(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維もしくは炭素で被覆された繊維の補強材を含み、向上した耐酸化性を有する複合材料を製造する方法であって、化学気相浸透によって繊維の補強材の中にマトリックスを形成することを含み、マトリックスを、熱分解炭素、窒化ホウ素ＢＮ、およびホウ素をドープした炭素ＢＣから選択される少なくとも１つの材料から成る、クラックを偏向させる相対的に可撓性のある層と、炭化物、ケイ化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１つのセラミックス材料から成る、相対的に硬い層とを交互に形成して、少なくとも部分的に配列となるように形成し、：
相対的に可撓性のある層と相対的に硬いセラミックスの層とを含むマトリックスの各基本配列を、マトリックスが形成されるにつれてその厚みを増加させて、繊維の補強材の繊維上に最初に形成される基本配列については、０．２μｍ〜１μｍの範囲内にある値となり、最後に形成される基本配列については、少なくとも２μｍの値となるようにし、
配列したマトリックスにおいて、相対的に可撓性のある層の全体の厚さが、配列したマトリックスを形成する複数の層の全体の厚さの４〜２０％の範囲内にある値を有し、それにより、クラックの最初のネットワークを生じさせることなく、複合材料が製造されている間の複合材料の構成材料の異なる膨張を相対的に可撓性のある層が吸収できるようにする、
方法。
【請求項２】
基本配列において、配列の全厚み中、相対的に可撓性のある層の厚みで占められているパーセンテージＳが、繊維上に最初に形成された基本配列における最大値Ｓmaxから、最後に形成されたマトリックスの基本配列における最小値Ｓminに減少することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
Ｓmaxが１０％〜３５％の範囲内にある、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
Ｓminが３％〜２０％の範囲内にある、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
相対的に硬い層の少なくともいくつかが炭化ホウ素もしくは炭化ケイ素で形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
配列したマトリックスを構成する各層がパルスモードの化学気相浸透によって形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
炭素繊維もしくは炭素で被覆された繊維の補強材と、熱分解炭素、窒化ホウ素ＢＮ、およびホウ素をドープした炭素ＢＣから選択される少なくとも１つの材料から成る、クラックを偏向させる相対的に可撓性のある層と、炭化物、ケイ化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１つのセラミック材料から成る、相対的に硬い層とが交互に配置されている、少なくとも部分的に配列されているマトリックスを有する複合材料であって：
相対的に可撓性のある層と相対的に硬いセラミックスの層とを含むマトリックスの各基本配列が、繊維の補強材の繊維に最も近い基本配列についての０．２μｍ〜１μｍの範囲内にある値から、繊維の補強材の繊維から最も離れている基本配列についての２μｍの値まで、増加する厚さを有し、
配列したマトリックスにおける相対的に可撓性のある層の全体の厚さが、配列したマトリックスを形成する複数の層の全体の厚さの４〜２０％の範囲内にある値を有し、それにより、相対的に可撓性のある層が、クラックの最初のネットワークを生じさせることなく、複合材料が製造されている間の構成材料の異なる膨張を吸収できる、
複合材料。
【請求項８】
基本配列において、配列の全厚さに対する相対的に可撓性のある層の厚さで表されるパーセンテージＳが、繊維上に最初に形成された基本配列における最大値Ｓmaxから、最後に形成されたマトリックスの基本配列における最小値Ｓminに減少する請求項７に記載の複合材料。
【請求項９】
Ｓmaxが１０％〜３５％の範囲内にある請求項８に記載の複合材料。
【請求項１０】
Ｓminが３％〜２０％の範囲内にある請求項８または９に記載の複合材料。
【請求項１１】
相対的に硬い層の少なくともいくつかが炭化ホウ素もしくは炭化ケイ素から成る、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の複合材料。
【発明の詳細な説明】
本発明は炭素繊維もしくは炭素で被覆された繊維から成る補強材を有する熱構造的な複合材料（例えば高温にて使用できる複合材料）の酸化に対する耐性を向上させることを目的とする。
熱構造的な（thermostructural）複合材料は、炭素もしくはセラミックスのような耐火性材料から成る繊維でできた繊維「予備成形体（プリフォーム）」として知られている繊維補強材と繊維補強材の中に初めに存在するポア（小孔）を少なくとも一部において充填しているマトリックスとを含む材料である。この材料は、それが構造的な要素として使用されることを可能にするその機械的性質、および特にマトリックスがセラミックスから成る場合において高温でこれらの性質を維持し得る性能を有するがゆえに注目に値するものである。
一般に、この複合材料のセラミックスマトリックスにはクラック（亀裂）が生じる。複合材料が製造されるとき、特にマトリックスに熱応力が生じるような場合に、クラックの存在はすでに認められ得る。なぜならばそれは化学気相浸透（ＣＶＩ）、もしくは後の熱処理によってセラミックスに変換する液体の前駆体を用いた含浸によって得られるためである。複合材料が使用されている間に生じる熱機械的応力の影響下でこれらの初めのクラックは引き続き成長する。それにもかかわらずマトリックスのクラッキングによる複合材料損傷の影響は、繊維補強材が存在するために複合材料の完全無欠な状態に直接的に影響を及ぼすことがなく、その結果、材料の熱構造的な性質は確保されている。
熱構造的な複合材料は高温において大きな機械的応力に耐え得る性質が利用される様々な分野、特に航空、宇宙およびブレーキの分野における用途を提供している。使用時に通常これらの複合材料は、酸化されやすい外部環境、特に周辺大気に曝される。
補強繊維が酸化され得る材料、例えば炭素から成る場合、マトリックス内のクラックのネットワーク（網）、酸化環境および高温の組み合わせは繊維の破壊を必然的に招き、その結果複合材料の機械的性質が低下する。
同様の問題は、炭素が補強繊維としてではなくセラミックス繊維とセラミックスマトリックスとの間の相間材料として複合材料中に存在する場合にも生じる。このような熱分解炭素の相間材料を形成すること、および複合材料の機械的性質（もしくは挙動）を向上させるのにそれが有用であることは当業者の間では周知である。特に出願人の出願に係る文献ＥＰ−Ａ−０  １７２  ０８２を参照することができる。
炭素を含む複合材料の耐酸化性を向上させるために、表面被覆材を有する複合材料を提供することが提案されている。この表面被覆材は周囲媒体中の酸素に対するバリヤーを形成し、かつクラックが複合材料のマトリックス中もしくは被覆材そのものに生じたときにクラックを塞ぐことができるものである。このために、保護被覆材は少なくとも一の自己治癒層、一般には、ガラスを半固体状態にすることによってクラックがガラスの融点付近の温度で塞がれることを可能にするガラスの層を含む。
この解決策にはいくつかの欠点がある。第一に、自己治癒効果は限られた温度範囲においてのみ満足のいくように得られる。より低い温度ではガラスの粘度が非常に高く、一方、より高い温度ではその粘度があまりにも低くなり、自己治癒組成物は摩擦、剪断、もしくは爆風すなわちガスの強い流れに曝されることによって損傷を受けるおそれがある。
もう一つの公知の解決策は、順に配列されたマトリックスを形成することにある。このマトリックスは、剛性の大きな相対的に硬い層、特にセラミックス材料と、剪断力の作用下における剛性が小さい相対的に可撓性のある層、特にざらざらした薄膜タイプの熱分解炭素もしくは窒化ホウ素とを交互に配列した材料の層で形成されている。この解決策の一つは特に出願人の出願に係る文献ＥＰ−Ａ−０  ３８５  ８６９に記載されている。配列したマトリックスはクラックの伝播を複雑にする効果を奏し、その結果、材料中における酸素の拡散を遅くするという効果をもたらす。
このもう一つの解決策を用いた場合、炭素繊維もしくは炭素で被覆された繊維から成る補強材の酸化の速度は単に低下するだけである。硬い層の中に最初のクラックが生じることを避け得る方法はなく、材料が曝される熱機械的な応力次第でいつかはそのクラックが繊維にまで広がる。
本発明の目的は従来技術の方法の短所を改善することである。
より詳しくいえば、本発明の目的は、マトリックス中におけるクラック発生（クラッキング）が可能な限り阻止されるようにマトリックスを配列することによって、炭素繊維もしくは炭素で被覆された繊維の補強材を有するセラミックスマトリックスの熱構造的な複合材料の耐酸化性を改善することである。
この目的は、その層に達するクラックを偏向させ得る相対的に可撓性のある材料の層と相対的に硬いセラミックス材料の層とを交互に形成しながら、少なくとも部分的に繊維補強材内において化学気相浸透（ＣＶＩ）によってマトリックスを順に配列するタイプの方法によって達成される。この方法において：
・相対的に可撓性のある層と相対的に硬いセラミックス層とを含むマトリックスの各基本配列は、その厚みがマトリックスが生成されるにつれて補強繊維から次第に増加するように形成され、少なくとも繊維に最初に析出した基本マトリックス配列の全厚みが実質的に個々の繊維を被覆するのに十分に小さくなるように選択される；そして
・相対的に可撓性のある層は剪断方向および横断方向で弾性変形する能力を十分に有する一もしくは複数の異方性材料から成り、そしてマトリックスについては主にセラミックスの性質を維持しながら、相対的に可撓性のある基本層の厚みは、材料内にクラックの初めのネットワークを生じさせることなく、材料が形成されている間に材料の異なる膨張を基本層が吸収することができるほど十分に大きいものであるように選ばれる。
本発明の方法はマトリックスについて順に配列される性質を適当に選択することにより、主にセラミックスであるマトリックスを有するが、複合材料が製造されるときには最初のクラッキングを生じることがない熱構造的な複合材料を製造することが可能である点で優れている。
この結果は以下の事項を組み合わせることによって得られる。
・少なくとも最初の基本配列を、その厚みが繊維を実質的に個々に被覆することができるほど十分に小さくなるように、例えば好ましくは厚みが０．２μm〜１μmの範囲内にあるように形成する。繊維が同心状の層で被覆されるので、異なる膨張は、各繊維の周囲に同心状に位置する相対的に可撓性のある層が横断方向すなわち半径方向で弾性変形する能力によって繊維付近で吸収され、隣接する相対的に硬いセラミックス層にはクラックが生じない。更に、繊維が個々に被覆される結果、被覆された繊維は、初めの補強繊維の半径よりも明らかに大きな半径を有するようになるが、複合材料の中では被覆されていない補強繊維と同様に機械的な挙動を呈する。したがって、この繊維直径の増加は、より小さな直径の繊維で形成されたおよび／または繊維体積の割合がより小さな繊維補強体でもってスタートすることを可能にする。
・相対的に可撓性のある層は、剪断方向（ずれが生じる方向、すなわち横断方向に垂直な方向）および横断方向に弾性変形し得る性質、ならびに異方性を示す一もしくは複数の材料で形成される。そのような材料は、例えば、熱分解炭素、特にざらざらした薄膜タイプの熱分解炭素、窒化ホウ素、ホウ素をドープした炭素、および同様の性質を有し化学気相浸透（ＣＶＩ法）で形成することが可能なその他の材料から選ばれる。有利には、相対的に可撓性のある層の材料は、例えばガラスのように、酸化される条件で自己治癒性を有する物質を構成するのに適した材料から選択される。その結果、熱機械的な強い応力下で複合材料マトリックスにクラックが生じはじめたとき、相対的に可撓性のある層が有するクラックを偏向させる（もしくはそらせる）性質はクラックそのものを治癒する性質を伴っており、それにより周囲の媒体から酸素が繊維にまで浸透することをより一層効果的に妨害する；そして
・相対的に可撓性のある層は、マトリックスが全体として主にセラミックスの性質を維持することを確保しながら十分に厚くなるように選択され、相対的に可撓性のある層の全厚みが配列したマトリックスを形成する層の全厚みの、例えば約４％〜約２０％を占めるようにする。基本配列において、配列の全体の厚みと比較した相対的に可撓性のある層の厚みにより表されるパーセンテージＳは、繊維上に最初に形成された基本配列における最大値Ｓmaxから、最後に形成された基本マトリックス配列における最小値Ｓminへと減少してもよい。例えば、Ｓmaxの値は約１０％〜約３５％の範囲内にあってよく、一方Ｓminの値は例えば約３％〜約２０％の範囲内にあってよい。
複合材料のマトリックス中に初めのクラッキングがないことに加えて、ここで採用される特別な配列、とりわけ相対的に可撓性のある層の分配とその相対的な厚みは、複合材料が熱機械的応力に曝される場合に最初に観察される挙動が損傷をもたらさないという効果を奏し得る。このことは、所定の応力の閾値までは、変形が弾性線形的である材料を得ることが可能であることを意味する。閾値を超えると、複合材料の挙動がセラミックス層のクラックが漸次進展する状態に戻る、すなわち弾性線形の範囲から外れる。しかし、相対的に可撓性のある層がクラックを偏向させ、かつおそらくクラックを治癒し得る性質は、繊維もしくは繊維の被覆材を構成している炭素が直接酸素に曝されるおそれを更に防止する。
マトリックスの一部を形成する相対的に硬いセラミックス材料の層は、同じセラミックス材料もしくは複数の異なるセラミックス材料から成ってよい。セラミックス材料は、炭化物、ホウ化物およびケイ化物から選択することができ、例えば炭化ホウ素Ｂ13Ｃ2および炭化ケイ素ＳｉＣから選択することができる。
マトリックスの各層はパルスモードの化学気相浸透によって、すなわち基本析出物を析出するサイクルの連続によって形成されることが好ましい。それ自体知られているように、パルスモードの化学気相浸透は、形成される析出物の微細構造を精密に制御することを可能にする。
本発明の特定の実施について例示により以下に詳しく説明する。添付した図面を参照する。その図面において、
・図１は走査電子顕微鏡によって得た写真であり、本発明の方法によって配列させたマトリックスで緻密化した炭素繊維の束を示している。
・図２Ａおよび２Ｂは常温下における引張曲線であり、従来技術のモノリス状（単一の）マトリックスを有する複合材料および本発明の配列したマトリックスを有する複合材料について、それぞれ測定された変形量と加えられた引張応力（もしくは荷重）との間の破断に到るまでの関係を示している；
・図３Ａおよび３Ｂは、従来技術のモノリス状の複合材料および本発明の配列したマトリックス複合材料について、それぞれ高温下で引っ張られたときの挙動（引張挙動）を示す曲線である；そして
・図４は、空気中で高温にてエージングされた後の、本発明の配列したマトリックス複合材料の引張挙動を示す曲線を表している。
以下に記載する本発明の方法の実施例において、使用した繊維補強材は、日本の会社である東レから販売されている「Ｔ３００」タイプの炭素繊維のロービングで構成されている。ロービングの各ピースは約３０００本の基本繊維を有している。
繊維補強材は、二種の連続した配列ＢＣ／Ｂ13Ｃ2およびＢＣ／ＳｉＣを繰り返すことによって形成されるマトリックスで緻密化される。すなわち、
・ホウ素がドープされた炭素ＢＣから成る相対的に可撓性である層を形成すること；および
・Ｂ13Ｃ2タイプの菱面体晶系炭化ホウ素から成る相対的に硬い層を形成すること；
を含む第１シーケンス、その後の、
・ホウ素がドープされた炭素ＢＣから成る相対的に可撓性である層を形成すること；および
・炭化ケイ素ＳｉＣから成る相対的に硬い層を形成すること
を含む第２シーケンスにより緻密化される。
各配列の各層はパルスモードの化学気相浸透（ＣＶＩ法）によって形成される。このために、繊維補強材は、予め決められた温度および圧力条件が設定されている容器の中に配置される。所望の析出物を与える量の反応ガスがその容器の中に導入され、予め決められた長さの時間中その中に滞留する。その後ガスは容器から抜かれ、新しいガスが導入される。容器中へガスを導入すること、容器内にガスを滞留させておくこと、および容器からガスを抜き取ることを含むサイクルは、析出物が所望の厚みになるために必要な回数繰り返される。
ホウ素をドープした炭素の層を形成するために、使用される反応ガスは三塩化ホウ素ＢＣｌ3、プロパンＣ3Ｈ8、および水素ガスＨ2の混合物を含む。パルスモード浸透条件は以下の通りであった。
Ｔ＝９００℃
Ｐ＝３ｋPa
α（ＢＣｌ3）＝１６．６
α（Ｃ3Ｈ8）＝３．６
Ｄp＝５ｓ
ＫD≒０．３nm
この中で：
Ｔは浸透容器の中の温度である；
Ｐは浸透容器の中の全圧力である；
α（ＢＣｌ3）はＢＣｌ3に対するＨ2の流量の比である；
α（Ｃ3Ｈ8）はＣ3Ｈ8に対するＨ2の流量の比である；
Ｄpはガスが各サイクルで滞留している時間の長さである；
ＫDは各サイクルの間に形成される基本析出物の厚みである。
この条件のもとで得られる析出物の特性を表すために、サンプルの繊維上に比較的厚い層を形成した。光学顕微鏡観察により、平滑な薄膜タイプの構造に相当する析出物の異方性が認められた。この構造は、層に対して横断方向および剪断方向で弾性変形する性質のために、クラックを偏向させ得る能力および相対的に可撓性のある性質を層に与える。Ｘ線マイクロプローブを用いて測定したところ、析出物の化学的組成はホウ素が１２原子％、炭素が８８原子％であった。
炭化ホウ素の層を形成するために、反応種として三塩化ホウ素ＢＣｌ3、水素ガスＨ2、およびメタンＣＨ4を含む反応ガスを用いた。パルスモード浸透条件は以下の通りであった。
Ｔ＝９００℃
Ｐ＝５．５ｋPa
α（ＢＣｌ3）＝３．７
α（ＣＨ4）＝１３
Ｄp＝２ｓ
ＫD≒０．３nm
サンプルの繊維上に比較的厚い層で形成された析出物のキャラクタリゼーションによれば、実際には菱面体晶系のＢ13Ｃ2に近似した組成を示していた。しかしながら、Ｘ線回折スペクトルは非晶性（アモルファス）の析出物を示していた。
炭化ケイ素の層を形成するために、反応種としてメチルトリクロロシラン（ＭＴＳ）および水素ガスＨ2を含む反応ガスを用いた。パルスモード浸透条件は以下の通りであった。
Ｔ＝９００℃
Ｐ＝３ｋPa
α（ＭＴＳ）＝６
Ｄp＝２ｓ
ＫD≒１nm
サンプルに形成された析出物の形態学的分析は表面が平滑であることを示していた。Ｘ線マイクロプローブ分析の結果、組成は炭素が５２原子％、ケイ素が４８原子％であった。Ｘ線回折スペクトルは結晶化の程度がわずかであることを示していた。
実施例１
長さ１５０mmの繊維補強ロービングを、上述した条件の下でＢＣ／Ｂ13Ｃ2／ＢＣ／ＳｉＣの組の配列を繰り返すことによって構成されたマトリックスで緻密化した。最初のロービングにおける繊維の体積割合は２４％（繊維によって実際に占有されているロービングの見かけの体積のパーセンテージ）であった。
第一および第二の二重配列は、それぞれＢＣ層（各々）が０．１μm厚、Ｂ13Ｃ2層が０．４μm厚、およびＳｉＣ層が０．４μm厚であって、全体の厚みが各二重配列につき１μmとなるように形成した。
第三の二重配列は、ＢＣから成る偏向層（各々）が０．２μm厚、Ｂ13Ｃ2層が２μm厚、およびＳｉＣ層が２μm厚であって、全体の厚みが４．４μmとなるように形成した。
最後に、第四の二重配列は、ＢＣから成る偏向層（各々）が０．２μm厚、Ｂ13Ｃ2層が３μm厚、およびＳｉＣ層が３μm厚であって、全体の厚みが６．４μmとなるように形成した。
従って、このようにして得た複合材料において、ＢＣから成る相対的に可撓性のある層の厚みは合わせて１．２μmとなった。
図１は配列したマトリックスで緻密化させた材料の断面の走査電子顕微鏡写真である。炭素繊維は繊維同士が接触している領域を除いて、最初の第一と第二の配列を析出させている間に形成された層で個々に被覆されている。これらの層は繊維の周囲に同心円状に析出している。第三の浸透シーケンスの間に形成された層は繊維のグループを被覆し、一方、第四の浸透シーケンスの間に形成された層は実際に繊維のロービング全体を取り巻いている。顕微鏡による観察から、マトリックス中に最初のクラッキングがないことが明らかに認められた。
最初の引張試験は配列したマトリックスで緻密化したロービングについて常温で実施した。図２ＡにおけるカーブＢは、測定された相対的な伸び（％）を、約４６０ＭPaでロービングが破断するまで作用させた引張力の関数として示している。
第二の引張試験は空気中で７００℃にて実施した。試験は、試験が実施されている間、ロービングを酸化から保護するためにＰ2Ｏ5タイプのガラスで構成された外側被覆を形成した後に実施した。図３ＡにおけるカーブＢは伸長−弛緩サイクルを複数回繰り返したときの伸びと応力の関係を示すものである。
第三の引張試験は空気中で７０時間、７００℃にてエージングした後に実施した。ここでは、緻密化されたロービングにＰ2Ｏ5の被覆を追加しなかった。複数回の伸長−弛緩サイクルの間の、そして破断に至るまでの機械的な引張挙動は図４のカーブで示される。
最後に、配列したマトリックスで緻密化し、それぞれ２３０ＭPaおよび３５０ＭPaの静的引張応力に付した２本のロービングについて、空気中で７００℃にてエージング試験を実施した。これらの試験は、２３０ＭPaで７０時間もしくは３５０ＭPaで１９１時間エージングさせた後、複合材料が破断するという結果をもたらすものではなかった。複合材料の表面を観察したところ、酸化ホウ素と考えられる相によって治癒された複数のクラックが認められた。７０時間のエージングの後、複合材料の長手方向の断面を光学顕微鏡で観察したところ、ロービングの内部ではクラックキングは全く認められなかった。このことは、表面で観察されたクラックが繊維の表面に達していなかったことを意味する。従って、この程度の応力の下では、炭素繊維は酸化雰囲気から完全に保護されていた。
実施例２
ＢＣから成る相対的に可撓性のある層の厚みを半分にし、その全厚みを０．６μmとなるようにしたこと以外は実施例１と同様の方法により、配列したマトリックスで炭素繊維ロービングを緻密化した。顕微鏡で調べたところ、この方法で製造された複合材料はそのマトリックス中に最初のクラッキングのネットワークを全く有していなかった。
図２ＡにおけるカーブＡは、配列したマトリックスによりこの方法で緻密化したロービングについて、それが破断するまで実施した常温下での引張試験の間に作用させた力と相対的な伸びとの関係を示している。
実施例３
ＢＣから成る相対的に可撓性のある層の厚みを二倍にし、その全厚みを２．４μmとなるようにしたこと以外は実施例１と同様の方法により、配列したマトリックスで炭素繊維ロービングを緻密化した。顕微鏡で観察したところ、この方法で製造した複合材料はそのマトリックス中に最初のクラッキングのネットワークを全く有していなかった。
図２ＡにおけるカーブＣは、配列したマトリックスでこの方法により緻密化したロービングについてそれが破断するまで実施された常温下での引張試験の間に作用させた力と相対的な伸びとの関係を示している。
比較例１
比較のために、実施例１で使用したものと同じ種類の繊維ロービングを用い、繊維上にざらざらした薄膜タイプの熱分解炭素の相間被覆物を形成した後に、ロービングを炭化ケイ素のモノリス状マトリックスで緻密化した。
相間熱分解炭素は、前駆体ガスとしてメタンＣ3Ｈ8を使用してパルスモードの化学気相浸透で形成した。浸透条件は以下のとおりであった。
Ｔ＝９５０℃
Ｐ＝３ｋPa
Ｄp＝５ｓ
ＫD≒０．５nm
サイクルの回数は相間被覆物の厚みが２．４μmとなるように選択した。
炭化ケイ素マトリックスは、反応種としてメチルトリクロロシラン（ＭＴＳ）および水素Ｈ2を含むガスを用いてパルスモードの化学気相浸透により形成した。浸透条件は以下のとおりであった。
Ｔ＝９５０℃
Ｐ＝３ｋPa
α（ＭＴＳ）＝６
Ｄp＝２ｓ
ＫD≒１．５nm
常温における最初の引張試験はＳｉＣマトリックスで緻密化されたロービングについて実施した。図２ＢにおけるカーブＤは、測定された相対的な伸びを、約４０５ＭPaで試料が破断するまで作用させた引張力の関数として示したものである。
第二の引張試験は空気中で７００℃にて実施した。試験は、試験が実施されている間、酸化から保護するためにＰ2Ｏ5タイプのガラスで構成された外側被覆を形成した後に実施した。図３ＢにおけるカーブＤは伸長−弛緩サイクルを複数回繰り返したときの伸びと応力の関係を示すものである。
最後に二種のエージング試験を空気中で７００℃にて実施した。試験は、ＳｉＣマトリックスで緻密化した、Ｐ2Ｏ5の追加被覆を有していないロービングであって、それぞれ１２５ＭPaおよび２５０ＭPaの静的引張応力に付した状態の２本のロービングについて実施した。１２５ＭPaの応力下にあるものについては５時間、および２５０ＭPaの応力下にあるものについて１時間経過したときに破断が生じた。これより、比較例の複合材料の寿命は、実施例１の複合材料の表面にはクラックが生じているにもかかわらず、実施例１の配列したマトリックスの複合材料の寿命よりもかなり短いことが判る。寿命の違いは、配列されていないＳｉＣマトリックス材料においてクラックの最初のネットワークが機械的な応力によって一層ひどくなり、繊維へ至る直接的な経路を大気中の酸素に急速に与えたことから生じる。
実施例、ならびに図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂおよび４に示す結果に関する考察
図２Ｂは、配列されていないＳｉＣマトリックスの複合材料が、それに機械的な応力が加えられた当初から非線形的な挙動をとることを示している。そしてこのことはマトリックスおよび相間材料を損傷するメカニズムと関連しており、そのメカニズムは材料の製造過程の最初から起きている。しかしながら、図２Ａは、ＢＣクラック偏向層を有する配列したマトリックス複合材料が最初のうちは線形的な挙動をとることを示している。非線形性の開始に対応する応力はＢＣ層の全厚みが減少するにつれて大きくなる。しかしながら、破断は全厚みが１．２μmのものについてより生じにくくなっている。ＢＣ層の最適な全厚みは０．６μm〜２．４μmの範囲の間にあること、すなわち相対的に可撓性のある層の全厚みは析出した配列の全厚みの約４％〜約２０％の範囲にあることと考えられる。
図３Ｂは、抗酸化外部層を有する場合、配列していないＳｉＣマトリックス複合材料について、その破壊段階が、高温下では低温下よりも高い応力レベルに達することを示している。しかしながら、配列したマトリックスの複合材料の高温下での挙動はその低温下での挙動とは殆ど異ならない：最初は線形であり、それから破壊する。しかしながら、破壊段階の程度ははるかに大きい。破壊時に達する応力および伸びのレベルはかなり高く、それぞれ約８００ＭPaおよび１％である。破壊時における応力は緻密化されていない繊維ロービングのそれに近似していると認められる場合がある。
最後に、図４は、空気中でエージングした後の引張挙動が、配列したマトリックスの複合材料に関して常温または高温で観察された挙動と同じタイプのものであることを示している。しかしながら、破壊時における変形はエージングすることなく常温で実施した引張試験の間に生じた変形よりも大きいものである。
本発明に従って製造した複合材料の優れた特性は、製造過程において生じる最初のクラッキングのネットワークが存在しないことにある。
この現象に関して信頼性のある科学的説明をすることはできないが、マトリックスを順に配列することによる特定の性質がこの結果を得ることに寄与していると出願人は考える。
第一に、相対的に可撓性のある層と相対的に硬い層を含む少なくとも一のマトリックス配列によって繊維補強材の各繊維を一本ずつもしくは実質的に一本ずつ被覆していることが、硬い層にクラックを生じさせることなく異なる膨張の吸収を可能にすることに寄与していると考えられる。従って、第一の析出した配列もしくは第一の析出した配列の各々の厚みは相対的に小さいものでなければならず、そして繊維補強材における繊維の体積割合、すなわち繊維によって実際に占有されている補強材の見かけの体積の割合を考慮しなければならない。一般に、この厚みは好ましくは１μmよりも小さくなるように選択される。原子から成る一層もしくは数層を除いて絶対的な下限値はないが、実際には配列の数のむだな増加を避けるために、最小値を例えば約０．２μm、より好ましくは約０．４５μmとしてもよい。また、繊維を個々に被覆することが、厚みが増加した補強材要素を形成することになることも理解されよう。従って、補強材の所望の機械的特性および所望の繊維体積割合に到達するために必要とされる繊維の直径よりも小さな直径を有する繊維を出発原料として使用することが可能である。
繊維を被覆する配列の後に形成されるマトリックスの配列の厚みは、マトリックスの配列が繊維のグループ、それから繊維の束を順に被覆するように、連続的にあるいは段階的に増加する。この厚みの増加、それは可撓性のある層よりもむしろ硬い層について目立つものであってよいが、それは、マトリックスが複合材料の構成材料間の異なる膨張を吸収する全体としての能力には影響を及ぼさないが、配列の数がむだに増加することを避けるものである。配列の数の増加は複合材料を製造する際に必要とされる時間と費用が相当増加することに繋がる。相対的に硬いセラミックス層の厚みを顕著に増加させるようにして配列の厚みを漸次増加させることはまた、マトリックスがその本来のセラミックス特性を維持することを確保することをも可能にする。したがって、連続的に形成される配列の厚みは約０．２μm〜１μmの範囲にある値から２μmを越える値まで増加し得、一方、連続的な配列において、一の配列全体の厚みと比較した相対的に可撓性のある一の層の厚みで与えられるパーセンテージＳは、約１０％〜約３５％の範囲内にある値から約３％〜約２０％の範囲内にある値まで減少し得る。
上述した実施例は、その異方性、ならびに剪断方向および横断方向に弾性変形し得る性質のために、ホウ素をドープした炭素ＢＣが相対的に可撓性のある層を形成するのに適していることを示している。ホウ素をドープした炭素であるＢＣはまた、酸化に対する耐性がより優れているという利点をも有する。しかし、他の材料、それらは必ずしも自己治癒性を有するものではないが、それらもまた適当なものである。例えば、熱分解炭素、特にざらざらした薄膜タイプの熱分解炭素、および窒化ホウ素ＢＮである。
相対的に硬い層は、化学気相浸透によって析出可能なセラミックス材料、例えば、カーバイド、ホウ化物、ケイ化物、もしくはクラックが生じたときにそれらが治癒されることを可能にする能力を有する他のセラミックスで形成される。
マトリックス中の様々な配列の中の相対的に可撓性のある層は、実施例１〜３のようにすべて同じ材料で形成してもよく、あるいは異なる材料を選択してもよく、その場合、連続的な配列の中で交互になるように適宜配置してよい。
同様に、相対的に硬い層はすべて同じ材料で形成してもよく、あるいは実施例１〜３のように異なる材料を選択してもよく、その場合、連続的な配列の中で交互になるように適宜配置してよい。
【図１】
0004191247.tif 000002
【図２Ａ】
0004191247.tif 000003
【図２Ｂ】
0004191247.tif 000004
【図３Ａ】
0004191247.tif 000005
【図３Ｂ】
0004191247.tif 000006
【図４】
0004191247.tif 000007