JPS6287466A - セラミツクマトリクスに金属フアイバが一体結合された高靭性セラミツク基複合材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 圧延ロール、連鋳ロールなどの高温製鉄部品、その他、
耐摩耗性および耐熱性とともに、高靭性が要求される部
品等に適用する。

（従来の技術） セラミックは耐摩耗性、耐熱性および耐腐食性において
、金属材料に比べて著しく優れており、かつ比重が小さ
いなど、極めて魅力的な特性を有しており、古くから民
生用としては広く利用されてきた。しかしながら、強度
的には極めて脆弱なため、上記のような優れた特性にも
拘らず、構造体や重要部品に対する実際の利用範囲は限
られたものであった。これに対し、エネルギー危機以後
、省ネを目的とした超耐摩耗耐熱性材料が求められるよ
うになったため、セラミックの靭性を改善しようとする
努力が精力的になされて来た。これには大きく分けて２
つの流れがある。

１つはいわゆるファインセラミンクと言われるもので、
原料となるセラミックの粉末を微細化して緻密な成形体
を作ろうとするものであり、他の１つは別の材料と複合
化することによって靭性を向上させることを狙ったもの
である。前者の場合、ホットプレスやＨＩＰ技術の進歩
により、曲げ強度に関しては従来のものに比べると約１
０倍の強度が得られるようになった。しかしながら、そ
の強度にはバラツキが大きく、また、強度が試験片のサ
イズに極めて敏感である。また、セラミック自身に塑性
変形能が極めて乏しいため、小さな欠陥や不純物からた
だちに急速な脆性破壊を生じ、また、金属材料の様に局
部的に集中する応力をＷ性変形によって緩和できないた
め、設計に細心の注意を要する。これらの事柄によりセ
ラミックは構造材としては信軌性が低く、金属材料にと
って代る状況には至っていない。

一方、複合化の場合については、始めは炭素繊維やＳｉ
Ｃウィスカなどのセラミック系繊維で複合化する方法が
取られた。これはガラスなどのマトリクスに対しては著
しい効果があったが、八β２０３やＳｔ　３　Ｎ４１　
　Ｚｒ０２といった主要な高強度セラミックに対しては
顕著な改善は得られていない。これは、単純に言えば強
化繊維自身が脆性的であることが原因と考えられる。そ
こで、延性のある金属繊維で複合化する試みもなされて
いる。Ｓｉ３Ｎ＊基Ｔａ、　Ｓｉ　：ｉ　Ｎ４基Ｗファ
イバ強化複合材などがある。

しかし、Ｓｉ　３Ｎ４／Ｗ　　Ｆ　ＲＣではＷファイツ
マが舅危性的に破壊するため、期待された効果は得られ
ていない。

これは成形中にＷファイバがＳｉ３Ｎ＊と反応してＷ３
Ｓｉ２を生成して劣化するためとされている。

一方、Ｓｉ　３　Ｎｔ／Ｔａ　　Ｆ”　ＲＣではシャル
ピー衝撃値では顕著な改善が得られたとする報告がある
が（参考文献：　Ｂｒｅｎｎａｎ　Ｊ、Ｊ、５ｐｅｃｉ
ａｌ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ６　”　ｐｐ　１２３−１３４
　（１９７５）　）　、Ｔａのヤング率がセラミックの
それより著しく低いため、強度は逆に低下している。ま
た、破壊に際し、クランクが金属繊維の方向にも伝声す
るため、セラミックが欠落ち、複合材全体がバラバラに
なるという欠点がある。セラミック複合材も構造＋Ａと
して使用された例はきわめて少ない。

このように、セラミック複合材も構造材としていまだ完
成された域に達していない。

（発明が解決しようとする問題点） セラミック材料の最大の欠点は脆いということである。

これは材料が小さなエネルギーで破壊することを意味し
ている。これは小さな応力で破壊が発生することと、一
旦発生したき裂が容易に一気に進展して素材全体が破壊
することを示す。

セラミックは塑性変形能が極めて低いため、微小な欠陥
や不純物からき裂が発生する。強度を高めるためにはき
裂の発生をおさえる必要があり、このため欠陥や不純物
を微細化する必要がある。

現在構造用セラミックの開発において主流となっている
ファインセラミックスはこの考えに基づくもので、セラ
ミック原料粉末の微細化と高純度化およびＨＩＰ成形注
形法により、き裂発生の起点となる欠陥や不純物の低減
化を目的としている。

しかしながら、これらの改善方法ではき裂の発生強度が
不純物や欠陥の支配を受ける事情は変わらないので、素
材の有効体積によって強度レベルが異なることになる。

（起点となる欠陥等の存在確率が有効体積に比例するた
め）。また、一旦き裂が発生すると直ちに伝播して素材
全体の破壊に至る点も改善されず、構造材としての信顛
性は得られていない。

（問題点を解決するための手段） 本発明は前記問題点を解決したもので、セラミックマト
リクスに金属ファイバが一体結合された複合材において
、金属ファイバは連続蛇行する三角波状で屈曲部Ａの開
き角度θが７５°以上１６５゜の範囲とされ、蛇行幅ト
■とファイバ径ｄとの比ｄ／Ｈが０．０５以上０．７５
以下とされ、更に前記三角波状の蛇行部Ｂにおけるそれ
ぞれの頂点屈曲部Ａの曲率半径ρとファイバ径ｄとの比
ρ／ｄが１．５以上３以下の範囲にあり、前記形状とさ
れた金属ファイバの多数がセラミックに一体結合された
ことを特徴とするセラミックマトリクスに金属ファイバ
が一体結合された構成を採用したものである。

（作　用） 本発明は波型に加工した多数の金属ファイバがセラミッ
クのマトリクスに一体結合された複合材である。この複
合材にある一定以１−の応力が作用すると初めにマトリ
クス中に微小なき裂が発生ずる。このき裂はすぐ近傍の
ファイバに達すると、ファイバの方向によっては、ファ
イバに沿ってマトリクスとの界面を進むことになる。こ
れは界面の結合力はマトリクスおよび金属ファイバ自身
の強度より一般的に低いからである。一方、ファイバの
屈曲部Ａは第２図に示すファイバに沿って進展してきた
き裂を停止させる機能を有するから、屈曲部に沿ってそ
のまま進むには抵抗が大きく（元の方向へ逆戻りするこ
とになる）なり、また、そこから再びマトリクス中に本
来の方向に進展するには、そこまでのき裂の進展経路が
本来の進行方向（応力軸に垂直）から大きくずれている
ため、き裂を進展させる有効応力成分が減少するためで
ある。

（実施例） 本発明の１例としての強化複合材の構成を第１図に、フ
ァイバの形状を第２図で説明すると共に、ファイバ形状
を特定した理由を以下に説明する。

第１図において強化複合材ｌは八β２０３１　Ｓｉ　３
　Ｎ４゜ＺｒＯ２サイアロン等のセラミックをマトリク
ス３とし、これに靭性の高い金属ファイバ（Ｗ、　Ｍｏ
。

Ｔａ、　ＳＯ３等）２が一方向性をもって配向された複
合材として例示されている。

金属ファイバ２には三角波状に屈曲された蛇行部Ｂが形
成されている。これは紡糸された直線状素線を例えばプ
レス、又は外周面に歯形を有する対ロール回転体を用い
て形成することができる。

次に金属ファイバ２が強化材として作用するための適正
形状を定めるため丁記実験を行なった。

〈実験手順〉 １、素材　マトリクス　八β２０３（粉末）ファイバ Ｗ　φ０，１．φ０．２８φ０．５　Ｘ４０″Ｖｆ　＝
０．２ ２、成形法　ホントプレス法 ファイバは一方向に整列配合 １３５０℃×５００気圧 ３、試験法　抗折試験（’　６　ｘ４０１１Ｔ、Ｐ、）
上記実験結果の説明に先立って、本発明の複合材とセラ
ミック単体の破壊挙動の差異を例示する。

第３図は抗折試験における荷重とたわみの関係を示す。

セラミック単体では（ｉ）のように最大荷重までは荷重
が滑らかに上昇し最大荷重を過ぎると直ちに荷重は０に
なる。これは最大荷重点でき裂が発生し、直ちに破壊が
一気に進行したことを示す。これに対し、（ｉｉ　）で
は最大荷重を過ぎてたわみが増大しても荷重はあまり低
下せず一定のたわみ量に達した後、徐々に荷重が低下す
る。

これはき裂の進展が安定的に進行したことを意味してお
り、Ｘ軸（たわみ）と曲線で囲まれた面積は試験片を破
断するのに要したエネルギを示す。

このエネルギが大きいほど破壊しにくいことになる。

以下に述べるファイバ形状を定めるための実験において
は高い靭性が得られることを選定条件としたが、靭性の
指標として、この破壊エネルギを用いた。

はじめにファイバ形状のうち、屈曲部Ａの開き角度θの
鉦罪について述べる。本発明複合材に曲げ応力又は引張
り応力が作用すると、マトリクス中にき裂が発生し、応
力に垂直方向に進展する。

一方、マトリクス中には金属ファイバが多数一体化され
ているのでき裂は微少長さを伝播した後ファイバに達す
る。ファイバの長手方向がき裂の進行方向に対し適当な
範囲にあれば、き裂はファイバに沿ってファイバとマト
リクスの界面を進展する。一般的にファイバとマトリク
スの界面の強度はマトリクスのそれより低いからである
。一方、ファイバに沿って進展したき裂は屈曲部に達す
ると、条件によっては進展を停止する。ファイバが三角
波状に蛇行しているため、き裂が屈曲部を回ってさらに
ファイバに沿って進展するには抵抗が大きく、また、マ
トリクス中に本来の進行方向へ進展するには、そのため
の有効な応力成分が低下するからである。即ち、き裂が
ファイバに沿って進んでしまった結果、き裂の形状は局
所的に応力軸に対し斜めになっており、このため改めて
本来の方向（応力軸に９０°）進展させようとする場合
、有効な応力成分が低下するからである。

このような機構によると、屈曲部Ａの開き角度θの範囲
（以下屈曲角という）は、き裂をファイバに沿って進展
するよう導く効果と、導いたき裂を屈曲部で停止させる
効果によって決まると言える。ここで、き裂をファイバ
に沿って導くためには屈曲角θは小さい方が本来の進行
方向に近いので有利である。屈曲角θがあまり大きくな
ると、き裂はファイバに沿って進展しなくなるので、フ
ァイバによってき裂の進展を停止さることができなくな
る。一方、ファイバに沿って進展したき裂を屈曲部にて
停止させるには屈曲角θは大きい方が、本来の進行方向
（応力軸）からのずれが大きくなるため有効応力成分低
下の効果は大きい。従って、総合的にファイバの進展を
停止させる能力は両者のかねあいによって決まることが
わかる。

実験結果を第４図に示す。ここではファイバの体積率Ｖ
ｆおよび三角波型の高さＨは一定として、３種類の線径
に対し、ファイバの屈曲角θ（横軸）と複合材の破壊エ
ネルギ（縦軸）との関係を求めた。ファイバの線径ｄに
よってエネルギの絶対値は大きく異なっているが、各線
径ごとにエネルギを大きくとれる屈曲角θの範囲はおお
むね一致している。従って、有効な屈曲角θの範囲はフ
ァイバの形状をあまり受けないとして、下記の範囲を選
んだ。

７５°≦θ≦１６５゜ なお、線径によってエネルギの絶対値が異なるのはファ
イバの体積率Ｖｆを一定としているため複合材の単位体
積当たりのファイバの本数が異なるため、即ち屈曲点の
数が異なるためと考えられる。

第５図に実施例に示した本発明複合材の抗折試験後の試
験片の１例を示す。この状態を第３図に示したグラフと
対比させると、本発明複合材の延性的破壊挙動がよくわ
かる。

次にファイバの線径ｄと波の高さトｌについて検討した
。き裂の進展阻止能はｄとＨの比ｄ／Ｈによって決まる
と考えられる。ｄ／Ｈが１に近いと事実上直線ファイバ
と変わらなくなるので、き裂の進展比１ヒ能はあまり期
待されない。一方あまり小さくなると波型ファイバの直
線部分が長くなる。

き裂が直線部分を進展する際は脆性的であると考えられ
るので、この長さが大きくなると、１回の脆性的進展で
進む距離が長くなり、屈曲部での停止効果が相対的に低
下することになる。

第６図はファイバの体積率Ｖｆ　＝０．２．　　θ＝９
０゜を一定としてｄ／Ｈを変化させた場合の複合材の破
壊エネルギを求めたものである。複合材の成形条件等は
第４図の場合と同様にＡＩ！２０１／ｗである。

これより線径ｄによってエネルギの絶対値は異なるが、
エネルギを大きくできるｄ／Ｈの範囲はθおよびｄにか
かわりなくおおよそ一致している。

そこでｄ／Ｈの範囲を　０．０５≦ｄ／Ｈ≦０．７５と
した。

次に第７図を参照して頂点屈曲部Ａの曲率半径ρについ
て説明する。このρは応力集中がどの程度になるかで判
断すればよいから、応力集中率とρ／ｄの関係で示すこ
とができる。

ρ／ｄが１以下になると急激に応力集中率が増大し、又
ρ／ｄが３以上に大きくとってもあまり効果がないこと
がらρ／ｄは１．５以上３以下とされる。

なお、ここで応力集中率はファイバ自身の破断に関るば
かりでなく、ファイバに沿って進展して来たき裂が屈曲
部で再びマトリクス中に進展する際にマトリクスに新た
なき裂を発生させる場合の難易度にも関係する。即ち、
応力集中度が小さいほどき裂は再進展しにくくなる。（
ファイバとマトリクスが密着しているため、ファイバの
屈曲部の曲率はそのままマトリクスの曲率に一致する。

（発明の効果） 本発明はファイバの屈曲部が多数段けられ、また屈曲部
と屈曲部に囲まれた領域が多数存在することにより、き
裂はたとえ発生しても屈曲部間距離あるいは屈曲部に囲
まれた領域の寸法に対応する微小な距離だけ進展した後
、ただちに停止し、全体の破壊に至ることを防ぐことが
できる。このき裂を再び進展させるには、さらに負荷を
増大させる必要がある。このように、本発明に係る複合
材では、き裂は停止と再進展を繰り返しながら徐々に進
展することになるので、複合材全体を破断させるために
は多大のエネルギを消費することになり、靭性が著しく
向上することになる。

なお、１回の進展−停止のサイクルでき裂が進展する距
離は高々波高１］の程度であろう。実際にはファイバ同
士の重なり合いがあるので、これよりはるかに小さいと
考えられる。従って、この距離はファイバの体積率に依
存するであろう。なお、ファイバは多数が三次元的に分
布しているので、き裂の進行方向は局所的に異なること
になり、この結果、き装面には著しい凹凸が発生するこ
とになり、三次元的なき裂の凹凸はき裂進展に際し、さ
らに大きな抵抗となろう。

以上のように、本発明による複合材の強度や靭性は、き
裂の発生特性にはあまり依存せず、金属ファイバによる
き裂の進展阻止補力で決まることになり、不純物や欠陥
の影響が小さくなるので、特性は安定し、信頼性が向上
するとともに、靭性値そのものを必要に応じて設計する
ことも可能となる。

なお、従来技術にあるように、直線状の金属ファイバを
一体結合した場合、発生したき裂がファイバと交叉した
後、ファイバとマトリクスの界面に沿って進行するか、
ファイバに垂直に進展するため、その進行を阻止する能
力がなく、ファイバとマトリクスが完全にはく離して、
その結果、材料はバラバラとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の複合材の斜視説明図、第２図は本発明
に用いる金属ファイバの正面図、第３図は抗折試験にお
ける荷重とたわみの関係を示すグラフ、第４図は屈曲角
θと破壊エネルギの関係を示すグラフ、第５図は本発明
複合材とセラミック単体の抗折試験後のＴ、Ｐ、破断状
況を示した図面、第６図はｄ／Ｈと破壊エネルギの関係
を示すグラフ、第７図はρ／ｄと屈曲部応力集中率の関
係を示すグラフである。 １・・・複合材、２・・・金属ファイバ、３・・・マト
リクス、Ａ・・・屈曲部、Ｂ・・・蛇行部。 −％宴− （吟ｒｆ）　、４４ｊ峯敬 派　　　　　　査、ｒ’ｉ（ハ）必訃Ｖ（”／ｒ）　）
ｃｌ−と１１酪惇Ｖ 手続主甫正書（自発） 昭和６０年１１月１３日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックマトリクスに金属ファイバが一体結合さ
   れた複合材において、 金属ファイバは連続蛇行する三角波状で屈曲部Ａの開き
   角度θが７５°以上１６５°の範囲とされ、蛇行幅Ｈと
   ファイバ径ｄとの比ｄ／Ｈが０．０５以上０．７５以下
   とされ、 更に前記三角波状の蛇行部Ｂにおけるそれぞれの頂点屈
   曲部Ａの曲率半径ρとファイバ径ｄとの比ρ／ｄが１．
   ５以上３以下の範囲にあり、前記形状とされた金属ファ
   イバの多数がセラミックに一体結合されたことを特徴と
   するセラミックマトリクスに金属ファイバが一体結合さ
   れた高靭性セラミック基複合材。