(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ繊維を骨材とし、表面にセラミック被覆を有するセラミック複合材であって、
前記骨材は、ＳｉＣ繊維層が複数積層した支持材からなるとともに、
前記ＳｉＣ繊維層は、複数本の前記ＳｉＣ繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置され、
前記隙間に備えられ、前記ストランドを覆うとともに前記セラミック被覆から延びるセラミック層により前記ＳｉＣ繊維層が互いに接合され、
前記支持材は、内部に表裏面を隔離するコア層をさらに有することを特徴とするセラミック複合材。
【請求項２】
前記セラミック被覆は熱分解炭素被覆であって、前記セラミック層は熱分解炭素層であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック複合材。
【請求項３】
前記セラミック被覆はＣＶＤ−ＳｉＣ被覆であって、前記セラミック層はＣＶＤ−ＳｉＣ層であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック複合材。
【請求項４】
前記ストランドを構成する複数のＳｉＣ繊維の表面には、前記ＣＶＤ−ＳｉＣ被覆あるいは前記ＣＶＤ−ＳｉＣ層を分断する界面形成層を有することを特徴とする請求項３に記載のセラミック複合材。
【請求項５】
前記界面形成層は、劈開性セラミックからなることを特徴とする請求項４に記載のセラミック複合材。
【請求項６】
前記劈開性セラミックは、炭素、ＢＮ、マイカ、Ａｌ２ＴｉＯ５のいずれかからなることを特徴とする請求項５に記載のセラミック複合材。
【請求項７】
前記セラミック複合材は管状体であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のうちのいずれか１項に記載のセラミック複合材。
【請求項８】
前記支持材が、フィラメントワインディング体であることを特徴とする請求項７に記載のセラミック複合材。
【請求項９】
前記コア層は、隣り合う前記ストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材などのＳｉＣ繊維を用いたセラミック複合材は、高強度のＳｉＣ繊維を骨材とし、主にＳｉＣがマトリックスを構成する。ＳｉＣ繊維は、耐熱性を有するとともに高強度の素材であるので、Ｃ／Ｃコンポジットなどとともに過酷な環境下で使用できる特徴がある。
【０００３】
特許文献１には、放射線照射等の過酷な条件下においても、耐熱性、強度性および精密加工性に優れるという特性を有するスリーブ（管状体）として、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料（ＳｉＣ／ＳｉＣ）からなる円筒状薄肉スリーブであって、気孔率が４０％以下で、かつ、肉厚が５ｍｍ以下であることを特徴とする円筒状ＳｉＣ複合材料スリーブが記載されている。さらに端部など上記円筒状ＳｉＣ複合材料スリーブは、丸網みされたＳｉＣ連続繊維を３層以下の積層にすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１１６３３７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、上記記載された発明は、ＳｉＣ連続繊維の積層で構成されているので、厚み方向には接合力が弱く剥離しやすい。このため、使用を繰り返すうちに膨れなどが発生しやすい。さらに切断面が露出していると、その部分からの剥離が起こりやすくなる。
【０００６】
本発明では、前記課題を鑑み、剥離しにくいセラミック複合材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複合材は、ＳｉＣ繊維を骨材とし、表面にセラミック被覆を有するセラミック複合材であって、前記骨材は、ＳｉＣ繊維層が複数積層した支持材からなるとともに、前記ＳｉＣ繊維層は、複数本の前記ＳｉＣ繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置され、前記隙間に備えられ、前記ストランドを覆うとともに前記セラミック被覆から延びるセラミック層によって前記ＳｉＣ繊維層が互いに接合されている。
【０００８】
本発明のセラミック複合材によれば、ＳｉＣ繊維を骨材とし表面にセラミック被覆を有し、ＳｉＣ繊維からなるストランドの隙間に、前記ストランドを覆うとともにセラミック被覆から延びるセラミック層が侵入して形成されているので、ＳｉＣ繊維層は互いにセラミック層によって接続される。このため、強い接合力が得られ、剥離しにくくすることができる。
【０００９】
さらに、本発明のセラミック複合材は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記セラミック被覆は熱分解炭素被覆であって、前記セラミック層は熱分解炭素層である。
セラミック被覆およびセラミック層が熱分解炭素よりなると、ＳｉＣ繊維との間で化学反応がおきにくい上に、ＳｉＣ繊維とセラミック被覆の界面、ＳｉＣ繊維とセラミック層の界面が異質材料の界面になるので、界面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【００１０】
（２）前記セラミック被覆はＣＶＤ−ＳｉＣ被覆であって、前記セラミック層はＣＶＤ−ＳｉＣ層である。
セラミック被覆およびセラミック層がＣＶＤ−ＳｉＣよりなると、ＳｉＣは耐食性、耐熱性を有するとともに高強度の素材であるので、耐食性、耐熱性を有し高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【００１１】
（３）前記ストランドを構成する複数のＳｉＣ繊維の表面には、前記ＣＶＤ−ＳｉＣ被覆あるいはＣＶＤ−ＳｉＣ層を分断する界面形成層を有する。
セラミック被覆およびセラミック層がＣＶＤ−ＳｉＣよりなる場合、ＳｉＣ繊維の表面に界面形成層があると、界面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【００１２】
（４）前記界面形成層は、劈開性セラミックからなる。
界面形成層が劈開性セラミックよりなると、耐熱性を有するとともに、ＳｉＣ繊維、セラミック層、セラミック被覆の材料であるＳｉＣと異質の材料であるのでセラミック複合材の特徴を生かしながら、ＳｉＣ繊維の表面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【００１３】
（５）前記劈開性セラミックは、炭素、ＢＮ、マイカ、Ａｌ２ＴｉＯ５、Ｂ４Ｃのいずれかからなる。
炭素、ＢＮ、マイカ、Ａｌ２ＴｉＯ５などのセラミックは、劈開性しやすい結晶方向を有し、ＳｉＣ内部の結合より小さな力で劈開する。このためＳｉＣ繊維の表面で亀裂伝播をとめる能力が大きく、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【００１４】
（６）前記セラミック複合材は管状体である。
セラミック複合材は管状体であるので、支持材の断面が管状体の両端部以外に露出しにくく、ＳｉＣ繊維層をより剥離しにくい形状とすることができる。この管状体は、核燃料被覆管、熱交換器用部材、容器、流体用配管として好適に利用することができる。
【００１５】
（７）前記ＳｉＣ繊維層は、前記支持材が、フィラメントワインディング体である。
フィラメントワインディング体は、例えば、ヘリカル巻き、フープ巻きで強固にＳｉＣ繊維層を形成することができるので、強い接合力を得ることができ、剥離しにくくすることができる。
【００１６】
（８）前記支持材は、内部に表裏面を隔離するコア層をさらに有する。
本発明のセラミック複合材は、ＳｉＣ繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置されているので、内部にさらにコア層を有していると表裏間の隔離を確実に行うことができ、気体、液体の隔離を行うことができる。
【００１７】
（９）前記コア層は、隣り合う前記ストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されている。
コア層が、隣り合うストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されていると、コア層を、ＳｉＣ繊維層と同質の素材で構成することができるので、加熱による熱応力の発生を防止することができる。また製造段階における収縮もコア層と支持材全体が同様の挙動を示すのでセラミック複合材がもともと持つ内部応力を少なくすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、支持材を構成するＳｉＣ繊維層の内部に隙間が表面から連続的に形成され、その隙間の表面にセラミック層が形成されているので、ＳｉＣ繊維層は互いにセラミック層によって接続される。このため、強い接合力が得られ、剥離しにくくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る第１実施形態のセラミック複合材であり（Ａ）は側面図、（Ｂ）は断面図である。
【図２】本発明に係る第１実施形態のセラミック複合材を構成する支持材の部分拡大図であり、Ａ−Ａ’は長手方向である。
【図３】図１（Ｂ）のセラミック複合材の断面図の丸で囲まれた領域の拡大図である。
【図４】図２のセラミック複合材を構成する支持材のＡ−Ａ’における断面図である。
【図５】図２のセラミック複合材を構成する支持材のＢ−Ｂ’における断面図である。
【図６】（Ａ）はＳｉＣ繊維のフープ巻きによる巻回工程を示す工程図であり、（Ｂ）および（Ｃ）はＳｉＣ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、（Ｄ）はＳｉＣ繊維の軸方向配置工程を示す工程図である。
【図７】本発明の第２実施形態のセラミック複合材の支持材の断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態のセラミック複合材の斜視図である。
【図９】本発明の第３実施形態のセラミック複合材を構成する支持材をＳｉＣ繊維層に分けた説明図であり、（Ａ）は支持材を示し、（Ｂ）はそのうちの一層の拡大図である。
【図１０】図９のセラミック複合材を構成する支持材の断面図であり、（Ａ）はＣ−Ｃ’における断面図、（Ｂ）はＤ−Ｄ’における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明のセラミック複合材について説明する。
【００２１】
前記課題を解決するための本発明のセラミック複合材は、ＳｉＣ繊維を骨材とし、表面にセラミック被覆を有するセラミック複合材であって、前記骨材は、ＳｉＣ繊維層が複数積層した支持材からなるとともに、前記ＳｉＣ繊維層は、複数本の前記ＳｉＣ繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置され、前記隙間に備えられ、前記ストランドを覆うとともに前記セラミック被覆から延びるセラミック層によって前記ＳｉＣ繊維層が互いに接合されている。
【００２２】
本発明のセラミック複合材によれば、ＳｉＣ繊維を骨材とし、表面にセラミック被覆を有し、ＳｉＣ繊維からなるストランドの隙間に、前記ストランドを覆うとともにセラミック被覆から延びるセラミック層が侵入して形成されているので、ＳｉＣ繊維層は互いにセラミック層によって接続される。このため、強い接合力が得られ、剥離しにくくすることができる。
【００２３】
さらに、本発明のセラミック複合材は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記セラミック被覆は熱分解炭素被覆であって、前記セラミック層は熱分解炭素層である。
セラミック被覆およびセラミック層が熱分解炭素よりなると、ＳｉＣ繊維との間で化学反応がおきにくい上に、ＳｉＣ繊維とセラミック被覆の界面、ＳｉＣ繊維とセラミック層の界面が異質材料の界面になるので、界面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【００２４】
（２）前記セラミック被覆はＣＶＤ−ＳｉＣ被覆であって、前記セラミック層はＣＶＤ−ＳｉＣ層である。
セラミック被覆およびセラミック層がＣＶＤ−ＳｉＣよりなると、ＳｉＣは耐食性、耐熱性を有するとともに高強度の素材であるので、耐食性、耐熱性を有し高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【００２５】
（３）前記ストランドを構成する複数のＳｉＣ繊維の表面には、前記ＣＶＤ−ＳｉＣ被覆あるいは前記ＣＶＤ−ＳｉＣ層を分断する界面形成層を有する。
セラミック被覆およびセラミック層がＣＶＤ−ＳｉＣよりなる場合、ＳｉＣ繊維の表面に界面形成層があると、界面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【００２６】
（４）前記界面形成層は、劈開性セラミックからなる。
界面形成層が劈開性セラミックよりなると、耐熱性を有するとともに、ＳｉＣ繊維、セラミック層、セラミック被覆の材料であるＳｉＣと異質の材料であるのでセラミック複合材の特徴を生かしながら、ＳｉＣ繊維の表面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【００２７】
（５）前記劈開性セラミックは、炭素、ＢＮ、マイカ、Ａｌ２ＴｉＯ５のいずれかからなる。
炭素、ＢＮ、マイカ、Ａｌ２ＴｉＯ５などのセラミックは、劈開性しやすい結晶方向を有し、ＳｉＣ内部の結合より小さな力で劈開する。このためＳｉＣ繊維の表面で亀裂伝播をとめる能力が大きく、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【００２８】
（６）前記セラミック複合材は管状体である。
セラミック複合材は管状体であるので、支持材の断面が管状体の両端部以外に露出しにくく、ＳｉＣ繊維層をより剥離しにくい形状とすることができる。この管状体は、核燃料被覆管、熱交換器用部材、容器、流体用配管として好適に利用することができる。
【００２９】
（７）前記ＳｉＣ繊維層は、前記支持材が、フィラメントワインディング体である。
フィラメントワインディング体は、例えば、ヘリカル巻き、フープ巻きで強固にＳｉＣ繊維層を形成することができるので、強い接合力を得ることができ、剥離しにくくすることができる。
【００３０】
（８）前記支持材は、内部に表裏面を隔離するコア層をさらに有する。
本発明のセラミック複合材は、ＳｉＣ繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置されているので、内部にさらにコア層を有していると表裏間の隔離を確実に行うことができ、気体、液体の隔離を行うことができる。
【００３１】
（９）前記コア層は、隣り合う前記ストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されている。
コア層が、隣り合うストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されていると、コア層を、ＳｉＣ繊維層と同質の素材で構成することができるので、加熱による熱応力の発生を防止することができる。また製造段階における収縮もコア層と支持材全体が同様の挙動を示すのでセラミック複合材がもともと持つ内部応力を少なくすることができる。
【００３２】
次に、本発明のセラミック複合材の製造方法について、説明する。
本発明のセラミック複合材は、さまざまな形状が利用できる。板状、パイプ状、棒状の他、これらを組み合わせた複合形状が利用できる。これらの形状はどのような製造方法でも得ることができ特に限定されない。無垢のセラミック複合材から切削加工、セラミック複合材の複数の部品の接着あるいは接合、パイプ状など目的の形状に合わせてセラミック複合材の造形など、どのような方法もとることができる。
【００３３】
無垢のセラミック複合材は、例えばＳｉＣ繊維のクロスを積層し、例えばＣＶＤ法によってセラミック層およびセラミック被覆を形成することによって得ることができる。パイプ状など目的の形状に合わせて造形する場合には、中芯などの型を用いて製造する。予め型に沿ってＳｉＣ繊維の層が複数積層した支持材を配置し、例えばＣＶＤ法によってセラミック層およびセラミック被覆を形成する。目的の形状に合わせて形成する場合には、切削加工、接着、接合、型を用いた造形などの方法を組み合わせて得ることができる。
【００３４】
本発明のセラミック複合材の製造方法は、ＳｉＣ繊維のストランドを隙間が空くよう配置して、支持材を形成したのち、ストランドの隙間にセラミック層を形成するとともに、支持材の表面にセラミック被覆を形成する。このため、セラミック層によってＳｉＣ繊維が接合される。
ＳｉＣ繊維のストランドの配置方法は、さまざまな方法があり、クロス、フィラメントワインディング、ブレーディングなどが利用できる。
【００３５】
セラミック層およびセラミック被覆の形成方法は、焼成によりセラミックが得られる前駆体を塗布または含浸するプレカーサ法、熱分解よりセラミックが得られる原料ガスをＣＶＤ炉内に供給するＣＶＤ法などが適用できる。セラミック層及びセラミック被覆の形成方法は、同一であっても異なる方法を用いても良い。セラミック被覆の形成方法はプレカーサ法、ＣＶＤ法のいずれも用いることができる。セラミック被覆の形成方法に関してはＣＶＤ法であることが好ましい。ＣＶＤ法では緻密なセラミック被覆が得られ、強固な被覆で覆うことができるので高強度のセラミック複合材を得ることができる。
セラミック層の形成方法は、ＣＶＤ法、プレカーサ法のいずれでも用いることができるが、ＣＶＤ法であることが好ましい。ＣＶＤ法では緻密なセラミック層が得られ、高強度のセラミック複合材を得ることができる。
【００３６】
セラミック層及びセラミック被覆の材質は例えばＳｉＣ、アルミナ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｂ４Ｃ、熱分解炭素などが利用できる。
中でも、セラミック層及びセラミック被覆の材質はＳｉＣ、あるいは熱分解炭素が好ましい。これらは耐熱性がある上に、ＳｉＣ繊維との間で反応しにくいので、高強度で耐熱性のあるセラミック複合材を提供することができる。
【００３７】
次に、型となる中芯を用いてセラミック複合材を製造する方法と、中芯を用いない場合と対比しながら説明する。なお、平板など形状の場合には、型を用いることなくセラミック複合材を得ることができる。
本発明のセラミック複合材は、支持材形成工程と、セラミック層形成工程と、セラミック被覆形成工程とからなる。本発明のセラミック複合材は、支持材形成工程、セラミック層形成工程、セラミック被覆形成工程の順に製造される。
【００３８】
さらに中芯を用いてパイプ状などのセラミック複合材を製造する場合には、さらに芯抜工程が加わる。芯抜き工程は、支持材形成工程とセラミック層形成工程との間、セラミック層形成工程とセラミック被覆形成工程との間、セラミック被覆形成工程の後のいずれに加えても良い。望ましくは、芯抜工程はセラミック層形成工程とセラミック被覆形成工程との間にあることが望ましい。セラミック層形成工程ではストランドの表面にセラミック層が形成されるので、支持材の形状を固定することができ形状精度の高いセラミック複合材を得ることができる。また芯抜工程の後にセラミック被覆形成工程があるので、セラミック複合材の表裏全面にセラミック被覆を形成することができ、耐食性があり、高強度のセラミック複合材を得ることができる。
【００３９】
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ＳｉＣ繊維のストランドを互いに隙間が開けながら巻回し、支持材を形成する。支持材形成工程はＳｉＣ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、フィラメントワインディング法で製造する場合には、中芯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を有し、軸方向に沿って配向する軸方向配置工程をさらに有していてもよい。巻回工程は、中芯の軸方向に対して平面視で略直交するフープ巻き、斜めに巻回されるヘリカル巻きとがあり、いずれを用いても良い。
【００４０】
支持材がブレーディングである場合には、互いにＳｉＣ繊維のストランドが、隙間があくように編むことによって形成する。ブレーディングは、一旦編んだ後、潰れないよう中芯を挿入して、次のセラミック層形成工程でセラミック層を形成することが望ましい。中芯を挿入することにより、形状精度の高いセラミック複合材を得ることができる。
支持材が、平板である場合には、例えば互いに隙間が開くように織られたクロスを積層し、支持材を形成する。クロスの繊維方向、ストランドの太さなど特に限定されない。
【００４１】
次にセラミック層形成工程及びセラミック被覆形成工程に適用できるＣＶＤ法について説明する。セラミック層形成工程は、ＳｉＣ繊維のストランドの表面にセラミック層を形成する。セラミック被覆形成工程は、セラミック繊維のストランドで構成された支持材の表面にセラミック被覆を形成する。
【００４２】
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層およびセラミック被覆が支持材を構成するＳｉＣ繊維の表面に形成される。
ＣＶＤ法で使用する原料ガスは、セラミックス層およびセラミック被覆の種類によって適宜選択する。
【００４３】
セラミック層あるいはセラミック被覆がＳｉＣの場合には、原料ガスとして炭化水素ガスと、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、平衡反応の調整に関与することができる。
【００４４】
セラミック層あるいはセラミック被覆が、熱分解炭素の場合には、炭化水素ガスを原料ガスとして使用する。炭化水素ガスは特に限定されないが、メタン、エタン、プロパンなどのメタン系炭化水素、エチレン、プロピレンなどのエチレン系炭化水素、アセチレンなどアセチレン系炭化水素などが利用できる。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、平衡反応の調整に関与することができる。
【００４５】
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、セラミック層あるいはセラミック被覆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。
【００４６】
プレカーサ法では、目的の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層あるいはセラミック被覆を得る。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、まず溶媒を乾燥する。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を行う。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。
【００４７】
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、セラミック層あるいはセラミック被覆を生成させる。
前駆体は、例えば次のようなものが利用できる。セラミック被覆あるいはセラミック層が炭素の場合は、フェノール樹脂、フラン樹脂などの前駆体が利用できる。セラミック被覆あるいはセラミック層がＳｉＣの場合はポリカルボシラン（PCS：Polycarbosilane）などの前駆体が利用できる。これらの前駆体をＳｉＣ繊維に浸透させて、熱分解することによりセラミック層あるいはセラミック被覆を得ることができる。
また、プレカーサ法をセラミック層形成工程で適用することにより、前駆体を支持材の形状を固定するバインダとして用いることもできる。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。
【００４８】
なお、セラミック層およびセラミック被覆がＣＶＤ−ＳｉＣよりなる場合、ＳｉＣ繊維とセラミック層、ＳｉＣ繊維とセラミック被覆が一体化しないようセラミック被覆あるいはセラミック層とを分断する界面形成層を有することが好ましい。界面形成層が亀裂伝播をとめる作用を有し、高強度のセラミック複合材を提供することができる。界面形成層は、劈開性セラミックからなり、例えば炭素、ＢＮ、マイカ、Ａｌ２ＴｉＯ５などが挙げられる。界面形成層は、例えばＳｉＣの前駆体を除く他の物質の前駆体あるいはセラミックの微粉末を浸透させ、薄い被膜をＳｉＣ繊維の表面に形成することで、形成することができる。他の物質の前駆体とは、たとえば、炭素となるフェノール樹脂などが挙げられる。微粉末は、スラリー状にして含浸することができる。
【００４９】
セラミック層を形成するセラミック層形成工程とセラミック被覆を形成するセラミック被覆形成工程は、ともにＣＶＤ法で形成する場合には、１つの装置で連続して行ってもよく、個別に行っても良い。セラミック層形成工程とセラミック被覆形成工程との間に芯抜工程が有る場合には個別に行うこととなる。１つの装置で連続して行う場合には、セラミック層形成工程とセラミック被覆形成工程それぞれに対応する原料ガスを切り替えてＣＶＤ炉に供給することにより連続して行うことができる。
【００５０】
セラミック層形成工程とセラミック被覆形成工程のＣＶＤ炉の条件は同一であってもそれぞれ異なっていても良い。セラミック層は支持材内部への被覆、セラミック被覆は支持材表面への被覆であるので、セラミック被覆形成工程ではセラミック層工程よりも、沈積しやすいように条件を切り替えることがこのましい。例えば、セラミック被覆形成工程ではセラミック層工程よりも炉内の圧力を高くするあるいは製膜温度を高くすることにより本発明のセラミック複合材を容易に得ることができる。
【００５１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について以下具体的に説明する。
本実施形態のセラミック複合材の製造方法は、支持材形成工程と、セラミック層形成工程と、芯抜工程と、セラミック被覆形成工程の順で構成される。
【００５２】
次に、支持材形成工程について説明する。
図６に示すように、支持材形成工程は、芯材１１の周囲に、多数のＳｉＣ繊維２１を束ねられて形成されたストランド２３を互いに隙間が開くように巻回し、支持材である骨材２０Ａを形成する。支持材形成工程はＳｉＣ繊維２１の配置、巻き方などで細かく分類される。例えば、支持材形成工程は、巻回工程と、軸方向に沿って配向する軸方向配置工程とを有する。
【００５３】
支持材形成工程は、ストランド２３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。
【００５４】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示すように、巻回工程においては、中心軸ＣＬ回りに回転する芯材１１の外周面にストランド２３を巻回してＳｉＣ繊維層２２を形成する。従って、骨材２０Ａは、ＳｉＣ繊維層２２が積層された支持材２４から構成される。
巻回工程には、ヘリカル巻き工程と、フープ巻き工程とがある。図６（Ａ）はフープ巻きによるストランド２３の巻回工程を示し、図６（Ｂ）はヘリカル巻きによるストランド２３の巻回工程の往路を示し、図６（Ｃ）はヘリカル巻きによるストランド２３の巻回工程の復路を示す。
【００５５】
このとき、ストランド２３を収容するロール２１１を、芯材１１の一端側（図６（Ａ）および図６（Ｂ）において右端側）から他端側（図６（Ａ）および図６（Ｂ）において左端側）へ移動（矢印Ａ参照）させることにより、ストランド２３を芯材１１の外側面に巻回することができる。
なお、図６（Ｃ）に示すヘリカル巻きによるストランド２３の巻回工程の復路では、ストランド２３を収容するロール２１１を、芯材１１の他端側（図６（Ｃ）において左端側）から一端側（図６（Ｃ）において右端側）へ移動させる（矢印Ｂ参照）。
【００５６】
図６（Ａ）に示すように、フープ巻きでは、ロール２１１の送り速度を遅くしてストランド２３の間に隙間をあけながらロール２１１を送り、ストランド２３を輪のよう巻く。
また、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示すように、ヘリカル巻きでは、ロール２１１の送り速度を速くしてストランド２３間に隙間が空くようにロール２１１を送り、ストランド２３を傾斜させながら螺旋のよう巻く。
【００５７】
このとき、フープ巻きによるストランド２３の巻回工程においても、ストランド２３は厳密には螺旋状に巻回される。ロール２１１の送り速度によって巻回されるストランド２３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ストランド間の間隔を調整する。
【００５８】
軸方向配置工程においては、例えば図６（Ｄ）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とに交互にストランド２３を引っ掛けることにより、ストランド２３を芯材１１の中心軸ＣＬに沿って配置してＳｉＣ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る。
【００５９】
これにより、芯材１１の表面に複数のＳｉＣ繊維層２２を堆積させて支持材２４を形成して、パイプ状の支持材を形成する。支持材は、管状、例えば円筒、円錐などの形状とすることができる。
【００６０】
次いで、こうして得られた支持材をＣＶＤ炉に入れ、ＣＶＤ炉に例えばメチルトリクロロシランガスを導入し、ストランドの表面にＣＶＤ−ＳｉＣよりなるセラミックス層を形成する。
そして、芯抜工程で支持材から芯材１１から抜き、セラミック被覆形成工程で、再度ＣＶＤ炉に入れ、ＣＶＤ炉の製膜温度を上げて製膜速度を速め、支持材の表面に再度ＣＶＤ−ＳｉＣからなるセラミック被覆を形成し、セラミック複合材１０Ａを製造する。
なお、芯材１１から分離する芯抜工程は、これに限定されず、セラミック層形成工程の前後、セラミック被覆形成工程の後のいずれであってもよい。
【００６１】
次に、得られたセラミック複合材１０Ａについて説明する。
図１（Ａ）、図１（Ｂ）および図３に示すように、セラミック複合材１０Ａは、ＳｉＣ繊維２１を骨材２０Ａとする支持材と、ＳｉＣ繊維のストランドの隙間にＣＶＤ−ＳｉＣからなるセラミック層を有するとともに、支持材の表面にＣＶＤ−ＳｉＣよりなるセラミック被覆を有する管状体であり、内部に内部空間２０１を有する。
図２および図３に示すように、支持材はＳｉＣ繊維層２２が複数積層し構成される。ＳｉＣ繊維層２２は、複数本のＳｉＣ繊維２１からなるストランド２３が隙間Ｓをあけて並んで表面と略平行な面状に配置され、隙間Ｓには、表面から延びるＣＶＤ−ＳｉＣからなるＣＶＤ−ＳｉＣ層４１を有し、表面のセラミック被覆から、支持材内部に延びセラミック層によってＳｉＣ層が互いに接合されている。
【００６２】
ＳｉＣ繊維層２２は、ストランド２３をヘリカル巻き（図６（Ｂ）および（Ｃ）参照）で巻回して、または隙間Ｓをあけてストランド２３をフープ巻き（図６（Ａ）参照）で巻回して形成されており、支持材２４を形成している。
すなわち、支持材２４は、芯材１１の周囲にストランド２３を巻きつけたフィラメントワインディング体である。
【００６３】
図４には、図２のセラミック複合材１０Ａを構成する支持材２４のＡ−Ａ’における断面図が示されている。また、図５には、図２のセラミック複合材１０Ａを構成する支持材２４のＢ−Ｂ’における断面図が示されている。
ここでは、図４および図５に示されるように、支持材の最も内側（図４および図５において最も下側）に、相反する方向にヘリカル巻きでストランド２３が巻回されたＳｉＣ繊維層２２１、２２２を有する。ＳｉＣ繊維層２２１、２２２は、ヘリカル巻きにより形成されているので、隣接するストランド２３の間には、隙間Ｓが形成される。
【００６４】
そして、ＳｉＣ繊維層２２２の外側（図３および図４において上側）には、フープ巻きでストランド２３を巻回して、ＳｉＣ繊維層２２３が形成されている。フープ巻きされたＳｉＣ繊維層２２３では、ＳｉＣ繊維層２２３において隣接するストランド２３の間に、隙間Ｓを設けるようにする。ＳｉＣ繊維層２２３の外側には、相反する方向にヘリカル巻きでストランド２３が巻回されたＳｉＣ繊維層２２４、２２５を有する。
さらに、図５に示すように、図２中Ｂ−Ｂ’位置では、ヘリカル巻きのＳｉＣ繊維層２２５の外側に、軸方向配置工程（図６（Ｄ）参照）により、ストランド２３を軸方向に配置したＳｉＣ繊維層２２６が形成されている。
【００６５】
本実施形態のセラミック複合材１０Ａによれば、ＳｉＣ繊維２１を骨材２０Ａとするとともに表面がＣＶＤ−ＳｉＣ被覆４０で覆われている。骨材２０ＡはＳｉＣ繊維層２２が複数積層した支持材２４で形成されており、ＳｉＣ繊維層２２が有する隙間Ｓが、表面から連続的に形成されている。さらに、複数のＳｉＣ繊維２１からなるストランド２３は、隙間Ｓを空けて配置されている。そして、その隙間Ｓの表面にＣＶＤ−ＳｉＣ層４１が形成されているので、ＳｉＣ繊維層２２は互いにＣＶＤ−ＳｉＣ層４１によって接続される。このため、強い接合力が得られ、剥離しにくくすることができる。
【００６６】
本実施形態のセラミック複合材１０Ａによれば、セラミック複合材１０Ａは管状体である。
セラミック複合材１０Ａは管状体であるので、支持材２４の断面が管状体の両端部以外に露出しにくく、ＳｉＣ繊維層２２をより剥離しにくい形状とすることができる。この管状体は、核燃料被覆管、熱交換器用部材など、容器、流体用配管として好適に利用することができる。
【００６７】
本実施形態のセラミック複合材１０Ａによれば、ＳｉＣ繊維層２２は、ストランド２３がヘリカル巻き、およびストランド２３が隙間Ｓをあけて巻回されたフープ巻きで形成され、支持材２４が、フィラメントワインディング体となる。
フィラメントワインディング体は、ヘリカル巻き、フープ巻きで強固にＳｉＣ繊維層２２を形成することにより、強い接合力を得ることができ、剥離しにくくすることができる。また、ヘリカル巻きは、隣り合うストランド２３間に間隔をあけて巻回するので、表面から内部に連続する隙間Ｓを形成することができる。また、隙間Ｓを空けて巻回したフープ巻きでも同様に、隣り合うストランド２３間に間隔を有するので、表面から内部に連続する隙間Ｓを形成することができる。
この効果は、セラミック層及びセラミック被覆がＣＶＤ−ＳｉＣと代えて熱分解炭素であっても同様に得ることができる。
【００６８】
（第２実施形態）
次に、本発明のセラミック複合材の第２実施形態について説明する。
なお、前述した第１実施形態のセラミック複合材１０Ａと共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図７に示すように、第２実施形態のセラミック複合材１０Ｂの骨材２０Ｂでは、支持材２４は、内部に表裏面を隔離するコア層２５をさらに有する。コア層２５は、隣り合うストランド２３が互いに接するように巻回されたフープ巻きで形成されている。
なお、ここでは、コア層２５の内側（図７において下方）には、前述した第１実施形態と同様のＳｉＣ繊維層２２が設けられている。
【００６９】
次に、第２実施形態のセラミック複合材の作用・効果について説明する。
第２実施形態のセラミック複合材１０Ｂによれば、支持材２４は、内部に表裏面を隔離するコア層２５をさらに有する。
本実施形態のセラミック複合材１０Ｂは、ＳｉＣ繊維２１からなるストランド２３が隙間Ｓを空けて並んで配置され、隙間Ｓには、表面から延びるＣＶＤ−ＳｉＣ層４１を有するので、セラミック層が形成される前の支持材２４のみの段階に隙間Ｓが、支持材２４内部まで及んでいる。この隙間にセラミック層が形成され、中芯を抜いても、支持材の形状を固定することができる。また、本実施形態のセラミック複合材１０Ｂは、コア層２５を有しているので表裏間の隔離を確実に行うことができ、気体、あるいは液体の隔離を行うことができる。コア層は、フープ巻きに限定されず、例えばＳｉＣの焼結体など無垢材などでも良い。
【００７０】
第２実施形態のセラミック複合材１０Ｂによれば、コア層２５は、隣り合うストランド２３が互いに接するように巻回されたフープ巻きで形成されている。
コア層２５が、隣り合うストランド２３が互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されていると、コア層２５を、ＳｉＣ繊維層２２と同質の素材で構成することができるので、加熱による熱応力の発生を防止することができる。また製造段階における収縮も同様の挙動を示すのでセラミック複合材１０Ｂがもともと持つ内部応力を少なくすることができる。なお、コア層の外側のＳｉＣ繊維層との間にコア層の外側を覆うセラミック層が形成されていても良い。コア層の外側を覆うセラミック層によって気体あるいは液体の隔離をより確実に覆うことができる。また、コア層は一層であると、支持材の内部にセラミック層の形成できない隙間がないので、剥離しにくくすることができる。
【００７１】
（第３実施形態）
次に、本発明のセラミック複合材の第３実施形態について説明する。
なお、前述した第１実施形態のセラミック複合材１０Ａおよび第２実施形態のセラミック複合材１０Ｂと共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図８は本発明の第３実施形態のセラミック複合材の斜視図である。図９は本発明の第３実施形態のセラミック複合材を構成する支持材をＳｉＣ繊維層に分けた説明図であり、（Ａ）は支持材を示し、（Ｂ）はそのうちの一層の拡大図である。図１０は、図９のセラミック複合材を構成する支持材の断面図であり、（Ａ）は図９（Ｂ）中Ｃ−Ｃ’における断面図、（Ｂ）はＤ−Ｄ’における断面図である。
【００７２】
前述した第１実施形態のセラミック複合材１０Ａおよび第２実施形態のセラミック複合材１０Ｂでは、管状体の場合について説明したが、第３実施形態のセラミック複合材１０Ｃは、平面状となっている。
すなわち、図８および図９（Ａ）に示すように、第３実施形態のセラミック複合材１０Ｃにおいては、骨材２０Ｃは、平面状のＳｉＣ繊維層２２Ｃを積層した支持材２４Ｃから構成されている。各ＳｉＣ繊維層２２Ｃは、ストランド２３を直交する２方向に配設して構成されている。
【００７３】
例えば、図９（Ａ）中、最上のＳｉＣ繊維層２２Ｃでは、図９（Ｂ）に示すように、一方のストランド２３１は、図８中のＬ−Ｌ’方向に沿って配設される。また、他方のストランド２３２は、Ｗ−Ｗ’方向に沿って配設される。すなわち、一方のストランド２３１と、一方のストランド２３１に交差する他方のストランド２３２とを、同一平面上に編み込むことにより形成されている。
また、最上のＳｉＣ繊維層２２Ｃの下側には、一方のストランド２３１および他方のストランド２３２が、Ｌ−Ｌ’方向およびＷ−Ｗ’方向に、例えばそれぞれ４５度で交差する方向に編み込まれてＳｉＣ繊維層２２Ｃが形成されている。
すなわち、支持材２４Ｃは、一方のストランド２３１がＬ−Ｌ’方向に沿ったＳｉＣ繊維層２２Ｃと、一方のストランド２３１および他方のストランド２３２がＬ−Ｌ’方向に対して４５度で交差するＳｉＣ繊維層２２Ｃとが交互に積層されている。
【００７４】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すように、ＳｉＣ繊維層２２Ｃでは、一方のストランド２３１は、他方のストランド２３２の上方および下方に交互に配設される。また、同様に、他方のストランド２３２は、一方のストランド２３１の上方および下方に交互に配策される（図示省略）。
支持材２４Ｃは、このようなＳｉＣ繊維層２２Ｃを積層することにより形成される。あるいは、第１実施形態および第２実施形態で説明したような管状に形成された支持材２４を長手方向に沿って切断し、開いて平面状とすることにより形成することも可能である。
なお、その後のマトリックス形成工程等は、第１実施形態および第２実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００７５】
以上、説明した第３実施形態のセラミック複合材１０Ｃによれば、前述した第１実施形態のセラミック複合材１０Ａおよび第２実施形態のセラミック複合材１０Ｂと同様の作用効果を得ることができる。
さらに、セラミック複合材１０Ｃは平板状なので、管状体の場合とは異なる用途に広く用いることができる。
【００７６】
本発明のセラミック複合材は、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。
【符号の説明】
【００７７】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  セラミック複合材
２０Ａ、２０Ｂ  骨材
２１  ＳｉＣ繊維
２２  ＳｉＣ繊維層
２３  ストランド
２４  支持材
２５  コア層
４０  ＣＶＤ−ＳｉＣ被覆
４１  ＣＶＤ−ＳｉＣ層
Ｓ  隙間
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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