(57)【要約】【課題】溶融材料の浸透時のクラックやメタルベインを防ぎ、これらを原因とする割れを生じ難くした複合材料およびその製造方法を提供する。【解決手段】複合材料１０は、多孔質体を形成する炭化ホウ素の強化材１１と、炭化ホウ素の強化材１１の空隙１３に多孔質体に対して２％以上６％以下の重量比で存在するセラミック繊維１４と、多孔質体およびセラミック繊維１４の空隙に充填された金属ケイ素を含むマトリックス１２と、を備える。炭化ホウ素のプリフォームの粗大な空隙１３にセラミック繊維が入り込むことで、破断に対する抗力が発生する。これにより、溶融材料の浸透時のクラックやメタルベインを防ぎ、これらを原因とする割れを防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質体を形成する炭化ホウ素の強化材と、
前記炭化ホウ素の強化材の空隙に前記多孔質体に対して２％以上６％以下の重量比で存在するセラミック繊維と、
前記多孔質体およびセラミック繊維の空隙に充填された金属ケイ素を含むマトリックスと、を備えることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
前記セラミック繊維は、短繊維またはウィスカであることを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項３】
前記セラミック繊維は、炭化ケイ素で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の複合材料。
【請求項４】
炭化ホウ素の原料粉に対して重量比で２％以上６％以下のセラミック繊維を準備する工程と、
前記準備されたセラミック繊維を分散させる工程と、
前記炭化ホウ素の原料粉に前記分散されたセラミック繊維を添加して混合粉を準備する工程と、
前記混合粉でプリフォームを作製する工程と、
金属ケイ素を含む溶融材料を、前記作製されたプリフォームに含浸させる工程と、を含むことを特徴とする複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素を含むマトリックスとで形成された複合材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる炭化ホウ素複合材料が知られている。例えば、特許文献１記載の炭化ホウ素複合材料は、炭化ホウ素充填材にケイ素成分および反応性炭素質成分を有する溶浸材を溶浸させることで製造されている。溶浸材は、充填材料とその場で形成された炭化ケイ素との間に残った空隙を充填するのに十分な量が提供され、炭化ホウ素により形成される多孔質の塊または予備成形品中の相互接続された孔に溶浸する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５１３８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような炭化ホウ素複合材料では、溶融材料の浸透がクラックやメタルベインを誘発し、これらが一因となって割れが起こりやすい。割れが生じるときには特に一番弱い部分に生じる。図４は、従来の炭化ホウ素複合材料の断面を示す模式図である。図４に示すように、炭化ホウ素複合材料４０では、炭化ホウ素の多孔質体４１の空隙に金属ケイ素４２が充填されているものの、粗大な空隙４３が存在することにより割れが生じやすくなっている。
【０００５】
炭化ホウ素は硬度が高く、被粉砕性に著しく劣る。そのため体積粉砕が進みにくく、表面粉砕で形成される扁平な粒子の割合が、他のセラミック粒子に比べ多い。例えば締め固め充填させてプリフォームを形成しても、プリフォームには粗大な空隙が残りやすい。粗大な空隙はプリフォームの強度低下につながり、炭化ホウ素プリフォームは、他のセラミックプリフォームに比べ強度が低くなりやすい。炭化ホウ素粒子の球形度が、炭化ケイ素並みに高ければ、空隙径を小さくすることができるが、そのような粒種の炭化ホウ素の粉末は少なくとも現在市販されていない。
【０００６】
特に、バインダで炭化ホウ素の成形体を作製し炭化させて脱脂して得られたプリフォームでは、粗大な空隙による強度低下の影響は更に大きい。このようなプリフォームの強度低下により、溶融材料の浸透までの形状保持力が劣化する。また、溶融材料の浸透後にはクラックが誘発されやすくなる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、溶融材料の浸透時のクラックやメタルベインを防ぎ、これらを原因とする割れを生じ難くした複合材料およびその製造方法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】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の複合材料は、多孔質体を形成する炭化ホウ素の強化材と、前記炭化ホウ素の強化材の空隙に前記多孔質体に対して２％以上６％以下の重量比で存在するセラミック繊維と、前記多孔質体およびセラミック繊維の空隙に充填された金属ケイ素を含むマトリックスと、を備えることを特徴としている。
【０００９】
このように、本発明の複合材料は炭化ホウ素の多孔質体の粗大な空隙にセラミック繊維が入り込むことで、破断に対する抗力が発生し、プリフォームの強度が向上する。これにより、溶融材料の浸透時のクラックやメタルベインを防ぎ、これらを原因とする割れを防止できる。
【００１０】
（２）また、本発明の複合材料は、前記セラミック繊維が、短繊維またはウィスカであることを特徴としている。これにより、製造時に炭化ホウ素粒子との混合が容易となり、炭化ホウ素粒子同士の空隙に繊維が入りやすくなり、充填阻害を防止できる。
【００１１】
（３）また、本発明の複合材料は、前記セラミック繊維が、炭化ケイ素で形成されていることを特徴としている。これにより、溶融材料の浸透時に金属ケイ素と反応することがなく、金属ケイ素に対して十分な濡れ性を有しているため、浸透が阻害されない。
【００１２】
（４）また、本発明の複合材料の製造方法は、炭化ホウ素の原料粉に対して重量比で２％以上６％以下のセラミック繊維を準備する工程と、前記準備されたセラミック繊維を分散させる工程と、前記炭化ホウ素の原料粉に前記分散されたセラミック繊維を添加して混合粉を準備する工程と、前記混合粉でプリフォームを作製する工程と、金属ケイ素を含む溶融材料を、前記作製されたプリフォームに含浸させる工程と、を含むことを特徴としている。
【００１３】
このように、本発明の複合材料は炭化ホウ素の多孔質体の粗大な空隙にセラミック繊維が入り込むことで、破断に対する抗力が発生し、プリフォームの強度が向上する。これにより、溶融材料の浸透時のクラックやメタルベインを防ぎ、これらを原因とする割れを防止できる。また、凝集しやすいセラミック繊維を分散しておくことで、炭化ホウ素粒子同士の空隙に繊維が入りやすくなり、溶融材料の浸透時のクラックやメタルベインを防止できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、粗大な空隙にセラミック繊維が入り込むことで、破断に対する抗力が発生し、浸透によるクラックを原因とする強度低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の複合材料の断面を示す模式図である。
【図２】実施例および比較例の製造条件および評価結果を示す表である。
【図３】比較例の複合材料の断面を示す模式図である。
【図４】従来の炭化ホウ素複合材料の断面を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１７】
（複合材料の構成）
図１は、複合材料１０の断面を示す模式図である。本発明に係る複合材料（Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料）は、主に炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ、ボロンカーバイド）の強化材１１と金属ケイ素のマトリックス１２とから構成されている。Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料１０は、多孔質体を形成する強化材１１の空隙１３にセラミック繊維１４が入り、さらに金属ケイ素を含むマトリックス１２が充填されて構成されている。Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料１０は、炭化ホウ素の強化材１１およびセラミック繊維１４で形成されるプリフォームに金属ケイ素を含む溶融材料を含浸することで得られ、若干の不純物を含んでいてもよい。なお、プリフォームは、金属を含浸する直前の多孔質体を指す。
【００１８】
上記のように、プリフォームは、少量のセラミック繊維１４を含んでいる。炭化ホウ素の強化材１１の粗大な空隙１３にセラミック繊維１４が入り込むため、破断に対する抗力が発生し、プリフォームの強度が向上する。これにより、溶融材料の浸透によるクラックを原因とする強度低下を防止できる。
【００１９】
添加されるセラミック繊維１４は、短繊維やウィスカであることが好ましい。長繊維を用いると炭化ホウ素粒子との混合が困難になる。また、繊維径の太いものを使用すると、母体である炭化ホウ素粒子同士の空隙に繊維が入り込まなくなり、充填阻害を引き起こす可能性がある。炭化ホウ素同士の空隙径は、使用する炭化ホウ素の粒子径や組み合わせにより異なるが、概ね数μｍ〜数十μｍである。この空隙に入り込めるような繊維径と繊維長さを持ったセラミック繊維１４を使用することが望ましい。
【００２０】
セラミック繊維１４の材質としては、強度向上の目的からは、市販で存在するセラミック繊維であることが好ましい。ただし、金属ケイ素を含む溶融金属を浸透させる場合、酸化物系のセラミック繊維は浸透を阻害する可能性があるため、炭化ケイ素等の非酸化物系繊維が望ましい。また非酸化物系繊維であっても、主に浸透させる溶融金属を構成する金属ケイ素との濡れ性の極端に低い材質は、溶浸を阻害する可能性があるため好ましくない。金属ケイ素との濡れ性の極端に低い材質には、例えば窒化ホウ素が挙げられる。
【００２１】
（複合材料の製造方法）
上記のように構成されるＢ４Ｃ／Ｓｉ複合材料１０の製造方法を説明する。まず、セラミック繊維１４と炭化ホウ素の強化材１１の原料粉を混合し、炭化ホウ素混合粉を準備する。混合方法は、所期の目的が達せられるのであれば、手段は限定されない。ただし、セラミック繊維１４の粉塵は、誤って吸入すると人体への影響が指摘されているため、できる限り発塵を抑えた方法で行なう。具体的には、湿潤状態で混合するか、乾燥状態で混合する場合は密閉容器内で混合することが好ましい。
【００２２】
またセラミック繊維１４は凝集しやすい性質があるため、炭化ホウ素の原料粉と混合する前に、分散させておくことが望ましい。分散方法は特に限定されるものではないが、例えば少量の有機溶媒中に浸し、超音波発生装置内で分散させる方法を採ることができる。
【００２３】
そして、上記の混合により準備した炭化ホウ素混合粉を用いてプリフォームを作製する。プリフォームは、上記の炭化ホウ素混合粉粉末にバインダーを加えて成形したものを脱脂することで作製できる。上記の炭化ホウ素混合粉粉末を加圧しつつ加熱し、プリフォームを作製してもよい。例えば、カーボン治具により炭化ホウ素混合粉粉末を加圧しながら、ヒータにより加熱することでプリフォームの作製が可能である。
【００２４】
なお、溶融材料を含浸するプリフォーム（脱脂体）の３点曲げ強度は、２０ＭＰａ以上であることが好ましい。このように十分な強度を有するプリフォームを用いることで、金属ケイ素を浸透させたときのクラックの発生を防止することができる。
【００２５】
次に、このようにして脱脂により得られたプリフォームを容器内に設置する。容器は、有底開口の容器であり、後述する溶融金属を保持して、設置されたプリフォームへ浸透させるのに用いられる。プリフォームは、Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料１０のセッター上に設置できる。
【００２６】
一方、金属ケイ素を含む溶融材料を準備する。その際には、炭化ホウ素含有材料を溶融金属ケイ素に混合し事前に溶解（ドープ）させて準備することもできる。炭化ホウ素含有材料には、Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料１０の端材を用いることができる。また、炭化ホウ素含有材料は、塊状でも、粉末でもよい。
【００２７】
このようにして作製されたプリフォームに、金属ケイ素を含む溶融材料を含浸させる。たとえば１５００℃の温度で６時間以下金属ケイ素を含浸する。含浸工程を行なった後は、容器内を自然冷却し、室温まで冷却された複合材料を容器から分離して取り出す。このようにして得られた複合材料は、加工され例えば耐衝撃材料として用いることができる。
【００２８】
なお、炭化ホウ素のプリフォーム製造にあたっては、単一の粒径分布を有する炭化ホウ素を用いても、２つまたは３つ以上の粒度を有する炭化ホウ素の原料粉末を用いてプリフォームを製造してもよい。
【００２９】
（実施例）
実施例および比較例として、セラミック繊維の添加率を変え、複合材料を作製した。図２は、実施例および比較例の製造条件および評価結果を示す表である。なお、強度測定はＪＩＳ Ｒ１６０１に基づいて行なった。ただし、成形体や脱脂体の強度測定については、それぞれ試験片の寸法を成形体７×７ｍｍ、脱脂体２０×２０ｍｍに加工して行なった。
【００３０】
まず、各配合の炭化ホウ素の強化材の原料粉末を準備した。原料粉末は、炭化ホウ素を粉砕して粉末にし、得られた粉末を篩分け法で粒度に応じて分け、そのうち、Ｆ２４０、Ｆ３２０の２種類の粒度を用いた。粒度はレーザ回折により決定してｄｐ５０を測定した。
【００３１】
次に、セラミック繊維を準備した。繊維としては、繊維径１〜２μｍ、長さ２０〜５０μｍの炭化ケイ素ウィスカ（試料Ｎｏ．３〜１０）、および繊維径２〜３μｍ、長さ１０〜２０μｍのアルミナウィスカ（比較例４、試料Ｎｏ．１１〜１２）を使用した。炭化ケイ素ウィスカでは、添加率を１．５％（比較例２、試料Ｎｏ．３〜４）、３％（実施例１、試料Ｎｏ．５〜６）、５％（実施例２、試料Ｎｏ．７〜８）、７．５％（比較例３、試料Ｎｏ．９〜１０）と変更した。なお、比較例１（試料Ｎｏ．１〜２）として、セラミック繊維を添加せず、炭化ホウ素粉末の粒度のみを変えた試料も同時に作製した。
【００３２】
次に、セラミック繊維と炭化ホウ素の原料粉末とを混合し、炭化ホウ素混合粉を準備した。セラミック繊維を少量のエタノールに浸し、超音波発生装置内で分散処理を行なった。分散後速やかに、各粒度の炭化ホウ素の粉末にまぜ、水を加えて攪拌混合した後、１００℃で１晩乾燥させ、炭化ホウ素混合粉を得た。こうして得た炭化ホウ素混合粉にバインダーを加え、２０ｍｍ□×５０ｍｍの矩形体の成形体を作製し、成形体の強度を測定した。強度は、３点曲げ強度で測定した。
【００３３】
次に、成形体を６００℃で脱脂してプリフォーム（脱脂体）を作製した後、プリフォームの強度を測定し、成形体と同様に３点曲げ強度を測定した。孔径の最大径は顕微鏡観察により測定した。孔径の平均値Ｎ２は、吸着により細孔径測定を行ない、測定した。
【００３４】
次に、１５００℃で金属ケイ素（溶融金属）を含浸させ、冷却して取り出し、必要な加工を行なって複合材料の矩形体を得た。そして、浸透後の複合材料の性状を確認した。確認結果によれば、プリフォーム（脱脂体）の強度が２０ＭＰａ以上であることが、クラックを回避できる条件となっている。ただし、セラミック繊維を添加しない比較例１のセラミックでは、金属ケイ素の含浸後にクラックが生じている（試料Ｎｏ．１〜２）。
【００３５】
実施例１として、炭化ケイ素ウィスカを３％添加したもの（試料Ｎｏ．５〜６）では、プリフォーム成形体およびプリフォーム脱脂体の強度のいずれもが、炭化ケイ素ウィスカを添加しない比較例１に比べ、優れていることが分かる。また、その結果、金属ケイ素の含浸後にクラックが生じなくなっている。
【００３６】
実施例２として、炭化ケイ素ウィスカを５％添加したもの（試料Ｎｏ．７〜８）でも同様に、プリフォーム成形体およびプリフォーム脱脂体の強度のいずれもが、セラミック繊維を添加しない比較例１に比べ優れており、それにより金属ケイ素の含浸後にクラックが生じなくなっている。なお実施例１、実施例２とも、金属ケイ素含浸後の複合材でも、セラミック繊維を添加しない比較例１に比べ、強度は上回っている。
【００３７】
比較例２として、炭化ケイ素ウィスカを１．５％添加したもの（試料Ｎｏ．３〜４）でも、プリフォーム成形体およびプリフォーム脱脂体の強度とも、セラミック繊維を添加しない比較例１に比べ優れている。しかし、金属ケイ素の含浸後のクラックは、発生率は減少したものの生じており、添加率１．５％ではクラックの抑制効果が不十分であることが分かる。
【００３８】
比較例３として、炭化ケイ素ウィスカを７．５％添加したもの（試料Ｎｏ．９〜１０）では、プリフォーム成形体およびプリフォーム脱脂体の強度のいずれもが、セラミック繊維を添加しない比較例１に比べると優れているものの、実施例１の３％添加、または実施例２の５％添加のものに比べると、強度はともに劣っており、金属ケイ素の含浸後のクラックも生じている。
【００３９】
図３は、比較例の複合材料２０の断面を示す模式図である。図３に示すように、セラミック繊維１４の添加率を増やした場合には、セラミック繊維１４が母体である炭化ホウ素の強化材１１粒子同士の空隙１３だけに納まりきらなくなる。その結果、炭化ホウ素の強化材１１同士の粒間にも分布するようになったため、炭化ホウ素の強化材１１同士のネッキングが阻害され、それにより強度が低下したものである。
【００４０】
また、セラミック繊維１４の添加量が多くなったことで、混合その他のプリフォームの作製過程で、セラミック繊維１４同士が衝突して折損し、繊維長さが短くなったことで、所期の強度増進効果が薄れたことも、プリフォーム強度が低下した一因と考えられる。以上から、セラミック繊維の添加率を増やしすぎても所期の効果が得られないことが実証された。セラミック繊維の添加率は６％が上限であると考えられる。
【００４１】
比較例４として、アルミナウィスカを３％添加したもの（試料Ｎｏ．１１〜１２）では、金属ケイ素の含浸後に未含浸が発生した。アルミナが酸化物系であることに加え、アルミナと金属ケイ素とは濡れ性が低いことから、金属ケイ素の含浸が阻害されたためと考えられる。なお、この場合のプリフォーム成形体およびプリフォーム脱脂体の強度とも、セラミック繊維を添加しない比較例１、炭化ケイ素繊維を添加した実施例１、実施例２、比較例２および比較例３のいずれのものより上回っていた。
【００４２】
以上のように、炭化ケイ素のセラミック繊維を３％ないし５％添加して作製した複合材料では、プリフォーム成形体およびプリフォーム脱脂体の強度とも増進し、それにより、金属ケイ素の含浸後にクラックの発生を防止することができることが実証された。
【符号の説明】
【００４３】
１０  複合材料
１１  強化材
１２  マトリックス
１３  空隙
１４  セラミック繊維
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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