(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ホウ素のみ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であって、
炭化ホウ素により形成される多孔質体の空隙に金属ケイ素が充填され、１００μｍ□断面内において観察される前記多孔質体の空隙の最大径が１０μｍ以下であることを特徴とすることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
炭化ホウ素のみ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、
最大粒径３２μｍ以下の炭化ホウ素の原料粉を用いて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。
【請求項３】
炭化ホウ素のみ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、
最大粒径１９μｍ以下の炭化ホウ素の粉体および最大粒径７０μｍ以下の炭化ホウ素の粉体を、前記最大粒径７０μｍ以下である炭化ホウ素の粉体が合計に対し６０ｗｔ％以下となるように混合した原料粉を用いて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。
【請求項４】
前記溶融材料を含浸するプリフォームの３点曲げ強度は、２０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項２または請求項３記載の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、溶融材料の浸透時にはクラックやメタルベインを誘発し、これ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３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３に示すように、炭化ホウ素複合材料１００では、炭化ホウ素の多孔質体１０１の空隙に金属ケイ素１０２が充填されており、粗大な空隙１０３の存在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、浸透までの形状保持力が劣化し、浸透後のクラックが誘発される。
【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、浸透時のクラックやメタルベインを防ぎ、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、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であって、炭化ホウ素により形成される多孔質体の空隙に金属ケイ素が充填され、１００μｍ□断面内において観察される前記多孔質体の空隙の最大径が１０μｍ以下であ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空隙が微小であるため、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。特に、炭化ホウ素で形成された多孔質体は硬度が大きい扁平な粒子が多く含んで形成されているため、有効である。
【００１０】
（２）また、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、最大粒径４０μｍ以下の炭化ホウ素の原料粉を用いて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。
【００１１】
これにより、疎大な空隙が残らないように炭化ホウ素の多孔質のプリフォームを作製でき、金属ケイ素をプリフォームに浸透させる際のクラックの発生を防止することができる。
【００１２】
（３）また、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、最大粒径２０μｍ以下の炭化ホウ素の粉体および最大粒径７０μｍ以下の炭化ホウ素の粉体を混合した原料粉を用いて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】
これにより、大きい粒径の粒子により生じた空隙を微小な粒子で埋めて疎大な空隙が残らないように多孔質のプリフォームを作製できる。そして、金属ケイ素をプリフォームに浸透させる際のクラックの発生を防止することができる。また、効率よく充填率を高め、特性を向上できる。
【００１４】
（４）また、本発明の複合材料の製造方法は、前記溶融材料を含浸するプリフォームの３点曲げ強度が、２０ＭＰａ以上であることを特徴としている。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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、炭化ホウ素の空隙が微小であるため、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。特に、炭化ホウ素で形成された多孔質体は硬度が大きい扁平な粒子が多く含んで形成されているため、有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）（ｂ）それぞれ単粒度および２粒度の原料を用いて作製した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の条件および結果を示す表である。
【図３】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】
【００１７】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
（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）の強化材と金属ケイ素のマトリックスとから構成されている。図１（ａ）は、単粒度の原料を用いて作製したＢ４Ｃ／Ｓｉ複合材料１０の断面を示す模式図である。Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料１０は、炭化ホウ素により形成される多孔質体１１の空隙に金属ケイ素１２が充填されて構成されている。
【００１９】
炭化ホウ素の多孔質体１１は、粒子間のネッキングにより構成された網目構造（ネットワーク構造）を有する。これにより、複合材料のヤング率や硬度を高くすることができる。Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料１０は、１００μｍ□（一辺１００μｍの正方形（以下、同様））断面内において観察される多孔質体１１の空隙の最大径が１０μｍ以下である。Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料１０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、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。
【００２０】
このように、Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料１０は、炭化ホウ素の多孔質体１１の空隙が微小であるため、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。特に、炭化ホウ素で形成された多孔質体１１は硬度が大きい扁平な粒子を多く含んで形成されているため、有効である。
【００２１】
なお、炭化ホウ素の多孔質体１１の空隙径は、インターセプト法によって求めることができる。たとえば電子顕微鏡用に研磨調整した試料を観察し、１００μｍ間隔で測定ラインを引き、ライン上にある空隙部分の長さを測定し、最大の長さを最大径とし、全測定長さの平均を平均径として測定できる。
【００２２】
（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、炭化ホウ素原料粉として粗粒をカットし、最大粒径４０μｍ以下とする。そして、最大粒径４０μｍ以下の炭化ホウ素の原料粉を用いてプリフォームを作製する。プリフォームは、原料粉末にバインダーを加えて成形して脱脂することで作製することができる。炭化ホウ素の粒体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の粒体を加圧しながら、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。
【００２３】
上記のように原料粒径を小さくすると、粒子の球形度は同程度であっても、空隙径は相対的に小さくなる。そして、プリフォームの強度低下への影響が少なくなり、浸透時にクラックやメタルベインが発生するおそれもを低減できる。その結果、疎大な空隙が残らないように炭化ホウ素の多孔質のプリフォームを作製でき、金属ケイ素をプリフォームに浸透させる際のクラックの発生を防止することができる。
【００２４】
なお、溶融材料を含浸するプリフォームの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、容器内にプリフォームを設置する。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、上記では、単一の粒径分布を有する炭化ホウ素を用いて、炭化ホウ素のプリフォームを製造しているが、２つ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。図１（ｂ）は、２粒度の原料を用いて作製したＢ４Ｃ／Ｓｉ複合材料２０の断面を示す模式図である。Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料２０は、炭化ホウ素の粗粒２１（大きい粒径の粒子）および微粒２２（小さい粒径の粒子）で形成された多孔質体の空隙に金属ケイ素２３が充填されることで構成されている。
【００２９】
２粒度の材料を用いる場合には、最大粒径２０μｍ以下の炭化ホウ素の粉体および最大粒径７０μｍ以下の炭化ホウ素の粉体を混合した原料粉を用いてプリフォームを作製することが好ましい。これにより、粗粒（大きい粒径の粒子）により生じた空隙を微粒（微小な粒子）で埋めて疎大な空隙が残らないように多孔質のプリフォームを作製でき、金属ケイ素をプリフォームに浸透させる際のクラックの発生を防止することができる。また、２粒度の粒子で効率よく充填率を高め、特性を向上できる。
【００３０】
なお、粗粒と微粒を混合した２粒配合では、充填率は高められるが、部分的に粗大な空隙が残りうる。ただし、炭化ホウ素原料粉として粗粒／微粒の２粒度を配合し、粗粒としては７０μｍ以下を使用することで十分に空隙を小さくすることができる。このように２粒配合とする場合には、単粒の場合に比べると、最大径は大きくできるが、粗粒側の最大径は小さくする必要がある。
【００３１】
（実施例）
実施例および比較例として各粒度の炭化ホウ素の粉末を配合して複合材料を作製した。図２は、実施例（試料Ｎｏ．５、６、９、１０）および比較例（試料Ｎｏ．１〜４、７、８）の製造の条件および結果を示す表である。
【００３２】
まず、各配合の炭化ホウ素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た。Ｆ１８０までの粒度は、篩の目開きにより決定し、Ｆ２４０より細かい粒度は、レーザ回折により決定してｄｐ５０を測定した。このようにして得られた各粒度の単粒の炭化ホウ素の粉末（試料Ｎｏ．１〜６）または２粒配合粉末（試料Ｎｏ．７〜１０）を原料粉末とし、バインダーを加えて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。まず、複合材料に対して炭化ホウ素の多孔質体の孔径測定を行なった。孔径測定は、顕微鏡観察し、インターセプト法で測定した。１００μｍ□断面内において観察される多孔質体の空隙の最大径等を特定した。
【００３５】
以上の実験結果によれば、単粒の原料を用いた場合、原料粉を細粒化するほど、空隙径は小さくなり、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向上した（試料Ｎｏ．１〜６）。特に炭化ホウ素の最大粒径を４０μｍ以下とすることが好適であることが分かった。複合材料における炭化ホウ素の空隙径が大きい場合の配合では、金属ケイ素の含浸後にクラックが生じたが（試料Ｎｏ．１〜４）、クラック発生の問題は、最大粒径４０μｍ以下の小径の炭化ホウ素粉末を使用した場合には解消されている（試料Ｎｏ．５〜６）。
【００３６】
２粒配合の場合も同様の傾向の結果が得られた（試料Ｎｏ.７〜１０）。２粒配合では、最大粒径を７０μｍ以下とした場合、金属ケイ素の含浸後のクラックが解消された。このとき微粒として最大粒径は２０μｍ以下の炭化ホウ素粉末を用いた。２粒配合では粗粒と微粒の混合比は、６／４であった。なお、単粒および２粒配合の両者に共通して、プリフォームの空隙の最大径は１０μｍ以下でその強度が２０ＭＰａ以上であることが、クラックを回避できる条件であると考えられる。
【００３７】
２粒配合においては、微粒の混合比が低すぎると、所期の空隙細粒化効果が得られない。試料Ｎｏ.１０の配合で、粗粒と微粒との混合比を変化させて同様の試作を行ったところ（試料Ｎｏ.１１〜１６）、微粒の混合比が１０％では１５μｍ程度の空隙が存在し、金属ケイ素の含浸後にクラックが発生した。したがって、微粒の混合比は、２０％以上であることが望ましい。ただし、充填率を考慮すれば、その最大値に近い範囲（粗粒：微粒＝８：２〜５：５）が好ましい。
【符号の説明】
【００３８】
１０  Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料（複合材料）
１１  多孔質体
１２  金属ケイ素
２０  Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料（複合材料）
２１  粗粒
２２  微粒
２３  金属ケイ素
【図１】
0005914026.tif 000002
【図２】
0005914026.tif 000003
【図３】
0005914026.tif 000004