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JPS6212670A - Fiber reinforced ceramics - Google Patents

Fiber reinforced ceramics

Info

Publication number
JPS6212670A
JPS6212670A JP60150247A JP15024785A JPS6212670A JP S6212670 A JPS6212670 A JP S6212670A JP 60150247 A JP60150247 A JP 60150247A JP 15024785 A JP15024785 A JP 15024785A JP S6212670 A JPS6212670 A JP S6212670A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fiber
fibers
sic
toughness
ceramics
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP60150247A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
広志 坂本
忠彦 三吉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP60150247A priority Critical patent/JPS6212670A/en
Publication of JPS6212670A publication Critical patent/JPS6212670A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Ceramic Products (AREA)

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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 、【発明の利用分野〕 本発明は、ガスタービンブレードや各種エンジン部品等
の高温構造材として用いるのに適した高強度、高じん性
繊維強化セラミックスに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Application of the Invention The present invention relates to high-strength, high-toughness fiber-reinforced ceramics suitable for use as high-temperature structural materials such as gas turbine blades and various engine parts.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

ガスタービンブレード等、高温あるいは悪環境にさらさ
れる部品には従来より耐熱合金が用いられてきた。しか
し、近年高性能化のために、より高温使用が望まれてお
り、耐熱合金の使用限界に達しつつある。そこでこれら
の耐熱合金に代る材料として、耐熱、耐酸化性および熱
衝撃抵抗の大きい炭化珪素、窒化珪素およびサイアロン
(ルーカス社の商品名)が高温構造材料として注目され
始めた。しかしこれらの材料は周知のごとく脆いという
大きな欠点を持っており、現在まで本格的実用化に至っ
ていない。
Heat-resistant alloys have traditionally been used for parts such as gas turbine blades that are exposed to high temperatures or harsh environments. However, in recent years, in order to improve performance, higher temperature use has been desired, and the use limit of heat-resistant alloys is being reached. Therefore, as materials to replace these heat-resistant alloys, silicon carbide, silicon nitride, and Sialon (trade name of Lucas Corporation), which have high heat resistance, oxidation resistance, and thermal shock resistance, have begun to attract attention as high-temperature structural materials. However, as is well known, these materials have the major drawback of being brittle, and have not been put into full-scale practical use to date.

セラミックスを複合化して強靭化する方法として・は、 (1)セラミックス、金属および金属炭、窒、珪化物等
の粒子を分散する方法。
Methods of compounding and toughening ceramics include: (1) A method of dispersing particles of ceramics, metals, and metal carbon, nitrogen, silicides, etc.

(2)ウィスカー、ファイバー分散による方法が考えら
れる。しかし上記いずれの方法においても金属および金
属炭、窒、珪化物を複合化した場合、室温におけるじん
性は改良されるが、金属相を含むため高温における耐酸
化性に問題があり、高温使用時の部品寿命が短く実用的
ではない、そのため高温においてもすぐれた耐酸化性、
強度を推持することのできるセラミックスの粒子、ウィ
スカーおよびファイバー等を分散させた複合セラミック
スの研究が活発に行われている。とくにウィスカー、フ
ァイバーが有望視されている。すなわちセラミックスに
割れが生じた時、その進行を吸収する力が粒子分散に比
較して大きいと考えられるためである。ウィスカーを利
用した例としては特開昭59−54680がある。この
場合Si3N4中にSiCウィスカーを複合化し高温ま
で強度劣下が少ないセラミックスが得られている。しか
しウィスカーのみでセラミックスの靭性を大巾に向上さ
せるのは不可能である。その主な原因としては25vo
Q%以上含有するとウィスカーの分散が不均一となり著
しく密度が低下して正常な焼結体が得られない、また一
般に入手できる気相法で得られるSiCウィスカーの直
径が0.5〜1.0μmと非常に細く、マトリックスの
粒径とほとんど変わらないため1割れの進行を吸収する
力が弱いためである。一方フアイバーについては金属−
金属。
(2) Possible methods include whisker and fiber dispersion. However, in any of the above methods, when metal and metal carbon, nitrogen, and silicide are combined, the toughness at room temperature is improved, but since it contains a metal phase, there is a problem with oxidation resistance at high temperature, and when used at high temperature. The lifespan of the parts is short and impractical, so it has excellent oxidation resistance even at high temperatures.
BACKGROUND ART Research is actively being conducted on composite ceramics in which ceramic particles, whiskers, fibers, etc., which can maintain strength, are dispersed. Whiskers and fibers are particularly promising. In other words, when a crack occurs in ceramics, it is thought that the force to absorb the progress of the crack is greater than that of particle dispersion. An example of using whiskers is JP-A-59-54680. In this case, SiC whiskers are composited into Si3N4, resulting in a ceramic with little strength deterioration even at high temperatures. However, it is impossible to significantly improve the toughness of ceramics using whiskers alone. The main reason is 25vo
If the content exceeds Q%, the whisker dispersion becomes non-uniform, the density decreases significantly and a normal sintered body cannot be obtained, and the diameter of SiC whiskers obtained by the commonly available gas phase method is 0.5 to 1.0 μm. This is because the grain size is very thin and almost the same as the matrix grain size, so it has a weak ability to absorb the progression of one crack. On the other hand, for fibers, metal
metal.

金属−セラミックスの組合せによるものが一部実用化さ
れている。しかしセラミックス−セラミックスのFRC
については種々論議されているが。
Some combinations of metal and ceramics have been put into practical use. However, ceramics - FRC of ceramics
There are various discussions about this.

いまだに充分な特性改善には至っていない。The characteristics have not yet been sufficiently improved.

例えば、エム・ダブりニー・リンデリイ、ディー・ジエ
ー・グツドフリー(M、W、Lindly、 D、J。
For example, M.W. Lindly, D.J.

Godfrey)はNature229 、 192〜
193  (1971)に直径80〜100μmの炭化
珪素繊維で強化したSi3N、セラミックスについて比
較的大きな破壊エネルギーを持つことを報告しているが
、反応焼結法でSi3N、が焼結されているため、Si
3N。
Godfrey) Nature229, 192~
193 (1971) reported that Si3N ceramics reinforced with silicon carbide fibers with a diameter of 80 to 100 μm have a relatively large fracture energy, but since Si3N is sintered by a reaction sintering method, Si
3N.

中に気孔が残っており、強度は127MPa(約13k
g/a+”)  とセラミックスとしては小さい。
There are pores left inside, and the strength is 127MPa (approximately 13k).
g/a+”), which is small for a ceramic.

また、この場合、繊維としてW線上にCVDしたSiC
が用いられており、高温で長時間使用する場合にはWと
SiCが反応して、繊維の特性が劣化する欠点も考えら
れる。
In addition, in this case, SiC CVD was applied to the W line as the fiber.
is used, and when used at high temperatures for long periods of time, W and SiC may react, resulting in deterioration of fiber properties.

また、ビー・ニー・ベンダー(B、ム、Bander)
達は、プロシーディング オブ 8th  アンニュア
ル コンフエレエンス オブ コンポジイテスアンド 
アドバンスト セラミック マテリアルス(Proc、
of 8th Annual Conference 
ofComposites  and  Advanu
d  Ceramic  Materinls)p51
3〜529 Jan、15−18 (1984)におい
て、直径10−12μmのSiC繊維で強化したZrO
い ムライト、コージライトなどについて報告している
。しかしながら、これらのセラミックスにおいてもその
強度は80〜180MPaと充分ではない、また、セラ
ミックスが酸化物であるために高温では軟化による強度
低下が考えられ、また、用いているSiC繊維が130
0’C以上の熱処理で特性劣化するという問題もある。
Also, Bee Knee Bender (B, Mu, Bander)
Proceedings of the 8th Annual Conference of Composites and
Advanced Ceramic Materials (Proc,
of 8th Annual Conference
ofComposites and Advances
d Ceramic Materials) p51
3-529 Jan, 15-18 (1984), ZrO reinforced with SiC fibers with a diameter of 10-12 μm.
Reports on mullite, cordierite, etc. However, the strength of these ceramics is 80 to 180 MPa, which is not sufficient. Also, since the ceramics are oxides, the strength may decrease due to softening at high temperatures, and the SiC fibers used are 130 to 180 MPa.
There is also the problem that characteristics deteriorate due to heat treatment at temperatures above 0'C.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は窒化珪素及びサイアロンの靭性を著しく
改善し、高温まで高強度で靭性のすぐれた窒化珪素焼結
体及びサイアロ゛ン焼結体を提供するにある。
An object of the present invention is to significantly improve the toughness of silicon nitride and sialon, and to provide a silicon nitride sintered body and a sialon sintered body that have high strength and excellent toughness even at high temperatures.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

発明が解決しようとする問題点 ファイバーによりセラミックスのしん性を大巾に改善す
るためには、セラミックスとファイバーの適合性が問題
となる。ファイバーの弾性率゛、破断力が大きくとも、
複合化した場合その効果を発揮するとは限らない。すな
わちセラミックスとファイバーの焼結時における反応性
、また熱膨張係数等によりその効果は大きく異なる。母
相セラミックスと焼結時にお互に反応する物質のファイ
バーを複合化してもファイバーの効果を発揮しないばか
りか、反対にセラミックス自身の性質を劣化させてしま
う。ファイバーによるセラミックスの強靭化は配列され
たファイバーが、セラミックスよ″り適度の力で引き抜
けることにより達せられる。
Problems to be Solved by the Invention In order to significantly improve the toughness of ceramics using fibers, compatibility between the ceramics and the fibers becomes a problem. Even if the fiber's elastic modulus and breaking force are large,
When combined, it does not necessarily have the same effect. That is, the effect varies greatly depending on the reactivity of the ceramic and fiber during sintering, the coefficient of thermal expansion, etc. Even if fibers of a substance that reacts with the matrix ceramic during sintering are combined, not only will the effects of the fibers not be exhibited, but the properties of the ceramics themselves will deteriorate. Toughening of ceramics using fibers is achieved by pulling the aligned fibers out of the ceramics with a moderate amount of force.

しかしファイバーの表面層または全部がセラミックスと
反応し一体となると、この引き抜けの効果が働かず、じ
ん性の向上にはつながらない、一方。
However, if the surface layer or all of the fiber reacts with the ceramic and becomes integrated, this pull-out effect will not work and the toughness will not improve.

反応しない物質でも熱膨張係数が異なる場合は。Even non-reactive substances have different coefficients of thermal expansion.

セラミックスあるいはファイバーに割れが発生して健全
な焼結体が得られない。また割れが発生しなくとも焼結
体の歪が大きかったり、セラミックスとファイバーの間
に隙間が生じて極めて弱い力で引き抜けるためにじん性
の向上は望めない。
Cracks occur in the ceramics or fibers, making it impossible to obtain a healthy sintered body. Furthermore, even if no cracks occur, the sintered body is highly distorted, and gaps are created between the ceramic and the fibers, which can be pulled out with extremely weak force, making it impossible to expect an improvement in toughness.

問題点を解決するための手段 本発明者らは上記を考慮して、ファイバーによるセラミ
ックスの強靭化について検討した。前記したように高温
構造材料としてはS i C,S i3N。
Means for Solving the Problems In consideration of the above, the present inventors have studied how to strengthen ceramics using fibers. As mentioned above, S i C and S i3N are used as high temperature structural materials.

およびサイアロンが高温における耐熱性、耐熱衝撃性、
耐食性がすぐれているため有望である。これらのうちで
も高温まで強度劣化が少ないSiCは高温材料として特
に有望視される。しかし焼結温度が2000℃以上と非
常に高温でなければ焼結体は作製できない。故に強靭化
のために複合化するファイバーの耐熱性が問題となる。
and Sialon has heat resistance at high temperatures, thermal shock resistance,
It is promising because of its excellent corrosion resistance. Among these, SiC, which exhibits little strength deterioration even at high temperatures, is particularly promising as a high-temperature material. However, a sintered body cannot be produced unless the sintering temperature is extremely high, such as 2000° C. or higher. Therefore, the heat resistance of the fibers that are composited to make them tougher becomes a problem.

そのため本発明者らは母相セラミックスとして1500
〜1800℃で焼結可能なSi3N4又はサイアロン(
S is−xAQxoxNm−x* O<z≦4)をフ
ァイバーにより強靭化することを考えた。まずSL3N
4やサイクロンと種々の物質との反応性を調査し、Cお
よびSiCファイバーが焼結時に焼結体と反応しないこ
とを見出した。このうちCファイバーは長軸方向と短軸
方向の熱膨張係数が大きく異なり、長軸方向はSi3N
4と同程度であるが短軸方向のそれが非常に大きい、そ
のため焼結時に膨張していたものが冷却時に収縮してS
i3N4又はサイアロンとの間に隙間が生じ前述したよ
うな引き抜ける力がなく強度が低下してしまうため好ま
しくない、一方SiCファイバーの場合は熱膨張係数が
焼結体と同程度であり、焼結体を高強度にし、しかもし
ん性向上に有効であることがわかった。
Therefore, the present inventors used 1500 as matrix ceramics.
Si3N4 or Sialon (
It was considered to strengthen S is-xAQxoxNm-x*O<z≦4) with fibers. First SL3N
We investigated the reactivity of 4 and cyclone with various substances and found that C and SiC fibers do not react with the sintered body during sintering. Among these, C fiber has a large difference in thermal expansion coefficient in the long axis direction and short axis direction, and the long axis direction is Si3N
It is about the same as 4, but the short axis direction is very large. Therefore, what expanded during sintering contracts during cooling and becomes S.
SiC fibers are unfavorable because they create gaps between them and the i3N4 or sialon, which reduces the strength and lacks the pull-out force as described above.On the other hand, in the case of SiC fibers, the coefficient of thermal expansion is about the same as that of sintered bodies, It was found to be effective in increasing strength and improving fragility.

すなわちSiCファイバーをSi3N、やサイアロン中
に複合化した場合は適度な力によって引き抜けが生じる
こと、そのためSi3N、やサイアロン中のじん性が著
しく高くなることを見出した。
In other words, it has been found that when SiC fibers are composited into Si3N or Sialon, pull-out occurs with a moderate force, and as a result, the toughness of Si3N or Sialon increases significantly.

ここで、SiCファイバーの直径はSi3N、やサイア
ロンの粒径の5倍以上であることが必要である。この程
度の直径がないとファイバーが充分な機械的強度を持た
ず、引き抜けの際に折れてじん性向上に充分な効果を発
揮しない、また、直径が大きすぎると熱膨張差によって
ファイバーと焼結体の界面にキレッが入りやすく、好ま
しくない。
Here, the diameter of the SiC fiber needs to be five times or more the particle diameter of Si3N or Sialon. If the diameter is too large, the fibers will not have sufficient mechanical strength and will break during drawing, resulting in insufficient improvement in toughness.If the diameter is too large, the fibers will burn due to the difference in thermal expansion. Sharpness tends to occur at the interface of the aggregate, which is undesirable.

具体的には10〜200μmの範囲が良い。Specifically, a range of 10 to 200 μm is preferable.

また、ファイバーが充分な引き抜は効果を示すためには
、その長さは直径の30倍以上であることが必要である
Further, in order for the fiber to be sufficiently drawn out to be effective, its length must be at least 30 times the diameter.

また、ファイバー添加量としてはランダム配向の場合に
は20〜50voQ%の範囲が望ましい。
Further, the amount of fiber added is preferably in the range of 20 to 50 voQ% in the case of random orientation.

ファイバーが少なすぎるとじん性向上に効果がなく、多
すぎると強度低下を招きやすい。
If there is too little fiber, it will not be effective in improving toughness, and if there is too much fiber, strength will tend to decrease.

さらに、母相のSi3N4やサイアロンとしては密度9
5%以上の焼結体であることが必要である。
Furthermore, the density of the matrix Si3N4 and Sialon is 9.
It is necessary that the sintered body has a content of 5% or more.

焼結体密度が低いと、焼結体の強度が低下すると共にフ
ァイバーの引抜は力も極めて小さくなり、複合焼結体の
強度やじん性が充分なものとはならない。
When the density of the sintered body is low, the strength of the sintered body decreases and the force required to pull out the fibers becomes extremely small, so that the strength and toughness of the composite sintered body are not sufficient.

この点から、反応焼結法によるSi3N4などは気孔が
残りやすいために好ましくなく、焼結助剤及びファイバ
ーと共にSi3N4やサイアロンを焼結する方法が好ま
しい、また、ファイバーは焼結時に収縮しないため、複
合焼結体の密度を特に高めるためにはHPやHIPを用
いるのが特に好ましい。
From this point of view, reaction sintering such as Si3N4 is not preferable because it tends to leave pores, and a method of sintering Si3N4 or SiAlON together with a sintering aid and fiber is preferable.Furthermore, since the fiber does not shrink during sintering, In order to particularly increase the density of the composite sintered body, it is particularly preferable to use HP or HIP.

添加するSiCファイバーは短繊維をランダムに配向し
ても良いし、長繊維を一次元、二次元又は3次元に並べ
て配列しても良い。ファイバーの配向は割れの進行する
方向に直角に配列した場合に、特にじん性は向上する。
The SiC fibers to be added may have short fibers oriented randomly, or long fibers may be arranged one-dimensionally, two-dimensionally, or three-dimensionally. Toughness is particularly improved when the fibers are oriented perpendicular to the direction of crack propagation.

この場合ファイバーの配列間隔は、ファイバー直径の0
.5〜2倍にすることでこの目的が達せられる。すなわ
ちファイバー配列間隔が直径の2倍を越えるとじん性の
向上はわずかであり、0.5倍より下になるとファイバ
ーの引き抜けが生せず、割れは隣接したファイバ間でつ
ながってファイバーに沿って進行する・ようになりじん
性は低下する。このことからファイバーの配列間隔は、
直径の0.5〜2倍がじん性の向上に有効であり特に1
.0倍が望ましい。
In this case, the fiber arrangement interval is 0 of the fiber diameter.
.. This objective can be achieved by multiplying by 5 to 2 times. In other words, when the fiber arrangement spacing exceeds twice the diameter, the improvement in toughness is slight, and when it becomes less than 0.5 times, fiber pull-out does not occur, and cracks connect between adjacent fibers and occur along the fibers. As the condition progresses, the toughness decreases. From this, the fiber arrangement spacing is
0.5 to 2 times the diameter is effective for improving toughness, especially 1
.. 0 times is desirable.

SiCファイバーとしては1強度、耐熱性の面から、C
VD法によるものが望ましく、軽量であること、高強渡
、耐熱性の面から特にC繊維上にCVDしたものが良い
、このファイバーはSi3N4やサイアロンの焼結時に
も特性変化することがない、また、この繊維を添加した
Si3N4やサイアロン複合焼結体は高温まで高強度で
、かつ、1000℃で長時間使用しても機械的性質は変
化しない。
As a SiC fiber, from the viewpoint of strength and heat resistance, C
It is preferable to use the VD method, and from the viewpoints of light weight, high strength, and heat resistance, it is especially good to use CVD on C fibers.This fiber does not change its properties even when Si3N4 or Sialon is sintered, and The Si3N4 or Sialon composite sintered body to which this fiber is added has high strength up to high temperatures, and its mechanical properties do not change even if it is used for a long time at 1000°C.

また、このファイバは焼結体の破断時にファイバと焼結
体の界面の引抜けの他に、ファイバ内でC繊維とCVD
SiCとの界面でも引抜けをおこすため、靭性向上に特
に有効であるという利点も持っている。
In addition, this fiber not only pulls out the interface between the fiber and the sintered body when the sintered body breaks, but also engages in CVD between the C fiber and the sintered body within the fiber.
Since it also causes pull-out at the interface with SiC, it also has the advantage of being particularly effective in improving toughness.

一方、Wなどの金属繊維上にSiCをCVD L。On the other hand, CVD of SiC onto metal fibers such as W is performed.

た繊維も知られているが、高温で長時間使用すると金属
とSiCが反応してSiCファイバーの機械的強度が劣
下して好ましくない。
Although SiC fibers are also known, if they are used at high temperatures for a long time, the metal and SiC will react and the mechanical strength of the SiC fibers will deteriorate, which is not preferable.

CVD法によって作られたSiCファイバーを用いる場
合、混合、成形、焼成などのプロセス中でファイバーの
表面が傷付き、焼結体中での強度が初期の強度よりも低
下する場合もある。この開動である。この時C膜の効果
で、SiCファイバーが高強度に保たれるばかりでなく
、Si3N4やサイアロンとSiCファイバの引抜けが
おこりやすくなり、複合セラミックスは特に太きなしん
性値を示す。
When using SiC fibers made by the CVD method, the surface of the fibers may be damaged during processes such as mixing, molding, and firing, and the strength in the sintered body may be lower than its initial strength. This is the opening movement. At this time, the effect of the C film not only keeps the SiC fiber high in strength, but also makes it easier for Si3N4 or Sialon to pull out the SiC fiber, and the composite ceramic exhibits a particularly large tensile strength value.

なお、C膜の厚さが厚くなりすぎると、焼結体との界面
が熱膨張差ではく離しやすくなるため、膜厚は1μm以
下であることが必要である。一方、C膜が薄くなりすぎ
ると、その効果は少ない。
Note that if the thickness of the C film becomes too thick, the interface with the sintered body tends to peel off due to the difference in thermal expansion, so the film thickness needs to be 1 μm or less. On the other hand, if the C film becomes too thin, its effect will be small.

SiCファイバーとしてはCVD法により、直径5〜1
0μm以上程度の太いウィスカを形成し、これを用いて
も良い。
The SiC fiber has a diameter of 5 to 1
A thick whisker of approximately 0 μm or more may be formed and used.

この時、ウィスカのアスペクト比は30以上であること
が必要であり、また、その表面には0.1〜1μm厚の
C膜が設けられていることが望ましい。
At this time, the aspect ratio of the whisker needs to be 30 or more, and it is desirable that a C film with a thickness of 0.1 to 1 μm is provided on the surface.

一般的にセラミックスに割れが生じた時、−瞬に破壊す
る。これを防ぐためには母相セラミックスとファイバー
の物質を選定することにより目的が達せられる。
Generally, when a crack occurs in ceramics, it breaks instantly. In order to prevent this, the purpose can be achieved by selecting the matrix ceramic and fiber materials.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下本発明の実施例について述べる。 Examples of the present invention will be described below.

実施例I Si3N4(平均粒径2μm)粉末と焼結助剤粉末とを
所定量秤量し、らいかい機にて十分に混合した。焼結助
剤は周知のものが種々あるが検討した結果AI2.O,
およびY2O,が0.1〜20体積%の範囲が適量であ
り、この時に特に高温強度の大きいセラミックスが得ら
れることを確認している6本実施例ではAl220.(
粒径0.5〜1.0μm)2体積%、Yaks(粒径2
〜5μm)3体積%一定としたが、上記の添加範囲では
同様な結果が得られることを確認している。この混合粉
末に5%ポリビニールアルコール水溶液を適量添加した
のち、16メツシユのふるいにて整粒した。
Example I A predetermined amount of Si3N4 (average particle size: 2 μm) powder and sintering aid powder were weighed and thoroughly mixed in a sintering machine. There are various well-known sintering aids, but as a result of investigation, we found AI2. O,
In this example, it has been confirmed that a suitable amount of Al220. (
Particle size 0.5-1.0 μm) 2% by volume, Yaks (particle size 2
~5 μm) was fixed at 3% by volume, but it has been confirmed that similar results can be obtained within the above addition range. After adding an appropriate amount of a 5% polyvinyl alcohol aqueous solution to this mixed powder, the powder was sized using a 16-mesh sieve.

一方、SiCファイバーはまず35μmのC繊維上へS
iCをCVDした直径140μmのものを用いた。なお
、このファイバの表面には厚さ1μmのCll1が形成
されている。長さは任意に切断可能であるが、直径の3
0倍以上でなければ充分な効果がない。横列の間隔がフ
ァイバー直径の0.3,0.5,1.0,1.5,2.
0および2.5倍の配列になる治具を作製して一軸配向
した。厚み方向の間隔はSi3N4粉末とSiCファイ
バーを交互に型へ入れ、粉末の量を変えて制御して。
On the other hand, the SiC fiber is first deposited onto the 35 μm C fiber.
A diameter of 140 μm obtained by CVD of iC was used. Note that Cll1 with a thickness of 1 μm is formed on the surface of this fiber. The length can be cut arbitrarily, but the diameter is 3
Unless it is 0 times or more, there is no sufficient effect. The row spacing is 0.3, 0.5, 1.0, 1.5, 2.
A jig for 0 and 2.5 times alignment was prepared and uniaxially oriented. The spacing in the thickness direction was controlled by placing Si3N4 powder and SiC fibers into the mold alternately and changing the amount of powder.

その後プレスで400 kg/+fに加圧して厚さ6■
t、直径60f11φのグリーンボディを作製した。
After that, it was pressurized to 400 kg/+f to a thickness of 6 cm.
A green body with a diameter of 60 f11φ was produced.

これを周知の黒鉛ダイスを用いたホットプレスにセット
して窒素ガス中300kg/cdの加圧下で最高加熱温
度1800℃で焼結した。この焼結体より、SiCファ
イバーと平行に切断して、3■巾×41!il厚X36
+m+長さの試験片を採取した。これを研磨したのち中
心部に幅0.01  m、深さ0.5mの切込みをファ
イバーと直角に入れて、SENB(Single Ed
ge Notched Beam)法の試験片を作製し
、破壊しん性値に1oを求めた。第1図はファイバーの
配列の様子を第2図は横軸をΩ/dとしくdはSiCフ
ァイバーの直径であり、Qはファイバーとファイバーの
間のSi’3N4の占める最短の長さ)K、cとの関係
を調べたものである。第2図から明らかなようにQ/d
が1.0  の場合に最大値を示す、Q/dが0.3 
ではファイバーの占める量が多くじん性の改善には効果
がないが0.5以上ではに1゜の増加が著しい、またQ
/dが2.0を越えるとファイバーの量が少なくじん性
に与える影響は少ない。このことがらΩ/dは0.5〜
2.0の範囲が好ましく、とくに1.0の場合すぐれた
しん性を示す。
This was set in a hot press using a well-known graphite die, and sintered at a maximum heating temperature of 1800° C. under a pressure of 300 kg/cd in nitrogen gas. This sintered body was cut parallel to the SiC fiber to a width of 3 cm x 41 cm. il thickness x36
A test piece of +m+ length was taken. After polishing this, a cut with a width of 0.01 m and a depth of 0.5 m was made in the center at right angles to the fiber, and SENB (Single Ed
A test piece was prepared using the GE Notched Beam) method, and the fracture toughness value was determined to be 1o. Figure 1 shows how the fibers are arranged, and Figure 2 shows the horizontal axis as Ω/d, where d is the diameter of the SiC fiber, and Q is the shortest length occupied by Si'3N4 between the fibers. , c. As is clear from Figure 2, Q/d
The maximum value is shown when Q/d is 1.0, and Q/d is 0.3.
In this case, the amount occupied by fibers is large and it is not effective in improving toughness, but when it is 0.5 or more, the increase of 1° is remarkable.
When /d exceeds 2.0, the amount of fiber is small and the influence on toughness is small. Due to this, Ω/d is 0.5~
A value in the range of 2.0 is preferable, and in particular, a value of 1.0 shows excellent toughness.

同様な方法により、ファイバの配列方向を交互に90’
違えてファイバを2次元に配向した試料を作製した。こ
の試料においてもQ/d=0.5〜2.0 の範囲で大
きなに□。が得られた。
Using the same method, the fiber arrangement direction was alternately 90'
A sample was prepared in which the fibers were oriented differently in two dimensions. This sample also had a large square in the range of Q/d=0.5 to 2.0. was gotten.

実施例2 実施例1と同様にQ/dを1.0  とし−軸配向した
グリーンボディを作製した。これの焼結条件を変化させ
て密度の異なったSi3N、−8iCフアイバ一複合焼
結体を作製し、実施例1と同じ方法により、破壊じん性
値に1゜を求めた。第3図はその結果を示している。相
対密度が95%以上を示す焼結体のしん住改善は著しい
が、それ以下の相対密度では効果がない、すなわちファ
イバーによりじん性を増加させるためには、複合焼結体
の密度は95%以上でなければならない、なお、第3図
で相対密度100%の試料の曲げ強度はRT〜1100
℃の範囲で80 kg/ m”以上であった。
Example 2 As in Example 1, a green body with Q/d of 1.0 and -axis orientation was produced. Si3N, -8iC fiber-composite sintered bodies having different densities were prepared by changing the sintering conditions, and a fracture toughness value of 1° was determined using the same method as in Example 1. Figure 3 shows the results. Sintered bodies with a relative density of 95% or more have a remarkable improvement in settlement, but lower relative densities have no effect. In other words, in order to increase toughness with fibers, the density of a composite sintered body must be 95%. In addition, in Figure 3, the bending strength of the sample with a relative density of 100% is RT ~ 1100.
It was over 80 kg/m'' in the range of ℃.

実施例3 ファイバーによるセラミックスのじん性を向上させるた
めには、ファイバーがセラミックスから引き抜けること
が大切である0表面にC膜のあるSiCファイバーを用
いれば容易に引き抜けが生じてじん性が向上する。第4
図にSiCファイバーの表面に1μm以下のC膜をコー
テングしたものとコーテングしていないファイバーの場
合の、・破壊じん性値に1゜を示す(d/Ω=1.密度
100%のSi3N、焼結体)、焼結体とファイバーの
間にC膜が存在することによりに、clは著しく増加し
ている。しかしC膜のないものはに、。の向上は少ない
。また、破面meの結果、C膜をコーテングしたファイ
バーは主にSi3N4とSiCファイバの界面で引き抜
けが起っており、無いものはSiCとC繊維の界面で引
き抜けが起っていることが確認された。また引き抜ける
ために必要なファイバー長さは直径の30倍以上でなけ
ればならない。
Example 3 In order to improve the toughness of ceramics using fibers, it is important that the fibers can be pulled out of the ceramics. If SiC fibers with a C film on the surface are used, pullout will occur easily and the toughness will improve. . Fourth
The figure shows a fracture toughness value of 1° (d/Ω = 1. Si3N with a density of 100%, sintered Cl is significantly increased due to the presence of a carbon film between the sintered body and the fiber. However, those without C film. The improvement is small. In addition, as a result of the fracture surface me, it was found that for fibers coated with C film, pull-out occurred mainly at the interface between Si3N4 and SiC fibers, and for fibers coated with C film, pull-out occurred at the interface between SiC and C fibers. was confirmed. Further, the length of the fiber required to be pulled out must be at least 30 times the diameter.

第5図に破壊じん性値に1゜とアスペクト比の関係を示
す、アスペクト比30未満では引き抜けの効果が小さい
ことを表わしている。すなわちSiCファイバーの表面
に1μm以下のC膜をコーテングし、アスペクト比が3
0以上のSiCファイバーを複合化した場合に、Si3
N4またはサイアロンのしん性を大巾に向上させること
ができる。
FIG. 5 shows the relationship between the fracture toughness value of 1° and the aspect ratio, indicating that the pull-out effect is small when the aspect ratio is less than 30. That is, the surface of the SiC fiber is coated with a C film of 1 μm or less, and the aspect ratio is 3.
When 0 or more SiC fibers are composited, Si3
The toughness of N4 or Sialon can be greatly improved.

実施例4 SiCファイバーによるSi3N、またはサイアロンの
じん性は1割れの進行方向に直角にファイバーを配列し
た場合にとくに大きい。しかし本発明ではランダムに混
在させてもその効果は失われない、第6図はアスペクト
比30以上のSiCファイバーをランダムに配列した場
合の添加量と破壊じん性値に1oとの関係を示す、15
voQ%以下ではその効果は小さいが20voQ%以上
になるとじん性は大巾に向上する。60voQ%以上添
加するとじん性への寄与は小さい、このことからランダ
ムに複合化する適量は20〜50VOQ%であり、とく
に30〜4Qvou%が効果が大きい、また。
Example 4 The toughness of Si3N or Sialon made of SiC fibers is particularly high when the fibers are arranged perpendicular to the direction of propagation of a single crack. However, in the present invention, the effect is not lost even if they are mixed randomly. Figure 6 shows the relationship between the amount added and the fracture toughness value of 1o when SiC fibers with an aspect ratio of 30 or more are arranged randomly. 15
Below voQ%, the effect is small, but above 20voQ%, the toughness is greatly improved. When added in an amount of 60 to 4 QvoQ%, the contribution to toughness is small. Therefore, the appropriate amount for random compounding is 20 to 50 VOQ%, and 30 to 4 Qvou% is particularly effective.

この時1曲げ強度も50kg/m”以上であった。At this time, the 1 bending strength was also 50 kg/m'' or more.

実施例5 平均粒径1.5pm のSi3N、粉末に直径5.o。Example 5 Si3N with an average particle size of 1.5 pm, powder with a diameter of 5. o.

10.50,140,200および300μmのSiC
ファイバー(全てC繊維上へCVDL、、表面に0.1
〜1μmのC膜を設けたもの)を実施例1と同様に複合
化した焼結体を作製し、その破壊じん性値に1゜を求め
た。なお10μm以下のファイバーは個々に配列が不可
能であるため10数本を一緒に配列した。結果を第1表
に示す。
10.50, 140, 200 and 300 μm SiC
fibers (CVDL on all C fibers, 0.1 on the surface
A composite sintered body was prepared in the same manner as in Example 1, and its fracture toughness value was determined to be 1°. Note that since it is impossible to arrange fibers of 10 μm or less individually, more than 10 fibers were arranged together. The results are shown in Table 1.

Si3N4平均粒径2.Opm この結果からマトリックスの粒径の5倍以上でないとじ
ん性は向上しない、また200μmを越える直径のファ
イバーでもその効果は失われる。
Si3N4 average particle size 2. Opm From these results, the toughness cannot be improved unless the particle size of the matrix is 5 times or more, and the effect is lost even if the fiber diameter exceeds 200 μm.

じん性をファイバーにより向上させるためには。In order to improve the toughness with fibers.

マトリックスの粒径の5〜100倍の直径(10〜20
0μm)のものが良好である。
The diameter is 5 to 100 times the particle size of the matrix (10 to 20
0 μm) is good.

実施例6 実施例1と同様にマトリックスにサイアロンを用いて行
った。すなわちSi、、AQON、の組成を持ったサイ
アロンに直径140μmのSiCファイバーを用いて、
サイアロン−8iCフアイバ一複合焼結体を作製した。
Example 6 A test was carried out in the same manner as in Example 1 using Sialon as the matrix. That is, using SiC fiber with a diameter of 140 μm in SiAlON having the composition of Si, AQON,
A Sialon-8iC fiber composite sintered body was produced.

に、6の測定結果を表2に示す、マトリックスがSi3
N4の場合と同様にすぐれた破壊しん性値を示した。
The measurement results of 6 are shown in Table 2, and the matrix is Si3
Similar to the case of N4, it showed excellent fracture toughness values.

また1曲げ強度も10kg/■8以上と大きな値であっ
た。
The single bending strength was also a large value of 10 kg/■8 or more.

第   2   表 (マトリックスサイアロン組成Si、AQON、)実施
例7 HI P法(Ar中、2000気圧、1800℃)を用
い、第7図のように先端部はSiCファイバーが2次元
的に配列した組織を持つサイアロン(S L s、S 
A Q 6 、@ 06 、 s N 7 、5 )製
のガスタービンブレードを試作した。このブレードは温
度1350℃のガス中での回転試験(10万rp■)や
、ホットガスと空気を交互に送る熱衝撃試験などによる
破損は全く見られず、極めて信頼性が高いものであった
Table 2 (Matrix sialon composition Si, AQON,) Example 7 Using the HI P method (in Ar, 2000 atm, 1800°C), the tip was formed with a structure in which SiC fibers were arranged two-dimensionally as shown in Figure 7. Sialon (S L s, S
A gas turbine blade manufactured by AQ6,@06,sN7,5) was prototyped. This blade showed extremely high reliability, with no damage observed during rotation tests in gas at a temperature of 1350°C (100,000 rpm) and thermal shock tests in which hot gas and air were alternately sent. .

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、513N4またはサイアロンにSiC
ファイバーを複合することにより、高温での強度とくに
高靭性値を有する繊維強化セラミックスが得られる。
According to the present invention, SiC is added to 513N4 or Sialon.
By combining fibers, fiber-reinforced ceramics with high strength, especially high toughness values at high temperatures can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はファイバー間隔を模形的に表した図、第2図は
Si3N、−8iCフアイバ一複合焼結体の破壊じん性
値とファイバーの間隔の関係を示す曲線図、第3図は複
合焼結体の相対密度と破壊じん性値の関係を示す曲線図
、第4図はファイバー表面のC膜有無による破壌じん性
値の比較図、第5図はアスペクト比と破壊しん性値の関
係を示す曲線図、第6図はファイバー添加量と破壌じん
性値の関係を示す曲線図、第7図は本発明の焼結体を用
いて作成したガスタービンブレードの斜視図である。
Figure 1 is a diagram schematically representing the fiber spacing, Figure 2 is a curve diagram showing the relationship between the fracture toughness value and fiber spacing of a Si3N, -8iC fiber-composite sintered body, and Figure 3 is a diagram showing the relationship between the fiber spacing and the fracture toughness of the composite sintered body. A curve diagram showing the relationship between the relative density of the sintered body and the fracture toughness value. Figure 4 is a comparison diagram of the fracture toughness value with and without C film on the fiber surface. Figure 5 is a diagram showing the relationship between the aspect ratio and the fracture toughness value. FIG. 6 is a curve diagram showing the relationship between the amount of fiber added and the fracture toughness value, and FIG. 7 is a perspective view of a gas turbine blade made using the sintered body of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、密度95%以上のSi_3N_4またはSi_6_
−_zAl_zO_zN_3_−_z(但し0<z≦4
)セラミックス母材中に、上記セラミックス母材の粒径
の5倍以上で、かつ直径の30倍以上の繊維長を有する
SiCファイバーが含有されていることを特徴とする繊
維強化セラミックス。 2、特許請求の範囲第1項において、前記SiCファイ
バーが1次元、2次元または3次元的に配向し含有され
ていることを特徴とする繊維強化セラミックス。 3、特許請求の範囲第1項または第2項において前記S
iCファイバーのファイバー相互の間隔(l)とすると
l/dが0.5〜2(但しd=ファイバーの直径)であ
ることを特徴とする繊維強化セラミックス。 4、特許請求の範囲第1項〜第3項のいずれかにおいて
、前記SiCファイバーは、C繊維を心としその上にS
iC層を有することを特徴とする繊維強化セラミックス
。 5、特許請求の範囲第1項〜第4項のいずれかにおいて
、前記SiCファイバーはその表面にC被覆層を有する
ことを特徴とする繊維強化セラミックス。 6、特許請求の範囲第1項または第2項において、ファ
イバーがランダム配向しており、その含有量が20〜5
0vol%であることを特徴とする繊維強化セラミック
ス。
[Claims] 1. Si_3N_4 or Si_6_ with a density of 95% or more
−_zAl_zO_zN_3_-_z (However, 0<z≦4
) A fiber-reinforced ceramic characterized in that the ceramic matrix contains SiC fibers having a particle diameter of 5 times or more and a fiber length of 30 times or more of the diameter of the ceramic matrix. 2. The fiber-reinforced ceramic according to claim 1, wherein the SiC fibers are oriented one-dimensionally, two-dimensionally, or three-dimensionally. 3. In claim 1 or 2, the above S
A fiber-reinforced ceramic characterized in that the inter-fiber spacing (l) of iC fibers is l/d of 0.5 to 2 (where d=fiber diameter). 4. In any one of claims 1 to 3, the SiC fiber has C fiber as its core and S on it.
A fiber-reinforced ceramic characterized by having an iC layer. 5. The fiber-reinforced ceramic according to any one of claims 1 to 4, wherein the SiC fiber has a C coating layer on its surface. 6. In claim 1 or 2, the fibers are randomly oriented and the content is 20 to 5.
Fiber-reinforced ceramics characterized by being 0 vol%.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6432003A (en) * 1987-07-28 1989-02-02 Mazda Motor Apex seal of rotary piston engine and manufacture thereof
US5112780A (en) * 1989-05-12 1992-05-12 Kabushiki Kaisha Toshiba Sialon based composite and method of manufacturing the same
WO2008026641A1 (en) 2006-08-30 2008-03-06 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Aluminum oxide-based composite sintered material and cutting insert

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