JP6774863B2 - Manufacturing method of ceramic-based composite material - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックス基複合材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a ceramic-based composite material.
航空機の機体やエンジン、産業用のガスタービンエンジンの高温となる部分や軽量でかつ高い耐久性が要求される部分に、複合材料を用いることが検討されている。このような複合材料の一例として、例えば下記特許文献1に記載されたセラミックス基複合材料(CMC:Ceramic Matrix Composites)が知られている。
The use of composite materials is being considered for hot parts of aircraft fuselage and engines, industrial gas turbine engines, and parts that are lightweight and require high durability. As an example of such a composite material, for example, a ceramic-based composite material (CMC: Ceramic Matrix Composites) described in
セラミックス基複合材料は、複数の繊維束を有する織布と、繊維束同士の間の間隙に充填されたマトリックスと呼ばれる補強材と、を有する。セラミックス基複合材料を得るに当たっては、一例としてPIP法(Polymer Impregnation and Pyrolysis法)と呼ばれる技術が用いられる。PIP法は、マトリックスの前駆体となるポリマーを含む溶液中で織布にポリマーを含浸させる工程と、含浸されたポリマーを乾燥・焼成する工程を含む。 The ceramic-based composite material has a woven fabric having a plurality of fiber bundles and a reinforcing material called a matrix filled in a gap between the fiber bundles. In obtaining a ceramic-based composite material, a technique called the PIP method (Polymer Impregnation and Pyrolysis method) is used as an example. The PIP method includes a step of impregnating a woven fabric with a polymer in a solution containing a polymer serving as a precursor of a matrix, and a step of drying and firing the impregnated polymer.
しかしながら、PIP法によって所望の強度特性を有するセラミックス基複合材料を得るためには、ポリマーの含浸・乾燥・焼成の各工程を複数回繰り返す必要がある。このため、製造期間が長期化してしまうことが課題とされていた。さらに、焼成工程を複数回繰り返した場合、繊維束の劣化による強度低下が生じることも知られている。そこで、強度低下を防ぐため、繊維束の表面に界面層を形成する技術も提唱されている。しかしながら、界面層を形成するには、繊維束に付着しているサイジング材をデサイジング工程によって予め除去する必要があるため、製造工程の複雑化を招いていた。 However, in order to obtain a ceramic-based composite material having desired strength characteristics by the PIP method, it is necessary to repeat each step of impregnation, drying, and firing of the polymer a plurality of times. For this reason, it has been a problem that the manufacturing period becomes long. Further, it is also known that when the firing step is repeated a plurality of times, the strength is lowered due to the deterioration of the fiber bundle. Therefore, in order to prevent a decrease in strength, a technique for forming an interface layer on the surface of the fiber bundle has also been proposed. However, in order to form the interface layer, it is necessary to remove the sizing material adhering to the fiber bundle in advance by the dessizing step, which complicates the manufacturing process.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、強度低下が生じにくく、かつ製造工程を簡単にすることが可能なセラミックス基複合材料の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing a ceramic-based composite material, which is less likely to cause a decrease in strength and can simplify a manufacturing process.
本発明のセラミックス基複合材料の製造方法は、複数の繊維束、及び該繊維束の周囲を覆うサイジング材を有する織布と、前記繊維束同士の間の間隙に配置されたマトリックスと、を有するセラミックス基複合材料の製造方法であって、前記織布に前記マトリックスの前駆体としてのポリマーを含浸させて素体を形成する素体形成工程と、前記素体に前記ポリマーをさらに含浸させ、焼成する緻密化工程と、を含み、前記素体形成工程は、前記織布を窒素雰囲気下で加熱することで、前記サイジング材を変性させて前記繊維束に界面層を形成する界面層形成工程を含む。 The method for producing a ceramic-based composite material of the present invention includes a plurality of fiber bundles, a woven fabric having a sizing material surrounding the fiber bundles, and a matrix arranged in a gap between the fiber bundles. A method for producing a ceramic-based composite material, which is a step of forming a base by impregnating the woven fabric with a polymer as a precursor of the matrix to form a base, and a step of further impregnating the base with the polymer and firing. The element body forming step includes a densifying step of densifying the woven fabric in a nitrogen atmosphere to modify the sizing material to form an interface layer in the fiber bundle. Including.
この方法によれば、繊維束、及び繊維束を形成する繊維の周囲に当初から付着しているサイジング材を用いて界面層を形成することができる。すなわち、従来行われていたデサイジング工程を実行することなく、繊維束、及び繊維の周囲に界面層を形成することができる。これにより、工数を削減することができる。 According to this method, the interface layer can be formed by using the fiber bundle and the sizing material adhering to the periphery of the fiber forming the fiber bundle from the beginning. That is, the interface layer can be formed around the fiber bundle and the fiber without executing the conventional dessizing step. As a result, the man-hours can be reduced.
また、セラミックス基複合材料の製造方法では、前記サイジング材は、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリブタジエン、ポリアルキシレングリコール、ポリオレフィン樹脂、ビニルエステル樹脂、飽和ポリエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ピッチ系樹脂の群から選択された少なくとも1つであってもよい。 Further, in the method for producing a ceramics-based composite material, the sizing material is a polyurethane resin, an epoxy resin, a polybutadiene, a polyalkylene glycol, a polyolefin resin, a vinyl ester resin, a saturated polyester resin, an unsaturated polyester resin, a polyamide resin, or a polyimide resin. , Polyimideimide resin, acrylic resin, polypropylene resin, pitch-based resin may be at least one selected from the group.
この方法によれば、サイジング材としてポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリブタジエン、ポリアルキシレングリコール、ポリオレフィン樹脂、ビニルエステル樹脂、飽和ポリエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ピッチ系樹脂の群から選択された少なくとも1つが用いられる。これらの化学種は、窒素雰囲気下で加熱することにより、炭素系の分子構造に変化する。したがって、この方法によれば、容易かつ廉価に界面層を形成することができる。 According to this method, polyurethane resin, epoxy resin, polybutadiene, polyalkylene glycol, polyolefin resin, vinyl ester resin, saturated polyester resin, unsaturated polyester resin, polyamide resin, polyimide resin, polyamideimide resin, acrylic resin are used as sizing materials. , Polypropylene resin, at least one selected from the group of pitch-based resins is used. These chemical species change to a carbon-based molecular structure when heated in a nitrogen atmosphere. Therefore, according to this method, the interface layer can be easily and inexpensively formed.
また、セラミックス基複合材料の製造方法では、前記緻密化工程は、前記素体に前記ポリマーをさらに含浸させて含浸済み素体を形成する含浸工程と、前記含浸済み素体を乾燥させて乾燥済み素体を形成する乾燥工程と、前記乾燥済み素体を焼成する焼成工程と、を含んでもよい。 Further, in the method for producing a ceramic-based composite material, the densification step includes an impregnation step of further impregnating the element body with the polymer to form an impregnated element body and a drying process of drying the impregnated element body. It may include a drying step of forming an element body and a firing step of firing the dried element body.
この方法によれば、緻密化工程を実行することで、素体に対するポリマーの含浸効率を高めることができる。すなわち、緻密化されたセラミックス基複合材料を容易に得ることができる。 According to this method, the efficiency of impregnating the polymer into the element body can be increased by performing the densification step. That is, a densified ceramic-based composite material can be easily obtained.
また、セラミックス基複合材料の製造方法では、前記乾燥工程の後で、前記含浸工程、及び前記乾燥工程を繰り返し、前記焼成工程は、前記含浸工程、及び前記乾燥工程を複数回繰り返した前記乾燥済み素体を焼成してもよい。 Further, in the method for producing a ceramic-based composite material, the impregnation step and the drying step are repeated after the drying step, and the firing step is the dried step in which the impregnation step and the drying step are repeated a plurality of times. The element body may be fired.
この方法によれば、素体に対するポリマーの含浸効率をさらに高めることができる。すなわち、さらに緻密化されたセラミックス基複合材料を容易に得ることができる。 According to this method, the efficiency of impregnating the polymer with the element body can be further increased. That is, a more densified ceramic-based composite material can be easily obtained.
本発明によれば、強度低下が生じにくく、かつ製造工程を簡単にすることが可能なセラミックス基複合材料の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a ceramic-based composite material, which is less likely to cause a decrease in strength and can simplify the production process.
[第一実施形態]
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. The components of each embodiment described below can be combined as appropriate. In addition, some components may not be used. In addition, the components in the following embodiments include those that can be easily replaced by those skilled in the art, or those that are substantially the same.
図1に示すように、セラミックス基複合材料100は、複数の繊維層10を積層することで、一例として薄肉板状に形成されている。言い換えると、セラミックス基複合材料100は、重なり合って配置された複数の繊維層10を有している。なお、図1に示す例では、複数の繊維層10同士の間に境界線を便宜的に表示しているが、実際のセラミックス基複合材料100では繊維層10同士の間にこのような明確な境界線は存在せず、複数の繊維層10同士は一体をなしている。また、セラミックス基複合材料100の形状は、図1に示す板形状に限定されず、種々の形状とすることができる。以下の説明では、セラミックス基複合材料100をCMCと略称することがある。
As shown in FIG. 1, the ceramic-based
繊維層10は、図2に示すように、織布1と、マトリックス3と、を備える。なお、図2は、繊維層10の構成を模式的に示している。図3に拡大して示すように、織布1は、複数の繊維束2と、繊維束2、及び繊維束2を形成する繊維2Aの外側を覆う界面層4と、を有している。織布1は、複数の繊維束2を織ることで形成された織物である。本実施形態に係る繊維束2は、アルミナ、ムライト等の酸化物を主成分とする繊維2Aを数百〜数千本束ねたものである。なお、繊維束2として、SiC系の繊維を用いることも可能である。織布1は、このような繊維束2に対して平織りや、朱子織りを施すことで形成することができる。さらに、織布1は繊維束2を用いた不織布として形成することもできる。
As shown in FIG. 2, the
界面層4はCNO等の炭素系の組成を有する。詳しくは後述するが、界面層4を形成するに当たっては、織布1を窒素雰囲気下で加熱する。これにより、サイジング材として繊維束2に当初から付着しているポリウレタン系のポリマーに化学反応が生じる。結果として、上記した炭素系の界面層4が得られる。界面層4が形成されていることにより、繊維束2及び繊維2Aとマトリックス3との反応抑制がなされ、最終製品であるCMCの強度特性(例えば、強度、靱性)をさらに高めることができる。
The
マトリックス3は、複数の繊維束2同士の間に形成された間隙や、繊維2A同士の間の間隙に配置される。マトリックス3は、繊維束2に含浸することで当該繊維束2を補強する。マトリックス3は、具体的には繊維束2と同様に、アルミナ、ムライト等の酸化物を主成分とする。
The
次に、図4を参照して、セラミックス基複合材料100の製造方法について説明する。本実施形態に係るセラミックス基複合材料100の製造方法は、素体形成工程S1と、緻密化工程S2と、を含む。素体形成工程S1では、上記の織布1にマトリックス3の前駆体としてのポリマーを含浸させる。緻密化工程S2では、織布1にポリマーをさらに含浸させることで、マトリックス3の密度が高められる。
Next, a method for producing the ceramic-based
素体形成工程S1は、裁断工程S11と、界面層形成工程S12と、第一含浸工程S13と、積層工程S14と、仮焼成工程S15と、を含む。また、素体形成工程S1は、第一含浸工程S13と、積層工程S14とを複数回繰り返す場合もある。裁断工程S11は、織布1を予め定められた所望の形状、寸法に裁断する。第一含浸工程S13は、裁断した織布1に対して、マトリックス3の前駆体としてのポリマーを含浸させる。前駆体としてのポリマーは、後述する仮焼成工程S15で熱分解を生じ、セラミックス化することでマトリックス3となる材料である。
The element body forming step S1 includes a cutting step S11, an interface layer forming step S12, a first impregnation step S13, a laminating step S14, and a temporary firing step S15. Further, in the element body forming step S1, the first impregnation step S13 and the laminating step S14 may be repeated a plurality of times. In the cutting step S11, the
界面層形成工程S12では、裁断された織布1を窒素雰囲気下で加熱する。これにより、サイジング材が変性して、炭素系の界面層4を形成することができる。具体的には図5に示すように、サイジング材としてポリウレタンが用いられている場合、ポリウレタンの合成と熱分解を経て、界面層4としてのCNOが生成される。
In the interface layer forming step S12, the cut woven
なお、サイジング材として、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリブタジエン、ポリアルキシレングリコール、ポリオレフィン樹脂、ビニルエステル樹脂、飽和ポリエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ピッチ系樹脂の群から選択された少なくとも1つを用いることが可能である。言い換えると、上記の群のうち少なくとも1つの化学種をサイジング材として有していれば、窒素雰囲気下で加熱することによって、容易に界面層4を形成することができる。
As the sizing material, polyurethane resin, epoxy resin, polybutadiene, polyalkylene glycol, polyolefin resin, vinyl ester resin, saturated polyester resin, unsaturated polyester resin, polyamide resin, polyimide resin, polyamideimide resin, acrylic resin, polypropylene resin , At least one selected from the group of pitch resins can be used. In other words, if at least one chemical species in the above group is contained as a sizing material, the
第一含浸工程S13では、ポリマーの粉末を含むスラリーに織布1をひたすことで、織布1の一部にポリマーが含浸する。
In the first impregnation step S13, the polymer is impregnated in a part of the woven
積層工程S14は、所望の厚さになるまで、ポリマーが含浸した状態の織布1を複数積層する。なお、織布1を積層する際に、繊維の走行方向を層ごとに違えることで、積層された織布1に擬似等方性を持たせることもできる。具体的には、n層の織布1を積層する場合、各層の繊維の走行方向を(360/n)°ごとに違えることで擬似等方性を実現することができる。仮焼成工程S15は、積層された織布1を焼成する。仮焼成工程S15で焼成された状態の織布1を、以下では「素体」と呼ぶ。以上により、素体形成工程S1が完了する。素体形成工程S1で得られた素体は、緻密化工程S2を実行することにより、密度が高められる。
In the laminating step S14, a plurality of
緻密化工程S2は、第二含浸工程S21(含浸工程)と、乾燥工程S22と、焼成工程S23と、判定工程S24と、を含む。緻密化工程S2は、第二含浸工程S21と、乾燥工程S22と、焼成工程S23と、判定工程S24と、をこの順で実行する。なお、緻密化工程S2は、一部の工程を繰り返し実行することもできる。 The densification step S2 includes a second impregnation step S21 (impregnation step), a drying step S22, a firing step S23, and a determination step S24. In the densification step S2, the second impregnation step S21, the drying step S22, the firing step S23, and the determination step S24 are executed in this order. In the densification step S2, a part of the steps can be repeatedly executed.
第二含浸工程S21は、素体に対してマトリックス3の前駆体としてのポリマーをさらに含浸させる。第二含浸工程S21を実行する前の素体は、マトリックス3が繊維束2同士の間の間隙の一部のみに配置されている。言い換えると、当該段階では素体の密度、すなわちマトリックス3の充填率が十分高められてはおらず、さらにマトリックス3を形成する余地がある。そこで、第二含浸工程S21を実行することにより、積層済みの素体に対して、マトリックス3の前駆体としてのポリマーがさらに含浸される。第二含浸工程S21により、含浸済み素体が形成される。
In the second impregnation step S21, the element body is further impregnated with the polymer as a precursor of the
第二含浸工程S21の後で、乾燥工程S22を実行する。第二含浸工程S21でポリマーをさらに含浸させた素体は、含浸に用いられたスラリーの溶剤分や水分を多量に含んでいる。乾燥工程S22では、溶剤分を揮発させるとともに、水分を蒸発させる。これにより、乾燥済み素体が形成される。乾燥済み素体の体積は、含浸済み素体の体積よりも小さくなる。 After the second impregnation step S21, the drying step S22 is performed. The element body further impregnated with the polymer in the second impregnation step S21 contains a large amount of solvent and water of the slurry used for impregnation. In the drying step S22, the solvent component is volatilized and the water content is evaporated. As a result, a dried element body is formed. The volume of the dried element body is smaller than the volume of the impregnated element body.
乾燥工程S22の次に、焼成工程S23を実行する。焼成工程S23では、乾燥済み素体を焼成する。焼成工程S23を実行することにより、上述した前駆体としてのポリマーと織布1との間に化学反応が生じる。当該化学反応により、ポリマーはマトリックス3となるとともに、織布1の繊維束2に含浸した状態となる。
After the drying step S22, the firing step S23 is executed. In the firing step S23, the dried element body is fired. By executing the firing step S23, a chemical reaction occurs between the polymer as the precursor described above and the
具体的に焼成工程S23では、脱水反応によってポリマーに含まれるOH基がオキソ基(O基)となり、前駆体としてのポリマーがマトリックス3となる。したがって、焼成工程S23後のポリマー中では、近接するオキソ基同士の間で分子間縮合が生じる。さらに、ポリマー中では、オキソ基による分子内縮合も生じる。
Specifically, in the firing step S23, the OH group contained in the polymer becomes an oxo group (O group) by the dehydration reaction, and the polymer as a precursor becomes the
焼成工程S23の後で、判定工程S24を実行する。判定工程S24では、上記の処理済み素体が、予め定められた特性、条件を満たしているか否かを判定する。判定工程S24で、予め定められた特性、条件を満たしていると判定された場合には、所望の特性を有するCMCが完成したと判定される。一方で、予め定められた特性、条件を満たしていないと判定された場合には、再び上記の第二含浸工程S21、乾燥工程S22、及び焼成工程S23を実行する。すなわち、判定工程S24で予め定められた特性、条件を満たすまで、第二含浸工程S21、乾燥工程S22、及び焼成工程S23を繰り返す。なお、本実施形態では、判定工程S24で判定を実行するとしたが、予め定められた特性、条件を満たす第二含浸工程S21、乾燥工程S22、焼成工程S23及び判定工程S24の繰り返し回数を予め実験等で決定し、決定した回数を繰り返すようにしてもよい。以上により、セラミックス基複合材料100の製造方法の全工程が完了する。
After the firing step S23, the determination step S24 is executed. In the determination step S24, it is determined whether or not the processed element body satisfies the predetermined characteristics and conditions. When it is determined in the determination step S24 that the predetermined characteristics and conditions are satisfied, it is determined that the CMC having the desired characteristics has been completed. On the other hand, if it is determined that the predetermined characteristics and conditions are not satisfied, the second impregnation step S21, the drying step S22, and the firing step S23 are performed again. That is, the second impregnation step S21, the drying step S22, and the firing step S23 are repeated until the predetermined characteristics and conditions are satisfied in the determination step S24. In the present embodiment, the determination is executed in the determination step S24, but the number of repetitions of the second impregnation step S21, the drying step S22, the firing step S23, and the determination step S24 that satisfy the predetermined characteristics and conditions is tested in advance. Etc., and the determined number of times may be repeated. As described above, all the steps of the method for manufacturing the ceramic-based
上記で説明したように、本実施形態に係るセラミックス基複合材料100の製造方法によれば、界面層形成工程S12を実行することで、サイジング材を除去することなく、繊維束2の周囲に界面層4を形成することができる。これにより、織布1の繊維束2の周囲のサイジング材として付着している材料を除去して、界面を形成せずに、界面層形成工程S12で界面層4を形成することができる。これにより、工程を複雑長期化させることなく、界面層4を有するCMCを得ることができる。また、界面層4を形成するための材料を別個に用意する必要がないため、低コスト化を図ることもできる。
As described above, according to the method for producing the ceramic-based
さらに、本実施形態に係るセラミックス基複合材料100の製造方法によれば、サイジング材としてポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリブタジエン、ポリアルキシレングリコール、ポリオレフィン樹脂、ビニルエステル樹脂、飽和ポリエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ピッチ系樹脂の群から選択された少なくとも1つが用いられる。これらの化学種は、窒素雰囲気下で加熱することにより、炭素系の分子構造に変化する。したがって、この方法によれば、容易かつ廉価に界面層を形成することができる。
Further, according to the method for producing the ceramics-based
[第二実施形態]
次に、本発明の第二実施形態について図6から図8を参照して説明する。図6に示すように、本実施形態に係るセラミックス基複合材料200の製造方法は、水蒸気処理工程S223と、予備判定工程S224とをさらに含む点で、上記の第一実施形態とは異なる。
[Second Embodiment]
Next, the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 8. As shown in FIG. 6, the method for producing the ceramic-based
具体的には、乾燥工程S222の後で、水蒸気処理工程S223を実行する。水蒸気処理工程S223では、乾燥済み素体を飽和水蒸気圧下に留置する。具体的には、乾燥済み素体を処理容器の中に密閉する。処理容器内の温度は、30〜200℃であることが望ましい。さらに望ましくは、処理容器内の温度は80〜150℃であり、最も望ましくは100〜130℃である。なお、水蒸気処理工程S223を行う期間は数分〜数時間の間で適宜選択され、ノミナル値としては約1時間である。 Specifically, the steam treatment step S223 is executed after the drying step S222. In the steam treatment step S223, the dried element is placed under saturated steam pressure. Specifically, the dried body is sealed in a processing container. The temperature inside the processing container is preferably 30 to 200 ° C. More preferably, the temperature inside the processing vessel is 80-150 ° C, most preferably 100-130 ° C. The period for performing the steam treatment step S223 is appropriately selected from several minutes to several hours, and the nominal value is about 1 hour.
水蒸気処理工程S223では、上記乾燥済み素体に含まれるポリマー(すなわち、マトリックス3の前駆体としてのポリマー)の一部が加水分解される。具体的には、ポリマーには、水蒸気処理工程S223が実行されることで、図7に示すような化学反応が生じる。図7中で、「L」は所定の脱離基を表している。同図に示すように、水蒸気処理工程S223を実行することにより、ポリマー中のL基がOH基に置換される。水蒸気処理工程S223を実行することで、処理済み素体が形成される。 In the steam treatment step S223, a part of the polymer contained in the dried element (that is, the polymer as a precursor of the matrix 3) is hydrolyzed. Specifically, when the steam treatment step S223 is executed on the polymer, a chemical reaction as shown in FIG. 7 occurs. In FIG. 7, “L” represents a predetermined leaving group. As shown in the figure, by executing the steam treatment step S223, the L group in the polymer is replaced with the OH group. By executing the steam treatment step S223, the treated element body is formed.
水蒸気処理工程S223の後に、予備判定工程S224を実行する。予備判定工程S224では、上記の処理済み素体が、予め定められた特性、条件を満たしているか否かを判定する。予備判定工程S224で、予め定められた特性、条件を満たしていると判定された場合には、後続の焼成工程S225に遷移する。一方で予め定められた特性、条件を満たしていないと判定された場合には、再び上記の第二含浸工程S221、乾燥工程S222、水蒸気処理工程S223を実行する。すなわち、予備判定工程S224予め定められた特性、条件を満たすまで、第二含浸工程S221、乾燥工程S222、水蒸気処理工程S223を繰り返す。なお、本実施形態では、予備判定工程S224で判定を実行するとしたが、予め定められた特性、条件を満たす第二含浸工程S221、乾燥工程S222、水蒸気処理工程S223の繰り返し回数を予め実験等で決定し、決定した回数を繰り返すようにしてもよい。 After the steam treatment step S223, the preliminary determination step S224 is executed. In the preliminary determination step S224, it is determined whether or not the processed element body satisfies the predetermined characteristics and conditions. If it is determined in the preliminary determination step S224 that the predetermined characteristics and conditions are satisfied, the process proceeds to the subsequent firing step S225. On the other hand, if it is determined that the predetermined characteristics and conditions are not satisfied, the second impregnation step S221, the drying step S222, and the steam treatment step S223 are executed again. That is, the second impregnation step S221, the drying step S222, and the steam treatment step S223 are repeated until the preliminary determination step S224 satisfies the predetermined characteristics and conditions. In the present embodiment, the determination is executed in the preliminary determination step S224, but the number of repetitions of the second impregnation step S221, the drying step S222, and the steam treatment step S223 that satisfy the predetermined characteristics and conditions is determined in advance by an experiment or the like. It may be decided and the determined number of times may be repeated.
本実施形態に係るセラミックス基複合材料200の製造方法では、水蒸気処理工程S223を実行することで、素体に対するポリマーの含浸効率を高めることができる。すなわち、後続の焼成工程S225を多数回にわたって実行することなく、所望の特性を有するセラミックス基複合材料200を得ることができる。したがって、焼成工程S225を繰り返した場合に生じる、熱による強度低下や、製造期間の長期化を回避することができる。
In the method for producing the ceramic-based
さらに、水蒸気処理工程S223を実行することにより、ポリマー中の近接するオキソ基同士が分子間縮合する。さらに、ポリマー中では、オキソ基による分子内縮合も生じる。すなわち、ポリマー同士が3次元ネットワークを形成する。これにより、焼成工程S225後のマトリックス3の強度を高めることができる。言い換えれば、水蒸気処理工程S223を実行したことによって、例えば焼成工程S225のみを複数回繰り返した場合に比べて、少ない繰り返し回数で所望の強度を有するCMCを得ることができる。したがって、焼成工程S225の回数を低減することができるとともに、熱による強度低下や減量が生じる可能性をも低減することができる。
Further, by executing the steam treatment step S223, adjacent oxo groups in the polymer are intermolecularly condensed. In addition, intramolecular condensation due to oxo groups also occurs in the polymer. That is, the polymers form a three-dimensional network. As a result, the strength of the
また、水蒸気処理工程S223は、30℃以上200℃以下の飽和水蒸気下で実行される。このように比較的低い温度下で処理を行うことができるため、大掛かりな設備を用いることなく、素体に対するポリマーの含浸効率を高めることができる。 Further, the steam treatment step S223 is executed under saturated steam of 30 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. Since the treatment can be performed at a relatively low temperature in this way, the efficiency of impregnating the polymer into the element body can be increased without using large-scale equipment.
以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成や方法に種々の変更を加えることが可能である。 The second embodiment of the present invention has been described above. It is possible to make various changes to the above configuration and method as long as the gist of the present invention is not deviated.
例えば、第二実施形態では、第二含浸工程S221、乾燥工程S222、水蒸気処理工程S223を繰り返し実行するとしたが、1回のみとしてもよい。同様に、第二実施形態では、第二含浸工程S221、乾燥工程S222、水蒸気処理工程S223、予備判定工程S224及び焼成工程S225を繰り返し実行するとしたが、1回のみとしてもよい。 For example, in the second embodiment, the second impregnation step S221, the drying step S222, and the steam treatment step S223 are repeatedly executed, but it may be performed only once. Similarly, in the second embodiment, the second impregnation step S221, the drying step S222, the steam treatment step S223, the preliminary determination step S224, and the firing step S225 are repeatedly executed, but it may be performed only once.
以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成や方法に種々の変更を加えることが可能である。 The second embodiment of the present invention has been described above. It is possible to make various changes to the above configuration and method as long as the gist of the present invention is not deviated.
次に、本発明の実施例について図8を参照して説明する。図8は、上記第二実施形態で説明した水蒸気処理工程S223の有無、及び緻密化工程S2の繰り返し回数と、マトリックス3のポロシティ(気孔率)との関係を表すグラフである。グラフの横軸は、焼成工程S25の繰り返し回数を表している。グラフの縦軸は、初期のマトリックス3のポロシティを1としたときのポロシティの値を表している。すなわち、ポロシティの値が低くなるほど、マトリックス3の含浸率が高く、緻密化が進んでいることを表す。また、焼成工程S25の繰り返し回数を少なく抑えた状態で低ポロシティ化を達成できるため、繊維の強度低下を抑えることができるとともに、低コスト化、短工期化を実現することができる。すなわち、本実施例で示されるように、水蒸気処理工程S223を繰り返して実行することにより、焼成工程S25の回数の削減、及び低ポロシティ化を実現することができる。
Next, examples of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the presence / absence of the steam treatment step S223 described in the second embodiment, the number of repetitions of the densification step S2, and the porosity (porosity) of the
図8に比較例として示すように、水蒸気処理工程S223を実行しなかった場合、ポロシティを0.85程度まで低減させるためには、緻密化工程S2を8回繰り返して実行する必要があった。一方で、水蒸気処理を1回実行した場合には、緻密化工程S2を5回繰り返すのみで所望のポロシティに到達した。さらに、水蒸気処理を2回実行した場合には、緻密化工程S2を3回繰り返すのみで所望のポロシティに到達した。加えて、水蒸気処理を3回実行した場合には、緻密化工程S2を2回繰り返すのみで所望のポロシティに到達した。 As shown in FIG. 8 as a comparative example, when the steam treatment step S223 was not executed, it was necessary to repeat the densification step S2 eight times in order to reduce the porosity to about 0.85. On the other hand, when the steam treatment was executed once, the desired porosity was reached only by repeating the densification step S2 five times. Further, when the steam treatment was executed twice, the desired porosity was reached only by repeating the densification step S2 three times. In addition, when the steam treatment was performed three times, the desired porosity was reached only by repeating the densification step S2 twice.
このように、水蒸気処理工程S223を実行することで、緻密化工程S2を実行する回数を低減することができることが分かる。さらに、水蒸気処理工程S223を実行する回数を増やすほど、緻密化工程S2を実行する回数を減らせることが分かる。 As described above, it can be seen that the number of times the densification step S2 is executed can be reduced by executing the steam treatment step S223. Further, it can be seen that as the number of times the steam treatment step S223 is executed increases, the number of times the densification step S2 is executed can be reduced.
1 織布
2 繊維束
2A 繊維
3 マトリックス
4 界面層
10 繊維層
100、200 セラミックス基複合材料
1
Claims (3)
前記織布に前記マトリックスの前駆体としてのポリマーを含浸させて素体を形成する素体形成工程と、
前記素体に前記ポリマーをさらに含浸させ、焼成する緻密化工程と、
を含み、
前記素体形成工程は、前記織布を窒素雰囲気下で加熱することで、前記サイジング材を変性させて前記繊維束に界面層を形成する界面層形成工程を含み、
前記サイジング材は、ポリブタジエン、ポリアルキシレングリコール、ポリオレフィン樹脂、ビニルエステル樹脂、飽和ポリエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ピッチ系樹脂の群から選択された少なくとも1つである
セラミックス基複合材料の製造方法。 A method for producing a ceramic-based composite material, which comprises a plurality of fiber bundles, a woven fabric having a sizing material that covers the periphery of the fiber bundles, and a matrix arranged in a gap between the fiber bundles.
A body forming step of impregnating the woven fabric with a polymer as a precursor of the matrix to form a body,
A densification step of further impregnating the element body with the polymer and firing it,
Including
The element body forming step, the woven fabric by heating in a nitrogen atmosphere, saw including an interface layer formation step of forming an interface layer on the fiber bundle by modifying the sizing member,
The sizing material is a ceramic group which is at least one selected from the group of polybutadiene, polyalkylene glycol, polyolefin resin, vinyl ester resin, saturated polyester resin, unsaturated polyester resin, acrylic resin, polypropylene resin, and pitch resin. Method of manufacturing composite material.
前記素体に前記ポリマーをさらに含浸させて含浸済み素体を形成する含浸工程と、
前記含浸済み素体を乾燥させて乾燥済み素体を形成する乾燥工程と、
前記乾燥済み素体を焼成する焼成工程と、
を含む請求項1に記載のセラミックス基複合材料の製造方法。 The densification step is
An impregnation step of further impregnating the element body with the polymer to form an impregnated element body,
A drying step of drying the impregnated body to form a dried body,
The firing step of firing the dried body and
The method for producing a ceramic-based composite material according to claim 1.
前記焼成工程は、前記含浸工程、及び前記乾燥工程を複数回繰り返した前記乾燥済み素体を焼成する、
請求項2に記載のセラミックス基複合材料の製造方法。 After the drying step, the impregnation step and the drying step are repeated.
In the firing step, the dried element body obtained by repeating the impregnation step and the drying step a plurality of times is fired.
The method for producing a ceramic-based composite material according to claim 2 .
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