JPH06340475A - Fiber reinforced ceramic composite material and its production - Google Patents

Fiber reinforced ceramic composite material and its production

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JPH06340475A
JPH06340475A JP5305414A JP30541493A JPH06340475A JP H06340475 A JPH06340475 A JP H06340475A JP 5305414 A JP5305414 A JP 5305414A JP 30541493 A JP30541493 A JP 30541493A JP H06340475 A JPH06340475 A JP H06340475A
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JP
Japan
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fiber
ceramic
composite material
reinforced
molding method
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JP5305414A
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Japanese (ja)
Inventor
Akiko Suyama
章子 須山
Masahiro Asayama
雅弘 浅山
Tsuneji Kameda
常治 亀田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】複雑形状の複合材料を形成することができ、破
壊靭性値および強度を改善した繊維強化セラミックス複
合材料およびその製法を提供する。 【構成】マトリックスを構成するセラミックス粉末に対
して、直径が3μm以上150μm以下であり、長さが
0.1mm以上20mm以下であるセラミックス繊維を60
体積%以下の割合で添加し、さらに添加剤または分散媒
を添加混合して調製した原料混合体を、鋳込み成形法,
押出し成形法,ドクターブレード法,射出成形法および
自己硬化成形法から選択されるいずれかの方法によって
成形するか、あるいは所定形状に成形したセラミックス
短繊維から成る予備成形体(プリフォーム)に鋳込み成
形法,射出成形法,自己硬化成形法から選択されるいず
れかの方法によりマトリックスを含浸注入成形し、脱脂
後に焼結して製造する。
(57) [Summary] (Modified) [Objective] To provide a fiber-reinforced ceramic composite material capable of forming a composite material having a complicated shape and having improved fracture toughness and strength, and a method for producing the same. [Structure] 60 ceramic fibers having a diameter of 3 μm or more and 150 μm or less and a length of 0.1 mm or more and 20 mm or less with respect to the ceramic powder constituting the matrix
A raw material mixture prepared by adding and mixing additives or a dispersion medium at a ratio of less than or equal to volume% is prepared by a casting method,
Molded by any method selected from extrusion molding method, doctor blade method, injection molding method and self-hardening molding method, or cast molding into a preformed body (preform) made of ceramic short fibers molded into a predetermined shape Method, injection molding method, and self-hardening molding method, the matrix is impregnated and injection molded, and degreased and then sintered to manufacture.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は繊維強化セラミックス複
合材料およびその製造方法に係り、特に靭性値および信
頼性に優れ、複雑形状であっても容易に製造することが
可能な繊維強化セラミックス複合材料およびその製造方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fiber-reinforced ceramic composite material and a method for manufacturing the same, and particularly to a fiber-reinforced ceramic composite material having excellent toughness and reliability and capable of being easily manufactured even in a complicated shape. And a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】AlN,SiC,Si3 4 など窒化
物,炭化物,ほう化物,けい化物等のセラミックス原料
粉末を所定形状に成形してセラミックス成形体とした後
に、得られたセラミックス成形体を焼結したセラミック
ス焼結体は、一般に、硬度,電気絶縁性,耐摩耗性,耐
熱性,耐腐食性,軽量性等の諸特性が従来の金属材と比
較して優れているため、重電設備部品,航空機部品,自
動車部品,電子機器,精密機械部品,半導体装置材料な
どの電子用材料や構造用材料として広い分野において使
用されている。
2. Description of the Related Art Ceramic raw material powders of nitrides, carbides, borides, silicides, etc. of AlN, SiC, Si 3 N 4, etc. are molded into a predetermined shape, and then the obtained ceramic molded body is formed. Sintered ceramics sintered bodies are generally superior in properties such as hardness, electrical insulation, wear resistance, heat resistance, corrosion resistance, and lightness compared to conventional metal materials, and It is used in a wide range of fields as electronic materials and structural materials such as equipment parts, aircraft parts, automobile parts, electronic devices, precision machine parts, and semiconductor device materials.

【0003】但し、セラミックス焼結体は、本質的に引
張応力に弱く、破壊が一気に進行する、いわゆる脆性と
いう欠点を有している。このようなことから、高信頼性
が要求される部位へのセラミックス部品の適用を可能に
するために、セラミックス焼結体の高靭性化や破壊エネ
ルギーの増大を図ることが強く求められている。
However, the ceramics sintered body is inherently weak to tensile stress and has a drawback of so-called brittleness, in which destruction progresses at once. For this reason, in order to enable the application of the ceramic component to the site where high reliability is required, it is strongly required to increase the toughness and increase the fracture energy of the ceramic sintered body.

【0004】すなわちガスタービン部品、航空機部品、
自動車部品に使用されるセラミックス構造部品など耐熱
性および高温強度に加えて高い信頼性を要求されるセラ
ミックス構造部品としては、無機物質や金属から成る補
強繊維,ウィスカー,プレート,粒子等の強化素材をマ
トリックス焼結体に分散複合化させて靭性値や破壊エネ
ルギー値等を高めたセラミックス複合材料の実用化が進
められている。
That is, gas turbine parts, aircraft parts,
Reinforcing fibers made of inorganic substances and metals, whiskers, plates, reinforced materials such as particles are used as ceramic structural parts that require high reliability in addition to heat resistance and high temperature strength, such as ceramic structural parts used for automobile parts. Practical application of ceramic composite materials in which the toughness value, the fracture energy value, etc. have been improved by dispersing and compounding them in a matrix sintered body has been promoted.

【0005】上記したようなセラミックス複合材料にお
いて、長繊維を強化素材として用いたものは、破壊靭性
や破壊エネルギーの増大効果に優れ、信頼性の向上に対
しては大きな効果を示すものの、長繊維は目的の部品形
状とすることが容易ではなく、かつ一次元の単繊維や繊
維束を単に配列しただけでは、材料特性に異方性が生じ
るというような問題を有している。
Among the above-mentioned ceramic composite materials, those using long fibers as a reinforcing material are excellent in the effect of increasing fracture toughness and fracture energy, and show a great effect in improving reliability, but long fibers are used. Has a problem that it is not easy to form a desired part shape, and anisotropy occurs in material properties by simply arranging one-dimensional single fibers or fiber bundles.

【0006】一方、強化素材として、ウィスカー,プレ
ート,粒子等を用いたセラミックス複合材料は、所望形
状の付与性能に優れる反面、長繊維を複合した場合のよ
うに、大幅な特性向上効果が得られないという問題があ
る。また、短繊維を強化素材として用いたものは、ウィ
スカー,プレート,粒子等よりは特性の向上効果が大き
く、かつ形状の付与も比較的容易であり、長繊維を強化
素材として用いたものに近い特性の向上が期待できる。
On the other hand, a ceramics composite material using whiskers, plates, particles, etc. as a reinforcing material is excellent in performance of imparting a desired shape, but on the other hand, a significant property improving effect can be obtained as in the case of combining long fibers. There is a problem that there is no. Moreover, the one using short fibers as a reinforcing material has a larger effect of improving the characteristics than whiskers, plates, particles, etc., and is relatively easy to give a shape, and is close to the one using long fibers as a reinforcing material. Improvement of characteristics can be expected.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記セ
ラミックス複合材料は、従来のFRP(繊維強化プラス
チック)やFRM(繊維強化金属)またはセラミックス
モノリシック材料と比較して未完成な材料である。また
複合化する繊維は一般に焼結時の収縮緻密化を阻害し、
複合体全体の強度を劣化させる性質を有するため、常圧
焼結法または雰囲気加圧焼結法によって焼結するだけで
は緻密化できず、高靭性を有する複合材料を製造するこ
とは困難であった。そのため緻密な複合材料を形成する
ためには、ホットプレス法により成形体の一軸方向に外
力を加えて緻密化を促進し、高靭性化を図る方法が採ら
れていた。
However, the above-mentioned ceramic composite material is an unfinished material as compared with the conventional FRP (fiber reinforced plastic), FRM (fiber reinforced metal) or ceramic monolithic material. In addition, the fibers to be compounded generally hinder shrinkage and densification during sintering,
Since it has the property of deteriorating the strength of the entire composite, it cannot be densified simply by sintering by atmospheric pressure sintering or atmospheric pressure sintering, and it is difficult to manufacture a composite material having high toughness. It was Therefore, in order to form a dense composite material, a method has been adopted in which an external force is applied in a uniaxial direction of a molded body by a hot pressing method to promote densification and to achieve high toughness.

【0008】しかしながら、ホットプレス法では一軸方
向に成形体を加圧しながら焼結する方法であるため、焼
結できる試料形状は平板状のものなどの単純な形状を有
し小型のものに限定される欠点があり、タービン動翼,
静翼,燃焼器等のように加圧方向において断面形状が異
なる大型製品については適用できない問題点があった。
However, since the hot pressing method is a method of sintering while pressing a molded body in a uniaxial direction, the shape of a sample that can be sintered is limited to a small shape having a simple shape such as a flat plate shape. Turbine blades,
There is a problem that it cannot be applied to large products such as vanes and combustors that have different cross-sectional shapes in the pressing direction.

【0009】また、従来の繊維強化セラミックス複合材
料において、長繊維を強化素材とした場合には、形状の
付与が困難で、かつ材料特性に異方性が生じ易いという
問題があり、一方、短繊維,ウィスカー,プレート,粒
子等を強化素材とした場合には、長繊維ほどの大幅な特
性向上が得られないという問題があった。
Further, in the conventional fiber-reinforced ceramics composite material, when long fibers are used as a reinforcing material, there is a problem that it is difficult to give a shape and anisotropy is easily generated in material characteristics. When fibers, whiskers, plates, particles, etc. are used as the reinforcing material, there has been a problem in that the characteristic improvement as much as that of long fibers cannot be obtained.

【0010】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、複雑形状部品の形成に対応すること
ができ、破壊靭性値および強度を大幅に改善した緻密な
繊維強化セラミックス複合材料を提供することを目的と
する。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and is capable of dealing with the formation of complicated shaped parts, and has a dense fiber-reinforced ceramics composite material with greatly improved fracture toughness and strength. The purpose is to provide.

【0011】また本発明の他の目的は、種々の形状を容
易に作製することを可能にすると共に、繊維強化複合セ
ラミックスの破壊靭性や破壊エネルギー等をより一層向
上させることを可能にした繊維強化セラミックス複合材
料の製造方法を提供することを目的とする。
Another object of the present invention is to make it possible to easily produce various shapes and to further improve the fracture toughness and fracture energy of the fiber-reinforced composite ceramics. It is an object to provide a method for manufacturing a ceramic composite material.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者らはセラミックス繊維を良好に分散させる
ための繊維の形状や成形方法を種々実験により検討し、
得られた複合材料の強度特性等を比較した。その結果、
所定形状のセラミックス短繊維を含有するセラミックス
原料混合体を、鋳込み成形法、押出し成形法,ドクター
ブレード法,射出成形法および自己硬化成形法から選択
されるいずれかの成形方法によって所定形状に成形する
ことにより、複雑形状部品の形成に対応でき、靭性およ
び強度特性に優れ、緻密化した繊維強化セラミックス複
合材料が得られることが判明した。
In order to achieve the above object, the present inventors have studied various fiber shapes and molding methods for satisfactorily dispersing ceramic fibers by various experiments,
The strength characteristics and the like of the obtained composite materials were compared. as a result,
A ceramic raw material mixture containing ceramic short fibers of a predetermined shape is formed into a predetermined shape by any one of a molding method selected from a casting molding method, an extrusion molding method, a doctor blade method, an injection molding method and a self-hardening molding method. As a result, it has been found that it is possible to obtain a densified fiber-reinforced ceramics composite material that can cope with the formation of complicated shaped parts, has excellent toughness and strength characteristics.

【0013】また、セラミックス材料の繊維複合強化に
ついて種々検討を重ねた結果、特定形状のセラミックス
繊維を用いると共に、セラミックス繊維間へのマトリッ
クス材料の充填率を高め、マトリックスの緻密化を図る
ことによって、セラミックス短繊維を用いた場合でも、
大幅に特性向上が達成されることを見出した。
As a result of various studies on fiber composite reinforcement of ceramic materials, ceramic fibers having a specific shape are used, and the packing ratio of the matrix material between the ceramic fibers is increased to densify the matrix. Even when using short ceramic fibers,
It has been found that a significant improvement in characteristics is achieved.

【0014】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。
The present invention has been completed based on the above findings.

【0015】すなわち本発明に係る繊維強化セラミック
ス複合材料は、セラミックス焼結体から成るマトリック
ス中に、直径が3μm以上150μm以下であり、長さ
が0.1mm以上20mm以下であるセラミックス繊維を6
0体積%以下の割合で分散させたことを特徴とする。
That is, the fiber-reinforced ceramic composite material according to the present invention comprises 6 ceramic fibers having a diameter of 3 μm or more and 150 μm or less and a length of 0.1 mm or more and 20 mm or less in a matrix composed of a ceramic sintered body.
It is characterized by being dispersed at a ratio of 0% by volume or less.

【0016】またセラミックス繊維の材質は、特に限定
されるものではなく、マトリックスの構成材料と同様な
セラミックス材料を用いることができる。このようなセ
ラミックス繊維の具体例としては、炭素けい素系繊維
(SiC,Si−C−O,Si−Ti−C−O等),S
iC被覆繊維(芯線は例えばC),アルミナ繊維,ジル
コニア繊維,炭素繊維,ボロン繊維,窒化けい素系繊
維,Si3 4 被覆繊維(芯線は例えばC)およびムラ
イト(3Al2 3 ・2SiO2 〜2Al2 3 ・Si
2 )繊維等から選択された少なくとも一種を使用する
とよい。また、繊維とマトリックスとの間の反応を防止
するため、または両者の界面におけるすべりを改善する
ために繊維表面にCやBNから成るコーティング層を形
成してもよい。
The material of the ceramic fiber is not particularly limited, and the same ceramic material as the constituent material of the matrix can be used. Specific examples of such ceramic fibers include carbon-silicon fibers (SiC, Si-C-O, Si-Ti-C-O, etc.), S
iC coated fiber (core wire is C, for example), alumina fiber, zirconia fiber, carbon fiber, boron fiber, silicon nitride fiber, Si 3 N 4 coated fiber (core wire is C) and mullite (3Al 2 O 3 .2SiO 2). ~ 2Al 2 O 3 · Si
O 2 ) It is preferable to use at least one selected from fibers and the like. Further, a coating layer made of C or BN may be formed on the surface of the fiber in order to prevent the reaction between the fiber and the matrix or to improve the slippage at the interface between the two.

【0017】さらに本発明に係る繊維強化セラミックス
複合材料の第1の製造方法は、マトリックスを構成する
セラミックス粉末に対して、直径が3μm以上150μ
m以下であり、長さが0.1mm以上20mm以下であるセ
ラミックス繊維を60体積%以下の割合で添加し、さら
に分散媒中に添加剤を添加混合して調製した原料混合体
を、鋳込み成形法,押出し成形法,ドクターブレード
法,射出成形法および自己硬化成形法から選択されるい
ずれかの成形方法によって所定形状に成形し、得られた
成形体を脱脂し、しかる後に焼結することを特徴とす
る。
Further, in the first method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material according to the present invention, the diameter of the ceramic powder constituting the matrix is 3 μm or more and 150 μm or more.
A raw material mixture prepared by adding ceramic fibers having a length of 0.1 mm or more and a length of 0.1 mm or more and 20 mm or less at a ratio of 60% by volume or less and further adding and mixing the additives in a dispersion medium is cast-molded. Method, extrusion molding method, doctor blade method, injection molding method, and self-hardening molding method, the molded body is molded into a predetermined shape, the resulting molded body is degreased, and then sintered. Characterize.

【0018】また、第2の製造方法として、セラミック
スからなるマトリックスの出発原料を主成分とする原料
スラリーを、直径が3〜150μmで、長さが0.1〜
20mmのセラミックス繊維からなる予備成形体を配置し
た成形型内に鋳込み、所望形状の繊維含有セラミックス
成形体を作製する工程と、前記繊維含有セラミックス成
形体を、前記マトリックスの構成材料に応じた条件で焼
成し、繊維含有セラミックス複合焼結体を作製する工程
とを具備して構成してもよい。なお上記製造方法におけ
る鋳込み成形法としてとは、加圧鋳込法,減圧鋳込法,
または両者を組み合せた鋳込法を使用してもよい。
As a second manufacturing method, a raw material slurry whose main component is a starting material of a matrix made of ceramics has a diameter of 3 to 150 μm and a length of 0.1 to 150 μm.
A step of casting into a molding die in which a preform of 20 mm of ceramic fiber is placed to produce a fiber-containing ceramic compact having a desired shape, and the fiber-containing ceramic compact under the conditions according to the constituent material of the matrix. And a step of producing a fiber-containing ceramic composite sintered body by firing. The casting method in the above manufacturing method includes a pressure casting method, a reduced pressure casting method,
Or you may use the casting method which combined both.

【0019】ここで上記セラミックス成形体およびセラ
ミックス焼結体のマトリックスを構成するセラミックス
原料粉末としては、種々のセラミックス材料を用いるこ
とができ、例えば炭化けい素(SiC),窒化アルミニ
ウム(AlN),窒化けい素(Si3 4 ),窒化ほう
素(BN)等の非酸化物系の汎用セラミックス原料やア
ルミナ,ジルコニア,チタニア,ムライト,ベリリア,
コージェライト,ジルコン,サイアロンなどの酸化物系
のセラミックス原料が1種または2種以上混合して使用
される。特にサイアロンとしては組成式:Si6-z Al
z z 8-z (但し、0<z≦4.5)のものを使用す
る。また、上記セラミックス原料粉末には、必要に応じ
て酸化イットリウム,酸化セリウム,炭酸マグネシウ
ム,炭酸カルシウムもしくは珪酸等の焼結助剤や添加剤
が添加される。さらにマトリックスを反応焼結過程で形
成することも可能である。
Various ceramic materials can be used as the ceramic raw material powder forming the matrix of the above-mentioned ceramic compact and ceramic sintered body. For example, silicon carbide (SiC), aluminum nitride (AlN), nitride Non-oxide general-purpose ceramic materials such as silicon (Si 3 N 4 ) and boron nitride (BN), alumina, zirconia, titania, mullite, beryllia,
One or a mixture of two or more oxide-based ceramic raw materials such as cordierite, zircon and sialon is used. Especially for sialon, the composition formula: Si 6-z Al
z O z N 8-z (where 0 <z ≦ 4.5) is used. If necessary, a sintering aid or additive such as yttrium oxide, cerium oxide, magnesium carbonate, calcium carbonate or silicic acid is added to the ceramic raw material powder. It is also possible to form the matrix during the reactive sintering process.

【0020】またセラミックス焼結体から成るマトリッ
クス中に分散させ、セラミックス繊維はマトリックス基
地の靭性強度を高めるために添加され、その具体例とし
ては、炭素けい素系繊維,アルミナ繊維,ジルコニア繊
維,炭素繊維,ボロン繊維,窒化けい素系繊維およびム
ライト繊維から選択された少なくとも一種を使用すると
よい。これらのセラミックス繊維は、複合材料全体に対
して好ましくは5体積%以上60体積%以下の割合で添
加される。添加量が60体積%を超える過量となると、
各繊維周囲に均一にマトリックス基地を配置することが
困難になり、欠陥の発生に伴い複合材料の強度特性が急
激に低下してしまう。複合効果が現れる好ましい添加量
は20〜45体積%の範囲である。
Further, the ceramic fibers are dispersed in a matrix composed of a ceramics sintered body, and the ceramics fibers are added to enhance the toughness of the matrix matrix. Specific examples thereof include carbon silicon fibers, alumina fibers, zirconia fibers, and carbon fibers. At least one selected from fibers, boron fibers, silicon nitride fibers and mullite fibers may be used. These ceramic fibers are preferably added in a proportion of 5% by volume or more and 60% by volume or less with respect to the whole composite material. If the added amount exceeds 60% by volume,
It becomes difficult to dispose the matrix matrix uniformly around each fiber, and the strength characteristics of the composite material are rapidly deteriorated due to the occurrence of defects. The preferred amount of addition that produces a combined effect is in the range of 20 to 45% by volume.

【0021】セラミックス繊維の径および長さは、成形
体中における繊維の分散性および配向性さらには複合材
料の強度特性に大きく影響を及ぼすものであり、本発明
では直径が3〜150μm、長さが0.1mm〜20mmの
範囲の短繊維を使用する。直径が3μm未満の場合には
マトリックス基地の補強効果が少なく、また直径が15
0μmを超える太い繊維では、繊維とマトリックス基地
との境界界面に熱膨脹差による応力が生じ易く、割れ等
が発生し易くなり、いずれの場合も強化繊維による複合
効果を大幅に改善することが困難になる。
The diameter and length of the ceramic fiber have a great influence on the dispersibility and orientation of the fiber in the molded body and the strength characteristics of the composite material. In the present invention, the diameter is 3 to 150 μm and the length is Use short fibers in the range of 0.1 mm to 20 mm. When the diameter is less than 3 μm, the reinforcing effect of the matrix matrix is small, and the diameter is 15
With thick fibers exceeding 0 μm, stress due to the difference in thermal expansion is likely to occur at the boundary interface between the fibers and the matrix matrix, and cracks are likely to occur. In either case, it is difficult to significantly improve the composite effect of the reinforcing fibers. Become.

【0022】また繊維の長さが0.1mm未満の場合に
は、クラック進行の抑制効果が少なく靭性の改善効果も
少なくなる。一方長さが20mmを超えるような長大な繊
維を使用した場合には繊維が均一に分散しにくく、緻密
化しにくい上に、形状付与性能が低下し、例えばセラミ
ックス繊維による予備成形体(プリフォーム)の形成能
が低下する。また、破壊の起点となる繊維の凝集が形成
され易く、この凝集が欠陥となり強度特性が低下する。
When the fiber length is less than 0.1 mm, the effect of suppressing the progress of cracks is small and the effect of improving the toughness is also small. On the other hand, when a long fiber having a length of more than 20 mm is used, it is difficult to uniformly disperse the fiber, it is difficult to densify, and the shape-imparting performance is deteriorated. For example, a preform made of ceramic fiber (preform) The ability to form is reduced. In addition, agglomeration of fibers, which is a starting point of breakage, is easily formed, and this agglomeration becomes a defect, resulting in deterioration of strength characteristics.

【0023】すなわち、直径が3〜150μmで、かつ
長さが0.1〜20mmのセラミックス繊維を用いること
によって、良好な形状付与性能を維持しつつ、強化繊維
による複合効果を大幅に改善することが可能となる。但
し、このようなセラミックス繊維の含有量が5体積%未
満であると、形状付与性能が低下するため、セラミック
ス繊維の含有量は5体積%以上とすることが好ましい。
That is, by using ceramic fibers having a diameter of 3 to 150 μm and a length of 0.1 to 20 mm, it is possible to significantly improve the composite effect of the reinforcing fibers while maintaining good shape imparting performance. Is possible. However, if the content of such ceramic fibers is less than 5% by volume, the shape imparting performance is deteriorated, so the content of ceramic fibers is preferably 5% by volume or more.

【0024】上記のようなセラミックス繊維をマトリッ
クス基地中に分散した繊維強化セラミックス複合材料
は、例えば下記の工程によって製造される。すなわちセ
ラミックス原料粉末に所定量のセラミックス繊維と焼結
助剤、有機バインダとを添加して混合して原料混合体を
調製し、さらに得られた原料混合体を水や溶剤等の分散
媒中に分散せしめてスラリーを調整し、このスラリーを
鋳込み成形法(減圧,常圧および加圧成形法を含む)、
押出し成形法、ドクターブレード法、射出成形法、自己
硬化成形法を使用して所定形状の成形体を調製する。
The fiber-reinforced ceramics composite material in which the above ceramics fibers are dispersed in a matrix matrix is manufactured, for example, by the following steps. That is, a predetermined amount of ceramic fibers, a sintering aid, and an organic binder are added to a ceramic raw material powder and mixed to prepare a raw material mixture, and the obtained raw material mixture is placed in a dispersion medium such as water or a solvent. Disperse to prepare a slurry, and cast this slurry by a casting method (including reduced pressure, normal pressure and pressure forming method),
A molded product having a predetermined shape is prepared by using an extrusion molding method, a doctor blade method, an injection molding method, and a self-curing molding method.

【0025】ここで自己硬化成形法(ゲルキャスト法)
は、自己硬化性を有する有機バインダーを添加し、この
有機バインダーの重合による硬化作用を利用して所定形
状の成形体を形成する方法である。
Here, the self-curing molding method (gel casting method)
Is a method in which an organic binder having a self-curing property is added, and a curing action by polymerization of this organic binder is utilized to form a molded product having a predetermined shape.

【0026】特に上記鋳込み成形法,押出し成形法,自
己硬化成形法または射出成形法を使用することにより、
最終製品形状に近い、いわゆるニアネットシェイプの成
形体が得られる。さらに鋳込み成形法によれば成形型の
吸水面に吸収される分散媒の流れに沿ってセラミックス
繊維が成形体の表面部に2次元的に配向した成形体が得
られる。また押出し成形法,ドクターブレード法または
射出成形法を使用することにより、原料混合体の押出し
方向または射出方向に沿ってセラミックス繊維が配向す
るため、セラミックス繊維の配向を利用した複合材料成
形体の形成も可能である。
In particular, by using the above-mentioned cast molding method, extrusion molding method, self-hardening molding method or injection molding method,
A so-called near net shape molded body having a shape close to the final product shape can be obtained. Further, according to the casting method, it is possible to obtain a molded body in which the ceramic fibers are two-dimensionally oriented on the surface of the molded body along the flow of the dispersion medium absorbed by the water absorbing surface of the molding die. Further, by using the extrusion molding method, the doctor blade method, or the injection molding method, the ceramic fibers are oriented along the extrusion direction or the injection direction of the raw material mixture, so that the formation of the composite material molded body utilizing the orientation of the ceramic fibers is performed. Is also possible.

【0027】次に得られた複合材料成形体を乾燥脱脂
後、非酸化物系セラミックスを使用する場合、N2 ガス
やアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気内において、また
酸化物系の場合、大気中で温度1300〜2100℃の
範囲で1〜10時間程度焼結することにより、最終製品
としての繊維強化セラミックス複合材料が製造される。
After drying and degreasing the obtained composite material molded body, in the case of using non-oxide ceramics, in an atmosphere of an inert gas such as N 2 gas or argon gas, or in the case of oxides, the atmosphere. A fiber-reinforced ceramics composite material as a final product is manufactured by sintering in a temperature range of 1300 to 2100 ° C. for about 1 to 10 hours.

【0028】本発明に係る繊維強化セラミックス複合材
料の他の製造方法においては、まずマトリックスの出発
原料を主成分とする原料スラリーを調製し、この原料ス
ラリーを、セラミックス繊維からなる予備成形体(プリ
フォーム)を配置した成形型内に加圧鋳込みまたは減圧
鋳込みすることによって、所望形状の繊維含有セラミッ
クス成形体を作製する。
In another method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material according to the present invention, first, a raw material slurry having a matrix starting material as a main component is prepared, and the raw material slurry is used as a preform (pre-formed body) made of ceramic fibers. A fiber-containing ceramic compact having a desired shape is produced by performing pressure casting or reduced pressure casting in a forming die in which a reform) is arranged.

【0029】ここで上記製造方法におけるマトリックス
の出発原料は、通常の焼結セラミックスを適用する場合
には、そのセラミックス粉末(焼結助剤等を含んでいて
もよい)であり、反応焼結セラミックスを使用する場合
にはその出発原料、例えば反応焼結SiCであればSi
Cおよび炭素、反応焼結Si3 4 であればけい素等で
ある。
Here, the starting material of the matrix in the above-mentioned manufacturing method is the ceramic powder (which may contain a sintering aid, etc.) when the usual sintered ceramics are applied, and the reaction sintered ceramics. When using a starting material, for example, in the case of reaction sintered SiC, Si is used.
If C and carbon, and reaction-sintered Si 3 N 4 , silicon or the like is used.

【0030】また、上記製法の成形工程において、セラ
ミックス繊維からなるプリフォームは、例えばプレス成
形,鋳込み成形,圧力鋳込み成形,射出成形,押出し成
形,ドクターブレード成形,自己硬化成形等により作製
することができる。これらの成形法を適用することによ
って、目的とする部品形状への成形が容易となる。例え
ば、薄板形状の複合焼結体を作製するような場合には、
ドクターブレード成形でプリフォームを作製することに
より、再現性よく部品形状のプリフォームを得ることが
できる。
Further, in the molding step of the above-mentioned manufacturing method, the preform made of ceramic fiber can be manufactured by, for example, press molding, cast molding, pressure cast molding, injection molding, extrusion molding, doctor blade molding, self-hardening molding and the like. it can. By applying these molding methods, molding into a desired part shape becomes easy. For example, when producing a thin plate-shaped composite sintered body,
By making a preform by doctor blade molding, a preform having a component shape can be obtained with good reproducibility.

【0031】上記製造方法のように、マトリックス構成
材料の充填に加圧鋳込みを適用することによって、セラ
ミックス繊維間へのマトリックス材料の充填率を高める
ことができると共に、セラミックス成形体の密度を向上
させることができるため、その後の焼成工程で容易にマ
トリックスの緻密化を図ることが可能となる。また、セ
ラミックス繊維間への充填率を高めるために、熱処理の
実施,濡れ剤の塗布等によって、繊維表面を改質するこ
とも有効である。
By applying pressure casting to fill the matrix constituent material as in the above manufacturing method, the filling rate of the matrix material between the ceramic fibers can be increased and the density of the ceramic compact is improved. Therefore, it becomes possible to easily densify the matrix in the subsequent firing step. In order to increase the filling rate between the ceramic fibers, it is also effective to modify the fiber surface by performing heat treatment, applying a wetting agent, or the like.

【0032】この後、マトリックスの構成材料に応じた
条件下で、繊維含有セラミックス成形体を焼成すること
により、目的とする繊維含有セラミックス複合焼結体
(繊維強化セラミックス複合材料)が得られる。
After that, the fiber-containing ceramics composite sintered body (fiber-reinforced ceramics composite material) is obtained by firing the fiber-containing ceramics compact under the conditions depending on the constituent material of the matrix.

【0033】[0033]

【作用】上記構成に係る繊維強化セラミックス複合材料
およびその製造方法によれば、セラミックス粉末に対し
て、所定形状のセラミックス短繊維を添加混合して調製
した原料混合体を、鋳込み成形法,押出し成形法,ドク
ターブレード法,射出成形法または自己硬化成形法によ
って所定形状に成形しているため、複雑形状部品の形成
にも容易に対応することができ、かつ緻密な複合材料成
形体が得られる。そのため、得られた複合材料成形体を
脱脂し、しかる後に焼結した場合、より緻密な焼結体が
得られ、その結果、高強度かつ靭性に優れた繊維強化セ
ラミックス複合材料が得られる。
According to the fiber-reinforced ceramics composite material and the method for producing the same according to the above-mentioned constitution, the raw material mixture prepared by adding and mixing the ceramics short fibers of the predetermined shape to the ceramics powder is cast molding method, extrusion molding method. Method, doctor blade method, injection molding method, or self-curing molding method, it is possible to easily cope with the formation of complicated shaped parts and obtain a dense composite material molded body. Therefore, when the obtained composite material compact is degreased and then sintered, a denser sintered body is obtained, and as a result, a fiber-reinforced ceramic composite material having high strength and excellent toughness is obtained.

【0034】また、上記鋳込み成形法,射出成形法また
は自己硬化成形法等を使用することにより、最終製品形
状に近い、いわゆるニアネットシェイプの成形体が得ら
れ、複合材料の二次加工も極めて容易になる。
Further, by using the above-mentioned casting molding method, injection molding method or self-hardening molding method, a so-called near net shape molded body close to the final product shape can be obtained, and the secondary processing of the composite material is extremely performed. It will be easier.

【0035】[0035]

【実施例】次に本発明を以下の実施例に基づいてより具
体的に説明する。
EXAMPLES The present invention will be described more concretely based on the following examples.

【0036】実施例1〜3 平均粒径4μmのSiC原料粉末に、炭素源としてのカ
ーボンブラック(C)を5〜40重量%と、バインダー
とを添加した原料混合体を分散媒(溶媒)としての水中
に分散せしめ、ポット混合機で15時間混合して均一な
泥漿(スリップ、スラリー)を調製し、さらに、表1に
示すように直径15μm、長さ2mmのチョップ状SiC
繊維(Si−C−O,商品名:ニカロン)をそれぞれ1
0体積%(実施例1),20体積%(実施例2),30
体積%(実施例3)を添加して混合した。
Examples 1 to 3 A raw material mixture obtained by adding 5 to 40% by weight of carbon black (C) as a carbon source and a binder to a SiC raw material powder having an average particle size of 4 μm was used as a dispersion medium (solvent). To be dispersed in water and mixed in a pot mixer for 15 hours to prepare a uniform slurry (slip, slurry). Further, as shown in Table 1, chopped SiC with a diameter of 15 μm and a length of 2 mm.
1 fiber each (Si-C-O, trade name: Nicalon)
0% by volume (Example 1), 20% by volume (Example 2), 30
Volume% (Example 3) was added and mixed.

【0037】次に鋳込成形法(スリップキャスティング
法)に基づき、各泥漿を石膏製鋳型内に鋳込み圧力5kg
/cm2 で注入して縦横寸法が50mm、高さが30mmの角
柱状のSiC成形体を調製した。次にこのSiC成形体
を自然乾燥後、N2 ガス雰囲気中で温度600℃で2時
間脱脂した後に、それぞれ真空中またはアルゴンガス雰
囲気中で温度1400〜1500℃で2〜5時間反応焼
結し、実施例1〜3に係るSiC繊維強化セラミックス
複合材料を製造した。
Next, based on the cast molding method (slip casting method), each sludge is cast into a plaster mold with a pressure of 5 kg.
A rectangular columnar SiC compact having a length and width of 50 mm and a height of 30 mm was prepared by injecting / cm 2 . Next, this SiC molded body was naturally dried, degreased in a N 2 gas atmosphere at a temperature of 600 ° C. for 2 hours, and then reactively sintered in a vacuum or an argon gas atmosphere at a temperature of 1400 to 1500 ° C. for 2 to 5 hours. The SiC fiber-reinforced ceramic composite materials according to Examples 1 to 3 were manufactured.

【0038】実施例4〜6 平均粒径0.4μmのSi3 4 原料粉末に、焼結助剤
としてAl2 3 ,HfO2 を、前記サイアロンの組成
式におけるz値が1になるように添加してSialon(サイ
アロン)原料粉末を調製し、このSialon原料粉末に分散
剤と、エポキシ系硬化バインダーとを添加した原料混合
体を分散媒(溶媒)としての水中に分散せしめ、ポット
混合機で15時間混合して均一な泥漿(スリップ、スラ
リー)を調製し、さらに、表1に示すように直径8.5
μm、長さ2mmのチョップ状SiC短繊維(Si−Ti
−C−O,商品名:チラノ)をそれぞれ10体積%(実
施例4),20体積%(実施例5),30体積%(実施
例6)を添加して混合した。
Examples 4 to 6 Si 3 N 4 raw powder having an average particle size of 0.4 μm was added with Al 2 O 3 and HfO 2 as sintering aids so that the z value in the Sialon composition formula was 1. To prepare a Sialon raw material powder, and then add a dispersant and an epoxy curing binder to this Sialon raw material powder to disperse it in water as a dispersion medium (solvent), and use a pot mixer. To prepare a uniform slurry (slip, slurry) by mixing for 15 hours at a diameter of 8.5.
μm, 2mm long chopped SiC short fiber (Si-Ti
10% by volume (Example 4), 20% by volume (Example 5), and 30% by volume (Example 6) of -CO, trade name: Tyranno, respectively, were added and mixed.

【0039】次に自己硬化成形法に基づき、各泥漿に、
硬化開始剤を添加し、さらに15分間混合した。そし
て、所定型内に鋳込み,約2時間で硬化を完了せしめ、
縦横寸法が50mm、高さが30mmの角柱状のSialon成形
体を調製した。次にこのSialon成形体を乾燥後、N2
ス雰囲気中で温度600℃で2時間脱脂した後に、それ
ぞれアルゴンガス雰囲気中で温度1500〜1800
℃,圧力約100〜400kgf/cm2 で2〜5時間ホット
プレス焼結し、実施例4〜6に係るSiC繊維強化セラ
ミックス複合材料を製造した。
Next, based on the self-hardening molding method,
Curing initiator was added and mixed for an additional 15 minutes. Then, it is cast in a predetermined mold and the curing is completed in about 2 hours,
A prismatic Sialon compact having a length and width of 50 mm and a height of 30 mm was prepared. Next, after drying this Sialon compact, it was degreased in an N 2 gas atmosphere at a temperature of 600 ° C. for 2 hours, and then in an argon gas atmosphere at a temperature of 1500 to 1800, respectively.
The SiC fiber-reinforced ceramics composite materials according to Examples 4 to 6 were manufactured by hot press sintering at a temperature of about 100 to 400 kgf / cm 2 for 2 to 5 hours.

【0040】実施例7 平均粒径0.4μmのSi3 4 原料粉末に、焼結助剤
としてのAl2 3,HfO2 を、前記サイアロンの組
成式のz値が1になるように調合してSialon原料粉末を
調製し、このSialon原料粉末に対して、表1に示すよう
に直径10μm、長さ2mmのチョップ状炭素(C)短繊
維を20体積%と、有機結合剤および可塑剤としてのジ
ブチルフタレート(DBP)を5重量%とを添加し均一
に混練した原料混合体を射出成形法に基づき、成形温度
150℃、成形圧力5kg/cm2で射出して縦横寸法が5
0mm、高さが30mmの角柱状のSialon成形体を調製し
た。次にこのSialon成形体を自然乾燥後、N2 ガス雰囲
気中で温度600℃で2時間脱脂した後に、6atm のア
ルゴンガス雰囲気中で温度1700〜1900℃で2〜
5時間雰囲気加圧焼結し、実施例7に係るSialon繊維強
化セラミックス複合材料を製造した。
Example 7 Si 3 N 4 raw material powder having an average particle size of 0.4 μm was mixed with Al 2 O 3 and HfO 2 as sintering aids so that the z value of the Sialon composition formula was 1. Sialon raw material powder was prepared by mixing, and 20 volume% of chopped carbon (C) short fibers having a diameter of 10 μm and a length of 2 mm were added to the Sialon raw material powder as shown in Table 1, an organic binder and a plasticizer. 5 wt% of dibutyl phthalate (DBP) as an agent was added and uniformly kneaded, and a raw material mixture was injected at a molding temperature of 150 ° C. and a molding pressure of 5 kg / cm 2 based on the injection molding method, and the vertical and horizontal dimensions were 5 mm.
A prismatic Sialon compact having a size of 0 mm and a height of 30 mm was prepared. Next, after naturally drying this Sialon molded body, it was degreased in an N 2 gas atmosphere at a temperature of 600 ° C. for 2 hours, and then in a 6 atm argon gas atmosphere at a temperature of 1700 to 1900 ° C. for 2 to 2.
Sialon fiber reinforced ceramics composite material according to Example 7 was manufactured by pressure sintering for 5 hours.

【0041】実施例8 平均粒径0.4μmのSiC原料粉末に、表1に示すよ
うに直径10μm、長さ2mmのチョップ状炭素(C)短
繊維を20体積%と、焼結助剤としてのホウ素(B)を
SiC原料粉末に対して1重量%と、焼結助剤としての
カーボンブラック(C)を2重量%と、有機結合剤およ
び可塑剤としてのポリビニルアルコールを5重量%とを
添加し均一に混練した原料混合体を押出し成形法に基づ
き、成形温度150℃で押し出して縦横寸法が50mm、
高さが30mmの角柱状のSiC成形体を調製した。次に
このSiC成形体を自然乾燥後、N2 ガス雰囲気中で温
度600℃で2時間脱脂した後に、6atm のアルゴンガ
ス雰囲気中で温度1800〜2000℃,圧力100〜
400kgf/cm2 で2〜5時間ホットプレス焼結し、実施
例8に係るC繊維強化セラミックス複合材料を製造し
た。
Example 8 As shown in Table 1, 20% by volume of chopped carbon (C) short fibers having a diameter of 10 μm and a length of 2 mm was added to a SiC raw material powder having an average particle size of 0.4 μm as a sintering aid. 1% by weight with respect to the SiC raw material powder, 2% by weight of carbon black (C) as a sintering aid, and 5% by weight of polyvinyl alcohol as an organic binder and a plasticizer. Based on the extrusion molding method, the raw material mixture added and uniformly kneaded is extruded at a molding temperature of 150 ° C., and the vertical and horizontal dimensions are 50 mm
A prismatic SiC compact having a height of 30 mm was prepared. Next, after the SiC molded body is naturally dried and degreased in a N 2 gas atmosphere at a temperature of 600 ° C. for 2 hours, the temperature is 1800 to 2000 ° C. and a pressure of 100 to 100 ° C. in an argon gas atmosphere of 6 atm.
Hot-press sintering was performed at 400 kgf / cm 2 for 2 to 5 hours to manufacture a C fiber-reinforced ceramics composite material according to Example 8.

【0042】比較例1〜3 平均粒径4μmのSiC原料粉末に、炭素源として5〜
40重量%のカーボンブラック(C)と,バインダと,
表1に示すように直径15μm、長さ2mmのチョップ状
SiC短繊維(Si−C−O,商品名:ニカロン)を2
0体積%(比較例1),直径15μmのSiC連続繊維
(Si−C−O,商品名:ニカロン)を20体積%(比
較例2),直径1μm,長さ45μmのSiCウィスカ
ー(商品名:トーカウィスカー)を20体積%(比較例
3)とを添加しポット混合機で15時間混合して均一な
原料混合体をそれぞれ調製した。
Comparative Examples 1 to 3 SiC raw material powder having an average particle size of 4 μm was added with 5 to 5 as a carbon source.
40% by weight of carbon black (C), a binder,
As shown in Table 1, 2 pieces of chopped SiC short fibers (Si—C—O, trade name: Nicalon) having a diameter of 15 μm and a length of 2 mm are used.
0% by volume (Comparative Example 1), 20 vol% SiC continuous fiber (Si—C—O, trade name: Nicalon) with a diameter of 15 μm (Comparative Example 2), SiC whiskers with a diameter of 1 μm and a length of 45 μm (trade name: 20% by volume of Toka Whiskers (Comparative Example 3) was added and mixed in a pot mixer for 15 hours to prepare uniform raw material mixtures.

【0043】次にプレス成形法に基づき、上記比較例1
の原料混合体を造粒した後に圧力600kgf/cm2 でプレ
ス成形して縦横寸法が50mm、高さが30mmの角柱状の
SiC成形体を調製した。また比較例2〜3の原料混合体
スラリーを調製し、このスラリーを圧力40kgf/cm2
型内に加圧鋳込み成形することにより、縦横寸法が50
mm,高さが30mmの角柱状のSiC成形体を形成した。
次に各SiC成形体を自然乾燥後、N2 ガス雰囲気中で
温度600℃で2時間脱脂した後に、真空中またはアル
ゴンガス雰囲気中で温度1400〜1500℃で2〜5
時間反応焼結し、比較例1〜3に係るSiC繊維強化セ
ラミックス複合材料を製造した。
Next, based on the press molding method, the above Comparative Example 1 was used.
After granulating the above raw material mixture, press-molding it at a pressure of 600 kgf / cm 2 to form a prismatic column having a vertical and horizontal dimensions of 50 mm and a height of 30 mm.
A SiC compact was prepared. Moreover, the raw material mixture slurries of Comparative Examples 2 and 3 were prepared, and the slurry was subjected to pressure casting in a mold at a pressure of 40 kgf / cm 2 , so that the vertical and horizontal dimensions were 50.
A prismatic SiC compact having a size of 30 mm and a height of 30 mm was formed.
Next, after naturally drying each of the SiC molded bodies, degreasing is performed in a N 2 gas atmosphere at a temperature of 600 ° C. for 2 hours, and then in a vacuum or in an argon gas atmosphere at a temperature of 1400 to 1500 ° C. for 2 to 5
After time-reaction sintering, SiC fiber-reinforced ceramic composite materials according to Comparative Examples 1 to 3 were manufactured.

【0044】こうして調製した実施例1〜8および比較
例1〜3に係る各繊維強化セラミックス複合材料につい
て、その密度、3点曲げ強度および破壊靭性値をそれぞ
れ測定して下記表1右欄に示す結果を得た。
With respect to each of the fiber-reinforced ceramic composite materials according to Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 3 thus prepared, their density, 3-point bending strength and fracture toughness value were measured and shown in the right column of Table 1 below. I got the result.

【0045】[0045]

【表1】 [Table 1]

【0046】表1に示す結果から明らかなように、セラ
ミックス粉末に対して所定形状のセラミックス短繊維を
混合した原料混合体を鋳込み成形法,射出成形法,また
は押出し成形法によって成形体を形成し、その成形体を
脱脂焼結して製造した実施例1〜8の繊維強化セラミッ
クス複合材料は、比較例1〜3と比較して密度が高く緻
密化が促進されており、3点曲げ強度および破壊靭性値
において極めて優れた特性を有することが確認された。
また、各複合材料の組織構造を光学顕微鏡を使用して観
察したところ、いずれもセラミックス焼結体からなるマ
トリックス中にセラミックス短繊維が長手方向または表
面部に配向しており、これらの繊維の配向が緻密化で
き、複合材料に高い靭性値と強度をもたらしていること
が確認できた。
As is clear from the results shown in Table 1, a raw material mixture obtained by mixing ceramic powder with ceramic short fibers having a predetermined shape was formed by a casting method, an injection molding method or an extrusion molding method. The fiber-reinforced ceramic composite materials of Examples 1 to 8 manufactured by degreasing and sintering the molded body have a higher density and promoted densification as compared with Comparative Examples 1 to 3, and have three-point bending strength and It was confirmed that the fracture toughness value had extremely excellent characteristics.
Further, when the structure structure of each composite material was observed using an optical microscope, ceramic short fibers were oriented in the longitudinal direction or the surface portion in the matrix made of the ceramic sintered body, and the orientation of these fibers was observed. It can be confirmed that the composite can be densified and brings high toughness and strength to the composite material.

【0047】一方、比較例1〜3に示すように上記原料
混合体をプレス成形または鋳込み成形して成形体とし、
この成形体を脱脂焼結して製造した比較例1〜3の繊維
強化セラミックス複合材料は、成形体中にセラミックス
繊維が等方的に分散され、焼結による収縮が阻害されて
いるため、密度が上がらず強度および破壊靭性値も相対
的に低下するとともに繊維による補強効果も小さかっ
た。
On the other hand, as shown in Comparative Examples 1 to 3, the above raw material mixture was press-molded or cast-molded to obtain a molded body.
The fiber-reinforced ceramic composite materials of Comparative Examples 1 to 3 produced by degreasing and sintering this molded body have isotropic density of the ceramic fibers dispersed in the molded body, and the shrinkage due to sintering is hindered. However, the strength and the fracture toughness were relatively low, and the reinforcing effect of the fibers was also small.

【0048】以上実施例においてはマトリックスを形成
するセラミックス原料としてSiCを使用し、またセラ
ミックス繊維としてSiCチョップ(Si−C−O,S
i−Ti−C−O)、炭素繊維チョップを使用した例で
示しているが、本発明は上記原料に限定されない。すな
わちセラミックス原料としてSi3 4 ,Al2 3
AlN等を採用し、またセラミックス繊維として、アル
ミナ繊維,ジルコニア繊維,ボロン繊維,Si3 4
たはムライトを採用した場合においても、表1に示す結
果と同様な緻密化効果および高靭性化効果が発揮される
ことが実験により確認された。
In the above examples, SiC is used as the ceramic raw material for forming the matrix, and SiC chops (Si-C-O, S) are used as the ceramic fibers.
i-Ti-CO), an example using carbon fiber chops is shown, but the present invention is not limited to the above raw materials. That is, as a ceramic raw material, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 ,
Even when AlN or the like is used and alumina fiber, zirconia fiber, boron fiber, Si 3 N 4 or mullite is used as the ceramic fiber, the same densification effect and toughness effect as the results shown in Table 1 are obtained. It was confirmed by experiments that it could be demonstrated.

【0049】また成形法については、特に鋳込み成形
法,射出成形法,押出し成形法または自己硬化成形法を
採用することにより、複雑形状を有する最終製品形状に
近い、いわゆるニアネットシェイプな成形体を量産する
ことができ、複雑形状であっても緻密化した繊維強化セ
ラミックス複合材料を効率的に製造することができた。
さらに上記成形法の他に、ドクターブレード法,および
自己硬化成形法を使用して成形体を形成した場合におい
ても同様な効果が得られた。
As for the molding method, a so-called near net shape molded body having a complex shape close to the final product shape can be obtained by adopting a casting molding method, an injection molding method, an extrusion molding method or a self-hardening molding method. It was possible to mass-produce, and it was possible to efficiently manufacture a densified fiber-reinforced ceramics composite material even if it had a complicated shape.
Further, in addition to the above molding method, the same effect was obtained when the molded body was formed by using the doctor blade method and the self-curing molding method.

【0050】実施例9 まず、直径15μm,長さ5mmのSiC短繊維(Si−
C−O,商品名:ニカロン)を、30体積%となるよう
にパラフィン系ワックス中に配合し、加熱混練すること
によって分散した。次いで、この短繊維配合ワックス
を、部品形状(ガスタービンの動翼、概略寸法:幅40
mm×高さ70mm×肉厚5mm)に射出成形した後、窒素
中、400℃で脱脂した。脱脂体は、上記SiC短繊維
からなる、健全で保形強度を有するプリフォームであっ
た。
Example 9 First, a SiC short fiber (Si-) having a diameter of 15 μm and a length of 5 mm was used.
C-O, trade name: Nicalon) was blended in paraffin wax at 30% by volume and dispersed by heating and kneading. Next, this short fiber-blended wax was applied to a part shape (gas turbine blade, rough dimensions: width 40
mm × height 70 mm × wall thickness 5 mm), and then degreased in nitrogen at 400 ° C. The degreased body was a preform composed of the above-mentioned SiC short fibers and having sound and shape-retaining strength.

【0051】一方、マトリックスの出発材料として、平
均粒径1.1μmのサイアロン粉末を用意し、これを水
中で湿式混合して、原料スラリー(粉末濃度:50体積
%)を作製した。
On the other hand, as a starting material for the matrix, sialon powder having an average particle size of 1.1 μm was prepared and wet-mixed in water to prepare a raw material slurry (powder concentration: 50% by volume).

【0052】次に、上記ガスタービン部品と同形状を有
する圧力鋳込み成形機の樹脂型内に、上記SiC短繊維
からなるプリフォームを配置し、その上から上記原料ス
ラリーを40kg/cm2 の圧力で加圧充填し、その圧力で
5分間保持して、短繊維プリフォーム含有サイアロン成
形体を作製した。
Next, a preform made of the above-mentioned SiC short fibers is placed in a resin mold of a pressure casting machine having the same shape as that of the above-mentioned gas turbine component, and the above-mentioned raw material slurry is pressed at a pressure of 40 kg / cm 2 from above. Was pressure-filled, and the pressure was maintained for 5 minutes to prepare a short fiber preform-containing sialon molded body.

【0053】この後、上記短繊維プリフォーム含有サイ
アロン成形体を、乾燥および脱脂した後、BN粉末中に
埋設し、400kg/cm2 の圧力の下で、1550℃で2
時間保持して、ホットプレス焼結した。
[0053] After this, the short fiber preform containing sialon molded product was dried and degreased, were embedded in BN powder under a pressure of 400 kg / cm 2, at 1550 ° C. 2
Hold for time and hot press sinter.

【0054】このようにして得た部品形状の繊維強化サ
イアロン複合焼結体から3×4×40mmの試験片を切り
出し、室温〜1200℃における3点曲げ強度を測定し
たところ、最大応力が520MPa、破断までの材料変
位が〜1000μmと良好な値を示し、また破壊形態は
カタストロフィックな破壊を示さず、信頼性に優れるも
のであることを確認した。
A 3 × 4 × 40 mm test piece was cut out from the thus obtained component-shaped fiber-reinforced sialon composite sintered body, and the three-point bending strength at room temperature to 1200 ° C. was measured. The maximum stress was 520 MPa, It was confirmed that the material displacement up to breakage was about 1000 μm, which was a good value, and the fracture mode did not show catastrophic fracture, and was excellent in reliability.

【0055】実施例10 強化繊維として、直径85μm、長さ10mmおよび20
mmのSiC短繊維(SiC被覆繊維,商品名:SCS−
9)を用意した。このSiC短繊維を、マトリックスの
出発材料となる平均粒径1.1μmのサイアロン粉末
に、30重量%となるように配合し、これを水中で湿式
混合して、原料スラリー(粉末および短繊維濃度:50
体積%)を作製した。
Example 10 As a reinforcing fiber, diameter 85 μm, length 10 mm and 20
mm short SiC fiber (SiC coated fiber, trade name: SCS-
9) was prepared. This SiC short fiber was mixed with sialon powder having an average particle size of 1.1 μm as a starting material of a matrix so as to be 30% by weight, and this was wet mixed in water to obtain a raw material slurry (powder and short fiber concentration). : 50
Volume%).

【0056】この原料スラリーを、実施例9と同様な部
品形状を有する圧力鋳込み成形機の樹脂型内に、40kg
/cm2 の圧力で加圧充填し、その圧力で5分間保持し
て、短繊維含有サイアロン成形体を作製した。
40 kg of this raw material slurry was placed in a resin mold of a pressure casting machine having the same part shape as in Example 9.
It was pressure-filled at a pressure of / cm 2 and held at that pressure for 5 minutes to prepare a short fiber-containing sialon molded body.

【0057】この後、上記短繊維含有サイアロン成形体
を、乾燥および脱脂した後、BN粉末中に埋設し、40
0kg/cm2 の圧力の下で、1550℃で2時間保持し
て、ホットプレス焼結した。
Thereafter, the short fiber-containing sialon compact was dried and degreased, and then embedded in BN powder to obtain 40
It was held at 1550 ° C. for 2 hours under a pressure of 0 kg / cm 2 to perform hot press sintering.

【0058】このようにして得た部品形状の繊維強化サ
イアロン複合焼結体の特性を、実施例9と同様に測定し
たところ、実施例9と同様な結果が得られた。
The characteristics of the fiber-reinforced sialon composite sintered body in the shape of the component thus obtained were measured in the same manner as in Example 9, and the same result as in Example 9 was obtained.

【0059】実施例11 強化繊維として、直径85μm、長さ5mmのSiC短繊
維(SiC被覆繊維,商品名:SCS−9)を用意し
た。マトリックスは反応焼結SiCとし、この反応焼結
SiCの出発原料として、C粉末とSiC粉末を用意し
た。そして、これらを、Si−C−O短繊維が30重量
%,C粉末が20重量%,SiC粉末が50重量%とな
るように、水中で湿式混合して、原料スラリー(粉末お
よび短繊維濃度:50体積%)を作製した。
Example 11 As a reinforcing fiber, a SiC short fiber (SiC coated fiber, trade name: SCS-9) having a diameter of 85 μm and a length of 5 mm was prepared. The matrix was reaction-sintered SiC, and C powder and SiC powder were prepared as starting materials for this reaction-sintered SiC. Then, these are wet-mixed in water so that the Si—C—O short fibers are 30% by weight, the C powder is 20% by weight, and the SiC powder is 50% by weight, and a raw material slurry (powder and short fiber concentration : 50% by volume).

【0060】次に、上記原料スラリーを、実施例9と同
様な部品形状を有する圧力鋳込み成形機の樹脂型内に、
40kg/cm2 の圧力で加圧充填し、その圧力で5分間保
持して、短繊維含有成形体を作製した。
Next, the above raw material slurry was placed in a resin mold of a pressure casting machine having the same part shape as in Example 9.
A short fiber-containing molded body was produced by pressure filling at a pressure of 40 kg / cm 2 and holding at that pressure for 5 minutes.

【0061】この後、上記短繊維含有成形体を、Ar
中、1430℃×2時間の条件で、Si含浸反応焼結させ
た。
Thereafter, the above-mentioned short fiber-containing molded body was treated with Ar.
Inside, it was subjected to Si impregnation reaction sintering under the conditions of 1430 ° C. × 2 hours.

【0062】このようにして得たマトリックスが反応焼
結SiCの繊維強化複合焼結体の特性を、実施例9と同
様に測定したところ、同様な良好な結果が得られた。
The characteristics of the fiber-reinforced composite sintered body having the reaction-sintered SiC as the matrix thus obtained were measured in the same manner as in Example 9, and similar good results were obtained.

【0063】実施例12 実施例9におけるマトリックスを反応焼結Si3 4
代えて、同様な部品形状の繊維強化SiC複合焼結体
(SiC短繊維からなるプリフォームを使用)を作製
し、その特性を実施例9と同様に測定したところ、最大
応力が450MPa、破壊までの材料変位が〜800μ
mと良好な値を示した。
Example 12 In place of the reaction-sintered Si 3 N 4 matrix in Example 9, a fiber-reinforced SiC composite sintered body (using a preform made of SiC short fibers) having a similar part shape was prepared. When the characteristics were measured in the same manner as in Example 9, the maximum stress was 450 MPa, and the material displacement before fracture was up to 800 μm.
m was a good value.

【0064】以上説明したように、本実施例に係る繊維
強化セラミックスの製造方法によれば、特定形状のセラ
ミックス繊維を用いていると共に、マトリックス構成材
料の充填に加圧鋳込みを適用しているため、種々の部品
形状を容易に作製することができ、かつ得られる繊維強
化セラミックス複合材料の破壊靭性や破壊エネルギー等
をより一層向上させることが可能となる。
As described above, according to the method for producing the fiber-reinforced ceramics of this embodiment, the ceramic fiber of the specific shape is used and the pressure casting is applied to the filling of the matrix constituent material. Various component shapes can be easily produced, and the fracture toughness and fracture energy of the obtained fiber-reinforced ceramic composite material can be further improved.

【0065】[0065]

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る繊維強
化セラミックス複合材料およびその製造方法によれば、
セラミックス粉末に対して、所定形状のセラミックス短
繊維を添加混合して調製した原料混合体を、鋳込み成形
法,押出し成形法,ドクターブレード法,射出成形法,
自己硬化成形法によって所定形状に成形しているため、
あるいは、所定形状に成形したセラミックス短繊維から
成る予備成形体(プリフォーム)に、鋳込み成形法,射
出成形法,自己硬化成形法等によりマトリックスを含浸
注入成形しているため、複雑な部品形状に対応すること
が可能な複合材料成形体が得られる。そのため、得られ
た複合材料成形体を脱脂し、しかる後に各種焼結法によ
り焼結した場合においても靭性に優れ、緻密で高強度の
繊維強化セラミックス複合材料が得られる。
As described above, according to the fiber-reinforced ceramic composite material and the method for producing the same according to the present invention,
A raw material mixture prepared by adding and mixing ceramics short fibers of a predetermined shape to ceramics powder is cast molding method, extrusion molding method, doctor blade method, injection molding method,
Since it is molded into a predetermined shape by the self-curing molding method,
Alternatively, since a matrix is impregnated and injection-molded by a casting method, an injection molding method, a self-hardening molding method, etc. into a preformed body (preform) made of ceramic short fibers molded into a predetermined shape, a complicated part shape is formed. A composite molding that can be accommodated is obtained. Therefore, even when the obtained composite material compact is degreased and then sintered by various sintering methods, a dense and high-strength fiber-reinforced ceramic composite material is obtained, which is excellent in toughness.

【0066】特に従来、長繊維複合セラミックスで問題
であった製品形状に制約が少なくなり複雑形状を有する
高密度の繊維強化セラミックス複合材料を提供すること
ができる。
In particular, it is possible to provide a high-density fiber-reinforced ceramic composite material having a complicated shape with less restrictions on the product shape which has been a problem with the conventional long-fiber composite ceramics.

【0067】また、上記鋳込み成形法、押出し成形法,
自己硬化成形法または射出成形法を使用することによ
り、最終製品形状に近い、いわゆるニアネットシェイプ
の成形体が得られ、複合材料の二次加工も極めて容易に
なる。
Further, the above-mentioned cast molding method, extrusion molding method,
By using the self-curing molding method or the injection molding method, a so-called near net shape molded body close to the final product shape can be obtained, and the secondary processing of the composite material becomes extremely easy.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 セラミックス焼結体から成るマトリック
ス中に、直径が3μm以上150μm以下であり、長さ
が0.1mm以上20mm以下であるセラミックス繊維を6
0体積%以下の割合で分散させたことを特徴とする繊維
強化セラミックス複合材料。
1. A ceramic sintered body having 6 matrixes of ceramic fibers having a diameter of 3 μm or more and 150 μm or less and a length of 0.1 mm or more and 20 mm or less.
A fiber-reinforced ceramics composite material characterized by being dispersed in a proportion of 0% by volume or less.
【請求項2】 マトリックスを構成するセラミックス粉
末に対して、直径が3μm以上150μm以下であり、
長さが0.1mm以上20mm以下であるセラミックス繊維
を60体積%以下の割合で添加し、さらに添加剤または
分散媒を添加混合して調製した原料混合体を、鋳込み成
形法,押出し成形法,ドクターブレード法,射出成形法
および自己硬化成形法から選択されるいずれかの成形方
法によって所定形状に成形し、得られた成形体を脱脂焼
結することを特徴とする繊維強化セラミックス複合材料
の製造方法。
2. A ceramic powder constituting a matrix, having a diameter of 3 μm or more and 150 μm or less,
A raw material mixture prepared by adding ceramic fibers having a length of 0.1 mm or more and 20 mm or less at a ratio of 60% by volume or less, and further adding and mixing an additive or a dispersion medium is used. Manufacture of a fiber-reinforced ceramics composite material characterized by forming into a predetermined shape by any one of a molding method selected from a doctor blade method, an injection molding method and a self-hardening molding method, and degreasing and sintering the obtained molded body. Method.
【請求項3】 成形体は常圧焼結法,雰囲気加圧焼結
法,ホットプレス法,反応焼結法,またはそれらの組合
せにより焼結することを特徴とする請求項2記載の繊維
強化セラミックス複合材料の製造方法。
3. The fiber reinforced according to claim 2, wherein the molded body is sintered by an atmospheric pressure sintering method, an atmosphere pressure sintering method, a hot pressing method, a reaction sintering method, or a combination thereof. Manufacturing method of ceramic composite material.
【請求項4】 セラミックスからなるマトリックスの出
発原料を主成分とする原料スラリーを、直径が3〜15
0μmで、長さが0.1〜20mmのセラミックス繊維か
らなる予備成形体を配置した成形型内に加圧鋳込法およ
び/または減圧鋳込法によって鋳込み、所望形状の繊維
含有セラミックス成形体を作製する工程と、前記繊維含
有セラミックス成形体を、前記マトリックスの構成材料
に応じた条件で焼成し、繊維含有セラミックス複合焼結
体を作製する工程とを具備することを特徴とする繊維強
化セラミックス複合材料の製造方法。
4. A raw material slurry containing a starting material of a matrix made of ceramics as a main component and having a diameter of 3 to 15
A fiber-containing ceramic molded body having a desired shape is cast by a pressure casting method and / or a reduced pressure casting method into a molding die in which a preformed body made of ceramic fiber having a length of 0 to 20 mm and a length of 0.1 to 20 mm is arranged. A fiber-reinforced ceramic composite comprising: a step of producing the fiber-containing ceramics compact, and a step of producing the fiber-containing ceramics composite sintered body by firing the fiber-containing ceramics compact under a condition according to a constituent material of the matrix. Material manufacturing method.
【請求項5】 請求項4記載の繊維強化セラミックス複
合材料の製造方法において、前記セラミックス繊維を、
前記セラミックス複合焼結体中に5体積%以上含有させ
ることを特徴とする繊維強化セラミックス複合材料の製
造方法。
5. The method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material according to claim 4, wherein the ceramic fiber is
A method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material, characterized in that the ceramic composite sintered body contains 5% by volume or more.
【請求項6】 請求項4記載の繊維強化セラミックス複
合材料の製造方法において、前記セラミックス繊維から
なる予備成形体を、鋳込み成形,圧力鋳込み成形,射出
成形,押出し成形,自己硬化成形またはドクターブレー
ド成形により作製することを特徴とする繊維強化セラミ
ックス複合材料の製造方法。
6. The method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material according to claim 4, wherein the preform made of the ceramic fiber is cast, pressure cast, injection molded, extruded, self-curing or doctor blade molded. A method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material, comprising:
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