JPH03290357A - ウイスカー強化Al↓2O↓3・ZrO↓2複合焼結体の製造方法 - Google Patents

ウイスカー強化Al↓2O↓3・ZrO↓2複合焼結体の製造方法

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JPH03290357A
JPH03290357A JP2091756A JP9175690A JPH03290357A JP H03290357 A JPH03290357 A JP H03290357A JP 2091756 A JP2091756 A JP 2091756A JP 9175690 A JP9175690 A JP 9175690A JP H03290357 A JPH03290357 A JP H03290357A
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JP
Japan
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zro
whisker
sintered body
sic
sic whiskers
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JP2091756A
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Minoru Fukazawa
深沢 稔
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Tokai Carbon Co Ltd
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Tokai Carbon Co Ltd
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、A2□0.・ZrO,系セラミックス材をS
iCウィスカーで複合強化した焼結体の製造方法に関す
る。
〔従来の技術] Al2O3・ZrO!系のセラミックスは材質的に優れ
た強度ならびに靭性を示すことから、多様なニーズに対
応できる適合性を備えているが、高温域においてZrO
2の添加効果が減退する固有の欠点がある。このため、
高温域での特性維持を図るために、組織内にSiCウィ
スカーを分散させて複合強化(マルチタフニング)する
試みがなされている。
ところが、SiCとZrO,が共存する組成系では焼結
時に下式の反応を起こし、ここで発生したCOガスが材
料組織に多数のボアを形成して強度低下を引き起こす問
題がある。
ZrO2 +2SiC−+ZrC+CO+SiO+Si
このような反応を抑制する対策として、ホットプレス焼
結のようにモールド加圧下で焼結をおこなう方法(特開
昭57−205366号公報)または熱間等方圧(HI
P)焼結法(米国特許第4746635号明細書)が提
案されているが、ホットプレス方式では単純な形状しか
焼結できず、熱間等方圧酸形は高価な耐圧炉を必要とす
るためコスト高になる欠点がある。
このほかに焼結時のガス雰囲気を不活性とすることが知
られており、COガス雰囲気中で焼結処理する方法が提
案されている。しかし、COガスの使用は取扱い上に危
険性を伴う問題点がある。
〔発明が解決しようとする課題] 本発明者は、SiCとZrO2の反応を防止するために
は、SiCウィスカー、Af、O,、ZrO2からなる
3威分混合物を冷間等方圧酸形したのち不活性ガス加圧
下で焼結させることが有効であることを確認し、既に特
願平2−20041号として提案した。ところが、この
方法を採る場合にもガス加圧焼結に必要な耐圧炉を設置
しなければならない難点があった。
本発明の目的は、SiCとZrO,の反応を伴わず、か
つ常圧焼結化が可能なウィスカー強化Al、03 ・Z
rO,複合焼結体の製造方法を提供しようとするところ
にある。
本発明においては、上記の目的を予め特定された膜厚の
Si、N、被覆を施したSiCウィスカーを強化材とす
ることにより解決したものである。
表面を種々の非反応性物質で被覆したSiCウィスカー
を強化材としたセラミックス複合材の製造方法は従来か
ら開発されており、Si、N、で表面改質したSiCウ
ィスカーを適用する方法も特開平1−415877号公
報および特願平1−125426号として本出願人によ
って既に提案されている。
しかし、本発明はセラミックス母材としてA z 20
、・ZrO,系を対象とした場合に最適な5isN4の
被覆厚さを解明した点に従来技術とは異なる発明の要素
がある。
〔課題を解決するための手段] すなわち、本発明によるウィスカー強化Affi。
0、・ZrO,複合焼結体の製造方法は、表面に厚さ2
0〜100人の5isN<被膜を形成したSiCウィス
カーをAltos粉末およびZrO。
粉末と湿式混合し、該混合物を冷間等方圧(IJP)成
形したのち不活性ガス雰囲気下で常圧焼結することを構
成上の特徴とする。
本発明の強化材となるSiCウィスカーは、直径0.1
〜2.0μm、長さ5〜30μ陣の針状単結晶で、表面
に厚さ20〜100人の5iffN4からなる高密度で
均質な被膜を形成したものが使用に供される。Si、N
4の被膜厚さが20人未満であると基材SiCウィスカ
ーとZrO,との反応を阻止する機能が付与されず、1
00人を越えると強度の減退を招く。
SiCウィスカーの表面にSi、N4の被膜を形成する
方法には、ポリカルボシランの溶液にSiCウィスカー
を均一分散させて濾過・乾燥したのち窒化性雰囲気中で
熱処理する方法(特開平l−115877号公報)、S
iCウィスカーを酸化処理して表面にSiO□の薄膜を
形成し、還元成分として熱硬化性樹脂を被着した状態で
窒化性ガス雰囲気下で熱処理する方法(特願平1−12
5426号)等があるが、これらの方法では本発明で必
要な20〜100人範囲の高密度で均質な薄膜を形成す
ることが困難である。
本発明の目的には、ポリシラザンを有m溶媒に溶解した
溶液にSiCウィスカーを分散させて濾過・乾燥したの
ち窒化性雰囲気中で1200〜1600°Cの温度に焼
成処理する方法が好適に用いられる。この場合に反応基
材となるポリシラザンは、下式(1)または(2)の化
学構造が繰り返し結合した形態を有するものである。
上式において、Rは水素、メチル基、エチル基、n−プ
ロピル基、イソプロピル基、1〜6個の炭素原子をもつ
低級アルキル基、1〜6個の炭素原子ヲもつ低級アルコ
キシ基、ビニル基、アリル基、ベンジル基、6〜10個
の炭素原子をもつ低級アリール基、ジアルキルシリル基
、ジアルキルアミノ基またはフェニル基である。n、m
は2以上であり、nは5から約24までの範囲、mは3
〜12までの範囲にある。
このようにポリシラザンは−3−N−が繰り返し主鎖に
より構成されているため、含有N成分が窒化反応に寄与
して生成を促進させる機能を果たし、高密度で均質な厚
さ100Å以下の薄膜層を呈するSi、N、に転化する
上記の5ilN4被膜を形成されたSiCウィスカーは
、Al、○、粉末およびZrO,粉末と混合する。Al
□○、粉末には平均粒子径0. 1〜1.OtIm、純
度99%以上のα−結晶型のものが好ましく用いられ、
またZrO,粉末には平均粒子径0.1〜1.0μ−の
微粒子であって、高靭性を与えるために0.5〜5s+
o 1%のYzOqを含むものが好適に使用される。
成分の配合比率としては、全体量に対してSiCウィス
カーならびにZrChを5〜20vol%の範囲に設定
することが好ましい。SiCウィスカーの配合量が5V
o1%を下廻ると複合効果が発揮されず、20VO1%
を越えると緻密化が不十分となる。ZrO□の配合量が
5vol%未満の場合には常温における強度、靭性の劣
化、焼結組織の疎密化を生じ、20vol%を越す配合
は高温物性の低下を招く。
混合処理は、適宜な分散液媒と共にSiCウィスカーを
ボールミルのような攪拌混合器に入れ、均質混合される
まで湿式混合する方法でおこなわれる。得られた混合物
から液媒を除去し、ついで冷間等方圧(CIP)装置を
用いて成形する。成形には、少なくとも3 ton/c
1の圧力を負荷することが緻密組織を形成するうえで重
要である。
等方組織体に形成された成形物は、Ar、He、N2等
の不活性ガス雰囲気下で常圧焼結する。この際の焼結温
度は、1500〜1800°Cの範囲に設定することが
望ましい。l 500 ”C未満の焼結温度では焼結が
十分に進行せず、1800°Cを越える高温度ではAl
2O3の異常粒成長が起きるほか、SiCとZrO,の
反応性が増大して5izN4被覆では反応を抑制するこ
とができなくなる。
〔作 用〕
本発明によれば、AI!、、Ox  ’ ZrO,系セ
ラミツクスをSiCウィスカー複合強化するにあたり、
表面に厚さ20〜100入のSi、Nt被被膜形成した
SiCウィスカーを用いることにより焼結時に起生ずる
強化材成分のSiCとマトリックス収骨であるZrO2
との反応を効果的に阻止し、よって不活性ガス雰囲気中
での常圧下における焼結化が可能となる。
また、Z r O,成分は常温域ではSiCウィスカー
と共に強化材として機能し、焼結時には焼結助剤として
機能するから、上記の反応阻止作用と相俟って常圧焼結
による組織の緻密化に貢献する。
したがって、常に強度および靭性に優れる高品位のウィ
スカー強化An、O,・ZrO2複合焼結体を製造する
ことができる。
[実施例〕 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
実施例1 (1)SiCウィスカーの表面改質 ポリシラザンの65%トルエン溶液を更にトルエンに溶
解し、7日間静置して濃度の異なる均一な溶液を作製し
た。この溶液中に平均直径1. 0μ顛、平均長さ30
μ鴎のSiCウィスカー(東海カーボン■製、“トーカ
ウィスカー100 )を投入し、2.5時間攪拌混合し
て均一に分散させた。
分散液を吸引濾過して得られたSiCウィスカーの湿潤
集合体を100″Cの温度で乾燥したのち十分にほぐし
、更に170°Cで2時間真空乾燥してポリシラザン成
分を完全に硬化させた。
ついで、被着成分を固定化したSiCウィスヵーヲN 
z雰囲気に保持されたエレマ炉に移し、10°C/分の
昇温速度により1400°Cの温度まで上昇させて焼成
処理をおこなった。
このように処理された各SiCウィスカーの表面を透過
型電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、10〜10
0人の範囲で膜厚の異なる均一かつ緻密な層に改質して
いることが判明した。また、膜層を電子線回折で分析し
た結果、Si、N、であることが確認された。
(2)焼結処理 ついで、表面に被膜厚10〜200人のSi。
N4層を形成した各SiCウィスカー15vol%を、
A 12 z○3粉末〔住友化学■製、^KP−30)
 75vol%およびZrO,粉末〔東ソー■製、TZ
−2Y)10vol%と共にボールミルに入れ、エタノ
ールを分散媒として十分に攪拌し湿式混合した。
得られた混合スラリーを加熱したエタノール分散媒を蒸
発除去したのち、均質混合物を内径50■■のモールド
に充填して500 kg/cab”の圧力により成形し
、引き続き冷間等方圧成形装置に移し6  ton/c
m”で成形して円盤状の成形体を得た。
ついで、該成形体をArガス雰囲気下で1750℃の温
度に2時間保持して焼結体を製造した。
(3)特性評価 上記の常圧焼結により得られた各複合焼結体につき曲げ
強度および破壊靭性を測定し、その結果をSiCウィス
カーに被覆した5t3N4の厚さに対比させて図(グラ
フ)に示した。
なお、曲げ強度はJIS試験法(長さ40m5、巾4m
s 、厚す3++n )および5ENBT、P(長さ4
0−園、中3問、厚さ4m1m、ノツチ深さ1層園、ノ
ツチ巾0.1+gm)を採取してスパン3o■園、3点
曲げにより測定し、また破壊靭性は前記試片につき上ス
パンlO■―、下スパン30mmで4点曲げにより測定
した。
図示のグラフから、SiCウィスカーに被覆するSi、
N4層の厚さが20入を下地る場合には曲げ強度および
破壊靭性が上昇です、また100人を越えると曲げ強度
が急激に低下することが判明した。
実施例2 実施例1で形成した厚さ50入のSi、N、被膜のSi
Cウィスカーを用い、これを実施fN1と同一のAj’
、O,粉末およびZ r Oz粉末と各種の配合割合で
湿式混合した。混合スラリーを乾燥したのち、実施例1
と同様に成形、焼結処理して複合焼結体を製造した。
このようにして製造した各SiCウィスカー強化An、
○、・ZrO!複合焼結体につき常温時と1000°C
加熱時における曲げ強度および破壊靭性を測定し、その
結果を表1に示した。
表1の結果から、各複合焼結体はいずれも良好な特性を
示したが、SiCウィスカーの配合量が20vol%を
越す例(Run No、4)では常温時の曲げ強度が低
下し、ZrO□配合量が20vol%を上地る例(Ru
n No、6)では1000℃加熱時の曲げ強度および
破壊靭性値が低下する傾向を示した。また、ZrO2を
配合しない例(Ran No、8)では、常温特性が増
大しなかった。
〔発明の効果] 以上のとおり、本発明によれば表面に厚さ20〜100
人のSl、Na被膜を形成したSiCウィスカーを用い
ることにより、常圧焼結法で優れた複合特性を備えるウ
ィスカー強化Al!○。
ZrO2?1合焼結体を製造することが可能となる。
したがって、高性能のセラミックス複合材を効率よく得
ることができる。
【図面の簡単な説明】
図は実施例1によるSiCウィスカーのSi。 N4被膜の厚さ(人)と曲げ強度および破壊靭性との関
係を示したグラフである。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.表面に厚さ20〜100ÅのSi_3N_4被膜を
    形成したSiCウィスカーをAl_2O_3粉末および
    ZrO_2粉末と湿式混合し、該混合物を冷間等方圧(
    CIP)成形したのち不活性ガス雰囲気下で常圧焼結す
    ることを特徴とするウィスカー強化Al_2O_3・Z
    rO_2複合焼結体の製造方法。
  2. 2.SiCウィスカーおよびZrO_2の配合量を5〜
    20vol%の範囲に設定する請求項1記載のウィスカ
    ー強化Al_2O_3・ZrO_2複合焼結体の製造方
    法。
JP2091756A 1990-04-06 1990-04-06 ウイスカー強化Al↓2O↓3・ZrO↓2複合焼結体の製造方法 Pending JPH03290357A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001089255A (ja) * 1999-09-16 2001-04-03 Sgl Technik Gmbh 繊維束で強化された複合材料

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001089255A (ja) * 1999-09-16 2001-04-03 Sgl Technik Gmbh 繊維束で強化された複合材料

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