JPH059389B2 - - Google Patents
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- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
- C04B2235/74—Physical characteristics
- C04B2235/77—Density
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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- C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は一般的に複合材料の製造に関するもの
であり、より詳しくは、繊維状補強材と、ゾルー
ゲル工程を用いて得られるガラス質セラミツクま
たはセラミツクマトリツクスからなる複合材料に
係わるものである。
であり、より詳しくは、繊維状補強材と、ゾルー
ゲル工程を用いて得られるガラス質セラミツクま
たはセラミツクマトリツクスからなる複合材料に
係わるものである。
ガラス質セラミツクという語がここで使用され
ているが、これは材料をち密化する段階で、マト
リツクスをガラス質の形状、すなわちその形づく
り可能とするレオロジー的挙動を示し、材料を精
巧に仕上げる最後の時期で、セラミツク化の程度
を所望のものにコントロールすることを可能にす
る形状、にするのがより有利なためである。
ているが、これは材料をち密化する段階で、マト
リツクスをガラス質の形状、すなわちその形づく
り可能とするレオロジー的挙動を示し、材料を精
巧に仕上げる最後の時期で、セラミツク化の程度
を所望のものにコントロールすることを可能にす
る形状、にするのがより有利なためである。
ガラス質セラミツク−セラミツクあるいはセラ
ミツク−セラミツク形の複合材料は、航空学や宇
宙分野で、普通または高温、すなわち約600〜
2500℃において、良好な抵抗性を必要とする用途
に一般的に使用されている。しかし、炭素−炭素
ブレーキ、ノズルのネツク、熱の保護材料の例で
は疑問がある。
ミツク−セラミツク形の複合材料は、航空学や宇
宙分野で、普通または高温、すなわち約600〜
2500℃において、良好な抵抗性を必要とする用途
に一般的に使用されている。しかし、炭素−炭素
ブレーキ、ノズルのネツク、熱の保護材料の例で
は疑問がある。
複合セラミツク−セラミツク材料も、ターボコ
ンプレツサロータ、熱交換器、ピストン、変速機
シヤフトなどの自動車用のある種部品に使用され
ている。
ンプレツサロータ、熱交換器、ピストン、変速機
シヤフトなどの自動車用のある種部品に使用され
ている。
多くの研究者がこのような材料を調製すべく探
求してきた。すなわちS.R.Levittの論文「高強度
グラフアイト繊維/リチウムアルミノケイ酸塩」
(J.Materials Science、8(1973)、793)は、
Li2OAl2O3・nSiO2(n=3、4、8)の組成で、
一方向性の補強材をもつセラミツクマトリツクス
複合材料について述べている。
求してきた。すなわちS.R.Levittの論文「高強度
グラフアイト繊維/リチウムアルミノケイ酸塩」
(J.Materials Science、8(1973)、793)は、
Li2OAl2O3・nSiO2(n=3、4、8)の組成で、
一方向性の補強材をもつセラミツクマトリツクス
複合材料について述べている。
同様に、K.M.Prewo & J.J.Brennanの論文
「高強度と強じん性を示す炭化ケイ素繊維補強ガ
ラス−セラミツクマトリツクス複合材」(J.
Materials Science、17(1982)、2371)は、
Li2OAl2O3・4SiO2の組成で、炭化ケイ素の補強
材をもち、その生産には圧力7MPaできわめて高
温(1300〜1600℃)を必要とするセラミツクマト
リツクス複合材について述べている。
「高強度と強じん性を示す炭化ケイ素繊維補強ガ
ラス−セラミツクマトリツクス複合材」(J.
Materials Science、17(1982)、2371)は、
Li2OAl2O3・4SiO2の組成で、炭化ケイ素の補強
材をもち、その生産には圧力7MPaできわめて高
温(1300〜1600℃)を必要とするセラミツクマト
リツクス複合材について述べている。
フランス特許第2521982号で、発明者は、アル
ミナ繊維とアルミナゾルを使用したアルミナ−ア
ルミナ形のセラミツク−セラミツク複合材料の調
製について記載している。フランス特許第
2521982号の材料は残留気孔度が高い。
ミナ繊維とアルミナゾルを使用したアルミナ−ア
ルミナ形のセラミツク−セラミツク複合材料の調
製について記載している。フランス特許第
2521982号の材料は残留気孔度が高い。
複合セラミツク材料を調製するためのこれらの
取組みはいずれも2つの技法を用いている。
取組みはいずれも2つの技法を用いている。
1つの技法は、繊維状の予備形成品に粘土泥し
よう(固相を液体中に分散したもの)を含浸し、
このように含浸した核予備形成品をついで、熱プ
レス処理によつてち密化する。この技法は、1200
℃以上のプレス圧を必要とする。
よう(固相を液体中に分散したもの)を含浸し、
このように含浸した核予備形成品をついで、熱プ
レス処理によつてち密化する。この技法は、1200
℃以上のプレス圧を必要とする。
もう1つの技法は、繊維状の予備形成品にゾル
−ゲル工程によつて含浸する。ゾルはコロイド状
溶液からなり、ゲルは、大きさが約100Åで多少
とも詰つて配列している基本粒子の凝集体で形成
されている。このような含浸の後では、場合によ
つて熱プレス処理を行う。この熱処理は、圧力を
かけない場合には、うまくち密化した材料を得る
ことを可能にする。多くの場合、少なくとも20%
の残留気孔度が現れる。含浸の後で熱プレス処理
を行う場合には、ち密なセラミツク材料を得るの
に用いる温度は1100℃以上である。
−ゲル工程によつて含浸する。ゾルはコロイド状
溶液からなり、ゲルは、大きさが約100Åで多少
とも詰つて配列している基本粒子の凝集体で形成
されている。このような含浸の後では、場合によ
つて熱プレス処理を行う。この熱処理は、圧力を
かけない場合には、うまくち密化した材料を得る
ことを可能にする。多くの場合、少なくとも20%
の残留気孔度が現れる。含浸の後で熱プレス処理
を行う場合には、ち密なセラミツク材料を得るの
に用いる温度は1100℃以上である。
本特許出願人は、ゾル−ゲル工程を用いて複合
セラミツクマトリツクス材料を製造する新しい方
法を完成したが、この方法は、これまで用いられ
てきた温度よりもずつと低い温度で熱プレシング
することによつて、ち密化段階の間ガラス質相を
維持できること、ならびにち密なセラミツクマト
リツクス(残留気孔率Vp≦10%、5%以下でさ
えある)が得られ、セラミツク化には、たとえば
TiO2、ZrO2はP2O5のような該形成剤の添加を必
要としないこと、を可能とするものである。
セラミツクマトリツクス材料を製造する新しい方
法を完成したが、この方法は、これまで用いられ
てきた温度よりもずつと低い温度で熱プレシング
することによつて、ち密化段階の間ガラス質相を
維持できること、ならびにち密なセラミツクマト
リツクス(残留気孔率Vp≦10%、5%以下でさ
えある)が得られ、セラミツク化には、たとえば
TiO2、ZrO2はP2O5のような該形成剤の添加を必
要としないこと、を可能とするものである。
本発明の目的は、したがつて、ゾル−ゲル工程
と熱プレス段を用いて複合材料を製造する方法を
提供することであり、該材料は繊維状の補強材と
シリカ系セラミツクまたはガラス質セラミツクマ
トリツクスで形成されていて、ゾルから得られる
マトリツクスの早熟な結晶化を、ゾルに結晶化遅
延剤を添加することによつて阻止することを特徴
とするものである。
と熱プレス段を用いて複合材料を製造する方法を
提供することであり、該材料は繊維状の補強材と
シリカ系セラミツクまたはガラス質セラミツクマ
トリツクスで形成されていて、ゾルから得られる
マトリツクスの早熟な結晶化を、ゾルに結晶化遅
延剤を添加することによつて阻止することを特徴
とするものである。
本発明は、ゾル−ゲル工程と熱圧搾を用いた繊
維状補強材とシリカ系セラミツクまたはガラス質
セラミツクマトリツクスからなる複合材料の製造
方法を提供するものであつて、本発明の方法の特
徴とするところは、結晶化遅延剤をゾルに添加す
ることによつて、ゾルからのマトリツクスの早熟
な結晶化を遅らせることにあり、それによつて、
核形成剤を添加しなくても、残留気孔度が10%以
下のうまくち密化した複合材料を得ることを可能
としたものである。
維状補強材とシリカ系セラミツクまたはガラス質
セラミツクマトリツクスからなる複合材料の製造
方法を提供するものであつて、本発明の方法の特
徴とするところは、結晶化遅延剤をゾルに添加す
ることによつて、ゾルからのマトリツクスの早熟
な結晶化を遅らせることにあり、それによつて、
核形成剤を添加しなくても、残留気孔度が10%以
下のうまくち密化した複合材料を得ることを可能
としたものである。
本発明に従つて、炭素、炭化ケイ素、アルミナ
およびアルミノシリカ繊維とゾルから調製する複
合材料の製造には、ソル−ゲル工程を使用する含
浸技法と1100℃以下の温度で熱プレス処理を使用
するち密化技法を組合せる。
およびアルミノシリカ繊維とゾルから調製する複
合材料の製造には、ソル−ゲル工程を使用する含
浸技法と1100℃以下の温度で熱プレス処理を使用
するち密化技法を組合せる。
ゾル−ゲル工程によつて得られるセラミツクス
が低温で結晶化しやすく、したがつて、早熟な結
晶化が残留気孔度の低い材料を得ることを妨げる
かぎり、繊維状予備形成品のち密化が問題になる
ときの有害な性質であることは知られている。本
発明の特徴は、結晶化遅延剤をゾルへ導入するこ
とによつて材料をち密化する段階でガラス質相を
維持することができ、核形成剤を用いないで、残
留気孔度の低い材料が得られるようにした点であ
る。
が低温で結晶化しやすく、したがつて、早熟な結
晶化が残留気孔度の低い材料を得ることを妨げる
かぎり、繊維状予備形成品のち密化が問題になる
ときの有害な性質であることは知られている。本
発明の特徴は、結晶化遅延剤をゾルへ導入するこ
とによつて材料をち密化する段階でガラス質相を
維持することができ、核形成剤を用いないで、残
留気孔度の低い材料が得られるようにした点であ
る。
本発明の方法は、このように、低残留気孔度の
材料を得ることを可能にし、600℃以上の温度で、
その熱機械的な強度が保持できるのである。
材料を得ることを可能にし、600℃以上の温度で、
その熱機械的な強度が保持できるのである。
本法はつぎの段階からなつている。
(a) 水性シリカ懸濁液、金属塩溶液および結晶化
遅延材を含む溶液から調製したゾルを繊維状補
強材に含浸する段階、 (b) このように含浸した繊維状補強材を乾燥する
段階、 (c) 繊維の容積分率が所望の値のプレプレツグが
得られるまで、含浸と乾燥の段階を繰り返す段
階、 (d) 化学反応によつて生成するガラスを除去する
ために、十分長い時間プレプレツグを熱分解す
る段階、 (e) 熱プレシングと、圧力を除いて周囲温度に下
がるまで冷却する段階、 圧力をかけるか、あるいはかけないセラミツク
化呼ばれる熱後処理は、熱プレシングの温度より
も高い温度で行つてもよい。この処理は、ガラス
質マトリツクスを多少とも完全にセラミツクに変
換することによつて、熱機械的強度のより良好な
材料を得ることを可能にする。
遅延材を含む溶液から調製したゾルを繊維状補
強材に含浸する段階、 (b) このように含浸した繊維状補強材を乾燥する
段階、 (c) 繊維の容積分率が所望の値のプレプレツグが
得られるまで、含浸と乾燥の段階を繰り返す段
階、 (d) 化学反応によつて生成するガラスを除去する
ために、十分長い時間プレプレツグを熱分解す
る段階、 (e) 熱プレシングと、圧力を除いて周囲温度に下
がるまで冷却する段階、 圧力をかけるか、あるいはかけないセラミツク
化呼ばれる熱後処理は、熱プレシングの温度より
も高い温度で行つてもよい。この処理は、ガラス
質マトリツクスを多少とも完全にセラミツクに変
換することによつて、熱機械的強度のより良好な
材料を得ることを可能にする。
ゾルは、含浸の回数を制限できるように、好ま
しくは高率のシリカを含むシリカの水溶液から調
製し、より詳しくは、重量で約40%のシリカを含
む市販のゾルである。
しくは高率のシリカを含むシリカの水溶液から調
製し、より詳しくは、重量で約40%のシリカを含
む市販のゾルである。
ゾル中に含まれる金属塩類は、リチウムとアル
ミニウムの塩類、より詳しくは、それらの硝酸塩
のような塩類から選ぶ。
ミニウムの塩類、より詳しくは、それらの硝酸塩
のような塩類から選ぶ。
好ましくは使用できる結晶化遅延剤は、無水ホ
ウ酸を前駆物質の形でゾルに添加したものであ
る。
ウ酸を前駆物質の形でゾルに添加したものであ
る。
融点の低い(470℃)のこの酸化物は、酸化リ
チウムおよび水との結合によつて、および/また
は残つている部分の結晶性ネツトワークへの統合
によつて、熱プレス段で大部分除去され、その場
合、繊維状の補強材はそのような除去のための優
先通路として役立つ。したがつて、酸化ホウ素
は、材料の耐火性を認めうるほどに低下させるこ
となく、複合材料のち密化を容易なものとする。
チウムおよび水との結合によつて、および/また
は残つている部分の結晶性ネツトワークへの統合
によつて、熱プレス段で大部分除去され、その場
合、繊維状の補強材はそのような除去のための優
先通路として役立つ。したがつて、酸化ホウ素
は、材料の耐火性を認めうるほどに低下させるこ
となく、複合材料のち密化を容易なものとする。
ゾル中の無水ホウ酸含有率は、好ましくは10〜
30重量%、より詳しくは、重量で約17%(シリカ
に対して)である。無水ホウ酸の前駆物質は、ホ
ウ酸と可溶性ホウ酸塩類、詳しくはホウ酸アンモ
ニウム類、より詳しくは、四ホウ酸アンモニウム
から選ぶ。
30重量%、より詳しくは、重量で約17%(シリカ
に対して)である。無水ホウ酸の前駆物質は、ホ
ウ酸と可溶性ホウ酸塩類、詳しくはホウ酸アンモ
ニウム類、より詳しくは、四ホウ酸アンモニウム
から選ぶ。
いかなる場合においても、ゾルの組成は希望す
る結晶化相または相類と、ち密化の段階でガラス
質相が現れるように添加する無水ホウ酸の量に依
存し、ゾルの全体濃度は、種々の生成物の溶解度
によつて限定される。
る結晶化相または相類と、ち密化の段階でガラス
質相が現れるように添加する無水ホウ酸の量に依
存し、ゾルの全体濃度は、種々の生成物の溶解度
によつて限定される。
ゾルのPHは酸性、たとえば1〜2で、これによ
り繊維状補強材のぬれが促進される。PHが3.5以
上であると、ゾルは不安定となりゲルとなる。酸
化物相当のゾルの全体濃度は複合材の繊維の容積
分率に影響し、このような濃度はゾルの温度を上
げることによつて増加することができる。
り繊維状補強材のぬれが促進される。PHが3.5以
上であると、ゾルは不安定となりゲルとなる。酸
化物相当のゾルの全体濃度は複合材の繊維の容積
分率に影響し、このような濃度はゾルの温度を上
げることによつて増加することができる。
また、ゾル中に充てん剤を、マトリツクスと反
応性のある、もしくは反応性のない、ホイスカー
または粒子の形で、混合するのが有利であろう。
応性のある、もしくは反応性のない、ホイスカー
または粒子の形で、混合するのが有利であろう。
繊維状補強材を形成する繊維は、セラミツク繊
維、詳しくは、炭素、炭化ケイ素、アルミナ、ア
ルミノシリカ繊維から選ぶ。複合材中の繊維の容
積分率は20〜70%である。
維、詳しくは、炭素、炭化ケイ素、アルミナ、ア
ルミノシリカ繊維から選ぶ。複合材中の繊維の容
積分率は20〜70%である。
使用する繊維は、一方向性で連続しているか、
もしくは織物、不織マツトまたは多方向性の予備
形成品の形のものがよい。
もしくは織物、不織マツトまたは多方向性の予備
形成品の形のものがよい。
繊維、織物または予備形成品の形の繊維状補強
材は、含浸の前にのり落しをする。複合材の強じ
ん性の増加および/またはマトリツクスの攻撃性
に対する繊維の保護のために、繊維−マトリツク
スの結合を弱めることを望むならば、ゾルの含浸
段階に先立つて、繊維状補強材を表面処理する
か、あるいは適切な性質をもつ沈積物で塗被す
る。すなわち、技術に熟練した人に周知のピロ炭
素のような層状または葉片状の生成物で形成され
た沈積物を塗被するのがよい。
材は、含浸の前にのり落しをする。複合材の強じ
ん性の増加および/またはマトリツクスの攻撃性
に対する繊維の保護のために、繊維−マトリツク
スの結合を弱めることを望むならば、ゾルの含浸
段階に先立つて、繊維状補強材を表面処理する
か、あるいは適切な性質をもつ沈積物で塗被す
る。すなわち、技術に熟練した人に周知のピロ炭
素のような層状または葉片状の生成物で形成され
た沈積物を塗被するのがよい。
含浸は、温度を上げるかPHを変更することによ
つてひき起されるゾルのその場でのゲル化によつ
て、単一段階で行うことができる。
つてひき起されるゾルのその場でのゲル化によつ
て、単一段階で行うことができる。
含浸−乾燥サイクルは繊維率のコントロールを
可能にする。このサイクルの終りで得られる生成
物はプレプレツグと呼ばれ、形どりに十分な柔軟
性を保持する。
可能にする。このサイクルの終りで得られる生成
物はプレプレツグと呼ばれ、形どりに十分な柔軟
性を保持する。
プレプレツグの熱分解によつて、金属塩類を酸
化物に分解する反応で解放される揮発性の生成物
が除去される。この段階は、200〜600℃の温度
で、化学反応により生じたガスを除去するのに十
分な時間をかけて行う。約100℃の温度で行われ
る脱水段を先行させることも可能である。
化物に分解する反応で解放される揮発性の生成物
が除去される。この段階は、200〜600℃の温度
で、化学反応により生じたガスを除去するのに十
分な時間をかけて行う。約100℃の温度で行われ
る脱水段を先行させることも可能である。
熱分解したプレプレツグはついで熱圧搾段によ
つてち密化とセラミツク化を行う。この段階は材
料の種類と寸法によつて時間が変化するもので、
典型的には1〜3時間あり、繊維状補強材の性質
に応じて、真空中、コントロールした雰囲気ある
いは大気中で行うことができる。この段階を実施
するときの温度は、50MPa以下の圧力で、600〜
900℃である。また、2つの温度レベルを設ける
のも利点があろう。
つてち密化とセラミツク化を行う。この段階は材
料の種類と寸法によつて時間が変化するもので、
典型的には1〜3時間あり、繊維状補強材の性質
に応じて、真空中、コントロールした雰囲気ある
いは大気中で行うことができる。この段階を実施
するときの温度は、50MPa以下の圧力で、600〜
900℃である。また、2つの温度レベルを設ける
のも利点があろう。
このようにして得られる複合材はついで圧力を
かけないで冷却する。
かけないで冷却する。
セラミツク化と呼ばれる後処理は、マトリツク
スの残留ガラス質部を多少とも完全にセラミツク
に変換することによつて、熱機械的な強度がより
良好な材料を得るために、熱圧搾温度よりも高い
温度で実施するとよい。
スの残留ガラス質部を多少とも完全にセラミツク
に変換することによつて、熱機械的な強度がより
良好な材料を得るために、熱圧搾温度よりも高い
温度で実施するとよい。
そこで、ある特定の実施態様においては、熱分
解したプレプレツグをつぎのような処理にかけ
る。すなわち、予備含浸物の熱分解につづく、マ
トリツクスのガラス質転移温度までの圧力なしで
の加熱、マトリツクスのガラス転移温度における
プレシング、ならびに、ち密化の状態の改善、結
晶化遅延剤の部分的な除去および複合材マトリツ
クスへの所望のセラミツク化度の付与のための
800〜1000℃の範囲のある値までの圧力下での温
度の上昇である。
解したプレプレツグをつぎのような処理にかけ
る。すなわち、予備含浸物の熱分解につづく、マ
トリツクスのガラス質転移温度までの圧力なしで
の加熱、マトリツクスのガラス転移温度における
プレシング、ならびに、ち密化の状態の改善、結
晶化遅延剤の部分的な除去および複合材マトリツ
クスへの所望のセラミツク化度の付与のための
800〜1000℃の範囲のある値までの圧力下での温
度の上昇である。
つぎに本発明を二、三の実施例によつて説明す
るが、これらの例は本発明の範囲を決して限定す
るものではない。
るが、これらの例は本発明の範囲を決して限定す
るものではない。
実用例 1
水240cm3中に水性シリカ懸濁液(DuPont de
Nemours社製Ludox AS40)90.13g、硝酸リチ
ウム20.68g、硝酸アルミニウム112.54gおよび
四ホウ酸アンモニウム13.17gを含むゾルを調製
し、PHを1に調節した。
Nemours社製Ludox AS40)90.13g、硝酸リチ
ウム20.68g、硝酸アルミニウム112.54gおよび
四ホウ酸アンモニウム13.17gを含むゾルを調製
し、PHを1に調節した。
550℃で10minのり抜きした10枚の高モジユラ
ス炭素繊維織物(Toray社製グレードM40)にゾ
ルを含浸し、ついで周囲温度で乾燥した。この含
浸−乾燥サイクルを7回再現した後のプレプツグ
を100℃で1hr脱水した。熱プレス段は900℃で
30min行い、500℃から熱プレス段の終了まで、
12.5MPaの1軸の圧力を段々とかけた。冷却中は
圧力を抜いた。繊維の容積分率は63%、残留気孔
率は5%、密度は1.76g/cm3であつた。セラミツ
ク化の間に現れる結晶性の相はβ−リシア輝石で
ある。分分析の結果、マトリツクスは実際上
B2O3を含まないことがさらに認められた。
ス炭素繊維織物(Toray社製グレードM40)にゾ
ルを含浸し、ついで周囲温度で乾燥した。この含
浸−乾燥サイクルを7回再現した後のプレプツグ
を100℃で1hr脱水した。熱プレス段は900℃で
30min行い、500℃から熱プレス段の終了まで、
12.5MPaの1軸の圧力を段々とかけた。冷却中は
圧力を抜いた。繊維の容積分率は63%、残留気孔
率は5%、密度は1.76g/cm3であつた。セラミツ
ク化の間に現れる結晶性の相はβ−リシア輝石で
ある。分分析の結果、マトリツクスは実際上
B2O3を含まないことがさらに認められた。
3点曲げ試験(スパン22)による材料の機械的
特性は、 弾性率 E=170GPa 破損応力 σR=235MPa 材料の熱膨脹係数は、300℃以上の温度に対し、
18×10-7/℃、本材料の最高使用温度は830℃で
ある。材料をアンモニア雰囲気中800℃の温度で
2hr処理した場合には、最高使用温度は950℃に上
昇した。
特性は、 弾性率 E=170GPa 破損応力 σR=235MPa 材料の熱膨脹係数は、300℃以上の温度に対し、
18×10-7/℃、本材料の最高使用温度は830℃で
ある。材料をアンモニア雰囲気中800℃の温度で
2hr処理した場合には、最高使用温度は950℃に上
昇した。
実用例 2
実用例1で述べたと同様に調製したゾルと炭化
ケイ素繊維(Nippon Carbon社からNicalonの商
標で商品化されている繊維)から複合材料を製造
した。含浸−乾燥操作は実施例1と同様である。
ケイ素繊維(Nippon Carbon社からNicalonの商
標で商品化されている繊維)から複合材料を製造
した。含浸−乾燥操作は実施例1と同様である。
このようにして調製したプレプレツグをついで
600℃で1/2hr熱分解した。実施例1と同じ技法を
使用する熱プレシングは、625℃、30minのレベ
ルと900℃、30minのレベルの2つの温度レベル
で行つた。600℃から複合材の生成が終了するま
で、25MPaの圧力をかけた。
600℃で1/2hr熱分解した。実施例1と同じ技法を
使用する熱プレシングは、625℃、30minのレベ
ルと900℃、30minのレベルの2つの温度レベル
で行つた。600℃から複合材の生成が終了するま
で、25MPaの圧力をかけた。
材料中の繊維の容積分率は50%、気孔率は2
%、密度は2.47g/cm3であつた。
%、密度は2.47g/cm3であつた。
3点の機械的曲げ試験(スパン43)の結果は、
E=120GPa
σR=250MPa
マトリツクス中に発現した結晶性相はβ−リシ
ア輝石である。
ア輝石である。
実用例 3
アルミノシリカ繊維(Sumitomo社から
Sumitomoの商標で商品化されている繊維)から
複合材料を調製した。繊維はPetri箱の中で一方
向に配列していた。実施例1で述べた組成のゾル
をついでこれらの繊維にそそぎ、48hr後周囲温度
でゾルのゲル化を生起させた。得られた生成物を
ついで100℃で24hr脱水し、プレプレツグを得た。
ついで該プレプレツグを、最初は220℃の温度で
1hr、つぎは600℃で温度で1/2hr、熱分解した。
熱プレシングのサイクルは実施例2と同様にし
た。マトリツクス中に発現した結晶性相はβ−リ
シア輝石である。
Sumitomoの商標で商品化されている繊維)から
複合材料を調製した。繊維はPetri箱の中で一方
向に配列していた。実施例1で述べた組成のゾル
をついでこれらの繊維にそそぎ、48hr後周囲温度
でゾルのゲル化を生起させた。得られた生成物を
ついで100℃で24hr脱水し、プレプレツグを得た。
ついで該プレプレツグを、最初は220℃の温度で
1hr、つぎは600℃で温度で1/2hr、熱分解した。
熱プレシングのサイクルは実施例2と同様にし
た。マトリツクス中に発現した結晶性相はβ−リ
シア輝石である。
材料中の繊維の容積部率は55%、気孔率は5
%、密度は2.70g/cm3であつた。
%、密度は2.70g/cm3であつた。
3点曲げ(スパン60)のもとで得られた機械的
性質は、 E=155GPa σR=100MPa 実施例 4 熱プレス段の625℃レベルの後、材料の形成を
停止した以外は、実施例2と同様にして複合材料
を得た。
性質は、 E=155GPa σR=100MPa 実施例 4 熱プレス段の625℃レベルの後、材料の形成を
停止した以外は、実施例2と同様にして複合材料
を得た。
材料の繊維の容積は55%、残留気孔度は5%、
密度は2.25g/cm3であつた。
密度は2.25g/cm3であつた。
セラミツク化の段階が起つていないので、マト
リツクスはガラス質の形状である。
リツクスはガラス質の形状である。
3点曲げ試験(スパン50)で得られた機械的強
度は、 E=100GPa σR=80MPa 実施例 5 実施例1と同様にして調製したゾルと、気相中
での化学沈積によつて得たピロ炭素の0.3μの厚さ
の層を塗被した炭化ケイ素繊維(Nippon
Carbon社からNicalonの商標で商品化されてい
る繊維)から、複合材料を製造した。含浸−乾燥
の操作は実施例2と同様である。プレプレツグの
熱分解の段階は、窒素雰囲気中550℃の温度で
30min生起させた。
度は、 E=100GPa σR=80MPa 実施例 5 実施例1と同様にして調製したゾルと、気相中
での化学沈積によつて得たピロ炭素の0.3μの厚さ
の層を塗被した炭化ケイ素繊維(Nippon
Carbon社からNicalonの商標で商品化されてい
る繊維)から、複合材料を製造した。含浸−乾燥
の操作は実施例2と同様である。プレプレツグの
熱分解の段階は、窒素雰囲気中550℃の温度で
30min生起させた。
実施例1と同様の技法を用いた熱プレス段は、
900℃の温度レベルで30min行つた。800℃から複
合材の生成が終了するまで、25MPaの圧力をか
けた。
900℃の温度レベルで30min行つた。800℃から複
合材の生成が終了するまで、25MPaの圧力をか
けた。
材料中の繊維の容積分率は53%、その残留気孔
度は1%以下、その密度は2.44g/cm3であつた。
材料中に発現した結晶性相はβ−リシア輝石であ
る。
度は1%以下、その密度は2.44g/cm3であつた。
材料中に発現した結晶性相はβ−リシア輝石であ
る。
3点の機械的曲げ試験(スパン50)の結果は、
E=135GPa
σR=500MPa
ピロ炭素の界面厚さが0.4μ以下で種々異なる他
の試料について、実施例5と同一の他の試験を行
つた。
の試料について、実施例5と同一の他の試験を行
つた。
上記の試験の結果によれば、弾性定数の間には
相関があり、これは上記の範囲内で、ピロ炭素の
厚さの関数として減少した。ピロ炭素の厚さの関
数としての3点曲げ破損に対する抵抗も同じ範囲
内で増加することが観察された。
相関があり、これは上記の範囲内で、ピロ炭素の
厚さの関数として減少した。ピロ炭素の厚さの関
数としての3点曲げ破損に対する抵抗も同じ範囲
内で増加することが観察された。
比較例
水性シリカ懸濁液(DuPont de Nemours社製
Ludox AS40)48.06g、硝酸リチウム5.51g、硝
酸アルミニウム30.10gおよび水370cm3からなるゾ
ルを調製し、そのPHを2に調節した。
Ludox AS40)48.06g、硝酸リチウム5.51g、硝
酸アルミニウム30.10gおよび水370cm3からなるゾ
ルを調製し、そのPHを2に調節した。
アルミノシリカ繊維(Sumitomo社から
Sumitomoの商標で、商品化されている繊維)に
ゾルを含浸し、ついで周囲温度で24hr乾燥した。
この含浸−乾燥サイクルを3回再現した。熱プレ
ス段は2つの温度レベル、620℃、2hrのレベルと
850℃1/2Hrのレベル、で生起させた。800℃から
20MPaの圧力をかけた。
Sumitomoの商標で、商品化されている繊維)に
ゾルを含浸し、ついで周囲温度で24hr乾燥した。
この含浸−乾燥サイクルを3回再現した。熱プレ
ス段は2つの温度レベル、620℃、2hrのレベルと
850℃1/2Hrのレベル、で生起させた。800℃から
20MPaの圧力をかけた。
得られた材料には機械的強度がなく、ち密化し
なかつた。
なかつた。
本発明によれば、核形成剤を添加しなくても、
残留気孔度が10%以下のうまく緻密した複合材料
が得られ、工業的な意義は大きい。
残留気孔度が10%以下のうまく緻密した複合材料
が得られ、工業的な意義は大きい。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 結晶化遅延剤をゾルに添加することによつ
て、ゾルから得られるマトリツクスの早熟な結晶
化を阻止することを特徴とするゾルーゲル工程と
熱プレス段を用いた繊維状補強剤とシリカ系セラ
ミツクまたはガラス質セラミツクからなる複合材
料の製造方法。 2 (a) 金属塩類溶液の水性シリカ懸濁液と結晶
化遅延材を含む溶液から調製したゾルを繊維状
補強材に含浸する段階、 (b) このように含浸した繊維状補強材を乾燥する
段階、 (c) 繊維の容積分率が所望の値のプレプレツグが
得られるまで、含浸と乾燥の段階を繰り返す段
階、 (d) 化学反応によつて生成するガスを除去するた
めに、十分長い時間プレプレツグを熱分解する
段階、 (e) 熱プレシングと、圧力を除いて周囲温度に下
がるまで冷却する段階、 からなる請求項1記載の方法。 3 前記結晶化遅延剤が無水ホウ酸である請求項
1記載の方法。 4 無水ホウ酸を、ホウ酸またはホウ酸塩、好ま
しくは四ホウ酸アンモニウムからなる前駆物質の
形で、ゾルに添加する請求項3記載の方法。 5 ゾルの無水ホウ酸含有率が、シリカに対し、
重量で10〜30%の間にある請求項3記載の方法。 6 金属塩類が、アルミニウムとリチウム塩類、
好ましくはそれらの硝酸塩類から選ばれる請求項
2記載の方法。 7 酸化物に相当するゾルの全体濃度を、ゾルの
温度を上げることによつて増加する請求項1記載
の方法。 8 マトリツクスと反応性のある、もしくは反応
性のない、ホイスカー、または粒子の形で、充て
ん材をゾルに混合する請求項1記載の方法。 9 温度の上昇もしくはPHの変更によつてゾルの
ゲル化をその場でひき起し、含浸を単一段で行う
請求項2記載の方法。 10 補強材を炭素、炭化ケイ素、アルミナおよ
びアルミノシリカ繊維から選ばれたセラミツク繊
維でこしらえ、複合材中の容積分率が20〜70%に
なるようにした請求項1記載の方法。 11 繊維が、一方向性で連続しているか、もし
くは織物、不織マツトまたは多方向性の予備形成
品の形のものである請求項1記載の方法。 12 ゾルを含浸する前の補強材繊維に、フイラ
メント/マトリツクス結合を弱めるための表面処
理を施し、複合材の強じん性の増加および/また
はマトリツクスの攻撃性に対する繊維の保護を行
う請求項1記載の方法。 13 表面処理がピロ炭素の沈積物からなる請求
項12記載の方法。 14 プレプレツグの熱分解を200〜600℃の温度
で行う請求項2記載の方法。 15 熱プレシングを50MPa以下の圧力で、600
〜900℃の間の温度で行う請求項1記載の方法。 16 段階(e)をセラミツク化後処理によつて完成
する請求項2記載の方法。 17 段階(e)が、プレプレツグの熱分解で得られ
たマトリツクスのガラス転移温度までの圧力なし
での加熱、マトリツクスのガラス転移温度でのプ
レシングおよびこの温度の800〜1000℃の値まで
の加圧下の昇温からなる請求項2記載の方法。 18 セラミツク化処理を、圧力の緩和後に行う
請求項16記載の方法。 19 請求項1ないし8、又は10ないし18の
うちのいずれか1項に記載した方法によつて得ら
れ、残留気孔度が10%以下、好ましくは5%以下
または5%に等しい複合材料。 20 マトリツクスに核形成剤のない請求項19
記載の複合材料。 21 請求項9記載の方法によつて得られ、マト
リツクスに核形成剤のない複合材料。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8718023A FR2625192B1 (fr) | 1987-12-23 | 1987-12-23 | Procede de fabrication d'un materiau composite a matrice vitro-ceramique ou ceramique par voie sol-gel et materiau composite ainsi obtenu |
| FR8718023 | 1987-12-23 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02141481A JPH02141481A (ja) | 1990-05-30 |
| JPH059389B2 true JPH059389B2 (ja) | 1993-02-04 |
Family
ID=9358222
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63323851A Granted JPH02141481A (ja) | 1987-12-23 | 1988-12-23 | ゾルーゲル工程を用いたガラス質セラミックまたはセラミックマトリックスからなる複合材料の製造方法とそれによって得られる複合材料 |
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|---|---|
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| DE (1) | DE3883506T2 (ja) |
| DK (1) | DK713388A (ja) |
| ES (1) | ES2045169T3 (ja) |
| FR (1) | FR2625192B1 (ja) |
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| US4902326A (en) * | 1988-11-02 | 1990-02-20 | United Technologies Corporation | Method for making fiber reinforced glass matrix composite article having selectively oriented fiber reinforcement |
| GB2265617B (en) * | 1988-12-27 | 1994-03-16 | Corning Inc | Glass-doped ceramic matrix composites |
| FR2682674B1 (fr) * | 1991-10-18 | 1994-11-10 | Aerospatiale | Materiau composite a matrice vitro-ceramique ou ceramique obtenue par la voie sol-gel et renforcee par des fibres de type carbure de sicilium, sa fabrication et ses applications. |
| FR2684369B1 (fr) * | 1991-12-03 | 1995-05-24 | Deutsche Forschungsanstalt Luft | Procede pour la fabrication de structures renforcees par fibres comportant une matrice en verre. |
| US5324544A (en) * | 1991-12-20 | 1994-06-28 | United Technologies Corporation | Inhibiting coke formation by coating gas turbine elements with alumina-silica sol gel |
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| US5624613A (en) * | 1993-04-01 | 1997-04-29 | The Boeing Company | Rigidized refractory fibrous ceramic insulation |
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| US5638779A (en) * | 1995-08-16 | 1997-06-17 | Northrop Grumman Corporation | High-efficiency, low-pollution engine |
| BR9610600A (pt) * | 1995-08-16 | 1999-12-21 | Northrop Grumman Corp | Redução do desgaste entre peças de compósito de matriz cerâmica estrutural reforçada com fibras para motores de automóveis em relação de contato deslizante. |
| US5692373A (en) * | 1995-08-16 | 1997-12-02 | Northrop Grumman Corporation | Exhaust manifold with integral catalytic converter |
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