JPH0483800A - SiCウイスカーの表面改質法およびFRC焼結体の製造方法 - Google Patents

SiCウイスカーの表面改質法およびFRC焼結体の製造方法

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JPH0483800A
JPH0483800A JP2194401A JP19440190A JPH0483800A JP H0483800 A JPH0483800 A JP H0483800A JP 2194401 A JP2194401 A JP 2194401A JP 19440190 A JP19440190 A JP 19440190A JP H0483800 A JPH0483800 A JP H0483800A
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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、各種セラミックス材料に複合強化する際に破
壊靭性を改善する目的に有効なSiCウィスカーの表面
改質法、および表面改質したs1Cウィスカーを用いた
FRC(繊維強化セラミックス)焼結体の製造方法に関
する。
〔従来の技術] セラミックス材料は、耐熱性、高温強度、化学的安定性
などに優れているため、エンジン部品をはじめ高温下で
用いられる各種構造部材として有用されている。ところ
が、セラミックス材料は一般に破壊靭性に乏しく、微小
な傷や内部欠陥によっても応力が集中して破壊し易い固
有の欠点がある 近年、セラミックス材料の破壊靭性を向上させる方法が
広く研究されており、SiCウィスカーをセラミックス
材料に複合させてFRC化することによって靭性改善を
図る試みも数多く提案されている。この目的は、高弾性
を有するSiCウィスカーを分散複合化することで、セ
ラミックス中におけるクランク成長の停止あるいは抑制
、クラック進行方向の屈曲化による応力集中の緩和、ウ
ィスカーの引き抜き効果によるクラック先端でのエネル
ギー吸収などの機能を介して破壊靭性を向上させようと
する点にある。しかし、この場合の複合効果は、SiC
ウィスカーとセラミックス母材との界面結合の状態に影
響される度合が大きく、界面結合が強いと前記した靭性
向上機能が十分に発揮されず、逆に界面結合力が小さい
とクラックの発生起点となる問題が残る。
本来、SiCウィスカーと母材となるセラミックス材料
間の界面結合が過大となる主因は、焼結時、相互の界面
において化学反応を生じることにある。したがって、予
めSiCウィスカーの表面を化学反応し難い状態に改質
しておけば界面結合力が緩和され、前記した靭性向上の
機能が有効に達成されることになる。
このような理由から、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に用いるセラミックス複
合材の製造方法が開発されている(例えば特開昭62−
12671号公報、同63−182258号、同63−
277566号公報、同64−3081号公報、特開平
1−115877号公報など)。
〔発明が解決しようとするIN) 表面改質したSiCウィスカーを用いて破壊靭性を効果
的に向上させるためには、被覆物質がセラミックス母材
との非反応性に加えて引き抜き効果を助長するための表
面潤滑性ないしクンジョン性を備えることが無視できな
い要素となる。この両要素を満たす好適な物質に、BN
がある。
SiCウィスカーの表面にBNを被覆層を形成する技術
については、特開昭62−1267L号、同63182
258号および同63−277566号などの公報に記
載されている。このうち特開昭62−12671号公報
に示されている具体的な改質手段は、SiCウィスカー
の表面をB2 HbとNH,との混合ガスによりCVD
被覆するものである。ところが、B2Hh (ジボラン
)は空気中で容易に発火する物質であるため工程操作に
危険性を伴う問題がある。
特開昭63−182258号公報の方法は、83N3H
1゜(ボラゾール)の熱分解を介してBNコーティング
を施すものであるが、ボラゾールの濃度が10%と高い
関係で形成されるBN層の厚さが0.02〜0.3μm
と巾広く変動し、また母材セラミックスの破壊靭性を向
上させるには膜厚が厚過ぎる難点がある。特開昭63−
277566号公報に開示のある方法は、金属塩化物子
NH3+l(2の混合ガスによるCVD被覆であるため
、操作が煩雑でBN層の膜厚制御が難しい問題点がある
本発明者はSiCウィスカーをBN被覆により表面改質
する際の好適な原料物質を多角的に検討したところ、B
−N結合を有する化合物のうち分子中にBとNが交互に
結合した六員環構造をもつボラジンが安定性、操作性、
製膜性および膜厚制御性などの点で優れていることをi
認した。本発明はかかる知見に基づいて研究を重ねた結
果、開発に至ったものである。
したがって、本発明の第1の目的は、比較的簡単な工程
操作によって膜厚15〜100人のBN層膜を均質かつ
膜厚制御可能に形成することができるSiCウィスカー
の表面改質法を提供することである。また、本発明の第
2の目的は、前記の方法により表面改質されたSiCウ
ィスカーをセラミックス母材に分散複合化して破壊靭性
に優れるFRC焼結体を製造するところにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記した第1の目的を達成するための本発明によるSi
Cウィスカーの表面改質法は、下記の一般式で示される
ボラジンをヘキサンに溶解し、該溶液にSiCウィスカ
ーを分散させて濾過・乾燥したのち非酸化性雰囲気中で
1000〜1800℃の温度に焼成処理してSiCウィ
スカーの表面にBNの被膜を形成することを構成上の特
徴とする。
占・ 但し、上式において、RはH,C1,N (C2Hs 
) Z 、N Hz 、N HCHsまたはCH3、R
′はHまたはCH,を示す。
本発明のBN被膜形成の原料物質となるボラジンは、上
式で示されるようにBとN原子が三配位をとり、六員環
は平面構造の物理的性質がベンゼンに似た液体または低
融点の固体である。置換基の種類により各種の化合物形
態があり、いずれも本発明に適用可能であるが、特にト
リクロロボラジンまたはトリアミノボラジンが本発明の
目的に好適に使用される。
ボラジンは、ヘキサンに熔解して溶液化される。
溶液化の操作は、ジボランをヘキサンに対し0.3〜3
.0%の範囲で添加し、ジボランが分子量単位にまで完
全に熔解するように十分な時間を掛けて静置することが
ことが望ましい。
また、ボラジンと同時に少量のZnOをヘキサンに分散
しておくことが好ましく、この場合Zn○は焼成時にお
けるBN層の反応を助長する触媒として機能する。Zn
Oの好適な添加量は、ヘキサンに対して0.03〜0.
1%程度である。
このボラジンのヘキサン溶液に、SiCウィスカーを分
散させる。表面改質の対象となるSiCウィスカーは、
直径o、i〜8μm1長さ10〜100g個の針状単結
晶からなるもので、必要により表面精製をおこなって使
用に供される。
SiCウィスカーの分散量は、ボラジンのヘキサン溶液
11に対し50〜200gの範囲とすることが好ましく
、この分散量範囲を外れるときは複合化に好適な膜厚1
5〜100人の均−BN層を形成することが困難となる
SiCウィスカーの分散は、攪拌手段を用いてウィスカ
ー表面が溶液に十分濡れる状態になるまでおこない、引
き続き濾過処理してヘキサン成分を除去する。この際、
ヘキサンの除去速度は成分の被着度合および均質性に影
響を与えるため、濾過処理には吸引もしくは加圧などの
強制手段を付加して濾過速度を調整する必要がある。
濾過後の湿潤SiCウィスカー集合体は、ついで乾燥さ
れる。乾燥処理は、100〜150℃の温度域に加熱し
てボラジン成分が完全に縮合固定するまでおこなわれる
このようにして表面にボラジンの薄膜を均一に固定した
SiCウィスカーは、Nz、Arなどの不活性雰囲気に
保持された焼成炉に移し、1000〜1800℃の温度
により焼成処理する。この焼成処理の過程でSiCウィ
スカー表面のボラジンは加熱反応してBNに転化し、1
5〜100人の薄膜層として形成される。
本発明の第2の目的であるFRC焼結体の製造方法は、
上記のプロセスにより表面改質したSiCウィスカーを
、セラミックス粉末と混合したのち不活性雰囲気もしく
は真空中で焼結処理することを特徴としている。
複合化は、表面改質後のSiCウィスカーを所定量の母
材セラミックス粉末およびY2O,のような焼結助剤と
ともに水中で混合分散し、濾過・乾燥して均一な混合粉
体とし、ついでNz、Ar等の不活性雰囲気もしくは真
空中でホットプレスにより焼結化する。この方法により
、SiC,TIC,S la N4.TiN、Ajl!
g 03 、Zr0z、ムライト、コージライト、サイ
アロンなどの各種炭化物、窒化物または酸化物系セラミ
ックスを母材とする高破壊靭性のSiCウィスカー強化
セラミンクス材を製造することができる。
(作 用) 本発明によれば、溶液分散、濾過・乾燥からなる比較的
簡易な工程を経てSiCウィスカーの表面に均質に被着
固定されたボラジンが焼成過程で加熱反応し、円滑にB
N層に転化する。この反応は、触媒としてZnOを介在
させることにより助長させることができ、また溶液濃度
および濾過速度を調整することによって優れた引き抜き
作用を発揮する15〜100人範囲の膜厚として形成す
ることが可能となる。
表面改質により形成された上記のBN層は、焼結過程で
母材となるセラミックス材との界面反応を抑制すると共
にその表面潤滑性能を介してSiCウィスカーの引き抜
き作用を効果的に増大するために機能する。このため、
FRC焼結体の破壊靭性を優位に向上させることができ
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 ヘキサン50M!にトリクロロボラジン5gとZnoo
、3gを添加混合し、7日間静置してボラジンが分子量
単位に溶解した溶液を作製した。この溶液中に直径0.
5〜2μm、長さ30〜100 μmのβ型SiCウィ
スカー50gを投入し、十分に攪拌混合して分散させた
分散液を吸引濾過器により高速濾過し、形成されたSi
CウィスカーのfA潤ケーキをgo’cの温度で乾燥し
てヘキサン成分を除去した。引き続き集合体を十分にほ
くし、更に120℃の温度に2時間加熱してボラジンを
縮合させてSiCウィスカーの表面にトリアミノボラジ
ンの均一被膜を固定した。
ついで、ボラジン成分を被着固定化したSiCウィスカ
ーをN2雰囲気に保持された電気炉に移し、1400℃
の温度で2時間に亘り焼成処理した。
このように処理されたSiCウィスカーの表面を(TE
M)透過型電子顕微鏡で観察したところ、平均膜厚35
人の均一な層が形成され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、微結晶のBNである
ことが確認された。
実施例2、比較例1〜2 実施例1により表面改質したSiCウィスカーと焼結助
剤としてYz 03 9%を含むSi:+Na粉末(マ
トリックス母材)を水中で分散混合したのち、濾過乾燥
して均質な混合粉末を得た。この混合粉末を真空中、1
800℃135MPaの条件でホットプレスして直径5
0mm 、厚さ5mm、VflO%のSiCウィスカー
強化si:+N4材を製造した。
このようにして製造したFRC焼結体の破壊靭性および
曲げ強度を測定し、表1に示した。
なお、比較のために表面改質を施さないSiCウィスカ
ーを用いて同様に作製したVflO%のFRC焼結体(
比較例1)および5lsNaのみの焼結材(比較例2)
についても特性を測定し、結果を表1に併載した。
表  1 表1の結果から、本発明によるFRC焼結体は比較例に
比べて破壊靭性が優位に向上していることが認められる
実施例3 実施例1の溶液濃度およびSiCウィスカーの分散濃度
を調整してBN層の膜厚が70人および105人の表面
改質SiCウィスカーを作製した。これを実施例2に準
して5isNaマトリツクス粉末に複合させてV(値の
異なるFRC焼結体を形成した。
これら複合材料の破壊靭性(MPa7m+)は、表2の
とおりであった。
表 ミックス複合材を工業的に生産することが可能となる。
出願人  東海カーボン株式会社 代理人 弁理士 高 畑 正 也 表2の結果から、BN層の膜厚が70人の場合には高度
の破壊靭性をもつFRCが得られるが、BN層厚が10
0人を越える場合には相対的にFRCの破壊靭性が低下
する傾向を示した。
〔発明の効果〕
以上のとおり、本発明によるSiCウィスカーの表面改
質法に従えば、簡易な工程操作によって効率的にSiC
ウィスカーの表面を15〜100人のBNI膜層で被覆
改質することができる。
また、本発明に係るFRC焼結体の製造方法によれば、
破壊靭性を優位に向上させた各種のセラ手続補正書(自
発) 明細書第12頁、12行目の「トリアミノボラジン」を
、「トリクロロボラジン」に補正する。
平成2年9月27日 ■、事件の表示 平成2年特許願第194401、 発明の名称 補正をする者 事件との関係    特許出願人 住 所  東京都港区北青山−丁目2番3号名称 東海
カーボン株式会社 取締役社長  三文字 昌 久 4、代理人 〒171 補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.下記の一般式で示されるボラジンをヘキサンに溶解
    し、該溶液にSiCウイスカーを分散させて濾過・乾燥
    したのち非酸化性雰囲気中で1000〜1800℃の温
    度に焼成処理してSiCウイスカーの表面にBNの被膜
    を形成することを特徴とするSiCウイスカーの表面改
    質法。 ▲数式、化学式、表等があります▼ 但し、上式において、RはH,Cl,N(C_2H_5
    )_2,NH_2,NHCH_3またはCH_3、R´
    はHまたはCH_3を示す。
  2. 2.ボラジンをヘキサンに対し0.3〜3.0%添加し
    、ボラジンが分子量単位に溶解するまで静置して溶液化
    する請求項1記載のSiCウイスカーの表面改質法。
  3. 3.ボラジンのヘキサン溶液に、触媒成分としてZnO
    を分散させる請求項1記載のSiCウイスカーの表面改
    質法。
  4. 4.請求項1記載の方法により表面改質したSiCウイ
    スカーを、セラミックス粉末と混合したのち不活性雰囲
    気もしくは真空中で焼結処理することを特徴とするFR
    C焼結体の製造方法。
JP2194401A 1990-07-23 1990-07-23 SiCウイスカーの表面改質法およびFRC焼結体の製造方法 Expired - Lifetime JPH07108840B2 (ja)

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