JPS63288973A - 繊維強化セラミックスの製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、ガスタービン部品、ディーゼル部品など、高
温または腐食・摩耗性環境で使用されるセラミックスに
係り、特に強度と靭性を与えるべくセラミックスにセラ
ミック短繊維を加えた繊維強化セラミックスの製造方法
に関するものである。

［従来の技術］ エネルギ、素材、輸送などの分野で、ガスタービン部品
、ディーゼルエンジン部品、過給機部品、熱交換器部品
など高温または腐食・摩耗性環境で、強度と靭性を必要
とされる機械構造部品にはセラミックスの使用が期待さ
れている。

一般にセラミックス材料は、靭性が低いことが欠点とさ
れ、このセラミックスの靭性強化の最も有望な方法とし
て繊維強化、特に短Ｉ！雑による強化が研究されている
。

従来この強化方法は、セラミックスの粉と短繊維と、を
そのまま混合した侵、加圧焼結を行って繊維強化セラミ
ックスとしているが、このセラミックス中の短ｔｉｌｔ
の方向はランダムである。

［発明が解決しようとする問題点１ しかしながら、例えば回転機械部品など遠心力のかかる
方向に強度を要求されたりなど、特定の方向の荷重に対
して強度を要求される場合、分散繊維の方向がランダム
であると、すべての方向にある程度強度を向上できるが
、特定の方向の強度が思うように向上できない問題があ
る。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、。

特定の方向に対して強度を有する繊維強化セラミックス
の”ＩＪ　ｉ＆方法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段及び作用］本発明は、上
記の目的を達成するために、セラミック類ＩＩＭとマト
リックスを形成するセラミック原料粉とを分散液体中に
分散させて泥しようとなし、この泥しようを一面が多孔
質体で形成された型枠内に充填したのち、その型枠の多
孔質体に向って、上記泥しようを加圧して上記分散液体
を多孔質体を通して排出しながら上記セラミック短繊維
を多孔質体の面と平行に配向させてセラミック短繊維と
セラミック原料粉からなる成形体を形成し、しかる後に
マトリックスのセラミック原料粉を緻密化させるように
したものである。

このようにセラミック短繊維とセラミック原料粉とを分
散液に分散させて泥しよう化させ（泥しよう化工程）、
この泥しようを型枠内に充填したのち、その型枠の面に
形成した多孔質体に向けて静水圧式は遠心力で泥しよう
を加圧づることで分散液が多孔質体を通って排出され、
同時にその排出によりセラミック短繊維が多孔質体の面
と平行に配向される（加圧成形工程〉。従ってこの配向
されたセラミック短Ｉ！雑とセラミック原料粉からなる
成形体を緻密化させることで（緻密化工程）、特定の方
向の強度が優れた繊維強化セラミックスを得ることがで
きる。

以下本発明における泥しよう化工程、加圧成形工程及び
緻密化工程を各工程ごとに説明する。

（１）　　泥しよう工程 セラミック粉は、本発明の繊維強化セラミックスのマト
リックスを主として構成するものであり、本発明の最終
的な目的である機械構造材料としての強度、靭性等の特
性を満足するためには、炭化けい素、窒化けい素、アル
ミナ、ムライト、ジルコニア、またはそのいずれかを７
０％以上含むものであることが必要である。これらのセ
ラミック粉に対しては、例えば炭化けい素に対してほう
素、アルミニウム、炭素等、窒化けい素に対してアルミ
ナ、イツトリア、セリア、窒化アルミニウム等の添加に
より、焼結が促進されることが知られており、これらの
焼結促進剤を上記セラミック粉に添加することも差しつ
かえない。また、炭化けい素は、例えば窒化アルミニウ
ムとの間に（Ｓｉ’　Ｃ）　１−ｘ　　（ＡρＮ）ｘ、
（ｘ＝Ｏ〜１）なる組成の固溶体を、窒化けい素は、例
えばアルミナ及び窒化アルミニウムとの間に（３ｉ　３
　Ｎ４）　１−ｘ　　（Ａρ２０ｑ　　・ＡＪＩＮ）Ｘ
　、　　（Ｘ　＝Ｏ〜０．６７　）なる組成の固溶体を
、ジルコニアは、イツトリア、マグネシア、セリアなど
との間に固溶体をそれぞ代つくり、それによって機械的
性質、熱的性質、耐蝕性などを変化させられることが知
られている。本発明の方法で用いるセラミック粉として
は、このように炭化けい素、窒化けい素、ジルコニアな
どを主成分とする固溶体組成のせラミック粉であっても
よい。また、炭化けい素に対して炭化チタン、窒化けい
素またはアルミナに対してジルコニア、炭化けい素など
他のセラミック粉を分散するとやはり機械的性質が向上
する場合があることが知られており、このように、炭化
けい素、窒化けい素、アルミナ等を主成分として、他の
分散強化用セラミック粉を添加したセラミック粉を用い
てもよい。

セラミック短繊維は、マトリックスと類似のセラミック
スの単結晶からなるウィスカーを用いることが、強度の
点から、まだ熱的、化学的安定性の点から望ましい。ま
たセラミック短繊維は、マトリックスと同等またはそれ
以上の高い弾性率を有し、応力が負荷された時にできる
だけマトリックスへの負荷を低減させることが望ましい
。またセラミック短繊維は、本発明の製造方法の後段の
焼結などの緻密化工程での加熱に対して充分安定である
必要がある。このような条件を満足するセラミック短繊
維としては、炭化けい素を主成分とするマトリックスに
対しては、炭化けい素ウィスカーのみ、窒化けい素を主
成分とするマトリックスに対しては、炭化けい素または
窒化けい素のウィスカー、アルミナ、ムライト、または
ジルコニアを主成分とするマトリックスに対しては、炭
化けい素、窒化けい素またはアルミナのウィスカーを使
用することができる。

セラミック類ｔｌＩｆｆとセラミック原料粉とを分散さ
せる液体としては、水の他、炭化水素、アルコール、ケ
トン等の非水溶剤を主とする液体であってもよいし、室
温では固体であっても加熱すれば液体となるワックスの
ようなものであってもよい。また、セラミック短繊維お
よびセラミック原料粉の分散をよくするために、液体に
酸やアルカリを溶解させてｐＨを調整したり、無機や有
機の電解質などの分散剤を添加してもよく、また成形後
の結合力を増すためにポリビニルアルコール、ポリビニ
ルブチラール、未硬化フェノール樹脂、ワックス・エマ
ルジョン等の有機結合剤などを添加することも、差しつ
かえない。

以上のセラミック短繊維、セラミック原料粉と分散液を
充分混合し、分散させた後、多孔質の型内に導入する。

この型の材質としては、分散液との物理的、化学的両立
性および加圧の際の耐圧性から選定する必要があり、更
に孔径は少くとも型表面においては、セラミック類ｕＡ
Ｎとセラミック原料粉とを濾過しうるちのである必要が
ある。水等の通常の液体が分散液であり、加圧力が１０
気圧以下であれば石膏を型材料として用いることができ
るが、更に加圧力を１０気圧以上ないし１００気圧内外
と高める場合にはセラミック粉充填剤を含む多孔質樹脂
、多孔質セラミックス（いわゆる素焼）、焼結多孔質金
属。

等を用いる。

［２）　　加圧成形工程 型内に上記泥しようを導入した後、空気圧、油圧等によ
り、泥しように圧力を負荷することにより、泥しよう内
のセラミック短繊維を型面に平行に二次元的に配向させ
つつ分散液を濾過し、成形を行うことができる。この際
、後にマトリックスを形成するセラミック原料粉はセラ
ミック短繊維の間に混在しつつ成形体を形成する。

この泥しようへの加圧は、型全体を回転させ、遠心力を
利用づることによって行ってもよい。

この場合の型の回転の方式は、型を製品形状内のある中
心軸（例えば円筒形製品の中心軸）のまわりに自転させ
る形で行ってもよいし、また製品形状外のある中心軸の
まわりに大きな回転半径をとって公転させる形であって
もよい。・加圧力については、先にも述べたような型材
質の耐久限度を考慮しつつできるだけ高い配向性と充填
密度の得られる条件を選定する必要がある。

また、例えばワックスのように液体化するのに加熱が必
要な分散液の場合には、型の表面温度を必要な温度に加
熱し、制御する必要がある。

（３）　　緻密化工程 成形体を型から取り出した侵、乾燥による液体の除去や
更に予備焼成による有機結合剤、分散剤の除去、等を十
分に行う。

この侵、セラミック原料粉により構成されるマトリック
ス部分を緻密化される。この緻密化は、常圧ないし雰囲
気加圧の下での焼結によってもよく、粉体の充填された
型内でのホラ１〜モレ焼結（−軸加圧焼結）によっても
よく、また熱間等方圧プレスによる加圧焼結によっても
よい。−また成形体内のセラミック類Ａ１１ｕおよびセ
ラミック原料粉の空隙に対してポリカーポジラン、ポリ
シラザン等のセラミック前駆体、高分子、または、コロ
イダルシリカ、アルミナゾル等のセラミック前駆体コロ
イド分散液、またはハロゲン化けい素、ハロゲン化アル
ミニウムに炭化水素ガス、アンモニア、水素等を適宜加
えたセラミック前駆体ガスを用いて含浸を行ってセラミ
ックスを形成させ、その後、上に述べ！ごような焼結法
により緻密化を行ってもよい。

［実施例コ 以下本発明の好適実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１〜３図は本発明における繊維強化セラミックスの製
造方法の各工程を示す。

先ず第２図に示すように型枠１内に、セラミック知識Ｎ
２とセラミック原料粉３とを分散液４に分散した泥しよ
う５を充填覆る。

型枠１は成形する部品形状に応じて形成され、イの型の
キャビティ全面に多孔質体６を有する。

この多孔質体６は多数の孔を有し、その孔径は、少なく
とも型表面においてはセラミック原料粉３やセラミック
短繊維２が透過しない孔径に形成されている。泥しよう
５内のセラミック短繊維２は、第２図に示すように型枠
１内に充填時はランダムに分散した状態となる。

この状態で、第１図に示すように多孔質体６と反対側か
ら図示の矢印に示した加圧方向７に静水圧や遠心力を与
えると泥しよう５中の分散液２は型枠１の一面に形成さ
れた多孔質体６の孔を通って型枠１外に排出される。こ
の排出に伴って今までランダムに分散していたセラミッ
ク知識Ｈ２は一番抵抗のない状態となるよう挙動し、結
果として多孔質体６の面と並行になるよう配向する。

この配向されたセラミック短繊維２とセラミック原料粉
３とからなる成形体８を型枠１から取り出し、第３図に
示すように緻密化させて繊維強化セラミックス９とする
。

以下具体的な実施例１．２について詳細に説明する。

実施例１ 窒化けい素８０重量％−窒化アルミニウム６重最％−ア
ルミナ１４重量％の組成を有し、窒化アルミニウムとア
ルミナの一部は窒化けい素との間にＳｔ　−ＡＱ−０−
Ｎ化合物を形成しているセラミック原料粉６５重湯部、
及び表面処理を施した炭化けい素ウィスカー３５重量部
とを、エタノール溶液８０重量部を分散液として充分分
散させて泥しようを得た。ガスタービン静翼の雌型をセ
ラミック粉充填剤入りの樹脂から成る多孔質材料にて製
作した。この型内に、上記泥しようを０．２気圧の空気
圧加圧により導入し、充填した後、油圧シリンダにより
泥しように静水圧を負荷し、圧力を３０気圧まで高めた
。泥しよう中のエタノール溶液が型の孔を通して充分濾
過された後、型内より成形体を取り出し、充分乾燥させ
た。その後、窒素雰囲気中で温度と圧力を２，０００℃
、１００気圧まで上昇させて焼結を行い、緻密化を行っ
た。得られた成形焼結体は、炭化けい素ウィスカーが、
静翼形状の翼面とほぼ並行に２次元的に配向し、特に贋
の前縁部および後縁部では、縁に並行に１次元的な配向
すら見られた。このような配向性のため、焼結による収
縮は、藺の厚さ方向に大きく、翼の高さ方向及びｒｐ力
方向小さく、理論密度の９８％以上の緻密化が達成され
ていることが確認された。

実施例２ はう素を０．５％含む炭化けい素からなるセラミック原
料粉６０重量部、表面処理を施した炭化けい素ウィスカ
ー４０重石部とを１００重聞部の水溶液中に分散させて
泥しようを得た。多孔質なシリカ・アルミナ系セラミッ
クスを用いて、円筒形雌型を製作し、この中に空気圧に
より泥しようを導入した後、円筒の中心軸を回転軸とし
て、型を１，０ＯＯＲＰ　Ｍで回転させた。回転停止後
、型内の余剰の泥しようを排出し、円筒形の成形体を取
り出した後、充分乾燥させた。

この成形体を高圧炉内に入れ、一旦真空とした模、溶融
したポリカーボラシランを１００気圧の不活性ガスの加
圧により含浸させ、加圧雰囲気のまま　１，２００℃ま
で昇温して成形体空隙中のポリカーボラシランを炭化け
い素糸セラミックスに転化させた。この処理を５度繰り
返した後、熱間等方圧プレス中にて１，９００℃、　　
２，０００気圧での緻密化を行った。得られた円筒形の
成形焼結体は炭化けい素ウィスカーが円筒面とほぼ平行
に２次元的に配向した緻密な組成を有し、ガスタービン
燃焼器、高温熱交換器等の部品として充分適用可能なも
のであることが判った。

［発明の効果］ 以上説明してきたことから明らかなように本発明によれ
ば次の如きゆれた効果を発揮する。

（１）　　セラミック短繊維とセラミック原料粉とを分
散液に分散させて泥しよう化し、その泥しようを多孔質
体を有する型枠内に充填すると共にその泥しよう中の分
散液を加圧力により多孔質体から透過させることでセラ
ミック短繊維をその多孔質体の面と′平行に二次元的に
配向させることができ、その方向の強度と靭性を高める
ことができる。

（２）　　セラミック短繊維が特定の面方向に配向して
いるため、その面と直角方向にはマトリックスの焼結収
縮が容易となり、はとんど残留気孔や欠陥を含まないマ
トリックスが１ｑられ、より強度と靭性の高い繊維強化
セラミックスとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の製造方法の各工程を示す図で
ある。 図中、１は型枠、２はセラミック類ｍｉｌ！、　３はセ
ラミック原料粉、４は分散液、５は泥しよう、６は多孔
質体、７は加圧方向である。 １・・・型枠 ２・・　セラミック短繊維 ３・・　セラミック原料粉 ４・・　分散液 ５・・・　泥しよう ６・・・　多孔質体 ７・・・加圧方向 第１図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　セラミック短繊維とマトリックスを形成するセラミッ
   ク原料粉とを分散液中に分散させて泥しようとなし、こ
   の泥しようを多孔質体で形成された型枠内に充填したの
   ち、その型枠の多孔質体に向って、上記泥しようを加圧
   して上記分散液を多孔質体を通して排出しながら上記セ
   ラミック短繊維を多孔質体の面と平行に配向させて、セ
   ラミック短繊維とセラミック原料粉とからなる成形材を
   形成し、しかる後にマトリックスのセラミック原料粉を
   緻密化することを特徴とする繊維強化セラミックスの製
   造方法。