(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック繊維を巻回した支持材をセラミックマトリックスにより覆って本体を形成した後、
前記本体を焼成してから前記セラミック繊維を構成する単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する方向に沿って切断して切断面を形成し、
次いで、前記セラミックマトリックスが溶融または昇華するまで前記本体を加熱してから冷却させることにより、
前記切断面において前記単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部と、前記セラミックマトリックスが熱収縮して形成する凹部とを形成することを特徴とするセラミック構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミック構造体の製造方法であって、
前記本体を加熱してから冷却させることにより、前記凸部の先端を曲面で構成することを特徴とするセラミック構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック繊維強化セラミック部材で構成されるセラミック構造体およびセラミック構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック繊維強化セラミック部材は、耐熱性、強度、靱性を備えているので、様々な分野で利用されている。
セラミック繊維強化セラミック部材の用途として、高い耐熱性、強度を利用して、例えば、高温、高速の流体のセラミック構造体として用いられている。
セラミック繊維強化セラミック部材は、セラミックよりなる母材（マトリックス）に、骨材としてセラミック繊維を加えた材料である。母材であるセラミックは、耐熱性、強度を備えているものの、弾性率が高いセラミック材料の特徴により脆い素材である。繊維強化セラミック複合材料は、さらにセラミック繊維を複合させることによってセラミックの母材の弱点である脆性を改良した素材である。
【０００３】
特許文献１に記載されているように、このようなセラミック構造体（セラミック繊維強化セラミック部材）を所望の形状や大きさに加工する際に、ダイヤモンドカッターを用いることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３１４３０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述したように、セラミック構造体をダイヤモンドカッターで切断した際には、切断面が平坦となるため、他の部材と接着する際に接着しにくく、アンカー効果が十分に得られない。
また、切断面が平坦であるため、放熱効果も一定以上得られない。
【０００６】
本発明では、前記課題を鑑み、他の部材と接着した際に十分なアンカー効果を得ることができるとともに、切断面からの放熱性を十分に得ることができるセラミック構造体およびセラミック構造体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】
前記課題を解決するための本発明のセラミック構造体は、単位セラミック繊維を束ねたストランドで構成されたセラミック繊維層からなる支持材と、前記支持材を覆うセラミックマトリックスと、からなる本体を有し、前記本体における前記単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する切断面は、前記単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部と、前記セラミックマトリックスが形成する凹部とを有する。
【０００８】
本発明のセラミック構造体によれば、ストランドで構成されたセラミック繊維層からなる支持材と、支持材を覆うセラミックマトリックスと、からなる本体を有する。このため、単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する方向にセラミック構造体を切断すると、支持材およびセラミックマトリックスが切断される。
このとき、切断面においては、単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部と、切断時に溶融し冷却されて収縮したセラミックマトリックスによって形成する凹部とを有する。このため、切断面を他の部材と接着する際に、接着部材が凹部に浸透するので、十分なアンカー効果が得られる。また、切断面の表面積が増すので、放熱性が改善される。さらに、切断位置が支持材の切断位置で画定されるので、正確な長さに切断することができる。
また、セラミック繊維層は、単位セラミック繊維を束ねたストランドが複数並べられて構成される。このため、束ねるセラミック繊維の本数を調整することにより、容易にセラミック繊維の繊維径を調整して繊維密度を調整することができる。また、複数のセラミック繊維が束ねられたストランドの状態で使用されると、複数の繊維がまとまっているため強度を増すことができる。また、個々の繊維が突出する毛羽立ちを少なくすることができるので、より気流の乱れを抑えることができ、抵抗を少なくすることができる。
【０００９】
さらに、本発明のセラミック構造体は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記セラミックマトリックスは、ＳｉＣである。
ＳｉＣは、高強度であるので、セラミック構造体の強度を増すことができる。また、ＳｉＣは、耐蝕性、耐酸化性にも優れ、セラミックマトリックスにＳｉＣを用いることにより、セラミック構造体を高温、腐食性雰囲気でも好適に利用できる。
【００１０】
（２）前記セラミック繊維は、ＳｉＣ繊維である。
ＳｉＣ繊維は、耐蝕性、耐酸化性が優れ、高強度であるので、支持材にＳｉＣを用いることにより、高温、腐食性雰囲気でセラミックマトリックスが損傷した場合でも、セラミック繊維がクラックの進展を止め、安全に使用することができる。
【００１１】
（３）前記単位セラミック繊維の太さが５〜１０μｍであるとともに、前記凸部の突出量が７〜２０μｍである。
このため、強度を低下させることなく、アンカー効果を得ることができる。なお、突出量が小さ過ぎるとアンカー効果が不充分で、大き過ぎると内部へ向かうクラックの起点になり易い。
【００１２】
（４）前記凸部の先端が曲面で構成されている。
このため、他の部材と接着する際に、物理的に接着材が繊維間に入り込み易くなる。
【００１３】
また、前記課題を解決するための本発明のセラミック構造体の製造方法は、セラミック繊維を巻回した支持材をセラミックマトリックスにより覆って本体を形成した後、前記本体を焼成してから前記セラミック繊維を構成する単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する方向に沿って切断して切断面を形成し、次いで、前記セラミックマトリックスが溶融または昇華するまで前記本体を加熱してから冷却させることにより、前記切断面において前記単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部と、前記セラミックマトリックスが熱収縮して形成する凹部とを形成する。
なお、セラミックマトリックスがＳｉＣの場合、ＳｉＣが昇華する温度である２５４５℃まで上昇させればよい。
また、溶融または昇華する温度は、セラミックマトリックスの組成や純度などにより異なるので、セラミックマトリックスの組成や純度に応じて、溶融または昇華する温度まで上昇させる。
【００１４】
本発明のセラミック構造体の製造方法によれば、単位セラミック繊維を束ねて構成されるセラミック繊維を巻回した支持材を、セラミックマトリックスにより覆って本体を形成する。そして、本体を焼成してからセラミック繊維を構成する単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する方向に沿って切断して切断面を形成し、セラミックマトリックスが溶融または昇華するまで本体を加熱してから冷却させる。
これにより、切断面において単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部と、セラミックマトリックスが熱収縮して形成する凹部とを形成するので、切断面を他の部材と接着する際に、接着部材が凹部に浸透するので、十分なアンカー効果が得られる。また、切断面の表面積が増すので、放熱性が改善される。さらに、切断位置が支持材の切断位置で画定されるので、正確な長さに切断することができる。
さらにまた、単位セラミック繊維を束ねてセラミック繊維を構成するので、束ねるセラミック繊維の本数を調整することにより、容易にセラミック繊維の繊維径を調整して繊維密度を調整することができる。また、複数のセラミック繊維が束ねられたストランドの状態で使用されると、複数の繊維がまとまっているため強度を増すことができる。また、個々の繊維が突出する毛羽立ちを少なくすることができるので、より気流の乱れを抑えることができ、抵抗を少なくすることができる。
【００１５】
さらに、本発明のセラミック構造体の製造方法は、以下の態様であることが望ましい。
（５）前記本体を加熱してから冷却させることにより、前記凸部の先端を曲面で構成する。
凸部を構成する単位セラミック繊維の先端が曲面で構成されるので、他の部材と接着する際に、接着材が物理的に単位セラミック繊維間に入りやすくなる。このため、接着強度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する方向にセラミック構造体を切断すると、支持材およびセラミックマトリックスが切断される。このとき、切断面においては、単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部と、切断時に溶融し冷却されて収縮したセラミックマトリックスによって形成する凹部とを有する。このため、切断面を他の部材と接着する際に、接着部材が凹部に浸透するので、十分なアンカー効果が得られる。また、切断面の表面積が増すので、放熱性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（Ａ）および（Ｂ）は本発明に係るセラミック構造体の製造におけるセラミック繊維のヘリカル巻きによる巻回工程を示す工程図であり、（Ｃ）はセラミック繊維の軸方向配置工程を示す工程図である。
【図２】（Ａ）は芯材の周囲に本体となる支持材が形成された状態を示す断面図であり、（Ｂ）は芯材を取り出して本体が形成される状態を示す断面図である。
【図３】（Ａ）は実施形態のセラミック構造体を切断した状態を示す全体斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）中Ｂ−Ｂ位置の断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）中“Ｃ”部の拡大図である。
【図４】図３（Ｂ）中“Ｃ”部分の顕微鏡写真である。
【図５】本発明の実施形態のセラミック構造体の製造工程を示し、（Ａ）は支持材形成工程、マトリックス形成工程、芯抜工程の順に製造する製造工程、（Ｂ）は支持材形成工程、芯抜工程、マトリックス形成工程の順に製造する製造工程、（Ｃ）は支持材形成工程、マトリックス形成工程、芯抜工程、マトリックス形成工程の順に製造する製造工程を示す。
【図６】本発明の実施形態のセラミック構造体の支持材形成工程の詳細な製造工程を示し、（Ａ）は巻回工程が最初と最後にある製造工程、（Ｂ）は巻回工程が最初にある製造工程、（Ｃ）は巻回工程が最後にある製造工程を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明のセラミック構造体について説明する。
【００１９】
前記課題を解決するための本発明のセラミック構造体は、単位セラミック繊維を束ねたストランドで構成されたセラミック繊維層からなる支持材と、前記支持材を覆うセラミックマトリックスと、からなる本体を有し、前記本体における前記単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する切断面は、前記単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部と、前記セラミックマトリックスが形成する凹部とを有する。
【００２０】
本発明のセラミック構造体によれば、ストランドで構成されたセラミック繊維層からなる支持材と、支持材を覆うセラミックマトリックスと、からなる本体を有する。このため、単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する方向にセラミック構造体を切断すると、支持材およびセラミックマトリックスが切断される。
このとき、切断面においては、単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部と、切断時に溶融し冷却されて収縮したセラミックマトリックスによって形成する凹部とを有する。このため、切断面を他の部材と接着する際に、接着部材が凹部に浸透するので、十分なアンカー効果が得られる。また、切断面の表面積が増すので、放熱性が改善される。さらに、切断位置が支持材の切断位置で画定されるので、正確な長さに切断することができる。
また、セラミック繊維層は、単位セラミック繊維を束ねたストランドが複数並べられて構成される。このため、束ねるセラミック繊維の本数を調整することにより、容易にセラミック繊維の繊維径を調整して繊維密度を調整することができる。また、複数のセラミック繊維が束ねられたストランドの状態で使用されると、複数の繊維がまとまっているため強度を増すことができる。また、個々の繊維が突出する毛羽立ちを少なくすることができるので、より気流の乱れを抑えることができ、抵抗を少なくすることができる。
【００２１】
さらに、本発明のセラミック構造体は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記セラミックマトリックスは、ＳｉＣである。
ＳｉＣは、高強度であるので、セラミック構造体の強度を増すことができる。また、ＳｉＣは、耐蝕性、耐酸化性にも優れ、セラミックマトリックスにＳｉＣを用いることにより、セラミック構造体を高温、腐食性雰囲気でも好適に利用できる。
【００２２】
（２）前記セラミック繊維は、ＳｉＣ繊維である。
ＳｉＣ繊維は、耐蝕性、耐酸化性が優れ、高強度であるので、支持材にＳｉＣを用いることにより、高温、腐食性雰囲気でセラミックマトリックスが損傷した場合でも、セラミック繊維がクラックの進展を止め、安全に使用することができる。
【００２３】
（３）前記単位セラミック繊維の太さが５〜１０μｍであるとともに、前記凸部の突出量が７〜２０μｍである。
このため、強度を低下させることなく、アンカー効果を得ることができる。なお、突出量が小さ過ぎるとアンカー効果が不充分で、大き過ぎると内部へ向かうクラックの起点になり易い。
【００２４】
（４）前記凸部の先端が曲面で構成されている。
このため、他の部材と接着する際に、物理的に接着材が繊維間に入り込み易くなる。
【００２５】
また、前記課題を解決するための本発明のセラミック構造体の製造方法は、セラミック繊維を巻回した支持材をセラミックマトリックスにより覆って本体を形成した後、前記本体を焼成してから前記セラミック繊維を構成する単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する方向に沿って切断して切断面を形成し、次いで、前記セラミックマトリックスが溶融または昇華するまで前記本体を加熱してから冷却させることにより、前記切断面において前記単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部と、前記セラミックマトリックスが熱収縮して形成する凹部とを形成する。
なお、セラミックマトリックスがＳｉＣの場合、ＳｉＣが昇華する温度である２５４５℃まで上昇させればよい。
また、溶融または昇華する温度は、セラミックマトリックスの組成や純度などにより異なるので、セラミックマトリックスの組成や純度に応じて、溶融または昇華する温度まで上昇させる。
【００２６】
本発明のセラミック構造体の製造方法によれば、単位セラミック繊維を束ねて構成されるセラミック繊維を巻回した支持材を、セラミックマトリックスにより覆って本体を形成する。そして、本体を焼成してからセラミック繊維を構成する単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する方向に沿って切断して切断面を形成し、セラミックマトリックスが溶融または昇華するまで本体を加熱してから冷却させる。
これにより、切断面において単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部と、セラミックマトリックスが熱収縮して形成する凹部とを形成するので、切断面を他の部材と接着する際に、接着部材が凹部に浸透するので、十分なアンカー効果が得られる。また、切断面の表面積が増すので、放熱性が改善される。さらに、切断位置が支持材の切断位置で画定されるので、正確な長さに切断することができる。
さらにまた、単位セラミック繊維を束ねてセラミック繊維を構成するので、束ねるセラミック繊維の本数を調整することにより、容易にセラミック繊維の繊維径を調整して繊維密度を調整することができる。また、複数のセラミック繊維が束ねられたストランドの状態で使用されると、複数の繊維がまとまっているため強度を増すことができる。また、個々の繊維が突出する毛羽立ちを少なくすることができるので、より気流の乱れを抑えることができ、抵抗を少なくすることができる。
【００２７】
さらに、本発明のセラミック構造体の製造方法は、以下の態様であることが望ましい。
（５）前記本体を加熱してから冷却させることにより、前記凸部の先端を曲面で構成する。
凸部を構成する単位セラミック繊維の先端が曲面で構成されるので、他の部材と接着する際に、接着材が物理的に単位セラミック繊維間に入りやすくなる。このため、接着強度を高めることができる。
【００２８】
本発明のセラミック構造体の製造方法は、支持材形成工程と、マトリックス形成工程と、芯抜工程とからなる。最初に支持材を形成した後に、芯抜工程およびマトリックス形成工程を行う。芯抜工程とマトリックス形成工程の順序は特に限定されず、芯抜工程の前後にマトリックス形成工程を行ってもよい。
図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は本発明の実施形態のセラミック構造体の製造工程を示す。図５（Ａ）は支持材形成工程、マトリックス形成工程、芯抜工程の順に製造する製造工程、図５（Ｂ）は支持材形成工程、芯抜工程、マトリックス形成工程の順に製造する製造工程、図５（Ｃ）は支持材形成工程、マトリックス形成工程、芯抜工程、マトリックス形成工程の順に製造する製造工程を示す。
【００２９】
次に、支持材形成工程について説明する。支持材形成工程は、例えば円柱形状の芯材の周囲にセラミック繊維を巻回し、支持材を形成する。支持材形成工程はセラミック繊維の配置、巻き方などで細かく分類される。支持材形成工程は、芯材の軸方向に対して平面視で交差する方向に配向する巻回工程と、軸方向に沿って配向する軸方向配置工程とからなる。
図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、本発明の実施形態のセラミック構造体の支持材形成工程の詳細な製造工程を示す。
【００３０】
図６（Ａ）は、巻回工程が最初と最後にある製造工程であり、この製造方法により、支持材の内層のセラミック繊維層の外側および内側を覆う最表層のセラミック繊維層が中心軸に対して平面視で交差して配向しているセラミック繊維によってセラミック構造体を構成することができる。
図６（Ｂ）は、巻回工程が最初にあり、最後にはない製造工程であり、この製造方法により、支持材の内層のセラミック繊維層の内側面を覆う最表層のセラミック繊維層が中心軸に対して平面視で交差して配向しているセラミック繊維によってセラミック構造体を構成することができる。
図６（Ｃ）は、巻回工程が最後にあり最初にはない製造工程であり、この製造方法により、支持材の内層のセラミック繊維層の外側面を覆う最表層のセラミック繊維層が中心軸に対して平面視で交差して配向しているセラミック繊維によってセラミック構造体を構成することができる。最初または最後の巻回工程の間は、セラミック繊維の配置、巻回方法、回数、順序は限定されず、自由に組み合わせることができる。
【００３１】
次にマトリックス形成工程について説明する。マトリックス形成工程は、骨材であるセラミック繊維の周囲にセラミックマトリックスを充填する。
セラミックマトリックスはどのようなものでもよく特に限定されない。例えば、ＳｉＣ、アルミナ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｂ４Ｃなどを利用できる。セラミックマトリックスはどのような方法で形成してもよい。例えば、有機物である前駆体(プレカーサ)を熱分解させセラミックのマトリックスを得るプレカーサ法、原料ガスを熱分解させセラミックマトリックスを得るＣＶＤ法などが利用できる。またこれらを併用してもよい。
【００３２】
以下プレカーサ法、ＣＶＤ法について説明する。
プレカーサ法では、熱分解によりセラミックが得られる前駆体を適宜選定する。プレカーサ法では、液体の前駆体を支持材に塗布または含浸したのち、加熱処理し、最終的に焼成することによりセラミックマトリックスを得る。加熱処理では、前駆体の形態によってさまざまな処理が行われる。前駆体が溶液である場合には溶媒の乾燥、前駆体がモノマー、ダイマーまたはオリゴマーなどの場合には重合反応、前駆体がポリマーである場合には熱分解反応の処理が行われる。
【００３３】
前駆体は、液体の形態で使用する。液体であるとは、前駆体を溶媒に溶かした溶液、液状の前駆体、固体の前駆体を加熱して溶融した液状の前駆体などが利用できる。なお、プレカーサ法では、最終的に前駆体を焼成し、セラミックマトリックスを生成させる。
前駆体は、例えば次のようなものが利用できる。前駆体が炭素の場合は、フェノール樹脂、フラン樹脂などが利用できる。前駆体がＳｉＣの場合はポリカルボシラン（PCS：Polycarbosilane）などが利用できる。これらの樹脂をセラミック繊維間に浸透させて、熱分解することによりセラミックマトリックスを得ることができる。
また、プリカーサ法は支持材形成工程のなかで軸方向配置工程が最後にあり、軸方向に並んだセラミック繊維が最表層にある場合に、セラミック繊維の脱落や毛羽立ちを防止するためのバインダーとすることもできる。この場合には、前駆体が、乾燥、重合または熱分解する過程で、セラミック繊維同士を結合させた状態を維持することができるので、好適に利用することができる。
【００３４】
ＣＶＤ法では、ＣＶＤ炉に支持材をいれ、加熱した状態で原料ガスを導入する。原料ガスは、ＣＶＤ炉内で拡散するとともに、加熱された支持材に接触すると熱分解が起こり、原料ガスに対応するセラミックマトリックスが支持材を構成するセラミック繊維の表面に形成される。
ＣＶＤ法で使用する原料ガスは、セラミックマトリックスの種類によって適宜選択する。
【００３５】
目的とするセラミックマトリックスが炭素の場合は、メタン、エタン、プロパンなどの炭化水素ガスが利用できる。
目的とするセラミックマトリックスがＳｉＣの場合には、炭化水素ガスと、シラン系ガスの混合ガス、炭素と珪素を有する有機シラン系ガスなどが利用できる。これらの原料ガスは、水素がハロゲンで置換されたガスも利用することができる。シラン系ガスとしては、クロロシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、テトラクロロシラン、有機シラン系ガスの場合には、メチルトリクロロシラン（Methyltrichlorosilane）、メチルジクロロシラン（Methyldichlorosilane）、メチルクロロシラン（Methylchlorosilane）、ジメチルジクロロシラン（Dimethyldichlorosilane)、トリメチルジクロロシラン（Trimethyldichlorosilane）などが利用できる。またこれらの原料ガスを適宜混合して用いてもよく、さらに水素、アルゴンなどのキャリアガスとしても用いることもできる。キャリアガスとして水素を用いた場合には、平衡の調整に関与することができる。
【００３６】
また、他のセラミック材料の場合には、目的のセラミックマトリックスにあわせて適宜原料ガスを選定することができる。
ＣＶＤの温度は、原料ガスの分解温度、分解速度に応じて適宜選定することができ、例えば８００〜２０００℃である。ＣＶＤの圧力は、セラミックマトリックスの沈着の状態に応じて適宜選択することができる。使用できる範囲は、例えば０．１〜１００ｋＰａの減圧ＣＶＤ法、また圧力を制御しない常圧ＣＶＤ法でもよい。
【００３７】
次に、芯抜工程について説明する。
芯抜工程の位置によって３つのパターンが存在する。
芯抜工程が、マトリックス形成工程の後の場合、支持材形成工程、マトリックス形成工程、芯抜工程の順に製造する（図５（Ａ））。
芯抜工程が、マトリックス形成工程の前の場合、支持材形成工程、芯抜工程、マトリックス形成工程の順に製造する（図５（Ｂ））。
芯抜工程が、マトリックス形成工程の中にある場合、支持材形成工程、マトリックス形成工程、芯抜工程、マトリックス形成工程の順に製造する（図５（Ｃ））。
【００３８】
図５（Ａ）に示すように、芯抜工程が、マトリックス形成工程の後の場合、芯抜工程で分離される段階では、すでにセラミック繊維強化セラミック複合材料が形成され、本発明のセラミック構造体そのものである。この場合には、形状が固定された段階で芯抜きされるので、寸法精度の高いセラミック構造体を得ることができる。
【００３９】
図５（Ｂ）に示すように、芯抜工程が、マトリックス形成工程の前の場合、芯抜工程で分離されるものは、セラミック繊維層からなる支持材そのものである。この場合には、支持材の内側面および外側面に同時にセラミックマトリックスを形成することができ、効率よくセラミック構造体を得ることができる。
【００４０】
図５（Ｃ）に示すように、芯抜工程が、マトリックス形成工程の中にある場合、芯抜工程で分離される段階では、セラミック繊維強化セラミック複合材料の途中段階の製品である。この場合には、支持材の内側面および外側面に同時にセラミックマトリックスを形成することができ、寸法精度の高いセラミック構造体を効率よく得ることができる。
【００４１】
いずれの方法をとってもよいが、芯抜工程が、マトリックス形成工程の中にある場合の製造方法（図５（Ｃ）参照）を用いることが好ましい。
芯抜工程が、マトリックス形成工程の中にある場合には、支持材のセラミック繊維間にセラミックマトリックスが形成されセラミック繊維強化セラミック複合材料になった後に芯材が抜かれるので、芯材が抜かれた後に変形しにくくすることができる。
【００４２】
また、この場合、芯材が抜かれた後、支持材の外側面と内側面の両側からセラミックマトリックスを形成することができるので、セラミック繊維を確実にセラミックマトリックスで覆うことができ、ほつれにくくより強固なセラミック繊維強化セラミック複合材料を得ることができる。
【００４３】
また、マトリックス形成工程の中に芯抜き工程がある場合には、芯抜工程の前後のマトリックス形成工程は同一の方法を用いてもよいし、異なる方法を用いてもよい。なかでも、芯抜工程の前はプリカーサ法を用い、芯抜工程の後はＣＶＤ法を用いることが好ましい。プリカーサ法は、簡単な方法で支持材を固めることができ、変形を防止できるようになる。ＣＶＤ法では、緻密で強固な膜が得られるのでセラミック構造体の最表面を構成する膜として好適に利用することができる。
【００４４】
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）および図２（Ａ）〜図２（Ｂ）に基づいて、セラミック構造体の製造方法について説明する。
セラミック構造体１０の製造方法は、円柱状に形成された芯材１１の中心軸ＣＬに対する周方向に沿ってセラミック繊維（ストランド）２１を巻回する巻回工程と、芯材１１の中心軸ＣＬに対して平行にセラミック繊維２１を配置する軸方向配置工程を有する。
【００４５】
巻回工程においては、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、中心軸ＣＬ回りに回転する芯材１１の外周面にセラミック繊維２１を巻回してセラミック繊維層２２を形成する。
図１（Ａ）はヘリカル巻きによるセラミック繊維２１の巻回工程の往路を示し、図１（Ｂ）はヘリカル巻きによるセラミック繊維２１の巻回工程の復路を示す。なお、ここでは詳細に触れないが、巻回工程には、芯材の中心軸に対して直交する方向に巻回するフープ巻きもある。
【００４６】
このとき、セラミック繊維２１を収容するロール２１１を、芯材１１の一端側（図１（Ａ）において右端側）から他端側（図１（Ａ）において左端側）へ移動（矢印Ａ参照）させることにより、セラミック繊維２１を芯材１１の外側面に巻回することができる。
なお、図１（Ｂ）に示すヘリカル巻きによるセラミック繊維２１の巻回工程の復路では、セラミック繊維を収容するロール２１１を、芯材１１の他端側（図１（Ｂ）において左端側）から一端側（図１（Ｂ）において右端側）へ移動させる（矢印Ｂ参照）。
【００４７】
このとき、ロール２１１の送り速度によって巻回されるセラミック繊維２１の形態が変化する。すなわち、ロール２１１の送り速度を調整することにより軸線間距離を調整して、繊維間密度を所望の密度に設定することができる。すなわち、ロール２１１の送り速度を速くしてセラミック繊維２１を螺旋のよう巻くと、間隔が空くようにセラミック繊維２１を巻回すると、繊維間密度が低密度となる。また、ロール２１１の送り速度を遅くしてセラミック繊維２１を巻回すると、繊維間密度が高密度となる。
【００４８】
なお、ヘリカル巻きでは１回の送りでは芯材１１の全外周面を覆うことができないので、ロール２１１を何往復も繰り返し送りながら芯材１１の外周面にセラミック繊維層２２を形成する。
すなわち、セラミック繊維２１の一方向の送りを１単位とすると、ヘリカル巻きでは、１単位のセラミック繊維２１では、芯材１１の全外周面を覆い尽くすことができないので、任意の単位のセラミック繊維２１は前後それぞれ複数の単位のセラミック繊維２１と接触する。
なお、図面においては、わかりやすくするために、隣接するセラミック繊維２１同士の間隔を大きく表示している。
【００４９】
軸方向配置工程においては、例えば図１（Ｃ）に示すように、芯材１１の一端側および他端側に係止部２１２、２１３を設けておき、係止部２１２と係止部２１３とに交互にセラミック繊維２１を引っ掛けることにより、セラミック繊維２１を芯材１１の中心軸ＣＬに沿って配置してセラミック繊維層２２を形成する。従って、係止部２１２、２１３の間隔により繊維間隔が決定され、繊維間密度を設定することができる。
これを芯材１１の外側面に沿って全周に実施する。このとき、セラミック繊維２１は、係止部２１２、２１３の太さ、配置によっては、中心軸ＣＬを含む平面に対し、斜めに配置されることもあるが、隣接するセラミック繊維２１同士は非常に近接しているので、中心軸ＣＬに対して平行に配置されると言える。なお、図１（Ｃ）においては、わかりやすくするために、隣接するセラミック繊維２１同士の間隔を大きく表示している。
【００５０】
セラミック繊維層２２は、巻回工程と軸方向配置工程とを繰り返し実施して積層される。巻回工程と軸方向配置工程との順番および実施回数は任意である。
例えば、巻回工程と軸方向配置工程とを１回ずつ交互に実施することができるが、巻回工程および軸方向配置工程を各々複数回ずつ実施して交互に実施することもできる。
これにより、複数のセラミック繊維層２２を堆積させて、円筒状の支持材２３が芯材１１の表面に形成される（図２（Ａ）参照）。
【００５１】
次いで、支持材２３のセラミック繊維２１間にセラミックマトリックス２４を形成させて、中心軸ＣＬを包囲する本体２０を形成する（図３（Ｃ）および図４参照）。実施形態では、セラミックマトリックス２４をＣＶＤ法により形成する。セラミック繊維層２２を有する支持材をＣＶＤ炉に入れ、ＣＶＤ炉にメチルトリクロロシランガスを導入し、ＳｉＣのセラミックマトリックス２４を形成する。
【００５２】
そして、図２（Ｂ）に示すように、分離する工程では、芯材１１から本体２０を脱型させて、本体２０を焼成する。
なお、これに限定されず、本体２０を芯材１１から分離する工程は、セラミックマトリックス２４を形成する前、形成した後、セラミックマトリックス２４を形成する途中段階のいずれであってもよい（図５参照）。
【００５３】
このようにして、セラミック繊維２１を巻回した支持材２３をセラミックマトリックス２４により覆って本体２０を形成し、本体２０を焼成した後に、本体２０をセラミック繊維２１を構成する単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する方向（例えばセラミック繊維２１に直交する方向）に沿って切断して切断面２０１を形成する。
次いで、セラミックマトリックス２４が溶融または昇華するまで本体２０を加熱してから冷却させることにより、切断面２０１において単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部２２１と、セラミックマトリックス２４が熱収縮して形成する凹部２５とを形成する（図３（Ｃ）および図４参照）。
このとき、セラミックマトリックス２４が溶融または昇華するまで本体２０を加熱してから冷却させることにより、凸部２２１の先端２２２を曲面２２３で構成する。
【００５４】
なお、セラミックマトリックス２４がＳｉＣの場合、ＳｉＣが昇華する温度である２５４５℃まで上昇させればよい。
また、溶融または昇華する温度は、セラミックマトリックスの組成や純度などにより異なるので、セラミックマトリックスの組成や純度に応じて、溶融または昇華する温度まで上昇させる。
【００５５】
次に、セラミック構造体１０について説明する。
図３（Ａ）には、セラミック構造体１０を切断した状態が示されている。
図３（Ａ）に示すように、セラミック構造体１０は、中心軸ＣＬを包囲する本体２０を有する。本体２０は、ＳｉＣ繊維であるセラミック繊維２１により形成されたセラミック繊維層２２を積層した支持材２３（図２参照）を有しており、このセラミック繊維２１にＣＶＤ法によってＳｉＣのセラミックマトリックス２４を沈積させ繊維強化セラミック複合材料を得ることができる。セラミック繊維２１は、単位セラミック繊維を束ねたストランドを用いている。
【００５６】
本体２０を中心軸に対して直交する方向に、例えばウォーターガイドレーザーにより切断すると、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）に示すように、切断面２０１と交差していたセラミック繊維２１およびセラミックマトリックス２４が切断される。
このとき、切断時の熱によってセラミックマトリックス２４が部分的に溶融して流出したり、切断後の冷却によって熱収縮する。その結果、本体２０の切断面２０１には、切断面２０１から内部に向かって凹部２５が形成されるとともにセラミック繊維２１の端部が突出して凸部２２１が形成される。
【００５７】
次に、本実施形態のセラミック構造体の作用・効果について説明する。
本実施形態のセラミック構造体１０によれば、単位セラミック繊維を束ねたセラミック繊維（ストランド）２１で構成されたセラミック繊維層２２からなる支持材２３と、支持材２３を覆うセラミックマトリックス２４と、からなる本体２０を有する。このため、単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する方向にセラミック構造体１０を切断すると、支持材２３およびセラミックマトリックス２４が切断される。
【００５８】
このとき、切断面２０１においては、単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部２２１と、切断時に溶融し冷却されて収縮したセラミックマトリックス２４によって形成される凹部２５とを有する。このため、切断面２０１を他の部材と接着する際に、接着部材が凹部２５に浸透するので、十分なアンカー効果が得られる。また、切断面２０１の表面積が増すので、放熱性が改善される。さらに、切断位置が支持材２３の切断位置、すなわち凸部２２１で画定されるので、正確な長さに切断することができる。特に、セラミック構造体１０が想定切断長さよりも長くなることを防止することができる。
【００５９】
また、セラミック繊維層２２は、単位セラミック繊維を束ねたセラミック繊維２１が複数並べられて構成される。このため、束ねるセラミック繊維の本数を調整することにより、容易にセラミック繊維の繊維径を調整して繊維密度を調整することができる。また、複数の単位セラミック繊維が束ねられたストランドの状態で使用されると、複数の繊維がまとまっているため強度を増すことができる。また、個々の繊維が突出する毛羽立ちを少なくすることができるので、より気流の乱れを抑えることができ、抵抗を少なくすることができる。
【００６０】
本実施形態のセラミック構造体１０によれば、セラミックマトリックス２４は、ＳｉＣである。
ＳｉＣは、高強度であるので、セラミック構造体１０の強度を増すことができる。また、ＳｉＣは、耐蝕性、耐酸化性にも優れ、セラミックマトリックス２４にＳｉＣを用いることにより、セラミック構造体１０を高温、腐食性雰囲気でも好適に利用できる。
【００６１】
本実施形態のセラミック構造体１０によれば、セラミック繊維２１は、ＳｉＣ繊維である。
ＳｉＣ繊維は、耐蝕性、耐酸化性が優れ、高強度であるので、支持材２３にＳｉＣを用いることにより、高温、腐食性雰囲気でセラミックマトリックス２４が損傷した場合でも、セラミック繊維２１がクラックの進展を止め、安全に使用することができる。
【００６２】
本実施形態のセラミック構造体１０によれば、単位セラミック繊維の太さが５〜１０μｍであるとともに、凸部２２１の突出量が７〜２０μｍである。
このため、強度を低下させることなく、アンカー効果を得ることができる。なお、突出量が小さ過ぎるとアンカー効果が不充分で、大き過ぎると内部へ向かうクラックの起点になり易い。
【００６３】
本実施形態のセラミック構造体１０によれば、凸部２２１の先端２２２が曲面２２３で構成されている。
このため、他の部材と接着する際に、物理的に接着材が繊維間に入り込み易くなる。
【００６４】
本実施形態のセラミック構造体の製造方法によれば、単位セラミック繊維を束ねて構成されるセラミック繊維２１を巻回した支持材２３を、セラミックマトリックス２４により覆って本体２０を形成する。そして、本体２０を焼成してからセラミック繊維２１を構成する単位セラミック繊維の長手方向に対して交差する方向に沿って切断して切断面２０１を形成し、セラミックマトリックス２４が溶融または昇華するまで本体２０を加熱してから冷却させる。
これにより、切断面２０１において単位セラミック繊維の長手方向端部が突出する凸部２２１と、セラミックマトリックス２４が熱収縮して形成する凹部２５とを形成するので、切断面２０１を他の部材と接着する際に、接着部材が凹部２５に浸透し、十分なアンカー効果が得られる。また、切断面２０１の表面積が増すので、放熱性が改善される。さらに、切断位置が支持材２３の切断位置で画定されるので、正確な長さに切断することができる。
さらにまた、単位セラミック繊維を束ねてセラミック繊維２１を構成するので、束ねる単位セラミック繊維の本数を調整することにより、容易にセラミック繊維２１の繊維径を調整して繊維密度を調整することができる。また、複数の単位セラミック繊維が束ねられたストランドの状態で使用されると、複数の繊維がまとまっているため強度を増すことができる。また、個々の繊維が突出する毛羽立ちを少なくすることができるので、より気流の乱れを抑えることができ、抵抗を少なくすることができる。
【００６５】
本実施形態のセラミック構造体の製造方法によれば、セラミックマトリックス２４が溶融または昇華するまで本体２０を加熱してから冷却させることにより、凸部２２１の先端２２２を曲面２２３で構成する。
凸部２２１を構成する単位セラミック繊維の先端２２２が曲面２２３で構成されるので、他の部材と接着する際に、接着材が物理的に単位セラミック繊維間に入りやすくなる。このため、接着強度を高めることができる。
【００６６】
本発明のセラミック構造体１０およびセラミック構造体の製造方法は、前述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形，改良等が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明のセラミック構造体およびセラミック構造体の製造方法は、高温、腐食性雰囲気で用いられる例えば半導体製造装置用部品、単結晶引き上げ装置用部品、電子部品などの位置決め用治具などに利用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１０  セラミック構造体
２０  本体
２０１  切断面
２１  セラミック繊維（単位セラミック繊維）
２２  セラミック繊維層
２２１  凸部
２２２  先端
２２３  曲面
２３  支持材
２４  セラミックマトリックス
２５  凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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