JPH1059781A - セラミックス基繊維複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】反応焼結で形成されたＳｉＣをマトリックス材
料に適用した場合でも、部品表面の初期クラック発生に
対する破壊靭性に優れた材料特性を得る。 【解決手段】セラミックス基繊維複合材料を、反応焼結
で形成されたＳｉＣを主相とするセラミックスのマトリ
ックス１と、このマトリックス１中に複合化させたＳｉ
Ｃを主相とするセラミックスの繊維２とで構成する。こ
の繊維２とマトリックス１との間に界面層（ＢＮ層）を
配置する。繊維２を、材料内部Ｆ１よりも材料表面の少
なくとも一部を含む表層部Ｆ２で均質に分布させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、セラミックス基
繊維複合材料に係り、特にマトリックスとして反応焼結
で形成された緻密質の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた複
合材料の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、セラミックス焼結体は、高温ま
での強度低下が少なく、硬度、電気絶縁性、耐摩耗性、
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。

【０００３】しかし、このセラミックス焼結体は、圧縮
応力に比べて引張り応力に弱く、この引張り応力下で破
壊が一気に進行する、いわゆる脆性という欠点を有して
いるため、このような脆性を改善して高靭性化や破壊エ
ネルギーの増大を図ることが適用対象によっては必要と
なる。このような脆性改善の試みは、耐熱性及び高温強
度に加え、特に高信頼性が要求されるガスタービン部
品、航空機部品、自動車部品等のセラミックス構造部品
への適用に際し、強く要請されている。

【０００４】そこで、このような要請を受けて、破壊靭
性値、破壊エネルギー値、耐熱衝撃性等の向上を志向し
たセラミックス焼結体として、無機物質や金属からなる
繊維、ウィスカー、プレート、粒子等の複合素材をマト
リックス中に分散複合化させて形成したセラミックス基
複合材料が脚光を浴び、この実用化研究が内外の研究機
関等において精力的に進められている。特に、繊維を複
合化させてセラミックス基繊維複合材料とした場合に
は、破壊抵抗の改良効果が大きいため、その実用化が期
待されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のセラミックス基
繊維複合材料では、モノリシックセラミックスと比べる
と繊維の複合化による破壊抵抗の改良効果で材料全体の
破壊エネルギーが大きくなるといった利点があるもの
の、これとは逆に、繊維の存在下で材料全体の初期マト
リックス破壊強度が低下するといった傾向があった。こ
の傾向は、破壊抵抗の改良効果をより一層発揮させるた
めにマトリックスと繊維との間に窒化ホウ素（ＢＮ）層
等の界面層を配置した場合でも、同様であった。

【０００６】例えば、初期マトリックス破壊強度以下の
応力域は、損傷が殆ど発生しない弾性域とほぼ見做さ
れ、この範囲内では応力負荷に起因して損傷が進行する
といった時間依存の特性劣化が殆ど生じない。このこと
から、この初期マトリックス破壊強度が低いことは、低
い負荷応力レベルから損傷が進行して特性劣化しやすい
ことを意味し、部品設計上等の観点から好ましいもので
はない。

【０００７】そこで、初期マトリックス破壊強度を高め
る有効な対策の１つとして、マトリックスを緻密化する
方法が知られている。例えば、耐熱性等に優れた高温材
料として近年脚光を浴びているＳｉＣをマトリックス主
相に適用する場合には、緻密質セラミックスを形成可能
な反応焼結法が望ましい。

【０００８】ところが、緻密質セラミックスである反応
焼結ＳｉＣをマトリックスに適用しようとすると、材料
（部品）表面がモノリシックセラミックスの特性に支配
されやすく、その材料表面での初期クラック発生に対す
る破壊靭性が低下するといった問題があった。このこと
は、材料表面近傍の微小局所領域で飛翔体の衝撃を受け
たときに、その衝撃力に伴う損傷が内部に深く進展した
り、いわゆるチッピング等の損傷が発生しやすい等の微
小局所領域の耐損傷性に問題があることを意味し、この
ために実用化可能な対象部品が限定されるといった不都
合があった。

【０００９】一方、上記のように反応焼結ＳｉＣをマト
リックスに適用して初期マトリックス破壊強度を高めよ
うとすると、今度は逆に材料全体の破壊エネルギーが低
下するといった傾向があった。破壊エネルギーが低下す
ることは、部品信頼性又は損傷許容性等の観点から好ま
しいものではない。この傾向は、上述の界面層を設けた
場合でも同様であった。

【００１０】従って、従来の破壊エネルギーが大きなセ
ラミックス基繊維複合材料の大部分は初期マトリックス
破壊強度が比較的低い値を示し、その初期マトリックス
破壊強度を改善すれば破壊エネルギーが低下するといっ
た傾向があるため、この両者を同時に向上させた材料特
性を得ることが困難となっていた。このため、実用化可
能な対象部品も限定されるといった不都合があった。

【００１１】また、上記のように初期マトリックス破壊
強度の改善に伴って耐損傷性や破壊抵抗が低下してしま
うと、セラミックスの優れた耐環境性についても、必ず
しも十分に発揮させることができない。

【００１２】この発明は、このような従来の問題を考慮
してなされたもので、反応焼結で形成されたＳｉＣをマ
トリックス材料に適用した場合でも、部品表面の初期ク
ラック発生に対する破壊靭性に優れた材料特性を得るこ
とを、第１の目的とする。

【００１３】また、この発明は、反応焼結で形成された
ＳｉＣをマトリックス材料に適用した場合でも、大きな
破壊エネルギーと大きな初期マトリックス破壊強度とを
同時に備えた材料特性を得ることを、第２の目的とす
る。

【００１４】さらに、この発明は、反応焼結で形成され
たＳｉＣをマトリックス材料に適用した場合にセラミッ
クスの優れた耐環境性を十分に発揮させることを、第３
の目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するため、ガスタービン部品等のセラミックス構造
部品への適用性を考慮に入れて部品形状対応性に優れた
繊維束等の織物構造体を繊維として採用し、反応焼結で
形成されたＳｉＣをマトリックス材料に適用した場合の
破壊靭性を向上させる改善策について種々の研究を行っ
てきた。

【００１６】その結果、織物の場合には、マトリックス
中に繊維が均質に分布しないで材料内部の繊維間隔がば
らつくといった織物特有の繊維分布特性があり、その繊
維間に形成されるマトリックスの大きさが不均一となる
こと、特にマトリックスの大きな部分が部品表面近傍に
存在すれば、その表面で発生する損傷が内部に深く進展
しやすい事実を見出した。

【００１７】このことから、部品表面近傍の微小局所領
域の耐損傷性を改善するには、部品表面近傍の繊維を部
品内部の繊維よりも均質に分布させることが有効である
との知見を得た。

【００１８】従って、この発明に係るセラミックス基繊
維複合材料は、反応焼結で形成されたＳｉＣを主相とす
るマトリックスと、このマトリックス中に複合化させた
セラミックスの繊維とで成り、この繊維は、材料表面の
少なくとも一部を含む表層部で材料内部よりも均質に分
布することを特徴とする。

【００１９】材料表面の少なくとも一部とは、例えば耐
応力又は耐環境性が要求される条件下で少なくとも主要
な仕事が行われる有効仕事面を含むものである。

【００２０】このように繊維分布特性を表層部と材料内
部とで制御することにより、部品表面近傍の微小局所領
域で発生する損傷の進展を材料表面の表層部内で有効に
阻止できることから、微小局所領域の耐損傷性にも優れ
た特性が得られる。

【００２１】別の態様によれば、この発明は、前記繊維
とマトリックスとの間に当該マトリックスに対して上記
繊維のすべりを発現可能な界面層が存在することを特徴
とすする。この界面層の存在下で、繊維及びマトリック
ス間の界面状態が適性に制御され、その両者の結合力を
弱めて繊維のプルアウトやブリッジング等の複合効果を
より一層発揮させることができる。

【００２２】前記材料内部に分布する繊維は、望ましく
は繊維束で構成された織物構造体で成るものとする。こ
の織物構造体によれば、部品形状対応性に優れ、対象部
品の適用範囲をより一層広くすることができる。

【００２３】前記表層部に分布する繊維は、望ましく
は、１）：開繊された繊維束、２）：前記材料内部に分
布する繊維よりも少ない本数の繊維束で構成された織物
構造体、３）：前記材料内部に分布する繊維よりも細径
の繊維、４）：実質的に単繊維の配列構造で構成された
繊維のいずれか又はその組合せで成るものとする。これ
により、材料内部の繊維よりも均質に分布させることが
できる。

【００２４】また、本発明者は、上記目的を達成するた
め、特にセラミックスの優れた耐環境性を十分に発揮さ
せる改善策について研究してきたところ、反応焼結で形
成されたＳｉＣをマトリックス材料に適用するほか、材
料表面に５０μｍ以上のマトリックス層又はモノシリッ
クセラミックス層を形成することが有効であるとの知見
を得た。

【００２５】即ち、この発明では、前記表層部の材料表
面にコート層を設け、このコート層を、前記反応焼結で
形成されたＳｉＣを主相とするマトリックス又はモノリ
シックセラミックスで構成したことを特徴とする。前記
コート層の厚さは、望ましくは５０μｍ以上とする。

【００２６】また、本発明者は、上記目的を達成するた
め、反応焼結で形成されたＳｉＣをマトリックス材料に
適用した場合に破壊抵抗を向上させる対策について種々
の研究を行ってきたところ、繊維とマトリックスとの結
合強度を界面層の存在下で制御して部品表面で部品内部
よりも大きくなるように制御することにより、特に部品
表面部の破壊エネルギーを改善すれば、材料全体として
は、反応焼結ＳｉＣで初期マトリックス破壊強度を高め
つつ、破壊抵抗を殆ど低下することなく改善できるとの
知見を得た。

【００２７】即ち、この発明に係るセラミックス基繊維
複合材料は、反応焼結で形成されたＳｉＣを主相とする
マトリックスと、このマトリックス中に複合化させたセ
ラミックスの繊維とで成り、この繊維とマトリックスと
の間に当該マトリックスに対して上記繊維のすべりを発
現可能な界面層が存在すると共に、この界面層は、材料
表面の少なくとも一部を含む表層部で材料内部よりも界
面せん断強度が小さいことを特徴とする。これは、例え
ば界面層の厚さを前記表層部で材料内部よりも大きいも
のとすることで制御できる。

【００２８】この場合でも、上記と同様に耐環境性の観
点から、材料表面に５０μｍ以上のマトリックス層又は
モノシリックセラミックス層を形成することが望ましい
と考えられる。

【００２９】即ち、本件の他の発明では、前記表層部の
材料表面にコート層を設け、このコート層を、前記反応
焼結で形成されたＳｉＣを主相とするマトリックス又は
モノリシックセラミックスで構成している。前記コート
層の厚さは、望ましくは５０μｍ以上である。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係るセラミック
ス基繊維複合材料の実施形態を具体的に説明する。

【００３１】（第１実施形態）実施例１ 実施例１では、直径１４μｍのＳｉＣ系セラミックス繊
維（日本カーボン株式会社製、商品名：ハイニカロン）
を５００本、ヤーンとして束ねた繊維束（５００Ｆ／
Ｙ）で、この繊維束のモノフィラメント表面にＣＶＤ法
を用いて厚さ０．４μｍのＢＮ層（界面層）を形成した
ものを準備した。この繊維束を製織して平織クロスと、
開繊処理を施した平織クロスとを作製した。

【００３２】次いで、平織クロスを材料内部を成す繊維
として５枚積層し、この積層体を挟む両側に表層部を成
す繊維として開繊処理を施した平織クロスを２枚づつ積
層して合計９枚の平織クロスの積層体（織物構造体）を
多孔質樹脂製成形型にセットし（繊維体積率（Ｖｆ＝２
７％））、セラミックス原料のスラリーを含浸させ、成
形して乾燥させて成形体を得た。ここで、スラリーとし
て、中心粒径１μｍのＳｉＣ粉末（７０ｗｔ％）及びカ
ーボンブラック（３０ｗｔ％）を固形分としたときに、
この固形分（５０ｗｔ％）に純水（４７ｗｔ％）及び界
面活性剤（３ｗｔ％）を混合したものを使用した。

【００３３】次いで、上記の成形体をＳｉ溶融金属（純
度９９．９％）に接触させ、真空中で５ｈｒ、１４３０
℃に加熱して溶融含浸させることにより、図１に示すよ
うに、反応焼結ＳｉＣのマトリックス１中に界面層を含
む繊維２が複合化されると共に、その繊維２が材料内部
Ｆ１よりも材料表面を含む表層部Ｆ２で均質に分布する
セラミックス基繊維複合材料が得られた（図中では便宜
上、界面層を省略した）。比較のため、従来の場合のセ
ラミックス基繊維複合材料の模式断面図を図２に示す。

【００３４】従って、この複合材料は、緻密な反応焼結
ＳｉＣのマトリックス１により初期マトリックス破壊強
度を高めつつ、図１及び図２に示すように、材料内部Ｆ
１と表層部Ｆ２との互いの繊維分布特性の違いにより、
従来と比べて材料表面で発生した亀裂（初期クラック）
ＣＫの材料内部Ｆ１への進展をより表面に近い表層部Ｆ
２で阻止できることから、部品表面の微小局所領域の耐
損傷性にも優れた特性を備えたものとなった。

【００３５】この複合材料の特性を別の観点から考えて
みる。即ち、マトリックス１を介して材料表面から内部
に進展する亀裂を４本の繊維２を介して阻止可能な場合
を想定すると、図３に示す従来の場合では、表層部での
繊維分布が不均一であり、繊維２が不規則にばらつく。
その結果、深さ方向に隣接する繊維２の間隔が全て異な
るため、その間隔の比較的大きな部分に形成されたマト
リックス１を介して亀裂が表層部を越えて内部の深い範
囲Ｐ１まで進展しやすい。これに対し、図４に示す本発
明の場合には、表層部での繊維分布が均質であり、繊維
２が略均等な間隔で配列している。その結果、深さ方向
に隣接する繊維２の間隔が略同様に揃うため、表層部内
の比較的浅い範囲Ｐ２で亀裂の進展を阻止できる。

【００３６】そこで、この複合材料の特性を検証するた
め、所定サイズの試験片を切り出し、各種試験を行っ
た。

【００３７】その結果、下記の表１に示すように、得ら
れた複合材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ
強度については、初期マトリックス破壊強度σ１が２０
０ＭＰａ、最大強度σ２が４８０ＭＰａであり、３点曲
げ試験の荷重変位曲線に基づく破壊エネルギーを調べた
ところ、有効破壊エネルギーγが６．５ｋＪ／ｍ² であ
り、破壊は完全な破断まで一気に至らない複合材料特有
の安定的な破壊挙動を示した。ここで、複合材料のσ
１、σ２、γの関係を図５に示す（図中の曲線で囲まれ
た部分の面積がγに相当する）。

【００３８】また、φ５ｍｍの窒化ケイ素球を圧子とし
て２５kg重の荷重を印荷したときの亀裂発生状態を透過
Ｘ線写真で観察し、損傷領域の大きさを測定したとこ
ろ、約１０．０ｍｍであった。

【００３９】実施例２ 実施例２では、実施例１と同様の繊維束（５００Ｆ／
Ｙ）と、この繊維束を分糸して２５０本のヤーンとした
繊維束（２５０Ｆ／Ｙ）とを使用し、この２種の繊維束
から個別に平織クロスを製織した。この後に繊維束（５
００Ｆ／Ｙ）の平織クロスを材料内部を成す繊維として
５枚積層し、この積層体を挟む両側の夫々に表層部を成
す繊維として分糸した繊維束（２５０Ｆ／Ｙ）の平織ク
ロスを２枚積層し、合計９枚の平織クロスの積層体から
上記と略同様のプロセスでセラミックス基繊維複合材料
を取得し、その切り出し試験片に対して上記と同様の試
験を行った。

【００４０】その結果、表１に示すように、得られた複
合材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度に
ついては、σ１が２１０ＭＰａ、σ２が４７０ＭＰａで
あり、有効破壊エネルギーγが６．５ｋＪ／ｍ² であ
り、破壊は完全な破断まで一気に至らない複合材料特有
の安定的な破壊挙動を示した。また、実施例１と同様に
亀裂発生状態を測定したところ、約８．２ｍｍであっ
た。

【００４１】実施例３ 実施例３では、実施例１と同様のモノフィラメント直径
が１４μｍの繊維束と、直径８．５μｍのＳｉＣ系セラ
ミックス繊維（宇部興産株式会社製、商品名：チラノ）
を５００本、束ねてヤーンとし、そのモノフィラメント
表面にＣＶＤ法を用いて０．４μｍのＢＮ層を形成した
繊維束（５００Ｆ／Ｙ）とを使用し、この２種の繊維束
から個別に平織クロスを製織した。この後にモノフィラ
メント直径１４μｍの繊維束の平織クロスを材料内部を
成す繊維として５枚積層し、この積層体を挟む両側にモ
ノフィラメント直径が８．５μｍの平織クロスを表層部
を成す繊維として２枚積層し、合計９枚の平織クロスの
積層体から上記と略同様のプロセスでセラミックス基繊
維複合材料を取得し、その切り出し試験片に対して上記
と同様の試験を行った。

【００４２】その結果、表１に示すように、得られた複
合材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度に
ついては、σ１が２３０ＭＰａ、σ２が４７０ＭＰａで
あり、有効破壊エネルギーγが６．２ｋＪ／ｍ² であ
り、破壊は完全な破断まで一気に至らない複合材料特有
の準安定的な破壊挙動を示した。また、実施例１と同様
に亀裂発生状態を測定したところ、約７．１ｍｍであっ
た。

【００４３】実施例４ 実施例４では、実施例１と同様の繊維束（５００Ｆ／
Ｙ）と、この繊維糸を４本合糸して２０００本のヤーン
とした繊維束（２０００Ｆ／Ｙ）とを使用し、この２種
の繊維束から積層ブレーディング法を用いて円筒状プリ
フォームを作製した。このとき、円筒状プリフォームの
表層部を成す内周２層及びその外周２層を繊維束（５０
０Ｆ／Ｙ）で、また材料内部を成す内部４層を繊維束
（２０００Ｆ／Ｙ）で作製した。この後に円筒状プリフ
ォームから上記と略同様のプロセスでセラミックス基繊
維複合材料を取得し、その切り出し試験片に対して上記
と同様の試験を行った。

【００４４】その結果、表１に示すように、得られた複
合材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度に
ついては、σ１が１９０ＭＰａ、σ２が４５０ＭＰａで
あり、有効破壊エネルギーγが５．９ｋＪ／ｍ² であ
り、破壊は完全な破断まで一気に至らない複合材料特有
の準安定的な破壊挙動を示した。また、同様に亀裂発生
状態を測定したところ、約１２．５ｍｍであった。

【００４５】実施例５ 実施例５では、実施例４と同様の２種の繊維束を使用
し、この２種の繊維束から円筒状プリフォームを作製し
た。このとき、繊維束（５００Ｆ／Ｙ）からフィラメン
トワインディング法を用いて円筒状プリフォームの表層
部を成す内周２層及びその外周２層を、また繊維束（２
０００Ｆ／Ｙ）から積層ブレーディング法を用いて材料
内部を成す内部４層を作製した。この後に円筒状プリフ
ォームから上記と略同様のプロセスでセラミックス基繊
維複合材料を取得し、その切り出し試験片に対して上記
と同様の試験を行った。

【００４６】その結果、表１に示すように、得られた複
合材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度に
ついては、σ１が２３０ＭＰａ、σ２が４４０ＭＰａで
あり、有効破壊エネルギーγが６．１ｋＪ／ｍ² であ
り、破壊は完全な破断まで一気に至らない複合材料特有
の準安定的な破壊挙動を示した。また、同様に亀裂発生
状態を測定したところ、約１０．５ｍｍであった。

【００４７】比較例１ 比較例１では、上記実施例１と同様の開繊処理を施さな
い繊維束を材料内部及び表層部を成す共通の繊維として
使用し、その他の条件については実施例１と同様にし
た。

【００４８】その結果、表１に示すように、得られた複
合材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度に
ついては、σ１が１７０ＭＰａ、σ２が４８０ＭＰａで
あり、有効破壊エネルギーγが６．３ｋＪ／ｍ² を示し
た。また、実施例と同様にして亀裂発生状態を測定した
ところ、約１８．２ｍｍで、比較的大きな損傷領域を示
した。

【００４９】比較例２ 比較例２では、上記実施例２と同様の分糸しない繊維束
（５００Ｆ／Ｙ）を材料内部及び表層部を成す共通の繊
維として使用し、その他の条件については実施例２と同
様にした。

【００５０】その結果、表１に示すように、得られた複
合材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度に
ついては、σ１が１７０ＭＰａ、σ２が４８０ＭＰａで
あり、有効破壊エネルギーγが６．３ｋＪ／ｍ² を示し
た。また、同様に亀裂発生状態を測定したところ、約１
８．２ｍｍで、比較的大きな損傷領域を示した。

【００５１】比較例３ 比較例３では、上記実施例４と同様の合糸した繊維束
（２０００Ｆ／Ｙ）を材料内部及び表層部を成す共通の
繊維として使用し、その他の条件については実施例４と
同様にした。

【００５２】その結果、表１に示すように、得られた複
合材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度に
ついては、σ１が１５０ＭＰａ、σ２が４３０ＭＰａで
あり、有効破壊エネルギーγが４．８ｋＪ／ｍ² を示し
た。また、同様に亀裂発生状態を測定したところ、約１
９．３ｍｍで、比較的大きな損傷領域を示した。

【００５３】比較例４ 比較例４では、上記実施例５と同様の合糸した繊維束
（２０００Ｆ／Ｙ）を材料内部及び表層部を成す共通の
繊維として使用し、その他の条件については実施例５と
同様にした。

【００５４】その結果、表１に示すように、得られた複
合材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度に
ついては、σ１が１８０ＭＰａ、σ２が４２０ＭＰａで
あり、有効破壊エネルギーγが４．５ｋＪ／ｍ² を示し
た。また、同様に亀裂発生状態を測定したところ、約１
９．１ｍｍで、比較的大きな損傷領域を示した。

【００５５】

【表１】

【００５６】（第２実施形態）第２実施形態では、上記
実施例１と同様の条件で、得られた複合材料を加工する
際に、図６の模式断面図に示すように、表層部Ｆ２の表
面を覆うコート層Ｆ３として、クロス積層体の表面部に
マトリックス層を残し、その厚さを変えた複数の試験片
を作製し、上記と同様の試験を行った。

【００５７】実施例６ 実施例６では、マトリックス層（表面コート層）の厚さ
を３０μｍとした。その結果、下記の表２に示すよう
に、得られた複合材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³、室温
３点曲げ強度については、σ１が２２０ＭＰａ、σ２が
４８０ＭＰａであり、有効破壊エネルギーγが６．５ｋ
Ｊ／ｍ² を示した。また、亀裂発生状態は、約１３．８
ｍｍであり、マトリックス層が存在しない上記実施例１
と比べると、やや大きな損傷発生領域を示した。

【００５８】実施例７ 実施例７では、マトリックス層の厚さを５０μｍとし
た。その結果、表２に示すように、得られた複合材料の
密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度について
は、σ１が２３０ＭＰａ、σ２が４７０ＭＰａであり、
有効破壊エネルギーγが６．４ｋＪ／ｍ² を示した。ま
た、亀裂発生状態は、約１４．５ｍｍであり、マトリッ
クス層の厚さを大きくすることにより、やや大きな損傷
領域を示した。

【００５９】実施例８ 実施例８では、マトリックス層の厚さを８０μｍとし
た。その結果、表２に示すように、得られた複合材料の
密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度について
は、σ１が２３０ＭＰａ、σ２が４５０ＭＰａであり、
有効破壊エネルギーγが６．１ｋＪ／ｍ² を示した。ま
た、亀裂発生状態は、約１６．２ｍｍであり、マトリッ
クス層の厚さを大きくすることにより、やや大きな損傷
領域を示した。

【００６０】実施例９ 実施例９では、マトリックス層の厚さを１００μｍとし
た。その結果、表２に示すように、得られた複合材料の
密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度について
は、σ１が２５０ＭＰａ、σ２が４１０ＭＰａであり、
有効破壊エネルギーγが５．８ｋＪ／ｍ² であり、亀裂
発生状態は、約１９．０ｍｍであった。

【００６１】実施例１０ 実施例１０では、マトリックス層の厚さを２００μｍと
した。その結果、表２に示すように、得られた複合材料
の密度は３．１ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度について
は、σ１が２５０ＭＰａ、σ２が４００ＭＰａであり、
有効破壊エネルギーγが５．８ｋＪ／ｍ² であり、亀裂
発生状態は、約１９．１ｍｍであった。

【００６２】

【表２】

【００６３】その他として、マトリックス層の代わり
に、モノリシックセラミックス層を表層部のコート層と
して設けた場合も、上記と略同様の結果が得られた。

【００６４】（第３実施形態）実施例１１ 実施例１１では、上記実施例１と同様の繊維束を使用
し、そのモノフィラメント表面にＣＶＤ法を用いて厚さ
０．４μｍのＢＮ層を形成した繊維束と、厚さ０．８μ
ｍのＢＮ層を形成した繊維束とを作製し、この２種の繊
維束から個別に平織クロスを製織した。

【００６５】そして、厚さ０．４μｍのＢＮ層を形成し
た繊維束の平織クロスを材料内部を成す繊維として５枚
積層し、この積層体を挟む両側に厚さ０．８μｍのＢＮ
層を形成した繊維束の平織クロスを表層部を成す繊維と
して２枚積層し、合計９枚の平織クロスの積層体を多孔
質樹脂製成形型にセットし（繊維体積率（Ｖｆ＝２７
％））、これにセラミックス原料のスラリーを含浸さ
せ、成形して乾燥させて成形体を得た。スラリーとして
は、中心粒径１〜３μｍのＳｉＣ粉末（７０ｗｔ％）及
びカーボンブラック（３０ｗｔ％）を固形分としたとき
に、この固形分（５０ｗｔ％）に純水（４７ｗｔ％）及
び界面活性剤（３ｗｔ％）を混合したものを使用した。

【００６６】次いで、上記の成形体をＳｉ溶融金属（純
度９９．９％）に接触させ、真空中で５ｈｒ、１４３０
℃に加熱して溶融含浸させることにより、図７の模式断
面図で示すように、マトリックス１に反応焼結ＳｉＣを
合成させると共に、そのマトリックス１中に界面層（Ｂ
Ｎ層）を含む繊維２を複合化させ、その界面層の厚さを
材料内部Ｆ１よりも表層部Ｆ２で大きくしたセラミック
ス基繊維複合材料を得た（図中の符号３ａは表層部Ｆ２
の界面層、符号３ｂは材料内部Ｆ１の界面層を示す）。
比較のため、図８に従来の場合のセラミックス基繊維複
合材料の模式断面図を示す（図中の符号３は界面層を示
す）。

【００６７】従って、この複合材料は、緻密な反応焼結
ＳｉＣのマトリックス１により、材料全体の初期マトリ
ックス破壊強度を高めつつ、マトリックス１と繊維２と
の間の界面せん断強度が材料内部Ｆ１よりも表層部Ｆ２
で小さくなるように界面層３ａ、３ｂの厚さを制御した
ため、材料全体の破壊エネルギーを殆ど低下することな
く改善した特性を備えたものとなった。

【００６８】そこで、この複合材料の特性を検証するた
め、所定サイズの試験片を切り出し、各種試験を行っ
た。

【００６９】その結果、下記の表３に示すように、得ら
れた複合材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ であり、室温３
点曲げ強度を調べたところ、初期マトリックス破壊強度
σ１が１３０ＭＰａ、最大強度σ２が４８０ＭＰａ、有
効破壊エネルギーγが５．８ｋＪ／ｍ² であり、破壊は
完全な破断まで一気に至らない複合材料特有の安定的な
破壊挙動を示した。

【００７０】また、圧子印荷後の損傷発生領域を透過Ｘ
線写真で観察し、サイズを測定したところ、約８．５ｍ
ｍであった。

【００７１】更に、大気中で１３００℃、１０ｈｒ暴露
後（以下、「１３００℃暴露後」）の３点曲げ強度を調
べたところ、σ１が１７０ＭＰａ、σ２が３８０ＭＰ
ａ、γが４．１ｋＪ／ｍ² であった。

【００７２】実施例１２ 実施例１２では、実施例１１と同様の厚さ０．４μｍの
ＢＮ層を形成した繊維束と、ＢＮにＣを組み合わせたＣ
ＶＤ法を用いて、繊維束のモノフィラメント表面に厚さ
０．４μｍのＢＮ層及びこのＢＮ層の中央部に厚さ１０
ｎｍのＣ層を中間層として介在させた繊維束とを使用
し、この２種の繊維束から個別に平織クロスを製織し
た。

【００７３】次いで、ＢＮ層を形成した繊維束の平織ク
ロスを材料内部を成す繊維として５枚積層し、この積層
体を挟む両側に、ＢＮ層にＣ層を介在させた繊維束の平
織クロスを表層部を成す繊維として２枚積層し、合計９
枚の平織クロスの積層体から上記と略同様のプロセスを
用いてセラミックス基繊維複合材料を取得し、その切り
出し試験片に対して上記と同様の試験を行った。

【００７４】その結果、表３に示すように、得られた複
合材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度に
ついては、σ１が１７０ＭＰａ、σ２が４７０ＭＰａ、
γが６．２ｋＪ／ｍ² であり、破壊は完全な破断まで一
気に至らない複合材料特有の安定的な破壊挙動を示し
た。

【００７５】また、実施例１１と同様に測定した亀裂発
生状態は約８．１ｍｍであった。

【００７６】従って、マトリックスと繊維との間の結合
強度の制御については、界面層にＣ層等の中間層を介在
させることにより、上述の界面層の厚さを変える方法と
略同様の結果が得られた。

【００７７】比較例５ 比較例５では、厚さ０．４μｍのＢＮ層を形成した繊維
束の平織クロスを材料内部及び表層部を成す共通の繊維
として使用し、その他については上記実施例１１と同様
の条件とした。その結果、この比較例５では、表３に示
すように、得られた複合材の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、
室温３点曲げ強度については、σ１が１７０ＭＰａ、σ
２が４８０ＭＰａ、γが６．３ｋＪ／ｍ² であった。ま
た亀裂発生状態を同様に測定したところ、約１８．２ｍ
ｍであった。

【００７８】

【表３】

【００７９】（第４実施形態）第４実施形態では、上記
実施例１１と同様の条件で、得られた複合材料を加工す
る際に、図９の模式断面図に示すように、表層部Ｆ２の
表面を覆うコート層Ｆ３として、クロス積層体の表面部
にマトリックス層を残し、その厚さを変えた複数の試験
片を作製し、上記と同様の試験を行った。

【００８０】実施例１３ 実施例１３では、マトリックス層の厚さを３０μｍとし
た。その結果、下記の表４に示すように、得られた複合
材料の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度につ
いては、σ１が２００ＭＰａ、σ２が４９０ＭＰａであ
り、有効破壊エネルギーγは６．９ｋＪ／ｍ² であり、
破壊は完全な破断まで一気に至らない複合材料特有の準
安定的な破壊挙動を示した。また、１３００℃、１０ｈ
ｒ暴露後の３点曲げ強度については、σ１が２００ＭＰ
ａ、σ２が４５０ＭＰａ、γが６．０ｋＪ／ｍ² であ
り、マトリックス層が存在しない上記実施例１１と比べ
ると、耐酸化性について改良効果を示した。

【００８１】実施例１４ 実施例１４では、マトリックス層の厚さを５０μｍとし
た。その結果、表４に示すように、得られた複合材料の
密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度について
は、σ１が２１０ＭＰａ、σ２が５００ＭＰａであり、
有効破壊エネルギーγは６．８ｋＪ／ｍ² であり、破壊
は完全な破断まで一気に至らない複合材料特有の準安定
的な破壊挙動を示した。また、１３００℃暴露後の３点
曲げ強度については、σ１が２００ＭＰａ、σ２が４６
０ＭＰａ、γが６．０ｋＪ／ｍ² であり、マトリックス
層の厚さを大きくすることにより、耐酸化性が向上する
傾向を示した。

【００８２】実施例１５ 実施例１５では、マトリックス層の厚さを８０μｍとし
た。その結果、表４に示すように、得られた複合材料の
密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度について
は、σ１が２１０ＭＰａ、σ２が４８０ＭＰａであり、
有効破壊エネルギーγは６．８ｋＪ／ｍ² であり、破壊
は完全な破断まで一気に至らない複合材料特有の準安定
的な破壊挙動を示した。また、１３００℃暴露後の３点
曲げ強度については、σ１が２００ＭＰａ、σ２が４４
０ＭＰａ、γが５．９ｋＪ／ｍ² を示した。

【００８３】実施例１６ 実施例１６では、マトリックス層の厚さを１００μｍと
した。その結果、表４に示すように、得られた複合材料
の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度について
は、σ１が２５０ＭＰａ、σ２が４９０ＭＰａであり、
有効破壊エネルギーγが６．８ｋＪ／ｍ² であり、１３
００℃暴露後の３点曲げ強度については、σ１が２４０
ＭＰａ、σ２が４７０ＭＰａ、γが６．０ｋＪ／ｍ² で
あった。

【００８４】実施例１７ 実施例１７では、マトリックス層の厚さを２００μｍと
した。その結果、表４に示すように、得られた複合材料
の密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度について
は、σ１が３００ＭＰａ、σ２が４２０ＭＰａであり、
有効破壊エネルギーγは、６．２ｋＪ／ｍ² であり、１
３００℃暴露後の３点曲げ強度については、σ１が３０
０ＭＰａ、σ２が４００ＭＰａ、γが５．５ｋＪ／ｍ²
であった。

【００８５】実施例１８ 実施例１８では、マトリックス層の厚さを１００μｍと
し、その他については上記実施例１２と同様の条件とし
た。その結果、表４に示すように、得られた複合材料の
密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度について
は、σ１が２５０ＭＰａ、σ２が４９０ＭＰａであり、
有効破壊エネルギーγは６．８ｋＪ／ｍ²であり、１３
００℃暴露後の３点曲げ強度については、σ１が２４０
ＭＰａ、σ２が４７０ＭＰａ、γが５．８ｋＪ／ｍ² で
あった。

【００８６】その他として、上記実施例１２と同様の条
件で、マトリックス層の厚さを３０、５０、８０、１０
０、２００μｍとした場合についても、その各厚さに対
応して、上記実施例１３〜１７（１６を除く）と略同様
の結果が得られた。

【００８７】また、マトリックス層の代わりに、モノリ
シックセラミックス層を表層部のコート層として設けた
場合も、上記と略同様の結果が得られた。

【００８８】比較例６ 比較例６では、マトリックス層の厚さを１００μｍと
し、その他については上記比較例５と同様の条件とし
た。その結果、表４に示すように、得られた複合材料の
密度は３．０ｇ／ｃｍ³ 、室温３点曲げ強度について
は、σ１が２５０ＭＰａ、σ２が４００ＭＰａであり、
有効破壊エネルギーγは５．２ｋＪ／ｍ² であり、１３
００℃暴露後の３点曲げ強度については、σ１が２５０
ＭＰａ、σ２が３８０ＭＰａ、γが４．８ｋＪ／ｍ² を
示した。

【００８９】

【表４】

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、材料表面の少なくとも一部を含む表層部で材料内部
よりも繊維が均質に分布するように、例えば表層部の繊
維を開繊された繊維等で構成したため、反応焼結で形成
されたＳｉＣを主相とするマトリックスで初期マトリッ
クス破壊強度を高めつつ、特に表層部の繊維分布特性に
より、部品表面の初期クラック発生に対する破壊靭性に
優れた材料特性が得られる。従って、部品表面近傍の微
小局所領域の耐損傷性が大幅に改善されることから、部
品信頼性及び損傷許容性をより一層高め、対象部品への
適用範囲を更に拡大することができる。

【００９１】また、別の態様によれば、この発明では、
材料表面の少なくとも一部を含む表層部で材料内部より
も界面層の界面せん断強度が小さくなるように、例えば
界面層の厚さを表層部で材料内部よりも大きくなるよう
に制御したため、反応焼結で形成されたＳｉＣを主相と
するマトリックスで初期マトリックス破壊強度を高めつ
つ、特に表層部の界面層により、材料全体の破壊エネル
ギーを改善できる。従って、大きな破壊エネルギーと大
きな初期マトリックス破壊強度とを同時に備えた材料特
性が得られ、対象部品への適用範囲を広くすることがで
きる。

【００９２】さらに、この発明において、表層部の材料
表面をコート層で被覆すれば、セラミックスの優れた耐
環境性をより一層発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るセラミックス基繊維複合材料
で、繊維分布が表層部で均質な場合の概念を説明する概
略断面図。

【図２】繊維分布が不均一な場合の概念を説明する概略
断面図。

【図３】繊維分布が不均一な場合の説明図。

【図４】繊維分布が均質な場合の説明図。

【図５】初期マトリックス破壊強度、最大強度、破壊エ
ネルギーの関係を示す説明図。

【図６】表層部にコート層を設けた場合の概念を説明す
る概略断面図。

【図７】この発明に係る別のセラミックス基繊維複合材
料で、界面層の厚さを表層部で厚くした場合の概念を説
明する概略断面図。

【図８】界面層の厚さが一定の場合の概念を説明する概
略断面図。

【図９】表層部にコート層を設けた場合の概念を説明す
る概略断面図。

【符号の説明】

１ マトリックス ２ 繊維 ３ａ、３ｂ 界面層 Ｆ１ 材料内部 Ｆ２ 表層部 Ｆ３ コート層

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０４Ｂ 35/56 １０１Ｘ 35/80 Ｇ (72)発明者 早川 義則 神奈川県川崎市川崎区日進町７番地１ 東 芝電子エンジニアリング株式会社内

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応焼結で形成されたＳｉＣを主相とす
   るマトリックスと、このマトリックス中に複合化させた
   セラミックスの繊維とで成り、この繊維は、材料表面の
   少なくとも一部を含む表層部で材料内部よりも均質に分
   布することを特徴とするセラミックス基繊維複合材料。
2. 【請求項２】 前記繊維とマトリックスとの間に当該マ
   トリックスに対して上記繊維のすべりを発現可能な界面
   層が存在する請求項１記載のセラミックス基繊維複合材
   料。
3. 【請求項３】 前記材料内部に分布する繊維は、繊維束
   で構成された織物構造体で成る請求項１又は２記載のセ
   ラミックス基繊維複合材料。
4. 【請求項４】 前記表層部に分布する繊維は、開繊され
   た繊維束で成る請求項３記載のセラミックス基繊維複合
   材料。
5. 【請求項５】 前記表層部に分布する繊維は、前記材料
   内部に分布する繊維よりも少ない本数の繊維束で構成さ
   れた織物構造体で成る請求項３記載のセラミックス基繊
   維複合材料。
6. 【請求項６】 前記表層部に分布する繊維は、前記材料
   内部に分布する繊維よりも細径の繊維で構成された織物
   構造体で成る請求項３記載のセラミックス基繊維複合材
   料。
7. 【請求項７】 前記表層部に分布する繊維は、実質的に
   単繊維の配列構造で構成された繊維で成る請求項３記載
   のセラミックス基繊維複合材料。
8. 【請求項８】 前記表層部の材料表面にコート層を設
   け、このコート層を、前記反応焼結で形成されたＳｉＣ
   を主相とするマトリックス又はモノリシックセラミック
   スで構成した請求項１乃至７のいずれか１項記載のセラ
   ミックス基繊維複合材料。
9. 【請求項９】 前記コート層の厚さは、５０μｍ以上で
   ある請求項８記載のセラミックス基繊維複合材料。
10. 【請求項１０】 反応焼結で形成されたＳｉＣを主相と
    するマトリックスと、このマトリックス中に複合化させ
    たセラミックスの繊維とで成り、この繊維とマトリック
    スとの間に当該マトリックスに対して上記繊維のすべり
    を発現可能な界面層が存在すると共に、この界面層は、
    材料表面の少なくとも一部を含む表層部で材料内部より
    も界面せん断強度が小さいことを特徴とするセラミック
    ス基繊維複合材料。
11. 【請求項１１】 前記界面層の厚さは、前記表層部で材
    料内部よりも大きい請求項１０記載のセラミックス基繊
    維複合材料。
12. 【請求項１２】 前記表層部の材料表面にコート層を設
    け、このコート層を、前記反応焼結で形成されたＳｉＣ
    を主相とするマトリックス又はモノリシックセラミック
    スで構成した請求項１０又は１１記載のセラミックス基
    繊維複合材料。
13. 【請求項１３】 前記コート層の厚さは、５０μｍ以上
    である請求項１２記載のセラミックス基繊維複合材料。