(57)【要約】【課題】機械的特性に優れたセラミックス基複合材料を提供することを目的とする。【解決手段】炭化ケイ素繊維束を含む繊維基材と、前記炭化ケイ素繊維束の各炭化ケイ素繊維の表面上に形成された炭化ケイ素膜とを有するセラミック基複合材料であって、前記炭化ケイ素繊維束の表層の前記炭化ケイ素繊維の表面上に形成された前記炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ１に対する、前記炭化ケイ素繊維束の前記表層よりも内側の内層の前記炭化ケイ素繊維の表面上に形成された前記炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ２の比が１．０〜１．３である、セラミック基複合材料。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素繊維束で形成された繊維基材と、前記炭化ケイ素繊維束の各炭化ケイ素繊維の表面上に形成された炭化ケイ素膜とを有するセラミック基複合材料であって、
前記炭化ケイ素繊維束の表層の前記炭化ケイ素繊維の表面上に形成された前記炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ１に対する、前記炭化ケイ素繊維束の前記表層よりも内側の内層の前記炭化ケイ素繊維の表面上に形成された前記炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ２の比が１．０〜１．３である、セラミック基複合材料。
【請求項２】
前記炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ２が２．６μｍ以上である、請求項１に記載のセラミック基複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック基複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス基複合材料（ＣＭＣ：Ceramic Matrix Composites）は、高強度の高温材料、軽量材料として知られ、ニッケル基合金の代替として期待されている。例えばＣＭＣを航空用ジェットエンジンの高温部に適用することにより、エンジンの軽量化および低燃費化が期待できる。高温部への適用には、マトリックスとして耐熱性に優れる炭化ケイ素を用いることが有効である。
【０００３】
ＣＭＣは、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）法又は化学気相含浸（ＣＶＩ）法によって、繊維基材の各繊維の表面上に炭化ケイ素を堆積させて炭化ケイ素膜を形成する方法で製造される。特許文献１には、ＣＨ３ＳｉＣｌ３（ＭＴＳ）、ＳｉＣｌ４等の原料ガスと、Ｈ２、Ｈｅ等のキャリアガスと、Ｃ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ４等の添加ガスを反応炉に流し、ＣＶＤ法又はＣＶＩ法によりセラミック繊維の表面上に炭化ケイ素膜を形成したＣＭＣが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５９０６３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のような従来のＣＭＣは、特に航空用ジェットエンジンの高温部等の過酷な条件への適用を考えた場合には機械的特性が充分とは言えず、機械的特性をさらに向上させることが重要である。
【０００６】
本発明は、機械的特性に優れたセラミックス基複合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】
【０００７】
本発明は、以下の構成を有する。
［１］炭化ケイ素繊維束で形成された繊維基材と、前記炭化ケイ素繊維束の各炭化ケイ素繊維の表面上に形成された炭化ケイ素膜とを有するセラミック基複合材料であって、
前記炭化ケイ素繊維束の表層の前記炭化ケイ素繊維の表面上に形成された前記炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ１に対する、前記炭化ケイ素繊維束の前記表層よりも内側の内層の前記炭化ケイ素繊維の表面上に形成された前記炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ２の比が１．０〜１．３である、セラミック基複合材料。
［２］前記炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ２が２．６μｍ以上である、［１］に記載のセラミック基複合材料。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のセラミック基複合材料は、機械的特性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のセラミック基複合材料の製造に用いる製造装置の一例を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のセラミック基複合材料（以下、「ＣＭＣ」と記す。）は、炭化ケイ素繊維束で形成された繊維基材と、炭化ケイ素繊維束の各炭化ケイ素繊維の表面上に形成された炭化ケイ素膜（ＳｉＣ膜）とを有する。
【００１１】
炭化ケイ素繊維束は、本発明の効果を損なわない範囲であれば、炭化ケイ素繊維に加えて、炭化ケイ素繊維以外の他の繊維を含んでもよい。他の繊維としては、アルミナ繊維、炭素繊維、ガラス繊維等が挙げられる。
【００１２】
炭化ケイ素繊維束中の炭化ケイ素繊維の含有量は、炭化ケイ素繊維束に含まれる繊維の総質量に対して、９０質量％以上が好ましく、９５質量％以上がより好ましく、９９質量％以上がさらに好ましく、１００質量％が特に好ましい。
炭化ケイ素繊維束の繊維数、繊維密度、繊維間の平均距離は、特に限定されず、適宜設定でき、例えばＣＭＣで通常設定される範囲に設定することができる。
【００１３】
繊維基材の態様は、特に限定されず、例えば、平織、綾織、朱子織、三軸織等の織物が挙げられる。
繊維基材の形状は、特に限定されず、用途に応じて所望の形状とすることができる。
【００１４】
繊維基材としては、炭化ケイ素繊維束に粉体が付着したものを用いてもよい。
粉体としては、特に限定されず、本発明の効果を損なわない範囲で公知の粉体を使用することができる。粉体としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。
【００１５】
ＣＭＣでは、炭化ケイ素繊維束の表層の炭化ケイ素繊維の表面上に形成された炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ１に対する、炭化ケイ素繊維束の表層よりも内側の内層の炭化ケイ素繊維の表面上に形成された炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ２との比（Ｄ２／Ｄ１）が、１．０〜１．３である。なお、「炭化ケイ素繊維束の表層」とは、炭化ケイ素繊維束の表面から深さ２０μｍまでの領域を意味する。Ｄ２／Ｄ１が前記範囲内であれば、炭化ケイ素繊維束の各繊維の表面に形成されたＣＭＣの機械特性が優れる。
【００１６】
炭化ケイ素繊維束の表層の炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ１は、Ｄ２／Ｄ１が前記範囲を満たす範囲であれば、適宜設定することができる。Ｄ１の値が大きいほど、機械的特性に優れる。Ｄ１の上限は、例えば、ＣＭＣの生産性の観点で設定することができる。
【００１７】
炭化ケイ素繊維束の内層の炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ２は、炭化ケイ素繊維束中の各繊維間の距離にもよるが、２．６μｍ以上が好ましい。Ｄ２が前記範囲の下限値以上であれば、機械的特性に優れる。Ｄ２の上限は、例えば、ＣＭＣの生産性の観点で設定することができる。
【００１８】
本発明のＣＭＣの製造方法は、特に限定されない。例えば、ＣＶＩ法を用い、ＳｉＣｌ２またはＳｉＣｌを含有するＳｉ源のガスと、Ｃ原子を含有するＣ源のガスとを反応させ、繊維基材における炭化ケイ素繊維束の各繊維の表面上に炭化ケイ素膜を形成する方法が挙げられる。前記方法は、炭化ケイ素繊維束への炭化ケイ素の含浸性に優れるため、繊維束の内層においても十分な膜厚の炭化ケイ素膜を形成できる。そのため、Ｄ２／Ｄ１を前記した範囲に容易に制御でき、機械的特性に優れたＣＭＣが得られる。
【００１９】
Ｓｉ源のガスは、ＳｉＣｌ２ガスを含有し、ＳｉＣｌガスを含有しないガスであってもよく、ＳｉＣｌ２ガスとＳｉＣｌガスの両方を含有するガスであってもよい。Ｓｉ源のガスがＳｉＣｌガスを含有する場合、熱力学理論上、そのガスはＳｉＣｌ２ガスも含有する。なお、Ｓｉ源のガスには、ＳｉＣｌ３、ＳｉＣｌ４等のＳｉＣｌ２およびＳｉＣｌ以外のＳｉ源のガスが含まれていてもよい。
【００２０】
Ｓｉ源のガスがＳｉＣｌ２を含有する場合、ガスの全圧を１ａｔｍ（０．１ＭＰａ）としたときのＳｉＣｌ２ガスの分圧は、適宜設定でき、例えば、各繊維の表面上の炭化ケイ素膜の均一性の確保と生産性を両立する観点で設定することができる。ＳｉＣｌ２ガスの分圧は、熱力学理論値の上限としてもよい。
【００２１】
Ｓｉ源のガスがＳｉＣｌを含有する場合、ガスの全圧を１ａｔｍ（０．１ＭＰａ）としたときのＳｉＣｌガスの分圧は、適宜設定でき、例えば、各繊維の表面上の炭化ケイ素膜の均一性の確保と生産性を両立する観点で設定することができる。ＳｉＣｌガスの分圧は、熱力学理論値の上限としてもよい。
【００２２】
Ｃｌ源としては、Ｃｌ２ガス、ＳｉＣｌ４ガス、ＭＴＳガス等のガスが挙げられる。Ｃｌ源としては、Ｃ原子を含まない（自由な量比でＣ源を別途供給できる）の点から、Ｃｌ２ガスが好ましい。Ｃｌ源としては、１種のみを単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。
【００２３】
Ｓｉ源のガス中のＳｉＣｌ２やＳｉＣｌの分圧は、Ｓｉ源とＣｌ源とを接触させる温度により調節できる。
【００２４】
Ｃ源としては、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ６Ｈ６、ＣＣｌ４等の炭化水素が挙げられる。Ｃ源としては、１種のみを単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。
Ｃ源としては、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ６Ｈ６およびＣＣｌ４からなる群から選ばれる少なくとも１種の炭化水素が好ましい。
【００２５】
炭化ケイ素膜の膜形成の反応には、必要に応じて、キャリアガスを使用してもよい。キャリアガスとしては、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス、Ｈｅガス、Ａｒガス等の膜形成反応に対して不活性なガスが挙げられる。キャリアガスとしては、炭化ケイ素繊維束への炭化ケイ素の含浸性が向上する点から、Ｈ２ガスが好ましい。
キャリアガスとしては、１種のみを単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。
【００２６】
炭化ケイ素膜の膜形成の反応温度は適宜設定できる。例えば、反応温度の下限は、ＣＭＣの生産性の観点で設定することができる。反応温度の上限は、各繊維の表面上に形成される炭化ケイ素膜の均一性の向上の観点で設定することができる。
【００２７】
炭化ケイ素膜の膜形成の反応圧力は、０．１〜２０Ｔｏｒｒ（１３〜２６６０Ｐａ）が好ましく、５〜２０Ｔｏｒｒ（６７０〜２６６０Ｐａ）がより好ましく、１５〜２０Ｔｏｒｒ（２０００〜２６６０Ｐａ）がさらに好ましい。反応圧力が前記範囲の下限値未満であれば、含浸速度が小さく、生産性を損なうおそれがある。反応圧力が前記範囲の上限値を超えると、多孔質基材への含浸性が損なわれ、高温強度が低下するおそれがある。
【００２８】
ＣＭＣの製造に用いる製造装置は、特に限定されない。例えば、図１に例示した製造装置１００が挙げられる。なお、以下の説明において例示される図は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２９】
製造装置１００は、管状の反応炉１１０と、Ｃｌ源供給手段１１２と、Ｃ源供給手段１１４と、排気ユニット１１６とを備えている。反応炉１１０には、第１反応部１１８と第２反応部１２０がこの順に設けられている。
【００３０】
第１反応部１１８は、Ｓｉ源とＣｌ源とを接触させて反応させる部分である。
この例の第１反応部１１８では、通気性を有する２つの仕切り部材１２２，１２２がガスの流れ方向に間隔をあけて設けられることで反応炉１１０内が仕切られ、それら仕切り部材１２２間に固体状のＳｉ源３００（Ｓｉ粉末）を充填できるようになっている。仕切り部材１２２としては、Ｓｉ粉末が通過せず、Ｃｌ源のガスおよび生成物であるＳｉ源のガスが通過する部材であればよく、例えば、カーボンフェルトが挙げられる。
反応炉１１０の第１反応部１１８には、Ｓｉ源とＣｌ源とを接触させる温度を調節する第１ヒータ１２４が設けられている。
【００３１】
第２反応部１２０は、Ｓｉ源のガスとＣ源のガスとを反応させ、繊維基材２００の各繊維の表面上に炭化ケイ素膜を形成する部分である。第２反応部１２０は、Ｓｉ源のガスとＣ源のガスとの反応により繊維の表面上に炭化ケイ素膜が形成される位置に繊維基材２００を設置できるようになっていれば、その態様は特に限定されない。
反応炉１１０の第２反応部１２０には、膜形成の反応温度を調節する第２ヒータ１２６が設けられている。
【００３２】
Ｃｌ源供給手段１１２は、Ｃｌ源のガスを供給する手段であり、反応炉１１０の第１反応部１１８の上流側にＣｌ源のガスを供給できるようになっている。
Ｃ源供給手段１１４は、Ｃ源のガスを供給する手段であり、反応炉１１０内の第１反応部１１８と第２反応部１２０の間にＣ源のガスを供給できるようになっている。Ｃ源供給手段１１４からは、Ｃ源のガスをキャリアガスとともに供給してもよい。
【００３３】
排気ユニット１１６は、反応炉１１０の下流側に設けられており、調圧弁１２８と、真空ポンプ１３０とを備えている。排気ユニット１１６は、調圧弁１２８と真空ポンプ１３０により、反応炉１１０内を減圧して所望の圧力に調節できるようになっている。
【００３４】
製造装置１００を用いたＣＭＣの製造方法では、Ｃｌ源供給手段１１２から反応炉１１０にＣｌ２ガス等のＣｌ源のガスを供給し、第１反応部１１８において固体状のＳｉと接触させる。第１反応部１１８では、Ｃｌ源のガスと固体状のＳｉとの接触によりＳｉＣｌ２またはＳｉＣｌを含有するＳｉ源のガスが発生し、第２反応部１２０に送られる。第２反応部１２０では、第１反応部１１８で生じたＳｉ源のガスと、Ｃ源供給手段１１４から供給されるＣ源のガスとが反応し、繊維基材２００の各繊維の表面上に炭化ケイ素が堆積して炭化ケイ素膜が形成される。
【００３５】
ＣＭＣの製造においては、ＣＶＩ法による炭化ケイ素膜の膜形成を行った後に、必要に応じて、液相含浸（ＳＰＩ）法や、溶融含浸（ＰＩＰ）法によりさらに炭化ケイ素のマトリックスを形成してもよい。この場合、炭化ケイ素繊維束における表層の炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ１と、内層の炭化ケイ素膜の平均膜厚Ｄ２は、ＣＶＩ法で形成された炭化ケイ素膜の平均膜厚である。
ＣＭＣの切断面を顕微鏡で観察した場合、ＣＶＩ法で形成された炭化ケイ素膜とＳＰＩ法やＰＩＰ法で形成されたマトリックスとの境界は判別可能である。そのため、ＳＰＩ法やＰＩＰ法でさらにマトリックスを形成した場合でも炭化ケイ素膜のＤ１、Ｄ２を測定できる。
【００３６】
従来のＣＭＣにおいて優れた機械的特性が得られにくいのは、炭化ケイ素繊維束に対する炭化ケイ素の含浸性が低いために、繊維束の表層と内層での炭化ケイ素膜の均一性が低いことが要因と考えられる。
これに対して、本発明のＣＭＣにおいては、炭化ケイ素繊維束における各繊維の表面に形成される炭化ケイ素膜が、Ｄ２／Ｄ１が特定の範囲となるように制御され、炭化ケイ素繊維束の表層と内層における炭化ケイ素膜の均一性に優れる。そのため、本発明のＣＭＣは、機械的特性に優れている。
【００３７】
また、Ｄ２／Ｄ１を制御しつつ、さらにＤ２を２．６μｍ以上とし、炭化ケイ素繊維束の内層の各繊維の表面上に十分な炭化ケイ素膜を形成することで、機械的特性をさらに向上させることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１００…製造装置、１１０…反応炉、１１２…Ｃｌ源供給手段、１１４…Ｃ源供給手段、１１６…排気ユニット、１１８…第１反応部、１２０…第２反応部、１２２…仕切り部材、１２４…第１ヒータ、１２６…第２ヒータ、１２８…調圧弁、１３０…真空ポンプ。
【図１】
2019210197.tif 000002