(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基複合材料であって、
炭化珪素繊維で形成される繊維体を含む基材と、
前記基材に形成され、炭化珪素と、珪素または２元系珪素合金からなる珪素材と、を含むマトリックスと、
を備え、
前記マトリックスが、炭素単体を含まない、セラミックス基複合材料。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミックス基複合材料であって、
前記マトリックスの炭化珪素は、反応焼結炭化珪素を除く、セラミックス基複合材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載のセラミックス基複合材料であって、
前記炭化珪素繊維は、非結晶性炭化珪素繊維であり、
前記珪素材は、２元系珪素合金である、セラミックス基複合材料。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載のセラミックス基複合材料であって、
前記２元系珪素合金は、Ｓｉ−Ｙ合金、Ｓｉ−Ｔｉ合金またはＳｉ−Ｈｆ合金である、セラミックス基複合材料。
【請求項５】
セラミックス基複合材料の製造方法であって、
炭化珪素繊維で形成される繊維体を含む基材に、炭素単体を含まない炭化珪素粉末を含浸する粉末含浸工程と、
前記炭化珪素粉末を含浸した炭素単体を含まない基材に、珪素または２元系珪素合金からなる珪素材を、前記珪素材の融点以上で熱処理することにより溶融させて含浸する溶融含浸工程と、
を備える、セラミックス基複合材料の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載のセラミックス基複合材料の製造方法であって、
前記炭化珪素繊維は、非結晶性炭化珪素繊維であり、
前記溶融含浸工程は、前記珪素材が２元系珪素合金であり、前記珪素材の融点以上、且つ前記非結晶性炭化珪素繊維の熱劣化温度より低い温度で熱処理する、セラミックス基複合材料の製造方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載のセラミックス基複合材料の製造方法であって、
前記２元系珪素合金は、Ｓｉ−Ｙ合金、Ｓｉ−Ｔｉ合金またはＳｉ−Ｈｆ合金である、セラミックス基複合材料の製造方法。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか１つに記載のセラミックス基複合材料の製造方法であって、
前記溶融含浸工程は、前記基材の上に、前記珪素材で形成した鋳塊を配置して含浸する、セラミックス基複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、セラミックス基複合材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、セラミックス基複合材料（ＣＭＣ：Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）は、Ｎｉ基合金等の耐熱金属材料と比較して比重が１／３以下であり、耐熱性に優れるため、航空エンジン用高温材料等として注目されている。セラミックス基複合材料の製造方法の中でも、溶融珪素を含浸させることによりマトリックスを形成する溶融含浸法は、短時間の処理で緻密なセラミックス基複合材料の製造が可能である。【０００３】
特開平１０−５９７８０号公報（特許文献１）には、セラミックス基複合材料において、セラミックス繊維を束ねた繊維束を含むプリフォームに、炭素粉末を含浸させた後に溶融珪素を含浸させて反応焼結を行わせることにより、炭化珪素を主相とするマトリックスを形成することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−５９７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、セラミックス基複合材料の製造において、炭素粉末を含浸した後に溶融珪素を含浸して反応焼結を行わせることによりマトリックスを形成する場合には、未反応の炭素粉末が残留する可能性がある。このような炭素粉末がマトリックス中に残留すると、炭素は酸化により炭酸ガス（ＣＯ等）を生成するので、セラミックス基複合材料の耐酸化性が低下する場合がある。【０００６】
そこで本開示の目的は、耐酸化性をより向上させることが可能なセラミックス基複合材料及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料は、炭化珪素繊維で形成される繊維体を含む基材と、前記基材に形成され、炭化珪素と、珪素または２元系珪素合金からなる珪素材と、を含むマトリックスと、を備える。【０００８】
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料は、前記マトリックスが、炭素単体を含まない。【０００９】
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料において、前記炭化珪素繊維は、非結晶性炭化珪素繊維であり、前記珪素材は、２元系珪素合金である。【００１０】
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料において、前記２元系珪素合金は、Ｓｉ−Ｙ合金、Ｓｉ−Ｔｉ合金またはＳｉ−Ｈｆ合金である。【００１１】
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料の製造方法は、炭化珪素繊維で形成される繊維体を含む基材に、炭素単体を含まない炭化珪素粉末を含浸する粉末含浸工程と、前記炭化珪素粉末を含浸した基材に、珪素または２元系珪素合金からなる珪素材を、前記珪素材の融点以上で熱処理することにより溶融させて含浸する溶融含浸工程と、を備える。【００１２】
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料の製造方法において、前記炭化珪素繊維は、非結晶性炭化珪素繊維であり、前記溶融含浸工程は、前記珪素材が２元系珪素合金であり、前記珪素材の融点以上、且つ前記非結晶性炭化珪素繊維の熱劣化温度より低い温度で熱処理する。【００１３】
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料の製造方法において、前記２元系珪素合金は、Ｓｉ−Ｙ合金、Ｓｉ−Ｔｉ合金またはＳｉ−Ｈｆ合金である。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成によれば、セラミックス基複合材料のマトリックス中に炭素単体を含まないので、セラミックス基複合材料の耐酸化性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態において、セラミックス基複合材料の構成を示す断面概略図である。
【図２】本発明の実施の形態において、セラミックス基複合材料の製造方法の構成を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態において、溶融含浸工程を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態において、実施例１の供試体の断面観察結果を示す写真である。
【図５】本発明の実施の形態において、酸化試験後における比較例１の供試体の断面観察結果を示す写真である。
【図６】本発明の実施の形態において、酸化試験後における実施例２の供試体の断面観察結果を示す写真である。
【図７】本発明の実施の形態において、大気雰囲気中での酸化速度定数ｋｐを示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態において、水蒸気を含む酸化雰囲気中での酸化速度定数ｋを示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態において、ヤング率の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、セラミックス基複合材料１０の構成を示す断面概略図である。セラミックス基複合材料１０は、炭化珪素繊維で形成される繊維体を含む基材１２と、基材１２に形成されるマトリックス１４と、を備えている。セラミックス基複合材料１０は、例えば、ジェットエンジンのタービン翼等のガスタービン部品、ロケットエンジンのスラスタ等の高温部品等に用いることが可能である。
【００１７】
基材１２は、炭化珪素繊維（ＳｉＣ繊維）で形成される繊維体１６を含んで構成されており、セラミックス基複合材料１０を強化する機能を有している。炭化珪素繊維には、結晶性炭化珪素繊維や非結晶性炭化珪素繊維を用いることができる。結晶性炭化珪素繊維は、非結晶性炭化珪素繊維よりも耐熱性に優れているので、セラミックス基複合材料１０の耐熱性を向上させることができる。炭化珪素繊維には、例えば、長繊維、短繊維、ウイスカ等を用いることが可能である。
【００１８】
繊維体１６には、例えば、炭化珪素繊維のフィラメントを数百から数千本程度束ねて繊維束とした後、この繊維束をＸＹＺ方向に織ることにより得られる３次元構造を備える３次元織物を用いることが可能である。繊維体１６には、平織りや朱子織り等の２次元構造を備える２次元織物等を用いることができる。
【００１９】
繊維体１６の炭化珪素繊維は、界面層で被覆されていてもよい。界面層は、マトリックス１４に生じたクラック等の炭化珪素繊維への伝播を抑える機能を有している。界面層は、耐酸化性に優れることから、窒化硼素（ＢＮ）等で形成されているとよい。界面層の厚みは、例えば、０．１μｍから０．５μｍとするとよい。
【００２０】
基材１２は、繊維体１６おける炭化珪素繊維同士の間の隙間に、炭化珪素層を設けるようにしてもよい。炭化珪素層は、炭化珪素繊維を被覆する界面層を保護することができる。
【００２１】
マトリックス１４は、基材１２に形成されており、炭化珪素と、珪素または２元系珪素合金からなる珪素材と、を含み、炭素単体を含まないで構成されている。マトリックス１４は、基材１２を支持する機能を有している。マトリックス１４は、基材１２の隙間等に形成されている。より詳細には、マトリックス１４は、例えば、繊維束の間の隙間や、繊維の間の空隙等に形成されている。
【００２２】
マトリックス１４は、炭化珪素を含んでいる。マトリックス１４が炭化珪素を含むことにより、炭化珪素繊維とマトリックス１４との化学的安定性の向上や、熱膨張差によるクラック発生等を抑制することができる。また、炭化珪素は、耐酸化性に優れているので、セラミックス基複合材料１０の耐酸化性を向上させることができる。炭化珪素は、粒状等に形成されている。
【００２３】
マトリックス１４は、珪素または２元系珪素合金からなる珪素材を含んでいる。珪素材は、粒状等の炭化珪素の間の隙間に形成されており、マトリックス１４を緻密にする機能を有している。また、珪素材は、珪素を含むことから耐酸化性に優れているので、セラミックス基複合材料１０の耐酸化性を向上させることができる。
【００２４】
珪素材が、珪素からなる場合には、珪素の融点（約１４１４℃）が高温であるので、セラミックス基複合材料１０の耐熱性を向上させることができる。
【００２５】
珪素材が、２元系珪素合金からなる場合には、２元系珪素合金の融点を珪素の融点より低くすることができるので、後述する溶融含浸工程で熱処理温度をより低い温度にすることが可能となる。これにより、非晶質性炭化珪素繊維を用いた場合でも、非晶質性炭化珪素繊維の熱劣化（結晶粒粗大化、熱分解等）を抑制することができる。２元系珪素合金は、耐酸化性に優れていることから、Ｓｉ−Ｙ（イットリウム）合金、Ｓｉ−Ｔｉ（チタン）合金またはＳｉ−Ｈｆ（ハフニウム）合金とするとよい。
【００２６】
Ｓｉ−Ｙ合金は、８原子％以上１８原子％以下のＹを含み、残部がＳｉと不可避的不純物とからなる合金とするとよい。Ｙの含有率が８原子％以上１８原子％以下であれば、融点が共晶温度または共晶温度の近傍の温度となるので、珪素単体より融点が低くなる。また、Ｙの含有率が８原子％以上１８原子％以下であれば、Ｓｉ−Ｙ合金に含まれる珪素の含有率が大きいので、マトリックス１４と炭化珪素繊維との熱膨張差がより小さくなり、割れ等の発生を抑制することができる。Ｙの含有率が８原子％以上１８原子％以下の場合には、Ｓｉ−Ｙ合金は、例えば、Ｓｉ相と、ＹＳｉ２相とから構成される。
【００２７】
Ｓｉ−Ｔｉ合金は、８原子％以上１８原子％以下のＴｉを含み、残部がＳｉと不可避的不純物とからなる合金とするとよい。Ｔｉの含有率が８原子％以上１８原子％以下であれば、融点が共晶温度または共晶温度の近傍の温度となるので、珪素単体より融点が低くなる。また、Ｔｉの含有率が８原子％以上１８原子％以下であれば、Ｓｉ−Ｔｉ合金に含まれる珪素の含有率が大きいので、マトリックス１４と炭化珪素繊維との熱膨張差がより小さくなり、割れ等の発生を抑制することができる。Ｔｉの含有率が８原子％以上１８原子％以下の場合には、Ｓｉ−Ｔｉ合金は、例えば、Ｓｉ相と、ＴｉＳｉ２相とから構成される。
【００２８】
Ｓｉ−Ｈｆ合金は、５原子％以上１２原子％以下のＨｆを含み、残部がＳｉと不可避的不純物とからなる合金とするとよい。Ｈｆの含有率が５原子％以上１２原子％以下であれば、融点が共晶温度または共晶温度の近傍の温度となるので、珪素単体より融点が低くなる。また、Ｈｆの含有率が５原子％以上１２原子％以下であれば、Ｓｉ−Ｈｆ合金に含まれる珪素の含有率が大きいので、マトリックス１４と炭化珪素繊維との熱膨張差がより小さくなり、割れ等の発生を抑制することができる。Ｈｆの含有率が５原子％以上１２原子％以下の場合には、Ｓｉ−Ｈｆ合金は、例えば、Ｓｉ相と、ＨｆＳｉ２相とから構成される。
【００２９】
マトリックス１４は、炭素単体を含まないで形成されている。炭素単体を含まないとは、製造時に炭素単体を積極的にマトリックス１４に入れないという意味である。マトリックス１４に製造時の残留炭素や炭素粉末等の炭素単体を含む場合には、セラミックス基複合材料１０が大気中で約６００℃以上に熱曝露されると、炭素単体が酸化されて炭酸ガス（ＣＯ等）が生成し、耐酸化性が低下する。マトリックス１４に炭素単体を含まない場合には、このような炭素単体の酸化が生じないので、セラミックス基複合材料１０の耐酸化性が向上する。マトリックス１４は、炭素単体を含まず、炭化珪素と、珪素または２元系珪素合金の珪素材とから構成されるようにするとよい。
【００３０】
次に、セラミックス基複合材料１０の製造方法について説明する。図２は、セラミックス基複合材料１０の製造方法の構成を示すフローチャートである。セラミックス基複合材料１０の製造方法は、粉末含浸工程（Ｓ１０）と、溶融含浸工程（Ｓ１２）と、を備えている。
【００３１】
粉末含浸工程（Ｓ１０）は、炭化珪素繊維で形成される繊維体１６を含む基材１２に、炭素単体を含まない炭化珪素粉末を含浸する工程である。
【００３２】
まず、基材１２について説明する。基材１２に含まれる繊維体１６は、炭化珪素繊維で形成されており、３次元織物等のプリフォームから構成されている。炭化珪素繊維には、結晶性炭化珪素繊維や非結晶性炭化珪素繊維を用いることができる。
【００３３】
結晶性炭化珪素繊維には、例えば、ハイニカロン  タイプＳ（日本カーボン株式会社）、チラノ繊維  ＳＡグレード（宇部興産株式会社）等を用いることが可能である。結晶性炭化珪素繊維は、非結晶性炭化珪素繊維よりも耐熱性が高いので、セラミックス基複合材料１０の耐熱性を向上させることができる。
【００３４】
非結晶性炭化珪素繊維は、例えば、ハイニカロン（日本カーボン株式会社）、チラノ繊維  ＺＭＩグレード（宇部興産株式会社）等を用いることが可能である。非結晶性炭化珪素繊維は、結晶性炭化珪素繊維よりも弾性率が低いので破断ひずみが大きくなり、繊維体１６を形成する際に容易に形成可能となる。また、非結晶性炭化珪素繊維は、結晶性炭化珪素繊維よりも安価であるので、セラミックス基複合材料１０の製造コストを低減することができる。
【００３５】
繊維体１６の炭化珪素繊維には、窒化硼素（ＢＮ）等で形成される界面層を被覆してもよい。界面層の被覆は、例えば、化学気相蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）で行うことができる。
【００３６】
基材１２は、粉末含浸工程（Ｓ１０）を行う前に、化学気相含浸法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ：ＣＶＩ）で、繊維体１６の繊維間に炭化珪素層を形成してもよい。例えば、反応炉内に繊維体１６をセットして加熱し（反応温度９００℃から１０００℃）、反応ガスとしてメチルトリクロロシラン（ＣＨ３ＳｉＣｌ３）を用いることにより、繊維体１６の繊維間に炭化珪素層を形成することができる。炭化珪素層は、化学気相含浸法により緻密な膜状に形成されるので、界面層を保護することが可能となる。
【００３７】
次に、粉末含浸方法について説明する。まず、炭素単体を含まない炭化珪素粉末を含浸するためのスラリを作製する。スラリは、炭化珪素粉末と、溶媒と、を含んで構成されている。炭化珪素粉末には、炭素粉末等の炭素単体を含まない炭化珪素粉末が用いられる。これにより、マトリックス１４に炭素単体を含まないようにすることができる。
【００３８】
炭化珪素粉末は、平均粒径が１μｍ以上１０μｍ以下の粉末とするとよい。炭化珪素粉末の平均粒径が１μｍより小さいと、炭化珪素粉末同士の凝集等により含浸性が低下するからである。炭化珪素粉末の平均粒径が１０μｍより大きいと、基材１２への充填性が低下するからである。炭化珪素粉末の粒度調整は、篩による分級等で行うことができる。炭化珪素粉末の粒径や粒度分布については、一般的なレーザ回折・散乱法等の測定方法により測定可能である。
【００３９】
スラリ中における炭化珪素粉末の含有率は、３０体積％以上７０体積％以下とするとよい。炭化珪素粉末の含有率が３０体積％より小さいと、基材１２への充填性が低下するからである。炭化珪素粉末の含有率が７０体積％より大きいと、スラリの粘度が大きくなり、含浸性が低下するからである。炭化珪素粉末の含有率は、４０体積％以上６０体積％以下とすることが好ましい。炭化珪素粉末には、市販品を用いることができる。
【００４０】
溶媒は、炭化珪素粉末を分散可能であればよく、例えば、エタノール、メタノール、ブタノール、アセトン、キシレン、水等を用いるとよい。溶媒には、市販品を用いることができる。
【００４１】
炭素単体を含まない炭化珪素粉末と、溶媒とを混合機等により混合してスラリを作製する。スラリは、バインダを含むようにしてもよい。バインダには、例えば、コロイダルシリカ等のシリカゾルを用いることができる。
【００４２】
基材１２とスラリとを容器に入れて、基材１２をスラリに浸漬させて含浸する。浸漬前または浸漬中に、真空ポンプ等により容器内を脱気してもよい。基材１２の空隙に含まれる空気等を脱気して除去することにより、基材１２にスラリを含浸し易くすることができる。
【００４３】
基材１２をスラリに浸漬中に、基材１２にスラリを含浸し易くするために、超音波振動機等により超音波振動させてもよい（いわゆる湿式加振含浸法）。振動周波数については、例えば、５０Ｈｚから３０ｋＨｚとするとよい。超音波振動の適用時間は、例えば、１０分間から３０分間とするとよい。
【００４４】
次に、スラリを含浸した基材１２を乾燥させる。スラリを含浸した基材１２を乾燥機等により加熱して乾燥させることにより、スラリに含まれる溶媒が除去されて、基材１２に炭化珪素粉末が残留する。乾燥温度は、例えば、８０℃から１００℃とするとよい。乾燥時間は、例えば、１時間から３時間とするとよい。
【００４５】
溶融含浸工程（Ｓ１２）は、炭素単体を含まない炭化珪素粉末を含浸した基材１２に、珪素または２元系珪素合金からなる珪素材を、珪素材の融点以上で熱処理することにより溶融させて含浸する工程である。図３は、溶融含浸工程（Ｓ１２）を説明するための図である。
【００４６】
図３に示すように、炭素単体を含まない炭化珪素粉末を含浸した基材１２の上に、珪素または２元系珪素合金からなる珪素材１８で形成したインゴット（鋳塊）等を配置する。インゴットは、アーク溶解等で形成することができる。２元系珪素合金は、耐酸化性に優れていることから、Ｓｉ−Ｙ合金、Ｓｉ−Ｔｉ合金またはＳｉ−Ｈｆ合金とするとよい。
【００４７】
Ｓｉ−Ｙ合金は、８原子％以上１８原子％以下のＹを含み、残部がＳｉと不可避的不純物とからなる合金であることが好ましい。Ｓｉ−Ｙ合金におけるＹの含有率が８原子％以上１８原子％以下の場合には、Ｓｉ−Ｙ合金の融点を、珪素の融点よりも低くすることができる。
【００４８】
Ｓｉ−Ｔｉ合金は、８原子％以上１８原子％以下のＴｉを含み、残部がＳｉと不可避的不純物とからなる合金であることが好ましい。Ｓｉ−Ｔｉ合金におけるＴｉの含有率が８原子％以上１８原子％以下の場合には、Ｓｉ−Ｔｉ合金の融点を、珪素の融点よりも低くすることができる。
【００４９】
Ｓｉ−Ｈｆ合金は、５原子％以上１２原子％以下のＨｆを含み、残部がＳｉと不可避的不純物とからなる合金であることが好ましい。Ｓｉ−Ｈｆ合金におけるＨｆの含有率が５原子％以上１２原子％以下の場合には、Ｓｉ−Ｈｆ合金の融点を、珪素の融点よりも低くすることができる。
【００５０】
炭素単体を含まない炭化珪素粉末を含浸した基材１２の上に、珪素材１８で形成したインゴット（鋳塊）を配置した後に、熱処理する。熱処理は、珪素材１８を溶融させるために、珪素材１８の融点以上の熱処理温度で加熱する。
【００５１】
珪素材１８が珪素からなる場合には、熱処理は、珪素の融点（約１４１４℃）以上の熱処理温度で加熱する。熱処理温度は、例えば、約１４５０℃とするとよい。
【００５２】
珪素材１８が２元系珪素合金からなる場合には、熱処理は、２元系珪素合金の融点以上で加熱する。２元系珪素合金は、珪素よりも融点を低くすることができるので、熱処理温度をより低温にすることができる。これにより、非結晶性炭化珪素繊維を用いた場合でも、熱処理温度をより低温にすることが可能となるので、非結晶性炭化珪素繊維の結晶粒粗大化や熱分解等による熱劣化が抑制され、セラミックス基複合材料１０の機械的強度の低下を抑えられる。また、熱処理温度をより低温にすることが可能となることから、生産性が向上すると共に、生産コストを低減することができる。熱処理温度は、２元系珪素合金の融点以上、且つ非結晶性炭化珪素繊維の熱劣化温度より低い温度とするとよい。非結晶性炭化珪素繊維の熱劣化温度は、非結晶性炭化珪素繊維の結晶粒粗大化温度や熱分解温度とするとよい。
【００５３】
熱処理時間については、熱処理温度で１０分間から１時間程度保持すればよい。熱処理雰囲気は、酸化を抑制するために、真空雰囲気や、アルゴンガス等による不活性ガス雰囲気とするとよい。熱処理雰囲気は、含浸性を高めるために、真空雰囲気とすることが好ましい。熱処理設備は、金属材料等の熱処理で使用される一般的な真空熱処理炉や雰囲気熱処理炉等を用いることができる。熱処理温度で所定時間保持した後、室温まで冷却する。
【００５４】
溶融した珪素材１８は、炭化珪素粉末の間の隙間等に浸透して含浸される。炭化珪素粉末は、炭素粉末等の炭素単体を含んでいないので、溶融した珪素材１８は、基材１２の内部まで炭化珪素粉末の隙間に緻密に含浸される。より詳細には、炭化珪素粉末が炭素単体を含んでいる場合には、溶融した珪素材１８は、基材１２の表面側で炭素単体と反応して炭化珪素を形成する。形成された炭化珪素は、炭化珪素粉末の隙間からなる含浸経路を塞ぐので、基材１２の内部への溶融した珪素材１８の浸透が抑制される。これに対して炭化珪素粉末が炭素単体を含まない場合には、炭化珪素粉末と、溶融した珪素材１８との反応が殆ど生じないので、基材１２の内部まで含浸経路が確保され、溶融した珪素材１８が浸透することができる。溶融した珪素材１８は、基材１２の内部まで炭化珪素粉末の隙間に緻密に含浸され、未含浸部が抑制される。これにより、基材１２の隙間や空隙等に、炭素単体を含まない粒状の炭化珪素と、粒状の炭化珪素の隙間に充填された珪素材１８とから構成されるマトリックス１４が緻密に形成される。マトリックス１４が緻密に形成されることから、マトリックス１４のヤング率を、炭化珪素長繊維のヤング率と略同等とすることも可能である。
【００５５】
なお、溶融含浸工程（Ｓ１２）の後に、炭化珪素を形成するためのポリマー原料を含浸し、焼成することにより炭化珪素を形成する液相含浸工程を設けるようにしてもよい。
【００５６】
以上、上記構成によれば、セラミックス基複合材料は、炭化珪素繊維で形成される繊維体を含む基材と、基材に形成され、炭化珪素と、珪素または２元系珪素合金からなる珪素材と、を含み、炭素単体を含まないマトリックスと、を備えていることから、マトリックスが炭素単体を含まないので、セラミックス基複合材料の耐酸化性が向上する。
【００５７】
上記構成によれば、セラミックス基複合材料の製造方法は、炭化珪素繊維で形成される繊維体を含む基材に、炭素単体を含まない炭化珪素粉末を含浸する粉末含浸工程と、炭素単体を含まない炭化珪素粉末を含浸した基材に、珪素または２元系珪素合金からなる珪素材を、珪素材の融点以上で熱処理することにより溶融させて含浸する溶融含浸工程と、を備えることから、マトリックスが炭素単体を含まないので、セラミックス基複合材料の耐酸化性が向上する。また、炭素単体を含まない炭化珪素粉末を用いることから、溶融した珪素材の含浸性が高められて、緻密なマトリックスを形成可能となる。
【実施例】
【００５８】
セラミックス基複合材料におけるマトリックスの形成試験を行った。【００５９】
まず、実施例１について説明する。カーボン粉末等の炭素単体を含まないＳｉＣ粉末と、エタノールとを混合してスラリを作製した。ＳｉＣ粉末には、平均粒径が１μ以上１０μｍ以下の粉末を使用した。スラリを矩形状の型に流し込んだ後に乾燥させて、矩形状のＳｉＣ粉末成形体を成形した。【００６０】
ＳｉＣ粉末成形体にＳｉを溶融含浸した。Ｓｉで形成したインゴットを、ＳｉＣ粉末成形体の上に配置した。インゴットは、アーク溶解により形成した。インゴットを配置したＳｉＣ粉末成形体を熱処理炉に入れ、真空雰囲気中、熱処理温度１４５０℃、保持時間２０分間で熱処理した。この熱処理により、インゴットを溶融させてＳｉＣ粉末成形体にＳｉを溶融含浸した。実施例１の供試体を光学顕微鏡により観察した。図４は、実施例１の供試体の断面観察結果を示す写真である。実施例１の供試体は、粒状のＳｉＣの隙間に溶融したＳｉが浸透して一体的に緻密に形成されていた。【００６１】
次に、実施例２について説明する。実施例２は、実施例１と溶融含浸する珪素材が相違しており、ＳｉＣ粉末成形体については同じものを用いた。実施例２では、ＳｉＣ粉末成形体にＳｉ―Ｙ合金を溶融含浸した。Ｓｉ―Ｙ合金には、１０原子％のＹを含有し、残部がＳｉと不可避的不純物とからなるＳｉ−１０原子％Ｙ合金を用いた。Ｓｉ―Ｙ合金からなるインゴットをアーク溶解により形成した。インゴットを、ＳｉＣ粉末成形体の上に配置した。インゴットを配置したＳｉＣ粉末成形体を熱処理炉に入れ、真空雰囲気中で、熱処理温度１３８０℃、保持時間２０分間で熱処理した。この熱処理によりインゴットを溶融させて、ＳｉＣ粉末成形体にＳｉ−Ｙ合金を溶融含浸した。【００６２】
実施例２の供試体について酸化試験を行って耐酸化性を評価した。また、比較例１として、Ｓｉ−１０原子％Ｙ合金からなる供試体についても同様にして酸化試験を行った。酸化試験は、大気雰囲気中、曝露温度１１００℃、曝露時間１００時間とした。酸化試験後に光学顕微鏡により断面観察を行った。【００６３】
図５は、酸化試験後における比較例１の供試体の断面観察結果を示す写真である。図５に示すように、比較例１の供試体は、Ｓｉ相と、ＹＳｉ２相とから構成されており、ＹＳｉ２相及び粒界が優先的に酸化されているのが認められた。【００６４】
図６は、酸化試験後における実施例２の供試体の断面観察結果を示す写真である。実施例２の供試体では、粒状のＳｉＣの間の隙間に溶融したＳｉ−Ｙ合金が浸透して一体的に緻密に形成されていた。粒状のＳｉＣの間の隙間には、主にＳｉ相が形成されており、ＹＳｉ２相が微細に分散していた。内部酸化については、比較例１の供試体よりも少なくなり、耐酸化性は良好であった。この理由は、表面に露出するＹＳｉ２相が低減したことと、粒界密度が小さくなり、酸素の拡散が抑制されたこと等によると考えられる。【００６５】
大気雰囲気中での酸化重量増加に基づいて、酸化速度定数を算出した。図７は、大気雰囲気中での酸化速度定数ｋｐを示すグラフである。図７のグラフでは、縦軸に酸化速度定数ｋｐを取り、酸化速度定数ｋｐを棒グラフで表している。図７のグラフから、実施例２の供試体は、比較例１の供試体よりも酸化速度定数が小さく、耐酸化性に優れていた。【００６６】
次に、水蒸気酸化試験を行った。水蒸気酸化試験は、水蒸気を含む酸化雰囲気中、曝露温度１１００℃、曝露時間１００時間とした。酸化膜の膜厚に基づいて、酸化速度定数を算出した。図８は、水蒸気を含む酸化雰囲気中での酸化速度定数ｋを示すグラフである。図８のグラフでは、縦軸に酸化速度定数ｋを取り、酸化速度定数ｋを棒グラフで表している。図８のグラフから、実施例２の供試体は、比較例１の供試体よりも酸化速度定数が小さく、耐水蒸気酸化性に優れていた。【００６７】
次に、実施例２の供試体について、ヤング率の測定を行った。ヤング率については、室温から１０００℃の温度範囲において大気中で共振法により測定した。図９は、ヤング率の測定結果を示すグラフである。図９のグラフでは、横軸に温度を取り、縦軸にヤング率を取り、各温度のヤング率を黒菱形で示している。室温から１０００℃までの環境において、実施例２の供試体は、ＳｉＣ長繊維と同程度のヤング率を有することが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本開示は、セラミックス基複合材料のマトリックス中に炭素単体を含まないので、セラミックス基複合材料の耐酸化性を向上させることが可能となることから、ジェットエンジンのタービン翼等のガスタービン部品、ロケットエンジンのスラスタ等の高温部品等に有用なものである。
【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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