JPH04231342A - アルミナホウケイ酸ガラスとその製造方法及び繊維強化ガラスマトリックス複合体の製造方法 - Google Patents

アルミナホウケイ酸ガラスとその製造方法及び繊維強化ガラスマトリックス複合体の製造方法

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JPH04231342A
JPH04231342A JP17272991A JP17272991A JPH04231342A JP H04231342 A JPH04231342 A JP H04231342A JP 17272991 A JP17272991 A JP 17272991A JP 17272991 A JP17272991 A JP 17272991A JP H04231342 A JPH04231342 A JP H04231342A
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borosilicate glass
alumina borosilicate
silica
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David Andrew Clarke
デーヴィッド・アンドリュー・クラーケ
David Malcolm Dawson
デーヴィッド・マルコム・ドーソン
Clara Margaret Asher Davies
クララ・マーガレット・アシェア・デイヴィーズ
Michael Harold Lewis
マイケル・ハロルド・ルイス
Varanasi Sri Rama C Murthy
バラナシ・スリ・ラマ・チャンドラ・マーシー
Mark Wilson Pharaoh
マーク・ウィルソン・ファラオ
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Rolls Royce PLC
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    • C03C3/00Glass compositions
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    • C03C3/089Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing boron
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
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    • C03C2214/02Fibres; Filaments; Yarns; Felts; Woven material

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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】
【0001】本発明は、繊維強化ガラスマトリックス複
合体用、特に炭化ケイ素繊維強化ガラスマトリックス複
合体用のガラス組成物に関する。
【0002】低熱膨張性アルミナホウケイ酸ガラスは、
容易に加工され、繊維強化ガラスマトリックス複合体の
製造に用いられている。これらのアルミナホウケイ酸ガ
ラスは溶融する場合または後に軟化温度範囲内で加工す
る場合に、ガラス状態を保持しやすい、すなわち結晶化
傾向が殆ど無い。
【0003】低熱膨張性アルミナホウケイ酸ガラスは3
.3x10−6/℃のオーダーの低い熱膨張率を有し、
この熱膨張率は3.1x10−6/℃である炭化ケイ素
の熱膨張率に類似している。熱膨張率の類似性は低熱膨
張性アルミナホウケイ酸ガラスマトリックス中炭化ケイ
素繊維の組み合わせを非常に魅力あるものにする。
【0004】しかし、低熱膨張性アルミナホウケイ酸ガ
ラス粉末を繊維強化ガラスマトリックス複合体の製造方
法に典型的に用いられる700〜1000℃の温度範囲
に加熱する場合には、ガラスの結晶化を避けることが困
難である。生成物の結晶相は非常に高い熱膨張率27x
10−6/℃を有する二酸化ケイ素のクリストバライト
多形体(cristobalite  polimor
ph)であるので、結晶化は重大な問題である。これは
一般的なマトリックスクラッキング又は微細クラッキン
グを生じ、ガラスマトリックス複合体の面間剪断安定性
(interfacial  shear  resi
stance)を変化させ、複合体の機械的性質の劣化
を生ずる。
【0005】この問題に対して提案された一つの解決方
法はガラスマトリックス複合体の製造のための加工温度
を高めることである、この理由は二酸化ケイ素結晶相の
完全溶融温度すなわち液相線に近づくと、結晶核形成速
度が0に成るからである。1100℃より高い加工温度
は、この温度に30分間維持した後に、殆どクリストバ
ルカイトを含まないガラスマトリックスを生ずることが
判明している。しかし、1000℃を越える加工温度の
上昇は強化繊維を劣化させることになり、複合体の最適
機械的性質の発達に関してもを制御されないことになる
【0006】本発明は新規なアルミナホウケイ酸ガラス
組成物を提供することを目的とする。
【0007】従って、本発明はシリカ76.4〜80.
2重量%、酸化ホウ素11.56〜12.94重量%、
酸化ナトリウムと酸化カリウム3.725〜6.96重
量%、酸化アルミニウム2.8〜5.0重量%、酸化カ
ルシウム+偶発的不純物0〜0.3重量%を含むアルミ
ナホウケイ酸ガラスを含むアルミナホウケイ酸ガラスを
提供する。
【0008】このアルミナホウケイ酸ガラスはシリカ7
8.7〜80.2重量%、酸化ホウ素11.56〜12
.94重量%、酸化ナトリウムと酸化カリウム3.72
5〜6.96重量%、酸化アルミニウム2.8〜5.0
重量%、酸化カルシウム+偶発的不純物0〜0.3重量
%を含みうる。
【0009】このアルミナホウケイ酸ガラスはシリカ7
8.7〜80.2重量%、酸化ホウ素11.56〜12
.94重量%、酸化ナトリウムと酸化カリウム3.72
5〜6.96重量%、酸化アルミニウム3.0〜5.0
重量%、酸化カルシウム+偶発的不純物0〜0.3重量
%を含みうる。
【0010】このアルミナホウケイ酸ガラスはシリカ7
8.7〜80.2重量%、酸化ホウ素11.56〜12
.94重量%、酸化ナトリウムと酸化カリウム3.72
5〜6.96重量%、酸化アルミニウム3.3〜4.8
重量%、酸化カルシウム+偶発的不純物0〜0.3重量
%を含みうる。
【0011】このアルミナホウケイ酸ガラスはシリカ7
8.7〜80.2重量%、酸化ホウ素11.56〜12
.94重量%、酸化ナトリウムと酸化カリウム3.72
5〜6.96重量%、酸化アルミニウム3.8〜4.8
重量%、酸化カルシウム+偶発的不純物0〜0.3重量
%を含みうる。
【0012】このアルミナホウケイ酸ガラスはシリカ7
8.7〜79.9重量%、酸化ホウ素11.94〜12
.14重量%、酸化ナトリウムと酸化カリウム4.29
〜4.378重量%、酸化アルミニウム3.3〜4.8
重量%、酸化カルシウム+偶発的不純物0〜0.3重量
%を含むことが好ましい。
【0013】特定のアルミナホウケイ酸ガラスはシリカ
79.3重量%、酸化ホウ素12.07重量%、酸化ナ
トリウムと酸化カリウム4.35重量%、酸化アルミニ
ウム3.8重量%、酸化カルシウム+偶発的不純物0.
3重量%を含む。
【0014】好ましいアルミナホウケイ酸ガラスはシリ
カ78.7重量%、酸化ホウ素11.94重量%、酸化
ナトリウムと酸化カリウム4.29重量%、酸化アルミ
ニウム4.8重量%、酸化カルシウム+偶発的不純物0
.28重量%を含む。
【0015】本発明はまた、次の工程:(a)シリカ7
8.0〜80.6重量%、酸化ホウ素11.8〜13重
量%、酸化ナトリウムと酸化カリウム3.8〜7.0重
量%、酸化アルミニウム2〜2.8重量%、酸化カルシ
ウム+偶発的不純物0〜0.3重量%を含むアルミナホ
ウケイ酸ガラス粉末に追加の酸化アルミニウム粉末0.
5〜2重量%を加えて混合する工程;(b)混合物を1
450℃以上の温度において溶融する工程; (c)溶融混合物を脱塩水中で急冷する工程;(d)急
冷した溶融混合物を破砕する工程;及び(e)破砕した
急冷溶融混合物を粉砕して、アルミナホウケイ酸ガラス
粉末を製造する工程を含むアルミナホウケイ酸ガラスの
製造方法を提供する。
【0016】アルミナホウケイ酸ガラス粉末はシリカ8
0.3〜80.6重量%、酸化ホウ素11.8〜12.
9重量%、酸化ナトリウムと酸化カリウム4.2〜4.
6重量%、酸化アルミニウム2〜2.8重量%、酸化カ
ルシウム+偶発的不純物0〜0.3重量%を含みうる。
【0017】アルミナホウケイ酸ガラス粉末はシリカ8
0.3重量%、酸化ホウ素12.2重量%、酸化ナトリ
ウム4.0重量%、酸化カリウム0.4重量%、酸化カ
ルシウム0.3重量%、酸化アルミニウム+偶発的不純
物2.8重量%を含みうる。アルミナホウケイ酸ガラス
粉末に追加の酸化アルミニウム粉末1〜2重量%を混合
することが好ましい。
【0018】本発明はまた、次の工程:(a)少なくと
も1種の適当な強化繊維(reinforcing  
fibre)をシリカ76.4〜80.2重量%、酸化
ホウ素11.56〜12.94重量%、酸化ナトリウム
と酸化カリウム3.725〜6.96重量%、酸化アル
ミニウム2.8〜5.0重量%、酸化カルシウム+偶発
的不純物0〜0.3重量%を含むアルミナホウケイ酸ガ
ラスによって覆う工程;及び(b)繊維とアルミナホウ
ケイ酸ガラスとを熱間加圧する工程を含む繊維強化ガラ
スマトリックス複合体の製造方法を提供する。
【0019】アルミナホウケイ酸ガラスはシリカ78.
7〜80.2重量%、酸化ホウ素11.56〜12.9
4重量%、酸化ナトリウムと酸化カリウム3.725〜
6.96重量%、酸化アルミニウム3.3〜4.8重量
%、酸化カルシウム+偶発的不純物0〜0.3重量%を
含みうる。
【0020】熱間加圧プロセスは含浸繊維を700℃〜
1000℃の範囲内の温度へ加熱し、その温度に3時間
まで等温維持する工程を含みうる。
【0021】アルミナホウケイ酸ガラス粉末はシリカ7
9.3重量%、酸化ホウ素12.07重量%、酸化アル
ミニウム3.8重量%、酸化ナトリウムと酸化カリウム
4.35重量%、酸化カルシウム+偶発的不純物0.3
重量%を含み、熱間加圧プロセスは含浸繊維を950℃
の範囲内の温度へ加熱し、その温度に1時間まで等温維
持する工程を含む。
【0022】または、アルミナホウケイ酸ガラス粉末は
シリカ78.7重量%、酸化ホウ素11.94重量%、
酸化アルミニウム4.8重量%、酸化ナトリウムと酸化
カリウム4.29重量%、酸化カルシウム+偶発的不純
物0.28重量%を含み、熱間加圧プロセスは含浸繊維
を950℃の範囲内の温度へ加熱し、その温度に3時間
まで等温維持する工程を含む。
【0023】強化繊維は炭化ケイ素繊維でありうる。
【0024】本発明を添付図面を参照しながら実施例に
よってさらに詳しく説明する。
【0025】図1は先行技術のガラス組成物と本発明の
ガラス組成物とにおける二酸化ケイ素の結晶核形成を説
明する温度:対数温度のグラフである。図2は本発明に
よるガラス組成物を用いる繊維強化ガラスマトリックス
複合体の製造に用いる熱間加圧プロセスを説明する。
【0026】図3は図1の先行技術ガラス組成物と本発
明による第2ガラス組成物とにおける二酸化ケイ素の結
晶核形成を説明する温度:対数温度のグラフである。
【0027】図4は本発明による第2ガラス組成物を用
いる繊維強化ガラスマトリックス複合体の製造に用いる
熱間加圧プロセスを説明する。
【0028】先行技術の低熱膨張性アルミナホウケイ酸
ガラスは繊維強化ガラスマトリックス複合体の製造に用
いられている。代表的なアルミナホウケイ酸ガラスはコ
ーニング(Corning)7740[コーニング  
ガラス  ワークス(Corning  Glass 
 Works)によって製造]であり、これはパイレッ
クス(登録商標)と呼ばれることもある。これらのガラ
スはシリカ78.0〜80.6重量%、酸化ホウ素11
.8〜13重量%、酸化ナトリウムと酸化カリウム3.
8〜7.0重量%、酸化アルミニウム2〜2.8重量%
、酸化カルシウム+偶発的不純物0〜0.3重量%を含
む。コーニング7740は典型的にシリカ80.3重量
%、酸化ホウ素12.2重量%、酸化ナトリウムと酸化
カリウム4.4重量%、酸化アルミニウム2.8重量%
及び酸化カルシウム0.3重量%を含む。コーニング7
740ガラス組成物を繊維強化ガラスマトリックス複合
体の製造に用いる場合には、700〜1000℃の加工
温度と複合体の製造に要する時間とが複合体ガラスマト
リックスの亀裂を生ずる。
【0029】図1と3において、ラインAは時間と温度
とによってコーニング7740ガラス組成物のシリカの
結晶核形成の開始を説明する。シリカの結晶核形成は約
950℃において非常に迅速に生ずるが、加工温度がシ
リカ結晶の完全溶融温度すなわち液相線の近くに上昇す
ると、結晶核形成速度は0になる。
【0030】1000℃より高い等温加工温度の使用は
ガラスマトリックス中のシリカ結晶化量を減ずるが、強
化繊維は劣化する。例えば剪断特性及び凝集特性のよう
な、最適の機械的性質のために理想的な界面構造の発達
に関しても制御されないことになる。
【0031】本発明による低熱膨張性アルミナホウケイ
酸ガラスは700〜1000℃の加工温度と、複合体の
ガラスマトリックスのクラッキングの可能性が減ぜられ
る又は阻止されるような時間とを用いる繊維強化ガラス
マトリックス複合体の製造に適する。        
                 例1 本発明による低熱膨張性アルミナホウケイ酸ガラスの1
種はシリカ79.3重量%、酸化ホウ素12.07重量
%、酸化ナトリウムと酸化カリウム4.35重量%、酸
化アルミニウム3.80重量%、酸化カルシウム+偶発
的不純物0.3重量%を含む。これはシリカ82.42
%、酸化ホウ素10.72%、酸化ナトリウム3.99
%、酸化カリウム0.25%、酸化アルミニウム2.3
1%及び酸化カルシウム0.31%のモル%組成を有す
る。
【0032】図中のラインBは例1のガラス組成物のシ
リカの結晶核形成を、時間と温度とによって説明する。 シリカの結晶核形成はこの場合も約950℃において最
も迅速に生じ、結晶核形成はコーニング7740ガラス
組成物と同じ一般的傾向に従う。しかし、ラインAとB
との有意差は、本発明による低熱膨張性アルミナホウケ
イ酸ガラスはシリカの結晶核形成が開始するまで非常に
長期間、加工温度にさらされなければならないことであ
る。
【0033】例2 本発明による第2低熱膨張性アルミナホウケイ酸ガラス
はシリカ78.7重量%、酸化ホウ素11.94重量%
、酸化ナトリウムと酸化カリウム4.29重量%、酸化
アルミニウム4.8重量%、酸化カルシウム+偶発的不
純物0.28重量%を含む。これはシリカ81.90%
、酸化ホウ素10.67%、酸化ナトリウム3.93%
、酸化カリウム0.25%、酸化アルミニウム2.93
%及び酸化カルシウム0.31%のモル%組成を有する
【0034】図3のラインCは例2のガラス組成物のシ
リカの結晶核形成の開始を、時間と温度とによって説明
する。シリカの結晶核形成はこの場合も約950℃にお
いて最も迅速に生じ、結晶核形成はコーニング7740
ガラス組成物及び例1のガラス組成物と同じ一般的傾向
に従う。しかし、ラインCとAとの有意差は、本発明に
よる低熱膨張性アルミナホウケイ酸ガラスはシリカの結
晶化が開始するまで非常に長期間、加工温度にさらされ
なければならないことである。例2のガラス組成物はシ
リカの結晶化が開始するまで、例1のガラス組成物より
も長期間、加工温度にさらされなければならない。
【0035】例3 本発明による第3低熱膨張性アルミナホウケイ酸ガラス
はシリカ79.9重量%、酸化ホウ素12.14重量%
、酸化ナトリウムと酸化カリウム4.378重量%、酸
化アルミニウム3.3重量%、酸化カルシウム+偶発的
不純物0.3重量%を含む。
【0036】このガラス組成物中のシリカの結晶核形成
もコーニング7740ガラス組成物よりも長期間、但し
例1と2のガラス組成物よりも短期間、加工温度にさら
された後に生ずる。
【0037】例1、2、3の低熱膨張性アルミナホウケ
イ酸ガラスは、コーニング7740組成を有する粉状ガ
ラスを計量し、これに追加の酸化アルミニウム粉末を加
えることによって製造される。例1のガラス組成物には
さらに1重量%の酸化アルミニウムを加え、例2のガラ
ス組成物にはさらに2重量%のAl2O3を加え、例3
のガラス組成物にはさらに0.5重量%のAl2O3を
加える。
【0038】酸化アルミニウム粉末をコーニング774
0ガラス粉末と約48時間、完全にドライブレンドする
(dry  mix)。生成した混合物を次に、溶解し
、均質化するためにジルコニウム安定化白金るつぼを用
いて、通常のガラス溶融温度1450℃において加工す
る。生成するガラス組成物を脱塩水中で急冷してから、
破砕する。破砕ガラスを次に酸化アルミニウム  ボー
ルとメタノールとを用いて、24時間ボールミルして(
ball  milled)、ガラス粉末を製造する。 このガラス粉末をふるいにかけ、最終的に乾燥する。
【0039】例1、2、3のアルミナホウケイ酸ガラス
組成物を用いて、繊維強化ガラスマトリックス複合体を
製造する。液体キャリヤー中有機結合剤の溶液中に懸濁
された例1、2又は3の好ましい1種のアルミナホウケ
イ酸ガラスを含むスリップ(slip)に1種以上の適
当な強化繊維を通すことによって、繊維強化ガラスマト
リックス複合体が製造される。これによって、アルミナ
ホウケイ酸ガラスを含浸させた適当な強化繊維が得られ
る。
【0040】含浸繊維をドラムに巻き付けて、テープを
形成し、生成したプレプレグ(prepreg)シート
を乾燥し、ドラムから取り外す。次に、プレプレグシー
トをサイズに合わせて切断し、2個のダイ(die)の
間の間隙に挿入する。例えばコンプレッサーブレード又
はタービンブレードのような、製造すべき要素の形状を
画定するように、ダイを配置する。
【0041】プレプレグシートを次に2個のダイの間で
700〜1000℃の範囲内の温度において熱間加圧す
る。熱間加圧プロセス中の温度は一定に留まる。圧力は
完成要素に好ましい程度の団結と密度とを与えるように
選択する。
【0042】適当な繊維と例1のアルミナホウケイ酸ガ
ラス組成物とから形成されたプレプレグシートを50℃
/分の速度で950℃に加熱し、次に図2に示すように
、950℃において1時間まで熱間加圧する場合に、ガ
ラスマトリックス中にクリストバライトが形成されない
【0043】適当な繊維と例2のアルミナホウケイ酸ガ
ラス組成物とから形成されたプレプレグシートを50℃
/分の速度で950℃に加熱し、次に図4に示すように
、950℃において1時間まで熱間加圧する場合に、ガ
ラスマトリックス中にクリストバライトが実質的に形成
されない。例2のガラス組成物では、950℃での3時
間後に初めて、シリカ結晶化が僅かに検出可能であるに
すぎない。等温保持は1〜2時間であることが好ましい
。コーニング7740ガラス組成物にさらに0.5〜2
重量%の酸化アルミニウムを添加すると、二酸化ケイ素
、クリストバライトの核形成時間がシフトして、複合体
のガラスマトリックス中にクリストバライトが実質的に
形成されることなく、プレプレグシートの長時間の熱間
等温加圧が可能になる。添加酸化アルミニウムの影響は
主としてガラス構造/粘度変化による二酸化ケイ素核形
成速度(nucleation  kinetics)
の低下にあると考えられる。アルミナの添加はイオン移
動度(mobility)を減じ、元素拡散速度を緩慢
化するので、核形成とクリストバライトの成長が低下す
ると考えられる。先行技術ガラス組成物中のクリストバ
ライトの成長は残りのガラスの組成をホウ酸ナトリウム
富化領域に変化させるが、本発明のガラス組成物は殆ど
又は全くクリストバライト成長を示さず、そのためガラ
ス組成物は一定に留まる。ベースの(basic)コー
ニング7740ガラス組成物にさらに0.5%未満のア
ルミナを添加しても、シリカの結晶核形成は阻止又は減
少されず、ベースのコーニング7740ガラス組成物に
さらに2%を越えるアルミナを添加すると、ガラスの流
動性が許容されがたいレベルまで低下する。
【0044】等温熱間加圧温度にプレプレグを加熱する
のに要する時間はもはや決定的ではないが、熱間加圧工
程の最大等温保持時間に対してまだ影響を有する。等温
熱間加圧に用いられる時間の増加は、等温保持時間の変
化によって調整される界面/性質関係を有する、ある範
囲の物質を可能にする。
【0045】適当な繊維には、例えばニカロン(NIC
ALON)[日本カーボン社(Nippon  Car
bon  Company)の登録商標]繊維のような
炭化ケイ素繊維又は炭素繊維がある。
【0046】他の1種の低熱膨張性アルミナホウケイ酸
ガラスは、酸化アルミニウムを加えることによって改質
される。他の低熱膨張性アルミナホウケイ酸ガラスは、
SiO2  80.5重量%、B2O3  11.8重
量%、Na2O  4.4重量%、K2O  0.2重
量%、CaO  0.3重量%、Al2O3  2.0
重量%プラス残部の不純物を含む。         
 他の1種の低熱膨張性アルミナホウケイ酸ガラスは、
SiO2  80.5重量%、B2O3  12.9重
量%、Na2O  3.8重量%、K2O  0.4重
量%、Al2O3  2.2重量%プラス残部のCaO
と不純物を含む。
【0047】さらに他の1種の低熱膨張性アルミナホウ
ケイ酸ガラスは、SiO2  80.6重量%、B2O
3  11.9重量%、Na2O  3.8重量%、K
2O  0.6重量%、Al2O3  2.0重量%、
CaO  0.2重量%プラス残部の不純物を含む。
【0048】さらに他の1種の低熱膨張性アルミナホウ
ケイ酸ガラスは、SiO2  78.1重量%、B2O
3  11.9重量%、Na2O  3.8重量%、K
2O  7.0重量%、CaO  0.3重量%、Al
2O3  2.7重量%、プラス残部の偶発的不純物を
含む。
【0049】本発明によるガラス組成物は、ガラスマト
リックスのクリストバライト含量が10体積%未満であ
る繊維強化ガラスマトリックス複合体の製造を可能にす
る。クリストバライト含量が10体積%未満である繊維
強化ガラスマトリックス複合体では、ガラス複合体の性
質が本質的に繊維/マトリックス界面によって支配され
る。先行技術では、ガラス複合体の性質は主としてクリ
ストバライト含量によって支配され、含量が高いと強い
繊維/マトリックス結合を有する複合体では早期の脆性
破壊が生じ、弱い繊維/マトリックス結合を有する複合
体ではマトリックス崩壊が生ずる。
【0050】本発明によるアルミナホウケイ酸ガラスを
含浸させたチョップト(chopped)繊維を用いて
、繊維強化ガラスマトリックス複合体を製造することも
可能である。
【0051】繊維強化ガラスマトリックス複合体を製造
するための他の代替え手段は、繊維層をアルミナホウケ
イ酸ガラス粉末層と交互に配置し、各繊維層がガラス粉
末層の間に挿入されるようにすることである。各層の繊
維は相互に平行に配置される。または、各層の繊維は繊
維プレフォーム(preform)に織られる。繊維層
は、全ての層内の繊維が相互に平行に伸びるように配置
される、又は層内の繊維は繊維がある角度をなして、例
えば垂直に伸びるように配置される。ガラス粉末層と繊
維層とをダイ内に配置し、次に熱間加圧して、ガラスを
繊維の間に浸透させる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は先行技術のガラス組成物と本発明のガラ
ス組成物とにおける二酸化ケイ素の結晶核形成を説明す
る温度:対数温度のグラフである。
【図2】図2は本発明によるガラス組成物を用いる繊維
強化ガラスマトリックス複合体の製造に用いる熱間加圧
プロセスを説明する。
【図3】図3は図1の先行技術ガラス組成物と本発明に
よる第2ガラス組成物とにおける二酸化ケイ素の結晶核
形成を説明する温度:対数温度のグラフである。
【図4】図4は本発明による第2ガラス組成物を用いる
繊維強化ガラスマトリックス複合体の製造に用いる熱間
加圧プロセスを説明する。
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