JPH03232776A - Heat-resistant fiber-reinforced inorganic composite material - Google Patents
Heat-resistant fiber-reinforced inorganic composite materialInfo
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- JPH03232776A JPH03232776A JP2025280A JP2528090A JPH03232776A JP H03232776 A JPH03232776 A JP H03232776A JP 2025280 A JP2025280 A JP 2025280A JP 2528090 A JP2528090 A JP 2528090A JP H03232776 A JPH03232776 A JP H03232776A
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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】
(産業上の利用分野)
本発明は無機繊維で強化された、耐熱性、耐酸化性及び
耐熱衝撃性に優れた無機複合材料に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an inorganic composite material reinforced with inorganic fibers and having excellent heat resistance, oxidation resistance, and thermal shock resistance.
(従来の技術及びその問題点)
無機繊維で強化した炭素質無機複合材料のうち、強化繊
維として炭素繊維、無機質マトリックスとして炭素を用
いた、所謂C/Cコンポジットは比強度、比弾性、非酸
化性雰囲気中における耐熱性、靭性、摩擦特性に優れ、
耐熱構造材、ブレーキ材として実用化が進められている
。(Prior art and its problems) Among carbonaceous inorganic composite materials reinforced with inorganic fibers, the so-called C/C composite, which uses carbon fiber as the reinforcing fiber and carbon as the inorganic matrix, has poor specific strength, specific elasticity, and non-oxidation. Excellent heat resistance, toughness, and friction properties in a harsh atmosphere,
Practical use is progressing as a heat-resistant structural material and brake material.
しかし、将来の高速輸送システムとして期待されている
超音速機、スペースプレーンへの用途を考えた場合、空
力加熱による機体表面の最高温度は超音速機で1200
°C、スペースプレーンでは1700〜1800°Cに
達すると予測されており、通常のC/Cコンポジットで
は燃焼してしまい使用できない。However, when considering the application to supersonic aircraft and space planes, which are expected to be used as future high-speed transportation systems, the maximum temperature of the aircraft surface due to aerodynamic heating is 1,200 yen for supersonic aircraft.
It is predicted that the temperature will reach 1,700 to 1,800 degrees Celsius for space planes, and ordinary C/C composites will burn and cannot be used.
この問題を解決する手段として、米国では、C/Cコン
ポジット表面をCVI、CVDにより炭化珪素でコーテ
ィングする技術が開発された。As a means to solve this problem, a technique has been developed in the United States in which the surface of a C/C composite is coated with silicon carbide by CVI or CVD.
この耐酸化処理C/Cコンポジットは、米国のスペース
シャトルのノーズコーンやウィングリーディングエツジ
に使用された例がある。This oxidation-resistant C/C composite has been used for the nose cone and wing leading edge of the American Space Shuttle.
最近では、コーティング技術の進歩により、上記の炭化
珪素コーティングC/Cコンポジットは、長時間高温空
気雰囲気下での使用が可能となったが、温交変動が激し
い条件下では、炭化珪素と炭素との熱膨張率・熱収縮率
の差により表面コーティング層の剥離、ピンホール、ク
ランク等が生じる。コーティング層に微小であっても亀
裂を生じた場合、内部のC/Cコンポジットの酸化劣化
は急速に進行し、該材料は構造材として使用できないも
のとなってしまう。Recently, advances in coating technology have made it possible for the silicon carbide-coated C/C composite described above to be used in a high-temperature air atmosphere for long periods of time. Due to the difference in thermal expansion and contraction coefficients, peeling of the surface coating layer, pinholes, cranks, etc. occur. If even minute cracks occur in the coating layer, oxidative deterioration of the internal C/C composite will progress rapidly, making the material unusable as a structural material.
超音速機、スペースプレーンとも、離着陸を繰り返すた
め上記熱応力によるコーティング層の破壊は避けられず
、前記耐酸化処理C/Cコンポジットは要求物性を充分
満足できる材料とはいえない。この熱応力を緩和するた
め耐熱性が高く、かつ、隣接する眉間の熱膨張係数の差
異が少ない中間層を幾層も形成させた傾斜材料の研究が
進められているが、充分に要求を満足する材料は得られ
ていない。また、傾斜材料の製造には高度な技術と高価
な装置が必要であり、生産性が極めて低いため非常に高
コストとなる。Both supersonic aircraft and space planes repeatedly take off and land, so destruction of the coating layer due to the thermal stress is unavoidable, and the oxidation-resistant C/C composite cannot be said to be a material that fully satisfies the required physical properties. In order to alleviate this thermal stress, research is being carried out on graded materials that are highly heat resistant and have many intermediate layers with small differences in thermal expansion coefficients between adjacent eyebrows, but this does not fully satisfy the requirements. No material has been obtained. Furthermore, the production of graded materials requires advanced technology and expensive equipment, resulting in very low productivity and very high costs.
一方、C/Cコンポジットの耐酸化性を向上させる別の
方法として、特開平1−167290号公報には、C/
Cコンポジットにポリカルボシランやポリシラスチレン
等熱分解により炭化珪素に転換しうる有機珪素化合物を
含浸後、無機化し、さらに表面をSiC又は5izNa
層でコーティングする方法が開示されている。この方法
によれば、熱分解によるSiC層の形成のため炭素マト
リックスと表面コーティング層間の熱膨張・熱収縮率の
差が緩和され、コーティング層でのマイクロクランクの
発生が軽減されることが示されている。On the other hand, as another method for improving the oxidation resistance of C/C composites, Japanese Patent Laid-Open No. 1-167290 discloses C/C composites.
After impregnating the C composite with an organosilicon compound that can be converted into silicon carbide by thermal decomposition, such as polycarbosilane or polysilastyrene, it is mineralized, and the surface is further coated with SiC or 5izNa.
A method of coating with a layer is disclosed. This method has been shown to alleviate the difference in thermal expansion and contraction rates between the carbon matrix and the surface coating layer due to the formation of the SiC layer through pyrolysis, and to reduce the occurrence of microcranks in the coating layer. ing.
しかし、この方法では、炭素層とSiC層とが直接接触
しており、熱応力によるクラックの進展を完全に抑制す
ることはできず、−度クランクが炭素層まで達すると急
速に酸化劣化が進行する。また、炭素層に直接ポリカル
ボシラン等を塗布し、無機化することはポリカルボシラ
ン等の分解ガスによる炭素層の劣化は避けられず、新た
な欠陥の原因となる。However, in this method, the carbon layer and the SiC layer are in direct contact, and it is not possible to completely suppress the development of cracks due to thermal stress.When the -degree crank reaches the carbon layer, oxidative deterioration progresses rapidly. do. Further, if polycarbosilane or the like is directly applied to the carbon layer to make it inorganic, deterioration of the carbon layer due to the decomposed gas of polycarbosilane or the like cannot be avoided, causing new defects.
また、フランス特許FR2611198号明細書には、
炭素繊維表面を炭素及びSiCでコーティング後、炭素
に転換しうる、フェノール樹脂等の有機ポリマーとシリ
コン類との混合物を含浸し、焼成してC/SiCマトリ
ックスを生成させ、さらにシリケートポリマーの塗布、
焼成によりSiC表層を設ける。さらに、その上にSi
Ox層、SiO□十B z O:+層をコーティングす
ることにより、熱応力により発生するクラックに表面ガ
ラスが流れ込み耐酸化性を向上させる方法が開示されて
いる。この方法は、クラックの発生を前提としているた
め表面ガラス層が充分クラックを埋めなければ効果がな
く、またマトリックス表面及び内部に耐熱性の低いガラ
ス層を含むため高温下での機械特性、例えば、熱間強度
等に悪影響を及ぼす。Also, in French patent FR2611198,
After coating the carbon fiber surface with carbon and SiC, impregnating it with a mixture of an organic polymer such as a phenolic resin and silicones that can be converted into carbon, baking it to produce a C/SiC matrix, and further applying a silicate polymer.
A SiC surface layer is provided by firing. Furthermore, Si
A method is disclosed in which surface glass flows into cracks caused by thermal stress and improves oxidation resistance by coating with an Ox layer or a SiO□10B z O:+ layer. This method is based on the assumption that cracks will occur, so it is ineffective unless the surface glass layer sufficiently fills the cracks.Also, since the matrix includes a glass layer with low heat resistance on the surface and inside, it has poor mechanical properties at high temperatures, e.g. It has an adverse effect on hot strength, etc.
(問題を解決するための手段)
本発明の目的は、上記問題点を解決した新規な耐熱性繊
維強化無機複合材料の提供にある。(Means for Solving the Problems) An object of the present invention is to provide a novel heat-resistant fiber-reinforced inorganic composite material that solves the above problems.
本発明の他の目的は、高温酸化雰囲気下で劣化の少ない
耐熱耐酸化性繊維強化無機複合材料の提供にある。Another object of the present invention is to provide a heat-resistant, oxidation-resistant, fiber-reinforced inorganic composite material that exhibits little deterioration in a high-temperature oxidizing atmosphere.
本発明の他の目的は、熱応力の発生の少ない耐熱衝撃性
に優れた繊維強化無機複合材料の提供にある。Another object of the present invention is to provide a fiber-reinforced inorganic composite material that generates less thermal stress and has excellent thermal shock resistance.
本発明の他の目的は、上記特性を兼ね備えた低コストの
繊維強化無機複合材料の提供にある。Another object of the present invention is to provide a low-cost fiber-reinforced inorganic composite material that has the above characteristics.
本発明の繊維強化無機複合材料は、無機繊維を強化材と
し、無機物質をマトリックスとする複合材料であって、
上記無機繊維が、珪素含有多環状芳香族重合体から得ら
れる無機繊維であって、その構成成分が
i)該重合体を構成するメソフェーズ状態にある多環状
芳香族化合物から導かれるラジアル構造、オニオン構造
、ランダム構造コアラジアル構造、スキンオニオン構造
及びモザイク構造からなる群から選ばれる少なくとも一
種の結晶配列状態を示す炭素質、
ii)該重合体を構成する光学的等方性の多環状芳香族
化合物から導かれる、無配向状態の結晶質炭素及び/又
は非晶質炭素、及び
ji)Si、C及び0から実質的になる非晶質相及び/
又は粒径が500λ以下の実質的にβ−SiCからなる
結晶質超微粒子と非晶質の5iOX(0<x≦2)から
なる集合体であり、構成元素の割合がSi;30〜70
重量%、C;20〜60重量%及びO; 0.5〜10
重量%である5i−C−0物質
であり、
前記無機物質が主として
a)該重合体を構成するメソフェーズ状態にある多環状
芳香族化合物から導かれる結晶質炭素、又は結晶質炭素
と非晶質炭素、
b)該重合体を構成する光学的等方性の多環状芳香族化
合物から導かれる、無配向状態の結晶質炭素及び/又は
非晶質炭素、及び
c)c+)S r、C及びOから実質的になる非晶質相
及び/又は粒径が500Å以下の実質的にβ−SiCか
らなる結晶質超微粒子と非晶質のSiOx (0<x
≦2)からなる集合体及び/または、
c2)(1)Si、M、C及びOから実質的になる非晶
質物質、及び/又は
■実質的にβ−SiCSMC,β−SiCとMCの固溶
体及びMCr−からなる粒径が500Å以下の結晶超微
粒子と、非晶質のSiOy及びMO。The fiber-reinforced inorganic composite material of the present invention is a composite material using inorganic fibers as a reinforcing material and an inorganic substance as a matrix,
The inorganic fiber is an inorganic fiber obtained from a silicon-containing polycyclic aromatic polymer, and the constituent components thereof are i) a radial structure derived from a polycyclic aromatic compound in a mesophase state constituting the polymer, and an onion. ii) an optically isotropic polycyclic aromatic compound constituting the polymer; ji) an amorphous phase consisting essentially of Si, C and 0;
Or, it is an aggregate consisting of crystalline ultrafine particles substantially consisting of β-SiC with a particle size of 500λ or less and amorphous 5iOX (0<x≦2), and the ratio of the constituent elements is Si; 30 to 70.
Weight %, C; 20-60 weight % and O; 0.5-10
5i-C-0 substance by weight, and the inorganic substance is mainly a) crystalline carbon derived from a polycyclic aromatic compound in a mesophase state constituting the polymer, or crystalline carbon and amorphous carbon, b) non-oriented crystalline carbon and/or amorphous carbon derived from the optically isotropic polycyclic aromatic compound constituting the polymer, and c) c+) S r, C and An amorphous phase consisting essentially of O and/or crystalline ultrafine particles having a particle size of 500 Å or less and consisting essentially of β-SiC and amorphous SiOx (0<x
≦2) and/or c2) (1) an amorphous material consisting essentially of Si, M, C and O, and/or ■ substantially consisting of β-SiCSMC, β-SiC and MC Crystalline ultrafine particles with a particle size of 500 Å or less consisting of a solid solution and MCr-, and amorphous SiOy and MO.
との集合体(上記式中、MはTi、Zr及びHfから選
択される少なくとも一種の元素であり、0<x<1、O
<)l≦2、O<z≦2である。)
より構成され、
強化繊維表面から遠ざかるほど珪素含有率が高くなるよ
う制御された傾斜組織を有するマトリックス
であることを特徴とする耐熱性繊維強化無機複合材料で
ある。(In the above formula, M is at least one element selected from Ti, Zr and Hf, 0<x<1, O
<)l≦2, O<z≦2. ) is a heat-resistant fiber-reinforced inorganic composite material characterized by a matrix having a gradient structure in which the silicon content is controlled to increase as the distance from the reinforcing fiber surface increases.
まず、本発明における無機繊維について詳細に説明する
。First, the inorganic fiber in the present invention will be explained in detail.
以下の説明において「部Jは「重量部」であり、「%」
は「重量%」である。In the following explanation, "part J" is "part by weight" and "%"
is "% by weight".
無機繊維は前述した構成成分i)、ii)及びji)か
らなっており、Si;0.01〜29%、C;70〜9
9.9%及びO; 0.001〜10%、好ましくはS
i;0.1〜25%、C;74〜99゜8%及び0;0
.01〜8%から実質的に構成されている。The inorganic fiber consists of the above-mentioned components i), ii) and ji), Si: 0.01-29%, C: 70-9
9.9% and O; 0.001-10%, preferably S
i; 0.1-25%, C; 74-99°8% and 0; 0
.. 01-8%.
この無機繊維の構成成分である結晶質炭素は500Å以
下の結晶子サイズを有し、1.5人の分解能を有する高
分解能電子顕微鏡において、繊維軸方向に配向した3、
2人の(002)面に相当する微細なラティスイメージ
像が観察されうる超微粒子のグラファイト結晶である。Crystalline carbon, which is a component of this inorganic fiber, has a crystallite size of 500 Å or less, and is oriented in the fiber axis direction in a high-resolution electron microscope with a resolution of 1.5 people.
It is an ultrafine graphite crystal in which a fine lattice image corresponding to two (002) planes can be observed.
無機繊維中の結晶質炭素は、ラジアル構造、オニオン構
造、ランダム構造、コアラジアル構造、スキンオニオン
構造、モザイク構造及び一部ラジアル構造を含むランダ
ム構造等をとることができる。これは、原料中にメソフ
ェーズ多環状芳香族化合物が存在することに起因する。The crystalline carbon in the inorganic fibers can have a radial structure, an onion structure, a random structure, a core radial structure, a skin onion structure, a mosaic structure, a random structure including a partial radial structure, and the like. This is due to the presence of mesophase polycyclic aromatic compounds in the raw materials.
この無機繊維における構成成分1)及び11)の総和1
00部に対する構成成分in)の割合は0.015〜2
00部であり、且つ構成成分i)、ii)の比率は1:
0.02〜4である。Total sum of constituent components 1) and 11) in this inorganic fiber 1
The ratio of component in) to 00 parts is 0.015 to 2
00 parts, and the ratio of constituent components i) and ii) is 1:
It is 0.02-4.
構成成分i)及びii)の総和100部に対する構成成
分ui)の割合が0.015未満の場合は、はとんどピ
ッチ繊維と変わらず、耐酸化性やマトリックスとの界面
接着力の向上は望めず、上記割合が200部を越えた場
合はグラファイトの微細結晶が効果的には生成せず、高
弾性率の繊維が得られない。When the ratio of component ui) to 100 parts of the total of components i) and ii) is less than 0.015, the fiber is almost the same as pitch fiber, and the oxidation resistance and interfacial adhesion with the matrix are not improved. If the above ratio exceeds 200 parts, graphite fine crystals will not be effectively generated and fibers with a high elastic modulus will not be obtained.
本発明における連続無機繊維では、層間隔が小さく三次
元的配列が付与された微結晶が効果的に生成しており、
その微細結晶を包み込むように珪素原子が非常に均一に
分布している。In the continuous inorganic fiber of the present invention, microcrystals with a small interlayer spacing and three-dimensional arrangement are effectively generated,
Silicon atoms are distributed very uniformly so as to surround the microcrystals.
本発明における無機繊維は、
1)結合単位(Si CH2)、又は結合単位(Si
−CH2)と結合単位(Si−3i)から主としてなり
、珪素原子に水素原子、低級アルキル基、フェニル基及
びシリル基からなる群から選ばれる側鎖基を有し、結合
単位(Si−CHz)の全数対結合単位(Si−3i)
の全数の比が140〜20の範囲にある有機珪素重合体
の珪素原子の少なくとも一部が、石油系又は石炭系のピ
ッチあるいはその熱処理物の芳香族環と珪素−炭素連結
基を介して結合した前駆重合体100部及び
2)石油系又は石炭系ピッチを熱処理して得られるメソ
フェーズ状態又はメソフェーズと光学的等吉相との両相
からなる多環状芳香族化合物(以下、両者を総称して「
メソフェーズ多環状芳香族化合物」と言うことがある。The inorganic fiber in the present invention includes: 1) a bonding unit (Si CH2) or a bonding unit (Si CH2);
-CH2) and a bonding unit (Si-3i), the silicon atom has a side chain group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a lower alkyl group, a phenyl group, and a silyl group, and the bonding unit (Si-CHz) The total number of bonding units (Si-3i)
At least a part of the silicon atoms of the organosilicon polymer in which the ratio of the total number of is in the range of 140 to 20 is bonded to an aromatic ring of petroleum-based or coal-based pitch or a heat-treated product thereof through a silicon-carbon linking group. 100 parts of the precursor polymer and 2) a mesophase state obtained by heat-treating petroleum-based or coal-based pitch, or a polycyclic aromatic compound consisting of both mesophase and optically isotonic phase (hereinafter, both are collectively referred to as "
Sometimes referred to as ``mesophase polycyclic aromatic compounds''.
)5〜50000部を、
200〜500°Cの範囲の温度で加熱反応及び/又は
加熱溶融して、珪素含有多環状芳香族重合体を得る第1
工程、
上記珪素含有多環状芳香族重合体の紡糸原液を調製して
紡糸する第2工程、
該紡糸原糸を張力下あるいは無張力下で不融化する第3
工程、及び
不融化した前記紡糸繊維束を真空中あるいは不活性ガス
雰囲気中で800〜3000°Cの範囲の温度で焼成す
る第4工程
よりなる製造方法により提供される。) 5 to 50,000 parts are heat-reacted and/or heat-melted at a temperature in the range of 200 to 500°C to obtain a silicon-containing polycyclic aromatic polymer.
a second step of preparing a spinning dope of the silicon-containing polycyclic aromatic polymer and spinning it; a third step of infusibleizing the spun yarn under tension or without tension;
and a fourth step of firing the infusible spun fiber bundle at a temperature in the range of 800 to 3000°C in vacuum or in an inert gas atmosphere.
上記各工程についてさらに具体的に説明する。Each of the above steps will be explained in more detail.
第1工程:
出発原料の一つである有機珪素重合体は、公知の方法で
合成することができ、例えば、ジメチルジクロロシラン
と金属ナトリウムの反応により得られるポリジメチルシ
ランを不活性ガス中で400°C以上に加熱することに
より得られる。First step: The organosilicon polymer, which is one of the starting materials, can be synthesized by a known method. For example, polydimethylsilane obtained by the reaction of dimethyldichlorosilane and metallic sodium is heated at 400 °C in an inert gas. Obtained by heating above °C.
上記有機珪素重合体は、結合単位(Si CHz)、
又は結合単位(Si−3i)と結合単位(SiCH2)
より主としてなり、結合単位(SiCHz )の全数対
結合単位(Si−3i)の全数の比率は1:0〜20の
範囲内にある。The organosilicon polymer has a bonding unit (Si CHz),
or bonding unit (Si-3i) and bonding unit (SiCH2)
The ratio of the total number of bonding units (SiCHz) to the total number of bonding units (Si-3i) is in the range of 1:0 to 20.
有機珪素重合体の重量平均分子量(Ml)は、300〜
1000.特に400〜800であることが、優れた無
機繊維を得るための中間原料である前駆重合体(1)を
調製するために好ましい。The weight average molecular weight (Ml) of the organosilicon polymer is 300 to
1000. In particular, it is preferably 400 to 800 in order to prepare the precursor polymer (1), which is an intermediate raw material for obtaining excellent inorganic fibers.
もう一つの出発原料である多環状芳香族化合物は石油類
及び/又は石炭類から得られるピ・ソチで、特に好まし
いびっちは、石油類の流動接触分解により得られる重質
油、その重質油を蒸留して得た留出成分又は残渣油及び
それらを熱処理して得られるピッチである。Another starting material, the polycyclic aromatic compound, is pi-soti obtained from petroleum and/or coal, and particularly preferred bichi is heavy oil obtained by fluid catalytic cracking of petroleum, and heavy oil thereof. These are distillate components or residual oils obtained by distilling and pitch obtained by heat-treating them.
上記ピッチ中には、ヘンゼン、トルエン、キシレン、テ
トラヒドロフランなどの有機溶媒に不溶の成分が5〜9
8%含まれていることが好ましい。The above pitch contains 5 to 9 components insoluble in organic solvents such as Hensen, toluene, xylene, and tetrahydrofuran.
The content is preferably 8%.
上記の不溶成分が5%未満のピッチを原料として用いた
場合、強度、弾性率共に優れた無機質繊維は得られず、
また、98%より多いピッチを原料として用いた場合、
共重合体の分子量上昇が激しく、一部コーキングの起こ
る場合もあり、紡糸困難な状態になる。When pitch containing less than 5% of the above-mentioned insoluble components is used as a raw material, inorganic fibers with excellent strength and elastic modulus cannot be obtained.
In addition, when more than 98% pitch is used as a raw material,
The molecular weight of the copolymer increases rapidly, and coking may occur in some cases, making spinning difficult.
このピッチの重量平均分子量(M、)は、100〜30
00である。The weight average molecular weight (M) of this pitch is 100 to 30
It is 00.
重量平均分子量は以下のようにして求めた値である。即
ち、ピッチがヘンゼン、トルエン、キシレン、テトラヒ
ドロフラン、クロロホルム及びジクロロヘンゼン等のゲ
ルパーミュエーションクロマトグラフ(cpc)測定用
有機溶媒不溶分を含有しない場合はそのままGPC測定
し、ピッチが上記有機溶媒不溶分を含有する場合は、温
和な条件で水添処理し、上記有機溶媒不溶分を上記有機
溶媒可溶な成分に変えて後GPC測定する。以下、上記
有機溶媒不溶分を含有する重合体の重量平均分子量は、
上記と同様の処理を施し求めた値である。前駆重合体(
1)は、有機珪素重合体に、石油系又は石炭系ピッチを
添加し、不活性ガス中で好ましくは250〜500°C
の範囲の温度で加熱反応させることにより調製される。The weight average molecular weight is a value determined as follows. That is, if the pitch does not contain organic solvent insoluble matter for gel permeation chromatography (CPC) measurement, such as henzene, toluene, xylene, tetrahydrofuran, chloroform, and dichlorohensen, it is directly measured by GPC, and the pitch is insoluble in the organic solvent. If it contains a component, it is hydrogenated under mild conditions and the organic solvent-insoluble component is changed to the organic solvent-soluble component, followed by GPC measurement. Below, the weight average molecular weight of the polymer containing the above organic solvent insoluble matter is:
This is a value obtained by performing the same processing as above. Precursor polymer (
1) Adds petroleum-based or coal-based pitch to an organosilicon polymer, and heats the mixture preferably at 250 to 500°C in an inert gas.
It is prepared by a heating reaction at a temperature in the range of .
ピッチの使用割合は、有機珪素重合体100部当たり8
3〜1900部であることが好ましい。The ratio of pitch used is 8 parts per 100 parts of organosilicon polymer.
It is preferable that it is 3-1900 parts.
ピッチの使用割合が過度に小さい場合は、得られる無機
繊維中の炭化珪素成分が多くなり、高弾性率を有する無
機繊維が得られなくなり、また、その割合が過度に多い
場合は、炭化珪素成分が少なくなり、マトリックスとの
界面接着性、耐酸化性に優れた無機繊維が得られなくな
る。If the ratio of pitch used is too small, the silicon carbide component in the resulting inorganic fiber will increase, making it impossible to obtain an inorganic fiber with a high modulus of elasticity. As a result, inorganic fibers with excellent interfacial adhesion with the matrix and oxidation resistance cannot be obtained.
上記反応の反応温度が過度に低いと、珪素原子と芳香族
炭素の結合が生成しにくくなり、反応温度が過度に高い
と、生成した前駆重合体(1)の分解及び高分子量化が
激しく起こり好ましくない。If the reaction temperature of the above reaction is too low, it will be difficult to form bonds between silicon atoms and aromatic carbon, and if the reaction temperature is too high, the resulting precursor polymer (1) will be violently decomposed and its molecular weight will increase. Undesirable.
メソフェーズ多環状芳香族化合物は、例えば、石油系又
は石炭系ピッチを不活性ガス中で300〜500°Cに
加熱し、生成する軟質留分を除去しながら縮重合するこ
とによって調製することができる。Mesophase polycyclic aromatic compounds can be prepared, for example, by heating petroleum-based or coal-based pitch to 300 to 500°C in an inert gas and subjecting it to condensation polymerization while removing the generated soft fraction. .
上記縮重合反応温度が過度に低いと縮合環の成長が充分
でなく、またその温度が過度に高いとコーキングにより
不溶、不融の生成物が生ずる。If the temperature of the condensation polymerization reaction is too low, the growth of the condensed ring will not be sufficient, and if the temperature is too high, an insoluble or infusible product will be produced due to coking.
メソフェーズ多環状芳香族化合物は、融点が200〜4
00°Cの範囲にあり、また、重量平均分子量が200
〜10000である。Mesophase polycyclic aromatic compounds have a melting point of 200 to 4
00°C, and the weight average molecular weight is 200°C.
~10000.
メソフェーズ多環状芳香族化合物の中でも、20〜10
0%の光学的異方性度を有し、30〜100%のヘンゼ
ン、トルエン、キシレン又はテトラヒドロフランに対す
る不溶分を含むものが、機械的性能上優れた無機繊維を
得るために特に好ましい。Among mesophase polycyclic aromatic compounds, 20 to 10
Those having an optical anisotropy of 0% and containing 30 to 100% of insoluble matter in Hensen, toluene, xylene, or tetrahydrofuran are particularly preferred in order to obtain inorganic fibers with excellent mechanical performance.
第1工程では、前駆重合体(1)とメソフェーズ多環状
芳香族化合物を200〜500°Cの温度範囲で加熱溶
融及び/又は加熱反応し、珪素含有多環状芳香族重合体
からなる紡糸ポリマーを調製する。In the first step, the precursor polymer (1) and the mesophase polycyclic aromatic compound are melted and/or heated to react in a temperature range of 200 to 500°C to produce a spun polymer made of a silicon-containing polycyclic aromatic polymer. Prepare.
メソフェーズ多環状芳香族化合物の4使用割合は前駆重
合体(1) 100部当たり5〜50000部であるこ
とが好ましく、5部未満では、生成物におけるメソフェ
ーズ含有量が不足するため、高弾性の焼成糸が得られず
、また、50000部より多い場合は、珪素成分の不足
のためマトリックスとの界面接着性、耐酸化性に優れた
無機繊維が得られなくなる。The mesophase polycyclic aromatic compound is preferably used in an amount of 5 to 50,000 parts per 100 parts of the precursor polymer (1). If it is less than 5 parts, the mesophase content in the product will be insufficient, so high elasticity If yarn cannot be obtained, and if the amount exceeds 50,000 parts, the silicon component will be insufficient, making it impossible to obtain inorganic fibers with excellent interfacial adhesion with the matrix and oxidation resistance.
珪素含有多環状芳香族重合体の重量平均分子量は200
〜11000で、融点が200〜400°Cである。The weight average molecular weight of the silicon-containing polycyclic aromatic polymer is 200
~11,000 and a melting point of 200-400°C.
第2工程:
第1工程で得られる珪素含有多環状芳香族重合体である
紡糸ポリマーを加熱溶融させて、場合によってはこれを
濾過してミクロゲル、不純物等の紡糸に際して有害とな
る物質を除去し、これを通常用いられる合成繊維紡糸装
置により紡糸する。2nd step: The spinning polymer, which is a silicon-containing polycyclic aromatic polymer obtained in the 1st step, is heated and melted, and in some cases, it is filtered to remove substances that are harmful during spinning, such as microgels and impurities. This is then spun using a commonly used synthetic fiber spinning device.
紡糸する際の紡糸原液の温度は原料ポリマーの軟化温度
によって異なるが、220〜420°Cの範囲の温度が
有利である。The temperature of the spinning dope during spinning varies depending on the softening temperature of the raw material polymer, but a temperature in the range of 220 to 420°C is advantageous.
前記紡糸装置において、必要に応じて紡糸筒を取付け、
該紡糸筒内の雰囲気を空気、不活性ガス、熱空気、熱不
活性ガス、スチーム、及びアンモニアガスからなる群か
ら選ばれる一種以上の雰囲気とした後、巻取り速度を大
きくすることにより細い直径の繊維を得ることができる
。前記溶融紡糸における紡糸速度は原料の平均分子量、
分子量分布、分子構造によって異なるが、50〜500
0m/分の範囲であることが好ましい。In the spinning device, a spinning tube is attached as necessary,
After setting the atmosphere in the spinning tube to one or more atmospheres selected from the group consisting of air, inert gas, hot air, hot inert gas, steam, and ammonia gas, the winding speed is increased to create a thin diameter. fibers can be obtained. The spinning speed in the melt spinning is determined by the average molecular weight of the raw materials,
Although it varies depending on the molecular weight distribution and molecular structure, 50 to 500
A range of 0 m/min is preferable.
第3工程:
第2工程で得られる紡糸繊維を張力又は無張力の作用も
とで不融化する。Third step: The spun fibers obtained in the second step are made infusible under the action of tension or no tension.
代表的な不融化方法は上記紡糸繊維を酸化性雰囲気中で
加熱する方法である。不融化の温度は好ましくは50〜
400°Cの範囲の温度である。不融化温度が過度に低
いと紡糸原子を構成するポリマーのはしかけが起こらず
、また、この温度が過度に高いとポリマーが燃焼する。A typical method for infusibility is to heat the spun fibers in an oxidizing atmosphere. The temperature of infusibility is preferably 50~
The temperature is in the range of 400°C. If the infusibility temperature is too low, the polymer constituting the spinning atoms will not be fused, and if the temperature is too high, the polymer will burn.
不融化の目的は、紡糸繊維を構成するポリマーを三次元
構造の不融・不溶のはしかけ状態にし、次工程の焼成の
際に熔融せず、且つ隣接した繊維と融着しないようにす
ることである。不融化の際の酸化性雰囲気を構成するガ
スとしては、空気、オゾン、酸素、塩素ガス、臭素ガス
、アンモニアガス、及びこれらの混合ガスが挙げられる
。The purpose of infusibility is to make the polymer that makes up the spun fibers into a three-dimensional structure that is infusible and insoluble, so that it does not melt during the next firing process and does not fuse with adjacent fibers. It is. Gases constituting the oxidizing atmosphere during infusibility include air, ozone, oxygen, chlorine gas, bromine gas, ammonia gas, and mixed gases thereof.
上記とは別の不融化方法として、紡糸繊維に酸化性雰囲
気あるいは非酸化性雰囲気で、張力あるいは無張力で必
要に応じて低温加熱しながら、T線照射、あるいは電子
線照射して不融化する方法も採用することができる。As an infusible method different from the above, spun fibers are infusible by T-ray irradiation or electron beam irradiation in an oxidizing or non-oxidizing atmosphere, under tension or no tension, while heating at a low temperature as necessary. method can also be adopted.
このT線あるいは電子線を照射する目的は、紡糸繊維を
形成するポリマーを、さらに重合させることによって、
紡糸原糸が融解し、繊維形状を失うことを防ぐことにあ
る。The purpose of irradiating this T-ray or electron beam is to further polymerize the polymer that forms the spun fibers.
The purpose is to prevent the spun yarn from melting and losing its fiber shape.
T線あるいは電子線の照射線量は106〜1010ラン
ドが適当である。The appropriate irradiation dose of T-rays or electron beams is 106 to 1010 rand.
照射は真空、不活性ガス雰囲気下、あるいは空気、オゾ
ン、酸素、塩素ガス、臭素ガス、アンモニアガス及びこ
れらの混合ガスのような酸化性ガス雰囲気で行うことが
できる。Irradiation can be carried out in a vacuum, an inert gas atmosphere, or an oxidizing gas atmosphere such as air, ozone, oxygen, chlorine gas, bromine gas, ammonia gas, and mixtures thereof.
照射による不融化は室温で行うこともでき、必要であれ
ば50〜200″Cの温度範囲で加熱しながら行うこと
によって不融化をより短時間で達成させることもできる
。Infusibility by irradiation can be carried out at room temperature, or, if necessary, by heating in the temperature range of 50 to 200''C, infusibility can be achieved in a shorter time.
不融化は、無張力下で行うと、前記紡糸繊維は収縮のた
め波状の形を呈するようになるが、次工程の焼成工程で
矯正できる場合もあり、張力は必ずしも必要ないが、張
力を作用させる場合には、その張力の大きさは不融化時
に紡糸繊維が収縮して波状となることを少なくとも防止
できる以上の張力を作用させると良い結果が得られる。If infusibility is carried out without tension, the spun fibers will shrink and take on a wavy shape, but this can sometimes be corrected in the next firing process, and tension is not necessarily required. In this case, good results can be obtained if the tension is greater than that which can at least prevent the spun fibers from shrinking and becoming wavy during infusibility.
不融化の際に、作用させる張力としては、1〜500
g /W”の範囲が好ましく、1g/ll1l12以下
の張力を作用させても繊維をたるませないような緊張を
与えることができず、500 g/閤2以上の張力を作
用させると繊維が切断することがある。The tension to be applied during infusibility is 1 to 500
g/W" range is preferable; even if a tension of 1 g/l1l12 or less is applied, it is not possible to apply tension that will not cause the fibers to sag, and if a tension of 500 g/l112 or more is applied, the fibers will break. There are things to do.
第4工程:
第3工程で得られる不融化糸を、真空あるいは不活性ガ
ス雰囲気中で800〜3000°Cの範囲の温度で焼成
することによって、主として炭素、珪素、酸素からなる
無機繊維が得られる。Fourth step: By firing the infusible yarn obtained in the third step at a temperature in the range of 800 to 3000°C in a vacuum or inert gas atmosphere, inorganic fibers mainly composed of carbon, silicon, and oxygen are obtained. It will be done.
焼成工程において、張力を作用させることは必ずしも必
要ないが0.001〜100Kg/mll”の範囲で張
力を作用させながら高温焼成すると屈曲を少なくした強
度の高い無機繊維を得ることができる。In the firing process, it is not necessarily necessary to apply tension, but if the fiber is fired at a high temperature while applying tension in the range of 0.001 to 100 kg/ml, a high-strength inorganic fiber with less bending can be obtained.
加熱過程において、約700°Cから無機化が激しくな
り、約800°Cでほぼ無機化が完了するものと推定さ
れる。従って、焼成は、800°C以上の温度で行うこ
とが好ましい。また、3000°Cより高い温度を得る
には高価な装置を必要とするため3000″Cより高温
での焼成は、コスト面からみて実際的でない。It is estimated that during the heating process, mineralization becomes intense from about 700°C and is almost completed at about 800°C. Therefore, the firing is preferably performed at a temperature of 800°C or higher. Furthermore, since obtaining a temperature higher than 3000°C requires expensive equipment, firing at a higher temperature than 3000″C is not practical from a cost standpoint.
ただし、該繊維を短繊維として用いる場合は、不融化糸
または800°C以下の仮焼糸を後述するマトリックス
母材と混合成形後マトリックス母材とともに焼成し、マ
トリックスとの接着性をより強くする方法も採用される
。However, when using the fibers as short fibers, infusible yarns or calcined yarns at 800°C or less are mixed with the matrix matrix material described later and fired together with the matrix matrix material to strengthen the adhesion with the matrix. methods are also adopted.
なお、本発明の無機繊維中の珪素の分布状態は、焼成時
の雰囲気や原料中のメソフェーズの大きさ、濃度によっ
ても制御することができる。例えば、メソフェーズを大
きく成長させた場合、珪素含有ポリマーは繊維表面相に
押し出され易く、焼成後繊維表面に珪素に冨む層を生成
させることができる。The distribution state of silicon in the inorganic fiber of the present invention can also be controlled by the atmosphere during firing and the size and concentration of mesophase in the raw material. For example, when the mesophase is grown to a large size, the silicon-containing polymer is easily extruded into the fiber surface phase, and a silicon-rich layer can be formed on the fiber surface after firing.
次に、本発明の繊維強化無機複合材料の製造方法につい
て説明する。Next, a method for manufacturing the fiber-reinforced inorganic composite material of the present invention will be explained.
(1)繊維含有成形体の製造
前記無機繊維の平織、朱子織、模紗織、綾織、らせん織
物、三次元織物などの各種織物にマトリックス母材の粉
末を加え加熱プレスし成形する方法、前記織物にマトリ
ックス母材の溶液又はスラリーを含浸後、溶媒を除去、
乾燥したプリプレグシートを加熱成形する方法、前記無
機繊維の短繊維、又はチョツプドファイバーとマトリッ
クス母材を溶融混練し、プレス成形、又は射出成形する
方法等により、繊維含有成形体を製造する。(1) Manufacture of fiber-containing molded article A method of adding powder of a matrix matrix material to various woven fabrics such as plain weave, satin weave, mosaic weave, twill weave, spiral weave, three-dimensional fabric, etc. of the inorganic fibers, heat pressing, and forming the said woven fabric. After impregnating with matrix matrix solution or slurry, remove the solvent,
A fiber-containing molded article is produced by a method of thermoforming a dried prepreg sheet, a method of melt-kneading the short fibers of the inorganic fibers or chopped fibers, and a matrix base material, followed by press molding or injection molding.
成形体中の無機繊維の含有率は10〜70体積%が好ま
しい。The content of inorganic fibers in the molded body is preferably 10 to 70% by volume.
本発明におけるマトリックス母材としては、前記無機繊
維のプレカーサーポリマーである珪素含有多環状芳香族
重合体及び/又はチタン、ジルコニウム、ハフニウムよ
り選ばれる少なくとも一種類の元素及び珪素を含有する
金属含有多環状芳香族重合体が適している。The matrix matrix in the present invention is a silicon-containing polycyclic aromatic polymer which is a precursor polymer of the inorganic fibers and/or a metal-containing polycyclic polymer containing silicon and at least one element selected from titanium, zirconium, and hafnium. Aromatic polymers are suitable.
珪素含有多環状芳香族重合体の製造は前記無機繊維製造
の第一工程により行うことができる。The silicon-containing polycyclic aromatic polymer can be produced by the first step of producing the inorganic fiber.
また、金属含有多環状芳香族重合体は、以下に記載する
方法により得ることができる。Moreover, the metal-containing polycyclic aromatic polymer can be obtained by the method described below.
まず、前記無機繊維製造の第一工程で得た前駆重合体(
1)と式MX、で示される遷移金属化合物とを100〜
500°Cの範囲の温度で反応させる。First, the precursor polymer (
1) and a transition metal compound represented by the formula MX, from 100 to
The reaction is carried out at a temperature in the range of 500°C.
前記MX、においで、MはTi、Zr及びHfから選択
される少なくとも一種の元素であり、Xは縮合により、
Mが前駆重合体(1)の珪素と直接あるいは酸素原子を
介して結合し得るものであればよく、特に規定はないが
、ハロゲン原子、アルコキシ基又はβ−ジケトンのよう
な錯体形成基が好ましい。In the above MX, M is at least one element selected from Ti, Zr and Hf, and X is by condensation,
M may be anything as long as it can be bonded directly or via an oxygen atom to the silicon of the precursor polymer (1), and is preferably a halogen atom, an alkoxy group, or a complex-forming group such as β-diketone, although there is no particular limitation. .
反応温度が過度に低いと、前駆重合体(1)と弐MX4
との縮合反応が進行せず、反応温度が過度に高いと、M
を介した前駆重合体(1)の架橋反応が過度に進行しゲ
ル化が起こったり、前駆重合体(1)自体が縮合し高分
子量化したり、あるいは、場合によってはMX、が揮散
じ好ましくない。If the reaction temperature is too low, the precursor polymer (1) and 2MX4
If the condensation reaction with M does not proceed and the reaction temperature is excessively high, M
The cross-linking reaction of the precursor polymer (1) via the reaction proceeds excessively and gelation occurs, the precursor polymer (1) itself condenses and becomes high in molecular weight, or in some cases MX may volatilize, which is undesirable. .
−例として、MがTiで、Xが0C4H9の場合、反応
温度は200〜400℃が適している。- For example, when M is Ti and X is 0C4H9, a suitable reaction temperature is 200-400°C.
この反応によって、前駆重合体(1)の珪素原子の少な
くとも一部を金属Mと直接あるいは酸素原子を介して結
合させたランダム共重合体(2)が調製される。Through this reaction, a random copolymer (2) in which at least some of the silicon atoms of the precursor polymer (1) are bonded to the metal M directly or via oxygen atoms is prepared.
金属Mは前駆重合体(1)の珪素原子に−MX3あるい
は一〇−MX3のような結合様式で側鎖状に結合するこ
ともできるし、前駆重合体(1)の珪素原子に直接又は
酸素を介して架橋した結合様式もとり得る。The metal M can be bonded to the silicon atom of the precursor polymer (1) in the form of a side chain in a bonding mode such as -MX3 or 10-MX3, or can be bonded directly to the silicon atom of the precursor polymer (1) or by bonding with oxygen. A cross-linked bonding mode may also be used.
ランダム共重合体(2)を調製する方法としては、前述
の方法以外に、有機珪素重合体とMX、を反応させ、得
られた生成物にピッチをさらに反応させて調製する方法
も可能である。As a method for preparing the random copolymer (2), in addition to the above-mentioned method, it is also possible to prepare the random copolymer (2) by reacting an organosilicon polymer with MX and further reacting the resulting product with pitch. .
前駆重合体(1)の代わりにランダム共重合体(2)を
用い、前記無機繊維製造の第一工程と同様にしてメソフ
ェーズ多環状芳香族化合物と加熱反応及び/又は加熱溶
融させて、金属含有多環状芳香族重合体を調製すること
ができる。Using the random copolymer (2) instead of the precursor polymer (1), the metal-containing Polycyclic aromatic polymers can be prepared.
また、繊維含有成形体の製造にあたっては、上記重合体
に上記重合体の仮焼粉末及び/又はグラファイト、炭化
珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム
、硼化チタン、硼化ジルコニウム、硼化ハフニウム等の
耐熱性セラミックス微粉末を少量混合使用しても差し支
えない。また、繊維とマトリックスとの密着性を向上さ
せる目的で結合剤を使用することもできる。In addition, in producing the fiber-containing molded article, the above polymer may contain calcined powder of the above polymer and/or graphite, silicon carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, titanium boride, zirconium boride, hafnium boride. There is no problem in mixing and using a small amount of heat-resistant ceramic fine powder such as. Moreover, a binder can also be used for the purpose of improving the adhesion between the fibers and the matrix.
上記結合剤としては、ジフェニルシロキサン、ジメチル
シロキサン、ポリボロジフェニルシロキサン、ポリボロ
ジメチルシロキサン、ポリカルボシラン、ポリジメチル
シラザン、ポリチタノカルボシラン、ポリジルコノカル
ボシランなどの有機珪素ポリマー及びジフェニルシラン
ジオール、ヘキサメチルジシラザンなどの有機珪素化合
物が挙げられる。The binder includes organic silicon polymers such as diphenylsiloxane, dimethylsiloxane, polyborodiphenylsiloxane, polyborodimethylsiloxane, polycarbosilane, polydimethylsilazane, polytitanocarbosilane, polyzirconocarbosilane, and diphenylsilane diol. , hexamethyldisilazane and other organic silicon compounds.
(2)繊維含有成形体の不融化 次に、上記成形体に、必要に応じて不融化処理を施す。(2) Infusibility of fiber-containing molded bodies Next, the molded body is subjected to an infusible treatment, if necessary.
不融化処理の方法は、前記無機繊維製造の第3工程の方
法をそのまま採用することができる。As the method of infusibility treatment, the method of the third step of producing the inorganic fibers can be directly adopted.
(3)繊維含有成形体の焼成
不融化された成形体は、真空あるいは不活性ガス中で、
800〜3000°Cの範囲の温度で焼成し、無機化さ
れ、繊維強化された、炭素、珪素及び酸素、及び/又は
炭素、M、珪素及び酸素からなるマトリックスを有する
複合材料が得られる。(3) The fiber-containing molded product is fired and infusible in a vacuum or inert gas.
Calcining at temperatures in the range from 800 to 3000° C. yields mineralized, fiber-reinforced composite materials with a matrix of carbon, silicon and oxygen and/or carbon, M, silicon and oxygen.
加熱過程において、約”700″Cから無機化が激しく
なり、約800°Cでほぼ無機化が完了するものと推定
される。従って、焼成は、800°C以上の温度で行う
ことが好ましい。また、3000°Cより高い温度を得
るには高価な装置を必要とするため3000°Cより高
温での焼成は、コスト面からみて実際的でない。In the heating process, it is estimated that mineralization becomes intense from about 700°C and is almost completed at about 800°C. Therefore, the firing is preferably performed at a temperature of 800°C or higher. Furthermore, since obtaining a temperature higher than 3000°C requires expensive equipment, firing at a higher temperature than 3000°C is not practical from a cost standpoint.
なお、本工程における無機化の昇温速度を極めて遅くす
ることや、成形体保形用治具、パウダーヘッド等の保形
手段を用いること等により、不融化工程を省略すること
もできるし、成形方法として高温ホットプレスを用いる
ことにより一工程で高密度複合材を得ることも可能であ
る。Note that the infusibility step can be omitted by extremely slowing down the temperature increase rate for mineralization in this step, or by using a shape-retaining means such as a molded object shape-retaining jig or a powder head. It is also possible to obtain a high-density composite material in one step by using high-temperature hot pressing as a molding method.
得られる複合材料におけるマトリックスの組成は、強化
繊維と同組成又は類似組成が好ましい。The composition of the matrix in the resulting composite material is preferably the same or similar to that of the reinforcing fibers.
強化繊維組成とマトリ・レタス組成が大幅に異なる場合
、界面の接着性が劣り、また、激しい混交変動下では熱
膨張率、熱収縮率の差による熱応力発生により剥離が生
じ好ましくない。If the reinforcing fiber composition and the matri lettuce composition are significantly different, the adhesion at the interface will be poor, and under severe mixing fluctuations, thermal stress will occur due to the difference in coefficient of thermal expansion and thermal contraction, which is undesirable.
(4)複合材料の高密度化、高強度化
焼成、無機化により得られた繊維強化複合材料は、開気
孔を含んでいるため、前記珪素含有多環状芳香族重合体
、又は金属含有多環状芳香族重合体の融液、溶液又はス
ラリーを含浸後、必要により不融化、焼成し、無機化す
ることにより複合体を高密度化、高強度化することがで
きる。含浸は、珪素含有多環状芳香族重合体の融液、溶
液又はスラリーのいずれを用いてもさしつかえないが、
微細な開気孔への浸透を図るため、この複合材に前記重
合体の融液、溶液又はスラリーを含浸後、減圧下で微細
気孔への浸透を促進後溶媒を留去しつつ昇温し、10〜
500kg/c111に加圧することにより、前記重合
体の融液を気孔に充填させる。(4) The fiber-reinforced composite material obtained by densification, high-strength firing, and mineralization of the composite material contains open pores, so the silicon-containing polycyclic aromatic polymer or the metal-containing polycyclic After being impregnated with a melt, solution, or slurry of an aromatic polymer, the composite can be made higher in density and strength by infusibility, firing, and inorganicization, if necessary. Impregnation may be performed using any of a melt, solution, or slurry of the silicon-containing polycyclic aromatic polymer, but
In order to penetrate into the fine open pores, this composite material is impregnated with the melt, solution or slurry of the polymer, and after promoting penetration into the fine pores under reduced pressure, the temperature is raised while the solvent is distilled off. 10~
By applying a pressure of 500 kg/c111, the pores are filled with the polymer melt.
得られた含浸体は、第3工程と同様にして、不融化し、
焼成し、無機化することができる。この操作を繰り返す
ことにより高密度、高強度な繊維強化複合材を得ること
ができる。含浸回数及びその際の嵩密度、気孔率の変化
は、含浸に用いる溶液、融液の組成、分子量分布、含浸
、不融化、無機化のプロセスの選択、条件の選択に伴う
無機化残存率により決定され、特に規定はないが、2〜
10回が好ましい。The obtained impregnated body is made infusible in the same manner as in the third step,
Can be calcined and mineralized. By repeating this operation, a fiber-reinforced composite material with high density and high strength can be obtained. The number of impregnations and changes in bulk density and porosity at that time depend on the solution used for impregnation, the composition of the melt, the molecular weight distribution, the selection of impregnation, infusibility, and mineralization processes, and the residual mineralization rate associated with the selection of conditions. There are no specific regulations, but 2~
Preferably 10 times.
この含浸工程では、繊維含有成形体製造と同様に前記重
合体の仮焼粉末及び/又は耐熱性セラミックス微粉末を
添加してもさしつかえない。In this impregnation step, calcined powder of the polymer and/or fine heat-resistant ceramic powder may be added as in the production of the fiber-containing molded body.
以後の含浸では、工程を重ねるに従い、珪素又は珪素と
Mの比率が増大するよう含浸母材の組成を変化させ、最
終回含浸は、焼結によりほぼ構成成分C)に変わる母材
を選択することが好ましい。In subsequent impregnations, the composition of the impregnated base material is changed so that the silicon or the ratio of silicon and M increases as the steps are repeated, and for the final impregnation, a base material that changes to almost component C) by sintering is selected. It is preferable.
このように、酸化含浸を受けやすい表面相は、構成成分
C)に冨むため耐酸化性に優れ、強化繊維に向かって傾
斜組織をなしているため熱応力によるクラックの発生の
ない繊維強化複合材料を得ることができる。In this way, the surface phase that is susceptible to oxidative impregnation has excellent oxidation resistance because it is rich in component C), and has a gradient structure toward the reinforcing fibers, so it is a fiber-reinforced composite that does not crack due to thermal stress. materials can be obtained.
この複合材料の耐酸化性をより向上させるため、複合材
料表面に耐熱性セラミックス層をコーティングしてもよ
い。In order to further improve the oxidation resistance of this composite material, the surface of the composite material may be coated with a heat-resistant ceramic layer.
耐熱性セラミックスとしては、炭化珪素、炭化チタン、
炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム、
炭化ニオブ、炭化タンタル、炭化硼素、炭化クロム、炭
化タングステン、炭化モリブデン等の炭化物セラミック
ス、窒化珪素、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バ
ナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化硼素、窒化
アルミニウム、窒化ハフニウム等の窒化物セラミックス
、アルミナ、シリカ、マグネシア、酸化硼素、ムライト
、コージライト等の酸化物セラミックス、硼化チタン、
硼化ジルコニウム等の硼化物セラミックスを用いること
ができるが、耐熱性、耐酸化性に優れ、内部マトリック
スとの熱膨張率差の小さい炭化珪素が特に適している。Heat-resistant ceramics include silicon carbide, titanium carbide,
Zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide,
Carbide ceramics such as niobium carbide, tantalum carbide, boron carbide, chromium carbide, tungsten carbide, molybdenum carbide, silicon nitride, titanium nitride, zirconium nitride, vanadium nitride, niobium nitride, tantalum nitride, boron nitride, aluminum nitride, hafnium nitride, etc. Oxide ceramics such as nitride ceramics, alumina, silica, magnesia, boron oxide, mullite, and cordierite, titanium boride,
Although boride ceramics such as zirconium boride can be used, silicon carbide is particularly suitable because it has excellent heat resistance and oxidation resistance, and has a small difference in coefficient of thermal expansion with the internal matrix.
コーティング方法としては、CVD法、溶射法等通常の
コーティング方法、焼成により上記セラミックスに変換
しうるプレカーサーを表面に塗布後焼成する方法等が挙
げられる。なお、上記プレカーサーとして、ポリカルボ
シラン、ポリチタノカルボシラン、ポリシラザン、ポリ
カルボシラスチレン、ポリシラスチレンを使用すること
かげきる。Examples of the coating method include a conventional coating method such as a CVD method and a thermal spraying method, and a method in which a precursor that can be converted into the ceramic by firing is applied to the surface and then fired. Note that polycarbosilane, polytitanocarbosilane, polysilazane, polycarbosilastyrene, and polysilastyrene may be used as the precursor.
(発明の効果)
本発明の耐熱性繊維強化無機複合材料においては、繊維
表面から、マトリックスのSiC/Cの組成比率を連続
的に制御できること、及びマトリックス層は後述するよ
うに単一の珪素含有多環状芳香族重合体及び/又は金属
含有多環状芳香族重合体より製造されるため、S i
C/ Cの均一性は微視的に極めて優れていることによ
り熱応力によるクランクの発生が殆どなく、しかも、マ
トリックス、強化繊維ともに従来技術より格段に優れた
耐酸化性を示す新規物質を用いているため、何らかの原
因により酸素がマトリックス層内部へ到達しても、極め
て優れた酸化抵抗性を示すものである。(Effects of the Invention) In the heat-resistant fiber-reinforced inorganic composite material of the present invention, the SiC/C composition ratio of the matrix can be continuously controlled from the fiber surface, and the matrix layer is composed of a single silicon-containing layer as described below. Since it is manufactured from a polycyclic aromatic polymer and/or a metal-containing polycyclic aromatic polymer, S i
The uniformity of C/C is microscopically excellent, so there is almost no occurrence of cranks due to thermal stress, and both the matrix and reinforcing fibers are made of new materials that exhibit much better oxidation resistance than conventional technology. Therefore, even if oxygen reaches inside the matrix layer for some reason, it exhibits extremely excellent oxidation resistance.
本発明の繊維強化複合材料は、強度、弾性率及び靭性に
優れるとともに、耐熱性、耐酸化性、耐食性、耐磨耗性
、耐熱衝撃性に優れているため、例えば、各種のブレー
キ類や、炉材、断熱材、耐熱ベルト等の耐熱構造材料な
ど通常のC/Cコンポジットの代替材料としての用途を
有するのはもちろん、超音速機、スペースプレーン、宇
宙往還材等の外壁材、エンジン周辺部材等極めて過酷な
条件下での使用が可能である。The fiber-reinforced composite material of the present invention has excellent strength, elastic modulus, and toughness, as well as heat resistance, oxidation resistance, corrosion resistance, abrasion resistance, and thermal shock resistance. Not only can it be used as an alternative material to ordinary C/C composites, such as heat-resistant structural materials such as furnace materials, insulation materials, and heat-resistant belts, but also as external wall materials and engine peripheral materials for supersonic aircraft, space planes, space shuttle materials, etc. It can be used under extremely harsh conditions such as
(実施例) 以下実施例によって本発明を説明する。(Example) The present invention will be explained below with reference to Examples.
参考例1(ポリマーIの製造)
5!の三ロフラスコに無水キシレン2.5!及びナトリ
ウム400gを入れ、窒素ガス気流下でキシレンの沸点
まで加熱し、ジメチルジクロロシランIIlを1時間で
滴下した。滴下終了後、10時間加熱還流し沈澱物を生
成させた。沈澱を濾過し、メタノールついで水で洗浄し
て、白色粉末のポリジメチルシラン420gを得た。Reference Example 1 (Production of Polymer I) 5! 2.5 of anhydrous xylene in a three-ring flask! and 400 g of sodium were added thereto, heated to the boiling point of xylene under a nitrogen gas stream, and dimethyldichlorosilane IIl was added dropwise over 1 hour. After the dropwise addition was completed, the mixture was heated under reflux for 10 hours to form a precipitate. The precipitate was filtered and washed with methanol and then water to obtain 420 g of white powder polydimethylsilane.
このポリジメチルシラン400gを、ガス導入管、攪拌
機、冷却器及び留出管を備えた31の三ロフラスコに仕
込み、撹拌しながら50−7分の窒素気流下に420°
Cで加熱処理して、留出受器に350gの無色透明な少
し粘性のある液体を得た。400 g of this polydimethylsilane was charged into a 31-hole flask equipped with a gas inlet tube, a stirrer, a condenser, and a distillation tube, and heated at 420 degrees under a nitrogen stream for 50-7 minutes while stirring.
C. to obtain 350 g of a colorless and transparent slightly viscous liquid in a distillation receiver.
この液体の数平均分子量は蒸気圧浸透法で測定したとこ
ろ470であった。The number average molecular weight of this liquid was 470 as measured by vapor pressure osmosis.
この物質の赤外線吸収スペクトルを測定したところ、6
50〜900c+n−’と1250CI+−’にSiC
H3の吸収、2100a++−J:S i −HO:)
吸収、102102O’付近と1355cm−’にSi
CHzSiの吸収、2900cm−’と2950cm−
’にC−Hの吸収が認められ、またこの物質の遠赤外線
吸収スペクトルを測定したところ、380an−’に5
i−3iの吸収が認められることから、得られた液状物
質は、主として(Si CHz)結合単位及び(Si
−3i)結合単位からなり、珪素の側鎖に水素原子及び
メチル基を有する有機珪素重合体であることが判明した
。When the infrared absorption spectrum of this substance was measured, it was found that 6
SiC for 50~900c+n-' and 1250CI+-'
Absorption of H3, 2100a++-J:S i -HO:)
Absorption, Si near 102102O' and 1355cm-'
Absorption of CHzSi, 2900 cm-' and 2950 cm-
C-H absorption was observed at 380an-', and when the far-infrared absorption spectrum of this material was measured, 5.
Since absorption of i-3i is observed, the obtained liquid material mainly consists of (Si CHz) bond units and (Si
-3i) It was found to be an organosilicon polymer consisting of bonding units and having a hydrogen atom and a methyl group in the silicon side chain.
核磁気共鳴分析及び赤外線吸収分析の測定結果から、こ
の有機珪素重合体は(Si CH2)結合単位の全数
対(Si−3i)結合単位の全数の比率がほぼ1:3で
ある重合体であることが確認された。From the measurement results of nuclear magnetic resonance analysis and infrared absorption analysis, this organosilicon polymer is a polymer in which the ratio of the total number of (Si CH2) bond units to the total number of (Si-3i) bond units is approximately 1:3. This was confirmed.
上記有機珪素重合体300gをエタノールで処理して低
分子量物を除去して、数平均分子量が1200の重合体
40gを得た。300 g of the above organosilicon polymer was treated with ethanol to remove low molecular weight substances to obtain 40 g of a polymer having a number average molecular weight of 1200.
この物質の赤外線吸収スペクトルを測定したところ、上
記と同様の吸収ピークが認められ、この物質は主として
(Si CHz)結合単位及び(Si−3i)結合単位
からなり、珪素の側鎖に水素原子及びメチル基を有する
有機珪素重合体であることが判明した。When the infrared absorption spectrum of this material was measured, absorption peaks similar to those above were observed, and this material mainly consists of (Si CHz) bond units and (Si-3i) bond units, and has hydrogen atoms and hydrogen atoms in the side chains of silicon. It turned out to be an organosilicon polymer with methyl groups.
核磁気共鳴分析及び赤外線吸収分析の測定結果から、こ
の有機珪素重合体は(Si−CH,)結合単位の全数対
(Si−3i)結合単位の全数の比率がほぼ7:1であ
る重合体であることが確認された。From the measurement results of nuclear magnetic resonance analysis and infrared absorption analysis, this organosilicon polymer is a polymer in which the ratio of the total number of (Si-CH,) bond units to the total number of (Si-3i) bond units is approximately 7:1. It was confirmed that
一方、石油留分のうち、軽油以上の高沸点物をシリカ・
アルミナ系分解触媒の存在下、500°Cの温度で流動
接触分解・精留を行い、その塔底より残渣を得た。以下
、この残渣をFCCスラリーオイルと呼ぶ。On the other hand, among petroleum fractions, substances with a boiling point higher than that of light oil are removed using silica.
Fluid catalytic cracking and rectification were performed at a temperature of 500°C in the presence of an alumina-based cracking catalyst, and a residue was obtained from the bottom of the column. Hereinafter, this residue will be referred to as FCC slurry oil.
このFCCスラリーオイルは、元素分析の結果、炭素原
子対水素原子の原子比(C/H)が0.75で、核磁気
共鳴分析による芳香炭素率が0.55であった。As a result of elemental analysis, this FCC slurry oil had an atomic ratio of carbon atoms to hydrogen atoms (C/H) of 0.75, and an aromatic carbon ratio of 0.55 as determined by nuclear magnetic resonance analysis.
上記FCCスラリーオイル200gを窒素ガス気流下4
50°Cに加熱し、同温度における留出分を留去後、残
渣を200°Cにて熱時濾過を行い、同温度における不
融部を除去し、軽質骨除去ピンチ57gを得た。200g of the above FCC slurry oil was added under a stream of nitrogen gas.
After heating to 50°C and distilling off the distillate at the same temperature, the residue was filtered while hot at 200°C to remove the infusible portion at the same temperature to obtain 57 g of light bone-removed pinches.
この軽質骨除去ピッチは25%のキシレン不溶分を含ん
でいた。This light bone removal pitch contained 25% xylene insolubles.
この軽質骨除去ピッチ57gに有機珪素重合体25g及
びキシレン20−を加え、攪拌しながら昇温し、キシレ
ンを留去後、400″Cで6時間反応させ51gの前駆
重合体(1)を得た。Add 25 g of organosilicon polymer and 20 mm of xylene to 57 g of this light bone-removed pitch, raise the temperature with stirring, distill off the xylene, and react at 400"C for 6 hours to obtain 51 g of precursor polymer (1). Ta.
この前駆重合体(1)は赤外線吸収スペクトル測定の結
果、有機珪素重合体中に存在する5i−H結合(I R
: 2100CIm−’)の減少、及び新たなSi −
C(ベンゼン環の炭素)結合(IR:1135cm−’
)の生成が認められることより有機珪素重合体の珪素原
子の一部が多環状芳香族環の炭素と直接結合した部分を
有する共重合体であることがわかった。As a result of infrared absorption spectrum measurement, this precursor polymer (1) was found to contain 5i-H bonds (I R
: 2100CIm-') and new Si-
C (benzene ring carbon) bond (IR: 1135cm-'
), it was found that the organosilicon polymer was a copolymer in which some of the silicon atoms were directly bonded to the carbon atoms of the polycyclic aromatic ring.
この前駆重合体(1)は、キシレン不溶部を含まず重量
平均分子量が1400で、融点が265 ’Cで、軟化
点が310°Cであた。This precursor polymer (1) contained no xylene-insoluble portion, had a weight average molecular weight of 1400, a melting point of 265'C, and a softening point of 310C.
一方、前記軽質骨除去ピッチ180gを窒素気流下、反
応により生成する軽質骨を除去しながら400°Cで8
時間縮重合を行い、熱処理ピッチ97.2を得た。On the other hand, 180 g of the light bone removal pitch was heated at 400°C under a nitrogen stream while removing light bones generated by the reaction.
Time-condensation polymerization was performed to obtain a heat-treated pitch of 97.2.
この熱処理ピッチは融点263°C5軟化点308°C
、キシレン不溶分77%、キノリンネ溶分31%を含有
しており、研磨面の偏光顕微鏡観察による光学的異方性
が75%のメソフェーズ多環状芳香族化合物であった。This heat-treated pitch has a melting point of 263°C and a softening point of 308°C.
It was a mesophase polycyclic aromatic compound containing 77% xylene insoluble matter and 31% quinoline soluble matter, and had an optical anisotropy of 75% when observed with a polarizing microscope on the polished surface.
このメソフェーズ多環状芳香族化合物90gと前記前駆
重合体(1)6.4gとを混合、窒素雰囲気下380°
Cで1時間溶融加熱し、均一な状態にある珪素含有多環
状芳香族重合体(ポリマーI)を得た。90 g of this mesophase polycyclic aromatic compound and 6.4 g of the precursor polymer (1) were mixed at 380° under a nitrogen atmosphere.
The mixture was melted and heated at C for 1 hour to obtain a silicon-containing polycyclic aromatic polymer (Polymer I) in a uniform state.
この重合体の融点は267°Cで、軟化点315°C1
70%のキシレン不溶分を含んでいた。The melting point of this polymer is 267°C and the softening point is 315°C.
It contained 70% xylene insoluble matter.
参考例2(ポリマー■の製造)
メソフェーズ多環状芳香族化合物97gと前記前駆重合
体(1)3gを混合し、400 ’Cで溶融加熱した以
外は参考例1と同様にして珪素含有多環状芳香族重合体
(ポリマー■)を得た。Reference Example 2 (Production of Polymer ■) A silicon-containing polycyclic aromatic compound was produced in the same manner as in Reference Example 1, except that 97 g of the mesophase polycyclic aromatic compound and 3 g of the precursor polymer (1) were mixed and melted and heated at 400'C. A group polymer (Polymer ■) was obtained.
この重合体の融点は272°Cで、軟化点319”C,
71%のキシレン不溶分を含んでいた。The melting point of this polymer is 272°C, the softening point is 319"C,
It contained 71% xylene insoluble matter.
参考例3(ポリマー■の製造)
メソフェーズ多環状芳香族化合物66gと前記前駆重合
体(1) 34 gを360°Cで溶融加熱した以外は
、参考例1と同様にして珪素含有多環状芳香族重合体(
ポリマー■)を得た。Reference Example 3 (Production of Polymer ■) A silicon-containing polycyclic aromatic compound was prepared in the same manner as in Reference Example 1, except that 66 g of the mesophase polycyclic aromatic compound and 34 g of the precursor polymer (1) were melted and heated at 360°C. Polymer (
Polymer ■) was obtained.
この重合体の融点は266°Cで、軟化点314°C1
57%のキシレン不溶分を含んでいた。The melting point of this polymer is 266°C, and the softening point is 314°C.
It contained 57% xylene insoluble matter.
参考例4(ポリマー■の製造)
参考例1で得た前駆重合体(1)39gにテトラオクト
キシチタン(T i (QCs HI?)4) 2.7
5 gのキシレン溶液(25%キシレン溶液11g)を
加え、キシレン留去後、340°Cで2時間反応させ、
ランダム共重合体(2) 38.8 gを得た。Reference Example 4 (Production of Polymer ■) Tetraoctoxytitanium (T i (QCs HI?) 4) 2.7 g was added to 39 g of the precursor polymer (1) obtained in Reference Example 1.
Add 5 g of xylene solution (11 g of 25% xylene solution), and after distilling off the xylene, react at 340 °C for 2 hours.
38.8 g of random copolymer (2) was obtained.
このランダム共重合体(2) 34 gに参考例1で得
たメソフェーズ多環状芳香族化合物66gを加え、窒素
雰囲気下380°Cで溶融混合し金属含有多環状芳香族
重合体(ポリマー■)を得た。66 g of the mesophase polycyclic aromatic compound obtained in Reference Example 1 was added to 34 g of this random copolymer (2), and the mixture was melt-mixed at 380°C in a nitrogen atmosphere to form a metal-containing polycyclic aromatic polymer (polymer ■). Obtained.
この重合体の融点は274°Cで、軟化点322°C1
61%のキシレン不溶分を含んでいた。The melting point of this polymer is 274°C, and the softening point is 322°C.
It contained 61% xylene insoluble matter.
参考例5(強化繊維の製造)
参考例1.2及び3により得たポリマー■、■及び■を
紡糸用原料とし、ノズル径0.15mmの金属製ノズル
を用い、360°Cで溶融紡糸を行い、得られた紡糸原
糸を、空気中、300°Cで酸化、不融化し、更にアル
ゴン雰囲気中、所定の温度で焼成し、強化繊維を製造し
た。得られた強化繊維は、引張強度、引張弾性率の測定
を行うとともに、高周波プラズマ発光分光分析により繊
維中の珪素含有率の測定を行った。これらの測定結果を
第1表に示す。Reference Example 5 (Manufacture of reinforcing fibers) Polymers ①, ② and ② obtained in Reference Examples 1.2 and 3 were used as raw materials for spinning, and melt-spun at 360°C using a metal nozzle with a nozzle diameter of 0.15 mm. The obtained spun yarn was oxidized and made infusible at 300° C. in air, and then fired at a predetermined temperature in an argon atmosphere to produce reinforcing fibers. The tensile strength and tensile modulus of the obtained reinforcing fibers were measured, and the silicon content in the fibers was measured by high-frequency plasma emission spectroscopy. The results of these measurements are shown in Table 1.
第1表
実施例1
参考例5で得た無機繊維■の2次元平織織布を直径7c
mの円板状に切り、ポリマー■の30%キシレンスラリ
ーに含浸後乾燥し、プリプレグシートを作成した。金型
内で、プリプレグシート間にポリマー■の微粉末を充填
し、各プリプレグシートを、強化繊維の繊維方向を45
°ずっ順次ずらしながら30枚積層し、50kg/c+
1の加圧下、350°Cにてホットプレスし円板状成形
体を得た。Table 1 Example 1 A two-dimensional plain woven fabric of the inorganic fiber ■ obtained in Reference Example 5 was made with a diameter of 7 cm.
It was cut into discs of 500 m in diameter, impregnated in a 30% xylene slurry of polymer (1), and dried to produce prepreg sheets. In the mold, fill the spaces between the prepreg sheets with fine powder of polymer
°Layering 30 sheets while shifting them one after another, 50kg/c+
Hot pressing was performed at 350° C. under pressure of 1 to obtain a disc-shaped molded product.
この成形体を炭素粉末のパウダーベツド中に埋め保形し
、窒素気流中で5℃/hの速度で800°Cまで昇温後
、さらに1300°Cへ昇温しポリマー■を無機化し、
珪素含有率が0.95%の第1のマトリックス層を形成
させた。This molded body was buried in a powder bed of carbon powder to maintain its shape, and the temperature was raised to 800°C at a rate of 5°C/h in a nitrogen stream, and then further raised to 1300°C to inorganize the polymer (2).
A first matrix layer having a silicon content of 0.95% was formed.
得られた複合材料の嵩密度は1.32 g /cIf!
であった。The bulk density of the resulting composite material was 1.32 g/cIf!
Met.
この複合材料をポリマー■の50%キシレンスラリーに
浸し、減圧下キシレンを留去しながら350″Cに昇温
、その後100kg/ciMに加圧含浸した後、空気中
で5°C/hの速度で300″Cまで昇温し、不融化し
た後1300°Cで無機化し、第1のマトリックス層と
同じ珪素含有率の第2のマトリックス層を形成させた。This composite material was immersed in a 50% xylene slurry of polymer (III), heated to 350"C while distilling off the xylene under reduced pressure, and then impregnated under pressure at 100 kg/ciM at a rate of 5°C/h in air. The temperature was raised to 300''C to make it infusible and then mineralized at 1300°C to form a second matrix layer having the same silicon content as the first matrix layer.
さらに、含浸ポリマーをポリマー■に替え、上記と同様
にして第2回目の含浸、無機化を行い、珪素含有率が4
.8%の第3のマトリックス層を形成させた。Furthermore, the impregnated polymer was replaced with polymer
.. A third matrix layer of 8% was formed.
第3回目の含浸には、参考例1における前駆重合体(1
)を用い上記と同様にして含浸、無機化を行い、珪素含
有率が15.1%の第4のマトリックス層を形成させた
。For the third impregnation, the precursor polymer (1
) to form a fourth matrix layer having a silicon content of 15.1%.
第4回目の含浸には参考例1における有機珪素重合体と
軽質分除去ピッチの仕込比率を70:30とし合成した
前駆重合体(1)を用い上記と同様にして含浸、無機化
を行い、珪素含有率が27.1%の第5のマトリックス
層を形成させた。For the fourth impregnation, the precursor polymer (1) synthesized in Reference Example 1 with a charging ratio of organosilicon polymer and light fraction removed pitch of 70:30 was used, and impregnation and mineralization were performed in the same manner as above. A fifth matrix layer was formed with a silicon content of 27.1%.
5回目の含浸には、参考例1で得られたポリジメチルシ
ラン100部に対しポリポロシロキサン3部を添加し、
窒素中、350℃で熱縮合して得たポリカルボシランを
用い上記と同様にして、含浸、無機化を行い、珪素含有
率が50.8%の第6のマトリックス層を形成させた。For the fifth impregnation, 3 parts of polyporosiloxane was added to 100 parts of polydimethylsilane obtained in Reference Example 1,
Using polycarbosilane obtained by thermal condensation at 350° C. in nitrogen, impregnation and mineralization were performed in the same manner as above to form a sixth matrix layer having a silicon content of 50.8%.
得られた複合材の嵩密度は1.70 g /cdであり
、はとんど開気孔を含んでいなかった。また、その複合
材の繊維体積含有率(V、)は61%であた。The bulk density of the resulting composite was 1.70 g/cd and contained almost no open pores. Further, the fiber volume content (V) of the composite material was 61%.
得られた複合材に四塩化珪素とメタンを原料とじ50閣
Hgの減圧下1300°CでCVDコーティングを施し
厚さ約10μの炭化珪素のコーティング層を形成させた
。得られた複合材の3点曲げ強度試験法による曲げ強度
は32kg/mm”であった。The obtained composite material was coated with silicon tetrachloride and methane as raw materials and subjected to CVD coating at 1300° C. under a reduced pressure of 50 KHg to form a silicon carbide coating layer with a thickness of about 10 μm. The bending strength of the obtained composite material according to the three-point bending strength test method was 32 kg/mm''.
実施例2
参考例5で得た無機繊維■を強化材とし、実施例1と同
様にしてポリマー■を含浸させプリプレグシートを作っ
た。得られたプリプレグシート間にポリマー■の微粉末
を充填し、圧力を20kg/c1aとした以外は実施例
1と同様にして成形、無機化後最終的に2500°Cで
焼成し、嵩密度1.20g/cdの複合材を得た。Example 2 Using the inorganic fiber (2) obtained in Reference Example 5 as a reinforcing material, a prepreg sheet was prepared by impregnating it with polymer (2) in the same manner as in Example 1. The obtained prepreg sheets were filled with fine powder of polymer (2) and the pressure was set to 20 kg/c1a, but the same procedure as in Example 1 was carried out, followed by mineralization, and finally calcined at 2500°C to obtain a bulk density of 1. A composite material of .20 g/cd was obtained.
この複合材に実施例1と同様にして、1回目、ポリマー
1.2回目、ポリマー■、3回目、参考例1における前
駆重合体(1)、4回目、有機珪素重合体と軽質付除去
ピッチの仕込比を70:30として得られた前駆重合体
(1)、5回目、ポリカルボシランを用い含浸、無機化
を行った。その際、無機化は1900°Cで行った。This composite material was coated in the same manner as in Example 1, and the first time was polymer 1. The second time was polymer ①, the third time was the precursor polymer (1) in Reference Example 1, and the fourth time was the organosilicon polymer and the light weight removal pitch. The precursor polymer (1) obtained at a charging ratio of 70:30 was impregnated with polycarbosilane for the fifth time and mineralized. At that time, mineralization was performed at 1900°C.
その結果、嵩密度が1.90 g /cdlの複合材を
得た。なお、この複合材の■、は42%であった。As a result, a composite material with a bulk density of 1.90 g/cdl was obtained. Note that this composite material had a rating of 42%.
得られた複合材に実施例1と同様にしてCVDコーティ
ングを施し、約10μの炭化珪素コーティング層におお
われた複合材料を得た。この複合材の曲げ強度は35k
g/mm2であった。The obtained composite material was subjected to CVD coating in the same manner as in Example 1 to obtain a composite material covered with a silicon carbide coating layer of about 10 μm. The bending strength of this composite material is 35k
g/mm2.
実施例3
参考例5で得た無機繊維■の二次元平織織布にポリマー
■の20%キシレン溶液に含浸後乾燥したシートを用い
、このシートとポリマー■の微粉末を交互に積層し実施
例1と同様にホットプレス成形し、無機化し珪素含有率
が4.8%の第1のマトリックス層を形成させた。Example 3 A two-dimensional plain woven fabric of the inorganic fiber (■) obtained in Reference Example 5 was impregnated with a 20% xylene solution of the polymer (■) and then dried, and this sheet and a fine powder of the polymer (■) were alternately laminated to form an example. Hot press molding was carried out in the same manner as in 1 to form a first matrix layer which was mineralized and had a silicon content of 4.8%.
得られた複合材の嵩密度は1.23g/csaであった
。The bulk density of the obtained composite material was 1.23 g/csa.
この複合材に実施例1と同様にして、1回目、ポリマー
■、2回目、ポリマー■、3回目、参考例4におけるラ
ンダム共重合体(2)、4回目、有機珪素重合体と軽質
付除去ピッチの仕込比を70:30として得られた前駆
重合体(1) 100部にテトラオクトキシチタン(T
i (QCs HI?)4) 15部を添加し合成
したランダム共重合体(2)、5回目、実施例1で得た
ポリカルボシランにチタンテトラブトキシドを添加し、
340°Cで架橋重合することにより得られたカルボシ
ラン単位100部と式(T 1−0)のチタノキサン単
位10部からなるポリチタノカルボシランを用い含浸、
無機化を行った。その際、無機化温度は、すべて130
0°Cで行った。なお、1回目の処理で形成される第2
のマトリックス層の珪素含有率は4.8%、2回目の処
理で形成される第3のマトリックス層の珪素含有率は5
.1%、3回目の処理で形成される第4層目の珪素含有
率は15.2%、4回目の処理で形成される第5のマト
リックス層の珪素含有率は27.2%、5回目の処理で
形成される第6のマトリックス層の珪素含有率は50.
8%であった。This composite material was removed in the same manner as in Example 1. First time: Polymer ■; Second time: Polymer ■; Third time: Random copolymer (2) in Reference Example 4; Fourth time: Organosilicon polymer and light adhesion removed. Tetraoctoxytitanium (T
i (QCs HI?) 4) Random copolymer (2) synthesized by adding 15 parts, fifth time, titanium tetrabutoxide was added to the polycarbosilane obtained in Example 1,
Impregnation using polytitanocarbosilane consisting of 100 parts of carbosilane units obtained by crosslinking polymerization at 340 ° C and 10 parts of titanoxane units of formula (T 1-0),
Mineralization was performed. At that time, the mineralization temperature was all 130
The temperature was 0°C. Note that the second
The silicon content of the matrix layer is 4.8%, and the silicon content of the third matrix layer formed in the second treatment is 5.
.. The silicon content of the fourth layer formed in the third treatment is 15.2%, and the silicon content of the fifth matrix layer formed in the fourth treatment is 27.2%. The silicon content of the sixth matrix layer formed by the treatment is 50.
It was 8%.
その結果、嵩密度が1.74 g /ciの複合材を得
た。なお、この複合材の■、は51%であった。As a result, a composite material with a bulk density of 1.74 g/ci was obtained. Note that this composite material had a rating of 51%.
得られた複合材を実施例1と同様にしてCVDコーティ
ングを施し、約10μの炭化珪素コーティング層を有す
る複合材料を得た。この複合材料の曲げ強度は29kg
/mm”であった。The obtained composite material was subjected to CVD coating in the same manner as in Example 1 to obtain a composite material having a silicon carbide coating layer of about 10 μm. The bending strength of this composite material is 29 kg
/mm”.
比較例1
強化繊維として、市販PAN系炭素炭素繊維ち、高弾性
タイプの炭素繊維であるトレカM−40(「トレカ」は
東し株式会社製炭素繊維の商品名)の平織織物を用い、
フェノール樹脂をマトリックス母材とし、180°Cで
ホットプレスし硬化させ、さらに250°Cで4時間ポ
ストキュアーして繊維強化成形体を得た。この成形体を
900°Cで無機化後フェノール樹脂の含浸、無機化を
4回繰り返した後1800″Cで焼成し、C/Cコンポ
ジットを得た。このコンポジットを実施例1と同様にし
て表面炭化珪素コーティングを施した。Comparative Example 1 As a reinforcing fiber, a plain weave fabric of Torayka M-40 (“Toreca” is a trade name of carbon fiber manufactured by Toshi Co., Ltd.), which is a commercially available PAN-based carbon fiber and a highly elastic type carbon fiber, was used.
A phenol resin was used as a matrix base material, hot-pressed and cured at 180°C, and further post-cured at 250°C for 4 hours to obtain a fiber-reinforced molded article. This molded body was mineralized at 900°C, impregnated with phenol resin, mineralized four times, and then fired at 1800″C to obtain a C/C composite. Coated with silicon carbide.
比較例2
マトリックス母材として、フェノール樹脂に10%のシ
リコンを加えたものを用いた以外は比較例1と同様にし
て、表面が炭化珪素コーティングされた炭素繊維強化炭
素/炭化珪素複合材料を得た。Comparative Example 2 A carbon fiber-reinforced carbon/silicon carbide composite material whose surface was coated with silicon carbide was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that a phenol resin with 10% silicon added was used as the matrix base material. Ta.
実施例4
実施例1〜3の複合材を空気中1300°Cに保持した
炉内に入れ20分間加熱後取り出し、20分間強制空冷
を行うサイクルを5回繰り返した後、空気中1500°
Cに保持して酸化消耗速度を測定した。その結果、各複
合材の酸化消耗速度は実施例1の材料では0.0006
kg/m” /h、実施例2の材料ではO,OO1B
kg/m” / h、実施例3の材料では0.0012
kg/m” / h、であった。Example 4 The composite materials of Examples 1 to 3 were placed in a furnace maintained at 1300°C in the air, heated for 20 minutes, taken out, and forced air cooled for 20 minutes, which was repeated 5 times, and then heated at 1500°C in the air.
The oxidative depletion rate was measured by holding at C. As a result, the oxidative consumption rate of each composite material was 0.0006 for the material of Example 1.
kg/m”/h, O, OO1B for the material of Example 2
kg/m”/h, 0.0012 for the material of Example 3
kg/m”/h.
比較例3
比較例1.2の材料を用い実施例4と同様にして酸化消
耗速度を測定した。その結果、各複合材の酸化消耗速度
は、
比較例1の材料では0.45 kg/m”/h、
比較例2の材料ではo、 1
5kg/m2
/h
であった。Comparative Example 3 The oxidative consumption rate was measured in the same manner as in Example 4 using the materials of Comparative Example 1.2. As a result, the oxidative consumption rate of each composite material was 0.45 kg/m"/h for the material of Comparative Example 1, and 15 kg/m"/h for the material of Comparative Example 2.
Claims (1)
繊維強化複合材料において、 上記無機繊維が、珪素含有多環状芳香族重合体から得ら
れる無機繊維であって、その構成成分がi)該重合体を
構成するメソフェーズ状態にある多環状芳香族化合物か
ら導かれるラジアル構造、オニオン構造、ランダム構造
、コアラジアル構造、スキンオニオン構造及びモザイク
構造からなる群から選ばれる少なくとも一種の結晶配列
状態を示す炭素質、 ii)該重合体を構成する光学的等方性の多環状芳香族
化合物から導かれる、無配向状態の結晶質炭素及び/又
は非晶質炭素、及び iii)Si、C及びOから実質的になる非晶質相及び
/又は粒径が500Å以下の実質的にβ−SiCからな
る結晶質超微粒子と非晶質のSiO_x(0<x≦2)
からなる集合体であり、構成元素の割合がSi;30〜
70重量%、C;20〜60重量%及びO;0.5〜1
0重量%であるSi−C−O物質 であり、 前記無機物質が主として a)該重合体を構成するメソフェーズ状態にある多環状
芳香族化合物から導かれる結晶質炭素、又は結晶質炭素
と非晶質炭素、 b)該重合体を構成する光学的等方性の多環状芳香族化
合物から導かれる、無配向状態の結晶質炭素及び/又は
非晶質炭素、及び c)c_1)Si、C及びOから実質的になる非晶質相
及び/又は粒径が500Å以下の実質的にβ−SiCか
らなる結晶質超微粒子と非晶質のSiO_x(0<x≦
2)からなる集合体及び/または、 c_2)(1)Si、M、C及びOから実質的になる非
晶質物質、及び/又は (2)実質的にβ−SiC、MC、β−SiCとMCの
固溶体及びMC_1_−_xからなる粒径が500Å以
下の結晶超微粒子と、非晶質のSiO_y及びMO_2 との集合体(上記式中、MはTi、Zr及びHfから選
択される少なくとも一種の元素であり、0<x<1、0
<y≦2、0<z≦2である。) より構成され、 無機繊維表面から遠ざかるほど珪素含有率が高くなるよ
う制御された傾斜組織を有するマトリックス であることを特徴とする耐熱性繊維強化無機複合材料。[Scope of Claims] A fiber-reinforced composite material having inorganic fibers as a reinforcing material and an inorganic substance as a matrix, wherein the inorganic fibers are inorganic fibers obtained from a silicon-containing polycyclic aromatic polymer, and the constituent components thereof i) at least one type of crystal selected from the group consisting of a radial structure, an onion structure, a random structure, a core radial structure, a skin onion structure, and a mosaic structure derived from a polycyclic aromatic compound in a mesophase state constituting the polymer; carbonaceous matter exhibiting an aligned state, ii) non-oriented crystalline carbon and/or amorphous carbon derived from an optically isotropic polycyclic aromatic compound constituting the polymer, and iii) Si, Amorphous phase consisting essentially of C and O and/or crystalline ultrafine particles consisting essentially of β-SiC with a particle size of 500 Å or less and amorphous SiO_x (0<x≦2)
It is an aggregate consisting of Si, and the proportion of the constituent elements is Si; 30 ~
70% by weight, C: 20-60% by weight and O: 0.5-1
0% by weight of Si-C-O material, and the inorganic material is mainly a) crystalline carbon derived from a polycyclic aromatic compound in a mesophase state constituting the polymer, or crystalline carbon and amorphous b) non-oriented crystalline carbon and/or amorphous carbon derived from the optically isotropic polycyclic aromatic compound constituting the polymer, and c) c_1) Si, C and An amorphous phase consisting essentially of O and/or crystalline ultrafine particles consisting essentially of β-SiC with a particle size of 500 Å or less and amorphous SiO_x (0<x≦
2) an aggregate consisting of and/or c_2) (1) an amorphous material consisting essentially of Si, M, C and O, and/or (2) essentially consisting of β-SiC, MC, β-SiC An aggregate of crystalline ultrafine particles with a particle size of 500 Å or less consisting of a solid solution of is an element with 0<x<1, 0
<y≦2, 0<z≦2. ) A heat-resistant fiber-reinforced inorganic composite material comprising a matrix having a gradient structure in which the silicon content is controlled to increase as the distance from the inorganic fiber surface increases.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2025280A JP2559637B2 (en) | 1990-02-06 | 1990-02-06 | Heat resistant fiber reinforced inorganic composite material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2025280A JP2559637B2 (en) | 1990-02-06 | 1990-02-06 | Heat resistant fiber reinforced inorganic composite material |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03232776A true JPH03232776A (en) | 1991-10-16 |
| JP2559637B2 JP2559637B2 (en) | 1996-12-04 |
Family
ID=12161612
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2025280A Expired - Lifetime JP2559637B2 (en) | 1990-02-06 | 1990-02-06 | Heat resistant fiber reinforced inorganic composite material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2559637B2 (en) |
-
1990
- 1990-02-06 JP JP2025280A patent/JP2559637B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2559637B2 (en) | 1996-12-04 |
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