(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブ又はナノファイバーをＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料のマトリクス中に均一に分散させることを特徴とする、熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法であって、得られるＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料が、室温で８０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することを特徴とする、前記製造方法。
【請求項２】
熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法であって、ＳｉＣ繊維上にカーボンナノチューブ又はナノファイバーを均一に分散させるナノカーボン分散工程と、前記ナノカーボン分散工程により得られたＳｉＣ繊維をＳｉＣにより被覆するＳｉＣ被覆工程と、前記ＳｉＣ被覆工程により得られたＳｉＣ繊維にＳｉＣ粉末又はＳｉＣ粉末及びカーボン粉末の混合粉末を含むスラリーを含浸させる含浸工程と、前記含浸工程により得られたＳｉＣ繊維を乾燥させる乾燥工程と、前記乾燥工程により得られたＳｉＣ繊維をＳｉ粉末とともに熱処理に供する熱処理工程とを含むことを特徴とする方法であって、得られるＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料が、室温で８０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することを特徴とする、前記製造方法。
【請求項３】
ＳｉＣ被覆工程が、化学蒸気浸透法により、原料としてメチルトリクロロシランを用いて行われる、請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
含浸工程においてＳｉＣ粉末を含浸させて、熱処理工程においてＳｉ粉末を溶融含浸させる、請求項２又は３に記載の製造方法。
【請求項５】
含浸工程においてＳｉＣ粉末及びカーボン粉末を含浸させて、熱処理工程においてＳｉ粉末を溶融含浸させてカーボン粉末と反応焼結させる、請求項２又は３に記載の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法により製造された、高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料。
【請求項７】
室温で８０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することを特徴とする、請求項６に記載の高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ又はナノファイバーを用いることを特徴とする、熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法に関する。更に詳しくは、本発明は、カーボンナノチューブ又はナノファイバーをＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料のマトリクス中に均一に分散させることを特徴とする、熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法に関する。また、本発明は、上記の方法により製造された、高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料は、核融合炉の第一壁やエンジンタービン等の高温での環境下における使用が期待される材料である。そのため、材料の耐熱衝撃性を向上させることを目的として、材料の熱伝導率を向上させる必要性が存在する。従来、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料は、化学蒸気浸透法などの気相法やポリマー含浸法などの液相法により製造されてきた。これらの方法においては、材料中に同伴されるガスが抜けるための経路が必要となるために、製造される複合材料は大きな気孔率を有していた。そこで、反応焼結法（例えば、非特許文献１参照）やホットプレス法（例えば、非特許文献２参照）などのガスが抜けるための経路を必要としない方法を適用することにより、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の空孔率を減少させて、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の高熱伝導化が実現されてきた。しかしながら、このような方法では、室温での熱伝導率を３０〜４０Ｗ／ｍＫとするのが限界であった。そして、その後、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の更なる高熱伝導化を達成するため、高熱伝導率を有する高結晶性ＳｉＣ繊維を、使用環境下における熱流の進行方向に対して平行にＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料に入れ込むことにより、室温で７０Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率を有するＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料が得られている（例えば、非特許文献３参照）。
【０００３】
しかしながら、使用環境下における熱流の進行方向に対して平行にＳｉＣ繊維を入れ込むことにより、熱流の進行方向に対して垂直な面内のＳｉＣ繊維の体積含有率が低下し、これにより、得られるＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料に関して、熱流の進行方向に対して垂直な面内の機械的強度が低下してしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、複合材料の高熱伝導化と機械的強度の低下の防止とを達成するため、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の使用環境下における熱流の進行方向に対して垂直な面内のＳｉＣ繊維の体積含有率を殆ど低下させることなく、熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法を開発する必要性が存在する。
【非特許文献１】T. Taguchi, N. Igawa, R. Yamada and S. Jitsukawa, Journal of physics and chemistry of solids, 66, p.576-580 (2005)
【非特許文献２】S. Dong, Y. Katoh and A. Kohyama, Journal of American ceramic society, 86, 1, p.26-32 (2003)
【非特許文献３】R. Yamada, N. Igawa, T. Taguchi, J. Nucl. Mater., 329-333, p.497-501 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の使用環境下における熱流の進行方向に対して垂直な面内のＳｉＣ繊維の体積含有率を殆ど低下させることなく、熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記従来技術の課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究を行った結果、１μｍ以下の直径を有するカーボンナノチューブ又はナノファイバーを、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料のマトリクス中に均一に分散させることにより、その使用環境下における熱流の進行方向に対して垂直な面内のＳｉＣ繊維の体積含有率を殆ど低下させることなく、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の熱伝導率を向上させることが可能となることを発見し、本発明を完成させた。
【０００７】
本発明の第一は、熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法であり、カーボンナノチューブ又はナノファイバーをＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料のマトリクス中に均一に分散させることを特徴とする。
【０００８】
本発明の製造方法では、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の使用環境下における熱流の進行方向に対して垂直な面内のＳｉＣ繊維の体積含有率を殆ど低下させることなく、熱伝導率を向上させることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第二は、熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法は、ＳｉＣ繊維上にカーボンナノチューブ又はナノファイバーを均一に分散させるナノカーボン分散工程と、前記ナノカーボン分散工程により得られたＳｉＣ繊維をＳｉＣにより被覆するＳｉＣ被覆工程と、前記ＳｉＣ被覆工程により得られたＳｉＣ繊維にＳｉＣ粉末又はＳｉＣ粉末及びカーボン粉末の混合粉末を含むスラリーを含浸させる含浸工程と、前記含浸工程により得られたＳｉＣ繊維を乾燥させる乾燥工程と、前記乾燥工程により得られたＳｉＣ繊維をＳｉ粉末とともに熱処理に供する熱処理工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の製造方法では、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の使用環境下における熱流の進行方向に対して垂直な面内のＳｉＣ繊維の体積含有率を殆ど低下させることなく、熱伝導率を向上させることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の製造方法では、ＳｉＣ被覆工程が、化学蒸気浸透法により、原料としてメチルトリクロロシランを用いて行われることが好ましい。
また、本発明の製造方法の一の態様においては、含浸工程においてＳｉＣ粉末を含浸させて、熱処理工程においてＳｉ粉末を溶融含浸させることが好ましい。
【００１２】
更に、本発明の製造方法の他の態様においては、含浸工程においてＳｉＣ粉末及びカーボン粉末を含浸させて、熱処理工程においてＳｉ粉末を溶融含浸させてカーボン粉末と反応焼結させることが好ましい。
【００１３】
本発明の第三は、高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料であり、カーボンナノチューブ又はナノファイバーがＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料のマトリクス中に均一に分散していることを特徴とする。
【００１４】
本発明の高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料では、室温で約８０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の使用環境下における熱流の進行方向に対して垂直な面内のＳｉＣ繊維の体積含有率を殆ど低下させることなく、熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法が提供される。また、本発明によれば、室温で８０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する、高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法、及び高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の好適な実施形態について説明する。
【００１７】
まず、本発明の熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法の好適な実施形態について説明する。
本発明の熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法は、カーボンナノチューブ又はナノファイバーをＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料のマトリクス中に均一に分散させることを特徴とする。
【００１８】
本発明において使用することができるナノカーボンは、ナノスケールの寸法を有するカーボンナノチューブ又はカーボンナノファイバーである。カーボンナノチューブの断面形状は、同心円状であり、カーボンナノファイバーの断面形状は、同心円状、同心円錐状、平板状などであることができる。
【００１９】
本発明の一態様において、熱伝導率を向上させたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を製造するための方法は、ＳｉＣ繊維上にカーボンナノチューブ又はナノファイバーを均一に分散させるナノカーボン分散工程と、前記ナノカーボン分散工程により得られたＳｉＣ繊維をＳｉＣにより被覆するＳｉＣ被覆工程と、前記ＳｉＣ被覆工程により得られたＳｉＣ繊維にＳｉＣ粉末又はＳｉＣ粉末及びカーボン粉末の混合粉末を含むスラリーを含浸させる含浸工程と、前記含浸工程により得られたＳｉＣ繊維を乾燥させる乾燥工程と、前記乾燥工程により得られたＳｉＣ繊維をＳｉ粉末とともに熱処理に供する熱処理工程とを含むことを特徴とする。
【００２０】
本発明において使用することができるＳｉＣ繊維は、特に限定されないが、高強度材料を提供する目的のためには、シート状の２次元材料を使用することが好ましい。複合材料の強度は、一般的に繊維の方向に依存し、繊維の方向に沿った強度は高く、それに対して９０°傾いた方向の強度は低い。したがって、１次元材料では、一方向（例えばＸ軸方向）にのみ高強度を有し、その９０°方向（Ｙ軸方向）の強度は低くなる。一方、２次元材料では、一次元材料とその繊維方向において比較すると強度は低いが、繊維全体のＸ−Ｙ平面内の強度は高いことから好ましい。２次元材料を使用する場合、その繊維の織り方は特に限定されないが、例えば、平織又は朱子織のものを使用することができる。
【００２１】
ナノカーボン分散工程は、当業者に既知のいずれかの方法により行うことができる。例としては、カーボンナノチューブ又はナノファイバーをエタノール等の適する媒体中に分散させ、この分散液をＳｉＣ繊維上に塗布するか、あるいは、この分散液中でＳｉＣ繊維を浸漬被覆する方法などが挙げられる。
【００２２】
ＳｉＣ繊維として２次元材料を使用する場合には、ナノカーボン分散工程と、後述するＳｉＣ被覆工程との間に、ＳｉＣ繊維を所望の枚数積み重ねる積重工程を行ってもよい。ＳｉＣ繊維は、製造される複合材料の形態・寸法等に依存して、所望の枚数積み重ねることができる。
【００２３】
ＳｉＣ被覆工程は、化学蒸気浸透法により行う。被覆されるＳｉＣの原料は、熱分解によりＳｉＣを生成する物質であることを条件として特に限定されないが、例えば、メチルトリクロロシランやエチルトリクロロシランである。好ましくは、メチルトリクロロシランを使用する。
【００２４】
含浸工程は、当業者に既知のいずれかの方法により行うことができる。本発明の一の態様においては、ＳｉＣ粉末とカーボン粉末の混合粉末を使用することができる。混合粉末を使用する場合、その混合比は、得られる複合材料の熱伝導率の観点からは特に限定されず、当業者が適宜設定することができる。また、本発明の他の態様においては、ＳｉＣ粉末を単独で使用することができる。ＳｉＣ粉末を単独で使用すると、最終的にマトリクスに残るＳｉ相が多くなり、カーボン粉末を混合することによりＳｉ相が少なくなっていくが、カーボン粉末の混合量が多すぎると、Ｓｉ相だけでなく、カーボン相もマトリクスに残るようになる。使用することができるＳｉＣ粉末は、特に限定されないが、粒径の小さいものや不純物の少ないものが好ましい。使用することができるカーボン粉末は、特に限定されないが、粒径の小さいものや不純物の少ないものが好ましい。スラリー溶媒は、特に限定されないが、例えば、水又はエタノール等のアルコールを使用することができ、好ましくは水である。スラリー濃度は、特に限定されないが、例えば５０重量％である。
【００２５】
乾燥工程は、当業者に既知のいずれかの方法により行うことができる。例えば、１２０℃で１時間乾燥する。
熱処理工程においては、乾燥工程において乾燥させたＳｉＣ繊維上にＳｉ粉末を載置して熱処理に供する。熱処理は、当業者に既知のいずれかの方法により行うことができる。熱処理の条件は、特に限定されないが、真空中でＳｉ粉末が溶融する１４１０℃以上の高温であることを条件とする。使用することができるＳｉ粉末は、特に限定されないが、粒径の小さいものや不純物の少ないものが好ましい。ＳｉＣ繊維上に載置するＳｉ粉末の量は、特に限定されないが、例えば、乾燥工程において乾燥後のＳｉＣ繊維と同じ重量を載置することができる。本発明の一の態様においては、含浸工程においてＳｉＣ粉末を含浸させて、熱処理工程においてＳｉ粉末を溶融含浸させる。また、本発明の他の態様においては、含浸工程においてＳｉＣ粉末及びカーボン粉末を含浸させて、熱処理工程においてＳｉ粉末を溶融含浸させてカーボン粉末と反応焼結させる。熱処理工程後にＳｉＣ繊維に含浸されずに表面上に残存した過剰なＳｉ粉末は、例えば、研磨等により除去することができる。
【００２６】
次に、本発明の高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の好適な実施形態について説明する。
本発明の高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料は、カーボンナノチューブ又はナノファイバーがＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料のマトリクス中に均一に分散していることを特徴とする。これにより、使用環境下における熱流の進行方向に対して垂直な面内において、ＳｉＣ繊維の体積含有率は殆ど低下せず、したがって、機械的強度も殆ど低下しない。また、これにより、熱伝導率が向上され、その熱伝導率は室温で、約６０Ｗ／ｍＫ〜約１００Ｗ／ｍＫであり、好ましくは約８０Ｗ／ｍＫ以上である。このような高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料は、上記説明した本発明の製造方法により製造することができる。
【００２７】
本発明の高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の一例について、図１に基づいて説明する。図１は、高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の一例を示す模式図であり、（ａ）はＸＺ面断面図であり、（ｂ）はＸＹ面断面図である。図１の複合材料は、ＳｉＣ繊維シートを積み重ねて形成した平板の形態である。図中、１はＳｉＣ繊維の２次元（２Ｄ）材料であり、２はＳｉＣマトリクスである。ＸＹ面は、ＳｉＣ繊維の２次元平面であり、Ｚ方向はその厚さ方向である。図１（ａ）をみると、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料はＳｉＣ繊維が積み重ねられた構成であり、使用環境下においてその厚さ方向であるＺ方向に熱流が進行することが示されている。図１（ｂ）をみると、ＸＹ面内のＳｉＣマトリクス（２）中にＳｉＣ繊維（１）が［０°／９０°］の方向に存在している。ＳｉＣマトリクスには、使用環境下における熱流の進行方向であるＺ方向の熱伝導率を向上させるため、ナノカーボンが分散されている。このように、使用環境下における熱流の進行方向に対して垂直なＸＹ面内にＳｉＣ繊維を入れ込み、更に、ＳｉＣマトリクスにカーボンナノチューブ又はナノファイバーを分散させることにより、熱流の進行方向に対して垂直なＸＹ面内のＳｉＣ繊維の体積含有率が低下するという従来の問題点が解消される。
【００２８】
以下、本発明を、実施例及び図面を参照しながら更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例
（実施例）
ＳｉＣ繊維は、宇部興産製の２次元平織りＴｙｒａｎｎｏ（登録商標）ＳＡグレードのＳｉＣ繊維を使用した。カーボンナノファイバーは、昭和電工製の気相法炭素繊維 ＶＧＣＦ（登録商標）を用いた（平均直径１５０ｎｍ）。このカーボンナノファイバーをエタノール中に分散させ、適当な寸法に裁断した上記のＳｉＣ繊維シートをこの液中で浸漬被覆することにより、ＳｉＣ繊維上にカーボンナノファイバーを均一に分散させた。得られたカーボンナノファイバー分散ＳｉＣ繊維シートを８枚積み重ね、その表面にＳｉＣを被覆して繊維プリフォームを得た。ＳｉＣの被覆は、化学蒸気浸透法により、原料としてメチルトリクロロシラン、キャリアガスとして水素を用いて、温度１０００℃、蒸着時間２時間の条件下で行った。次いで、重量比１０：４としたＳｉＣ粉末及びカーボン粉末の混合粉末を、水を溶媒として均一に分散させて約５０重量％のスラリーを調製した。このスラリーを繊維プリフォームに含浸させ、大気中１２０℃で１時間乾燥して、グリーン体（前述の繊維プリフォームを含んだ粉末成型体）を得た。得られたグリーン体の上に適当量のＳｉ粉末を載置し、反応焼結法により、１４５０℃、真空中（１×１０−２Ｐａ）、保持時間１時間の条件で、熱処理に供してＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を得た。
【００２９】
（比較例）
ＳｉＣ繊維上にカーボンナノファイバーを分散させなかったことを除いては、実施例と同様に反応焼結法を行い、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を得た。
【００３０】
（複合材料の特性）
実施例及び比較例により製造されたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の密度、ＳｉＣ繊維体積含有率、及びカーボンナノファイバー体積含有率を表１に示す。ここで、含有率とは、ＳｉＣ繊維、ＳｉＣマトリクス、気孔及びカーボンナノファイバーを含む複合材料全体の体積を基準とした割合である。また、製造されたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の熱伝導率を比較して図２に示す。熱伝導率は、レーザーフラッシュ法を用いて、室温から１０００℃までの範囲で測定した。
【００３１】
【表１】
0004538607.tif 000002
【００３２】
表１をみると、本発明の実施例においてカーボンナノファイバーをＳｉＣ繊維上に分散させても、ＳｉＣ繊維体積含有率は低下しないことがわかる。図２をみると、本発明にしたがった複合材料は、室温で８０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の製造方法にしたがって製造されたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料は、室温で約８０Ｗ／ｍＫ以上という高い熱伝導率を有するため、従来法により製造されたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料に比べ、耐熱衝撃特性に優れていると考えられる。そのため、ガスタービンや核融合炉の第一壁といった高温構造材料への応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明にしたがった高熱伝導化ナノカーボン分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の一例を示す模式図であり、（ａ）はＸＺ面断面図であり、（ｂ）はＸＹ面断面図である。
【図２】図２は、本発明にしたがったカーボンナノファイバー分散ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料の熱伝導率を従来技術の複合材料と比較した図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  ２Ｄ ＳｉＣ繊維
２  ＳｉＣマトリクス
【図１】
0004538607.tif 000003
【図２】
0004538607.tif 000004