(57)【要約】【課題】径が５〜５０μｍの連通孔を有する金属−セラミックス複合材料の多孔体およびその製造方法を提供する。【解決手段】（ａ）炭素繊維と、加熱することにより炭化するバインダーとを含む材料でプリフォームを作製する工程と、（ｂ）そのプリフォームにＳｉを非加圧で含浸させ複合材料を作製する工程と、（ｃ）その複合材料を大気中で加熱して炭素繊維を焼失させ連通孔を形成する工程と、を含む手順により金属−セラミックス複合材料の多孔体を製造する。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化材がＳｉＣであり、マトリックスがＳｉである金属−セラミックス複合材料であって、径が５〜５０μｍの連通孔を有することを特徴とする金属−セラミックス複合材料の多孔体。
【請求項２】
（ａ）炭素繊維と、加熱することにより炭化するバインダーとを含む材料でプリフォームを作製する工程と、（ｂ）該プリフォームにＳｉを非加圧で含浸させ複合材料を作製する工程と、（ｃ）該複合材料を大気中で加熱して炭素繊維を焼失させ連通孔を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合材料の多孔体の製造方法。
【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、高剛性という特徴を有する金属−セラミックス複合材料に関し、特にフィルター、熱交換器などに使用される金属−セラミックス複合材料の多孔体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックス粒子またはセラミックス繊維で強化された金属−セラミックス複合材料は、高剛性、低熱膨張性、耐摩耗性等のセラミックスとしての優れた特性と延性、高靭性、高熱伝導性等の金属としての優れた特性の両方を兼ね備えている。強化材がＳｉＣでありマトリックスをＳｉとした複合材料（以下、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料と記す。）は、構成する元素がＳｉとＣのみからなっている高純度素材であること、熱伝導率が高いこと、剛性が高いことなどの理由から、構造部材として使用されている。また、熱膨張係数が低いこと、高温耐食性が高いことなどの理由から例えばディーゼルエンジン排ガス用フィルターとしての適用が検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
Ｓｉを溶融して、炭素質もしくは炭素質とＳｉＣ質からなるプリフォームに含浸させる製法によるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、緻密な複合材料となりやすく、加工性も良いとは言えないため、特に、フィルター等の用途で有効に機能する、径が５〜５０μｍ程度の連通孔を有する多孔体を作製することが困難であった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献】
特開２００１−４８６５２号公報
【０００５】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、径が５〜５０μｍの連通孔を有する金属−セラミックス複合材料の多孔体およびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の目的は、炭素繊維と、加熱することにより炭化するバインダーとを含む材料でプリフォームを作製し、得られたプリフォームにＳｉを非加圧で含浸させ、複合化した後、大気中で加熱することにより炭素繊維部分を焼失させ連通孔を形成することで達成される。
【０００７】
即ち本発明は、以下の（１）、（２）を提供するものである。
（１）強化材がＳｉＣであり、マトリックスがＳｉである金属−セラミックス複合材料であって、径が５〜５０μｍの連通孔を有することを特徴とする金属−セラミックス複合材料の多孔体（請求項１）、
（２）（ａ）炭素繊維と、加熱することにより炭化するバインダーとを含む材料でプリフォームを作製する工程と、（ｂ）そのプリフォームにＳｉを非加圧で含浸させ複合材料を作製する工程と、（ｃ）その複合材料を大気中で加熱して炭素繊維を焼失させ連通孔を形成する工程と、を含むことを特徴とする上記（１）に記載の金属−セラミックス複合材料の多孔体の製造方法（請求項２）。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の金属−セラミックス複合材料の多孔体は、強化材がＳｉＣであり、マトリックスがＳｉである金属−セラミックス複合材料であって、径が５〜５０μｍの連通孔を有することを特徴とする。
【０００９】
ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、金属−セラミックス複合材料の中でも特に剛性と耐熱性に優れており、フィルター等の用途においても、その適用範囲は広いと考えられる。しかしながら、一般に加工性は良いとは言えず、小さな径の連通孔を有する形状の部材の作製は困難であったが、その作製が容易に可能になったものである。
【００１０】
連通孔の径は５〜５０μｍとした。連通孔の径が５μｍより小さいと通気抵抗が大きすぎるため好ましくなく、また、径の大きさが５０μｍより大きいと、逆に通気が容易となりフィルターとしての性能が劣ることになるためである。
【００１１】
また、本発明による金属−セラミックス複合材料の多孔体の製造方法は、（ａ）炭素繊維と、加熱することにより炭化するバインダーとを含む材料でプリフォームを作製する工程と、（ｂ）そのプリフォームにＳｉを非加圧で含浸させ複合材料を作製する工程と、（ｃ）その複合材料を大気中で加熱して炭素繊維を焼失させ連通孔を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
（１）の工程は、本発明において連通孔を形成するために必須である炭素繊維と、マトリックスとなるＳｉを非加圧で含浸させるために必須となる炭素質を形成する、加熱することにより炭化するバインダーとを含む材料でプリフォームを作製する工程である。炭素繊維は、マトリックスであるＳｉとの反応により部分的にＳｉＣとなり強化材としての寄与もあるため好都合である。加熱することにより炭化するバインダーは、例えばフェノール樹脂が挙げられるが、プリフォーム作製時の成形バインダーとしての作用と、マトリックスとなるＳｉを非加圧でプリフォームに含浸させる際の駆動源となる作用、およびＳｉと反応して生成するＳｉＣが強化材となる作用を持ち合わせているため好都合である。なお、プリフォームを構成する成分として、上記の炭素繊維と加熱することにより炭化するバインダー以外に、連通孔の密度制御等のため、炭素粒子やＳｉＣ粉末、ＳｉＣ繊維を添加しても良い。
【００１３】
ここで、連通孔を形成させるための炭素繊維の径は、形成する連通孔よりも大きいものとする。使用する炭素繊維の径方向の組織によって含浸させるＳｉとの反応層の厚さが変化することから、あらかじめ使用する炭素繊維とＳｉとの反応層の厚さを調べておく必要がある。
【００１４】
プリフォームの作製は、長さ方向に束ねた炭素繊維を、加熱することにより炭化するバインダーを含む溶媒、必要に応じて炭素粒子やＳｉＣ粉末、ＳｉＣ繊維を添加した溶媒に浸漬し、超音波分散機等により炭素繊維を分散させ、その表面に溶媒に含まれるバインダーやその他の成分を付着させ、その後、それら炭素繊維を型枠に移し乾燥した後、脱型し加熱処理を行なってバインダー成分を炭化させる。脱型し加熱処理の前に、所望の形状に加工しても良い。なお、あらかじめ炭素繊維を型枠に充填し、加熱することにより炭化するバインダー等を含む溶媒に浸漬し、超音波分散機等により炭素繊維を分散させても良い。また、連通孔の数が少ない部材等の場合は、乾式プレス等の方法によりプリフォームを作製することも可能である。
【００１５】
（２）の工程は、（１）の工程により得られたプリフォームにマトリックスとなるＳｉを非加圧で含浸させて複合材料を作製する工程である。Ｓｉは高融点を有する金属であるため、次の工程である連通孔を形成する炭素繊維を焼失させる際、高温の酸素雰囲気下に曝されても溶融や腐食を抑えられる。プリフォームへのＳｉの含浸は、プリフォームとＳｉを接触させ、アルゴン雰囲気中１６００℃程度に加熱しＳｉを溶融させることにより、プリフォーム中の炭素質と溶融したＳｉとが反応しながら進行する。この作用により、強化材がＳｉＣと炭素繊維で、マトリックスがＳｉである複合材料を得ることができる。
【００１６】
（３）の工程では、（１）、（２）の工程により得られた複合材料を大気中で加熱して炭素繊維を焼失させ連通孔を形成させる。大気中８００℃以上の高温に曝すことにより、炭素繊維を焼失させ連通孔とすることができる。
【００１７】
以上の工程により、使用する炭素繊維の径を選ぶことで、所望の径の連通孔を有する金属−セラミックス複合材料の多孔体を作製することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００１９】
（実施例１）
両端が開放しているφ３０×５０ｍｍの円筒管に、炭素繊維として一本の繊維の径が２５μｍであるＫ２３３（三菱化学社製）を束ねて挿入し、その円筒管ごと、水溶性フェノール樹脂ＢＲＬ１５８３（昭和高分子社製）およびイオン交換水を１：２で混合したフェノール樹脂水溶液の中に浸漬し、超音波分散作用をかけながら炭素繊維間にフェノール樹脂分を染み込ませ、その後乾燥機にて乾燥させた。脱型後、得られた繊維束を厚さ１０ｍｍで切断し、φ３０×１０ｍｍのプリフォームとした。得られたプリフォームに純度９９％以上のＳｉを接触させ、この状態でアルゴン雰囲気中１６００℃に加熱し、Ｓｉを含浸させた。冷却後、得られた緻密な含浸品を大気中８００℃で９６時間保持して炭素部分を焼失させた。得られた試料を研削加工後、光学顕微鏡を用いて孔の状態を観察したところ、約φ１５μｍの連通孔が確認された。
【００２０】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、加工性が良いとは言えないＳｉＣ／Ｓｉ複合材料においても、径が５〜５０μｍの連通孔を有する多孔体を作製することができる。