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JP2642604B2 - Manufacturing method of fiber reinforced ceramics - Google Patents

Manufacturing method of fiber reinforced ceramics

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Publication number
JP2642604B2
JP2642604B2 JP6300036A JP30003694A JP2642604B2 JP 2642604 B2 JP2642604 B2 JP 2642604B2 JP 6300036 A JP6300036 A JP 6300036A JP 30003694 A JP30003694 A JP 30003694A JP 2642604 B2 JP2642604 B2 JP 2642604B2
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JP
Japan
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fiber
ceramic
ceramic precursor
heating
producing
Prior art date
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JP6300036A
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裕敏 中山
昭仁 酒井
淳 後藤
啓一 槻木
光司 西尾
賢一郎 井頭
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Kawasaki Motors Ltd
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Kawasaki Jukogyo KK
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスを強化繊
維と複合させて成る繊維強化セラミックスの製造方法に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing fiber-reinforced ceramics by combining ceramics with reinforcing fibers.

【0002】[0002]

【従来の技術】スペースプレーン(宇宙飛翔体)の外板
は、地球からの発進、地球への帰還時に激しい空力加熱
により、従来にない高温にさらされることが予想される
ので、軽量、高耐熱構造材料の使用が不可欠である。
2. Description of the Related Art The outer plate of a space plane is expected to be exposed to an unprecedented high temperature due to intense aerodynamic heating when starting from the earth and returning to the earth. The use of structural materials is essential.

【0003】高耐熱材料として、セラミックス材料は優
れた耐熱性を有し、比強度においても優れた特性を有す
るが、セラミックスは典型的な脆性材料であり、構造材
料として用いるには、そのままでは信頼性の点で問題が
残る。そこで、軽量耐熱構造材料して、セラミックスの
優れた高耐熱特性をそのまま有し、靭性を向上させるこ
とを目的として、強化材として高耐熱性繊維材料と複合
させたセラミックス系複合材(Ceramic Matrix Composi
tes:CMC)の開発が行われている。
[0003] As a high heat-resistant material, a ceramic material has excellent heat resistance and excellent characteristics in specific strength. However, ceramics are a typical brittle material. Problems remain in terms of gender. Therefore, as a lightweight heat-resistant structural material, ceramic matrix composites (Ceramic Matrix Composi) combined with a high heat-resistant fiber material as a reinforcing material with the aim of maintaining the excellent high heat resistance properties of ceramics and improving toughness
tes: CMC) is being developed.

【0004】さて、CMCの製造方法の1つとして、た
とえば特開昭62−260778号公報に前駆体法と称
する製造方法が開示されている。たとえば有機珪素ポリ
マーは、高温で熱処理すると、SiC等のセラミックス
に転化することが知られており、これらをセラミックス
前駆体として、炭化珪素繊維等のセラミックス繊維や耐
熱コーティング剤等が製造されている。
[0004] As one of the methods for producing CMC, for example, a production method called a precursor method is disclosed in JP-A-62-260778. For example, it is known that an organic silicon polymer is converted into ceramics such as SiC when heat-treated at a high temperature, and ceramic fibers such as silicon carbide fibers, heat-resistant coating agents and the like are manufactured using these as ceramic precursors.

【0005】しかし、マトリックス前駆体を溶媒に溶か
した溶液を炭素繊維等の強度の大きい強化繊維に含浸さ
せて焼成処理することにより、セラミックスマトリック
スと炭素繊維との複合化を達成するために、含浸・焼成
処理では、マトリックスの充填率が小さく、強化繊維層
間の大きな空隙にはマトリックスが充填されにくいとい
う問題点がある。
However, by impregnating a solution obtained by dissolving a matrix precursor in a solvent with a reinforcing fiber having a high strength such as carbon fiber and performing a baking treatment, the impregnation is performed in order to achieve a composite of the ceramic matrix and the carbon fiber. -In the firing treatment, there is a problem that the filling rate of the matrix is small, and the large voids between the reinforcing fiber layers are not easily filled with the matrix.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
提案された前駆体法による繊維強化セラミックスの製造
方法の上述の問題点に鑑み、簡単な工程で強化繊維層間
の大きな空隙にも高いセラミックスマトリックス充填率
が得られる繊維強化セラミックスの製造方法を提供する
ことである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for producing fiber-reinforced ceramics by a precursor method which has been proposed in the prior art, and which has a simple process and has a large gap between reinforcing fiber layers. An object of the present invention is to provide a method for producing a fiber reinforced ceramic which can obtain a ceramic matrix filling rate.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミックス
を強化繊維と複合させた繊維強化セラミックスの製造方
法において、セラミックス前駆体溶液に、セラミックス
粉末を添加する工程と、前記セラミックス粉末を添加し
たセラミックス前駆体溶液を強化繊維に含浸させ、プリ
プレグを形成する工程と、前記プリプレグを所定の形状
・寸法に積層した積層体をオートクレーブ内で加熱加圧
し、溶剤の除去とセラミックス前駆体の溶融とを行った
後、冷却固化して所定形状のプリフォームを形成する工
程と、前記プリフォームを不活性ガス雰囲気中で加熱す
る1次焼成工程と、セラミックス前駆体溶液中に前記1
次焼成されたプリフォームを浸漬し、不活性ガス雰囲気
下において加熱、加圧する緻密化工程と、前記緻密化さ
れたプリフォームを、不活性ガス中で加熱する2次焼成
工程とを含むことを特徴とする繊維強化セラミックスの
製造方法である。 また本発明は、前記緻密化工程と2次焼成工程とを交互
に複数回繰返すことを特徴とする。 また本発明は、前記強化繊維が非酸化物セラミックス繊
維を大気中で700〜1100℃に加熱し、前記繊維の
表面に酸化物層を形成する工程と、これを冷却した後不
活性ガス雰囲気中で1200〜1600℃に加熱する結
晶化工程とによって繊維表面に酸化物結晶を有すること
を特徴とする。 また本発明は、前記の工程によって製造された繊維強化
セラミックス表面に、SiO2,B23,Al23,N
2O,CaO,MgO,Li2Oから選ばれた1種また
は2種以上の混合物から成るガラス成分を塗布し、乾燥
後加熱硬化して、前記ガラス成分をガラス化する工程を
加えることを特徴とする。 また本発明は、前記セラミックス前駆体溶液が、セラミ
ックス前駆体を45〜75%(重量)含むキシレン溶液
であり、前記セラミックス前駆体に添加されるセラミッ
クス粉末の量が5〜30%(容量)であることを特徴と
する。 また本発明は、前記プリプレグをオートクレーブ中で処
理する条件が、缶内圧力2〜10kg/cm2、缶内温
度100〜400℃であることを特徴とする。 また本発明は、前記緻密化工程が槽内圧力5kg/cm
2 G以上、液温度120℃以上のセラミックス前駆体溶
液槽中で行われることを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a method for producing fiber-reinforced ceramics in which ceramics are combined with reinforcing fibers, comprising the steps of: adding a ceramic powder to a ceramic precursor solution; A step of impregnating the precursor solution with the reinforcing fibers to form a prepreg, and heating and pressurizing the laminate obtained by laminating the prepreg in a predetermined shape and size in an autoclave, removing the solvent and melting the ceramic precursor. Cooling and solidifying to form a preform of a predetermined shape; a primary firing step of heating the preform in an inert gas atmosphere;
Dipping the pre-fired preform and heating and pressurizing under an inert gas atmosphere, and a secondary firing step of heating the densified preform in an inert gas. This is a method for producing a fiber reinforced ceramics. Further, the present invention is characterized in that the densification step and the secondary firing step are alternately repeated a plurality of times. Also, the present invention provides a process in which the reinforcing fiber heats the non-oxide ceramic fiber to 700 to 1100 ° C. in the air to form an oxide layer on the surface of the fiber, and cools the non-oxide ceramic fiber in an inert gas atmosphere. And a crystallization step of heating to 1200 to 1600 [deg.] C. to have oxide crystals on the fiber surface. In addition, the present invention provides a method for coating SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , N
a method of applying a glass component composed of one or a mixture of two or more selected from a 2 O, CaO, MgO, and Li 2 O, drying and heating and curing the glass component to vitrify the glass component. Features. Further, in the present invention, the ceramic precursor solution is a xylene solution containing 45 to 75% (by weight) of the ceramic precursor, and the amount of the ceramic powder added to the ceramic precursor is 5 to 30% (by volume). There is a feature. Further, the present invention is characterized in that the conditions for treating the prepreg in an autoclave are a pressure in the can of 2 to 10 kg / cm 2 and a temperature in the can of 100 to 400 ° C. Further, in the present invention, the densification step may be performed at a tank pressure of 5 kg / cm.
It is characterized in that it is performed in a ceramic precursor solution bath having a liquid temperature of 2 G or more and a liquid temperature of 120 ° C. or more.

【0008】[0008]

【作用】本発明に従えば、セラミックスに転化するセラ
ミックス前駆体を溶媒に溶かした溶液に、セラミックス
粉末を添加し、この溶液を強化繊維に含浸させて、プリ
プレグを形成し、そのプリプレグを任意の形状・寸法に
積層した積層体をオートクレーブ内で加熱してセラミッ
クス前駆体を溶融した後、冷却して強化繊維とセラミッ
クス前駆体が所定の形状で複合化されプリフォームを形
成する。プリフォームは1次焼成されてセラミックスマ
トリックスとなる。しかしこのセラミックスマトリック
スの充填率は、低いので、さらにセラミックス粉末を含
まないセラミックス前駆体溶液中で、不活性ガス雰囲気
下において、加熱・加圧する緻密化によって充填率を向
上する。緻密化されたセラミックス前駆体は、2次焼成
でセラミックスマトリックスとなり、セラミックスマト
リックスの充填率は、従来の方法に比して格段に向上さ
せることができる。
According to the present invention, a ceramic powder is added to a solution obtained by dissolving a ceramic precursor to be converted into ceramics in a solvent, and this solution is impregnated into reinforcing fibers to form a prepreg. The laminated body having the shape and dimensions is heated in an autoclave to melt the ceramic precursor, and then cooled to form a composite of the reinforcing fiber and the ceramic precursor in a predetermined shape to form a preform. The preform is primarily fired to form a ceramic matrix. However, since the filling rate of the ceramic matrix is low, the filling rate is improved by heating and pressurizing in a ceramic precursor solution containing no ceramic powder under an inert gas atmosphere. The densified ceramic precursor becomes a ceramic matrix by secondary firing, and the filling rate of the ceramic matrix can be significantly improved as compared with the conventional method.

【0009】また緻密化工程と2次焼成工程とを交互に
複数回繰返すことによって、セラミックスマトリックス
のさらに高い充填率の強度の高い繊維強化セラミックス
を得ることができる。
By alternately repeating the densification step and the secondary firing step a plurality of times, it is possible to obtain a fiber-reinforced ceramic having a higher filling rate of the ceramic matrix and a higher strength.

【0010】さらに非酸化物セラミックス繊維の表面に
酸化物層を形成し、これを結晶化した強化繊維を用いる
ことによって、高い耐酸化性が得られる。
Further, by using an oxide layer formed on the surface of the non-oxide ceramic fiber and crystallizing the oxide layer, high oxidation resistance can be obtained.

【0011】さらに前記によって製造された繊維強化セ
ラミックス上にガラス成分を塗布し、これをガラス化し
てガラスコーティングしたものは、なお一層高い耐酸化
性が得られる。
Further, a glass component is coated on the fiber reinforced ceramics manufactured as described above, and the glass component is vitrified and glass-coated, whereby even higher oxidation resistance can be obtained.

【0012】またセラミックス前駆体溶液の溶媒がキシ
レンであり、セラミックス前駆体の濃度が45〜75%
(重量)であり、セラミックス粉末の添加量が5〜30
%(容量)であるセラミックス前駆体溶液を用いること
が好ましい。セラミックス前駆体濃度が45%(重量)
以下では、焼成後、成形体中のマトリックスが不足する
ため好ましくない。またセラミックス前駆体濃度が75
%(重量)以上では、溶液の粘度が高くなり好ましくな
い。セラミックス粉末添加量が5%(容量)以下では添
加の効果がなく、30%(容量)以上では溶液中に完全
に分散しない。これらの範囲外のセラミックス前駆体溶
液を用いると、1次焼成後所定の形状の成形体を得るこ
とができない。
The solvent of the ceramic precursor solution is xylene, and the concentration of the ceramic precursor is 45 to 75%.
(Weight), and the addition amount of the ceramic powder is 5 to 30.
% (Volume) of the ceramic precursor solution is preferably used. Ceramic precursor concentration is 45% (weight)
In the following, it is not preferable because the matrix in the molded body becomes insufficient after firing. When the ceramic precursor concentration is 75
% (Weight) or more is not preferred because the viscosity of the solution increases. When the amount of ceramic powder added is 5% (volume) or less, the effect of the addition is not obtained, and when the amount is 30% (volume) or more, it is not completely dispersed in the solution. If a ceramic precursor solution outside of these ranges is used, a molded article having a predetermined shape cannot be obtained after the first firing.

【0013】またプリプレグをオートクレーブ中で処理
する条件は、缶内圧力2〜10kg/cm2 G、缶内温
度100〜400℃が好ましく、缶内温度が100℃以
下では、セラミックス前駆体溶液の粘度が大きく、強化
繊維中への含浸が不充分となり成形困難となる。缶内温
度が400℃以上ではセラミックス前駆体が熱分解す
る。缶内圧力は所望の板厚のプリフォームを得るための
圧力である。
The conditions for treating the prepreg in the autoclave are preferably a pressure in the can of 2 to 10 kg / cm 2 G and a temperature in the can of 100 to 400 ° C. When the temperature in the can is 100 ° C. or lower, the viscosity of the ceramic precursor solution is And the impregnation into the reinforcing fibers becomes insufficient and molding becomes difficult. If the temperature in the can is 400 ° C. or higher, the ceramic precursor is thermally decomposed. The pressure in the can is a pressure for obtaining a preform having a desired thickness.

【0014】また緻密化工程は、セラミックス前駆体を
入れた槽中で行い、槽内温度は120℃以上であり、槽
内圧力は5kg/cm2 G以上であることが好ましい。
槽内温度が120℃未満では、粘度が高く充分な含浸効
果が得られない。槽内圧力は溶媒の揮発を防ぐための圧
力である。槽の耐圧等を考えれば、槽内温度120〜1
60℃、槽内圧力5〜9kg/cm2Gの範囲がさらに
好ましい。
The densification step is performed in a tank containing the ceramic precursor, and the temperature in the tank is preferably 120 ° C. or more, and the pressure in the tank is preferably 5 kg / cm 2 G or more.
If the temperature in the bath is lower than 120 ° C., the viscosity is so high that a sufficient impregnation effect cannot be obtained. The tank pressure is a pressure for preventing the solvent from volatilizing. Considering the pressure resistance of the tank, the temperature in the tank is 120 to 1
More preferably, the temperature is 60 ° C. and the pressure in the tank is 5 to 9 kg / cm 2 G.

【0015】[0015]

【実施例】以下実施例でもって、本発明をより具体的に
説明する。
The present invention will be described more specifically with reference to the following examples.

【0016】強化繊維として、炭化珪素系チラノ繊維
(宇部興産(株)製)を用いた。セラミックス前駆体溶
液(以下溶液と略称する)としてポリカルボシラン(日
本カーボン(株)製)60%(重量)をキシレン溶媒に
溶解して用いた。この溶液はセラミックス粉末を添加し
て含浸溶液として、またセラミックス粉末を添加せずに
緻密化溶液として用いられる。セラミックス粉末とし
て、炭化珪素系粉末(イビデン(株)製、商品名ベータ
ランダム、平均粒径0.27μm)を用いた。
As a reinforcing fiber, a silicon carbide-based tyrano fiber (manufactured by Ube Industries, Ltd.) was used. Polycarbosilane (manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.) 60% (by weight) was dissolved in a xylene solvent and used as a ceramic precursor solution (hereinafter abbreviated as a solution). This solution is used as an impregnating solution by adding ceramic powder and as a densification solution without adding ceramic powder. As the ceramic powder, silicon carbide-based powder (manufactured by IBIDEN Co., Ltd., trade name: beta random, average particle size: 0.27 μm) was used.

【0017】これらの材料を用いて図1に示す工程に従
って、繊維強化セラミックスを製造した。以下に工程を
順に説明する。
Using these materials, fiber reinforced ceramics were manufactured according to the process shown in FIG. The steps will be described below in order.

【0018】ステップn1で前記強化繊維を準備する。
ステップn2で前記溶液を準備し、ステップn3で溶液
に前記セラミックス粉末を10%(容量)添加して含浸
液を得る。ステップn4でこれをステップn1で準備し
た強化繊維に含浸し、ステップn5で所定の大きさのプ
リプレグを形成する。プリプレグは、ステップn6で図
2に示す構成で所定の形状、たとえば板状に積層され
る。図2の方法は、プリプレグ41は成形治具42上に
離型フィルム43を介在させて載置され、フッ素ゴムな
どの板44上に載せ、上部離型フィルム45、ガラスク
ロス46で覆い、その上からバッグフィルム47を被
せ、周囲にシーラントテープ48を設けて気密を保持
し、排気口から真空引きして加圧する。
In step n1, the reinforcing fibers are prepared.
In step n2, the solution is prepared, and in step n3, 10% (by volume) of the ceramic powder is added to the solution to obtain an impregnating liquid. This is impregnated into the reinforcing fiber prepared in step n1 in step n4, and a prepreg having a predetermined size is formed in step n5. The prepreg is laminated in a predetermined shape, for example, a plate shape, in the configuration shown in FIG. 2 in step n6. In the method shown in FIG. 2, the prepreg 41 is placed on a molding jig 42 with a release film 43 interposed therebetween, placed on a plate 44 made of fluorine rubber or the like, and covered with an upper release film 45 and a glass cloth 46. The bag film 47 is covered from above, a sealant tape 48 is provided around the bag film 47 to maintain airtightness, and the air is evacuated from the exhaust port and pressurized.

【0019】ステップn7で積層されたプリプレグは、
オートクレーブに入れられ、窒素ガス雰囲気下で図3に
示すパターンによって加熱加圧される。最高温度は10
0〜400℃の範囲にすればよく、温度が高い程、保持
時間が短い程よいが、オートクレーブの耐圧の関係で本
実施例では300℃,4kg/cm2 G,0.5時間と
した。その後冷却し、大気中で再加熱し200℃で24
時間放置する。オートクレーブ処理で、溶液を含浸した
プリプレグは、溶液中のキシレン溶媒が蒸発除去され、
セラミックス前駆体が強化繊維と複合化され、大気中で
200℃に再加熱することによって、セラミックス前駆
体自身が架橋高分子化されてプリフォームを成形する。
The prepreg laminated in step n7 is
It is placed in an autoclave and heated and pressed in a nitrogen gas atmosphere according to the pattern shown in FIG. Maximum temperature is 10
The temperature may be in the range of 0 to 400 ° C., and the higher the temperature and the shorter the holding time, the better. However, in the present embodiment, the temperature was set to 300 ° C., 4 kg / cm 2 G, and 0.5 hours in view of the pressure resistance of the autoclave. Then, cool and reheat in the air,
Leave for a time. The prepreg impregnated with the solution in the autoclave treatment is removed by evaporation of the xylene solvent in the solution,
The ceramic precursor is composited with the reinforcing fiber and reheated to 200 ° C. in the air, whereby the ceramic precursor itself is crosslinked and polymerized to form a preform.

【0020】ステップn8でプリフォームは、高温焼成
炉に入れられ、アルゴン雰囲気中で図4で示されるパタ
ーンで1次焼成される。これによってセラミックス前駆
体はセラミックス化する。1次焼成の最高温度は、10
00〜1300℃の範囲であれば特に問題はない。
In step n8, the preform is placed in a high-temperature firing furnace and first fired in an argon atmosphere in the pattern shown in FIG. This turns the ceramic precursor into ceramic. The maximum temperature for primary firing is 10
There is no particular problem as long as it is in the range of 00 to 1300 ° C.

【0021】ステップn9で1次焼成を終わったプリフ
ォームは、ステップn2で準備されたセラミックス粉末
を添加しない溶液中に浸漬され、窒素ガスによって9k
g/cm2 に加圧され、120〜160℃で1時間保持
する緻密化工程に入る。これによってプリフォームの空
隙中へセラミックス前駆体が浸透し、充填率が向上す
る。緻密化工程の不充分な室温1時間の緻密化処理した
本実施例のプリフォームの充填率は、次の含浸効率
(%)で表示して、25%であったが、120℃,1時
間の緻密化処理では47%に、160℃,1時間の緻密
化処理では68%に向上した。
The preform that has been subjected to the primary firing in step n9 is immersed in the solution prepared in step n2 to which the ceramic powder is not added, and is immersed in nitrogen gas for 9k.
g / cm 2 , and enters a densification step of holding at 120 to 160 ° C. for 1 hour. This allows the ceramic precursor to penetrate into the voids of the preform, thereby improving the filling rate. The filling rate of the preform of the present example that had been subjected to densification at room temperature for 1 hour, at which the densification step was insufficient, was 25% as expressed by the following impregnation efficiency (%), but was 120 ° C., 1 hour The density was improved to 47% by the densification treatment of No. 1, and to 68% by the densification treatment at 160 ° C. for 1 hour.

【0022】含浸効率=(含浸体積)/(含浸前の気孔
容積)×100 ステップn10で緻密化処理で空隙中に溶液が含浸され
たプリフォームは、溶液から取出され、大気中で120
℃で2時間乾燥された後、2次焼成される。2次焼成は
1次焼成と同じパターンで行われる。必要があればステ
ップn9の緻密化工程とステップn10の2次焼成工程
とは交互に複数回繰返される。
Impregnation efficiency = (impregnation volume) / (pore volume before impregnation) × 100 The preform in which the solution is impregnated in the voids by the densification treatment in step n10 is taken out of the solution and is subjected to 120
After being dried at a temperature of 2 ° C. for 2 hours, it is secondarily fired. The secondary firing is performed in the same pattern as the primary firing. If necessary, the densification step of step n9 and the secondary firing step of step n10 are alternately repeated a plurality of times.

【0023】以上の工程を経て製造された繊維強化セラ
ミックスは、そのままステップn11の製品とされても
よいが、さらにステップn12で耐酸化性を向上するた
めに、SiO2 ,B23,Al23,Na2O,Ca
O,MgO,Li2Oから選ばれた1種または2種以上
の混合物を含むガラス成分で、その表面を被覆すること
が好ましい。このための方法は、繊維強化セラミックス
の表面に、たとえばSiO2 −Na2Oから成るガラス
成分をはけで塗布し、風乾後加熱硬化し、ガラス成分を
ガラス化した。これによって繊維強化セラミックスの耐
酸化性が著しく向上した。
The fiber reinforced ceramics manufactured through the above steps may be directly used as a product in step n11. However, in order to further improve oxidation resistance in step n12, SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , Na 2 O, Ca
It is preferable to coat the surface with a glass component containing one or a mixture of two or more selected from O, MgO, and Li 2 O. For this purpose, a glass component composed of, for example, SiO 2 —Na 2 O was applied to the surface of the fiber-reinforced ceramic by brush, air-dried, and then heat-cured to vitrify the glass component. This significantly improved the oxidation resistance of the fiber reinforced ceramics.

【0024】本実施例では、ステップn1で準備する強
化繊維として、炭化珪素系チラノ繊維を用いたが、強化
繊維としては、この他に炭素繊維、ガラス繊維、窒化珪
素繊維、アルミナ繊維、耐熱金属繊維などが用いられ
る。この中で炭化物、窒化物などの非酸化物セラミック
ス繊維を用いる場合、ステップn1で準備した繊維の表
面にステップn13で酸化物層を形成し、その酸化物層
を結晶化して安定化することが好ましい。これによって
繊維自身の耐酸化性と、この繊維を強化繊維として用い
た繊維強化セラミックスの耐酸化性を向上することがで
きる。処理方法は、これらの繊維を大気中で700〜1
100℃に0.5〜5.0時間保持し冷却後、アルゴン
ガス雰囲気中で1200〜1600℃に2〜3時間保持
する。
In the present embodiment, silicon carbide-based tyrano fiber was used as the reinforcing fiber prepared in step n1, but other reinforcing fibers such as carbon fiber, glass fiber, silicon nitride fiber, alumina fiber, heat-resistant metal Fiber or the like is used. When non-oxide ceramic fibers such as carbides and nitrides are used, an oxide layer may be formed in step n13 on the surface of the fiber prepared in step n1, and the oxide layer may be crystallized and stabilized. preferable. Thereby, the oxidation resistance of the fiber itself and the oxidation resistance of the fiber reinforced ceramics using the fiber as the reinforcing fiber can be improved. The treatment method is as follows.
After cooling at 100 ° C. for 0.5 to 5.0 hours and cooling, it is kept at 1200 to 1600 ° C. for 2 to 3 hours in an argon gas atmosphere.

【0025】次に溶液中のセラミックス前駆体の濃度と
セラミックス粉末添加量について検討する。セラミック
ス前駆体濃度とセラミックス粉末添加量を変化させて、
強化繊維(チラノ繊維)に含浸させ作製したプリプレグ
を用いて成形性をテストした。その結果を図5に示す。
○印が成形可のもの、×印は成形不可のもの、△印は成
形やや可のものを示し、点線は本発明の範囲を示す。
Next, the concentration of the ceramic precursor in the solution and the amount of ceramic powder added will be examined. By changing the ceramic precursor concentration and the amount of ceramic powder added,
The moldability was tested using a prepreg prepared by impregnating a reinforcing fiber (Tyranno fiber). The result is shown in FIG.
印 indicates that molding is possible, X indicates that molding is impossible, △ indicates molding is somewhat acceptable, and the dotted line indicates the scope of the present invention.

【0026】図6は、セラミックス粉末を10%(容
量)添加した溶液L1とセラミックス粉末を添加しない
溶液L2(セラミックス前駆体濃度はいずれも50%)
をチラノ繊維に含浸し、以後は同一条件で処理した繊維
強化セラミックスの曲げ強度と緻密化回数の関係を示す
グラフである。このグラフからセラミックス粉末を加え
た溶液で処理したものは、加えない溶液よりも同一の緻
密化回数で比較すれば、曲げ強度が大きいことがわか
る。また同一の曲げ強度の繊維強化セラミックスを得る
ためには、セラミックス粉末を加えない溶液による処理
では、多くの緻密化回数が必要である。
FIG. 6 shows a solution L1 containing 10% (by volume) of ceramic powder and a solution L2 containing no ceramic powder (ceramic precursor concentration is 50%).
5 is a graph showing the relationship between the bending strength and the number of densifications of fiber reinforced ceramics which were impregnated with Tyranno fibers and treated under the same conditions thereafter. From this graph, it can be seen that the one treated with the solution to which the ceramic powder is added has a higher flexural strength than the solution without the addition of the same number of densifications. Further, in order to obtain a fiber reinforced ceramic having the same bending strength, a large number of densifications are required in a treatment with a solution to which no ceramic powder is added.

【0027】図7は、曲げ強度試験を行って、破断した
面の走査型電子顕微鏡写真である。図7(1)はセラミ
ックス粉末を添加しない溶液を含浸したもの、図7
(2)はセラミックス粉末を10%(容量)添加した溶
液を含浸したものである。なお含浸後の処理は同じであ
る。図7(1)では繊維とマトリックスとが一体化して
破断面で引きちぎられた状態になっている。これに対し
て図7(2)では繊維としてマトリックスの界面は緩い
結合であり、繊維は引抜けている。繊維が引抜けるとき
靭性が高められ、曲げ強度が増したものと考えられる。
FIG. 7 is a scanning electron micrograph of a fractured surface after the bending strength test. FIG. 7 (1) shows a case in which a solution to which no ceramic powder was added was impregnated.
(2) impregnated with a solution to which 10% (volume) of ceramic powder is added. The treatment after the impregnation is the same. In FIG. 7A, the fiber and the matrix are integrated and are torn at the fracture surface. On the other hand, in FIG. 7 (2), the interface of the matrix as a fiber is a loose bond, and the fiber is pulled out. It is considered that when the fiber was pulled out, the toughness was increased and the bending strength was increased.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、セラミッ
クス粉末を添加したセラミックス前駆体溶液を強化繊維
に含浸させ、加熱加圧して強化繊維に含浸されたセラミ
ックス前駆体およびセラミックス粉末を強化繊維と複合
化し、セラミックスを架橋化したプリフォームを作る。
さらにセラミックスマトリックスの充填率を向上するた
めに、セラミックス粉末を添加しないセラミックス前駆
体溶液にプリフォームを加圧下で浸漬し、セラミックス
前駆体を含浸させる緻密化を行う。これによって、セラ
ミックスマトリックスの充填率が向上し、焼成後曲げ強
度の高い繊維強化セラミックスが得られる。
As described above, according to the present invention, the reinforcing fiber is impregnated with the ceramic precursor solution to which the ceramic powder is added, and the ceramic precursor and the ceramic powder impregnated into the reinforcing fiber are heated and pressed to form the reinforcing fiber. To form a preform in which ceramics are crosslinked.
In order to further improve the filling rate of the ceramic matrix, the preform is immersed under pressure in a ceramic precursor solution to which no ceramic powder is added, and densification for impregnating the ceramic precursor is performed. Thereby, the filling rate of the ceramic matrix is improved, and a fiber-reinforced ceramic having high bending strength after firing is obtained.

【0029】また本発明によれば、緻密化とその後の加
熱を交互に複数回行い、さらにセラミックスマトリック
スの充填率を向上することができる。
Further, according to the present invention, the densification and the subsequent heating are alternately performed a plurality of times to further improve the filling rate of the ceramic matrix.

【0030】また非酸化物セラミックス繊維の表面を酸
化し、生じた酸化物層を結晶化した強化繊維を用いて高
い耐酸化性の繊維強化セラミックスを得ることができ
る。
Further, a fiber-reinforced ceramic having high oxidation resistance can be obtained by using a reinforcing fiber obtained by oxidizing the surface of the non-oxide ceramic fiber and crystallizing the generated oxide layer.

【0031】また前記によって製造された繊維強化セラ
ミックスの表面をガラスコーティングすることによって
一層高い耐酸化性の製品が得られる。
Further, by coating the surface of the fiber reinforced ceramics manufactured as described above with glass, a product having higher oxidation resistance can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例のフローを示すフローチャー
トである。
FIG. 1 is a flowchart showing a flow of an embodiment of the present invention.

【図2】プリプレグ積層体を作る工程を説明する断面図
である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a step of producing a prepreg laminate.

【図3】オートクレーブ処理の加温・加圧パターンの一
例を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing an example of a heating / pressing pattern in an autoclave process.

【図4】焼成の加熱・加圧パターンの一例を示すグラフ
である。
FIG. 4 is a graph showing an example of a heating / pressing pattern for firing.

【図5】セラミックス前駆体溶液中のセラミックス前駆
体濃度とセラミックス粉末添加量とプリフォーム成形性
との関係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the ceramic precursor concentration in the ceramic precursor solution, the amount of ceramic powder added, and the preform moldability.

【図6】緻密化回数と曲げ強度との関係を示すグラフで
ある。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the number of densification and bending strength.

【図7】曲げによって破断した面の走査型電子顕微鏡写
真である。
FIG. 7 is a scanning electron micrograph of a surface broken by bending.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

L1 セラミックス前駆体溶液にセラミックス粉末を加
えた場合 L2 セラミックス前駆体溶液にセラミックス粉末を加
えない場合
L1 When ceramic powder is added to ceramic precursor solution L2 When ceramic powder is not added to ceramic precursor solution

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 B29K 105:12 (72)発明者 槻木 啓一 岐阜県各務原市川崎町1番地 川崎重工 業株式会社 岐阜工場内 (72)発明者 西尾 光司 兵庫県明石市川崎町1番1号 川崎重工 業株式会社 明石工場内 (72)発明者 井頭 賢一郎 兵庫県明石市川崎町1番1号 川崎重工 業株式会社 明石工場内──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Agency reference number FI Technical display location B29K 105: 12 (72) Inventor Keiichi Tsukiki 1 Kawasaki-cho, Kakamigahara-shi, Gifu Prefecture Kawasaki Heavy Industries, Ltd. Gifu Inside the plant (72) Inventor Koji Nishio 1-1, Kawasaki-cho, Akashi-shi, Hyogo Prefecture Inside the Akashi Kawasaki Heavy Industries, Ltd. in the factory

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 セラミックスを強化繊維と複合させた繊
維強化セラミックスの製造方法において、 セラミックス前駆体溶液に、セラミックス粉末を添加す
る工程と、 前記セラミックス粉末を添加したセラミックス前駆体溶
液を強化繊維に含浸させ、プリプレグを形成する工程
と、 前記プリプレグを所定の形状寸法に積層した積層体をオ
ートクレーブ内で加熱加圧し、溶剤の除去とセラミック
ス前駆体の溶融とを行った後、冷却固化して所定形状の
プリフォームを形成する工程と、 前記プリフォームを不活性ガス雰囲気中で加熱する1次
焼成工程と、 セラミックス前駆体溶液中に前記1次焼成されたプリフ
ォームを浸漬し、不活性ガス雰囲気下において加熱、加
圧する緻密化工程と、 前記緻密化されたプリフォームを、不活性ガス中で加熱
する2次焼成工程とを含むことを特徴とする繊維強化セ
ラミックスの製造方法。
1. A method for producing a fiber-reinforced ceramic in which a ceramic is combined with a reinforcing fiber, a step of adding a ceramic powder to a ceramic precursor solution, and impregnating the reinforcing fiber with the ceramic precursor solution to which the ceramic powder is added. And a step of forming a prepreg, and heating and pressurizing a laminate obtained by laminating the prepreg in a predetermined shape and size in an autoclave, removing a solvent and melting a ceramic precursor, and then cooling and solidifying to a predetermined shape. Forming a preform, a primary firing step of heating the preform in an inert gas atmosphere, and immersing the primary fired preform in a ceramic precursor solution under an inert gas atmosphere. And a densification step of heating and pressurizing, and heating the densified preform in an inert gas. And a secondary firing step.
【請求項2】 前記緻密化工程と2次焼成工程とを交互
に複数回繰返すことを特徴とする請求項1記載の繊維強
化セラミックスの製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the densification step and the secondary firing step are alternately repeated a plurality of times.
【請求項3】 前記強化繊維が、非酸化物セラミックス
繊維を大気中で700〜1100℃に加熱し、前記繊維
の表面に酸化物層を形成する工程と、これを冷却した後
不活性ガス雰囲気中で1200〜1600℃に加熱する
結晶化工程とによって繊維表面に酸化物結晶を有するこ
とを特徴とする請求項1または請求項2に記載の繊維強
化セラミックスの製造方法。
3. A step of heating the non-oxide ceramic fiber to 700 to 1100 ° C. in the air to form an oxide layer on the surface of the fiber, and cooling the fiber to an inert gas atmosphere after cooling. The method for producing fiber-reinforced ceramics according to claim 1 or 2, wherein the crystallization step of heating to 1200 to 1600 ° C has an oxide crystal on the fiber surface.
【請求項4】 請求項1または請求項2の工程によって
製造された繊維強化セラミックス表面に、SiO2,B2
3,Al23,Na2O,CaO,MgO,Li2 Oか
ら選ばれた1種または2種以上の混合物から成るガラス
成分を塗布し、乾燥後加熱硬化して、前記ガラス成分を
ガラス化する工程を加えることを特徴とする繊維強化セ
ラミックスの製造方法。
4. The method according to claim 1 or 2 , wherein the surface of the fiber reinforced ceramics is SiO 2 , B 2
A glass component consisting of one or a mixture of two or more selected from O 3 , Al 2 O 3 , Na 2 O, CaO, MgO, and Li 2 O is applied, dried, and then heat-cured to cure the glass component. A method for producing fiber-reinforced ceramics, which comprises a step of vitrification.
【請求項5】 前記セラミックス前駆体溶液が、セラミ
ックス前駆体を45〜75%(重量)含むキシレン溶液
であり、前記セラミックス前駆体に添加されるセラミッ
クス粉末の量が5〜30%(容量)であることを特徴と
する請求項1〜請求項4のいずれかに記載の繊維強化セ
ラミックスの製造方法。
5. The ceramic precursor solution is a xylene solution containing 45 to 75% (by weight) of the ceramic precursor, and the amount of ceramic powder added to the ceramic precursor is 5 to 30% (by volume). The method for producing a fiber-reinforced ceramic according to any one of claims 1 to 4, wherein
【請求項6】 前記プリプレグをオートクレーブ中で処
理する条件が、缶内圧力2〜10kg/cm2 、缶内温
度100〜400℃であることを特徴とする請求項1〜
請求項5のいずれかに記載の繊維強化セラミックスの製
造方法。
6. The conditions in which the prepreg is treated in an autoclave are a pressure in the can of 2 to 10 kg / cm 2 and a temperature in the can of 100 to 400 ° C.
A method for producing the fiber-reinforced ceramics according to claim 5.
【請求項7】 前記緻密化工程が槽内圧力5kg/cm
2G以上、液温度120℃以上のセラミックス前駆体溶
液槽中で行われることを特徴とする請求項1〜請求項6
のいずれかに記載の繊維強化セラミックスの製造方法。
7. The method according to claim 1, wherein the densification step includes a pressure in the tank of 5 kg / cm.
7. The method is performed in a ceramic precursor solution bath having a temperature of 2 G or more and a liquid temperature of 120 ° C. or more.
The method for producing a fiber-reinforced ceramic according to any one of the above.
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