(57)【要約】【課題】SiC強化複合材料の軽量で高剛性という特徴を維持しながら、強度を改善した金属繊維強化複合材料を提供する。【解決手段】Siマトリックス中に融点がSiの融点より高く、かつ、熱膨張係数がSiの熱膨張係数より大きい金属長繊維と、およびSiCを強化材として複合させて軽量で高剛性であり強度を改善した金属繊維強化複合材料を得る。このようにして、従来のSiC強化複合材料のもう一つの強化材としてSiより融点が高く、その熱膨張係数がSiより大きい金属長繊維を併用することで、高温での複合化処理から室温までの冷却の間に、金属長繊維の収縮による圧縮応力が複合材料に発生し該複合材料の強度を向上することができる。【選択図】          なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Siマトリックス中に強化材が複合された金属繊維強化複合材料であって、該強化材が金属長繊維およびSiCであることを特徴とする金属繊維強化複合材料。
【請求項２】
前記金属長繊維の融点がSiの融点より高く、かつ、前記金属長繊維の熱膨張係数がSiの熱膨張係数より大きいことを特徴とする請求項１に記載の金属繊維強化複合材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽量で高剛性という特徴を有する金属繊維強化複合材料に関し、特に、強度を改善した金属繊維複合材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
SiをマトリックスとしSiCを強化材として用いたSiC強化複合材料は、軽量、高剛性という特徴を有しており、半導体熱処理装置などに広く用いられるようになってきている。（例えば、特許文献１参照。）
【０００３】
【特許文献１】
特開平１４−１７９４６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のSiC強化複合材料は、セラミックスのSiC焼結体と比較し強度が低いという問題がある。例えばセラミックスのSiC焼結体の強度が４００MPa程度であるのに対し、SiC強化複合材料の強度は３００MPa程度に留まっていた。したがって、このことが上述のSiC強化複合材料が普及する妨げとなっていた。
【０００５】
本発明は、上述したSiC強化複合材料の課題を解決するために鋭意検討してなされたものであって、その目的は、SiC強化複合材料の軽量で高剛性という特徴を維持しながら、強度を改善した金属繊維強化複合材料を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の目的は、下記の金属繊維強化複合材料よって達成することができる。
（１）Siマトリックス中に強化材が複合された金属繊維強化複合材料であって、該強化材が金属長繊維およびSiCであることを特徴とする金属繊維強化複合材料。
（２）前記金属長繊維の融点がSiの融点より高く、かつ、前記金属長繊維の熱膨張係数がSiの熱膨張係数より大きいことを特徴とする（１）に記載の金属繊維強化複合材料。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明では、Siマトリックス中に強化材が複合された金属繊維強化複合材料であって、該強化材が金属長繊維およびSiCであることを特徴とする金属繊維強化複合材料を提案している。
その理由は、本発明者らは、上記課題を鑑み鋭意研究した結果、強化材として金属長繊維およびSiCを用いることにより、従来のSiCのみを強化材として用いた複合材料より強度が向上することを見出したからである。ここで、金属長繊維とは長さが５０mm以上の長繊維を言い、例えば、これを網目状やシート状に成形したものを用いることができる。
【０００８】
さらに、金属長繊維を強化材として用いた理由は、以下の理由による。
一般に破壊は、部材に発生する引っ張り応力がその材料の引っ張り強度を超えたとき起こる。ここで、Siより熱膨張係数の大きい金属長繊維を複合化すると、高温での複合化処理から室温までの冷却の間に、金属長繊維の収縮による圧縮応力が複合材料内部に発生する。次に、この複合材料に引っ張り応力を加えると、上記圧縮応力の分だけ大きな引張り荷重に耐えることができるため、結果として強度が向上することとなる。これは曲げ試験においても、材料の荷重を印加した面と反対側の面には引っ張り応力が発生するので、強度向上の効果は十分に発現できる。
このような効果は、繊維長さが５０ｍｍ未満の金属短繊維では期待できない。こうした金属長繊維は通常、シート状かメッシュ状のものをプリフォーム上に配置することによって十分な効果が得られる。もちろんこの発明の金属長繊維の形態はシート状やメッシュ状に限定されるものではなく、長繊維自体を等間隔に配置することによっても同様の効果は得られ、これも本発明に包含される。
【０００９】
次に、もう一つの強化材であるSiCの粒径は、１００μm以下であることが、特に好ましい。その理由は、SiCの粒径が１００μmより大きい場合、複合材料の強度が１００μm以下の場合よりも低くなってしまうからである。
また、該複合材料中のSiCの含有率は、３０体積％以上であることが好ましい。その理由は、SiCの含有率が３０体積％より少ないとプリフォーム強度が低下して、成形が困難となるからである。
すなわち本発明の強化材は、金属長繊維、および粒径が１００μm以下で該複合材料中の充填率が３０体積％以上のSiCであることが、特に好ましい。
【００１０】
次に、本発明者らは、前記金属長繊維の融点がSiの融点より高く、かつ、前記金属長繊維の熱膨張係数がSiの熱膨張係数より大きいことを特徴とする金属繊維強化複合材料を提案している。
その理由は、金属長繊維の融点がSiの融点より低いと高温での複合化処理時に溶けてるため好ましくなく、また、前記金属長繊維の熱膨張係数がSiの熱膨張係数より小さいと高温での複合化処理から室温までの冷却の間に、金属長繊維の収縮による圧縮応力が発生せず強度の向上を期待できなくなるからである。
ここで、より具体的には、本発明で提案した金属繊維強化複合材料に用いられる金属長繊維強化材としては、タングステン（以下、Wとも標記する。）、モリブデン（以下、Moとも標記する。）などのSiより融点が高く、その熱膨張係数がSiより大きい金属が挙げられる。
【００１１】
金属長繊維を強化材とした金属繊維強化複合材料の作製方法としては、例えば、金属長繊維からなる強化材を少なくとも２層挟み込んだSiC成形体中の空隙に、溶融したSiを真空中またはアルゴン雰囲気中で浸透させる方法がある。この際のSiの浸透温度としては１５００℃〜強化材に使用する金属長繊維の融点温度未満が好ましい。その理由は、１５００℃より低いと緻密な複合材料が得られず、また金属長繊維の融点より高い温度では、金属長繊維が溶融して複合材料中で強化材としての効果が得られなくなるからである。
【００１２】
次に、以下に本発明の実施例と比較例により本発明を詳細に説明する。
（実施例１）
SiC原料粉末としては、信濃電気精錬社製の＃２０００（平均粒径７μm）１００重量部に有機バインダーとしてフェノール樹脂（群栄化学工業社製、PG２５２３）を１０重量部加えて混合し、これを目的の形状が得られる金型でプレスした後に成形した。
次に、成形体上に金属長繊維がシート状に成形されたタングステンシート（バックスメタル社製）を挟み込み、さらに上記の混合粉末を加えてプレス成形する作業を繰り返し行い、タングステンシートが厚み方向に１mm間隔で挟み込まれた成形体を得た。これを非酸化雰囲気中２００℃で脱バインダーした後に、１０００℃まで昇温して焼成することによりSiC−Wシート成形体を得た。
次に、得られた成形体の上面にSiのインゴット（日本電工社製）を載せ、真空中で１５００℃の温度で３時間熱処理することにより、溶融Ｓｉを成形体中に浸透させてＳｉＣの含有率が５０体積％のタングステン繊維強化SiC複合材料を得た。
この材料の３点曲げ強度をJIS１６０４の方法に従い測定した結果、５５０MPaという結果が得られた。
【００１３】
（実施例２）
SiCの粒径を１５０μmにした以外は実施例１と同様の方法および手段でタングステン繊維強化SiC複合材料複合材料を得た。この材料の３点曲げ強度を実施例１と同様の方法により測定した。その結果、４００MPaという結果が得られた。
【００１４】
（実施例３）
金属繊維強化材料にモリブデンシート（バックスメタル社製）を使用した以外は実施例１と同様の方法および手段でモリブデン繊維強化SiC複合材料を得た。この材料の３点曲げ強度を実施例１と同様の方法により測定した。その結果、４３０MPaという結果が得られた。
【００１５】
（比較例）
金属繊維強化材料をSiC成形体に挟み込まない以外は実施例と同様の方法および手段でSiC複合材料を得た。この材料の３点曲げ強度を実施例１と同様の方法により測定した。その結果、２８０MPaと強度は低かった。
【００１６】
以上の結果より、従来のSiC強化複合材料のもう一つの強化材としてSiより融点が高く、その熱膨張係数がSiより大きい金属長繊維を併用することで、高温での複合化処理から室温までの冷却の間に、金属長繊維の収縮による圧縮応力が複合材料に発生し該複合材料の強度を向上することが分かった。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のSiC強化複合材料よりも強度が高く、セラミックスのSiC焼結体並みの強度を有する複合材料を得ることができる。
したがって、これまで強度が高くないためあまり普及しなかったSiC強化複合材料を幅広い分野に普及させることができる。