JPH0653620B2 - Method for forming graphite whisker reinforced ceramics - Google Patents
Method for forming graphite whisker reinforced ceramicsInfo
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- JPH0653620B2 JPH0653620B2 JP62332788A JP33278887A JPH0653620B2 JP H0653620 B2 JPH0653620 B2 JP H0653620B2 JP 62332788 A JP62332788 A JP 62332788A JP 33278887 A JP33278887 A JP 33278887A JP H0653620 B2 JPH0653620 B2 JP H0653620B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はグラファイトウイスカ強化セラミックの成形方
法に関し、さらに詳しくは、破壊靱性の著しく改善され
たグラファイトウイスカ強化セラミックの成形方法に関
する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for molding a graphite whisker-reinforced ceramic, and more particularly to a method for molding a graphite whisker-reinforced ceramic with significantly improved fracture toughness.
［従来の技術およびその問題点］ 近年、ガスタービンやジットエンジン等の高性能化に対
する要求が大いに増加している。これらの熱機関の中で
最も過酷な条件下に使用されるブレードやノズル材とし
ての耐熱材料の開発に大きな期待が持たれている。[Prior Art and Problems Thereof] In recent years, demands for high performance of gas turbines, jet engines, and the like have greatly increased. There are great expectations for the development of heat-resistant materials for blades and nozzle materials used under the most severe conditions of these heat engines.
そこで、耐熱性に優れた素材としてセラミックが着目さ
れる。Therefore, attention is paid to ceramics as a material having excellent heat resistance.
セラミックは大きな耐熱性を備えているが、その破壊靱
性が極めて小さい。そのためにセラミックに繊維を充填
して強化する試みがなされている。Although ceramic has great heat resistance, its fracture toughness is extremely low. Therefore, attempts have been made to fill the ceramic with fibers to strengthen it.
一般に、セラミックの破壊靱性は３〜５ＭＰａ・ｍ1/2
程度であって、一般炭素鋼の２００ＭＰａ・ｍ1/2に対
して極めて破壊靱性が小さい。Generally, the fracture toughness of ceramics is 3 to 5 MPa · m 1/2
However, the fracture toughness is extremely small with respect to 200 MPa · m 1/2 of general carbon steel.
この小さな破壊靱性の主な原因は、セラミック中に存在
する微小クラックなどである。この微小クラックを除去
して、破壊靱性を高めるための成形加工法として、冷間
等方圧成形加工（ＣＩＰ）および熱間等方圧成形加工
（ＨＩＰ）などの静水圧成形加工、ホットプレス成形加
工等の種々の成形法がある。The main cause of this small fracture toughness is microcracks present in the ceramic. As a forming method for removing the minute cracks and increasing the fracture toughness, hydrostatic forming such as cold isotropic forming (CIP) and hot isotropic forming (HIP), hot press forming. There are various forming methods such as processing.
しかしながら、セラミックの加圧成形には限界があり、
所望するような破壊靱性の改善が見られない。However, there are limits to the pressure molding of ceramics,
There is no desired improvement in fracture toughness.
それ故、セラミックの破壊靱性を高めるために無機質繊
維でセラミックを強化する試みがなされてきた。Therefore, attempts have been made to strengthen the ceramic with inorganic fibers in order to increase the fracture toughness of the ceramic.
一般に無機質繊維強化の特長は、ピンニング（クラック
の成長阻止）、クラックデフレクション（クラック屈曲
の促進）、およびプルアウト（繊維の引抜き）による破
壊阻止または破壊エネルギーの増大にあるとされてい
る。In general, the feature of the inorganic fiber reinforcement is said to be the prevention of fracture or increase in fracture energy by pinning (preventing crack growth), crack deflection (promoting crack bending), and pullout (pulling out fiber).
しかし、ホットプレスなどよりも格段に成形圧が高く、
そのために圧縮率が特に大きい静水圧成形では、加圧成
形時の繊維に屈曲による残留応力がより重大になり、端
に繊維による補強効果が少ないと言うだけではなく、圧
力を解除した途端に残留応力のために形態が崩れて、成
形自体が困難な場合もあった。However, the molding pressure is much higher than that of hot press,
Therefore, in hydrostatic molding where the compressibility is particularly large, the residual stress due to bending in the fibers during pressure molding becomes more serious, and not only is the reinforcing effect of the fibers at the ends small, but immediately after the pressure is released. In some cases, the shape itself collapses due to residual stress, making molding itself difficult.
したがって、本発明の目的は、成形時の残留応力歪を最
小限に抑えること、およびセラミックの成形として簡便
かつ有効な静水圧成形、常圧焼結のプロセスをグラファ
イトウイスカ強化セラミックにおいても可能にすること
である。Therefore, it is an object of the present invention to minimize residual stress strain during molding, and to enable a simple and effective hydrostatic molding and normal pressure sintering process for molding ceramics in graphite whisker reinforced ceramics. That is.
［前記目的を達成するための手段］ 前記目的を達成するための本発明の構成は、平均アスペ
クト比が３０以下であるグラファイトウイスカと、この
グラファイトウイスカの平均直径の２／３以下である平
均直径を有するセラミックス粉末との混合物を静水圧成
形することを特徴とするグラファイトウイスカ強化セラ
ミックの成形方法である。[Means for Achieving the Object] A structure of the present invention for achieving the object is a graphite whisker having an average aspect ratio of 30 or less, and an average diameter of ⅔ or less of an average diameter of the graphite whisker. Is a method of forming a graphite whisker reinforced ceramic, which comprises isostatically forming a mixture with a ceramic powder having
本発明におけるグラファイトウイスカは単結晶状のもの
の外、気相法成長法（基板法および流動法その他の方法
を含む。）により製造されたウイスカ状炭素を含む。ま
た、そのウイスカ状炭素を黒鉛化処理して、炭素格子面
が年輪状に繊維軸方向に配列してなる黒鉛化炭素繊維
も、本発明におけるグラガイトウイスカに含まれる。The graphite whiskers in the present invention include not only single-crystal whiskers but also whisker-like carbon produced by a vapor phase growth method (including a substrate method, a flow method and other methods). Further, the graphitized carbon fiber obtained by subjecting the whisker-like carbon to graphitization and arranging carbon lattice planes in a tree ring shape in the fiber axis direction is also included in the glagite whisker of the present invention.
本発明における前記グラファイトウイスカはその平均ア
スペクト比が３０以下、好ましくは５〜１５である。The graphite whisker in the present invention has an average aspect ratio of 30 or less, preferably 5 to 15.
このような低いアスペクト比が好ましい理由は、成形時
に繊維が曲がり難くなって成形後の残留歪みが小さくな
ると考えられる。It is considered that the reason why such a low aspect ratio is preferable is that the fibers are less likely to bend during molding and the residual strain after molding is reduced.
本発明におけるグラファイトウイスカのアスペクト比を
前記範囲内に調製するためには、たとえば、公知の粉砕
手段たとえば、ジョークラッシャー、ジャイレトリクラ
ッシャー、ロールクラッシャー、エッジランナー、ハン
マークラッシャー、ボウルミル、ジェットミル、ディス
クミル等の粉砕機を採用することができる。いずれの粉
砕機を使用するかは、粉砕前のグラファイトウイスカの
直径および長さなど、その特性による。In order to adjust the aspect ratio of the graphite whisker in the present invention within the above range, for example, known grinding means such as jaw crusher, gyre re-crusher, roll crusher, edge runner, hammer crusher, bowl mill, jet mill, disk mill. It is possible to adopt a crusher such as. Which crusher to use depends on its characteristics, such as the diameter and length of the graphite whiskers before crushing.
さらに、本発明におけるセラミックの粉径分布は、通
常、変動係数（ＣＶ）で４０％以下、好ましくは２０％
以下である。Further, the powder size distribution of the ceramic in the present invention is usually 40% or less, preferably 20% as a coefficient of variation (CV).
It is the following.
そして、本発明で重要なことは、そのセラミックの平均
粒径は、前記グラファイトウイスカの平均直径の２／３
以下、好ましくは前記グラファイトウイスカの平均直径
の１／２以下である。これは、繊維間への粒子の流れ込
みまたはマトリックス内での繊維の移動を容易にするこ
とによって成形時の繊維の歪みを小さくし、成形後の残
留応力を小さくすることに有効であるためとも考えられ
る。What is important in the present invention is that the average particle diameter of the ceramic is 2/3 of the average diameter of the graphite whiskers.
It is preferably ½ or less of the average diameter of the graphite whiskers. It is also considered that this is effective in reducing the strain of the fiber during molding by facilitating the flow of particles between the fibers or the movement of the fiber within the matrix and the residual stress after molding. To be
また、前記グラファイトウイスカのアスペクト比が３０
を超えるか、または前記セラミックの平均直径が前記２
／３を超えると、ＨＩＰやホットプレス等により高圧で
焼結する場合にグラファイトウイスカの変形による残留
応力が多大となって、グラファイトウイスカ強化セラミ
ックの破壊靱性を高めることができない。また、ＣＩＰ
で一旦成形する場合には、圧力降下時に変形が回復し、
成形体がヒビ割れたり、くずれたりし、場合によっては
ＨＩＰでも同様のことが生じる。。Also, the graphite whisker has an aspect ratio of 30.
Or the average diameter of the ceramic is 2
When it exceeds / 3, the residual stress due to the deformation of the graphite whiskers becomes large when sintering at high pressure by HIP, hot pressing, etc., and the fracture toughness of the graphite whisker reinforced ceramics cannot be increased. Also, CIP
In case of once molding, the deformation recovers when the pressure drops,
The molded body may be cracked or broken, and the same may occur with HIP in some cases. .
前記セラミックとして、たとえば、アルミナ、酸化ケイ
素、酸化ジルコン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化チ
タン、酸化鉄、酸化タリウム、フェライト、希土類鉄ガ
ーネット、酸化タングステン、酸化テルルなどの酸化
物、硫化亜鉛、インジウム−アンチモン、硫化モリブデ
ンなどのカルコゲン化物、窒化チタン、窒化タリウム、
窒化アルミニウム、窒化ニオブ、窒化ケイ素等の窒化
物、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化ジルコン等の炭化物
を挙げることができる。Examples of the ceramics include oxides such as alumina, silicon oxide, zircon oxide, tin oxide, indium oxide, titanium oxide, iron oxide, thallium oxide, ferrite, rare earth iron garnet, tungsten oxide, tellurium oxide, zinc sulfide, indium- Antimony, chalcogenides such as molybdenum sulfide, titanium nitride, thallium nitride,
Examples thereof include nitrides such as aluminum nitride, niobium nitride and silicon nitride, and carbides such as silicon carbide, titanium carbide and zircon carbide.
前記各種のセラミックはその一種単独を使用することも
できるし、またそれらの二種以上を併用することもでき
る。The various ceramics may be used alone or in combination of two or more.
前記各種のセラミックの中でも好ましいのは、炭化ケイ
素、窒化ケイ素、アルミナ、二酸化ケイ素、および二酸
化ジルコニウムよりなる群から選択される少なくとも一
種である。Preferred among the various ceramics are at least one selected from the group consisting of silicon carbide, silicon nitride, alumina, silicon dioxide, and zirconium dioxide.
本発明においては、前記グラファイトウイスカ(A)と前
記セラミック(B)とを混合してからその混合物を冷間等
方圧成形加工および熱間等方圧成形加工などの静水圧成
形に供する。In the present invention, the graphite whiskers (A) and the ceramics (B) are mixed and then the mixture is subjected to isostatic pressing such as cold isostatic pressing and hot isostatic pressing.
混合割合としては、通常、(A)／(B)（重量比）を０．０
５〜０．４０、好ましくは０．１０〜０．３０にする。The mixing ratio is usually (A) / (B) (weight ratio) of 0.0
5 to 0.40, preferably 0.10 to 0.30.
混合割合の(A)／(B)が前記範囲を下回ると、グラファイ
トウイスカ強化の意味が失われ、前記範囲を上回るとセ
ラミック内部に欠陥ができ易いので好ましくない。If the mixing ratio (A) / (B) is less than the above range, the meaning of strengthening the graphite whiskers is lost, and if it exceeds the above range, defects are likely to occur inside the ceramic, which is not preferable.
前記グラファイトウイスカと前記セラミックとの混合方
法としては、従来から公知の混合方法ないし混合手段を
採用することができる。As a method of mixing the graphite whiskers and the ceramic, a conventionally known mixing method or mixing means can be adopted.
混合手段としては、たとえば、二重用錐型、Ｖ型、水平
円筒型、二重円錐型、リボン型、垂直スクリュウ型、回
分式ミュラー型、連続式ミュウラー型、熱交換型、単軸
ロータ型、タービン型等の混合機を使用することができ
る。As the mixing means, for example, double cone type, V type, horizontal cylindrical type, double cone type, ribbon type, vertical screw type, batch type Mueller type, continuous type Mueller type, heat exchange type, single axis rotor type, A mixer such as a turbine type may be used.
もっとも、混合に際して、グラファイトウイスカが破断
するようであれば、混合操作後のアスペクト比が本発明
で規定する値となるように、混合前のグラファイトウイ
スカのアスペクト比を適宜に調製するか大き目のアスペ
クト比のグラファイトウイスカを選択しておくのが良
い。However, if the graphite whiskers are broken during mixing, the aspect ratio of the graphite whiskers before mixing should be adjusted appropriately so that the aspect ratio after the mixing operation will be the value specified in the present invention. It is good to choose a graphite whisker with a ratio.
なお、本発明において、焼結助剤、バインダー等につい
て特に制限がないことは言うまでもない。Needless to say, in the present invention, the sintering aid, the binder, etc. are not particularly limited.
かくして、本発明における混合物は、前記加圧成形法に
より、高温熱交換機、原子炉、ＭＨＤ発電等に利用され
る種々の成形体に成形される。Thus, the mixture according to the present invention is molded into various molded articles used for high temperature heat exchangers, nuclear reactors, MHD power generation, etc. by the above-mentioned pressure molding method.
［実施例］ 以下、本発明を実施例を示して本発明をさらに詳細に説
明する。[Examples] Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
（実施例１） 平均直径０．３μｍ、平均アスペクト比１５のグラファ
イトウイスカ２５Ｖｆ％（体積率）、平均直径０．２μ
ｍのＳｉ３Ｎ４粉末６７．５Ｖｆ％、平均直径１．０μ
ｍのＹ２Ｏ３７．５Ｖｆ％の粉末をアルコールに懸濁
し、Ｖ型ミキサーで２０時間混合した後、乾燥した。該
セラミック混合物を内径２２ｍφ、長さ２００mmのゴム
型に充填、密封し、冷間等方圧（ＣＩＰ）で４トン／cm
2の等方圧を５分間加えた。その後、減圧し、ゴム型か
ら成形体を取り出したが、クラックは検出されなかっ
た。Example 1 Graphite whiskers having an average diameter of 0.3 μm, an average aspect ratio of 15 and 25 V f % (volume ratio), an average diameter of 0.2 μ
m Si 3 N 4 powder 67.5V f %, average diameter 1.0μ
Y 2 O 3 7.5V f % powder of m was suspended in alcohol, mixed with a V-type mixer for 20 hours, and then dried. The ceramic mixture was filled in a rubber mold having an inner diameter of 22 mφ and a length of 200 mm, sealed, and cold isostatic pressure (CIP) was 4 ton / cm.
An isotropic pressure of 2 was applied for 5 minutes. Then, the pressure was reduced and the molded product was taken out from the rubber mold, but no crack was detected.
また、得られた成形体を、１，７５０℃に加熱しなが
ら、窒素雰囲気下で常圧焼結を行なった。前記焼結体の
密度を測定したところ、ほぼ理論密度であった。Further, the obtained compact was subjected to atmospheric pressure sintering in a nitrogen atmosphere while heating at 1,750 ° C. When the density of the sintered body was measured, it was almost theoretical density.
（比較例１） 平均直径0.4μｍ、平均アスペクト比５０のグラファイ
トウイスカを使用した以外は実施例１と同様の方法で成
形した。得られた成形体には非常に多くのひび割れが検
出された。Comparative Example 1 Molded in the same manner as in Example 1 except that graphite whiskers having an average diameter of 0.4 μm and an average aspect ratio of 50 were used. A great number of cracks were detected in the obtained molded body.
（比較例２） Ｓｉ３Ｎ４の平均直径を０．５μｍとした外は前記比較
例１と同様の方法で成形を行った。型から取り出された
材料は崩れ易くて、型により形成されるはずの形態を維
持することができなかった。(Comparative Example 2) Molding was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that the average diameter of Si 3 N 4 was 0.5 μm. The material removed from the mold was fragile and could not maintain the shape that the mold would have formed.
Claims (2)
ァイトウイスカと、このグラファイトウイスカの平均直
径の２／３以下である平均直径を有するセラミックス粉
末との混合物を静水圧成形することを特徴とするグラフ
ァイトウイスカ強化セラミックの成形方法。1. A graphite characterized by isostatically pressing a mixture of graphite whiskers having an average aspect ratio of 30 or less and ceramic powder having an average diameter of 2/3 or less of the average diameter of the graphite whiskers. Whisker reinforced ceramic molding method.
化ケイ素、アルミナ、二酸化ケイ素、および二酸化ジル
コニウムよりなる群から選択される少なくとも一種であ
る前記特許請求の範囲第１項記載のグラファイトウイス
カ強化セラミックの成形方法。2. The graphite whisker reinforced ceramic according to claim 1, wherein the ceramic powder is at least one selected from the group consisting of silicon carbide, silicon nitride, alumina, silicon dioxide, and zirconium dioxide. Molding method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62332788A JPH0653620B2 (en) | 1987-12-28 | 1987-12-28 | Method for forming graphite whisker reinforced ceramics |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62332788A JPH0653620B2 (en) | 1987-12-28 | 1987-12-28 | Method for forming graphite whisker reinforced ceramics |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6000692A Division JPH09208334A (en) | 1994-01-10 | 1994-01-10 | Method for forming inorganic fiber reinforced ceramics |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01176281A JPH01176281A (en) | 1989-07-12 |
| JPH0653620B2 true JPH0653620B2 (en) | 1994-07-20 |
Family
ID=18258822
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62332788A Expired - Lifetime JPH0653620B2 (en) | 1987-12-28 | 1987-12-28 | Method for forming graphite whisker reinforced ceramics |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0653620B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09208334A (en) * | 1994-01-10 | 1997-08-12 | Nikkiso Co Ltd | Method for forming inorganic fiber reinforced ceramics |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA1271784A (en) * | 1986-06-19 | 1990-07-17 | Kishor P. Gadkaree | Zirconia ceramic article toughened with sic whiskers |
-
1987
- 1987-12-28 JP JP62332788A patent/JPH0653620B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01176281A (en) | 1989-07-12 |
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