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JPH04332637A - 高温耐熱強度部材 - Google Patents

高温耐熱強度部材

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Publication number
JPH04332637A
JPH04332637A JP3104221A JP10422191A JPH04332637A JP H04332637 A JPH04332637 A JP H04332637A JP 3104221 A JP3104221 A JP 3104221A JP 10422191 A JP10422191 A JP 10422191A JP H04332637 A JPH04332637 A JP H04332637A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sic
temperature heat
layer
resistant strength
heat resistant
Prior art date
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Granted
Application number
JP3104221A
Other languages
English (en)
Other versions
JP3060590B2 (ja
Inventor
Kazuhisa Matsumoto
和久 松本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Original Assignee
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd filed Critical Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority to JP3104221A priority Critical patent/JP3060590B2/ja
Publication of JPH04332637A publication Critical patent/JPH04332637A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3060590B2 publication Critical patent/JP3060590B2/ja
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高温耐熱強度部材に係り
、特に、耐熱性、耐酸化性、耐水素劣化性に著しく優れ
た高温耐熱強度部材に関する。
【0002】
【従来の技術】炭素繊維/炭素複合材料(以下「CCコ
ンポジット」と称す。)は、極めて優れた耐熱性を有す
る反面、耐酸化性が全くなく、また、水素劣化性もある
ことから、その利用分野が限定されるという欠点がある
。例えば、ロケットエンジンのノズルのような高温酸化
雰囲気にさらされる用途には不適である。また、炉心管
や熱処理用、焼結用セッタでは、不活性雰囲気中、特に
水素による炭素劣化の問題がある。更に、CCコンポジ
ットは、ガスや液の浸透性があるため、この点からも用
途が限定される。
【0003】このため、CCコンポジットの熱酸化性等
を向上させる目的で、従来、各種の表面処理方法が提案
されている。例えば、次の■〜■の方法がある。■  
Si蒸気又は溶融Siの含浸による表面の珪化。即ち、
表面にSiCを形成する。■  表面にCVD法により
SiCコーティングを施す。■  上記の処理後、クラ
ックをシールするために各種の溶融ガラス(例えば、硼
珪酸ガラス)を含浸する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、CCコ
ンポジットとSiCとでは熱膨張係数が大きく異なるこ
とから、前記■、■のように、表面にSiC層を形成し
たものでは、熱膨張差に起因するクラックが生じ、CC
コンポジットを十分に保護し得ない。■の処理を施すこ
とによりクラックをシールすることができるが、クラッ
クを根本的に解決することはできない。
【0005】本発明は上記従来の問題点を解決し、基材
表面に、クラック発生の少ないSiC又はSi3 N4
 層を形成し、その耐酸化性及び耐水素劣化性を改善し
た高温耐熱強度部材を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1の高温耐熱強度
部材は、炭素繊維/SiC複合材料(以下「C/SiC
複合材料」と称す。)よりなる基材の表面に被覆層が形
成されてなる高温耐熱強度部材であって、該被覆層は、
セラミック及び耐熱金属よりなる群から選ばれる少なく
とも1種の粉末及び/又は短繊維を含み、該粉末及び/
又は繊維同志の間隙に、気相蒸着法によりSiC又はS
i3N4 を含浸してなり、該被覆層は、その表面側が
緻密質であり基材側が多孔質であることを特徴とする。
【0007】請求項2の高温耐熱強度部材は、請求項1
の高温耐熱強度部材において、多孔質層を構成する粉末
及び/又は短繊維が酸化によりB2 O3 を生じさせ
るボロン含有物質よりなることを特徴とする。
【0008】以下に本発明を図面を参照して詳細に説明
する。第1図は本発明の高温耐熱強度部材の一実施例を
示す模式的な断面図である。
【0009】本発明において、基材となるC/SiC複
合材料1は、例えば、炭素繊維割合が35〜60体積%
、マトリックスであるSiCの割合が25〜40体積%
、空孔率が10〜30体積%のものが好ましい。
【0010】このようなC/SiC複合材料は、例えば
、次のようにして製造することができる。■  炭素繊
維を少量の樹脂を用いて成形した後無機化して得られる
多孔質体(プレフォーム)の空孔内へ、CVD法等によ
りSiCを蒸着させる。■  焼結法。■  SiC繊
維用原料樹脂(ポリカルボシラン等)を用いて成形した
後無機化する操作を繰り返す。場合によって、更に空孔
内にCVD法等によりSiCを蒸着させる。
【0011】このようなC/SiC複合材料1の表面に
形成される被覆層2は、セラミック及び耐熱金属よりな
る群から選ばれる少なくとも1種の粉末及び/又は短繊
維を含み、該粉末及び/又は繊維同志の間隙に、気相蒸
着法によりSiC又はSi3N4 を含浸してなるベー
ス層3を有するものである。
【0012】本発明において、該ベース層3の粉末及び
/又は繊維を構成するセラミック及び耐熱金属としては
、黒鉛、炭素、SiC、B4 C、AlN、TiB2 
、MoSi2 、TaN、WC、W2 C等のセラミッ
ク、及びW、Mo等の耐熱金属よりなる群から選ばれる
1種又は2種以上の粉末及び/又は短繊維が挙げられる
。なお、粉末の場合、その平均粒径は0.2〜100μ
m程度とするのが好ましい。また、短繊維の場合、その
平均繊維径は0.2〜30μm、平均繊維長さは20〜
200μmであることが好ましい。
【0013】本発明においては、特に、ベース層3を構
成する粉末及び/又は短繊維がボロン(B)元素を含む
物質よりなることが好ましい。即ち、Bを含む物質より
なる多孔質層であれば、万が一クラックが発生した場合
でも、含有されるBが酸素により酸化されてB2 O3
 となり(2B+2/3O2 →B2 O3 )、この
ものがガラス状となって、或いはこのものとSiC又は
Si3 N4 との酸化により生成した硼珪酸ガラスが
クラックをシールする。このため、C/SiC複合材料
の耐酸化性、耐水素劣化性はより確実に向上する。この
ようなことから、ベース層3を構成する物質はBを含有
することが好ましいが、Bの含有割合が過度に高いと耐
熱性が低下する。従って、本発明においては、多孔質層
のB含有率(SiC又はSi3 N4 含浸前の値)は
1〜30重量%であることが好ましい。なお、Bを含む
物質としては、ボロン、ボロンカーバイド(B4 C)
、ボロンナイトライド(BN)等が挙げられる。
【0014】本発明において、ベース層3の粉末及び/
又は短繊維同志の間の間隙が狭過ぎると十分なSiC又
はSi3 N4 の含浸がなされない。従って、含浸前
の粉末及び/又は短繊維の層の空孔率(SiC又はSi
3 N4 含浸前の値)は40〜99%であることが好
ましい。 また、被覆層2の厚さは薄過ぎると十分なクラック防止
効果が得られず、厚過ぎると基材表面までSiC又はS
i3 N4 が蒸着含浸できず、被覆層と基材との結合
が不十分になり、被覆層が脱落、剥離しやすくなる。従
って、ベース層3の厚さは0.05〜0.5mm程度が
好ましい。
【0015】このような粉末及び/又は短繊維は、例え
ば、C/SiC複合材料表面へフェノール樹脂等の接着
剤をスプレーガン又はハケにて塗布した後、粉末及び/
又は短繊維をふりかけ、ハケ又はヘラで余分の粉末及び
/又は短繊維を除去し、次いで、接着剤を硬化させ、更
に無機化することにより容易にC/SiC複合材料に固
着させることができる(以下、この方法を「接着法」と
称す。)。
【0016】本発明の高温耐熱強度部材では、このC/
SiC複合材料表面に固着された粉末及び/又は短繊維
同志の間隙に、CVD法又はCVI等の気相蒸着法によ
りSiC又はSi3 N4 を、被覆層表面側が緻密質
、基材側が多孔質となるように、含浸、蒸着させる。こ
こで、CVI法又はCVD法の好適なSiCの蒸着条件
の一例を下記表1に示す。
【0017】
【表1】
【0018】このような条件にてSiC又はSi3 N
4 を蒸着することにより、自ずと、表面側により多量
のSiC又はSi3 N4 が蒸着されて緻密質となり
、基材側により少量のSiC又はSi3 N4 が蒸着
されて多孔質となる、SiC又はSi3 N4 含有率
がその厚さ方向で表面側ほど高くなるように変化する被
覆層2が得られる。
【0019】被覆層2のSiC又はSi3 N4 含浸
率は、少な過ぎるとSiC又はSi3 N4 による耐
酸化性等の改善効果が十分に得られず、多すぎてもそれ
以上の効果は得られず経済的ではない。従って、SiC
又はSi3 N4 は、被覆層中の体積%で1〜50%
となるように含浸させるのが好ましい。
【0020】本発明において、被覆層2は、更に、表面
にSiC又はSi3 N4 の気相蒸着膜5が形成され
たものであっても良い。このような気相蒸着膜5を形成
することにより、耐酸化性、耐水素劣化性はより一層向
上する。
【0021】このような本発明の高温耐熱強度部材は、
次のような高温部材用途等に極めて有用である。 ■  ロケットエンジンのノズル等の高温部材■  炉
心管 ■  熱処理用、焼結用セッタ(被処理物を置く台)

0022】
【作用】本発明の高温耐熱強度部材は、C/SiC複合
材料の表面に、セラミック及び耐熱金属よりなる群から
選ばれる少なくとも1種の粉末及び/又は短繊維で形成
された層が形成されており、かつ、この層の空孔が気相
蒸着法により生成したSiC又はSi3 N4 で、表
面側が緻密質、基材側が多孔質となるように含浸されて
いる。
【0023】このような、SiC又はSi3 N4 含
有率が傾斜し、空孔率が厚さ方向に徐々に変化する被覆
層は、基材のC/SiC複合材料に対して応力緩和層と
して作用するため、C/SiC複合材料とSiC又はS
i3 N4 との熱膨張係数の差に起因する被覆層のク
ラック発生は少なくなる。このため、C/SiC複合材
料は、SiC又はSi3N4 が含浸された被覆層によ
り、良好な耐酸化性、耐水素劣化性、ガス、液不透性が
与えられる。なお、C/SiC複合材料は、CCコンポ
ジットに比べて表面被覆層とのなじみが良く、クラック
が発生し難く、本発明に有効である。
【0024】特に、被覆層を構成する物質がBを含む場
合には、万が一被覆層にクラックが入った場合において
も、Bのガラス化による目詰め作用で、基材の劣化は防
止される。
【0025】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明する。
【0026】実施例1、比較例1,2 炭素繊維含有率:40体積%、マトリックスSiC含有
率:40体積%、空孔率:20体積%のC/SiC複合
材料に、接着法にて、平均粒径2μmのSiC粉末を用
いて、厚さ0.3mm、空孔率70体積%の層を形成し
た。次いで、この多孔質層に前記表1のCVI法の条件
にて、SiCを含浸させた。SiCの含浸率は、得られ
る被覆層に対して30体積%とし、更に、表面に厚さ5
0μmのSiC蒸着膜を形成した。
【0027】得られた高温耐熱強度部材を大気中で13
00℃に100時間加熱したときの重量減少率を調べた
ところ、重量減少率は18%であった。一方、比較例1
として同一のC/SiC複合材料に、また、比較例2と
して、CCコンポジット(炭素含有率40体積%、マト
リックス炭素含有率35体積%、空孔率25体積%)に
、各々、直接50μm厚さのCVD−SiCコーティン
グ膜を形成したものについて同様に加熱試験を行なった
ところ、C/SiC複合材料中の炭素繊維とCCコンポ
ジットはほぼ完全に燃焼した。
【0028】実施例2 実施例1で用いたと同様のC/SiC複合材料に、接着
法にて、平均粒径2μmのSiC粉末及び平均粒径3μ
mのB4 C粉末を用いて、厚さ0.3mm、B含有率
20重量%、空孔率70体積%の多孔質層を形成した。 次いで、この多孔質層に前記表1のCVI法の条件にて
、SiCを含浸させた。SiCの含浸率は、得られる被
覆層に対して30体積%とし、更に、表面に厚さ50μ
mのSiC蒸着膜を形成した。
【0029】得られた高温耐熱強度部材を大気中で13
00℃に100時間加熱したときの重量減少率を調べた
ところ、重量減少率は6%であった。
【0030】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の高温耐熱強
度部材によれば、耐熱性、耐酸化性、耐水素劣化性及び
ガス、液不透性が大幅に改善された高温耐熱強度部材が
提供される。特に、請求項2の高温耐熱強度部材であれ
ば、より優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1図は本発明の高温耐熱強度部材の一実施例
を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
1  C/SiC複合材料 2  被覆層 3  ベース層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  炭素繊維/SiC複合材料よりなる基
    材の表面に被覆層が形成されてなる高温耐熱強度部材で
    あって、該被覆層は、セラミック及び耐熱金属よりなる
    群から選ばれる少なくとも1種の粉末及び/又は短繊維
    を含み、該粉末及び/又は繊維同志の間隙に、気相蒸着
    法によりSiC又はSi3 N4 を含浸してなり、該
    被覆層は、その表面側が緻密質であり基材側が多孔質で
    あることを特徴とする高温耐熱強度部材。
  2. 【請求項2】  多孔質層を構成する粉末及び/又は短
    繊維が酸化によりB2O3 を生じさせるボロン含有物
    質よりなることを特徴とする請求項1に記載の高温耐熱
    強度部材。
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