JPH02275760A - 繊維強化ｂ↓４ｃ複合体の製造方法 - 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、高強度・高靭性を有する連続繊維で強化した
Ｂ４Ｃ？１合体の製造方法に関する。

〔従来の技術］ ８４Ｃ（炭化ホウ素）は、熱的安定性、化学的耐食性、
中性子吸収能力に優れるうえに高硬度、低比重などの特
性を保存しているが、靭性に乏しいため構造材料への実
用化が遅れている。

近年、セラミックスの高靭化を目的とした各種の複合材
研究がなされている。Ｂ４Ｃ系については、例えばＡ１
系の焼結助剤を用いた焼結体とその製造方法（特開昭５
９−１８４７６７号公報）、「粒子分散強化によるＢ４
Ｃセラミックスの高靭化〔日本セラミックス協会、第２
７回セラミックス基礎科学討論会要旨集Ｐ２１２　（１
９８９）　）などが報告されているが、強度と靭性の調
和がとれた焼結体は未だに得られていない。

（発明が解決しようとする課題〕 ８４Ｃ焼結体は他のセラミックスと同様に本来的に脆弱
な材料であり、−度発生した亀裂は容易に焼結体組織全
体に伝播して破壊に至る。これはＢ４Ｃ焼結体の低い破
壊エネルギーに基づいて起こる現象であるため、十分な
高靭化を得るためには粒子あるいは繊維などによる強化
相を複合化することにより破壊エネルギーの増大化を図
ることが有効である。但し、この場合に導入される強化
相は、亀裂の進行に対して強い抵抗を示し、マトリック
スであるＢ４Ｃと化学的に反応しないが反応しても強化
相の特性劣化を伴わず、さらに熱膨張率の違いによって
マトリックスとの間に生じる残留熱応力の影響で焼結体
構造に複合欠陥の発生を招くことのない物質であること
が望ましい。

本発明は、上記の観点から強化相の形成について多角的
に研究を重ねた結果得られたもので、その目的とすると
ころは連続繊維を複合化することによって破壊エネルギ
ーの大きな、ずなわち靭性の高いＢ４Ｃ焼結体の製造方
法を提供することにある。

（課題を解決するための手段〕 Ｌ記の目的を達成するための本発明による繊維強化Ｂ４
Ｃ複合体の製造方法は、熱硬化性樹脂溶液にＢ４Ｃ粉末
およびＡｌ系焼結助剤を添加混合して泥漿スラリーを形
成し、該泥漿スラリーに炭素あるいはＳｉＣの連続繊維
を浸漬してプリプレグ化したのち、非酸化性雰囲気中で
温度１６００〜２０００’Ｃ５圧力１５０　’Ｋｇ／ｃ
Ｍ以−にの熱圧条件によりホソトプし・スすることを構
成上の特徴とする。

マトリックスとなる［１．Ｃには可及的に微細な粉末が
適用され、平均粒子径として５０μｍを越えるわ）宋で
は焼結性が悪く十分な強度特性は得られない。好ましい
粉末粒度は、平均粒子径で１１０１ｚ以Ｆとすることで
ある。

焼結助剤としては、ＡｌまたはＡ！８２のようなＡｌ系
の化合物が使用される。この添加量はＢ４Ｃ粉末に対し
＾ｌ量として１０重量％以下になるように設定すること
が好適であり、１０重量％を上田る添加は焼結中に繊維
物質と反応を起こして強化特性を低下させる危険性を招
く。

これら８４Ｇ粉末およびＡｌ系焼結助剤は、熱硬化性樹
脂溶液に混合分散させて泥漿スラリーを形成する。熱硬
化性樹脂溶液は、例えばポリシラスチレン樹脂、エポキ
シ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を適宜な有機
溶媒に溶解希釈して作成されるが、この際に使用する熱
硬化性樹脂は熱処理時の炭素残留率が低いものを選択す
ることが望ましい。この理由は、後工程の熱圧処理時に
多量の炭素成分が生成残留すると焼結性を阻害する原因
になるからである。

強化材となる繊維物質には、ピッチ系またはポリアクリ
ロニトリル系の炭素繊維あるいはＳｉＣ繊維が長尺な連
続繊維の形態で使用される。

複合化は、これらの連続繊維を上記の泥漿スラリーに浸
ンａし°でフ゛すプレグ化することによりおこなわれる
。具体的手段としては、例えば泥漿スラリーに繊維を連
続的に浸しながらフィラメントワインディング法を用い
て成形体とし、ついで半硬化してプリプレグ化する方法
などが採られる。

プリプレグは所望の形態に積層成形したのち揮発成分を
十分に脱脂し、Ａｒあるいは真空などの非酸化性雰囲気
中で温度１６００〜２０００℃、圧力１５０　ｋｇ／ｃ
ｒ１以上の熱圧条件によりホントブレスする。温度が１
６００’ｃ未満で圧力が１５０　ｋｇ／ｃＪを上廻る条
件では焼結が円滑に進行せず、また２０００°Ｃを越え
る加熱はもはや複合材の焼結性の向上にはつながらない
。

本発明の繊維強化Ｂ４Ｃ複合体は、」−記のホットプレ
ス焼結によって製造される。

［作　用〕 一般に、繊維をマトリックスに複合強化する場合の特性
向−ヒの度合は、繊維とマトリックス物質問の熱膨張率
の違いによって生じる残留応力などによる力学的な要因
と、化学的な反応性に基づく要因の兼ね合いにより大き
く支配される。

例えば、熱膨張率が極端に異なる物質を複合化する場合
には製造工程における加熱・冷却過程においてクラック
や気孔の発生を促して機械的特性の低下を招き、他方、
繊維とマトリックスとの化学的な反応が著しくなると強
化作用を減退させて同様に機械的特性を低下させる。

本発明の方法によると、連続繊維とマトリックスとの間
に強化機構に有効な力学的、化学的な作用が生じ、更に
焼結助剤を構成するＡ１系成分が８４Ｃの焼結を促進す
るばかりでなく適度な界面反応を起こして結合を向上さ
せるために機能する。

これらの作用が相乗的に寄与して材質強度ならびに靭性
の向上改善をもたらす。

［実施例］ マトリックスとして平均粒子径１μｍおよび２μｍの８
４Ｃ粉末〔共立窯業■製〕、焼結助剤に平均粒子径４０
μｍのへＩおよび／またはＡｌＢｚ粉末（セランク社製
）を用い、これらをボールミルで２４時間に亘り混合し
たのちポリシラスチレン樹脂（日本曹達■製）またはフ
ェノール樹脂の溶液を加え、真空混合機により３０分間
処理して泥漿スラリーを作成した。

上記の泥漿スラリーに、ピッチ系の炭素繊維（ベト力・
カーボニック社製）、ポリアクリロニトリル系の炭素繊
維［東邦レーヨン■製］およびＳｉＣ繊維の連続フィラ
メント（トウ）を十分に浸しながらフィラメントワイン
ディングによりボビンに巻き付け、半硬化してプリプレ
グ化した。引続き半乾きの状態で金属プレスにより板状
に成形し、溶媒を揮発させたのち１５００ｋｇ／ｃｄの
圧力で静水圧プレスした。　成形体をＡｒガスに保持さ
れた炉中でゆっくり昇温し７００　’Ｃで１時間焼成し
たのち、１６００〜２０００°Ｃの温度段階で繊維方向
と垂直に加圧するホットプレスにより２００　ｋｇ／ｃ
Ｊの圧力を適用して焼結処理をおこなった。

なお、焼結体中の繊維含有量は全て３５ｖｏ　１％とじ
た。

このようにして製造した各複合体について、焼結密度、
気孔率、曲げ強さ、靭性値などの特性を測定した。この
うち、曲げ強さはＪＩＳ　Ｒ１６０１による三点曲げ強
度測定法により、また靭性値は試片（４Ｘ３Ｘ３６胴）
の中央に幅０．１胴、切り込み深さ１ＩＩｌｆｆｉのノ
ツチを導入し４点曲げ（クロスヘツドスピード０．５　
ｍｍ／ｍ１ｎ）ＳＥＮＢ法により測定した。

得られた結果を適用した条件と対比させて第１表に示し
た。

第１表の結果から、本発明で得られる繊維強化８４Ｇ複
合体はいずれも良好な強度ならびに靭性値を示した。ま
た、ＵＰＭＡの観察では繊維の表層部にＡ１が固溶して
いることが認められ、試片破断面観察では高靭化に有効
とされるクラックディフレクションおよびプルアウト効
果が６ｆＩ　ｍＷされた。

比較例 平均粒子径２μｍのＢａＣ粉末に焼結助剤として平均粒
子径４０μｍのＡｌ８２粉末を５重量％混合し、これを
温度１８００℃、圧力２００ｋｇ／ｃｍ”の条件で焼結
した。

この例で得られたＢ４Ｃ焼結体の特性は、焼結密度２．
４７ｇ／ｃｃ、気孔率０．４３％、曲げ強度５４．３ｋ
ｇ／ｍｍｚ、靭性値３．２ＭＰａ、　１ｍで靭性の改善
は認められなかった。

〔発明の効果〕

以上のとおり、本発明によれば従来技術において困難と
されていた８４Ｃの靭性改善を効果的に達成することが
できる。したがって、高機能セラミック材料として広汎
な用途が期待される。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．熱硬化性樹脂溶液にＢ＿４Ｃ粉末およびＡｌ系焼結
   助剤を添加混合して泥漿スラリーを形成し、該泥漿スラ
   リーに炭素あるいはＳｉＣの連続繊維を浸漬してプリプ
   レグ化したのち、非酸化性雰囲気中で温度１６００〜２
   ０００℃、圧力１５０ｋｇ／ｃｍ＾２以上の熱圧条件に
   よりホットプレスすることを特徴とする繊維強化Ｂ＿４
   Ｃ複合体の製造方法。