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JP2016188439A - Crystalline silicon carbide ceramic fiber and method for producing the same - Google Patents

Crystalline silicon carbide ceramic fiber and method for producing the same Download PDF

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JP2016188439A
JP2016188439A JP2015067822A JP2015067822A JP2016188439A JP 2016188439 A JP2016188439 A JP 2016188439A JP 2015067822 A JP2015067822 A JP 2015067822A JP 2015067822 A JP2015067822 A JP 2015067822A JP 2016188439 A JP2016188439 A JP 2016188439A
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silicon carbide
crystalline silicon
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ceramic fiber
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Japanese (ja)
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浩 小田
Hiroshi Oda
浩 小田
格 松永
Kaku Matsunaga
格 松永
石川 敏弘
Toshihiro Ishikawa
敏弘 石川
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Ube Corp
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Ube Industries Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stable crystalline silicon carbide-based ceramic fiber having reduced residue C on a fiber cross surface and excellent heat resistance and physical property and a manufacturing method therefor, further a ceramic-based composite material excellent in oxidation resistance at high temperature, reinforced by the crystalline silicon carbide-based ceramic fiber.SOLUTION: There is provided a crystalline silicon carbide-based ceramic fiber having density of 2.7 to 3.2 g/cmand consisting of Si:50 to 70 wt.%, C:28 to 45 wt.%, Al:0 .05 to 3.8 wt.%, O:0.05 to 1.5 wt.% and B:0 .05 to 0.5 wt.% and having a sintered structure of SiC with excess C occupancy shown by area percentage of excess C on a fiber cross surface of 0.05% to 10%.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、高温・酸化雰囲気でも安定な結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維及びその製造方法に関する。また、本発明は、前記結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維で強化された、高温での耐酸化性が優れたセラミックス基複合材料に関する。   The present invention relates to a crystalline silicon carbide ceramic fiber that is stable even in a high temperature / oxidizing atmosphere and a method for producing the same. The present invention also relates to a ceramic matrix composite material that is reinforced with the crystalline silicon carbide-based ceramic fiber and has excellent oxidation resistance at high temperatures.

セラミックス繊維で強化されたセラミックス基複合材料は金属にはない優れた耐熱性と従来の単相のセラミックスにはない損傷許容性から次世代の耐熱材料として開発が進められている。この中でも炭化ケイ素を炭化ケイ素系セラミックス繊維で強化した複合材料(以後SiC/SiC複合材料と記す)は特に注目されている。   Ceramic matrix composites reinforced with ceramic fibers are being developed as next-generation heat-resistant materials because of their excellent heat resistance not found in metals and damage tolerance not found in conventional single-phase ceramics. Among these, a composite material (hereinafter referred to as SiC / SiC composite material) in which silicon carbide is reinforced with silicon carbide-based ceramic fibers is attracting particular attention.

このSiC/SiC複合材料は、強化繊維とマトリックスとの界面の結合を界面層により制御し、材料の破壊時に亀裂がこの界面で偏向し、繊維がプルアウトしながら破壊が進行し、大きな破壊エネルギーを示すことが大きな特徴である。この界面層としては主に炭素Cが用いられていたが、近年では、この炭素界面に替わり、より耐熱性の高い窒化ホウ素BNや酸化物を界面に適応する研究が盛んに行われている。   In this SiC / SiC composite material, the bonding of the interface between the reinforcing fiber and the matrix is controlled by the interface layer, cracks are deflected at this interface when the material breaks, and the breakage progresses while the fiber pulls out, resulting in a large breaking energy. It is a big feature to show. As the interface layer, carbon C is mainly used. However, in recent years, in place of the carbon interface, research for adapting boron nitride BN or oxide having higher heat resistance to the interface has been actively conducted.

一方、強化繊維の炭化ケイ素系セラミックス繊維としては従来のアモルファス構造の繊維から耐熱性等を改良した結晶質の炭化ケイ素セラミックス繊維が開発されている(例えば、特許文献1参照) 。   On the other hand, crystalline silicon carbide ceramic fibers having improved heat resistance and the like from conventional amorphous structure fibers have been developed as silicon carbide ceramic fibers of reinforcing fibers (see, for example, Patent Document 1).

この結晶質の炭化ケイ素系セラミックス繊維は、アモルファス構造の繊維を厳密に雰囲気制御された状況下で高温加熱処理して合成される。従来の炭化ケイ素系セラミックス繊維は、繊維断面を走査型顕微鏡で観察すると、炭化ケイ素の化学量論比に対して余剰のCが残存していることが指摘されている(非特許文献1、2、3参照)。これによれば、炭化ケイ素系セラミックス繊維中には炭化ケイ素微結晶の粒界に化学量論的組成以上の余剰Cが残存している。   This crystalline silicon carbide ceramic fiber is synthesized by heat-treating an amorphous structure fiber under high temperature conditions under strictly controlled atmosphere. Conventional silicon carbide-based ceramic fibers have been pointed out that surplus C remains with respect to the stoichiometric ratio of silicon carbide when the cross section of the fiber is observed with a scanning microscope (Non-Patent Documents 1 and 2). 3). According to this, the surplus C more than stoichiometric composition remains in the grain boundary of silicon carbide microcrystals in the silicon carbide ceramic fiber.

特開平11−036142号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-036142 T.Ishikawa/ Adv Poly Sci (2005) 178: 109−144T.A. Ishikawa / Adv Poly Sci (2005) 178: 109-144 L.Silvestroni et al./ Materials and Design 65 (2015) 1253-1263L. Silvestroni et al. / Materials and Design 65 (2015) 1253-1263 Cedric Sauder and Jacques Lamon / J.Am.Ceram.Soc.,90[4]1146-1156(2007)Cedric Sauder and Jacques Lamon / J. Am. Ceram. Soc. , 90 [4] 1146-1156 (2007)

しかしながら、従来の炭化ケイ素セラミックス繊維は、用途によっては、耐熱性や力学的特性が十分ではなく、更なる改良が望まれる。本発明は、上記問題点を解決し、繊維内部に残存する余剰Cが低減された、優れた耐熱性及び力学的特性を有している安定な結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維と、その製造方法、さらにこの炭化ケイ素系セラミックス繊維で強化された、高温での耐酸化性が優れたセラミックス基複合材料を提供することを目的とする。   However, conventional silicon carbide ceramic fibers have insufficient heat resistance and mechanical properties depending on applications, and further improvement is desired. The present invention provides a stable crystalline silicon carbide ceramic fiber having excellent heat resistance and mechanical properties in which excess C remaining in the fiber is reduced, and a method for producing the same. Another object of the present invention is to provide a ceramic matrix composite material reinforced with the silicon carbide ceramic fiber and having excellent oxidation resistance at high temperatures.

本発明は、密度が2.7〜3.2g/cmであり、Si:50〜70重量%、C:28〜45重量%、Al:0.05〜3.8重量%、O:0.05〜1.5重量%、及びB:0.05〜0.5重量%からなり、SiCの焼結構造を有する結晶性炭化ケイ素系繊維であって、繊維断面における余剰Cの面積割合で示す余剰C占有率が0.05%〜10%である結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維に関するものである。 The present invention has a density of 2.7 to 3.2 g / cm 3 , Si: 50 to 70 wt%, C: 28 to 45 wt%, Al: 0.05 to 3.8 wt%, O: 0 A crystalline silicon carbide fiber having a sintered structure of SiC consisting of 0.05 to 1.5% by weight and B: 0.05 to 0.5% by weight, with an area ratio of surplus C in the fiber cross section The present invention relates to a crystalline silicon carbide ceramic fiber having a surplus C occupation ratio of 0.05% to 10%.

また、本発明は、Al:0.05〜3.8重量%、B:0.05〜0.5重量%を含有する非晶質の炭化ケイ素繊維を、予め大気中1000℃〜1400℃の範囲で熱処理することにより繊維表面に酸化層を形成した後、不活性雰囲気中1600〜2100℃の範囲内の温度で、加熱処理することを特徴とする前記結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の製造方法に関するものである。   Further, the present invention provides an amorphous silicon carbide fiber containing Al: 0.05 to 3.8% by weight and B: 0.05 to 0.5% by weight in advance in the atmosphere at 1000 ° C to 1400 ° C. An oxide layer is formed on the fiber surface by heat treatment in a range, and then heat treatment is performed at a temperature in the range of 1600 to 2100 ° C. in an inert atmosphere. It is about.

さらに、本発明は、上記結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維を強化繊維とし、セラミックスをマトリックスとするセラミックス基複合材料に関するものである。   Furthermore, the present invention relates to a ceramic matrix composite material using the crystalline silicon carbide ceramic fiber as a reinforcing fiber and a ceramic as a matrix.

本発明は、繊維中に存在する余剰Cが低減されており、優れた耐熱性及び力学的特性を有している安定な炭化ケイ素系セラミックス繊維及びその製造方法を提供する。この繊維でセラミックスを強化することにより、高温での耐熱性及び力学的特性が優れたセラミックス基複合材料が提供できる。   The present invention provides a stable silicon carbide ceramic fiber having a reduced excess C existing in the fiber and having excellent heat resistance and mechanical properties, and a method for producing the same. By reinforcing the ceramics with this fiber, a ceramic matrix composite having excellent heat resistance and mechanical properties at high temperatures can be provided.

実施例1で得られた繊維断面のSEM写真である。2 is a SEM photograph of a fiber cross section obtained in Example 1. 実施例2で得られた繊維断面のSEM写真である。3 is a SEM photograph of a fiber cross section obtained in Example 2. 実施例3で得られた繊維断面のSEM写真である。4 is a SEM photograph of a fiber cross section obtained in Example 3. 比較例1で得られた繊維断面のSEM写真である。4 is a SEM photograph of a fiber cross section obtained in Comparative Example 1.

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維は、密度が2.7〜3.2g/cmであり、重量割合で、Si:50〜70重量%、C:28〜45重量%、O:0.05〜1.5重量%、Al:0.05〜3.8重量%、好ましくは、0.13〜1.25重量%、及びB:0.05〜0.5重量%、好ましくは、0.06〜0.19重量%からなり、これらの合計が100重量%であり、SiCの焼結構造を有する結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維であって、繊維断面における余剰Cの面積割合で定義される余剰C占有率が0.05%〜10%である。本発明の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維は、微細なSiC結晶粒からなる緻密なSiC多結晶構造を有し、構成するSiC結晶粒同士は強固に結合しており粒内破壊挙動を示す焼結構造をとっている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The crystalline silicon carbide-based ceramic fiber of the present invention has a density of 2.7 to 3.2 g / cm 3 , and by weight ratio, Si: 50 to 70 wt%, C: 28 to 45 wt%, O: 0 0.05 to 1.5 wt%, Al: 0.05 to 3.8 wt%, preferably 0.13 to 1.25 wt%, and B: 0.05 to 0.5 wt%, preferably It consists of 0.06 to 0.19% by weight, and the total of these is 100% by weight, and is a crystalline silicon carbide ceramic fiber having a sintered structure of SiC, defined by the area ratio of surplus C in the fiber cross section The surplus C occupancy is 0.05% to 10%. The crystalline silicon carbide-based ceramic fiber of the present invention has a dense SiC polycrystalline structure composed of fine SiC crystal grains, and the composed SiC crystal grains are firmly bonded to each other and exhibit a intragranular fracture behavior. I am making.

通常、特許文献1に記載されている結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維は、余剰のCと酸素を含有した有機ケイ素ポリマーから得られたポリマー繊維を不活性雰囲気中1600〜2100℃の範囲内の温度で加熱処理する過程で、COガスの脱離が定量的に進行して繊維中のSiとCがSiC結晶の化学量論的組成に近づき、次いでSiC微粒子の焼結が繊維内部で進行しているが、COガスの脱離を厳密に制御することがなかったため、繊維内部に余剰Cが残存していた。なお、余剰Cとは、繊維中に含有されるSiに対してSiCとして存在し得る化学量論的組成量を超えて存在する炭素を意味する。炭化ケイ素微結晶の粒界に化学量論的組成以上の余剰Cが残存しているが、本発明の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維は、繊維中、すなわち炭化ケイ素微結晶の粒界に存在する余剰Cが効果的に低減されており、緻密な微細組織となっている。また、この余剰Cは、結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の断面を走査型電子顕微鏡で反射電子像を観察すると、炭化ケイ素の結晶粒界に組成を反映した形で、黒色で観察される。余剰でないCはSiC結晶の形で繊維内に存在しているため、反射電子像では余剰Cよりも明るい色で観察される。ここで算出した余剰Cの面積割合とは、結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の断面を走査型電子顕微鏡で観察した時の、断面積に占める余剰Cの面積割合を表した値とし、これを余剰C占有率と定義する。余剰Cの面積は、反射電子像において黒色で観察された部分を、画像解析ソフトにより数値化により算出される。   Usually, the crystalline silicon carbide-based ceramic fiber described in Patent Document 1 is a polymer fiber obtained from an organosilicon polymer containing excess C and oxygen at a temperature in the range of 1600 to 2100 ° C. in an inert atmosphere. In the process of heat treatment, the desorption of CO gas proceeds quantitatively, Si and C in the fiber approach the stoichiometric composition of the SiC crystal, and then sintering of the SiC fine particles proceeds inside the fiber. However, since the desorption of CO gas was not strictly controlled, surplus C remained inside the fiber. In addition, surplus C means the carbon which exists exceeding the stoichiometric composition amount which can exist as SiC with respect to Si contained in a fiber. Although excess C exceeding the stoichiometric composition remains at the grain boundaries of the silicon carbide microcrystals, the crystalline silicon carbide ceramic fiber of the present invention exists in the fibers, that is, at the grain boundaries of the silicon carbide microcrystals. Surplus C is effectively reduced, and a dense microstructure is obtained. Further, when the cross section of the crystalline silicon carbide-based ceramic fiber is observed with a scanning electron microscope, the surplus C is observed in black in a form reflecting the composition on the crystal grain boundary of silicon carbide. Since non-excess C exists in the fiber in the form of SiC crystals, the reflected electron image is observed in a brighter color than the excess C. The area ratio of surplus C calculated here is a value representing the area ratio of surplus C in the cross-sectional area when the cross section of the crystalline silicon carbide based ceramic fiber is observed with a scanning electron microscope. C occupancy is defined. The area of surplus C is calculated by digitizing the portion observed in black in the reflected electron image by image analysis software.

本発明の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維は、前記の余剰Cが少ないことを特徴としており、繊維断面における余剰C占有率が0.05%〜10%であることによって、繊維を構成する微細なSiC結晶粒同士の結合を強固にし、緻密なSiC多結晶構造を取ることが出来、高い力学的強度が得られる。余剰C占有率が10%よりも多いと、SiC結晶粒の粒界上の余剰Cが多く存在しているため、SiC結晶粒同士の結合を阻害してしまい、緻密なSiC多結晶構造を取ることが出来ず、高い力学的強度が得られない。余剰C占有率が0.05%以下であると、SiC結晶粒の粒界上の余剰Cが少なく存在しているため、SiC結晶粒同士の粒成長が著しく進行し、粗大なSiC結晶子の多結晶構造を形成してしまう。SiC結晶子が粗大になると、粗大粒子に引張応力が集中してしまうため破壊を引き起こし易くなってしまう。   The crystalline silicon carbide based ceramic fiber of the present invention is characterized in that the excess C is small, and the excess C occupancy in the fiber cross section is 0.05% to 10%. The bonding between SiC crystal grains is strengthened, a dense SiC polycrystal structure can be obtained, and high mechanical strength can be obtained. If the surplus C occupancy is more than 10%, there is a lot of surplus C on the grain boundaries of the SiC crystal grains, so that the bonding between the SiC crystal grains is inhibited and a dense SiC polycrystal structure is obtained. Cannot be obtained, and high mechanical strength cannot be obtained. If the surplus C occupancy is 0.05% or less, there is little surplus C on the grain boundaries of the SiC crystal grains, so that the grain growth between the SiC crystal grains proceeds remarkably, and the coarse SiC crystallites A polycrystalline structure is formed. If the SiC crystallites are coarse, tensile stress concentrates on the coarse particles, so that breakage is likely to occur.

また、本発明の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維は、SiCの焼結構造からなるため、密度が2.7〜3.2g/cmの範囲である。 Moreover, since the crystalline silicon carbide based ceramic fiber of the present invention has a sintered structure of SiC, the density is in the range of 2.7 to 3.2 g / cm 3 .

また、本発明の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維は、ケイ素及び炭素を主成分とし、焼結助剤成分としてのアルミニウム及びホウ素から構成される。これらの成分の好ましい割合はSi:50〜70重量%、C:28〜45重量%、Al:0.05〜3.8重量%、O:0.05〜1.5重量%、及びB:0.05〜0.5重量%である。   The crystalline silicon carbide based ceramic fiber of the present invention is mainly composed of silicon and carbon, and is composed of aluminum and boron as sintering aid components. The preferred proportions of these components are: Si: 50-70 wt%, C: 28-45 wt%, Al: 0.05-3.8 wt%, O: 0.05-1.5 wt%, and B: 0.05 to 0.5% by weight.

本発明において余剰Cとは、繊維中に含有されるSiに対してSiCとして存在し得る化学量論的組成量を超えて存在する炭素を意味する。この結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の繊維径については特別の制限は無いが、通常は、50μm以下である。また、繊維の形態は一般には連続形状であることが好ましい。   In the present invention, surplus C means carbon that exceeds the stoichiometric composition that can exist as SiC with respect to Si contained in the fiber. The fiber diameter of the crystalline silicon carbide ceramic fiber is not particularly limited, but is usually 50 μm or less. Moreover, it is preferable that the form of the fiber is generally a continuous shape.

アルミニウムの割合が0.05重量%よりも少ないと結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の耐アルカリ性が低下し、その割合が3.8重量%よりも高くなると高温における力学的特性が低下するようになる。ホウ素の割合が0.05重量%よりも少ないと、充分に焼結した結晶性繊維とならず、繊維の密度が低下するようになり、逆に、その割合が0.5重量%よりも高いと、繊維の耐アルカリ性が低下するようになる。   When the proportion of aluminum is less than 0.05% by weight, the alkali resistance of the crystalline silicon carbide-based ceramic fiber is lowered, and when the proportion is higher than 3.8% by weight, the mechanical properties at high temperature are lowered. . If the proportion of boron is less than 0.05% by weight, it will not be a fully sintered crystalline fiber, and the density of the fiber will decrease, conversely, the proportion will be higher than 0.5% by weight. Then, the alkali resistance of the fiber is lowered.

次に、本発明の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の製造方法について説明する。まず、Alを0.05〜3.8重量%、及びBを0.05〜0.5重量%含有する非晶質の炭化ケイ素繊維を、大気中1000℃から1400℃の範囲で熱処理をし、繊維表面に酸化層を形成する。以下、この熱処理を大気中熱処理という。次に、繊維表面に酸化層を形成した後、不活性ガス雰囲気中1600〜2100℃の範囲の温度に加熱する。以後、この処理を不活性ガス中熱処理という。上記のように、大気中熱処理で繊維表面に酸化層を形成した後、1600〜2100℃の範囲の温度で不活性ガス中熱処理を行うことによって繊維中の余剰Cが除去され緻密な微細組織を有する本発明の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維が得られる。不活性ガスとしては、アルゴン、ヘリウムなどが例示される。   Next, the manufacturing method of the crystalline silicon carbide ceramic fiber of this invention is demonstrated. First, amorphous silicon carbide fibers containing 0.05 to 3.8% by weight of Al and 0.05 to 0.5% by weight of B were heat-treated in the range of 1000 ° C. to 1400 ° C. in the atmosphere. An oxide layer is formed on the fiber surface. Hereinafter, this heat treatment is referred to as atmospheric heat treatment. Next, after forming an oxide layer on the fiber surface, it is heated to a temperature in the range of 1600 to 2100 ° C. in an inert gas atmosphere. Hereinafter, this treatment is referred to as heat treatment in an inert gas. As described above, after forming an oxide layer on the fiber surface by heat treatment in the atmosphere, excess C in the fiber is removed by performing heat treatment in an inert gas at a temperature in the range of 1600 to 2100 ° C. to form a dense microstructure. The crystalline silicon carbide ceramic fiber of the present invention is obtained. Examples of the inert gas include argon and helium.

また、非晶質炭化ケイ素繊維は、酸素を8〜16重量%含むことが好ましい。非晶質炭化ケイ素繊維を加熱する際に、この酸素は前述の余剰の炭素をCOガスとして脱離させる。酸素量は、非晶質炭化ケイ素繊維の原料である紡糸ポリマーを、空気中で熱酸化処理を行うことで調整される。   The amorphous silicon carbide fiber preferably contains 8 to 16% by weight of oxygen. When the amorphous silicon carbide fiber is heated, this oxygen desorbs the aforementioned excess carbon as CO gas. The amount of oxygen is adjusted by subjecting a spun polymer, which is a raw material for amorphous silicon carbide fibers, to thermal oxidation treatment in air.

非晶質炭化ケイ素繊維には、原料であるアルミニウム含有有機ケイ素重合体からの調整過程で生成する、50nm以下のSiC微結晶を含んでいても良い。   The amorphous silicon carbide fiber may contain SiC fine crystals of 50 nm or less that are produced in the adjustment process from the raw material aluminum-containing organosilicon polymer.

上記の非晶質炭化ケイ素繊維は、例えば、以下のような方法で調製することができる。まず、例えば、「有機ケイ素化合物の化学」化学同人(1972年)に記載の方法に従って、1種類以上のジクロロシランをナトリウムによって脱塩素反応させて鎖状又は環状のポリシランを調製する。ポリシランの数平均分子量は通常300〜1000である。本明細書において、ポリシランは、上記の鎖状又は環状のポリシランを400〜700℃の範囲の温度に加熱することにより、あるいは上記の鎖状又は環状のポリシランにフェニル基含有ポリボロシロキサンを添加して250〜500℃の範囲の温度に加熱することによって得られる、一部にカルボシラン結合を有するポリシランも包含する。ポリシランは、ケイ素の側鎖として、水素原子、低級アルキル基、アリ−ル基、フェニル基あるいはシリル基を有することができる。   The amorphous silicon carbide fiber can be prepared, for example, by the following method. First, for example, according to the method described in “Chemistry of Organosilicon Compounds” Chemistry Dojin (1972), one or more dichlorosilanes are dechlorinated with sodium to prepare a linear or cyclic polysilane. The number average molecular weight of polysilane is usually 300-1000. In this specification, the polysilane is obtained by heating the chain or cyclic polysilane to a temperature in the range of 400 to 700 ° C., or adding a phenyl group-containing polyborosiloxane to the chain or cyclic polysilane. Also included is a polysilane partially having a carbosilane bond obtained by heating to a temperature in the range of 250 to 500 ° C. The polysilane can have a hydrogen atom, a lower alkyl group, an aryl group, a phenyl group or a silyl group as a side chain of silicon.

フェニル基含有ポリボロシロキサンは、特許第3417459号公報、公昭53−42330号公報、及び同53−50299号公報に記載の方法に従い、ホウ酸と1種類以上のジオルガノクロロシランとの脱塩酸縮合反応によって調製することができ、その数平均分子量は通常500〜10000である。   A phenyl group-containing polyborosiloxane is prepared by dehydrochlorination condensation reaction between boric acid and one or more kinds of diorganochlorosilanes according to the methods described in Japanese Patent Nos. 3417459, 53-42330, and 53-50299. The number average molecular weight is usually 500 to 10,000.

ついで、ポリシランに対して、アルミニウムのアルコキシド、アセチルアセトキシド化合物、カルボニル化合物、又はシクロペンタジエニル化合物の所定量を添加し、不活性ガス中、通常250〜350℃の範囲の温度で1〜10時間反応することにより、紡糸原料であるアルミニウム含有有機ケイ素重合体を調製することができる。アルミニウムの化合物の使用量は、ポリシラン1g当たり、通常0.14〜0.86ミリモルである。   Next, a predetermined amount of an aluminum alkoxide, acetylacetoxide compound, carbonyl compound, or cyclopentadienyl compound is added to the polysilane, and 1 to 10 at a temperature usually in the range of 250 to 350 ° C. in an inert gas. By reacting for a period of time, an aluminum-containing organosilicon polymer that is a raw material for spinning can be prepared. The amount of the aluminum compound used is usually 0.14 to 0.86 mmol per 1 g of polysilane.

アルミニウム含有有機ケイ素重合体を、溶融紡糸、乾式紡糸のようなそれ自体公知の方法によって紡糸して、紡糸繊維を調製する。つぎに、この紡糸繊維を不融化処理して不融化繊維を調製する。不融化方法としては、一般に行われている空気中での加熱、あるいは空気中での加熱と不活性ガス中での加熱を組合せた方法が好ましく採用されうる。   An aluminum-containing organosilicon polymer is spun by a method known per se such as melt spinning and dry spinning to prepare a spun fiber. Next, the spinning fiber is infusibilized to prepare an infusible fiber. As the infusibilization method, generally used heating in air or a combination of heating in air and heating in an inert gas can be preferably employed.

不融化繊維を、窒素、アルゴンのような不活性ガス中、800℃から1500℃の範囲の温度で加熱処理して、本発明の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の前駆繊維である、非晶質炭化ケイ素繊維が調製される。この非晶質炭化ケイ素繊維は、通常Siに対して余剰の炭素を1重量%以上含有している。この非晶質炭化ケイ素繊維を予め1000℃から1400℃の範囲で大気中熱処理し、繊維表面に酸化層を形成した後、最後に、1600〜2100℃の範囲の温度で不活性ガス中熱処理をすることによって、本発明の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維が調製される。不融化繊維からの非晶質炭化ケイ素繊維の調製及びこの繊維からの結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の調製は、それぞれ、独立に行うこともでき、連続的に一貫して行うこともできる。   An infusible fiber is heated in an inert gas such as nitrogen or argon at a temperature in the range of 800 ° C. to 1500 ° C., and is an amorphous fiber that is a precursor fiber of the crystalline silicon carbide ceramic fiber of the present invention. Silicon carbide fibers are prepared. This amorphous silicon carbide fiber usually contains 1% by weight or more of excess carbon relative to Si. This amorphous silicon carbide fiber is heat-treated in the air in the range of 1000 ° C. to 1400 ° C. in advance to form an oxide layer on the fiber surface, and finally, heat treatment in an inert gas at a temperature in the range of 1600 to 2100 ° C. By doing so, the crystalline silicon carbide based ceramic fiber of the present invention is prepared. Preparation of the amorphous silicon carbide fiber from the infusible fiber and preparation of the crystalline silicon carbide-based ceramic fiber from the fiber can be performed independently or continuously and consistently.

上記不融化繊維の熱処理の過程では、繊維中に含まれるアルミニウムとホウ素は繊維材を構成するSiC結晶の焼結助剤として重要な役割をしているため厳密に制御しなければならない。非晶質炭化ケイ素繊維中のアルミニウムの割合が3.8重量%を超えると、焼結後の繊維において、多くのアルミニウムが焼結SiC結晶の粒界に遍在するために、粒界破壊が優勢に起こるようになり、高い強度が得られないと共に、高温における力学的特性の低下が顕著になる。この繊維中のアルミニウムの割合が0.05重量%未満であると、充分に焼結した結晶性繊維が得られなくなる。非晶質炭化ケイ素繊維中のホウ素の割合が0.5重量%を超えると、得られる結晶性炭化ケイ素繊維の耐アルカリ性が極端に低下し、逆にその割合が0.05重量%より少ないと、充分に焼結した結晶性繊維が得られなくなる。   In the process of heat-treating the infusible fiber, aluminum and boron contained in the fiber play an important role as sintering aids for SiC crystals constituting the fiber material and must be strictly controlled. When the proportion of aluminum in the amorphous silicon carbide fiber exceeds 3.8% by weight, a lot of aluminum is ubiquitous in the grain boundary of the sintered SiC crystal in the fiber after sintering. It occurs predominately, high strength cannot be obtained, and the deterioration of mechanical properties at high temperatures becomes significant. When the proportion of aluminum in the fiber is less than 0.05% by weight, a sufficiently sintered crystalline fiber cannot be obtained. When the proportion of boron in the amorphous silicon carbide fiber exceeds 0.5% by weight, the alkali resistance of the resulting crystalline silicon carbide fiber is extremely reduced, and conversely, when the proportion is less than 0.05% by weight. A sufficiently sintered crystalline fiber cannot be obtained.

本発明の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維は、非晶質または微結晶質の炭化ケイ素繊維を、予め1000℃から1400℃の範囲で大気中熱処理し、繊維表面に酸化層を形成した後、1600〜2100℃の範囲内の温度で、不活性ガス中熱処理することにより製造される。ここで、酸化層とは、非晶質または微結晶質の炭化ケイ素繊維の表面部分が大気中熱処理により酸化されて出来た酸化物で構成される層であり、酸化層の酸化物としては、熱処理前の炭化ケイ素繊維の表面部分に存在する、Si、C、Al、Bなどが一部酸化したものが挙げられる。主な成分としては、SiOであるが、Al、Bなどが挙げられる。本発明においては、酸化物の形態については特に限定されない。大気中熱処理条件は、非晶質または微結晶質の炭化ケイ素繊維の処理方法に依存する。繊維束あるいは所望の形状に製織した織物をバッチ処理する場合には、大気中1000〜1400℃で2時間から1分間熱処理することが好ましい。繊維束を連続的に熱処理する場合には1000〜1400℃の温度で5分から1秒間熱処理することが好ましい。大気中熱処理により、繊維表面に酸化層が生成し、その後、非晶質炭化ケイ素繊維の不活性ガス中熱処理を行う際に、CO脱離を効果的にすすめ、余剰Cの少ない結晶性炭化ケイ素セラミックス系繊維を得ることができる。 The crystalline silicon carbide-based ceramic fiber of the present invention is obtained by heat-treating amorphous or microcrystalline silicon carbide fiber in the air in the range of 1000 ° C. to 1400 ° C. in advance to form an oxide layer on the fiber surface. It is produced by heat treatment in an inert gas at a temperature in the range of ˜2100 ° C. Here, the oxide layer is a layer composed of an oxide formed by oxidizing the surface portion of amorphous or microcrystalline silicon carbide fiber by heat treatment in the atmosphere. As the oxide of the oxide layer, Examples thereof include those obtained by partially oxidizing Si, C, Al, B, etc. present on the surface portion of the silicon carbide fiber before the heat treatment. The main component is SiO 2 , and examples thereof include Al 2 O 3 and B 2 O 3 . In the present invention, the form of the oxide is not particularly limited. The heat treatment conditions in the atmosphere depend on the method for treating amorphous or microcrystalline silicon carbide fibers. When batch processing a fiber bundle or a woven fabric woven into a desired shape, heat treatment is preferably performed at 1000 to 1400 ° C. in the atmosphere for 2 to 1 minute. When the fiber bundle is continuously heat-treated, it is preferably heat-treated at a temperature of 1000 to 1400 ° C. for 5 minutes to 1 second. Crystalline silicon carbide with less excess C, effectively promoting CO desorption when heat treatment in the atmosphere generates an oxide layer on the fiber surface, and then heat treatment in the inert gas of the amorphous silicon carbide fiber. Ceramic fiber can be obtained.

大気中熱処理温度が1000℃未満であると所望の厚さの酸化層を生成する際に時間が必要となり工業上好ましくない。また1400℃を超えて大気中熱処理を行うと酸化層の生成が不均一となり所望の酸化層厚を形成することが困難であるため好ましくない。その後の不活性ガス中熱処理温度が1600℃より低いと、所望の結晶性炭化ケイ素セラミックス系繊維の生成に長時間を要し、実用的でない面があり、また生成繊維中における結晶性炭化ケイ素セラミックス系繊維の生成割合も低下する恐れがある。不活性ガス中熱処理温度が2100℃を超えると結晶性炭化ケイ素セラミックス系繊維が分解し、繊維表面にCが生成する好ましくない事態が起こる可能性がある。   If the heat treatment temperature in air is less than 1000 ° C., it takes time to produce an oxide layer having a desired thickness, which is not industrially preferable. Further, if the heat treatment in the air is performed at a temperature exceeding 1400 ° C., the generation of the oxide layer is not uniform, and it is difficult to form a desired oxide layer thickness, which is not preferable. If the subsequent heat treatment temperature in the inert gas is lower than 1600 ° C., it takes a long time to produce the desired crystalline silicon carbide ceramic fiber, which is not practical, and the crystalline silicon carbide ceramic in the produced fiber. There is also a possibility that the generation ratio of the system fiber may be lowered. If the heat treatment temperature in the inert gas exceeds 2100 ° C., the crystalline silicon carbide ceramic fiber is decomposed, and an undesirable situation may occur in which C is generated on the fiber surface.

なお大気中熱処理を過剰に行うと、結晶性炭化ケイ素セラミックス繊維の表面に酸化層由来の炭化ケイ素が残存し、繊維の強度低下の原因となるため、繊維表面の酸化層の厚さは400nm以下、さらに好ましくは200nm以下となるように大気中熱処理条件を設定することが好ましい。また、酸化層の厚さは10nmより大きいことが好ましい。酸化層を10nm以下にしてしまうと酸化層の形成による効果を充分に得ることが出来ず、余剰Cが多く残ってしまう。   If the heat treatment in the air is excessively performed, silicon carbide derived from the oxide layer remains on the surface of the crystalline silicon carbide ceramic fiber, which causes a decrease in fiber strength. Therefore, the thickness of the oxide layer on the fiber surface is 400 nm or less. Furthermore, it is preferable to set the heat treatment conditions in the atmosphere so that the thickness is 200 nm or less. The thickness of the oxide layer is preferably larger than 10 nm. If the oxide layer is 10 nm or less, the effect due to the formation of the oxide layer cannot be sufficiently obtained, and a large amount of surplus C remains.

また、本発明によれば、上記の余剰Cを低減した結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維を強化繊維とし、セラミックスをマトリックスとするセラミックス基複合材料が得られる。強化繊維となるこの余剰Cを低減させた結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の形態については特に制限はなく、平織、朱子織等の2次元あるいは3次元織物、又は一方向シート状物又はその積層物であってもよい。また、連続繊維を切断したチョップ状短繊維を使用した不織布であってもよい。複合材料中の表面カーボンリッチ層除去炭化ケイ素系セラミックス繊維の体積率については特別の制限はないが、20〜50%が一般的である。また界面層としては窒化ホウ素が望ましい。   In addition, according to the present invention, a ceramic matrix composite material in which the crystalline silicon carbide-based ceramic fiber in which the excess C is reduced is used as a reinforcing fiber and ceramic is used as a matrix can be obtained. There is no particular limitation on the form of the crystalline silicon carbide-based ceramic fiber in which the excess C, which becomes the reinforcing fiber, is reduced. It may be. Moreover, the nonwoven fabric using the chopped short fiber which cut | disconnected the continuous fiber may be sufficient. Although there is no special restriction | limiting about the volume ratio of the surface carbon rich layer removal silicon carbide ceramic fiber in a composite material, 20 to 50% is common. The interface layer is preferably boron nitride.

本発明のセラミックス基複合材料のセラミックマトリックスとしては、結晶質又は非晶質の酸化物セラミックス、結晶質又は非晶質の非酸化物セラミックス、ガラス、これらの固溶体、これらのセラミックスに無機物質の粒子等を分散したものが好ましい。   The ceramic matrix of the ceramic matrix composite material of the present invention includes crystalline or amorphous oxide ceramics, crystalline or amorphous non-oxide ceramics, glass, solid solutions thereof, and particles of inorganic substances in these ceramics. And the like are preferred.

酸化物セラミックスの具体例としては、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素、イットリウム、インジウム、ウラン、カルシウム、スカンジウム、タンタル、ニオブ、ネオジウム、ランタン、ルテニウム、ロジウム、ベリリウム、チタン、錫、ストロンチウム、バリウム、亜鉛、ジルコニウム、鉄のような元素の酸化物、これら金属の複合酸化物が挙げられる。   Specific examples of oxide ceramics include aluminum, magnesium, silicon, yttrium, indium, uranium, calcium, scandium, tantalum, niobium, neodymium, lanthanum, ruthenium, rhodium, beryllium, titanium, tin, strontium, barium, zinc, zirconium. And oxides of elements such as iron and complex oxides of these metals.

非酸化物セラミックスの具体例としては、炭化物、窒化物、硼化物を挙げることができる。炭化物の具体例としては、ケイ素、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ウラン、タングステン、タンタル、ハフニウム、ホウ素、鉄、マンガンのような元素の炭化物、これら元素の複合炭化物が挙げられる。この複合炭化物の例としては、ポリチタノカルボシラン又はポリジルコノカルボシランを加熱焼成して得られる無機物が挙げられる。   Specific examples of non-oxide ceramics include carbides, nitrides and borides. Specific examples of the carbide include carbides of elements such as silicon, titanium, zirconium, aluminum, uranium, tungsten, tantalum, hafnium, boron, iron, and manganese, and composite carbides of these elements. Examples of this composite carbide include inorganic substances obtained by heating and baking polytitanocarbosilane or polyzirconocarbosilane.

窒化物の具体例としては、ケイ素、ホウ素、アルミニウム、マグネシウム、モリブデンのような元素の窒化物、これらの元素の複合酸化物、サイアロンが挙げられる。硼化物の具体例としては、チタン、イットリウム、ランタンのような元素の硼化物、CeCoB,CeCo,ErRhのような硼化白金族ランタノイドが挙げられる。 Specific examples of nitrides include nitrides of elements such as silicon, boron, aluminum, magnesium, and molybdenum, composite oxides of these elements, and sialon. Specific examples of borides include borides of elements such as titanium, yttrium, and lanthanum, and platinum boride lanthanoids such as CeCoB 2 , CeCo 4 B 4 , and ErRh 4 B 4 .

ガラスとしては、非晶質ガラス、結晶質ガラスが挙げられる。非晶質ガラスの具体例としては、ケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラスが挙げられる。結晶化ガラスの具体例としては、主結晶相がβ−スプジューメンであるLiO−Al−MgO−SiO系ガラス及びLiO−Al−MgO−SiO−Nb系ガラス、主結晶相がコージェライトであるMgO−Al−SiO系ガラス、主結晶相がバリウムオスミライトであるBaO−MgO−Al−SiO系ガラス、主結晶相がムライト又はヘキサセルシアンであるBaO−Al−SiO系ガラス、主結晶相がアノーサイトであるCaO−Al−SiO系ガラスが挙げられる。これらの結晶化ガラスの結晶相にはクリストバライトが含まれることがある。本発明におけるセラミックスとして、上記の各種セラミックスの固溶体を挙げることができる。 Examples of the glass include amorphous glass and crystalline glass. Specific examples of the amorphous glass include silicate glass, phosphate glass, and borate glass. Specific examples of the crystallized glass include LiO 2 —Al 2 O 3 —MgO—SiO 2 glass and LiO 2 —Al 2 O 3 —MgO—SiO 2 —Nb 2 O 5 whose main crystal phase is β-spudene. system glass, the main crystal phase MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 based glass is cordierite, the main crystal phase is barium male solid light BaO-MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 based glass, the main crystalline phase Examples thereof include BaO—Al 2 O 3 —SiO 2 based glass that is mullite or hexacelsian, and CaO—Al 2 O 3 —SiO 2 based glass whose main crystal phase is anorthite. The crystal phase of these crystallized glasses may contain cristobalite. Examples of the ceramic in the present invention include solid solutions of the above-mentioned various ceramics.

セラミックスに分散する無機物質の粒子等の具体例としては、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、チタン酸カリウム、硼酸マグネシウム、酸化亜鉛、硼化チタン及びムライトから選択される無機物質の球状粒子、多面体粒子、板状粒子、棒状粒子、ウイスカが挙げられる。無機物質の粒子等の分散量は0.1〜60体積%が好ましい。球状粒子及び多面体粒子の粒径は0.1μm〜1mm、板状粒子、棒状粒子及びウイスカのアスペクト比は一般に1.5〜1000である。   Specific examples of inorganic substance particles dispersed in ceramics include inorganic nitride spheres selected from silicon nitride, silicon carbide, zirconium oxide, magnesium oxide, potassium titanate, magnesium borate, zinc oxide, titanium boride and mullite. Examples thereof include particles, polyhedral particles, plate-like particles, rod-like particles, and whiskers. The dispersion amount of the inorganic substance particles and the like is preferably 0.1 to 60% by volume. The particle size of spherical particles and polyhedral particles is 0.1 μm to 1 mm, and the aspect ratio of plate-like particles, rod-like particles and whiskers is generally 1.5 to 1000.

複合化方法としては、例えば、強化繊維としての結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の表面を窒化ホウ素で被覆して、窒化ホウ素被覆結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の成形体を形成し、この成形体に、セラミックスの前駆体重合体、例えば、ポリカルボシラン、ポリメタロカルボシラン、ポリシラザン等を含浸した後に加熱焼成することにより複合化を行うポリマー含浸・焼成法を採用することができる。他の製法として、マトリックスの原料粉末のスラリーを含浸し、ホットプレス等で、高温で加圧焼結する方法や、マトリックス元素のアルコキシドを原料にしたゾルゲル法、又は反応ガスを用いた化学蒸着法や、溶融金属を含浸させ、反応によりセラミックス化させる反応焼結法がある。   As a composite method, for example, the surface of crystalline silicon carbide ceramic fibers as reinforcing fibers is coated with boron nitride to form a molded body of boron nitride-coated crystalline silicon carbide ceramic fibers. Further, a polymer impregnation / firing method in which a ceramic precursor polymer, for example, polycarbosilane, polymetallocarbosilane, polysilazane, or the like is impregnated and then heated and fired can be employed. Other manufacturing methods include impregnating a slurry of matrix raw material powder and hot-pressing and sintering at high temperature, sol-gel method using matrix element alkoxide as raw material, or chemical vapor deposition method using reactive gas Alternatively, there is a reactive sintering method in which a molten metal is impregnated and ceramicized by reaction.

以下に実施例及び比較例を示す。以下において、特別の言及がない限り、「部」及び「%」は、それぞれ、「重量部」及び「重量%」を示す。   Examples and comparative examples are shown below. In the following, unless otherwise specified, “parts” and “%” indicate “parts by weight” and “% by weight”, respectively.

(参考例1)
ナトリウム400部を含有する無水キシレンに、窒素ガス気流下にキシレンを加熱還流させながら、ジメチルジクロロシラン1034重量部を滴下し、引き続き10時間加熱還流し沈澱物を生成させた。この沈澱をろ過し、メタノ−ル、ついで水で洗浄して、白色のポリジメチルシラン420部を得た。
(Reference Example 1)
To anhydrous xylene containing 400 parts of sodium, 1034 parts by weight of dimethyldichlorosilane was added dropwise while heating and refluxing xylene under a nitrogen gas stream, followed by heating to reflux for 10 hours to form a precipitate. The precipitate was filtered, washed with methanol and then with water to obtain 420 parts of white polydimethylsilane.

(参考例2)
ジフェニルジクロロシラン750部及びホウ酸124部を窒素ガス雰囲気下にn−ブチルエ−テル中、100〜120℃で加熱し、生成した白色樹脂状物をさらに真空中400℃で1時間加熱することによって、フェニル基含有ポリボロシロキサン530部を得た。
(Reference Example 2)
By heating 750 parts of diphenyldichlorosilane and 124 parts of boric acid in a nitrogen gas atmosphere in n-butyl ether at 100 to 120 ° C., and further heating the resulting white resinous material at 400 ° C. in vacuum for 1 hour. , 530 parts of phenyl group-containing polyborosiloxane was obtained.

(参考例3)
参考例1で得られたポリジメチルシラン100部に参考例2で得られたフェニル基含有ポリボロシロキサン4部を添加し、窒素ガス雰囲気中、350℃で5時間熱縮合して、高分子量の有機ケイ素重合体を得た。この有機ケイ素重合体100部を溶解したキシレン溶液にアルミニウム−トリ(sec−ブトキシド)7部を加え、窒素ガス気流下に310℃で架橋反応させることによって、ポリアルミノカルボシランを得た。
(Reference Example 3)
4 parts of the phenyl group-containing polyborosiloxane obtained in Reference Example 2 was added to 100 parts of the polydimethylsilane obtained in Reference Example 1, and heat condensed at 350 ° C. for 5 hours in a nitrogen gas atmosphere. An organosilicon polymer was obtained. Polyaluminocarbosilane was obtained by adding 7 parts of aluminum-tri (sec-butoxide) to a xylene solution in which 100 parts of this organosilicon polymer was dissolved, and carrying out a crosslinking reaction at 310 ° C. under a nitrogen gas stream.

このポリアルミノカルボシランを245℃で溶融紡糸した後、空気中140℃で5時間加熱処理した後、さらに窒素中300℃で10時間加熱して、不融化繊維を得た。不融化繊維を窒素中1500℃で連続焼成し、非晶質の炭化ケイ素繊維を得た。この非晶質炭化ケイ素系繊維は、化学組成が、Si:52.5%、C:34.1%、O:12.5%、Al:0.7%、B:0.1%であった。   This polyaluminocarbosilane was melt-spun at 245 ° C., heat-treated in air at 140 ° C. for 5 hours, and further heated in nitrogen at 300 ° C. for 10 hours to obtain infusible fibers. The infusible fiber was continuously fired in nitrogen at 1500 ° C. to obtain amorphous silicon carbide fiber. This amorphous silicon carbide fiber has a chemical composition of Si: 52.5%, C: 34.1%, O: 12.5%, Al: 0.7%, B: 0.1%. It was.

(実施例1)
この非晶質炭化ケイ素繊維を大気雰囲気の焼成炉に仕込み大気雰囲気で1200℃まで昇温し、5分保持することにより大気中熱処理した。この大気中熱処理した繊維を取り出し、繊維の断面を走査型電子顕微鏡で観察すると、酸化層の厚みは210nmであった。この非晶質単ケイ素繊維を雰囲気制御の可能な電気炉に入れ、アルゴンガスを導入し、1800℃まで昇温し、1時間保持して不活性ガス中熱処理をおこない、結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維を得た。得られた結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の化学組成は、Si:68.0%、C:31.0%、O:0.3%、Al:0.14%、B:0.15%であり、原子比では、Si:C:O:Al:B=1:1.06:0.01:0.002:0.006であった。この繊維の密度は3.0g/cmであり、緻密なSiCの焼結構造からなっていた。
Example 1
This amorphous silicon carbide fiber was charged into a firing furnace in the air atmosphere, heated to 1200 ° C. in the air atmosphere, and kept in air for 5 minutes. When the fiber heat-treated in the atmosphere was taken out and the cross section of the fiber was observed with a scanning electron microscope, the thickness of the oxide layer was 210 nm. This amorphous monosilicon fiber is placed in an electric furnace capable of controlling the atmosphere, introduced with argon gas, heated to 1800 ° C., maintained for 1 hour, and heat-treated in an inert gas to produce crystalline silicon carbide ceramics Fiber was obtained. The chemical composition of the obtained crystalline silicon carbide-based ceramic fiber was Si: 68.0%, C: 31.0%, O: 0.3%, Al: 0.14%, B: 0.15%. Yes, the atomic ratio was Si: C: O: Al: B = 1: 1.06: 0.01: 0.002: 0.006. The density of this fiber was 3.0 g / cm 3 and consisted of a dense sintered structure of SiC.

図1に、得られた結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の断面を研磨し、走査型電子顕微鏡で撮影したSEM画像を示す。画像解析により残存カーボン量を算出すると繊維断面における余剰Cの面積割合(余剰C占有率)は3.6%であった。画像解析には、MediaCybernetics社製画像処理ソフトImage−Pro Plusを使用した。   FIG. 1 shows an SEM image obtained by polishing a cross section of the obtained crystalline silicon carbide ceramic fiber and photographing it with a scanning electron microscope. When the amount of residual carbon was calculated by image analysis, the area ratio (surplus C occupation ratio) of surplus C in the fiber cross section was 3.6%. Image analysis software Image-Pro Plus manufactured by Media Cybernetics was used for image analysis.

また、この余剰Cは、結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の断面を走査型電子顕微鏡で反射電子像を観察すると、炭化ケイ素の結晶粒界に組成を反映した形で、黒色で観察された。余剰でないCはSiC結晶の形で繊維内に存在しているため、反射電子像では余剰Cよりも明るい色で観察された。ここで算出した余剰Cの面積割合とは、結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の断面を走査型電子顕微鏡で観察した時の、断面積に占める余剰Cの面積比を表した値とした。余剰Cの面積は、反射電子像において黒色で観察された部分を、画像解析ソフトによる数値化により算出された。また、繊維表面はきわめて綺麗な状態を保っていることが確認された。この繊維の力学的特性は、引張強度3.21(GPa)、弾性率393(GPa)であった。結果を表1に示す。   Further, when the cross-section of the crystalline silicon carbide-based ceramic fiber was observed with a scanning electron microscope, the surplus C was observed in black in a form reflecting the composition on the crystal grain boundary of silicon carbide. Since non-surplus C exists in the fiber in the form of SiC crystals, the reflected electron image was observed in a lighter color than surplus C. The area ratio of surplus C calculated here was a value representing the area ratio of surplus C in the cross-sectional area when the cross section of the crystalline silicon carbide-based ceramic fiber was observed with a scanning electron microscope. The area of surplus C was calculated by digitizing the portion observed in black in the reflected electron image with image analysis software. It was also confirmed that the fiber surface was kept very clean. The mechanical properties of the fiber were a tensile strength of 3.21 (GPa) and an elastic modulus of 393 (GPa). The results are shown in Table 1.

Figure 2016188439
Figure 2016188439

(実施例2)
実施例1と同じ非晶質炭化ケイ素繊維を大気雰囲気の焼成炉で1200℃まで昇温し、15分保持した。大気中熱処理した繊維を取り出し、繊維の断面を走査型電子顕微鏡で観察すると、酸化層の厚みは340nmであった。この非晶質炭化ケイ素繊維を雰囲気制御の可能な電気炉に入れ、アルゴンガスを導入し、1800℃まで昇温し、1時間保持した不活性ガス中熱処理をおこない、結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維を得た。
(Example 2)
The same amorphous silicon carbide fiber as in Example 1 was heated to 1200 ° C. in a firing furnace in the air atmosphere and held for 15 minutes. When the fiber heat-processed in air | atmosphere was taken out and the cross section of the fiber was observed with the scanning electron microscope, the thickness of the oxide layer was 340 nm. This amorphous silicon carbide fiber is placed in an electric furnace capable of controlling the atmosphere, introduced with argon gas, heated to 1800 ° C., and subjected to heat treatment in an inert gas maintained for 1 hour, to produce crystalline silicon carbide ceramic fiber Got.

図2に、得られた結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の断面を研磨し、走査型電子顕微鏡で撮影したSEM画像を示す。画像解析による残存カーボン量を算出すると繊維断面における余剰Cの面積割合(余剰C占有率)は1.0%であった。実施例1とほとんど同じ結果が得られていることがわかる。この繊維の力学的特性は、引張強度3.72(GPa)、弾性率404(GPa)であった。結果を表1に示す。   FIG. 2 shows an SEM image obtained by polishing a cross section of the obtained crystalline silicon carbide-based ceramic fiber and photographing with a scanning electron microscope. When the residual carbon amount by image analysis was calculated, the area ratio (surplus C occupation ratio) of surplus C in the fiber cross section was 1.0%. It can be seen that almost the same results as in Example 1 are obtained. The mechanical properties of this fiber were a tensile strength of 3.72 (GPa) and an elastic modulus of 404 (GPa). The results are shown in Table 1.

(実施例3)
実施例1と同じ非晶質炭化ケイ素繊維を大気雰囲気の焼成炉で1100℃まで昇温し、15分保持した。大気中熱処理した繊維を取り出し、繊維の断面を走査型電子顕微鏡で観察すると、酸化層の厚みは150nmであった。この非晶質炭化ケイ素繊維を雰囲気制御の可能な電気炉に入れ、アルゴンガスを導入し、1800℃まで昇温し、1時間保持した不活性ガス中熱処理をおこない、結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維を得た。
Example 3
The same amorphous silicon carbide fiber as in Example 1 was heated to 1100 ° C. in a firing furnace in the air atmosphere and held for 15 minutes. When the fiber heat-processed in air | atmosphere was taken out and the cross section of the fiber was observed with the scanning electron microscope, the thickness of the oxide layer was 150 nm. This amorphous silicon carbide fiber is placed in an electric furnace capable of controlling the atmosphere, introduced with argon gas, heated to 1800 ° C., and subjected to heat treatment in an inert gas maintained for 1 hour, to produce crystalline silicon carbide ceramic fiber Got.

図3に、得られた結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の断面を研磨し、走査型電子顕微鏡で撮影したSEM画像を示す。画像解析により残存カーボン量を算出すると繊維断面における余剰Cの面積割合(余剰C占有率)は7.1%であった。この繊維の力学的特性は、引張強度2.74(GPa)、弾性率388(GPa)であった。結果を表1に示す。   FIG. 3 shows an SEM image obtained by polishing a cross section of the obtained crystalline silicon carbide ceramic fiber and photographing it with a scanning electron microscope. When the amount of residual carbon was calculated by image analysis, the area ratio (surplus C occupancy) of surplus C in the fiber cross section was 7.1%. The mechanical properties of this fiber were a tensile strength of 2.74 (GPa) and an elastic modulus of 388 (GPa). The results are shown in Table 1.

(比較例1)
実施例1と同じ非晶質炭化ケイ素繊維を大気雰囲気の焼成炉で大気中熱処理することなく、雰囲気制御の可能な電気炉に入れ、アルゴンガスを導入し、1800℃まで昇温し、1時間保持して不活性ガス中熱処理をおこない、結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維を得た。得られた結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の化学組成は、Si:66.6%、C:31.6%、O:0.8%、Al:0.20%、B:0.10%であり、原子比では、Si:C:O:Al:B=1:1.11:0.02:0.003:0.004であった。この繊維の密度は2.9g/cmであり、緻密なSiCの焼結構造からなっていた。
(Comparative Example 1)
The same amorphous silicon carbide fiber as in Example 1 was put in an electric furnace capable of controlling the atmosphere without being heat-treated in the atmosphere in a firing furnace in the atmosphere, introduced with argon gas, heated to 1800 ° C., heated for 1 hour Holding and heat-treating in an inert gas, a crystalline silicon carbide ceramic fiber was obtained. The chemical composition of the obtained crystalline silicon carbide-based ceramic fibers is Si: 66.6%, C: 31.6%, O: 0.8%, Al: 0.20%, B: 0.10%. Yes, the atomic ratio was Si: C: O: Al: B = 1: 1.11: 0.02: 0.003: 0.004. The density of this fiber was 2.9 g / cm 3 and consisted of a dense sintered structure of SiC.

図4に、得られた結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の断面を研磨し、走査型電子顕微鏡で撮影したSEM画像を示す。画像解析により残存カーボン量を算出すると繊維断面における余剰Cの面積割合(余剰C占有率)は18.4%であった。結果を表1に示す。   FIG. 4 shows an SEM image obtained by polishing a cross section of the obtained crystalline silicon carbide-based ceramic fiber and photographing with a scanning electron microscope. When the amount of residual carbon was calculated by image analysis, the area ratio (surplus C occupation ratio) of surplus C in the fiber cross section was 18.4%. The results are shown in Table 1.

この繊維の引張強度及び弾性率は、それぞれ、1.94GPa及び284GPaであり、余剰Cが少ない実施例1〜3の繊維に比較して、いずれも低い値を示した。炭化ケイ素微結晶の界面に余剰Cが多く残存すると、炭化ケイ素の微結晶同士の焼結を抑制してしまい、炭化ケイ素系セラミックス繊維の緻密化が進まず、繊維の引張強度低下を引き起こす。また繊維中の余剰Cが偏析してしまうと強度に影響を及ぼす欠陥となり、これもまた引張強度の低下を引き起こしてしまう。これらの原因により力学的特性が低下したと考えられる。   The tensile strength and elastic modulus of this fiber were 1.94 GPa and 284 GPa, respectively, and both values were low as compared with the fibers of Examples 1 to 3 with little excess C. If a large amount of surplus C remains at the interface of the silicon carbide microcrystals, sintering of the silicon carbide microcrystals is suppressed, and the silicon carbide ceramic fibers are not densified, resulting in a decrease in the tensile strength of the fibers. Moreover, when the excess C in a fiber segregates, it will become a defect which affects intensity | strength and this will also cause the fall of tensile strength. It is considered that the mechanical properties were lowered due to these causes.

(比較例2)
実施例1と同じ非晶質炭化ケイ素繊維を大気雰囲気の焼成炉で1500℃まで昇温し、5分保持した。大気中熱処理した繊維を取り出したところ、酸化層の成長が著しく、それに伴う繊維同士の融着が起こり、繊維形態を得られなかった。
(Comparative Example 2)
The same amorphous silicon carbide fiber as in Example 1 was heated to 1500 ° C. in a firing furnace in the atmospheric air and held for 5 minutes. When the fiber heat-treated in the atmosphere was taken out, the growth of the oxide layer was remarkable, and the accompanying fiber fusion occurred, and the fiber form could not be obtained.

本発明は、繊維中に存在する残留カーボンが低減されており、優れた耐熱性及び力学的特性を有している安定な結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維及びその製造方法を提供する。この繊維でセラミックスを強化することにより、高温での耐熱性及び力学的特性が優れたセラミックス基複合材料が提供できる。   The present invention provides a stable crystalline silicon carbide-based ceramic fiber in which residual carbon present in the fiber is reduced and has excellent heat resistance and mechanical properties, and a method for producing the same. By reinforcing the ceramics with this fiber, a ceramic matrix composite having excellent heat resistance and mechanical properties at high temperatures can be provided.

Claims (5)

密度が2.7〜 3 .2g/cmであり、Si:50〜70重量%、C:28〜45重量%、Al:0 .05〜3.8重量%、O:0.05〜1.5重量%、及びB:0 .05〜0.5重量%からなり、SiCの焼結構造を有する結晶性炭化ケイ素系繊維であって、繊維断面における余剰Cの面積割合で示す余剰C占有率が0.05%〜10%である結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維。 Density is 2.7-3. 2 g / cm 3 , Si: 50 to 70 wt%, C: 28 to 45 wt%, Al: 0. 05-3.8 wt%, O: 0.05-1.5 wt%, and B: 0. A crystalline silicon carbide-based fiber having a sintered structure of SiC consisting of 05 to 0.5% by weight, and the surplus C occupancy indicated by the surplus C area ratio in the fiber cross section is 0.05% to 10%. A certain crystalline silicon carbide ceramic fiber. Al:0.05〜3.8重量%、B:0.05〜0.5重量%を含有する非晶質の炭化ケイ素繊維を、予め大気中1000℃〜1400℃の範囲で熱処理することにより繊維表面に酸化層を形成した後、不活性雰囲気中1600〜2100℃の範囲内の温度で、加熱処理することを特徴とする請求項1記載の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の製造方法。   By heat-treating amorphous silicon carbide fibers containing Al: 0.05 to 3.8% by weight and B: 0.05 to 0.5% by weight in the range of 1000 ° C. to 1400 ° C. in the air in advance. The method for producing a crystalline silicon carbide ceramic fiber according to claim 1, wherein after forming the oxide layer on the fiber surface, heat treatment is performed at a temperature in the range of 1600 to 2100 ° C in an inert atmosphere. 前記酸化層の厚さが10nm〜400nmであることを特徴とする請求項2記載の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維の製造方法。   The method for producing a crystalline silicon carbide-based ceramic fiber according to claim 2, wherein the oxide layer has a thickness of 10 nm to 400 nm. 請求項1記載の結晶性炭化ケイ素系セラミックス繊維を強化繊維とし、セラミックスをマトリックスとするセラミックス基複合材料。   A ceramic matrix composite material comprising the crystalline silicon carbide-based ceramic fiber according to claim 1 as a reinforcing fiber and a ceramic as a matrix. 前記強化繊維の形態が2次元あるいは3次元織物、又は一方向シート状物又はその積層物、又は不織布であることを特徴とする請求項4記載のセラミックス基複合材料。   The ceramic matrix composite material according to claim 4, wherein the reinforcing fiber is a two-dimensional or three-dimensional woven fabric, a unidirectional sheet-like material or a laminate thereof, or a non-woven fabric.
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