(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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複合材料の製造方法であって、
炭化ホウ素の粉粒体に、希釈率２重量％以上５０重量％以下の液体フェノールをバインダとして加え、セディメント成形する工程と、
前記セディメント成形されたセディメント成形体を液体フェノールに浸漬させる工程と、
前記セディメント成形体を液体フェノールに浸漬させた結果、作製されたプリフォームに金属ケイ素を含浸させる工程と、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、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複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとの複合材料（以下、Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料）が様々な分野で利用されている。そして、複合材料の製造工程では金属ケイ素を炭化ホウ素のプリフォームへ含浸させる。このような含浸には、炭化ケイ素と金属ケイ素との複合材料の製造方法を応用できる。例えば、特許文献１には、炭化ケイ素にフェノール樹脂を混合し、それを金型に投入して熱プレスしてプリフォームを作製し、プリフォームを真空中で高温加熱して金属ケイ素を含浸させる方法が開示されている。
【０００３】
一方、炭化ホウ素の複合材料に関連する技術として、特許文献２には、フルクトースによるセディメント成形により炭素成分を浸漬させた炭化ホウ素のプリフォームを作製する方法が開示されている。その作製方法では、プリフォーム作製後にケイ素溶浸材が炭化ホウ素に接触する前に、ホウ素源等を炭化ホウ素成分が６％程度になるように事前にケイ素中に合金化または溶解させ、溶解材料を１５５０℃で炭化ホウ素プリフォームに含浸させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５０１８１号公報
【特許文献２】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】
【０００５】
上記のように、熱プレスによる方法は、炭化ホウ素のプリフォームの作製にも応用できる。しかしながら、特許文献１記載のような熱プレス成形では、得られる複合材料の炭化ホウ素の充填率は６５％程度で頭打ちとなる。これは、粉末のフェノール樹脂のバインダにより充填阻害が発生し、フェノール樹脂の添加率を増やすほど炭化ホウ素の充填率が低下するためと考えられる。これに対し、特許文献２記載の製造方法では、セディメント成形を採用しているが、バインダとしてフルクトースを用いており、炭化ホウ素の充填率の向上とは無関係である。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、複合材料における強化材の充填率を高くすることができる複合材料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】
【０００７】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の複合材料の製造方法は、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複合材料の製造方法であって、炭化ホウ素の粉粒体に液体フェノールをバインダとして加え、セディメント成形する工程と、前記セディメント成形の結果、作製されたプリフォームに金属ケイ素を含浸させる工程と、を含むことを特徴としている。これにより、プリフォームにおける炭化ホウ素粒子の充填阻害を回避し、充填率を高く維持でき、製造した複合材料における炭化ホウ素粒子の充填率を高くすることができる。
【０００８】
（２）また、本発明の複合材料の製造方法は、前記セディメント成形体を液体フェノールに浸漬させる工程を更に含むことを特徴としている。これにより、金属ケイ素の含浸時に生成される炭化ケイ素の量を増加させ、炭化ホウ素および炭化ケイ素の充填率を高めることができる。
【０００９】
（３）また、本発明の複合材料の製造方法は、前記バインダとして加える液体フェノールの希釈率が、２重量％以上５０重量％以下であることを特徴としている。これにより、セディメントスラリーの粘性を低減し、充填率を高くするとともに、十分な炭素成分をプリフォーム内部に浸漬させることができる。２重量％未満ではプリフォームの形成が困難となり、一方５０重量％を超えるとスラリーの粘性が高くなり、炭化ホウ素粒子の充填阻害の原因となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、プリフォームにおける炭化ホウ素粒子の充填阻害を回避し、その結果、複合材料における炭化ホウ素粒子の充填率を高くすることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（複合材料の構成）
本発明に係る複合材料（Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料）は、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ、ボロンカーバイド）の強化材と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と金属ケイ素のマトリックスとからなり、マトリックス中に強化材が分散した構造を有している。炭化ホウ素の粒子の表面には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の被膜が形成されている。被膜を含めた強化材の充填率を高めることでヤング率等の特性を高めることができる。
【００１２】
Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料は、炭化ホウ素のプリフォームに金属ケイ素を含浸することで得られる。その際には、炭化ホウ素粒子の表面を炭素成分でコーティングしておく。用いられる浸透材は、金属ケイ素の単体でも合金でもよい。Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料は、実質的に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ものであり、若干の不純物を含んでいてもよい。
【００１３】
（プリフォームの準備）
上記のように構成されるＢ４Ｃ／Ｓｉ複合材料の製造方法を説明する。まず、炭化ホウ素の粒子表面に炭素成分をコーティングしたプリフォームを作製する。
【００１４】
プリフォームを形成する際には、炭化ホウ素粉末にバインダとして液体フェノールを混合したスラリーを型に流しこみ、セディメント成形し、炭化ホウ素のセディメント成形体を作製する。具体的には、スラリーを型に流し込み、水分を除去した後、加熱して樹脂を硬化させ、得られた成形体を加工する。混合する液体フェノールの希釈率は、２重量％以上５０重量％以下であることが好ましい。これにより、セディメントスラリーの粘性を低減し、充填率を高くすることができる。また、それとともに、十分な炭素成分をプリフォーム内部に浸漬させることができる。
【００１５】
そして、作製したセディメント成形体を液体フェノールに浸漬させる。これにより、金属ケイ素の含浸時に生成される炭化ケイ素の量を増加させ、炭化ホウ素および炭化ケイ素の充填率を高めることができる。また、セディメント成形体中の炭化ホウ素の粒子表面は、炭素成分でコーティングされる。金属ケイ素の含浸時にこれがケイ素と反応し、炭化ケイ素の被膜が生成する。このようにして、セディメント成形体からプリフォームを作製することができる。
【００１６】
作製されたプリフォームは、容器内に設置する。容器は、有底開口の容器であり、投入された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。プリフォームの設置の際には、Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料のセッター上に設置してもよい。このような一連の工程により、プリフォームにおける炭化ホウ素粒子の充填阻害を回避し、充填率を高く維持でき、製造したＢ４Ｃ／Ｓｉ複合材料における炭化ホウ素粒子の充填率を高くすることができる。
【００１７】
（金属ケイ素の含浸）
次に、作製されたプリフォームに金属ケイ素を含浸させる。まず、金属ケイ素を含む溶融金属を準備し、溶融金属を１４２０℃以上１５００℃以下に維持する。そして、含浸用容器を上記の温度に維持しつつ、溶融金属を容器に投入する。その際には、溶融金属が炭化ホウ素の表面にコーティングされた炭素成分に接触し、炭化ホウ素の表面に炭化ケイ素の被膜が形成される。この被膜により、炭化ホウ素の粒子が保護され、含浸時に炭化ホウ素と金属ケイ素との反応が生じにくくなる。
【００１８】
なお、含浸工程において、溶融した金属ケイ素がプリフォームに直接に接触しないように治具を設け、プリフォームを容器の底から浮かせてもよい。また、金属ケイ素の融点が１４１４℃であるため、理論的には１４１４℃以上であれば金属ケイ素は融解するが、十分に融解を進めさせるためには１４２０℃以上であることが好ましい。
【００１９】
（冷却、取り出し）
含浸工程を行なった後は、容器内を自然冷却し、室温まで冷却する。このようにして冷却されたＢ４Ｃ／Ｓｉ複合材料を容器から分離して取り出し、Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料を得る。得られたＢ４Ｃ／Ｓｉ複合材料は、たとえば耐衝撃材料として用いることができる。なお、上記の方法で作製されたＢ４Ｃ／Ｓｉ複合材料は、炭化ホウ素および炭化ケイ素の充填率が高いため、従来品に比べてヤング率等の特性が高くなる。
【００２０】
［実験１］
Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料の製造方法について実験を行なった。実験では、上記の製造方法により幅１００ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの寸法を有するＢ４Ｃ／Ｓｉ複合材料を作製した。そして、得られた複合材料の充填率およびヤング率を測定した。具体的な作製条件と結果を以下に説明する。
【００２１】
（比較例１）
比較例１として、市販の炭化ホウ素粉末（平均粒径２３μｍ、純度９５％以上）に粉末フェノールを５％混合し、熱プレス成形によりプリフォームを作製した。そして、作製されたプリフォームを含浸用容器内に設置し、真空下で含浸用容器に金属ケイ素を投入することでプリフォームへの金属ケイ素の含浸を１４５０℃で２４時間行なった。
【００２２】
（比較例２）
比較例２として、市販の炭化ホウ素粉末（平均粒径２３μｍ、純度９５％以上）に粉末フェノールを５％混合し、セディメントキャスト法により炭化ホウ素プリフォームを作製した。そして、作製されたプリフォームを含浸用容器内に設置し、真空下で含浸用容器に金属ケイ素を投入して、プリフォームへの金属ケイ素の含浸を１４５０℃で２４時間行なった。
【００２３】
（実施例１）
一方、実施例１として、市販の炭化ホウ素粉末（平均粒径２３μｍ、純度９５％以上）に液体フェノールを２０％希釈（液体フェノール１０％、及び水４０％）したものを混合し、セディメントキャスト法により炭化ホウ素プリフォームを作製した。そして、作製されたプリフォームを含浸用容器内に設置し、真空下で含浸用容器に金属ケイ素を投入して、プリフォームへの金属ケイ素の含浸を１４５０℃で２４時間行なった。なお、上記とは別にこのようにして作製したプリフォームを脱脂し、脱脂前後の重量変化よりプリフォーム中に含まれるフェノール重量を求めたところ、炭化ホウ素粉末に対し重量比３％でフェノールが含まれていた。
【００２４】
（実施例２）
実施例２として、液体フェノールの希釈率を５重量％（液体フェノール２％、及び水３８％）に変更した以外は、実施例１と同様の手順で試料を作製した。
【００２５】
（実施例３）
実施例３として、液体フェノールの希釈率を５０重量％（液体フェノール２０％、及び水２０％）に変更した以外は、実施例１と同様の手順で試料を作製した。
【００２６】
（実施例４）
実施例４として、実施例１で作製したセディメント成形体を液体フェノールに一晩浸漬し、セディメント成形体の内部に炭素成分を浸漬した。得られたプリフォームを含浸用容器内に設置した。真空下で含浸用容器に金属ケイ素を投入し、プリフォームへの金属ケイ素の含浸を１４５０℃で２４時間行なった。なお、上記とは別にこのようにして作製したプリフォームを脱脂し、脱脂前後の重量変化よりプリフォーム中に含まれるフェノール重量を求めたところ、炭化ホウ素粉末に対し重量比１０％であり、成形体の液体フェノールへの浸漬によりプリフォームに含まれるフェノール分が７％増加したことが分かった。
【００２７】
（測定）
このようにして得られた各試料の炭化ホウ素および炭化ケイ素の充填率を測定し、ヤング率を測定した。以下の表に示すように、実施例は、比較例に比べ、炭化ホウ素のみの充填率および炭化ホウ素と炭化ケイ素の合計の充填率とも高く保つことができ、ヤング率もそれに伴い向上していることが分かる。このように、実施例の複合材料では、炭化ホウ素および炭化ケイ素の合計の充填率が高く、ヤング率が高いことが実証された。
【００２８】
（比較例３）
液体フェノールの希釈率を１重量％（液体フェノール０．４％、及び水４０％）に変更した以外は、実施例１と同様の手順で試料の作製を試みた。しかし脱水後加熱硬化させた後の成形体は、形状保持力が著しく弱く、手で持ち運びできない状態であった。そのため、金属ケイ素の含浸工程以降は中止した。
【００２９】
（比較例４）
液体フェノールの希釈率を６０重量％（液体フェノール２４％、及び水１６％）に変更した以外は、実施例１と同様の手順で試料の作製を試みた。しかし炭化ホウ素の充填率は５６％と著しく低く、ヤング率も低いレベルに留まった。
【表１】
0005841392.tif 000002
【００３０】
［実験２］
同様にして得られた各試料のうち、比較例１、比較例２、実施例１、及び実施例４のプリフォームを立ててレイアップし、真空下、１６００℃で６時間金属ケイ素を含浸させ、含浸した高さおよび１００ｔ含浸に必要な時間を測定した。１００ｔ含浸に必要な時間は、測定結果（含浸高さ）から、含浸高さ∝√(含浸時間)として推算した。下表に示すように、実施例４では、炭素成分が浸漬していることにより、炭化ホウ素充填率の低い熱プレス成形による比較例１と同程度以上の含浸速度を維持できた。このように、実施例のプリフォームでは、金属ケイ素の含浸速度が大きく、製造の効率が高いことが実証された。
【表２】
0005841392.tif 000003