(57)【要約】【課題】酸化無機繊維織物の層間に与えられる繊維方向のせん断力に対して耐せん断性を有するロッド形状部品とその製造方法を提供する。【解決手段】ロッド形状部品において、無機繊維結合型セラミックス部材を用いてなる主積層部と、無機繊維結合型セラミックス部材を用いてなり、主積層部に一体に設けられる傾斜積層部と、を備え、無機繊維結合型セラミックス部材は、複数積層された酸化無機繊維織物を有し、酸化無機繊維織物は、無機繊維を用いてなる無機繊維織物と、無機繊維織物の表面に形成される無機物質と、を含み、主積層部は、無機繊維結合型セラミックス部材に含まれる無機繊維の繊維方向が、ロッド形状部品の中心線方向に沿った方向となっており、無機繊維の繊維方向に対して傾斜して形成される傾斜断面を含み、傾斜積層部は、傾斜断面上に設けられ、無機繊維結合型セラミックス部材に含まれる無機繊維の繊維方向が傾斜断面に沿った方向となる。【選択図】図２
2019052075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心線方向に延在して設けられるロッド形状部品において、
無機繊維結合型セラミックス部材を用いてなる主積層部と、
前記無機繊維結合型セラミックス部材を用いてなり、前記主積層部に一体に設けられる傾斜積層部と、を備え、
前記無機繊維結合型セラミックス部材は、複数積層された酸化無機繊維織物を有し、
前記酸化無機繊維織物は、Ｓｉ、Ｍ、Ｃ及びＯ（ＭはＴｉ又はＺｒを示す。）を含有する無機繊維を用いてなる無機繊維織物と、前記無機繊維織物の表面に形成されると共にＳｉ、Ｏ及びＭを含有する無機物質と、を含み、
前記主積層部は、前記無機繊維結合型セラミックス部材に含まれる前記無機繊維の繊維方向が前記中心線方向に沿った方向となっており、前記無機繊維の前記繊維方向に対して傾斜して形成される傾斜断面を含み、
前記傾斜積層部は、前記傾斜断面上に設けられ、前記無機繊維結合型セラミックス部材に含まれる前記無機繊維の前記繊維方向が前記傾斜断面に沿った方向となっていることを特徴とする耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品。
【請求項２】
前記中心線方向の一方側の部位となる第１ロッド部位と、
前記第１ロッド部位に対して前記中心線方向の他方側の部位となり、前記第１ロッド部位に比して太い部位となる第２ロッド部位と、
前記第１ロッド部位と前記第２ロッド部位との間に設けられ、前記第１ロッド部位から前記第２ロッド部位に向かって拡がる段差部と、を備え、
前記主積層部及び前記傾斜積層部は、前記中心線方向において、前記第１ロッド部位から前記段差部を経て前記第２ロッド部位に亘って設けられ、
前記段差部は、前記中心線方向において、前記主積層部の前記傾斜断面が位置する範囲内に設けられると共に、前記傾斜積層部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品。
【請求項３】
前記第１ロッド部位は、前記中心線方向を軸方向とする円柱形状となっており、
前記第２ロッド部位は、前記中心線方向を軸方向とする円柱形状となり、前記第１ロッド部位に比して太径となっていることを特徴とする請求項２に記載の耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品。
【請求項４】
酸化無機繊維織物を用いて、中心線方向に延在して設けられるロッド形状部品を製造するロッド形状部品の製造方法において、
前記酸化無機繊維織物は、Ｓｉ、Ｍ、Ｃ及びＯ（ＭはＴｉ又はＺｒを示す。）を含有する無機繊維を用いてなる無機繊維織物と、前記無機繊維織物の表面に形成されると共にＳｉ、Ｏ及びＭを含有する無機物質と、を含み、
前記酸化無機繊維織物に含まれる前記無機繊維の繊維方向を前記中心線方向に沿わせて、前記酸化無機繊維織物を複数積層すると共に、前記無機繊維の前記繊維方向に対して傾斜する傾斜断面を形成して、主積層部とする工程と、
前記酸化無機繊維織物に含まれる前記無機繊維の繊維方向を前記主積層部の前記傾斜断面に沿わせて、前記酸化無機繊維織物を前記主積層部の前記傾斜断面上に複数積層して、傾斜積層部とする工程と、
前記主積層部と前記傾斜積層部とを一体化成形して、無機繊維結合型セラミックス複合部材とする工程と、
前記無機繊維結合型セラミックス複合部材から、前記主積層部及び前記傾斜積層部を含む前記ロッド形状部品を採取する工程と、を備えることを特徴とする耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品の製造方法。
【請求項５】
前記ロッド形状部品は、
前記中心線方向の一方側の部位となる第１ロッド部位と、
前記第１ロッド部位に対して前記中心線方向の他方側の部位となり、前記第１ロッド部位に比して太い部位となる第２ロッド部位と、
前記第１ロッド部位と前記第２ロッド部位との間に設けられ、前記第１ロッド部位から前記第２ロッド部位に向かって拡がる段差部と、を少なくとも含み、
前記ロッド形状部品を採取する工程では、
前記中心線方向において、前記第１ロッド部位から前記段差部を経て前記第２ロッド部位に亘って、前記主積層部及び前記傾斜積層部を含むように採取されると共に、前記段差部が、前記中心線方向において、前記主積層部の前記傾斜断面が位置する範囲内に設けられると共に、前記傾斜積層部に設けられるように採取されることを特徴とする請求項４に記載の耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品の製造方法。
【請求項６】
前記主積層部とする工程では、前記傾斜断面を機械加工して形成することを特徴とする請求項４または５に記載の耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐せん断性が要求される耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維結合型セラミックスは、単体セラミックスに比して非常に靭性が高く信頼性の高い材料である。また、化学蒸着気相法（ＣＶＤ法）、化学浸透気相法（ＣＶＩ法）、又はポリマー含浸法（ＰＩＰ法）等により製造されたセラミックス繊維強化セラミックス基複合材料に比べると、非常に緻密であり表面平滑性に優れている。したがって、繊維結合型セラミックスは、高耐熱性、高靭性、かつ緻密な高温材料である。
【０００３】
その例として、特開２００４−１３１３６５号公報に示される高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材は、同公開発明の出願人によって「チラノヘックス（商標）」という商標で発売されており、それは主としてＳｉ、Ｍ、Ｃ及びＯ（ＭはＴｉ又はＺｒを示す。）からなる無機繊維が、最密充填に極めて近い構造に結合し、繊維間には１〜１００ｎｍのＣを主成分とする境界層が形成されている高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材である。
【０００４】
さらに詳しくは、
（Ａ）（ｉ）下記（ａ）及び／又は（ｂ）からなる無機繊維と、
（ａ）Ｓｉ、Ｍ、Ｃ及びＯからなる非晶質物質（ＭはＴｉ又はＺｒを示す）、
（ｂ）（１）β−ＳｉＣ、ＭＣ及びＣの結晶質微粒子と、（２）ＳｉＯ２及びＭＯ２の非晶質物質との集合体、
（ｉｉ）前記無機繊維の間隙を充填する、下記（ｃ）及び／又は（ｄ）からなり、場合により（ｅ）が分散した無機物質と、
（ｃ）Ｓｉ及びＯ、場合によりＭからなる非晶質物質、
（ｄ）結晶質のＳｉＯ２及びＭＯ２からなる結晶質物質、
（ｅ）１００ｎｍ以下の粒径のＭＣからなる結晶質微粒子無機物質、
（ｉｉｉ）上記無機繊維の表面に形成された、Ｃを主成分とする、場合により１００ｎｍ以下の粒径のＭＣからなる結晶質粒子が分散した、１から１００ｎｍの境界層、
から構成されてなる無機繊維結合型セラミックス部材の製造方法であって、
（Ｂ）内面層と表面層とからなる無機繊維であって、内面層が下記（ａ）及び／又は（ｂ）を含有する無機質物質で構成され、
（ａ）Ｓｉ、Ｍ、Ｃ及びＯからなる非晶質物質（ＭはＴｉ又はＺｒを示す。）、
（ｂ）（１）β−ＳｉＣ、ＭＣ及びＣの結晶質微粒子と、（２）ＳｉＯ２及びＭＯ２の非晶質物質との集合体、
表面層が下記（ｃ）及び／又は（ｄ）を含有する無機質物質で構成され、
（ｃ）Ｓｉ及びＯ、場合によりＭからなる非晶質物質、
（ｄ）結晶質のＳｉＯ２及び／又はＭＯ２からなる結晶質物質、
かつ、表面層の厚さＴ（単位μｍ）がＴ＝ａＤ（ここで、ａは０．０２３〜０．０５３の範囲内の数値であり、Ｄは無機繊維の直径（単位μｍ）である。）を満足する無機繊維の積層物を、
所定形状の予備成形体に作製し、予備成形体をカーボンダイスにセットして、その周囲をカーボン粉末で覆った後、不活性ガス雰囲気中、１５００〜２０００℃の範囲の温度で１０〜１００ＭＰａの加圧下でホットプレス処理することにより、予備成形体に擬似等方的な圧力を負荷して一体化加工を行って製造された高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材である。
【０００５】
すなわち、その高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材は、Ｓｉ、Ｍ、Ｃ及びＯ（ＭはＴｉ又はＺｒを示す。）を主成分とする無機繊維（上記商標の部材に於いて「チラノ繊維（商標）」という）を繻子織りした無機繊維織物とし、この無機繊維織物の表面を酸化させてＳｉＯ２を形成して酸化無機繊維織物とし、その酸化無機繊維織物を積層した酸化無機繊維織物堆積層で形成されたプリフォーム（予備成形体）を、カーボンダイスにセットし、カーボン粉末で覆ってホットプレス処理することによって予備成形体に擬似等方的な圧力を負荷し、ＳｉＯ２部分を結合することにより一体化成形されるものである。
【０００６】
上記高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材２は、図７に示すように、一般にＳｉ、Ｍ、Ｃ及びＯ（ＭはＴｉ又はＺｒを示す。）からなる無機繊維を一平面内の０／９０°（２Ｄ）に繻子織りしたシート状の酸化無機繊維織物２ａを積層した予備成形体を一体化したものである。図７（ａ）は高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材２の酸化無機繊維織物２ａを積層した状態を模式的に示す側面断面図であり上下向きに積層方向Ｌが示され、同（ｂ）は高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材２の模式的な上面図である。各図中の部材内の縦横の平行線は繊維方向Ｐを模式的に示す。図８（ａ）、（ｂ）はいずれも図７（ａ）と同様に高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材２の模式的な側面断面図であり、（ａ）はせん断力Ｓの負荷状態、（ｂ）はせん断力による損傷Ｄを示す説明図である。
【０００７】
この高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材２は、Ｓｉ、Ｍ、Ｃ及びＯ（ＭはＴｉ又はＺｒを示す。）からなる無機繊維をＳｉＯ２マトリックスで結合したセラミックス系複合材料と言える。Ｓｉ、Ｍ、Ｃ及びＯ（ＭはＴｉ又はＺｒを示す。）からなる無機繊維は、１５００℃以上でも耐熱性を有するが、ＳｉＯ２マトリックスは１２００℃以上で軟化する。このため、１５００℃程度以上でこの部材を適用しようとすると、無機繊維は十分強度を有していても、マトリックスのＳｉＯ２が軟化しており、マトリックス部分は十分な強度を受け持つことができない。特に繊維層間部分２ｂに対して繊維層間部分２ｂに沿う繊維方向Ｐに平行にせん断力Ｓを受ける場合には、部材に損傷、破壊Ｄを生じ易くなる。
【０００８】
したがって、図８（ａ）に示すように積層方向Ｌに対して垂直で、繊維方向Ｐに平行にせん断力Ｓが働くと図８（ｂ）に示すようにクラック、剥離、破断等の損傷Ｄを生じ易い。
【０００９】
高温ガスの制御弁の制御ロッド等には高温高圧下で、曲げ負荷のみならず高いせん断力を受けるものがある。例えば、航空宇宙用制御機器部品等に於いては、図９に概略形状を示すような段差部１５１付のロッド形状部品１０５があり、高圧下で、２０００℃を越える燃焼ガスに曝されるために、材料温度が１５００℃以上まで上昇する。そのような高温、高圧下で用いられる段差部１５１付きのロッド形状部品１０５を上記の高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材２によって製造する場合、従来は以下のように製造された。
【００１０】
図１０（ａ）、（ｂ）に示すように酸化無機繊維織物２ａの堆積層で予備成形体１０６を形成し、カーボンダイスにセットし、カーボン粉末で覆ってホットプレス処理することによって予備成形体１０６に擬似等方的な圧力を負荷し、ＳｉＯ２部分を結合することにより一体化製造して高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材２として、それから図中破線で示すように機械加工（研削、研磨等）し、図１０（ｃ）、（ｄ）に示すようなロッド形状部品１０５を製造することが行なわれる。図１０（ａ）は高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材２内の酸化無機繊維織物２ａを積層した状態を模式的に示す側面断面図であり図示上下向きに積層方向Ｌが示され、同図（ｂ）は、（ａ）中のＨ−Ｈ矢視断面図である。なお、（ａ）は左右対称に２個のロッド形状部品１０５を取出す場合（２本取り）の左半分を示している。同図（ｃ）は製造されたロッド形状部品１０５の模式的な側面図、同図（ｄ）は、（ｃ）中のＩ−Ｉ矢視図である。なお、各図中の部材２内の平行線は繊維方向Ｐを模式的に示す。
【００１１】
そのため、図１０（ｃ）、（ｄ）に示した従来の高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材２で製造された高温、高圧下で用いられるロッド形状部品１０５においては、ロッド形状部品１０５が途中に段差部（少なくとも積層方向Ｌに拡大する段差部）１５１を有する場合、段差部１５１に図中白抜き矢印のようなロッド中心線Ｘ方向の高温、高圧気体の圧力を受けると、段差部１５１に働く負荷によりロッド形状部品１０５の、特に積層方向Ｌ上下端側の段差部１５１ａの繊維層間部分２ｂにせん断力Ｓが働き、クラック、剥離、破断等の損傷Ｄが生じ易くなる。
【００１２】
なお、上述した従来の化学蒸着気相法（ＣＶＤ法）、化学浸透気相法（ＣＶＩ法）、又はポリマー含浸法（ＰＩＰ法）等により製造されたセラミックス繊維強化セラミックス基複合材料は、カーボン繊維強化カーボン基複合材料と同様に、予め酸化無機繊維織物２ａにおいて従来の積層方向Ｌにも繊維を配向して三次元（３Ｄ）に織って予備成形体を形成し、ホットプレス処理し一体化することは、積層方向に配向した繊維がホットプレスにおいて破損するため上記の問題の解決法として採用することはできなかった。
【００１３】
したがって、高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材内の積層された酸化無機繊維織物の層間に対しての繊維方向のせん断力に耐えられるロッド形状部品とその製造方法が求められており、またさらに具体的には、１５００℃以上で高耐熱性無機繊維結合型セラミックス部材のマトリックスが軟化した状態でもせん断力に耐えることができ、気密性があって高い層間せん断強度を有し、高温高圧下での使用を可能とするロッド形状部品およびその製造方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−１３１３６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、無機繊維結合型セラミックス部材内の積層された酸化無機繊維織物の層間に与えられる繊維方向のせん断力に対して耐せん断性を有する無機繊維結合型セラミックス部材による耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品及びその製造方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品は、中心線方向に延在して設けられるロッド形状部品において、無機繊維結合型セラミックス部材を用いてなる主積層部と、前記無機繊維結合型セラミックス部材を用いてなり、前記主積層部に一体に設けられる傾斜積層部と、を備え、前記無機繊維結合型セラミックス部材は、複数積層された酸化無機繊維織物を有し、前記酸化無機繊維織物は、Ｓｉ、Ｍ、Ｃ及びＯ（ＭはＴｉ又はＺｒを示す。）を含有する無機繊維を用いてなる無機繊維織物と、前記無機繊維織物の表面に形成されると共にＳｉ、Ｏ及びＭを含有する無機物質と、を含み、前記主積層部は、前記無機繊維結合型セラミックス部材に含まれる前記無機繊維の繊維方向が前記中心線方向に沿った方向となっており、前記無機繊維の前記繊維方向に対して傾斜して形成される傾斜断面を含み、前記傾斜積層部は、前記傾斜断面上に設けられ、前記無機繊維結合型セラミックス部材に含まれる前記無機繊維の前記繊維方向が前記傾斜断面に沿った方向となっていることを特徴とする。
【００１７】
また、前記中心線方向の一方側の部位となる第１ロッド部位と、前記第１ロッド部位に対して前記中心線方向の他方側の部位となり、前記第１ロッド部位に比して太い部位となる第２ロッド部位と、前記第１ロッド部位と前記第２ロッド部位との間に設けられ、前記第１ロッド部位から前記第２ロッド部位に向かって拡がる段差部と、を備え、前記主積層部及び前記傾斜積層部は、前記中心線方向において、前記第１ロッド部位から前記段差部を経て前記第２ロッド部位に亘って設けられ、前記段差部は、前記中心線方向において、前記主積層部の前記傾斜断面が位置する範囲内に設けられると共に、前記傾斜積層部に設けられていることが好ましい。
【００１８】
また、前記第１ロッド部位は、前記中心線方向を軸方向とする円柱形状となっており、
前記第２ロッド部位は、前記中心線方向を軸方向とする円柱形状となり、前記第１ロッド部位に比して太径となっていることが好ましい。
【００１９】
本発明の耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品の製造方法は、酸化無機繊維織物を用いて、中心線方向に延在して設けられるロッド形状部品を製造するロッド形状部品の製造方法において、前記酸化無機繊維織物は、Ｓｉ、Ｍ、Ｃ及びＯ（ＭはＴｉ又はＺｒを示す。）を含有する無機繊維を用いてなる無機繊維織物と、前記無機繊維織物の表面に形成されると共にＳｉ、Ｏ及びＭを含有する無機物質と、を含み、前記酸化無機繊維織物に含まれる前記無機繊維の繊維方向を前記中心線方向に沿わせて、前記酸化無機繊維織物を複数積層すると共に、前記無機繊維の前記繊維方向に対して傾斜する傾斜断面を形成して、主積層部とする工程と、前記酸化無機繊維織物に含まれる前記無機繊維の繊維方向を前記主積層部の前記傾斜断面に沿わせて、前記酸化無機繊維織物を前記主積層部の前記傾斜断面上に複数積層して、傾斜積層部とする工程と、前記主積層部と前記傾斜積層部とを一体化成形して、無機繊維結合型セラミックス複合部材とする工程と、前記無機繊維結合型セラミックス複合部材から、前記主積層部及び前記傾斜積層部を含む前記ロッド形状部品を採取する工程と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
また、前記ロッド形状部品は、前記中心線方向の一方側の部位となる第１ロッド部位と、前記第１ロッド部位に対して前記中心線方向の他方側の部位となり、前記第１ロッド部位に比して太い部位となる第２ロッド部位と、前記第１ロッド部位と前記第２ロッド部位との間に設けられ、前記第１ロッド部位から前記第２ロッド部位に向かって拡がる段差部と、を少なくとも含み、前記ロッド形状部品を採取する工程では、前記中心線方向において、前記第１ロッド部位から前記段差部を経て前記第２ロッド部位に亘って、前記主積層部及び前記傾斜積層部を含むように採取されると共に、前記段差部が、前記中心線方向において、前記主積層部の前記傾斜断面が位置する範囲内に設けられると共に、前記傾斜積層部に設けられるように採取されることが好ましい。
【００２１】
また、前記主積層部とする工程では、前記傾斜断面を機械加工して形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品及びその製造方法は、上記のように、傾斜積層部と主積層部とが一体に設けられるため、中心線方向の負荷によるせん断力と傾斜積層部の層間方向（繊維方向）が一致せず、また、層間断面が露出しても傾斜積層部の層間断面であるため主積層部に層間せん断破壊が及び難く、せん断力に対する強度が向上する。従って、ロッド形状部品を実際に使用した場合の層間損傷が少なくなる。
【００２３】
また、本発明の耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品及びその製造方法は、細い部位となる第１ロッド部位から太い部位となる第２ロッド部位に向かって拡がる段差部が傾斜積層部に設けられることにより、段差部において主積層部の層間断面に直接せん断力が作用せず、その強度向上の効果は著しく顕著なものとなる。
【００２４】
また、本発明の耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品及びその製造方法は、主積層部の傾斜断面を機械加工で形成すれば、主積層部と傾斜積層部の一体化成形がより精度の高いものとなり、せん断力に対する強度向上がより確実になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本実施形態に係る無機繊維結合型セラミックス複合部材の側面断面図であり、その内部の酸化無機繊維織物を積層した状態を模式的に示す。
【図２】図２は、本実施形態の実施例１に係る無機繊維結合型セラミックス複合部材からなるロッド形状部品とその製造方法の説明図である。
【図３】図３は、実施例１に係るロッド形状部品の層間せん断破壊形態の写真である。
【図４】図４は、（ａ）が、比較例１のロッド形状部品の採取位置を模式的に示す側面図であり、（ｂ）が、（ａ）中のＥ−Ｅ矢視図である。
【図５】図５は、比較例１に係るロッド形状部品の層間せん断破壊形態の写真である。
【図６】図６は、（ａ）が、本実施形態の実施例２に係る無機繊維結合型セラミックス複合部材からなるロッド形状部品の側面断面図であり、その内部の酸化無機繊維織物を積層した状態を模式的に示し、（ｂ）が、（ａ）中のＦ−Ｆ矢視断図である。
【図７】図７は、（ａ）が、一般的な無機繊維結合型セラミックス部材内の酸化無機繊維織物を積層した状態を模式的に示す側面断面図であり、（ｂ）が、無機繊維結合型セラミックス部材の模式的な上面図である。
【図８】図８は、（ａ）、（ｂ）はいずれも図７（ａ）と同様に、無機繊維結合型セラミックス部材の模式的な側面断面図であり、（ａ）はせん断力の負荷状態、（ｂ）はせん断力による損傷を示す説明図である。
【図９】図９は、（ａ）が、一般的な段差部付のロッド形状部品の概略形状の説明図であり、（ｂ）が、（ａ）中のＧ−Ｇ矢視断面図である。
【図１０】図１０は、（ａ）が、従来のロッド形状部品（比較例２）が採取される無機繊維結合型セラミックス部材の側面断面図であり、その内部の酸化無機繊維織物を積層した状態を模式的に示し、（ｂ）が、（ａ）中のＨ−Ｈ矢視断面図であり、（ｃ）が、比較例２に係るロッド形状部品の模式的な側面図であり、（ｄ）が、（ｃ）中のＩ−Ｉ矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
【００２７】
［実施形態］
本実施形態は、従来の高耐熱性無機繊維結合型セラミックスで製造されたロッド形状部品の上記の問題を解決するものであり、図１に本発明に係る無機繊維結合型セラミックス複合部材１の側面断面図を示し、内部の酸化無機繊維織物２ａを積層した状態を模式的に示す。
【００２８】
本実施形態に係る無機繊維結合型セラミックス複合部材１は、せん断力Ｓに対して角度をもった積層部分を追加して、せん断力Ｓに対して強化を行なった耐せん断性及び高耐熱性を有する無機繊維結合型セラミックス複合部材１となっている。具体的に、無機繊維結合型セラミックス複合部材１は、主積層部３と、傾斜積層部４と、を一体に成形したものであり、この無機繊維結合型セラミックス複合部材１の所定位置を所定形状に機械加工することで、本実施形態の耐せん断高耐熱性無機繊維結合型セラミックス製のロッド形状部品５（図６参照）を採取している。
【００２９】
主積層部３は、酸化無機繊維織物２ａを積層方向に複数積層して、予め一体化成形した高耐熱性を有する無機繊維結合型セラミックス部材２となっている。酸化無機繊維織物２ａは、Ｓｉ、Ｍ、Ｃ及びＯ（ＭはＴｉ又はＺｒを示す。）からなる無機繊維を用いてなる無機繊維織物と、無機繊維織物の表面に形成されると共にＳｉ、Ｏ及びＭからなる無機物質と、を含んで構成されている。主積層部３は、積層された繊維の繊維方向Ｐに対して角度を持たせて（傾斜させて）形成された傾斜断面３１を有している。傾斜断面３１は、例えば部分的に機械加工で削除することにより形成される。
【００３０】
傾斜積層部４は、傾斜断面３１を覆って設けられている。傾斜積層部４は、傾斜断面３１に沿って上記の酸化無機繊維織物２ａをさらに複数積層して、主積層部３と一体複合化成形されることで、耐せん断性及び耐高熱性を有する上記の無機繊維結合型セラミックス複合部材１となっている。この傾斜積層部４は、図１に示す積層方向Ｌ′となっており、また、傾斜積層部４の繊維の方向が傾斜断面３１に沿った方向となっている。
【００３１】
なお、主積層部３における傾斜断面３１は機械加工に拠らず、予め主積層部３を形成する際、そのように主積層部３を積層して形成してもよい。
【００３２】
ここで、本実施形態に用いられる無機繊維結合型セラミックス複合部材１（単に、無機繊維結合型セラミックスともいう）の酸化無機繊維織物としては、次のような好適例が挙げられる。なお、下記する本実施形態では、Ｍとして、Ｔｉに適用して説明するが、Ｔｉに代えてＺｒを適用してもよい。
【００３３】
先ず、無機繊維結合型セラミックス（Ａ）は、
（ｉ）下記（ａ）及び／又は（ｂ）からなる無機繊維と、
（ａ）Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯからなる非晶質物質、
（ｂ）（１）β−ＳｉＣ、ＴｉＣ及びＣの結晶質微粒子と、（２）ＳｉＯ２及びＴｉＯ２の非晶質物質との集合体、
（ｉｉ）前記無機繊維の間隙を充填する、下記（ｃ）及び／又は（ｄ）からなり、場合により（ｅ）が分散した無機物質と、
（ｃ）Ｓｉ及びＯ、場合によりＴｉからなる非晶質物質、
（ｄ）結晶質のＳｉＯ２及びＴｉＯ２からなる結晶質物質、
（ｅ）１００ｎｍ以下の粒径のＴｉＣからなる結晶質微粒子無機物質、
（ｉｉｉ）上記無機繊維の表面に形成された、Ｃを主成分とする、場合により１００ｎｍ以下の粒径のＴｉＣからなる結晶質粒子が分散した、１から１００ｎｍの境界層、
から構成されている。
【００３４】
結晶質微粒子におけるβ−ＳｉＣとＴｉＣとはそれらの固溶体として存在することもでき、またＴｉＣは炭素欠損状態であるＴｉＣ１−ｘ（ｘは０以上で１未満の数である。）として存在することもできる。無機繊維を構成する各元素の割合は、例えば、Ｓｉ：３０〜６０重量％、Ｔｉ：０．５〜３５重量％、好ましくは１〜１０重量％、Ｃ：２５〜４０重量％、Ｏ：０．０１〜３０重量％である。無機繊維の相当直径は例えば５〜２０μｍである。
【００３５】
無機繊維（ｉ）は、例えば、無機繊維結合型セラミックス（Ａ）中に、８０体積％以上、好ましくは８５〜９１体積％、存在する。
【００３６】
それぞれの無機繊維の表面には、非晶質及び結晶質の炭素が、１〜１００ｎｍの範囲、好ましくは１０〜５０ｎｍの厚さで境界層として非整合的に層状に生成している。また、場合により境界層には、１００ｎｍ以下の粒径のＴｉＣからなる結晶質粒子が分散している。
【００３７】
以下、本実施形態の一例である実施例１、実施例２を説明する。
【実施例１】
【００３８】
実施例１の耐せん断性及び高耐熱性を有する無機繊維結合型セラミックス複合部材１を用いてなるロッド形状部品５と、その製造方法とを、図２中の（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。なお、（ａ）図示において、左側は傾斜コア材３の側面図、そのＡ−Ａ矢視図を右側に示し、（ｂ）図示において、左側は予備成形体６の側面図、そのＢ−Ｂ矢視図を右側に示し、（ｃ）図示においては、カーボンダイス１０の側面断面図を示し、（ｄ）図示において、左側は無機繊維結合型セラミックス複合部材１の側面図を示し、そのＤ−Ｄ矢視図を右側に示す。
【００３９】
（ａ）：繊維径１０μｍのＳｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯからなる無機繊維（商標名「チラノ繊維」）の繻子織物シートを、９５０℃の空気中で１５時間加熱処理し、表面層と内面層とからなる酸化無機繊維織物２ａを作製した。繊維表面には、無機物質を含む平均約３００ｎｍの均一な表面層が形成されていた。次に、この酸化無機繊維織物２ａを、２００ｍｍ×２００ｍｍに切断した後、１００枚を積層して、カーボンダイス中にセットし、アルゴン雰囲気下、温度１８００℃、５０ＭＰａの圧力でホットプレス処理し、二次元方向（２Ｄ）の無機繊維結合型セラミックス部材２を得た。
【００４０】
この状態で上記の二次元方向（２Ｄ）の無機繊維結合型セラミックス部材２は、図２の上下向きの積層方向Ｌを有し、一様に図示水平方向の繊維方向（層間方向）Ｐを有している。この無機繊維結合型セラミックス部材２を、繊維方向Ｐに対して角度を持たせて機械加工（研削、研磨等）し、中央部表裏に上下高さが減じた平行面３０が形成されるように左右対称に傾斜断面３１を有する傾斜コア材３とした。傾斜断面３１は、採取するロッド形状部品５の中心線Ｘ方向において酸化無機繊維織物２ａの繊維方向Ｐに対して傾斜して形成されている。また、傾斜コア材３はロッド形状部品５の中心の主積層部をなすものとなる。
【００４１】
このように、（ａ）は、酸化無機繊維織物２ａに含まれる無機繊維の繊維方向Ｐを中心線Ｘ方向に沿わせて、酸化無機繊維織物２ａを複数積層すると共に、無機繊維の繊維方向Ｐに対して傾斜する傾斜断面３１を形成して、傾斜コア材（主積層部）３とする工程となっている。
【００４２】
なお、傾斜コア材３が中心線Ｘ方向において左右対称に傾斜断面３１を有するものとしたのは、下記の無機繊維結合型セラミックス複合部材１からロッド形状部品５を２本取りできるほか、下記の傾斜積層部４の形成、及び加圧、一体化成形において、無機繊維結合型セラミックス複合部材１の成形が一様になされるためである。
【００４３】
（ｂ）傾斜コア材３の表裏へ傾斜断面３１も含めその上下面に沿って、傾斜積層部４として、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯからなる無機繊維（商標名「チラノ繊維」）を９５０℃の空気中で１５時間加熱処理した酸化無機繊維織物２ａをそれぞれ５０枚積層し、予備成形体６とした。予備成形体６において、傾斜積層部４は、傾斜コア材３の傾斜断面３１に面する部分は傾斜した積層方向Ｌ′を有し、それ以外は傾斜コア材３の積層方向Ｌと同じ積層方向Ｌを有する。
【００４４】
このように、（ｂ）は、酸化無機繊維織物２ａに含まれる無機繊維の繊維方向Ｐを傾斜コア材３の傾斜断面３１に沿わせて、酸化無機繊維織物２ａを傾斜コア材３の傾斜断面３１上に複数積層して、傾斜積層部４とする工程となっている。
【００４５】
（ｃ）この予備成形体６をカーボンダイス１０においてカーボン粉末１１中に１８００℃で擬似等方加圧して、傾斜コア材３と傾斜積層部４とを一体化成形し、耐せん断性及び高耐熱性を有する無機繊維結合型セラミックス複合部材１を得た。
【００４６】
このように、（ｃ）は、傾斜コア材３と傾斜積層部４とを一体化成形して、無機繊維結合型セラミックス複合部材１とする工程となっている。
【００４７】
（ｄ）そして、ロッド中心線Ｘ方向の途中に段差部（少なくとも積層方向Ｌ、Ｌ′に拡大する段差部）５１を有するロッド形状部品５を、上記（ｃ）で得られた無機繊維結合型セラミックス複合部材１から採取する。
【００４８】
ここで、採取されるロッド形状部品５について説明する。ロッド形状部品５は、中心線Ｘを軸方向とする円柱形状に形成されており、細径となる第１ロッド部位５２と、太径となる第２ロッド部位５３と、第１ロッド部位５２と第２ロッド部位５３との間の段差部５１と、を備えている。
【００４９】
第１ロッド部位５２は、中心線Ｘ方向の一方側の部位となっており、中心線Ｘを軸方向として、円柱形状に形成されている。第１ロッド部位５２は、傾斜コア材３と傾斜積層部４とを含み、傾斜コア材３の積層方向と、傾斜積層部４の積層方向とは、同じ方向となっている。つまり、第１ロッド部位５２は、積層方向において、中心線Ｘ側となる部位が、傾斜コア材３となっており、傾斜コア材３の表裏両面側が、傾斜コア材３の平行面３０上に形成される傾斜積層部４となっている
【００５０】
第２ロッド部位５３は、中心線Ｘ方向の他方側の部位となっており、中心線Ｘを軸方向として、円柱形状に形成されている。第２ロッド部位５３は、第１ロッド部位５２に比して太い径となっている。第２ロッド部位５３は、傾斜コア材３と傾斜積層部４とを含み、傾斜コア材３の積層方向と、傾斜積層部４の積層方向とが、異なる方向となっている。つまり、第２ロッド部位５３は、積層方向において、中心線Ｘ側となる部位が、傾斜コア材３となっており、傾斜コア材３の表裏両面側が、傾斜コア材３の傾斜断面３１上に形成される傾斜積層部４となっている。
【００５１】
段差部５１は、第１ロッド部位５２から第２ロッド部位５３に向かって拡がるテーパ面に形成されている。段差部５１は、傾斜コア材３と傾斜積層部４とを含み、第２ロッド部位５３と同様に、傾斜コア材３の積層方向と、傾斜積層部４の積層方向とが、異なる方向となっている。つまり、段差部５１は、第２ロッド部位５３と同様に、積層方向において、中心線Ｘ側となる部位が、傾斜コア材３となっており、傾斜コア材３の表裏両面側が、傾斜コア材３の傾斜断面３１上に形成される傾斜積層部４となっている。このため、段差部５１は、中心線Ｘ方向において、傾斜コア材３の傾斜断面３１が位置する範囲内に設けられると共に、傾斜積層部４に形成されている。
【００５２】
そして、上記したように、本実施形態において、無機繊維結合型セラミックス複合部材１から、上記のロッド形状部品５を２本取りする場合、傾斜コア材３の繊維方向Ｐと、ロッド中心線Ｘ方向とを一致させる。２本取りされるロッド形状部品５は、中心線Ｘ方向において、各第１ロッド部位５２が相互に対向するように配置される。また、中心線Ｘ方向において、傾斜コア材３の左右の傾斜断面３１が位置するそれぞれの範囲内に、積層方向Ｌ、Ｌ′の上下端側（表裏両面側）の段差部５１ａが位置するように、また、段差部５１ａが傾斜積層部４内に位置するように、機械加工によってロッド形状部品５を採取し、実施例１とした。これにより、実施例１のロッド形状部品５は、傾斜コア材３と傾斜積層部４とに跨った、中心線Ｘ方向に延在して設けられる段差部５１ａを有する円柱形状の部品となる。
【００５３】
このように、（ｄ）は、無機繊維結合型セラミックス複合部材１から、傾斜コア材３及び傾斜積層部４を含むロッド形状部品５を採取する工程となっている。
【００５４】
従って、採取したロッド形状部品５において、積層方向Ｌ、Ｌ′の上下端側の段差部５１ａには傾斜コア材（主積層部）３の層間断面は露出せず、傾斜積層部４の層間断面が露出したものとなっている。
【００５５】
しかる後、得られた実施例１のロッド形状部品５に対し、そのロッド中心線Ｘ方向の負荷Ｆによる層間せん断試験を行った。実施例１のロッド形状部品５の層間せん断強度は、室温で２５〜３５ＭＰａ、１３００℃で３５〜４２ＭＰａ、１５００℃で２５〜２７ＭＰａであった。
【００５６】
また、その時の破壊形態は、図３に示すとおりである。図３は、実施例１のロッド形状部品５において、１５００℃での層間せん断破壊形態を示す写真である。つまり、図３には、積層方向Ｌ、Ｌ′の上下端側の段差部５１ａにおいて発生する、傾斜積層部４の積層方向Ｌ′の部分の傾斜積層面に沿った（すなわち、傾斜コア材３の傾斜断面３１と平行な面に沿った）せん断破壊が示されており、段差部５１ａは、繊維方向に沿って斜めに破壊されている。
【００５７】
実施例１と比較するために比較例１として、図４に示すように、単純な二次元方向（２Ｄ）となる無機繊維の一様な積層体による段差部（少なくとも積層方向Ｌに拡大する段差部）１５１を有するロッド形状部品１０５を製造した。なお、図４（ａ）は、酸化無機繊維織物２ａが積層された無機繊維結合型セラミックス部材２と、無機繊維結合型セラミックス部材２におけるロッド形状部品１０５の採取位置を模式的に示す側面図であり、上下に積層方向Ｌが示されている。また、図４（ｂ）は、（ａ）中のＥ−Ｅ矢視図である。
【００５８】
すなわち、比較例１では、繊維径１０μｍのＳｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯからなる無機繊維（商標名「チラノ繊維」）の繻子織物シートを、９５０℃の空気中で１５時間加熱処理し、表面層と内面層とからなる酸化無機繊維織物２ａを作製した。繊維表面には、無機物質を含む平均約３００ｎｍの均一な表面層が形成されていた。次に、この酸化無機繊維織物２ａを、２００ｍｍ×２００ｍｍに切断した後、２００枚を積層して、これを予備成型体１０６としてカーボンダイス中にセットし、アルゴン雰囲気下、温度１８００℃、５０ＭＰａの圧力でホットプレス処理し、二次元方向（２Ｄ）の無機繊維結合型セラミックス部材２を得た。
【００５９】
この状態で上記の二次元方向（２Ｄ）の無機繊維結合型セラミックス部材２は、前述の従来のロッド形状部品１０５を製造するための無機繊維結合型セラミックス部材２（図１０参照）と同様に、図４の上下向きの積層方向Ｌを有し、一様に図示の水平方向の繊維方向（層間方向）Ｐを有している。
【００６０】
この無機繊維結合型セラミックス部材２から、機械加工によって実施例１と同形状の比較例１のロッド形状部品１０５を採取する。採取した比較例１のロッド形状部品１０５は、積層方向Ｌの上下端側の段差部１５１ａに比較例１の主積層部３である無機繊維結合型セラミックス部材２の層間断面が露出したものとなっている。
【００６１】
比較例１のロッド形状部品１０５に対し、ロッド中心線Ｘ方向の負荷Ｆによる層間せん断試験を行った。比較例１のロッド形状部品１０５の層間せん断強度は、室温で２２〜２８ＭＰａ、１３００℃で３０〜３６ＭＰａ、１５００℃で２３〜２５ＭＰａであった。この値は実施例１と比べて低い値である。
【００６２】
また、その時の破壊形態は、図５に示すとおりである。図５は、比較例１のロッド形状部品１０５において、１５００℃での層間せん断破壊形態を示す写真である。つまり、図５には、積層方向Ｌの上下端側の段差部１５１ａにおいて発生する、ロッド形状部品１０５の主積層部の積層面に沿ったせん断破壊が示されており、段差部１５１ａは、その繊維方向Ｐに沿って真っ直ぐ破壊されている。
【００６３】
これは、図１０に示すような従来の段差部１５１つきのロッド形状部品１０５と同様の積層構造を有する比較例１においては、積層方向Ｌの上下端側の段差部１５１ａに主積層部（実施例１の傾斜コア材３に相当）である無機繊維結合型セラミックス部材２の層間断面が露出している。つまり、ロッド中心線Ｘ方向と平行な繊維方向Ｐの主積層部の層間断面が露出することで、段差部１５１に働く負荷Ｆとして、層間面に平行なせん断力Ｓ（図１０参照）が作用すると、せん断破壊が生じ易い。
【００６４】
一方で、実施例１の場合、積層方向Ｌ、Ｌ′の上下端側の段差部５１は、傾斜積層部４に形成されている。このため、ロッド中心線Ｘ方向の負荷Ｆとなるせん断力Ｓ（図６参照）が作用する箇所において、繊維方向（層間方向）Ｐが一致せず、また、層間断面が露出しても傾斜積層部４の層間断面であるため、主積層部３に層間せん断破壊が及び難く、せん断力Ｓに対する強度が向上したものとなる。
【実施例２】
【００６５】
上述のように航空宇宙用制御機器部品等、高温、高圧下で用いるロッド形状部品として、従来は、図１０（ｃ）、（ｄ）に示すものであった。すなわち、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯからなる無機繊維の表面にＳｉ、Ｏ及びＴｉからなる無機物質が形成された二次元方向（２Ｄ）の酸化無機繊維織物２ａを複数積層して、高耐熱性の無機繊維結合型セラミックス部材２を成形している。そして、成形した無機繊維結合型セラミックス部材２から、段差部（少なくとも積層方向Ｌに拡大する段差部）１５１付きのロッド形状部品１０５を採取することで、ロッド形状部品１０５が製造されていた。このロッド形状部品１０５では、外部からの負荷（特に段差部１５１に対するロッド中心軸Ｘ方向の力）により積層方向Ｌの上下端側の段差部１５１ａにおける積層間に生じるせん断力Ｓにより積層間の損傷（クラック、剥離、破断等）Ｄが生じていた。
【００６６】
これを防止するために、図６に示すように本発明の耐せん断性及び高耐熱性を有する無機繊維結合型セラミックス複合部材１からロッド形状部品５（実施例２）を製造した。図６（ａ）は、ロッド形状部品５内の酸化無機繊維織物２ａを積層した状態を模式的に示す側面断面図であり、図示上下向きに傾斜コア材３の積層方向Ｌが示されている。また、図６（ｂ）は、（ａ）中のＦ−Ｆ矢視断面図である。
【００６７】
その製造方法は、実施例１で示したロッド形状部品５の製造方法と同じであり、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯからなる無機繊維の表面にＳｉ、Ｏ及びＴｉからなる無機物質が形成された二次元方向（２Ｄ）の酸化無機繊維織物２ａを複数積層して、高耐熱性の無機繊維結合型セラミックス部材２を成形する。そして、成形した無機繊維結合型セラミックス部材２の積層方向Ｌの表裏に、機械加工により傾斜断面３１を形成して、傾斜コア材（主積層部）３を製造する。この傾斜コア材３の表裏に形成された傾斜断面３１に沿って、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯからなる無機繊維の表面にＳｉ、Ｏ及びＴｉからなる無機物質が形成され酸化無機繊維織物２ａを複数積層して、予備成形体を形成する。この後、予備成形体をカーボンダイス中で擬似等方加圧成形し、耐せん断性及び高耐熱性を有する無機繊維結合型セラミックス複合部材１を得る。
【００６８】
無機繊維結合型セラミックス複合部材１を機械加工することにより所定の位置から所定の形状の段差部（少なくとも積層方向に拡大する段差部）５１付のロッド形状部品５（実施例２）を採取する。段差部５１の位置、形状については、実施例１で説明した段差部５１の位置、形状と同様である。また、実施例２のロッド形状部品５内の積層構造は、実施例１のロッド形状部品５と同様である。
【００６９】
図１０（ｃ）、（ｄ）に示した従来のロッド形状部品１０５（比較例２とする）と、図６に示したロッド形状部品５（実施例２）とを、実際の燃焼試験において比較使用した結果、図６の実施例２の方が比較例２に比べ層間損傷が少ないことが明らかとなった。
【００７０】
以上、本実施形態として図示の実施例１、２について説明したが、本実施形態は上記の実施例に限定されず、本実施形態の範囲内でその具体的構造、構成に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。なお、主積層部（傾斜コア材）３における傾斜断面３１は、機械加工に拠らず、そのように主積層部３を積層して形成してもよい。また、ロッド形状部品５は、中心線Ｘ方向を軸方向とする円柱形状に形成したが、中心線Ｘ方向に延在する角柱形状に形成してもよい。さらに、主積層部（傾斜コア材）３の傾斜断面３１は、繊維方向に対して傾斜していればよく、繊維方向に対する傾斜角度は、いずれの角度であってもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１                  無機繊維結合型セラミックス複合部材
２                  無機繊維結合型セラミックス部材
２ａ                酸化無機繊維織物
２ｂ                繊維層間部分
３                  傾斜コア材（主積層部）
３０                平行面
３１                傾斜断面
４                  傾斜積層部
５                  ロッド形状部品
５１                段差部
５２                第１ロッド部位
５３                第２ロッド部位
６                  予備成形体
１０                カーボンダイス
１１                カーボン粉末
１０５              ロッド形状部品
１０６              予備成形体
１５１              段差部
【図１】
2019052075.tif 000003
【図２】
2019052075.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2019052075.tif 000007
【図６】
2019052075.tif 000008
【図７】
2019052075.tif 000009
【図８】
2019052075.tif 000010
【図９】
2019052075.tif 000011
【図１０】
2019052075.tif 000012