(57)【要約】【課題】高温高圧下でも高強度を有し、熱変成も生じない安定的な機能材料を提供すること。【解決手段】  Ａｌ２Ｏ３粉末とＳｍ２Ｏ３粉末とを、そのモル比が７６：２４〜８０：２０の範囲で混合し、これを一方向凝固法にて凝固させ、Ａｌ２Ｏ３相とＳｍＡｌＯ３相とが三次元的かつ相補的に絡み合った構造を有することを特徴とするセラミックス複合材料である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ２Ｏ３粉末とＳｍ２Ｏ３粉末とを、そのモル比が７６：２４〜８０：２０の範囲で混合し、
これを一方向凝固法にて凝固させ、
Ａｌ２Ｏ３相とＳｍＡｌＯ３相とが三次元的かつ相補的に絡み合った構造を有することを特徴とするセラミックス複合材料。
【請求項２】
前記構造を、１６００℃の大気中に５００時間曝露された後にも維持することを特徴とする請求項１に記載のセラミックス複合材料。
【請求項３】
１６００℃の大気中に５００時間曝露された後と曝露前とで、重量変化がないことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス複合材料。
【請求項４】
１６００℃雰囲気下にて５００ＭＰａ以上の曲げ強度を有することを特徴とする請求項１、２または３に記載のセラミックス複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温下で高強度を維持するセラミックス複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、高温高圧環境となるジェットエンジンやガスタービンで使用されるタービン翼には、金属材料の中で最も耐熱性に優れる超合金材料が採用されている。当該合金の耐熱性は融点の約０．８倍である約１０５０℃が限度であり、ジェットエンジン等の燃料燃焼温度である約１５００℃〜１６００℃よりかなり低い。
【０００３】
そのため、このギャップを解消すべく、空気による強制冷却や、セラミックス材による遮熱コーティングがなされ、タービン翼が限界温度を超えないように制御されている。
【０００４】
また、このような過酷な環境下で利用可能とすべく、ＳｉＣやＳｉ３Ｎ４といった先進セラミックス材料なども研究されてはいるが、酸性雰囲気中における耐酸化性が問題となり、耐熱限界も１３００℃程度であって、問題の解決には至っていない。
【０００５】
一方、特許文献１の実施例６では、Ａｌ２Ｏ３粉末とＳｍ２Ｏ３粉末とを６９：３１のモル比で混合し、一方向凝固させることにより、高温下で高い曲げ強度を有するセラミックス複合材料に関する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４１２３８１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、高温高圧下でも高強度を有し、熱変成も生じない安定的な機能材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、Ａｌ２Ｏ３粉末とＳｍ２Ｏ３粉末とを、そのモル比が７６：２４〜８０：２０の範囲で混合し、これを一方向凝固法にて凝固させ、Ａｌ２Ｏ３相とＳｍＡｌＯ３相とが三次元的かつ相補的に絡み合った構造を有することを特徴とするセラミックス複合材料である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記構造を、１６００℃の大気中に５００時間曝露された後にも維持することを特徴とする請求項１に記載のセラミックス複合材料である。ここで、構造を維持するとは、相の成長、結合、変性等が見られず、実質的に同一であることを意味する。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、１６００℃の大気中に５００時間曝露された後と曝露前とで、重量変化がないことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス複合材料である。ここで、重量変化がないとは、酸化等の化学反応が起きず、実質的に重量変化がないことも含まれるものとする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、１６００℃雰囲気下にて５００ＭＰａ以上の曲げ強度を有することを特徴とする請求項１、２または３に記載のセラミックス複合材料である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高温高圧下でも高強度を有し、熱変成も生じない安定的な機能材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のセラミックス複合材料（ａ）と単純焼結試料（ｂ）との組織断面写真である。
【図２】１６００℃における本発明のセラミックス複合材料と単純焼結試料の応力―変位曲線である。
【図３】本発明のセラミックス複合材料と単純焼結試料との、高温曝露試験前後の組織断面写真である。
【図４】本発明のセラミックス複合材料と単純焼結試料との、高温曝露における組織サイズの変化を示したグラフである。
【図５】本発明のセラミックス複合材料と単純焼結試料との、高温曝露における重量変化を示したグラフである。
【図６】モル比をＡｌ２Ｏ３：Ｓｍ２Ｏ３＝７５：２５、７６：２４、８０：２０、８１：１９とした場合のセラミックスの断面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
＜セラミックス複合材料の製造＞
まず、Ａｌ２Ｏ３粉末とＳｍ２Ｏ３粉末とを、Ａｌ２Ｏ３：Ｓｍ２Ｏ３＝７８：２２（モル比）として湿式ボールミルを用いて均一な複合粉末を製造した。この複合粉末をＣＩＰ成形した後、１６００℃で加熱し焼結体を製造した。
【００１５】
つぎに、作製した焼結体をＦＺ炉内に設置し一方向凝固法、詳細には帯溶融法により溶解および再凝固をおこなった。このとき、帯溶融を５ｍｍ／ｈの凝固速度で下降させ、本発明のセラミックス複合材料を製造した。
【００１６】
＜組織観察＞
作製したインゴットの組織観察を行った。図１に、本発明品（ａ）と、同一モル比の単純焼結試料（ｂ）との断面組織を示した。図において、黒い領域がＡｌ２Ｏ３相であり、白い領域がＳｍＡｌＯ３相である。なお、相の特定は、ＸＲＤおよびＥＤＸの分析結果による。図から明らかなように、本発明では、Ａｌ２Ｏ３相とＳｍＡｌＯ３相とが三次元的かつ相補的に絡み合った構造であって、共晶セラミックスを構成していることが確認できる。ポアの存在は認められず、相互に密に充填しあっている３次元構造であることが確認できる。一方、比較例では、相形成は立体的でなく、分散した粉末が連続性なく充填された構造であることが確認できる。
【００１７】
＜曲げ強度測定＞
また、作成したインゴットの曲げ強度を測定した。図２に、本発明品と、同一モル比の単純焼結試料との、１６００℃における応力−変位の測定結果を示した。試験は、１２ｍｍ×２ｍｍ、厚み１ｍｍの短冊状試料を下から二点で支持し、中央上から加圧して測定する三点曲げ強度によりおこなった。図から明らかなように、変位に対して比例する領域においても曲げ強度は５００ＭＰａを越え６００ＭＰａ以上となり、破断前には７００ＭＰａに至ることが確認できる。これは、比較試料の５０倍以上であり、本発明は、高温下にて高強度を有することが分かった。
【００１８】
＜熱安定性１＞
また、作成したインゴットの熱安定性を測定した。図３に、本発明品（ａ）と、同一モル比の単純焼結試料（ｂ）とを、１６００℃の大気中への５００時間曝露した後の断面組織を示した。なお、曝露前の同縮尺断面組織も示した。また、図４に組織サイズの変化を示した。図から明らかなように、本発明は、組織変化が見られず、安定組織ないし安定構造を有するセラミックス複合材料であるといえる。一方、比較試料は、結晶成長大きく進行し、相境界に白い部分すなわちポアが見られ、安定的でないことが確認できる。また、結晶成長した比較試料の強度は暴露前と比べ著しく低下する。
【００１９】
＜熱安定性２＞
また、１６００℃の大気中へ５００時間曝露した際の本発明の重量変化を測定した。結果を図５に示す。なお、図では１００時間までのＳｉ３Ｎ４の重量変化についても示している。図から、先進セラミックスであるＳｉ３Ｎ４は重量減が見られるところ、本発明は重量変化がなく安定セラミックス複合材料であることが確認できる。
【００２０】
以上は、Ａｌ２Ｏ３：Ｓｍ２Ｏ３＝７８：２２（モル比）とした場合であるが、Ａｌ２Ｏ３：Ｓｍ２Ｏ３＝６９：３１（モル比）とした文献１図９と著しく断面様相が異なる。そこで、モル比を変化させて本発明の特徴的な３次元構造が得られる範囲を特定することとした。
【００２１】
図６は、Ａｌ２Ｏ３：Ｓｍ２Ｏ３＝７５：２５、７６：２４、８０：２０、８１：１９として上述の７８：２２の製造方法と同様の製造方法により得られたセラミックスの断面写真である。図から明らかなようにＡｌ２Ｏ３とＳｍ２Ｏ３のモル比が７６：２４〜８０：２０の範囲である場合に特徴的な３次元構造、すなわち、両方の結晶相が三次元的かつ相補的に絡み合い、ポアがなく密に充填しあっている構造となることが確認できた。
【００２２】
この構造は、文献１図９の構造と比べると、３次元的なメカニカルロックが形成されている点で有利であるといえる。従来技術からは想定できない相構造変化が狭小範囲で生じており熱的安定性も有していることから、本発明は、高温環境下で長時間高い強度を保持する必要のある部材へ利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明によれば、ジェットエンジンやガスタービンにおける燃料燃焼温度程度の耐熱性を有し、機関の熱効率の向上、ＣＯ２排出量の削減が可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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