prepared.
【0036】この実施例1に係るSiC基繊維複合材料
1aは、図2に示すように、互いに所定の間隙W1,W
2,W3…をおいて分散した複数のSiC連続繊維2に
より繊維束3bが形成されており、この繊維束3bがS
iC反応焼結マトリックス4中に配置された構造を有す
る。図1に示す反応焼結前の成形体6の段階では存在し
ていたカーボン繊維5はSi成分との反応焼結によって
SiCマトリックス4に転換されている。したがって、
繊維束3b内部にも充分にSiCマトリックス4が形成
されるため、強度および破壊エネルギー特性に優れた複
合材料1aが得られている。As shown in FIG. 2, the SiC-based fiber composite material 1a according to Example 1 has predetermined gaps W1 and W with respect to each other.
A plurality of SiC continuous fibers 2 dispersed at 2, W3 ... Form a fiber bundle 3b.
It has a structure arranged in the iC reactive sintering matrix 4. The carbon fibers 5 existing at the stage of the molded body 6 before the reaction sintering shown in FIG. 1 are converted into the SiC matrix 4 by the reaction sintering with the Si component. Therefore,
Since the SiC matrix 4 is sufficiently formed inside the fiber bundle 3b, the composite material 1a excellent in strength and fracture energy characteristics is obtained.
【0037】比較例1 カーボン繊維を全く使用せず、実施例1で使用したSi
C連続繊維のみを500本束ねて繊維束を形成し、この
繊維束を二次元方向に編み上げて平織りクロス状の繊維
織物を調製した。以下、実施例1と同様に、この繊維織
物を使用して予備成形体を形成し、予備成形体中に前記
のマトリックス用スラリーを鋳込み成形して成形体とし
た。さらに得られた成形体を、Si粉末を充填した焼成
容器中に配置し、真空中で1420℃で3時間反応焼結
を実施することにより、比較例1に係るSiC基繊維複
合材料を製造した。 Comparative Example 1 Si used in Example 1 without using carbon fiber
Only 500 C continuous fibers were bundled to form a fiber bundle, and the fiber bundle was knitted in a two-dimensional direction to prepare a plain weave cloth-shaped fiber woven fabric. Hereinafter, as in Example 1, a preform was formed using this fiber woven fabric, and the above-mentioned matrix slurry was cast into the preform to form a formed body. Further, the obtained molded body was placed in a firing container filled with Si powder, and reaction sintering was performed in vacuum at 1420 ° C. for 3 hours to produce a SiC-based fiber composite material according to Comparative Example 1. .
【0038】実施例2 直径10μmの窒化珪素連続繊維500本と直径8μm
のポリエステル繊維500本とを束ねて繊維束を形成
し、この繊維束を使用して三次元方向(x,y,z方
向)の繊維束の本数比がx:y:z=1:1:0.1と
なる三次元織物を繊維プリフォームとして調製した。次
に得られた三次元織物内に実施例1で調製したマトリッ
クス用スラリーを、減圧雰囲気で鋳込み成形して成形体
とした。さらに得られた成形体を自然乾燥し、さらに窒
素中で温度800〜1000℃で2時間熱処理すること
により、ポリエステル繊維を炭化した後に、Si粉末を
充填した焼成容器中に配置し、真空中で温度1420℃
で3時間加熱し、成形体中に溶融したSiを含浸させな
がら反応焼結を実施し、繊維束を含める成形体内部およ
び外周部にSiCおよびSiから成る反応焼結マトリッ
クスを合成して実施例2に係るセラミックス基繊維複合
材料を製造した。 Example 2 500 continuous silicon nitride fibers having a diameter of 10 μm and a diameter of 8 μm
And 500 polyester fibers of the above are bundled to form a fiber bundle, and the fiber bundle is used, and the number ratio of the fiber bundles in the three-dimensional directions (x, y, z directions) is x: y: z = 1: 1: 1. A three-dimensional woven fabric of 0.1 was prepared as a fiber preform. Next, the matrix slurry prepared in Example 1 was cast into the obtained three-dimensional fabric in a reduced pressure atmosphere to obtain a molded body. Further, the obtained molded body is air-dried and further heat-treated in nitrogen at a temperature of 800 to 1000 ° C. for 2 hours to carbonize the polyester fiber, and then placed in a firing container filled with Si powder, and in a vacuum. Temperature 1420 ℃
Example 3 was carried out by heating for 3 hours and performing reaction sintering while impregnating the molded body with molten Si, and synthesizing a reaction sintered matrix composed of SiC and Si inside and outside the molded body including the fiber bundle. A ceramic-based fiber composite material according to No. 2 was manufactured.
【0039】比較例2 ポリエステル繊維を全く使用せず、実施例2で使用した
窒化珪素連続繊維のみを500本束ねて形成した繊維束
を使用した以外は実施例2と同様な条件で処理して比較
例2に係るSiC基繊維複合材料を調製した。すなわち
上記繊維束を使用して三次元方向(x,y,z方向)の
繊維束の本数比がx:y:z=1:1:0.1となる三
次元織物を繊維プリフォームとして調製した。次に得ら
れた三次元織物を窒素中で温度400℃で2時間熱処理
してサイジング剤を除去した。さらに熱処理した三次元
織物内に実施例1で調製したマトリックス用スラリー
を、減圧雰囲気で鋳込み成形して成形体とした。さらに
得られた成形体を自然乾燥し、さらに温度600〜80
0℃で2時間脱脂した後に、Si粉末を充填した焼成容
器中に配置し、真空中で温度1420℃で3時間加熱
し、成形体中に溶融したSiを含浸させながら反応焼結
を実施し、成形体内部および外周部にSiCおよびSi
から成る反応焼結マトリックスを合成して比較例2に係
るSiC基繊維複合材料を製造した。 Comparative Example 2 Treatment was carried out under the same conditions as in Example 2 except that no polyester fiber was used and a fiber bundle formed by bundling only 500 continuous silicon nitride fibers used in Example 2 was used. A SiC-based fiber composite material according to Comparative Example 2 was prepared. That is, using the above fiber bundle, a three-dimensional woven fabric having a fiber bundle number ratio in the three-dimensional directions (x, y, z directions) of x: y: z = 1: 1: 0.1 is prepared as a fiber preform. did. Next, the obtained three-dimensional fabric was heat-treated in nitrogen at a temperature of 400 ° C. for 2 hours to remove the sizing agent. Further, the matrix slurry prepared in Example 1 was cast into a heat-treated three-dimensional woven fabric in a reduced pressure atmosphere to obtain a molded body. Further, the obtained molded body is air-dried, and further the temperature is 600-80.
After degreasing at 0 ° C. for 2 hours, it was placed in a firing container filled with Si powder and heated in vacuum at a temperature of 1420 ° C. for 3 hours to carry out reaction sintering while impregnating the molded body with molten Si. , SiC and Si inside and around the molded body
A SiC-based fiber composite material according to Comparative Example 2 was manufactured by synthesizing a reactive sintering matrix composed of
【0040】こうして調製した各実施例および比較例に
係るSiC基繊維複合材料の特性を評価するため、各材
料から試験片を切り出して、室温(20℃)および高温
(1300℃)にて3点曲げ強度試験を実施して初期破
壊強度を評価するとともに、室温(20℃)および高温
(1300℃)における破壊エネルギーを測定した。こ
こで各試験片の破壊エネルギー値は、荷重−変位曲線の
形状から破壊エネルギーを積算し、各比較例の場合を基
準値1とし、その基準値に対する倍率を算出して相対値
としてそれぞれ表示した。測定結果を下記表1に示す。In order to evaluate the properties of the SiC-based fiber composite materials according to the examples and comparative examples thus prepared, test pieces were cut out from each material, and three points were obtained at room temperature (20 ° C.) and high temperature (1300 ° C.). A bending strength test was performed to evaluate the initial fracture strength, and the fracture energy at room temperature (20 ° C) and high temperature (1300 ° C) was measured. Here, the fracture energy value of each test piece was calculated by integrating the fracture energy from the shape of the load-displacement curve, setting the reference value 1 in the case of each comparative example, and calculating the magnification against that reference value and displaying each as a relative value. . The measurement results are shown in Table 1 below.
【0041】[0041]
【表1】 [Table 1]
【0042】上記表1に示す結果から明らかなように、
繊維束内で隣接するセラミックス繊維の平均間隙を適正
に制御した各実施例の複合材料によれば、上記繊維束内
SiCマトリックスを緻密に形成することが可能となる
ため、初期破壊強度が高くなり、クラックが発生した後
においても、破壊抵抗が大きい複合材料が得られた。特
に各実施例に係る複合材料の曲げ強度は、比較例と比較
して2倍近い高い値を示す一方、破壊エネルギーについ
ては10倍以上も高い値を示しており、極めて高い破壊
抵抗を示した。As is clear from the results shown in Table 1 above,
According to the composite material of each example in which the average gap between the adjacent ceramic fibers in the fiber bundle is appropriately controlled, the SiC matrix in the fiber bundle can be densely formed, so that the initial fracture strength becomes high. A composite material having a large fracture resistance even after cracking was obtained. In particular, the bending strengths of the composite materials according to the respective examples were nearly twice as high as those of the comparative examples, while the breaking energy was 10 times or more higher, showing extremely high breaking resistance. .
【0043】一方、各比較例においては繊維束内におい
て隣接するセラミックス繊維の間隙が過小であるため、
織物束内におけるマトリックス層の形成が不十分となる
ため、繊維束とマトリックスとの界面におけるクラック
進展を阻止する機能が不十分で初期クラック発生後にお
ける強度保持率も低下し、破壊抵抗が低下した。On the other hand, in each comparative example, since the gap between the adjacent ceramic fibers in the fiber bundle is too small,
Since the formation of the matrix layer in the fabric bundle is insufficient, the function of preventing the crack growth at the interface between the fiber bundle and the matrix is insufficient, the strength retention ratio after the initial cracking also decreases, and the fracture resistance decreases. .
【0044】[0044]
【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る炭化珪素基
繊維複合材料およびその製造方法によれば、繊維束内で
隣接するセラミックス繊維の平均間隙を任意に調整する
ことが可能となる。特に、この平均間隙をセラミックス
繊維径の1/2以上に設定しているため、繊維束内の隣
接するセラミックス繊維間に充分なSiCマトリックス
を形成することが初めて可能になる。したがってセラミ
ックス繊維とマトリックスとの分散状態のばらつきが減
少し、複合材料全体としての初期破壊強度を大幅に改善
できる。また繊維束を構成する全てのセラミックス繊維
がマトリックスと結合するため、初期亀裂進展後におけ
るセラミックス繊維の引抜き(pull-out)抵抗の増大化
に全てのセラミックス繊維が寄与することとなる。さら
にセラミックス繊維とマトリックスとの界面におけるす
べり抵抗も増大するため、破壊エネルギーが増大化した
炭化珪素基繊維複合材料を提供することができる。As described above, according to the silicon carbide-based fiber composite material and the method for producing the same according to the present invention, the average gap between the adjacent ceramic fibers in the fiber bundle can be adjusted arbitrarily. In particular, since the average gap is set to ½ or more of the ceramic fiber diameter, it becomes possible for the first time to form a sufficient SiC matrix between adjacent ceramic fibers in the fiber bundle. Therefore, the dispersion of the dispersion state of the ceramic fibers and the matrix is reduced, and the initial fracture strength of the composite material as a whole can be significantly improved. Further, since all the ceramic fibers forming the fiber bundle are bonded to the matrix, all the ceramic fibers contribute to the increase in pull-out resistance of the ceramic fibers after the initial crack growth. Further, since the slip resistance at the interface between the ceramic fiber and the matrix also increases, it is possible to provide a silicon carbide-based fiber composite material having an increased fracture energy.
【図1】本発明に係る炭化珪素基繊維複合材料の焼結前
における各繊維の配列状態を示す要部断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of essential parts showing an arrangement state of each fiber before sintering of a silicon carbide-based fiber composite material according to the present invention.
【図2】本発明に係る炭化珪素基繊維複合材料の一実施
例を示す要部断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of essential parts showing an embodiment of a silicon carbide-based fiber composite material according to the present invention.
【図3】セラミックス繊維束をマトリックス中に配置し
た従来のセラミックス基繊維複合材料の構成を示す要部
断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part showing a configuration of a conventional ceramics-based fiber composite material in which a ceramics fiber bundle is arranged in a matrix.
1,1a セラミックス基繊維複合材料(SiC基繊維
複合材料) 2 セラミックス繊維(SiC連続繊維) 3,3a,3b 繊維束(ヤーン) 4 マトリックス(反応焼結SiCマトリックス) 5 カーボン繊維 6 成形体 7 マトリックス成形体 D セラミックス繊維の直径 W1,W2,W3… セラミックス繊維間の間隙1,1a Ceramics-based fiber composite material (SiC-based fiber composite material) 2 Ceramics fiber (SiC continuous fiber) 3,3a, 3b Fiber bundle (yarn) 4 Matrix (reaction-sintered SiC matrix) 5 Carbon fiber 6 Molded body 7 Matrix Molded product D Diameter of ceramics fiber W1, W2, W3 ... Gap between ceramics fibers
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C04B 35/80 K G L ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location C04B 35/80 K G L
Claims (5)
た繊維束を、反応焼結炭化珪素から成るマトリックス中
に配置した炭化珪素基繊維複合材料において、上記繊維
束内で隣接するセラミックス繊維の平均間隙を、セラミ
ックス繊維径の1/2以上に設定したことを特徴とする
炭化珪素基繊維複合材料。1. A silicon carbide-based fiber composite material in which a fiber bundle formed by bundling a plurality of ceramic fibers is arranged in a matrix made of reaction-bonded silicon carbide, and an average gap between adjacent ceramic fibers in the fiber bundle. Is set to ½ or more of the ceramic fiber diameter, a silicon carbide based fiber composite material.
(BN)から成るすべり層を形成したことを特徴とする
請求項1記載の炭化珪素基繊維複合材料。2. The silicon carbide based fiber composite material according to claim 1, wherein a sliding layer made of boron nitride (BN) is formed on the surface of the ceramic fiber.
含有割合が5〜55体積%であることを特徴とする請求
項1記載の炭化珪素基繊維複合材料。3. The silicon carbide based fiber composite material according to claim 1, wherein the content ratio of the ceramic fibers in the composite material is 5 to 55% by volume.
繊維を束ねた繊維束を使用して所定形状の繊維プリフォ
ームを形成し、珪素および炭素源を含有するマトリック
ス出発原料を上記繊維プリフォームに含浸せしめて所定
形状の成形体を形成し、得られた成形体を真空中または
不活性ガス雰囲気中で加熱することにより珪素と炭素源
およびカーボン繊維との反応焼結を行って炭化珪素から
成るマトリックスを形成し、上記繊維プリフォームとマ
トリックスとを一体に複合化することを特徴とする炭化
珪素基繊維複合材料の製造方法。4. A fiber preform having a predetermined shape is formed by using a fiber bundle in which a plurality of ceramic fibers and carbon fibers are bundled, and the fiber preform is impregnated with a matrix starting material containing a silicon and a carbon source. A molded body of a predetermined shape is formed, and the obtained molded body is heated in a vacuum or in an inert gas atmosphere to carry out reaction sintering of silicon with a carbon source and carbon fibers to form a matrix made of silicon carbide. Then, the above-mentioned fiber preform and the matrix are integrally compounded to provide a silicon carbide based fiber composite material.
子繊維を束ねた繊維束を使用して所定形状の繊維プリフ
ォームを形成し、珪素および炭素源を含有するマトリッ
クス出発原料を上記繊維プリフォームに含浸せしめて所
定形状の成形体を形成し、得られた成形体を熱処理する
ことにより上記有機高分子繊維を炭化した後に、真空中
または不活性ガス雰囲気中で加熱することにより珪素と
炭素源および炭化した有機高分子繊維との反応焼結を行
って炭化珪素から成るマトリックスを形成し、上記繊維
プリフォームとマトリックスとを一体に複合化すること
を特徴とする炭化珪素基繊維複合材料の製造方法。5. A fiber preform having a predetermined shape is formed by using a fiber bundle obtained by bundling a plurality of ceramic fibers and organic polymer fibers, and the fiber preform is impregnated with a matrix starting material containing a silicon and carbon source. At least a molded product having a predetermined shape is formed, and the resulting molded product is heat-treated to carbonize the organic polymer fibers, and then heated in a vacuum or an inert gas atmosphere to remove silicon, a carbon source, and carbonization. A method for producing a silicon carbide-based fiber composite material, characterized in that a matrix made of silicon carbide is formed by reaction sintering with the organic polymer fiber described above, and the fiber preform and the matrix are integrally combined.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP00414895A JP3604438B2 (en) | 1995-01-13 | 1995-01-13 | Silicon carbide based fiber composite material and method for producing the same |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH08188469A true JPH08188469A (en) | 1996-07-23 |
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- 1995-01-13 JP JP00414895A patent/JP3604438B2/en not_active Expired - Lifetime
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