JP4616442B2 - Carbonaceous material having oxidation-resistant protective layer and method for producing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気中で少なくとも800℃で実質的に酸化されることがない耐酸化保護層を有する炭素質材料、同炭素質材料の製造方法、および同複合材料の用途に関する。
【0002】
【従来の技術】
今日においては、技術革新が急速に進む中で、大気中で少なくとも800℃、好ましくは、1000℃以上の高温下でも実質的に酸化されることがない材料の出現が、宇宙往還機やスペースプレーン等の宇宙開発分野や、酸素の存在下で使用される窯道具や、セラミックコンデンサー用のセッター、壁掛け型の大型ディスプレ−として知られているプラズマテレビ用の保護ガラスの製造等といった分野で特に熱望されている。勿論、このような分野で使用するためには、高温における高強度(高い耐熱衝撃性)と材料としての高い信頼性(靱性、耐衝撃性、耐摩耗性)、耐環境性(耐食性、耐酸化性、耐放射線性)等に加え、省エネルギー、容作業性の観点から軽量性が要求されることはいうまでもない。
【0003】
このような分野の内、一部の分野においては、従来から、耐熱性に優れ、かつ高強度である窒化珪素や炭化珪素材料が用いられてきたが、固有の性質として脆さという欠点を有しており、小さな傷に対しても極めて脆く、熱的、機械的衝撃に対しても充分な強度を有していなかった。
【0004】
また、このセラミックスの欠点を克服する手段として、連続したセラミックス系繊維を複合化させたセラミックス系複合材料(CMC)が開発され、一部分野での用途開発が行われている。そのような試みの中には、直径が10μm前後のセラミックス長繊維を、通常、数百本〜数千本束ねて繊維束(ヤーン)を形成し、この繊維束を二次元または三次元方向に配列して一方向シート(UDシート)や各種クロスとしたり、また上記シートやクロスを積層したりすることにより、所定形状の予備成形体(繊維プリフォーム)を形成し、この予備成形体の内部に、CVI法(化学的気相含浸法)や無機ポリマー含浸焼成法等によりマトリックスを形成したり、または、上記予備成形体内部にセラミック粉末を鋳込み成形法によって充填した後に焼成することにより、マトリックスを形成して、セラミックマトリックス中に繊維を複合化したセラミックス系繊維複合材料(CMC)が開発されている。
【0005】
このような、CMCの具体例としては二次元または三次元方向に配列した炭素繊維の間隔に炭素からなるマトリックスを形成してなるC/Cコンポジット、SiC繊維とSiC粒子を含む成形体にSiを含浸させて形成されるSiC繊維強化Si−SiC複合体等が知られている。しかし、このようなSiC繊維強化Si−SiC複合体は、耐酸化性、耐クリープ性、耐スポーリング性等には優れるものの、SiC繊維はSi−SiC等との潤滑性に劣るため、母体と繊維間の引き抜き効果が小さいことから、C/Cコンポジットに比べて靭性に劣り、そのため耐衝撃性が低く、また、一部に炭素繊維を使用しているので酸素の存在下では、容易に燃焼してしまうという問題がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高温における高強度(高い耐熱衝撃性)と、材料としての高い信頼性(靱性、耐衝撃性、耐摩耗性)、耐環境性(耐食性、耐酸化性、耐放射線性)等に加え、省エネルギー、容作業性の観点から軽量性を併せ充足するとともに、大気中で少なくとも800℃、好ましくは、1000℃以上の高温下でも実質的に酸化されることがない新規な炭素質材料、および同炭素質材料の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の様な現状に鑑みて種々検討した結果、大気中で少なくとも800℃で実質的に酸化されることがない耐酸化保護層を有する炭素質材料により上記の目的が達成されることを見いだして、本発明を完成させたものである。さらに、炭素質材料の表面に少なくともホウ素含有層と、さらに、所望に応じてガラスおよび/またはセラミックスからなる層とを、大気中で少なくとも800℃で実質的に酸化されることがない耐酸化保護層として、形成することを特徴とする、大気中で少なくとも800℃で実質的に酸化されることがない耐酸化保護層を有する炭素質材料の製造方法により、上記の目的を達成することを見いだして、本発明を完成させたものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明に係る炭素質材料は、その基材として、主として炭素繊維からなる原料を使用するものである。本発明に使用する炭素質材料としては、先ず第1に、炭素繊維が挙げられる。このような炭素繊維としては、その製法、使用原料を問わず使用可能である。実際の使用に際しては、炭素繊維をバインダー等を使用して、所定形状に成形して、使用する。耐久性の点から以下にいうC/Cコンポジットが好ましい。さらに、このC/CコンポジットにSiを含浸させた複合材料も、本発明でいう炭素質材料に含むものである。かかるSiを含浸させた複合材料としては、以下に定義し、詳述するSi−SiC系複合材料、SiC系複合材料が好適に使用される。なお、ここで、本明細書においては、炭素質材料とは、炭素繊維それ自体はいうまでもなく、広義には、炭素繊維に含まれる、C/Cコンポジットをも含むものである。加えて、このC/Cコンポジットに所定量の金属珪素を含浸して得られる、特定の加工をした炭素質材料である、Si−SiC系複合材料もSiC系複合材料も炭素質材料に含むものである。これらのものの性状、製造方法等については以下に詳述することとする。なお、称呼上の混乱を避けるために、本明細書の以下の記述においては、炭素質材料とは、C/Cコンポジット、Si−SiC系複合材料、およびSiC系複合材料をも包含する用語として使用する。従って、本発明においては、基材としては、狭義の炭素繊維のみならず、上述の複合材料の両者が使用可能である。
【0009】
本明細書において、C/Cコンポジットとは、炭素繊維の束のマトリックスとして作用する粉末状のバインダーであって、焼成後には炭素繊維の束に対して遊離炭素となるピッチ、コークス類を包含させ、さらに必要に応じてフェノール樹脂粉末等を含有させることによって、炭素繊維束を調製し、この炭素繊維束の周囲に、熱可塑性樹脂等のプラスチックからなる柔軟な被膜を形成し、柔軟性中間材としてのプレフォームドヤーンを得る。このプレフォームドヤーンを、特開平2−80639号公報に記載されている方法によりシート状または織布状にし、必要量を積層した後、ホットプレスで成形し得られた成形体、または、この成形体を焼成して得られる焼成体をいう。すなわち、本発明においてC/Cコンポジットとは、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素とから構成され、該炭素繊維は、特定の本数からなる炭層繊維束からなる積層構造を構成しており、炭素繊維以外の炭素は、該積層構造と積層構造との間の空隙をマトリックスを形成して、埋めている構造を有する、特定積層構造とマトリックスの構造からなることを特徴とする複合材料をいう。
【0010】
基本素材として使用するC/Cコンポジットとしては、直径が10μm前後の炭素繊維を、通常、数百本〜数万本束ねて繊維束(ヤーン)を形成し、この繊維束を熱可塑性樹脂で被覆して調製した柔軟性糸状中間材を得、これを特開平2−80639号公報に記載されている方法によりシート状にし、このシート状としたものを二次元または三次元方向に配列して一方向シート(UDシート)や各種クロスとしたり、また上記シートやクロスを積層したりすることにより、所定形状の予備成形体(繊維プリフォーム)を形成し、該予備成形体の繊維束の外周に形成されている有機物からなる熱可塑性樹脂等の被膜を焼成し、上記の同皮膜を炭化除去したものを使用すればよい。なお、本明細書に於いて、参考のために特開平2−80639号公報の記載を引用する。本発明に於いて使用するC/Cコンポジットは、上記のヤーン中の炭素繊維以外の炭素成分は、好ましくは炭素粉末であり、特に好ましくは黒鉛化した炭素粉末である。
【0011】
本発明において、Si−SiC系複合材料とは、55重量%〜75重量%の炭素と、1重量%〜10重量%の珪素と、10重量%〜50重量%の炭化珪素とから構成され、少なくとも炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成分とを含有するヤーンが層方向に配向しつつ三次元的に組み合わされ、互いに分離しないように一体化されているヤーン集合体と、このヤーン集合体中で隣り合う前記ヤーンの間に充填されているSi−SiC系材料からなるマトリックスとを備え、0.05〜0.6の動摩擦係数と、0.5%〜10%に制御された気孔率とを有する複合材料をいう。この材料は、平成10年9月4日付の出願に係る特願平10−267402号に開示された方法により製造することができる。従って、特願平10−267402号の内容をここに引用する。
【0012】
なお、ここで、Si−SiC系材料とは、未反応の状態で残存する珪素からなる珪素相からほぼ純粋な炭化珪素に至るまでの、いくつかの相異なる相を含む、典型的には珪素相と炭化珪素相からなるが、炭化珪素相には、珪素の含有量が傾斜的に変化しているSiC共存相を含みうるものをいう。従って、Si−SiC系材料とは、このようにSi−SiC系列において、炭素の濃度として、0mol%から50mol%までの範囲以内で含まれてる材料の総称である。本発明に係るSi−SiC系複合材料においては、マトリックス部がSi−SiC系材料により形成されていることとなる。
【0013】
また、このSi−SiC系複合材料は、好ましくは、ヤーンの表面から離れるのに従って珪素の含有比率が上昇する傾斜組成を有するマトリックスを有している。また、このSi−SiC系複合材料においては、好ましくは、炭素繊維からなるヤーン集合体は、複数のヤーン配列体から構成されており、各ヤーン配列体はそれぞれ特定本数の炭素繊維を束ねて構成したヤーンをほぼ平行に二次元的に配列することによって形成されており、各ヤーン配列体が積層されることによってヤーン集合体が構成されている。これによって、Si−SiC系複合材料は、複数層のヤーン配列体を特定方向に積層した積層構造を有することになる。
【0014】
図1は、ヤーン集合体の概念を説明するための概略斜視図であり、図2(a)は図1のIIa−IIa線断面図であり、図2(b)は図1のIIb−IIb線断面図である。Si−SiC系複合材料7の骨格は、ヤーン集合体6によって構成されている。ヤーン集合体6は、ヤーン配列体1A、1B、1C、1D、1E、1Fを上下方向に積層してなる。各ヤーン配列体においては、各ヤーン3が二次元的に配列されており、各ヤーンの長手方向がほぼ平行である。上下方向に隣り合う各ヤーン配列体における各ヤーンの長手方向は、直交している。すなわち、各ヤーン配列体1A、1C、1Eの各ヤーン2Aの長手方向は、互いに平行であり、かつ各ヤーン配列体1B、1D、1Fの各ヤーン2Bの長手方向に対して直交している。各ヤーンは、炭素繊維と、炭素繊維以外の炭素成分とからなる繊維束3からなる。ヤーン配列体が積層されることによって、三次元格子形状のヤーン集合体6が構成される。各ヤーンは、後述するような加圧成形工程の間に押しつぶされ、略楕円形になっている。
【0015】
各ヤーン配列体1A、1C、1Eにおいては、隣り合う各ヤーンの間隙には、マトリックス8Aが充填されており、各マトリックス8Aはヤーン2Aの表面に沿ってそれと平行に延びている。各ヤーン配列体1B、1D、1Fにおいては、隣り合う各ヤーンの間隙には、マトリックス8Bが充填されており、各マトリックス8Bは、ヤーン2Bの表面に沿ってそれと平行に延びている。
本例では、マトリックス8A、8Bは、それぞれ、各ヤーンの表面を被覆する炭化珪素相4A、4Bと、炭化珪素相4A、4Bよりも炭素の含有割合が少ないSi−SiC系材料相5A、5Bからなっている。炭化珪素相中にも珪素を一部含有していてよい。また、本例では、上下方向に隣接するヤーン2Aと2Bとの間にも、炭化珪素相4A、4Bが生成している。
【0016】
各マトリックス8Aと8Bとは、それぞれヤーンの表面に沿って細長く、好ましくは直線状に延びており、各マトリックス8Aと8Bとは互いに直交している。そして、ヤーン配列体1A、1C、1Eにおけるマトリックス8Aと、これに直交するヤーン配列体1B、1D、1Fにおけるマトリックス8Bとは、それぞれヤーン2Aと2Bとの間隙部分で連続している。この結果、マトリックス8A、8Bは、全体として、三次元格子を形成している。
【0017】
本発明において、SiC系複合材料とは、炭化珪素と炭素繊維と炭素繊維以外の炭素成分とから構成され、骨格部と骨格部の周囲に形成されマトリックスとからなる構造を有するSiC−C/Cコンポジット複合材料であって、炭化珪素の少なくとも50%はβ型で、骨格部は、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素成分により形成されており、その骨格部の一部分には炭化珪素が存在していてもよく、マトリックスは、炭化珪素により形成され、前記マトリックスと前記骨格部とは一体的に形成されており、かつ、前記複合材料は0.5%〜5%の気孔率と二山型の平均気孔径の分布を有する複合材料をいう。
【0018】
従って、このSiC系複合材料は、骨格部として、各炭素繊維が炭素繊維束から構成されているC/Cコンポジットを用いており、そのため、その一部にSiCが形成されていても、各炭素繊維としては炭素繊維としての構造が、破壊されることなく保持されているために炭素繊維が炭化珪素化により短繊維化することがないので、原料であるC/Cコンポジットの有する機械的強度がほぼ保持されるか、炭化珪素化により増大するという大きな特徴を有している。しかも、ヤーン集合体中で隣り合うヤーンの間に、SiC系材料からなるマトリックスが形成された複合構造を有している。この点で、上記のSi−SiC系複合材料とは異なる。なお、この材料は、平成11年2月9日付の出願に係る特願平11−31979号に開示された方法により製造することができる。従って、特願平11−31979号の内容をここに引用する。
【0019】
本発明において、SiC系材料とは、炭素との結合度を異にする炭化珪素を含有する材料をいい、このSiC系材料は以下のようにして製造されるものをいう。本発明では、C/Cコンポジットに対して、金属珪素を含浸させるが、その際、金属珪素はコンポジット内の炭素繊維を構成する炭素原子および/または炭素繊維の表面に残存している遊離炭素原子と反応し、一部が炭化されるために、C/Cコンポジットの最表面や炭素繊維からなるヤーンとヤーンとの間には、一部炭化された珪素が生成し、かくして上記のヤーンとヤーンとの間には炭化珪素からなるマトリックスが形成される。
【0020】
このマトリックスにおいては、極微量の珪素と炭素とが結合したが炭化珪素質の相から、純粋な炭化珪素結晶相に至るまで、いくつかの相異なる相を含みうる。しかし、このマトリックスには、X線による検出限界(0.3重量%)以下の金属珪素しか含まれない。つまり、このマトリックスは、典型的には炭化珪素相からなるが、炭化珪素相には、珪素の含有量が傾斜的に変化しているSiC質相を含みうる。従って、SiC系材料とは、このようなSiC系列において、炭素の濃度として、少なくとも0.01mol%以上から50mol%までの範囲以内で含まれてる材料の総称である。なお、炭素濃度が、0.01mol%未満に制御するには、C/Cコンポジット中の遊離炭素の量とに関係で、添加する金属珪素の量の厳密な計量が要求されることと、最終工程での温度管理が複雑になるので実質的でない。従って、理論的には、炭素濃度を0.001mol%程度まで制御することは可能である。
【0021】
このSi系複合材料について、図面を使用してさらに説明することとする。このSiC系複合材料の骨格部も、基本的には図1に示したものと同じである。本発明に係るSiC系複合材料を、図1においてのIIa−IIa線で切断した場合の断面図は、図3(a)、同じく図1においてのIIb−IIb線で切断した場合の断面図は、図3(b)として示す。
SiC系複合材料17の骨格は、Si−SiC系複合材料7の骨格と同様に、ヤーン集合体16によって構成されている。ヤーン集合体16は、ヤーン配列体11A、11B、11C、11D、11E、11Fを上下方向に積層してなる。各ヤーン配列体においては、各ヤーン13が二次元的に配列されており、各ヤーンの長手方向がほぼ平行である。上下方向に隣り合う各ヤーン配列体における各ヤーンの長手方向は、直交している。すなわち、各ヤーン配列体11A、11C、11Eの各ヤーン12Aの長手方向は、互いに平行であり、かつ各ヤーン配列体11B、11D、11Fの各ヤーン12Bの長手方向に対して直交している。各ヤーンは、炭素繊維と、炭素繊維以外の炭素成分とからなる繊維束13からなる。ヤーン配列体が積層されることによって、三次元格子形状のヤーン集合体16が構成される。各ヤーンは、後述するような加圧成形工程の間に押しつぶされ、やや楕円形になっている。
【0022】
各ヤーン配列体11A、11C、11Eにおいては、隣り合う各ヤーンの間隙には、マトリックス18Aが充填されており、各マトリックス18Aはヤーン12Aの表面に沿ってそれと平行に延びている。各ヤーン配列体11B、11D、11Fにおいては、隣り合う各ヤーンの間隙には、マトリックス18Bが充填されており、各マトリックス18Bは、ヤーン12Bの表面に沿ってそれと平行に延びている。図3(a)および図3(b)に示したように、マトリックス18A、18Bは、それぞれ、各ヤーンの表面を被覆する炭化珪素相14からなっている。炭化珪素相の一部は、小突起部19として表面に突出するか、あるいは、複合部材の内部においては、炭素繊維層に突出していてもよい。この様な小突起部の内部には、中央値が約100μmの孔径を有する気孔(空隙:15)が形成されている。なお、この小突起部19は、殆どが原料のC/Cコンポジットの炭素繊維以外の炭素成分からなるマトリックスの跡に沿って形成されるので、ヤーンとヤーンとの間隔および/またはヤーン配列体とヤーン配列体との間隔を適宜選択することにより、単位面積当たりの小突起部19の密度を調整することが可能である。隣接するヤーン12Aと12Bとの間にも、炭化珪素相14が形成されていてもよい。
【0023】
各マトリックス18Aと18Bとは、それぞれヤーンの表面に沿って細長く、好ましくは直線状に延びており、各マトリックス18Aと18Bとは互いに直交している。そして、ヤーン配列体11A、11C、11Eにおけるマトリックス18Aと、これに直交するヤーン配列体11B、11D、11Fにおけるマトリックス18Bとは、それぞれヤーン12Aと12Bとの間隙部分で連続している。この結果、マトリックス18A、18Bは、全体として、三次元格子を形成している。
【0024】
次に、本発明に係る、大気中で少なくとも800℃で実質的に酸化されることがない、耐酸化保護層を有する炭素質材料について説明する。本発明に係るこの炭素質材料は、上記の様に所定の形状を有する炭素質材料に、大気中でも800℃を超える高温下でも、実質的に酸化されることがない耐酸化性保護膜が形成されている材料をいう。ここで、実質的に酸化されないとは、大気中で、所定の高温、例えば、800℃の条件下で、試料を少なくとも24時間保持したときに、重量の増減が0.5%以下のことをいう。大気中で少なくとも800℃で実質的に酸化されることがない耐酸化保護層としては、ホウ素含有層、ガラス、およびセラミックスから選らればれた少なくとも1層からなる層をいう。複数からなる耐酸化保護層の例としては、ホウ素含有層とガラスからなる層、ホウ素含有層とセラミックスからなる層、ホウ素含有層、およびセラミックスとガラスからなる層等が挙げられる。勿論、セラミックス層としては、相異なる複数のセラミックス層から形成されているものも含むことはいうまでもない。これらの層の積層の順序は、所望とする性能、使用状況等により適宜選択すればよいことはいうまでもない。勿論、上記以外の層を上記の層と層の間に設けてもよい。
【0025】
なお、ホウ素含有層が少なくとも形成されていることが必要である。好ましくは、ホウ素含有層は、通常、より基体表面に近い層、好ましくは、最内層、すなわち、所定の形状をした炭素質材料の表面の上に直接形成されていることが好ましい。このように構成することにより、最表面に形成された耐酸化保護層に何かの原因で、剥離やひび割れ等が生じても、ホウ素含有層の有する耐酸化特性により炭素質材料が保護されることとなるからである。勿論、所望により、ホウ素含有層と基材である炭素質材料の表面との間に、プライマー層やセラミックスからなる層等を設けてもよい。
【0026】
ホウ素含有層を本願発明に係る炭素質材料の使用態様に応じて、最外層に設けてもよい。例えば、最外層として、炭化ホウ素を使用した場合には、400℃以上の酸化雰囲気中に曝された場合には、炭化ホウ素が酸化され、溶融状態の酸化ホウ素が形成され、炭素質材料である基体表面を保護することができる。勿論、長時間400℃以上の酸化雰囲気中に曝されされる場合には、炭化ホウ素層が全部酸化ホウ素となり、基体表面が露出することとなり、基体表面が容易に酸化されてしまう。従って、長期間に亘り400℃以上の酸化雰囲気中に曝されされる様な用途では、最表面が、ガラスからなる層やセラミックスからなる層が形成されたものを使用することが好ましい。
【0027】
ホウ素含有層の厚さは10μm〜500μm、好ましくは50μm〜200μmである。10μm未満では、均質な連続層としてホウ素含有層を形成することが困難であるからである。また、500μmを超えて炭化ホウ素層を形成させても、耐酸化性の向上は期待できず、ホウ素含有材料が高価であることから経済的でない。ホウ素含有層は、直接材料表面に塗布して形成することも可能であり、また、溶射や、CDV法により形成することができる。アルゴンなどの不活性ガスと共にホウ素含有材料を炭素質材料の表面に溶射することにより形成することができる。なお、ホウ素含有層を形成するのに、使用するホウ素含有材料としては、ホウ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、窒化ホウ素、炭化ホウ素等の耐酸化性の高い材料が挙げられる。なかでも、耐酸化性の観点からは、炭化ホウ素が好ましい。
【0028】
ガラスからなる耐酸化保護層は、高温での耐酸化性を高めるので好ましい。ガラスとしては、高融点ガラス、例えば、コーニング社製のパイレックスガラス(登録商標)が挙げられる。このものも、ホウ素含有層と同様に溶射により、層形成を行えばよい。この層の厚さは、ホウ素含有層の厚さと同じ、10μm〜500μmである。10μm未満では、800℃を超す高温、例えば、1000℃を超す高温に曝されたときに、充分な耐酸化性を示さないことがあるので好ましくない。500μmを超えてこのガラス層を形成させても、特に、耐酸化性の向上は期待できず、折角基体として使用されている炭素質材料が有する軽量性という利点を損なうことにもなりかねないので好ましくない。
【0029】
セラミックスからなる層としては、第IIIa族,第IIIb族,第IVa族〜第VIa族元素の酸化物、炭化物、窒化物、あるいはこれらの混合物を主成分として含むものから形成されたものをいう。より好ましくは、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の酸化物、あるいは、珪素、チタン、ジルコニウム等の炭化物、または、これら金属の窒化物から選ばれた材料を主成分とするものが挙げられる。なお、セラミックスからなる層を設ける場合には、ガラスに比較して、弾性率が高いために、熱膨張係数が同じでも、高い熱応力が発生しやすい。熱応力を緩和するために、マイクロクラックを内在させたセラミックスからなる層を、形成することが好ましい。マイクロクラックは、それ自体は、酸素を透過するが、ホウ素含有層を内層として、組み合わせて使用することにより、酸化により生成した酸化ホウ素がマイクロクラックの微細構造中に保持され、結果として、酸素の進入を阻止することができる。
【0030】
マイクロクラックを内在させたセラミックスからなる層とは、アルミナ、および/またはジルコニアからなる層をいう。これらの酸化物からなる層は、ホウ素含有層、例えば、炭化ホウ素が酸化条件下に曝されとき、酸化ホウ素が生成し、生成した酸化ホウ素は、炭素に吸着されないので、系外に流出してしまい、保護層としての用をなさなくなるのを防止する作用を示す。アルミナ、および/またはジルコニアからなる層は、基体である炭素質材料の炭素繊維と炭素繊維との間隙に無数の微細な孔が形成されたスポンジ様構造体を形成しており、この構造体に酸化により生成した酸化ホウ素が吸着されて、酸化ホウ素とアルミナ、および/またはジルコニアからなる、いわゆる耐酸化性のガラス層が形成されて、炭素繊維からなる基体の表面を保護することができるという作用を示すものである。このようなスポンジ様の酸化物層の上に、ガラス、またはセラミックスからなる層をさらに形成してもよい。これにより、一層の耐酸化性が発揮させることとなる。なお、ホウ素含有層とセラミックスからなる層、および/またはガラスからなる層間等、各層間の熱膨張係数の比は、熱応力の発生を防止する観点から1:2またはそれ以下であることが好ましい。
【0031】
セラミックスからなる層として、釉薬からなる層を形成してもよい。釉薬からなる層は、ガラスからなる耐酸化保護層と比較して若干低いものの、800℃を超す高温での耐酸化性をより確実にすることができるので好ましい。釉薬としては、ガラス製の釉薬、および琺瑯製の釉薬が好適に使用される。ガラス製の釉薬としては、例えば、池袋琺瑯社製の琺瑯である、GL−400およびGL−700系のものが好適に使用される。琺瑯製の釉薬としては、通常、鉄板などの琺瑯処理に使用される、琺瑯が好適に使用される。すなわち、酸化珪素が45ないし55%、酸化ホウ素が10ないし20%、酸化アルミが5ないし10%、酸化アルカリが15ないし30%、酸化アルカリ土類が0ないし10%、その他の酸化物が5ないし15%からなる釉薬が好適に使用される。このものは、常法に従い、フリットコートし、そのコートを大気中で、約10分程度1000℃程度に加熱し、いわゆるセルフグレージングを行い、釉薬からなる耐酸化保護層を形成すればよい。この層の厚さも、ホウ素含有層と同じ厚さ、すなわち、10μm〜500μm程度でよい。10μm未満では、ほぼ800℃の高温に長時間曝されたときに、充分な耐酸化性を示さないことがあるので好ましくない。500μmを超えてこの琺瑯層を形成させても、特に、耐酸化性の向上は期待できず、折角の基体として使用されている、炭素質材料の利点である軽量性を損なうことにもなりかねないので好ましくない。
【0032】
以下に本発明に係る複合材料の製造方法である、炭素質材料の表面に少なくともホウ素含有層と、さらに、所望に応じてガラスおよび/またはセラミックスからなる層とを、大気中で少なくとも800℃で実質的に酸化されることがない耐酸化保護層として、形成することからなる、大気中で少なくとも800℃で実質的に酸化されることがない耐酸化保護層を有する炭素質材料の製造方法について、詳述することとする。基体である炭素質材料を最終用途に応じた所望の形状に加工し、このものの表面に所望とする耐酸化被膜が形成されるように選択した材料を塗布、溶射、または、CVD法等を適宜選択して形成すればよい。例えば、ホウ素含有層を溶射により形成する場合には、ホウ素含有材料を不活性ガス、例えば、アルゴンと共に溶射する。溶射条件については、特に制限はなく、通常、金属加工分野において採用されている条件に従えばよい。溶射は、所定形状保持材の各表面ごとに行ってもよく、また、全表面を同時に行ってもよいが、均一性の確保や溶射用器具の制約上、各表面ごとに行うか、あるいは所定形状保持材を一定の速度で回転させながら行うことが好ましい。溶射炭化ホウ素の厚さは、上述したように、通常は10μm〜500μm程度である。
【0033】
例えば、炭素質材料の表面に、ホウ素含有層からなるホウ素含有材料を塗布するなどして第1の保護層を形成した後、かくして形成された保護層の上にガラスからなる層および/またはセラミックスからなる層を形成する。場合よっては、琺瑯層を形成してもよい。ガラス層は、パイレックスガラス等の微粉末を炭化ホウ素と同様に溶射して、形成する。この層の厚さは、ホウ素含有層の厚さと同じ、10μm〜500μm程度である。琺瑯層は、常法に従い、上述した琺瑯材をフリットコートし、そのコートを大気中で、約10分程度1000℃程度に加熱し、いわゆるセルフグレージングを行い、琺瑯層を形成すればよい。上述した通り、耐酸化保護膜を形成する順序は、設計性能、使用目的などに応じて、選択すればよい。形成方法も、積層順序、材料の特質等を考慮して、塗布、含浸、溶射、CVD法等公知の方法を適宜選択、組み合わせて使用すればよい。
【0034】
ガラス層あるいは琺瑯層とホウ素含有層との間に、アルミナ、および/またはジルコニアからなる、マイクロクラックを内在するセラミックス層を設けてもよい。この層の場合も、溶射により行えばよい。このマイクロクラックを内在するセラミックス層とは、上述したように、ホウ素含有層が酸化条件下に曝されとき、酸化ホウ素が生成し、生成した酸化ホウ素は、炭素に吸着されないので、系外に流出してしまい、保護層としての用をなさなくなるのを防止する作用を示す。
【0035】
かくして製造される本発明に係る大気中で少なくとも800℃で実質的に酸化されることがない耐酸化保護層を有する炭素質材料は、基体として使用する、炭素質材料が、耐衝撃性が強く、熱膨張係数も低く、軽量であることから、その性質をそのまま保持しつつ、堅牢な耐酸化保護層がその表面に形成されているので、大気中でも高い耐酸化性を示すと共に、摩耗などの機械的作用に起因する微粉末の発生も極めて少ない。さらに、耐熱衝撃性の強いホウ素含有層が耐酸化保護層の少なくとも1層として形成されているので、耐熱衝撃性に富む。また、表面の平面度も、極めて高い。従って、プラズマテレビ用のガラスパネルの焼成の際の、セッター用部材や、各種窯道具用の材料等としてとして極めて好適に使用できる。
【0036】
【実施例】
以下、本発明の具体的態様について実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はその要旨を超えない限りこれらの実施例によって限定されるものではない。実施例中の耐酸化特性の測定は下記の方法で行った。
【0037】
(耐酸化性の予備試験)
試験試料を800℃に昇温した大気中に5分間試料を保持した後、重量を測定し、試験前の重量と比較して、その減少率W2を下記式により求めた。
W2=(W0−W1)/W0×100
但し、式中W0は、耐酸化性試験前の重量を、W1は耐酸化性試験後の重量を、W2は重量減少率を表す。
【0038】
(耐酸化性の測定試験)
試験試料を800℃に昇温した大気中に所定時間試料を保持した後、重量を測定し、試験前の重量と比較して、その重量の増減率W2'を下記式により求めた。
W2'=(W0−W1)/W0×100
但し、式中W0は、耐酸化性試験前の重量を、W1は耐酸化性試験後の重量を、W2'は重量の増減率を表す(減少は、数字の前に−記号を付け区別した)。
【0039】
(悪環境下の耐酸化性試験)
試験試料を3%の水蒸気を含むアルゴン雰囲気下、室温1000℃のチャンバー内に50時間保持した後、重量を測定し、試験前の重量と比較して、その減少率W2'を下記式により求めた。また、各試料の外観を肉眼および顕微鏡下で検査しひび割れ発生の有無を検査した。
W2'=(W0−W1)/W0×100
但し、式中W0は、耐酸化性試験前の重量を、W1は耐酸化性試験後の重量を、W2'は重量の増減率を表す(減少は、数字の前に−記号を付け区別した)。
【0040】
(製造例)
(1)Si−SiC系複合材料の製造
炭素繊維を一方向に引き揃えたものにフェノール樹脂を含浸させ、直径10μmの炭素長繊維を約1万本束ね、繊維束(ヤーン)を得、このヤーンを簾状にしたヤーン配列体(プリプレグシート)を作り、これを図1のように配列し、プリプレグシート積層体を得、このプリプレグシート積層体に炭素系接着剤を塗布し、ヤーン同士を固着した。固着後、型から固着体を離型させ、離型させたプリプレグシート積層体をオーブン中に入れ、含浸させたフェノール樹脂を180℃、常圧で硬化させた後、窒素雰囲気中で2000℃で焼成した。次いで得られた炭素繊維強化炭素複合材料に純度99.9%、平均粒径1mmのSi粉末を添加し、このものを炉内温度1300℃、炉内圧1hPaの焼成炉内に入れ、炉内に毎分アルゴンガスを20NLの割合で流しながら、4時間保持した。次いで、炉内圧はそのままとし、炉内温度を1600℃に昇温させて、Siを含浸させた。かくして、Si、Si−C、炭素繊維からなるSi−SiC系複合材料を得た。得られた焼成体を切断、外周加工して、9mm×9mm×9mmの大きさの試験片を製造した。
【0041】
(2)耐酸化保護層の形成▲1▼
上記(1)で得た9mm×9mm×9mmの大きさの試験片を治具にセットし、試験片を一定の速度で回転させながら、純度99.5%、平均粒度25μm以下の炭化ホウ素の粉末(ESK社製)をアルゴンプラズマで溶射し、表面に約50μmの厚さの炭化ホウ素層を予備的に形成させた。さらに、別の治具に付け替えを行った後、試験片の全面に溶射を行った。この試験片を上記の耐酸化性の予備試験に供した。比較として、同じ大きさのSi−SiC系複合材料の試験片、ISO63の耐酸化カーボンの試験片を同様に予備試験に供した。予備試験の結果は、炭化ホウ素からなる耐酸化保護層を形成させた試験片では、実質的な重量減少が認められなかった。しかし、Si−SiC系複合材料の試験片では、約33%の重量の減少が、また、ISO63の耐酸化カーボンの試験片では、約95%の重量減少が認められた。
【0042】
(3)耐酸化保護層の形成▲2▼
そこで、上記(1)で得た9mm×9mm×9mmの大きさのSi−SiC系複合材料に炭化ホウ素を溶射し、炭化ホウ素の層の厚さが50μmの炭化ホウ素の耐酸化保護層を有する複合部材を製造した。このものにさらにアルミナを溶射して、厚さ50μmのアルミナの耐酸化保護層を有する炭素質材料を製造した。この試験片を上記の耐酸化性の測定試験に供した。上記(2)で得られた本発明に係る炭素質材料の試験片も同一の試験に供した。また、比較例として、Si−SiC系複合材料の試験片も同一の試験に供した。その結果は、図4に示す。Si−SiC系複合材料の試験片の場合には、試験開始1時間後には、遊離炭素が全て燃焼してしまった。炭化ホウ素層のみの場合には、試験60時間迄は、特に変化はみられなかったが、80時間経過後には、遊離炭素が全て燃焼してしまった。この試験片の場合には、試験片を保持していたアルミナ製の治具に固着してしまった。一方アルミナをさらに溶射したものは、100時間後でも重量に変化が認められなかった。なお、試験片を保持していたアルミナ製の治具には固着しなかった。
【0043】
(4)耐酸化保護層の形成▲3▼
上記(3)の耐酸化保護層の形成▲2▼において、アルミナの代わりにアルミナとジルコニアとの1:1の混合物を溶射して、厚さ50μmのアルミナの耐酸化保護層の代わりに、厚さ50μmのアルミナとジルコニアとの1:1の混合物からなる耐酸化保護層を炭化ホウ素層の上に形成した炭素質材料を製造した。このもの試験片を上記の耐酸化性の測定試験に供した。上記(2)で得られた本発明に係る炭素質材料の試験片も同一の試験に供した。また、比較例として、Si−SiC系複合材料の試験片も同一の試験に供した。その結果は、図5に示す。結果は、上記の図4とほぼ同様であった。すなわち、Si−SiC系複合材料の試験片の場合には、試験開始1時間後には、遊離炭素が全て燃焼してしまった。炭化ホウ素層のみの場合には、試験60時間迄は、特に変化はみられなかったが、80時間経過後には大部分の遊離炭素が燃焼してしまった。一方アルミナとジルコニアとの1:1の混合物を溶射したものは、80時間後でも重量に変化は殆ど認められなかった。
【0044】
上記の耐酸化保護層の形成▲1▼〜▲3▼で得られた本発明に係る材料3種と、比較例として、Si−SiC系複合材料を用いて悪環境下の耐酸化性試験に供した。すなわち、試験試料を3%の水蒸気を含むアルゴン雰囲気下、室温1000℃のチャンバー内に50時間保持した後、重量を測定し、試験前の重量と比較して、その増減率W2'を上記式により求めた。また、各試料の外観を肉眼および顕微鏡下で検査しひび割れ発生の有無を検査した。試験結果は、以下の表1に示す。
【0045】
【表1】
【0046】
上記の表から明らかな通り、B4C(炭化ホウ素)/アルミナからなる耐酸化保護層を形成した場合には、長時間800℃以上の高温に曝す条件下で使用しても、実質的な変化は、質量、外観共に認められなかった。しかし、B4C(炭化ホウ素)/アルミナ/ジルコニアからなる保護層の場合には、重量変化は、極めて少なかったが、表面にひび割れが生じていた。しかしながら、図5に示した結果を併せ考慮すれば、乾燥条件下で使用する様な用途では、充分使用可能と判断された。勿論、炭化ホウ素のみからなる耐酸化保護層の場合には、折角、酸化ホウ素が酸化の結果生成しても、炭素繊維との濡れ性がよくないために、保持されることなく流失してしまうことから、大気中で800℃以上の高温に曝す条件下での使用は実質的に不可能であることは明らかである。なお、上記のように、炭化ホウ素に、アルミナ、または、アルミナ/ジルコニアからなるマイクロクラック内在保護層を設けることにより、炭化ホウ素が酸化されて酸化ホウ素が生成しても、この保護層に保持されて流失しないために、耐酸化性が著しく向上するものと考えられる。
【0047】
(5)耐酸化保護層の形成▲4▼
上記(3)耐酸化保護層の形成▲2▼において、アルミナの代わりにパイレックス(登録商標)ガラスを溶射して、厚さ50μmのアルミナの耐酸化保護層の代わりに、厚さ50μmのパイレックスガラス層からなる耐酸化保護層を炭化ホウ素層の上に形成した複合部材を製造した。この試験片を上記の耐酸化性の測定試験に供しところ、80時間後でも重量に変化は殆ど認められなかった。
【0048】
【発明の効果】
上記の試験結果から明らかなように、本発明に係る耐酸化保護層が形成された炭素質材料の場合には、高温における高強度(高い耐熱衝撃性)と、材料としての高い信頼性(靱性、耐衝撃性、耐摩耗性)、耐環境性(耐食性、耐酸化性、耐放射線性)等に優れていることはいうまでもない。加えて、基体としてC/Cコンポジット、あるいは、同コンポジットに金属珪素を含浸処理して製造したSi−SiC系複合材料、またはSiC系複合材料を使用しているので、大気中での耐高温特性に加えて、軽量で、容作業性が要求される分野、各種窯道具等の器具、例えば、プラズマデスプレー用パネルの製造に使用されるセッター等として極めて優れた材料であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る耐酸化保護層を有する炭素質材料の基体として使用する、Si−SiC系複合材料およびSiC系複合材料の基本構造をなすヤーン集合体の構造を模式的に示す斜視図である。
【図2】 (a)は、Si−SiC系複合材料を図1のIIa−IIa線で切断した場合の断面図であり、(b)は、同材料を図1のIIb−IIb線で切断した場合の断面図である。
【図3】 (a)は、SiC系複合材料を図1のIIa−IIa線で切断した場合の断面図であり、(b)は、同材料を図1のIIb−IIb線で切断した場合の断面図である。
【図4】 本発明に係る耐酸化保護層を有する炭素質材料の一態様である炭化ホウ素/アルミナからなる保護層を有する炭素質材料の耐酸化性の測定試験の結果を示すグラフである。
【図5】 本発明に係る耐酸化保護層を有する炭素質材料の別の態様である炭化ホウ素/アルミナ/ジルコニアからなる保護層を有する炭素質材料の耐酸化性の測定試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1A、1B、1C、1D、1Eおよび1F…ヤーン配列体、2A…ヤーン、2B…ヤーン、3…繊維束(ヤーン)、4A…炭化珪素相、4B…炭化珪素相、4C…炭化珪素相、5A…Si−SiC系材料相、5B…Si−SiC系材料相、5C…Si−SiC系材料相、6…ヤーン集合体、7…繊維複合材料、8A…マトリックス、8B…マトリックス、11A、11B、11C、11D、11Eおよび11F…ヤーン配列体、12A…ヤーン、12B…ヤーン、13…繊維束(ヤーン)、14…炭化珪素相、15…空隙、16…ヤーン集合体、17…繊維複合材料、18A…マトリックス、18B…マトリックス、19…小突起部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer that is not substantially oxidized at least at 800 ° C. in the atmosphere, a method for producing the carbonaceous material, and uses of the composite material.
[0002]
[Prior art]
Today, with the rapid advancement of technological innovation, the emergence of materials that do not substantially oxidize in the atmosphere at high temperatures of at least 800 ° C, preferably 1000 ° C or higher, Especially in the field of space development such as kiln tools used in the presence of oxygen, ceramic condenser setters, and production of protective glass for plasma TVs known as wall-mounted large displays. Has been. Of course, for use in such fields, high strength at high temperatures (high thermal shock resistance) and high reliability as materials (toughness, impact resistance, wear resistance), environmental resistance (corrosion resistance, oxidation resistance) Needless to say, in addition to energy saving and radiation resistance, light weight is required from the viewpoint of energy saving and workability.
[0003]
Among these fields, in some fields, silicon nitride and silicon carbide materials having excellent heat resistance and high strength have been used in the past, but they have the disadvantage of being brittle as an inherent property. It was extremely fragile against small scratches and did not have sufficient strength against thermal and mechanical impacts.
[0004]
Further, as a means for overcoming the disadvantages of ceramics, ceramic composite materials (CMC) in which continuous ceramic fibers are combined have been developed, and application development in some fields has been carried out. In such attempts, a ceramic bundle having a diameter of about 10 μm is usually bundled with several hundred to several thousand pieces to form a fiber bundle (yarn), and the fiber bundle is arranged in a two-dimensional or three-dimensional direction. By arranging them into a unidirectional sheet (UD sheet) or various cloths, or by laminating the above sheets or cloths, a preform with a predetermined shape (fiber preform) is formed. In addition, a matrix is formed by forming a matrix by a CVI method (chemical vapor phase impregnation method) or an inorganic polymer impregnation firing method, or by filling a ceramic powder inside the preform by a casting method and firing it. A ceramic fiber composite material (CMC) in which fibers are combined in a ceramic matrix has been developed.
[0005]
Specific examples of such CMC include C / C composites in which a matrix made of carbon is formed between carbon fibers arranged in a two-dimensional or three-dimensional direction, and Si is formed on a molded body containing SiC fibers and SiC particles. An SiC fiber reinforced Si-SiC composite formed by impregnation is known. However, such a SiC fiber reinforced Si-SiC composite is excellent in oxidation resistance, creep resistance, spalling resistance, etc., but SiC fiber is inferior in lubricity with Si-SiC etc. Because the pulling effect between fibers is small, it is inferior in toughness compared to C / C composites, so impact resistance is low, and because some carbon fibers are used, it easily burns in the presence of oxygen There is a problem of end up.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems. The object of the present invention is high strength at high temperatures (high thermal shock resistance) and high reliability as materials (toughness, impact resistance, resistance to heat). Abrasion resistance), environmental resistance (corrosion resistance, oxidation resistance, radiation resistance), etc., as well as light weight from the viewpoint of energy saving and workability, and at least 800 ° C. in air, preferably 1000 ° C. It is an object of the present invention to provide a novel carbonaceous material that is not substantially oxidized even at the above high temperature, and a method for producing the carbonaceous material.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of various investigations in view of the present situation as described above, the present inventors have achieved the above object with a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer that is not substantially oxidized at least at 800 ° C. in the atmosphere. And the present invention has been completed. Furthermore, at least a boron-containing layer on the surface of the carbonaceous material and, if desired, a layer made of glass and / or ceramics is protected against oxidation so as not to be substantially oxidized at least at 800 ° C. in the atmosphere. It has been found that the above object can be achieved by a method for producing a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer that is not substantially oxidized at least at 800 ° C. in the atmosphere, characterized in that it is formed as a layer. Thus, the present invention has been completed.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The carbonaceous material which concerns on this invention uses the raw material which consists mainly of carbon fiber as the base material. As a carbonaceous material used in the present invention, firstly, carbon fibers are mentioned. Such carbon fibers can be used regardless of the production method and the raw materials used. In actual use, carbon fiber is formed into a predetermined shape using a binder or the like and used. From the viewpoint of durability, the following C / C composite is preferable. Further, a composite material obtained by impregnating Si with a C / C composite is also included in the carbonaceous material referred to in the present invention. As the composite material impregnated with Si, Si-SiC composite materials and SiC composite materials defined below and described in detail are preferably used. Here, in the present specification, the carbonaceous material includes not only the carbon fiber itself but also a C / C composite contained in the carbon fiber in a broad sense. In addition, the carbonaceous material containing both a Si-SiC composite material and a SiC composite material, which is a carbonaceous material with a specific processing obtained by impregnating a predetermined amount of metallic silicon into this C / C composite, is included in the carbonaceous material. . The properties and manufacturing methods of these will be described in detail below. In order to avoid naming confusion, in the following description of the present specification, the carbonaceous material is a term including C / C composites, Si-SiC based composite materials, and SiC based composite materials. use. Therefore, in the present invention, not only the narrowly defined carbon fibers but also the above-mentioned composite materials can be used as the base material.
[0009]
In this specification, the C / C composite is a powdery binder that acts as a matrix for a bundle of carbon fibers, and includes a pitch and coke that become free carbon after firing to a bundle of carbon fibers. Further, if necessary, a carbon fiber bundle is prepared by adding a phenol resin powder or the like, and a flexible film made of a plastic such as a thermoplastic resin is formed around the carbon fiber bundle. As a pre-formed yarn. This preformed yarn is formed into a sheet or woven fabric by the method described in JP-A-2-80639, and after a necessary amount is laminated, a molded product obtained by molding with a hot press, or this A fired body obtained by firing a molded body. That is, in the present invention, the C / C composite is composed of carbon fibers and carbons other than carbon fibers, and the carbon fibers constitute a laminated structure composed of a coal layer fiber bundle composed of a specific number of carbon fibers. Carbon other than means a composite material comprising a specific laminated structure and a matrix structure having a structure in which voids between the laminated structure and the laminated structure are filled with a matrix.
[0010]
As a C / C composite used as a basic material, a carbon fiber having a diameter of around 10 μm is usually bundled from several hundred to several tens of thousands to form a fiber bundle (yarn), and this fiber bundle is covered with a thermoplastic resin. A flexible thread-like intermediate material prepared as described above is obtained, and this is made into a sheet by the method described in JP-A-2-80639, and this sheet is arranged in a two-dimensional or three-dimensional direction. By forming a directional sheet (UD sheet) or various cloths, or by laminating the above sheets or cloths, a preform having a predetermined shape (fiber preform) is formed, and the outer periphery of the fiber bundle of the preform is formed. What is necessary is just to use what formed the film of the thermoplastic resin etc. which consist of the formed organic substance by baking, and carbonized and removed the said film | membrane. In this specification, the description of JP-A-2-80639 is cited for reference. In the C / C composite used in the present invention, the carbon component other than the carbon fiber in the yarn is preferably a carbon powder, and particularly preferably a graphitized carbon powder.
[0011]
In the present invention, the Si—SiC based composite material is composed of 55 wt% to 75 wt% carbon, 1 wt% to 10 wt% silicon, and 10 wt% to 50 wt% silicon carbide, A yarn assembly in which yarns containing at least a bundle of carbon fibers and a carbon component other than carbon fibers are three-dimensionally combined while being oriented in the layer direction and integrated so as not to separate from each other, and this yarn assembly A matrix composed of a Si-SiC material filled between adjacent yarns, and a dynamic friction coefficient of 0.05 to 0.6 and a porosity controlled to 0.5% to 10% And a composite material. This material can be manufactured by the method disclosed in Japanese Patent Application No. 10-267402 filed on September 4, 1998. Therefore, the content of Japanese Patent Application No. 10-267402 is cited here.
[0012]
Here, the Si-SiC-based material includes a number of different phases ranging from a silicon phase consisting of silicon remaining in an unreacted state to almost pure silicon carbide, typically silicon. The silicon carbide phase includes a SiC coexisting phase in which the silicon content is changed in a gradient manner. Therefore, the Si—SiC-based material is a generic name for materials that are contained within the range of 0 mol% to 50 mol% as the carbon concentration in the Si—SiC series. In the Si—SiC based composite material according to the present invention, the matrix portion is formed of the Si—SiC based material.
[0013]
The Si-SiC composite material preferably has a matrix having a gradient composition in which the content ratio of silicon increases as the distance from the surface of the yarn increases. In this Si-SiC composite material, the yarn assembly made of carbon fibers is preferably composed of a plurality of yarn arrays, and each yarn array is configured by bundling a specific number of carbon fibers. The yarns are formed by two-dimensionally arranging the yarns substantially parallel to each other, and a yarn assembly is formed by stacking the yarn arrays. Thus, the Si—SiC based composite material has a laminated structure in which a plurality of layers of yarn arrays are laminated in a specific direction.
[0014]
1 is a schematic perspective view for explaining the concept of a yarn assembly, FIG. 2 (a) is a sectional view taken along the line IIa-IIa in FIG. 1, and FIG. 2 (b) is a sectional view taken along line IIb-IIb in FIG. It is line sectional drawing. The skeleton of the Si—SiC
[0015]
In each
In this example, the
[0016]
Each
[0017]
In the present invention, the SiC-based composite material is composed of silicon carbide, carbon fiber, and a carbon component other than carbon fiber, and is a SiC-C / C having a structure including a skeleton part and a matrix formed around the skeleton part. A composite composite material in which at least 50% of silicon carbide is β-type, the skeleton is formed of carbon fibers and carbon components other than carbon fibers, and silicon carbide is present in a part of the skeleton. The matrix may be formed of silicon carbide, the matrix and the skeleton portion may be formed integrally, and the composite material may have a porosity of 0.5% to 5% and a double shape. A composite material having an average pore size distribution.
[0018]
Therefore, this SiC composite material uses a C / C composite in which each carbon fiber is composed of a carbon fiber bundle as a skeleton part. Therefore, even if SiC is formed in a part of each carbon fiber, Since the structure as a carbon fiber is maintained without being broken as the fiber, the carbon fiber is not shortened by silicon carbide, so the mechanical strength of the C / C composite as a raw material is high. It has a great feature of being almost retained or increased by silicon carbide. Moreover, it has a composite structure in which a matrix made of a SiC-based material is formed between adjacent yarns in the yarn assembly. In this respect, it differs from the Si-SiC composite material. This material can be manufactured by the method disclosed in Japanese Patent Application No. 11-31979, filed on Feb. 9, 1999. Therefore, the content of Japanese Patent Application No. 11-31979 is cited here.
[0019]
In the present invention, the SiC-based material refers to a material containing silicon carbide having a different degree of bonding with carbon, and this SiC-based material refers to a material manufactured as follows. In the present invention, the C / C composite is impregnated with metallic silicon. At this time, the metallic silicon is a carbon atom constituting the carbon fiber in the composite and / or a free carbon atom remaining on the surface of the carbon fiber. Partly carbonized, so that partly carbonized silicon is formed between the outermost surface of the C / C composite and between the yarn made of carbon fiber and the yarn, and thus the above-mentioned yarn and yarn A matrix made of silicon carbide is formed between the two.
[0020]
In this matrix, a very small amount of silicon and carbon are bonded, but it may contain several different phases from a silicon carbide phase to a pure silicon carbide crystal phase. However, this matrix contains only metallic silicon below the detection limit (0.3 wt%) by X-rays. That is, this matrix is typically composed of a silicon carbide phase, but the silicon carbide phase can include a SiC-based phase in which the silicon content is changed in a gradient manner. Accordingly, the SiC-based material is a generic name for materials that are included in such a SiC series within a range of at least 0.01 mol% to 50 mol% as the carbon concentration. In order to control the carbon concentration to less than 0.01 mol%, a strict measurement of the amount of metallic silicon to be added is required in relation to the amount of free carbon in the C / C composite. Since temperature management in the process becomes complicated, it is not substantial. Therefore, theoretically, it is possible to control the carbon concentration to about 0.001 mol%.
[0021]
This Si-based composite material will be further described with reference to the drawings. The skeleton portion of this SiC-based composite material is basically the same as that shown in FIG. 1 is a cross-sectional view of the SiC composite material according to the present invention taken along the line IIa-IIa in FIG. 1. FIG. 3A is a cross-sectional view taken along the line IIb-IIb in FIG. 3 (b).
Similar to the skeleton of the Si-SiC
[0022]
In each
[0023]
Each
[0024]
Next, a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer that is not substantially oxidized at least at 800 ° C. in the atmosphere according to the present invention will be described. This carbonaceous material according to the present invention is formed on the carbonaceous material having a predetermined shape as described above to form an oxidation-resistant protective film that is not substantially oxidized even in the air at a high temperature exceeding 800 ° C. It refers to the material that is being used. Here, “substantially not oxidized” means that the increase or decrease in weight is 0.5% or less when the sample is held in the atmosphere at a predetermined high temperature, for example, 800 ° C. for at least 24 hours. Say. The oxidation-resistant protective layer that is not substantially oxidized at least at 800 ° C. in the atmosphere refers to a layer composed of at least one layer selected from a boron-containing layer, glass, and ceramics. Examples of a plurality of oxidation-resistant protective layers include a boron-containing layer and a glass layer, a boron-containing layer and a ceramic layer, a boron-containing layer, and a ceramic and glass layer. Of course, it goes without saying that the ceramic layer includes those formed from a plurality of different ceramic layers. Needless to say, the order of laminating these layers may be appropriately selected depending on the desired performance, usage conditions, and the like. Of course, layers other than those described above may be provided between the above layers.
[0025]
Note that it is necessary that at least the boron-containing layer is formed. Preferably, the boron-containing layer is usually formed directly on the layer closer to the substrate surface, preferably the innermost layer, that is, the surface of the carbonaceous material having a predetermined shape. With this configuration, even if peeling or cracking occurs due to something in the oxidation-resistant protective layer formed on the outermost surface, the carbonaceous material is protected by the oxidation-resistant characteristics of the boron-containing layer. Because it will be. Of course, if desired, a primer layer, a layer made of ceramics, or the like may be provided between the boron-containing layer and the surface of the carbonaceous material as the substrate.
[0026]
A boron-containing layer may be provided in the outermost layer according to the use mode of the carbonaceous material according to the present invention. For example, when boron carbide is used as the outermost layer, when exposed to an oxidizing atmosphere at 400 ° C. or higher, boron carbide is oxidized to form molten boron oxide, which is a carbonaceous material. The substrate surface can be protected. Of course, when exposed to an oxidizing atmosphere at 400 ° C. or higher for a long time, the boron carbide layer becomes all boron oxide, and the substrate surface is exposed, and the substrate surface is easily oxidized. Therefore, in an application where the surface is exposed to an oxidizing atmosphere of 400 ° C. or higher for a long period of time, it is preferable to use the outermost surface in which a layer made of glass or a layer made of ceramics is formed.
[0027]
The thickness of the boron-containing layer is 10 μm to 500 μm, preferably 50 μm to 200 μm. This is because if it is less than 10 μm, it is difficult to form a boron-containing layer as a homogeneous continuous layer. Further, even if the boron carbide layer is formed to exceed 500 μm, improvement in oxidation resistance cannot be expected, and the boron-containing material is expensive, which is not economical. The boron-containing layer can also be formed by directly applying to the material surface, and can also be formed by thermal spraying or the CDV method. It can be formed by spraying a boron-containing material on the surface of a carbonaceous material together with an inert gas such as argon. The boron-containing material used for forming the boron-containing layer includes materials having high oxidation resistance such as borate glass, borosilicate glass, boron nitride, and boron carbide. Among these, boron carbide is preferable from the viewpoint of oxidation resistance.
[0028]
An oxidation-resistant protective layer made of glass is preferable because it improves oxidation resistance at high temperatures. Examples of the glass include high melting point glass, for example, Pyrex glass (registered trademark) manufactured by Corning. This layer may be formed by thermal spraying in the same manner as the boron-containing layer. The thickness of this layer is 10 μm to 500 μm, the same as the thickness of the boron-containing layer. If it is less than 10 μm, it is not preferable because sufficient oxidation resistance may not be exhibited when exposed to a high temperature exceeding 800 ° C., for example, a high temperature exceeding 1000 ° C. Even if this glass layer is formed to exceed 500 μm, the improvement in oxidation resistance can not be expected, and the advantage of the light weight of the carbonaceous material used as the folded base may be impaired. It is not preferable.
[0029]
The layer made of ceramic means a layer formed from an oxide, carbide, nitride, or mixture thereof as a main component of Group IIIa, Group IIIb, Group IVa to Group VIa elements. More preferably, the main component is a material selected from oxides such as alumina, silica, titania and zirconia, carbides such as silicon, titanium and zirconium, and nitrides of these metals. In addition, when providing the layer which consists of ceramics, since the elasticity modulus is high compared with glass, even if a thermal expansion coefficient is the same, a high thermal stress is easy to generate | occur | produce. In order to relieve thermal stress, it is preferable to form a layer made of ceramics with microcracks. The microcrack itself permeates oxygen, but by using the boron-containing layer as an inner layer in combination, the boron oxide generated by oxidation is retained in the microstructure of the microcrack, and as a result, oxygen It is possible to prevent entry.
[0030]
The layer made of ceramics with microcracks is a layer made of alumina and / or zirconia. Layers of these oxides are boron-containing layers, for example, when boron carbide is exposed to oxidizing conditions, boron oxide is generated, and the generated boron oxide is not adsorbed by carbon and flows out of the system. Therefore, the function of preventing the use as a protective layer is prevented. The layer made of alumina and / or zirconia forms a sponge-like structure in which countless fine pores are formed in the gap between the carbon fibers of the carbonaceous material that is the substrate, and this structure has The action of adsorbing boron oxide generated by oxidation to form a so-called oxidation-resistant glass layer made of boron oxide, alumina, and / or zirconia, thereby protecting the surface of the substrate made of carbon fiber. Is shown. A layer made of glass or ceramic may be further formed on such a sponge-like oxide layer. Thereby, further oxidation resistance is exhibited. The ratio of the thermal expansion coefficient between layers such as a boron-containing layer and a ceramic layer and / or a glass layer is preferably 1: 2 or less from the viewpoint of preventing the occurrence of thermal stress. .
[0031]
A layer made of glaze may be formed as the layer made of ceramics. Although the layer made of glaze is slightly lower than the oxidation-resistant protective layer made of glass, it is preferable because oxidation resistance at a high temperature exceeding 800 ° C. can be ensured. As the glaze, glass glaze and smoked glaze are preferably used. As the glass glaze, for example, GL-400 and GL-700 series glazes made by Ikebukuro Kaisha are preferably used. As the smoked glaze, cocoons usually used for glazing treatment such as iron plates are preferably used. That is, silicon oxide is 45 to 55%, boron oxide is 10 to 20%, aluminum oxide is 5 to 10%, alkali oxide is 15 to 30%, alkaline earth oxide is 0 to 10%, and other oxides are 5%. A glaze consisting of 15% is preferably used. According to a conventional method, this material may be frit-coated, the coating is heated to about 1000 ° C. for about 10 minutes in the atmosphere, and so-called self-glazing is performed to form an oxidation-resistant protective layer made of glaze. The thickness of this layer may also be the same thickness as the boron-containing layer, that is, about 10 μm to 500 μm. If it is less than 10 μm, it is not preferable because sufficient oxidation resistance may not be exhibited when exposed to a high temperature of about 800 ° C. for a long time. Even if this saddle layer is formed over 500 μm, the improvement in oxidation resistance cannot be expected, and the lightness that is an advantage of the carbonaceous material used as the corner substrate may be impaired. Since it is not, it is not preferable.
[0032]
The following is a method for producing a composite material according to the present invention. At least a boron-containing layer on the surface of a carbonaceous material, and further, a layer made of glass and / or ceramics as desired, is at least 800 ° C. in the atmosphere. About the manufacturing method of the carbonaceous material which has an oxidation-resistant protective layer which consists of forming as an oxidation-resistant protective layer which is not substantially oxidized and which is not substantially oxidized at least 800 degreeC in air | atmosphere The details will be described. A carbonaceous material as a substrate is processed into a desired shape according to the end use, and a material selected so that a desired oxidation-resistant film is formed on the surface of this material is applied, sprayed, or CVD is appropriately performed. What is necessary is just to select and form. For example, when the boron-containing layer is formed by thermal spraying, the boron-containing material is sprayed together with an inert gas such as argon. There are no particular limitations on the thermal spraying conditions, and it is usually sufficient to follow the conditions employed in the metal processing field. Thermal spraying may be performed for each surface of the predetermined shape retaining material, or all surfaces may be performed at the same time. However, in order to ensure uniformity and to limit the equipment for thermal spraying, it is performed for each surface or predetermined. It is preferable to carry out the process while rotating the shape-retaining material at a constant speed. As described above, the thickness of the sprayed boron carbide is usually about 10 μm to 500 μm.
[0033]
For example, after forming the first protective layer on the surface of the carbonaceous material by applying a boron-containing material made of a boron-containing layer, a layer made of glass and / or ceramics on the protective layer thus formed A layer consisting of is formed. In some cases, an eaves layer may be formed. The glass layer is formed by spraying a fine powder such as Pyrex glass in the same manner as boron carbide. The thickness of this layer is about 10 μm to 500 μm, which is the same as the thickness of the boron-containing layer. The soot layer may be formed by frit-coating the above-described soot material according to a conventional method, heating the coat to about 1000 ° C. in the atmosphere for about 10 minutes, and performing so-called self-glazing to form the soot layer. As described above, the order of forming the oxidation-resistant protective film may be selected according to design performance, purpose of use, and the like. As for the formation method, a known method such as coating, impregnation, thermal spraying, and CVD method may be appropriately selected and combined in consideration of the stacking order, material characteristics, and the like.
[0034]
A ceramic layer containing micro cracks made of alumina and / or zirconia may be provided between the glass layer or the soot layer and the boron-containing layer. This layer may also be sprayed. As described above, the ceramic layer containing the microcracks means that when the boron-containing layer is exposed to oxidizing conditions, boron oxide is generated, and the generated boron oxide is not adsorbed by carbon, and thus flows out of the system. Thus, the function of preventing the use as a protective layer is prevented.
[0035]
The carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer that is not substantially oxidized at least at 800 ° C. in the atmosphere according to the present invention thus manufactured is used as a substrate, and the carbonaceous material has high impact resistance. Because of its low thermal expansion coefficient and light weight, it retains its properties as it is, and a robust oxidation-resistant protective layer is formed on its surface. The generation of fine powder due to mechanical action is extremely small. Furthermore, since the boron-containing layer having high thermal shock resistance is formed as at least one layer of the oxidation-resistant protective layer, the thermal shock resistance is high. Also, the flatness of the surface is extremely high. Therefore, it can be used very suitably as a member for a setter, a material for various kiln tools, and the like when firing a glass panel for a plasma television.
[0036]
【Example】
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples as long as the gist thereof is not exceeded. The measurement of oxidation resistance in the examples was performed by the following method.
[0037]
(Oxidation resistance preliminary test)
After holding the test sample in the air heated to 800 ° C. for 5 minutes, the weight is measured and compared with the weight before the test. 2 Was determined by the following equation.
W 2 = (W 0 -W 1 ) / W 0 × 100
However, W in the formula 0 Is the weight before the oxidation resistance test, W 1 Is the weight after the oxidation resistance test, W 2 Represents the weight loss rate.
[0038]
(Oxidation resistance measurement test)
After holding the test sample in the atmosphere heated to 800 ° C. for a predetermined time, the weight is measured, and the weight change rate W is compared with the weight before the test. 2 ' Was determined by the following equation.
W 2 ' = (W 0 -W 1 ) / W 0 × 100
However, W in the formula 0 Is the weight before the oxidation resistance test, W 1 Is the weight after the oxidation resistance test, W 2 ' Represents the rate of increase / decrease in weight (decreases are identified by a minus sign in front of the number).
[0039]
(Oxidation resistance test under adverse environment)
The test sample was held in a chamber at a room temperature of 1000 ° C. in an argon atmosphere containing 3% water vapor for 50 hours, and then the weight was measured. 2 ' Was determined by the following equation. Further, the appearance of each sample was inspected with the naked eye and under a microscope to inspect for the occurrence of cracks.
W 2 ' = (W 0 -W 1 ) / W 0 × 100
However, W in the formula 0 Is the weight before the oxidation resistance test, W 1 Is the weight after the oxidation resistance test, W 2 ' Represents the rate of increase / decrease in weight (decreases are identified by a minus sign in front of the number).
[0040]
(Production example)
(1) Manufacture of Si-SiC composite materials
Carbon fiber is aligned in one direction and impregnated with phenol resin, and about 10,000 carbon long fibers having a diameter of 10 μm are bundled to obtain a fiber bundle (yarn). Sheet) was prepared and arranged as shown in FIG. 1 to obtain a prepreg sheet laminate, and a carbon-based adhesive was applied to the prepreg sheet laminate to fix the yarns together. After fixing, the fixed body is released from the mold, the released prepreg sheet laminate is put in an oven, the impregnated phenol resin is cured at 180 ° C. and normal pressure, and then in a nitrogen atmosphere at 2000 ° C. Baked. Next, Si powder having a purity of 99.9% and an average particle diameter of 1 mm was added to the obtained carbon fiber reinforced carbon composite material, and this was placed in a firing furnace having a furnace temperature of 1300 ° C. and a furnace pressure of 1 hPa. It was held for 4 hours while flowing argon gas at a rate of 20 NL per minute. Next, while maintaining the furnace pressure, the furnace temperature was raised to 1600 ° C. and impregnated with Si. Thus, an Si—SiC composite material composed of Si, Si—C, and carbon fibers was obtained. The obtained fired body was cut and peripherally processed to produce a test piece having a size of 9 mm × 9 mm × 9 mm.
[0041]
(2) Formation of oxidation-resistant protective layer (1)
The test piece of 9 mm × 9 mm × 9 mm obtained in (1) above was set on a jig, and while rotating the test piece at a constant speed, a purity of 99.5% and an average particle size of 25 μm or less of boron carbide The powder (manufactured by ESK) was sprayed with argon plasma to preliminarily form a boron carbide layer having a thickness of about 50 μm on the surface. Furthermore, after changing to another jig, the entire surface of the test piece was sprayed. This test piece was subjected to the above oxidation resistance preliminary test. For comparison, a Si-SiC composite material test piece of the same size and an ISO 63 oxidation-resistant carbon test piece were similarly subjected to a preliminary test. As a result of the preliminary test, no substantial weight reduction was observed in the test piece on which the oxidation-resistant protective layer made of boron carbide was formed. However, a weight reduction of about 33% was observed in the Si-SiC composite specimen, and a weight reduction of about 95% was observed in the oxidation-resistant carbon specimen of ISO63.
[0042]
(3) Formation of oxidation-resistant protective layer (2)
Therefore, boron carbide is thermally sprayed on the Si-SiC composite material having a size of 9 mm × 9 mm × 9 mm obtained in the above (1), and a boron carbide oxidation-resistant protective layer having a boron carbide layer thickness of 50 μm is provided. A composite member was manufactured. This was further sprayed with alumina to produce a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer of alumina having a thickness of 50 μm. This test piece was subjected to the above oxidation resistance measurement test. The test piece of the carbonaceous material according to the present invention obtained in the above (2) was also subjected to the same test. As a comparative example, a test piece of Si-SiC composite material was also subjected to the same test. The result is shown in FIG. In the case of the specimen of the Si—SiC composite material, all of the free carbon burned after 1 hour from the start of the test. In the case of only the boron carbide layer, no particular change was observed until 60 hours of the test, but after 80 hours, all of the free carbon burned. In the case of this test piece, the test piece was fixed to the alumina jig holding the test piece. On the other hand, no further change was observed in the weight of the thermally sprayed alumina even after 100 hours. In addition, it did not adhere to the jig made of alumina holding the test piece.
[0043]
(4) Formation of oxidation-resistant protective layer (3)
In the formation (2) of the oxidation-resistant protective layer of (3) above, a 1: 1 mixture of alumina and zirconia is sprayed instead of alumina, so that the thickness of the oxidation-resistant protective layer is 50 μm thick. A carbonaceous material in which an oxidation-resistant protective layer made of a 1: 1 mixture of 50 μm thick alumina and zirconia was formed on the boron carbide layer was produced. This specimen was subjected to the above-described oxidation resistance measurement test. The test piece of the carbonaceous material according to the present invention obtained in the above (2) was also subjected to the same test. As a comparative example, a test piece of Si-SiC composite material was also subjected to the same test. The result is shown in FIG. The result was almost the same as FIG. That is, in the case of the test piece of Si-SiC composite material, all of the free carbon burned after 1 hour from the start of the test. In the case of only the boron carbide layer, no particular change was observed until 60 hours of the test, but most of the free carbon burned after 80 hours. On the other hand, the thermal spraying of a 1: 1 mixture of alumina and zirconia showed little change in weight even after 80 hours.
[0044]
Formation of the above-mentioned oxidation resistant protective layer (1) to (3) The materials according to the present invention obtained in (1) to (3) and, as a comparative example, an oxidation resistance test under a bad environment using a Si-SiC composite material. Provided. That is, the test sample was held in a chamber at room temperature of 1000 ° C. in an argon atmosphere containing 3% water vapor for 50 hours, and then the weight was measured. 2 ' Was determined by the above formula. Further, the appearance of each sample was inspected with the naked eye and under a microscope to inspect for the occurrence of cracks. The test results are shown in Table 1 below.
[0045]
[Table 1]
[0046]
As is clear from the above table, B Four When an oxidation-resistant protective layer composed of C (boron carbide) / alumina is formed, no substantial change is observed in mass and appearance even when used under conditions of exposure to high temperatures of 800 ° C or higher for a long time. It was. But B Four In the case of a protective layer composed of C (boron carbide) / alumina / zirconia, the change in weight was very small, but cracks were generated on the surface. However, considering the results shown in FIG. 5 together, it was determined that the product could be used sufficiently in applications such as those used under dry conditions. Of course, in the case of an oxidation-resistant protective layer composed only of boron carbide, even if boron oxide is generated as a result of oxidation, the wettability with the carbon fiber is not good, so it will be washed away without being retained. Therefore, it is apparent that the use under the condition of being exposed to a high temperature of 800 ° C. or higher in the atmosphere is substantially impossible. As described above, even if boron carbide is oxidized to form boron oxide by providing a microcrack-containing protective layer made of alumina or alumina / zirconia on boron carbide, it is retained in this protective layer. Therefore, it is considered that the oxidation resistance is remarkably improved.
[0047]
(5) Formation of oxidation-resistant protective layer (4)
(3) Formation of oxidation-resistant protective layer (2) In the step (2), Pyrex (registered trademark) glass is sprayed instead of alumina, and Pyrex glass having a thickness of 50 μm is substituted for the oxidation-resistant protective layer of alumina having a thickness of 50 μm. The composite member which formed the oxidation-resistant protective layer which consists of a layer on the boron carbide layer was manufactured. When this test piece was subjected to the above-described oxidation resistance measurement test, almost no change in weight was observed even after 80 hours.
[0048]
【The invention's effect】
As is clear from the above test results, in the case of the carbonaceous material on which the oxidation-resistant protective layer according to the present invention is formed, high strength at high temperature (high thermal shock resistance) and high reliability as a material (toughness) Needless to say, it is excellent in impact resistance, wear resistance), environmental resistance (corrosion resistance, oxidation resistance, radiation resistance) and the like. In addition, C / C composites, or Si-SiC composites manufactured by impregnating metallic silicon into the composites, or SiC composites are used as the substrate. In addition, it is needless to say that the material is extremely excellent as a light-weight field where a high workability is required, as an instrument such as various kiln tools, for example, a setter used for manufacturing a plasma display panel. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of a yarn assembly used as a base of a carbonaceous material having an oxidation-resistant protective layer according to the present invention and constituting the basic structure of a SiC-based composite material and a SiC-based composite material. FIG.
2A is a cross-sectional view of a Si-SiC composite material cut along line IIa-IIa in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line IIb-IIb in FIG. FIG.
3A is a cross-sectional view of a SiC-based composite material cut along line IIa-IIa in FIG. 1, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line IIb-IIb in FIG. FIG.
FIG. 4 is a graph showing the results of an oxidation resistance measurement test of a carbonaceous material having a protective layer made of boron carbide / alumina, which is an embodiment of the carbonaceous material having an oxidation resistant protective layer according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the results of an oxidation resistance measurement test of a carbonaceous material having a protective layer made of boron carbide / alumina / zirconia, which is another embodiment of the carbonaceous material having an oxidation resistant protective layer according to the present invention. It is.
[Explanation of symbols]
1A, 1B, 1C, 1D, 1E and 1F ... yarn array, 2A ... yarn, 2B ... yarn, 3 ... fiber bundle (yarn), 4A ... silicon carbide phase, 4B ... silicon carbide phase, 4C ... silicon carbide phase, 5A ... Si-SiC-based material phase, 5B ... Si-SiC-based material phase, 5C ... Si-SiC-based material phase, 6 ... yarn aggregate, 7 ... fiber composite material, 8A ... matrix, 8B ... matrix, 11A, 11B , 11C, 11D, 11E and 11F ... yarn array, 12A ... yarn, 12B ... yarn, 13 ... fiber bundle (yarn), 14 ... silicon carbide phase, 15 ... void, 16 ... yarn assembly, 17 ... fiber composite material , 18A ... matrix, 18B ... matrix, 19 ... small protrusion.
Claims (8)
上記炭素質材料の表面に、上記耐酸化保護層として、炭化ホウ素を主成分として含むホウ素含有層と、該ホウ素含有層上にパイレックス(登録商標)ガラス層またはアルミナあるいはアルミナ/ジルコニア混合物から選ばれたものからなるセラミックス層と、を溶射により形成することを特徴とする、上記炭素質材料の製造方法。A material composed of a Si-SiC-based composite material and a plurality of oxidation-resistant protective layers formed on the carbonaceous material, and at least one of the plurality of oxidation-resistant protective layers is mainly composed of boron carbide. Including a boron-containing layer having a thickness of 10 μm to 500 μm , and on the boron-containing layer, a layer made of a ceramic selected from a Pyrex (registered trademark) glass layer or alumina, or an alumina / zirconia mixture , An oxidation-resistant protective layer having a thickness of 10 μm to 500 μm, and by forming this oxidation-resistant protective layer, when the carbonaceous material is kept in the atmosphere at least at 800 ° C. for 24 hours, the increase or decrease in weight is 0.5% or less A method for producing a carbonaceous material,
A boron-containing layer containing boron carbide as a main component as the oxidation-resistant protective layer on the surface of the carbonaceous material, and a Pyrex (registered trademark) glass layer or alumina or an alumina / zirconia mixture on the boron-containing layer. A method for producing the carbonaceous material, wherein the ceramic layer is formed by thermal spraying.
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