JPH06340475A

JPH06340475A - 繊維強化セラミックス複合材料およびその製造方法

Info

Publication number: JPH06340475A
Application number: JP5305414A
Authority: JP
Inventors: Akiko Suyama; 章子須山; Masahiro Asayama; 雅弘浅山; Tsuneji Kameda; 常治亀田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-12-07
Filing date: 1993-12-06
Publication date: 1994-12-13

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】複雑形状の複合材料を形成することができ、破
壊靭性値および強度を改善した繊維強化セラミックス複
合材料およびその製法を提供する。【構成】マトリックスを構成するセラミックス粉末に対
して、直径が３μｍ以上１５０μｍ以下であり、長さが
０．１mm以上２０mm以下であるセラミックス繊維を６０
体積％以下の割合で添加し、さらに添加剤または分散媒
を添加混合して調製した原料混合体を、鋳込み成形法，
押出し成形法，ドクターブレード法，射出成形法および
自己硬化成形法から選択されるいずれかの方法によって
成形するか、あるいは所定形状に成形したセラミックス
短繊維から成る予備成形体（プリフォーム）に鋳込み成
形法，射出成形法，自己硬化成形法から選択されるいず
れかの方法によりマトリックスを含浸注入成形し、脱脂
後に焼結して製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は繊維強化セラミックス複
合材料およびその製造方法に係り、特に靭性値および信
頼性に優れ、複雑形状であっても容易に製造することが
可能な繊維強化セラミックス複合材料およびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＡｌＮ，ＳｉＣ，Ｓｉ₃Ｎ₄など窒化
物，炭化物，ほう化物，けい化物等のセラミックス原料
粉末を所定形状に成形してセラミックス成形体とした後
に、得られたセラミックス成形体を焼結したセラミック
ス焼結体は、一般に、硬度，電気絶縁性，耐摩耗性，耐
熱性，耐腐食性，軽量性等の諸特性が従来の金属材と比
較して優れているため、重電設備部品，航空機部品，自
動車部品，電子機器，精密機械部品，半導体装置材料な
どの電子用材料や構造用材料として広い分野において使
用されている。

【０００３】但し、セラミックス焼結体は、本質的に引
張応力に弱く、破壊が一気に進行する、いわゆる脆性と
いう欠点を有している。このようなことから、高信頼性
が要求される部位へのセラミックス部品の適用を可能に
するために、セラミックス焼結体の高靭性化や破壊エネ
ルギーの増大を図ることが強く求められている。

【０００４】すなわちガスタービン部品、航空機部品、
自動車部品に使用されるセラミックス構造部品など耐熱
性および高温強度に加えて高い信頼性を要求されるセラ
ミックス構造部品としては、無機物質や金属から成る補
強繊維，ウィスカー，プレート，粒子等の強化素材をマ
トリックス焼結体に分散複合化させて靭性値や破壊エネ
ルギー値等を高めたセラミックス複合材料の実用化が進
められている。

【０００５】上記したようなセラミックス複合材料にお
いて、長繊維を強化素材として用いたものは、破壊靭性
や破壊エネルギーの増大効果に優れ、信頼性の向上に対
しては大きな効果を示すものの、長繊維は目的の部品形
状とすることが容易ではなく、かつ一次元の単繊維や繊
維束を単に配列しただけでは、材料特性に異方性が生じ
るというような問題を有している。

【０００６】一方、強化素材として、ウィスカー，プレ
ート，粒子等を用いたセラミックス複合材料は、所望形
状の付与性能に優れる反面、長繊維を複合した場合のよ
うに、大幅な特性向上効果が得られないという問題があ
る。また、短繊維を強化素材として用いたものは、ウィ
スカー，プレート，粒子等よりは特性の向上効果が大き
く、かつ形状の付与も比較的容易であり、長繊維を強化
素材として用いたものに近い特性の向上が期待できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記セ
ラミックス複合材料は、従来のＦＲＰ（繊維強化プラス
チック）やＦＲＭ（繊維強化金属）またはセラミックス
モノリシック材料と比較して未完成な材料である。また
複合化する繊維は一般に焼結時の収縮緻密化を阻害し、
複合体全体の強度を劣化させる性質を有するため、常圧
焼結法または雰囲気加圧焼結法によって焼結するだけで
は緻密化できず、高靭性を有する複合材料を製造するこ
とは困難であった。そのため緻密な複合材料を形成する
ためには、ホットプレス法により成形体の一軸方向に外
力を加えて緻密化を促進し、高靭性化を図る方法が採ら
れていた。

【０００８】しかしながら、ホットプレス法では一軸方
向に成形体を加圧しながら焼結する方法であるため、焼
結できる試料形状は平板状のものなどの単純な形状を有
し小型のものに限定される欠点があり、タービン動翼，
静翼，燃焼器等のように加圧方向において断面形状が異
なる大型製品については適用できない問題点があった。

【０００９】また、従来の繊維強化セラミックス複合材
料において、長繊維を強化素材とした場合には、形状の
付与が困難で、かつ材料特性に異方性が生じ易いという
問題があり、一方、短繊維，ウィスカー，プレート，粒
子等を強化素材とした場合には、長繊維ほどの大幅な特
性向上が得られないという問題があった。

【００１０】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、複雑形状部品の形成に対応すること
ができ、破壊靭性値および強度を大幅に改善した緻密な
繊維強化セラミックス複合材料を提供することを目的と
する。

【００１１】また本発明の他の目的は、種々の形状を容
易に作製することを可能にすると共に、繊維強化複合セ
ラミックスの破壊靭性や破壊エネルギー等をより一層向
上させることを可能にした繊維強化セラミックス複合材
料の製造方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者らはセラミックス繊維を良好に分散させる
ための繊維の形状や成形方法を種々実験により検討し、
得られた複合材料の強度特性等を比較した。その結果、
所定形状のセラミックス短繊維を含有するセラミックス
原料混合体を、鋳込み成形法、押出し成形法，ドクター
ブレード法，射出成形法および自己硬化成形法から選択
されるいずれかの成形方法によって所定形状に成形する
ことにより、複雑形状部品の形成に対応でき、靭性およ
び強度特性に優れ、緻密化した繊維強化セラミックス複
合材料が得られることが判明した。

【００１３】また、セラミックス材料の繊維複合強化に
ついて種々検討を重ねた結果、特定形状のセラミックス
繊維を用いると共に、セラミックス繊維間へのマトリッ
クス材料の充填率を高め、マトリックスの緻密化を図る
ことによって、セラミックス短繊維を用いた場合でも、
大幅に特性向上が達成されることを見出した。

【００１４】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。

【００１５】すなわち本発明に係る繊維強化セラミック
ス複合材料は、セラミックス焼結体から成るマトリック
ス中に、直径が３μｍ以上１５０μｍ以下であり、長さ
が０．１mm以上２０mm以下であるセラミックス繊維を６
０体積％以下の割合で分散させたことを特徴とする。

【００１６】またセラミックス繊維の材質は、特に限定
されるものではなく、マトリックスの構成材料と同様な
セラミックス材料を用いることができる。このようなセ
ラミックス繊維の具体例としては、炭素けい素系繊維
（ＳｉＣ，Ｓｉ−Ｃ−Ｏ，Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ等），Ｓ
ｉＣ被覆繊維（芯線は例えばＣ），アルミナ繊維，ジル
コニア繊維，炭素繊維，ボロン繊維，窒化けい素系繊
維，Ｓｉ₃Ｎ₄被覆繊維（芯線は例えばＣ）およびムラ
イト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂〜２Ａｌ₂Ｏ₃・Ｓｉ
Ｏ₂）繊維等から選択された少なくとも一種を使用する
とよい。また、繊維とマトリックスとの間の反応を防止
するため、または両者の界面におけるすべりを改善する
ために繊維表面にＣやＢＮから成るコーティング層を形
成してもよい。

【００１７】さらに本発明に係る繊維強化セラミックス
複合材料の第１の製造方法は、マトリックスを構成する
セラミックス粉末に対して、直径が３μｍ以上１５０μ
ｍ以下であり、長さが０．１mm以上２０mm以下であるセ
ラミックス繊維を６０体積％以下の割合で添加し、さら
に分散媒中に添加剤を添加混合して調製した原料混合体
を、鋳込み成形法，押出し成形法，ドクターブレード
法，射出成形法および自己硬化成形法から選択されるい
ずれかの成形方法によって所定形状に成形し、得られた
成形体を脱脂し、しかる後に焼結することを特徴とす
る。

【００１８】また、第２の製造方法として、セラミック
スからなるマトリックスの出発原料を主成分とする原料
スラリーを、直径が３〜１５０μｍで、長さが０．１〜
２０mmのセラミックス繊維からなる予備成形体を配置し
た成形型内に鋳込み、所望形状の繊維含有セラミックス
成形体を作製する工程と、前記繊維含有セラミックス成
形体を、前記マトリックスの構成材料に応じた条件で焼
成し、繊維含有セラミックス複合焼結体を作製する工程
とを具備して構成してもよい。なお上記製造方法におけ
る鋳込み成形法としてとは、加圧鋳込法，減圧鋳込法，
または両者を組み合せた鋳込法を使用してもよい。

【００１９】ここで上記セラミックス成形体およびセラ
ミックス焼結体のマトリックスを構成するセラミックス
原料粉末としては、種々のセラミックス材料を用いるこ
とができ、例えば炭化けい素（ＳｉＣ），窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄），窒化ほう
素（ＢＮ）等の非酸化物系の汎用セラミックス原料やア
ルミナ，ジルコニア，チタニア，ムライト，ベリリア，
コージェライト，ジルコン，サイアロンなどの酸化物系
のセラミックス原料が１種または２種以上混合して使用
される。特にサイアロンとしては組成式：Ｓｉ_6-zＡｌ
_zＯ_zＮ_8-z（但し、０＜ｚ≦４．５）のものを使用す
る。また、上記セラミックス原料粉末には、必要に応じ
て酸化イットリウム，酸化セリウム，炭酸マグネシウ
ム，炭酸カルシウムもしくは珪酸等の焼結助剤や添加剤
が添加される。さらにマトリックスを反応焼結過程で形
成することも可能である。

【００２０】またセラミックス焼結体から成るマトリッ
クス中に分散させ、セラミックス繊維はマトリックス基
地の靭性強度を高めるために添加され、その具体例とし
ては、炭素けい素系繊維，アルミナ繊維，ジルコニア繊
維，炭素繊維，ボロン繊維，窒化けい素系繊維およびム
ライト繊維から選択された少なくとも一種を使用すると
よい。これらのセラミックス繊維は、複合材料全体に対
して好ましくは５体積％以上６０体積％以下の割合で添
加される。添加量が６０体積％を超える過量となると、
各繊維周囲に均一にマトリックス基地を配置することが
困難になり、欠陥の発生に伴い複合材料の強度特性が急
激に低下してしまう。複合効果が現れる好ましい添加量
は２０〜４５体積％の範囲である。

【００２１】セラミックス繊維の径および長さは、成形
体中における繊維の分散性および配向性さらには複合材
料の強度特性に大きく影響を及ぼすものであり、本発明
では直径が３〜１５０μｍ、長さが０．１mm〜２０mmの
範囲の短繊維を使用する。直径が３μｍ未満の場合には
マトリックス基地の補強効果が少なく、また直径が１５
０μｍを超える太い繊維では、繊維とマトリックス基地
との境界界面に熱膨脹差による応力が生じ易く、割れ等
が発生し易くなり、いずれの場合も強化繊維による複合
効果を大幅に改善することが困難になる。

【００２２】また繊維の長さが０．１mm未満の場合に
は、クラック進行の抑制効果が少なく靭性の改善効果も
少なくなる。一方長さが２０mmを超えるような長大な繊
維を使用した場合には繊維が均一に分散しにくく、緻密
化しにくい上に、形状付与性能が低下し、例えばセラミ
ックス繊維による予備成形体（プリフォーム）の形成能
が低下する。また、破壊の起点となる繊維の凝集が形成
され易く、この凝集が欠陥となり強度特性が低下する。

【００２３】すなわち、直径が３〜１５０μｍで、かつ
長さが０．１〜２０mmのセラミックス繊維を用いること
によって、良好な形状付与性能を維持しつつ、強化繊維
による複合効果を大幅に改善することが可能となる。但
し、このようなセラミックス繊維の含有量が５体積％未
満であると、形状付与性能が低下するため、セラミック
ス繊維の含有量は５体積％以上とすることが好ましい。

【００２４】上記のようなセラミックス繊維をマトリッ
クス基地中に分散した繊維強化セラミックス複合材料
は、例えば下記の工程によって製造される。すなわちセ
ラミックス原料粉末に所定量のセラミックス繊維と焼結
助剤、有機バインダとを添加して混合して原料混合体を
調製し、さらに得られた原料混合体を水や溶剤等の分散
媒中に分散せしめてスラリーを調整し、このスラリーを
鋳込み成形法（減圧，常圧および加圧成形法を含む）、
押出し成形法、ドクターブレード法、射出成形法、自己
硬化成形法を使用して所定形状の成形体を調製する。

【００２５】ここで自己硬化成形法（ゲルキャスト法）
は、自己硬化性を有する有機バインダーを添加し、この
有機バインダーの重合による硬化作用を利用して所定形
状の成形体を形成する方法である。

【００２６】特に上記鋳込み成形法，押出し成形法，自
己硬化成形法または射出成形法を使用することにより、
最終製品形状に近い、いわゆるニアネットシェイプの成
形体が得られる。さらに鋳込み成形法によれば成形型の
吸水面に吸収される分散媒の流れに沿ってセラミックス
繊維が成形体の表面部に２次元的に配向した成形体が得
られる。また押出し成形法，ドクターブレード法または
射出成形法を使用することにより、原料混合体の押出し
方向または射出方向に沿ってセラミックス繊維が配向す
るため、セラミックス繊維の配向を利用した複合材料成
形体の形成も可能である。

【００２７】次に得られた複合材料成形体を乾燥脱脂
後、非酸化物系セラミックスを使用する場合、Ｎ₂ガス
やアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気内において、また
酸化物系の場合、大気中で温度１３００〜２１００℃の
範囲で１〜１０時間程度焼結することにより、最終製品
としての繊維強化セラミックス複合材料が製造される。

【００２８】本発明に係る繊維強化セラミックス複合材
料の他の製造方法においては、まずマトリックスの出発
原料を主成分とする原料スラリーを調製し、この原料ス
ラリーを、セラミックス繊維からなる予備成形体（プリ
フォーム）を配置した成形型内に加圧鋳込みまたは減圧
鋳込みすることによって、所望形状の繊維含有セラミッ
クス成形体を作製する。

【００２９】ここで上記製造方法におけるマトリックス
の出発原料は、通常の焼結セラミックスを適用する場合
には、そのセラミックス粉末（焼結助剤等を含んでいて
もよい）であり、反応焼結セラミックスを使用する場合
にはその出発原料、例えば反応焼結ＳｉＣであればＳｉ
Ｃおよび炭素、反応焼結Ｓｉ₃Ｎ₄であればけい素等で
ある。

【００３０】また、上記製法の成形工程において、セラ
ミックス繊維からなるプリフォームは、例えばプレス成
形，鋳込み成形，圧力鋳込み成形，射出成形，押出し成
形，ドクターブレード成形，自己硬化成形等により作製
することができる。これらの成形法を適用することによ
って、目的とする部品形状への成形が容易となる。例え
ば、薄板形状の複合焼結体を作製するような場合には、
ドクターブレード成形でプリフォームを作製することに
より、再現性よく部品形状のプリフォームを得ることが
できる。

【００３１】上記製造方法のように、マトリックス構成
材料の充填に加圧鋳込みを適用することによって、セラ
ミックス繊維間へのマトリックス材料の充填率を高める
ことができると共に、セラミックス成形体の密度を向上
させることができるため、その後の焼成工程で容易にマ
トリックスの緻密化を図ることが可能となる。また、セ
ラミックス繊維間への充填率を高めるために、熱処理の
実施，濡れ剤の塗布等によって、繊維表面を改質するこ
とも有効である。

【００３２】この後、マトリックスの構成材料に応じた
条件下で、繊維含有セラミックス成形体を焼成すること
により、目的とする繊維含有セラミックス複合焼結体
（繊維強化セラミックス複合材料）が得られる。

【００３３】

【作用】上記構成に係る繊維強化セラミックス複合材料
およびその製造方法によれば、セラミックス粉末に対し
て、所定形状のセラミックス短繊維を添加混合して調製
した原料混合体を、鋳込み成形法，押出し成形法，ドク
ターブレード法，射出成形法または自己硬化成形法によ
って所定形状に成形しているため、複雑形状部品の形成
にも容易に対応することができ、かつ緻密な複合材料成
形体が得られる。そのため、得られた複合材料成形体を
脱脂し、しかる後に焼結した場合、より緻密な焼結体が
得られ、その結果、高強度かつ靭性に優れた繊維強化セ
ラミックス複合材料が得られる。

【００３４】また、上記鋳込み成形法，射出成形法また
は自己硬化成形法等を使用することにより、最終製品形
状に近い、いわゆるニアネットシェイプの成形体が得ら
れ、複合材料の二次加工も極めて容易になる。

【００３５】

【実施例】次に本発明を以下の実施例に基づいてより具
体的に説明する。

【００３６】実施例１〜３平均粒径４μｍのＳｉＣ原料粉末に、炭素源としてのカ
ーボンブラック（Ｃ）を５〜４０重量％と、バインダー
とを添加した原料混合体を分散媒（溶媒）としての水中
に分散せしめ、ポット混合機で１５時間混合して均一な
泥漿（スリップ、スラリー）を調製し、さらに、表１に
示すように直径１５μｍ、長さ２mmのチョップ状ＳｉＣ
繊維（Ｓｉ−Ｃ−Ｏ，商品名：ニカロン）をそれぞれ１
０体積％（実施例１），２０体積％（実施例２），３０
体積％（実施例３）を添加して混合した。

【００３７】次に鋳込成形法（スリップキャスティング
法）に基づき、各泥漿を石膏製鋳型内に鋳込み圧力５kg
/cｍ²で注入して縦横寸法が５０mm、高さが３０mmの角
柱状のＳｉＣ成形体を調製した。次にこのＳｉＣ成形体
を自然乾燥後、Ｎ₂ガス雰囲気中で温度６００℃で２時
間脱脂した後に、それぞれ真空中またはアルゴンガス雰
囲気中で温度１４００〜１５００℃で２〜５時間反応焼
結し、実施例１〜３に係るＳｉＣ繊維強化セラミックス
複合材料を製造した。

【００３８】実施例４〜６平均粒径０．４μｍのＳｉ₃Ｎ₄原料粉末に、焼結助剤
としてＡｌ₂Ｏ₃，ＨｆＯ₂を、前記サイアロンの組成
式におけるｚ値が１になるように添加してSialon（サイ
アロン）原料粉末を調製し、このSialon原料粉末に分散
剤と、エポキシ系硬化バインダーとを添加した原料混合
体を分散媒（溶媒）としての水中に分散せしめ、ポット
混合機で１５時間混合して均一な泥漿（スリップ、スラ
リー）を調製し、さらに、表１に示すように直径８．５
μｍ、長さ２mmのチョップ状ＳｉＣ短繊維（Ｓｉ−Ｔｉ
−Ｃ−Ｏ，商品名：チラノ）をそれぞれ１０体積％（実
施例４），２０体積％（実施例５），３０体積％（実施
例６）を添加して混合した。

【００３９】次に自己硬化成形法に基づき、各泥漿に、
硬化開始剤を添加し、さらに１５分間混合した。そし
て、所定型内に鋳込み，約２時間で硬化を完了せしめ、
縦横寸法が５０mm、高さが３０mmの角柱状のSialon成形
体を調製した。次にこのSialon成形体を乾燥後、Ｎ₂ガ
ス雰囲気中で温度６００℃で２時間脱脂した後に、それ
ぞれアルゴンガス雰囲気中で温度１５００〜１８００
℃，圧力約１００〜４００kgf/cm²で２〜５時間ホット
プレス焼結し、実施例４〜６に係るＳｉＣ繊維強化セラ
ミックス複合材料を製造した。

【００４０】実施例７平均粒径０．４μｍのＳｉ₃Ｎ₄原料粉末に、焼結助剤
としてのＡｌ₂Ｏ₃，ＨｆＯ₂を、前記サイアロンの組
成式のｚ値が１になるように調合してSialon原料粉末を
調製し、このSialon原料粉末に対して、表１に示すよう
に直径１０μｍ、長さ２mmのチョップ状炭素（Ｃ）短繊
維を２０体積％と、有機結合剤および可塑剤としてのジ
ブチルフタレート（ＤＢＰ）を５重量％とを添加し均一
に混練した原料混合体を射出成形法に基づき、成形温度
１５０℃、成形圧力５kg/cｍ²で射出して縦横寸法が５
０mm、高さが３０mmの角柱状のSialon成形体を調製し
た。次にこのSialon成形体を自然乾燥後、Ｎ₂ガス雰囲
気中で温度６００℃で２時間脱脂した後に、６atm のア
ルゴンガス雰囲気中で温度１７００〜１９００℃で２〜
５時間雰囲気加圧焼結し、実施例７に係るSialon繊維強
化セラミックス複合材料を製造した。

【００４１】実施例８平均粒径０．４μｍのＳｉＣ原料粉末に、表１に示すよ
うに直径１０μｍ、長さ２mmのチョップ状炭素（Ｃ）短
繊維を２０体積％と、焼結助剤としてのホウ素（Ｂ）を
ＳｉＣ原料粉末に対して１重量％と、焼結助剤としての
カーボンブラック（Ｃ）を２重量％と、有機結合剤およ
び可塑剤としてのポリビニルアルコールを５重量％とを
添加し均一に混練した原料混合体を押出し成形法に基づ
き、成形温度１５０℃で押し出して縦横寸法が５０mm、
高さが３０mmの角柱状のＳｉＣ成形体を調製した。次に
このＳｉＣ成形体を自然乾燥後、Ｎ₂ガス雰囲気中で温
度６００℃で２時間脱脂した後に、６atm のアルゴンガ
ス雰囲気中で温度１８００〜２０００℃，圧力１００〜
４００kgf/cm²で２〜５時間ホットプレス焼結し、実施
例８に係るＣ繊維強化セラミックス複合材料を製造し
た。

【００４２】比較例１〜３平均粒径４μｍのＳｉＣ原料粉末に、炭素源として５〜
４０重量％のカーボンブラック（Ｃ）と，バインダと，
表１に示すように直径１５μｍ、長さ２mmのチョップ状
ＳｉＣ短繊維（Ｓｉ−Ｃ−Ｏ，商品名：ニカロン）を２
０体積％（比較例１），直径１５μｍのＳｉＣ連続繊維
（Ｓｉ−Ｃ−Ｏ，商品名：ニカロン）を２０体積％（比
較例２），直径１μｍ，長さ４５μｍのＳｉＣウィスカ
ー（商品名：トーカウィスカー）を２０体積％（比較例
３）とを添加しポット混合機で１５時間混合して均一な
原料混合体をそれぞれ調製した。

【００４３】次にプレス成形法に基づき、上記比較例１
の原料混合体を造粒した後に圧力６００kgf/cm²でプレ
ス成形して縦横寸法が５０mm、高さが３０mmの角柱状の
SiC成形体を調製した。また比較例２〜３の原料混合体
スラリーを調製し、このスラリーを圧力４０kgf/cm²で
型内に加圧鋳込み成形することにより、縦横寸法が５０
mm，高さが３０mmの角柱状のＳｉＣ成形体を形成した。
次に各ＳｉＣ成形体を自然乾燥後、Ｎ₂ガス雰囲気中で
温度６００℃で２時間脱脂した後に、真空中またはアル
ゴンガス雰囲気中で温度１４００〜１５００℃で２〜５
時間反応焼結し、比較例１〜３に係るＳｉＣ繊維強化セ
ラミックス複合材料を製造した。

【００４４】こうして調製した実施例１〜８および比較
例１〜３に係る各繊維強化セラミックス複合材料につい
て、その密度、３点曲げ強度および破壊靭性値をそれぞ
れ測定して下記表１右欄に示す結果を得た。

【００４５】

【表１】

【００４６】表１に示す結果から明らかなように、セラ
ミックス粉末に対して所定形状のセラミックス短繊維を
混合した原料混合体を鋳込み成形法，射出成形法，また
は押出し成形法によって成形体を形成し、その成形体を
脱脂焼結して製造した実施例１〜８の繊維強化セラミッ
クス複合材料は、比較例１〜３と比較して密度が高く緻
密化が促進されており、３点曲げ強度および破壊靭性値
において極めて優れた特性を有することが確認された。
また、各複合材料の組織構造を光学顕微鏡を使用して観
察したところ、いずれもセラミックス焼結体からなるマ
トリックス中にセラミックス短繊維が長手方向または表
面部に配向しており、これらの繊維の配向が緻密化で
き、複合材料に高い靭性値と強度をもたらしていること
が確認できた。

【００４７】一方、比較例１〜３に示すように上記原料
混合体をプレス成形または鋳込み成形して成形体とし、
この成形体を脱脂焼結して製造した比較例１〜３の繊維
強化セラミックス複合材料は、成形体中にセラミックス
繊維が等方的に分散され、焼結による収縮が阻害されて
いるため、密度が上がらず強度および破壊靭性値も相対
的に低下するとともに繊維による補強効果も小さかっ
た。

【００４８】以上実施例においてはマトリックスを形成
するセラミックス原料としてＳｉＣを使用し、またセラ
ミックス繊維としてＳｉＣチョップ（Ｓｉ−Ｃ−Ｏ，Ｓ
ｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ）、炭素繊維チョップを使用した例で
示しているが、本発明は上記原料に限定されない。すな
わちセラミックス原料としてＳｉ₃Ｎ₄，Ａｌ₂Ｏ₃，
ＡｌＮ等を採用し、またセラミックス繊維として、アル
ミナ繊維，ジルコニア繊維，ボロン繊維，Ｓｉ₃Ｎ₄ま
たはムライトを採用した場合においても、表１に示す結
果と同様な緻密化効果および高靭性化効果が発揮される
ことが実験により確認された。

【００４９】また成形法については、特に鋳込み成形
法，射出成形法，押出し成形法または自己硬化成形法を
採用することにより、複雑形状を有する最終製品形状に
近い、いわゆるニアネットシェイプな成形体を量産する
ことができ、複雑形状であっても緻密化した繊維強化セ
ラミックス複合材料を効率的に製造することができた。
さらに上記成形法の他に、ドクターブレード法，および
自己硬化成形法を使用して成形体を形成した場合におい
ても同様な効果が得られた。

【００５０】実施例９まず、直径１５μｍ，長さ５mmのＳｉＣ短繊維（Ｓｉ−
Ｃ−Ｏ，商品名：ニカロン）を、３０体積％となるよう
にパラフィン系ワックス中に配合し、加熱混練すること
によって分散した。次いで、この短繊維配合ワックス
を、部品形状（ガスタービンの動翼、概略寸法：幅４０
mm×高さ７０mm×肉厚５mm）に射出成形した後、窒素
中、４００℃で脱脂した。脱脂体は、上記ＳｉＣ短繊維
からなる、健全で保形強度を有するプリフォームであっ
た。

【００５１】一方、マトリックスの出発材料として、平
均粒径１．１μｍのサイアロン粉末を用意し、これを水
中で湿式混合して、原料スラリー（粉末濃度：５０体積
％）を作製した。

【００５２】次に、上記ガスタービン部品と同形状を有
する圧力鋳込み成形機の樹脂型内に、上記ＳｉＣ短繊維
からなるプリフォームを配置し、その上から上記原料ス
ラリーを４０kg／cm²の圧力で加圧充填し、その圧力で
５分間保持して、短繊維プリフォーム含有サイアロン成
形体を作製した。

【００５３】この後、上記短繊維プリフォーム含有サイ
アロン成形体を、乾燥および脱脂した後、ＢＮ粉末中に
埋設し、４００kg／cm²の圧力の下で、１５５０℃で２
時間保持して、ホットプレス焼結した。

【００５４】このようにして得た部品形状の繊維強化サ
イアロン複合焼結体から３×４×４０mmの試験片を切り
出し、室温〜１２００℃における３点曲げ強度を測定し
たところ、最大応力が５２０ＭＰａ、破断までの材料変
位が〜１０００μｍと良好な値を示し、また破壊形態は
カタストロフィックな破壊を示さず、信頼性に優れるも
のであることを確認した。

【００５５】実施例１０強化繊維として、直径８５μｍ、長さ１０mmおよび２０
mmのＳｉＣ短繊維（ＳｉＣ被覆繊維，商品名：ＳＣＳ−
９）を用意した。このＳｉＣ短繊維を、マトリックスの
出発材料となる平均粒径１．１μｍのサイアロン粉末
に、３０重量％となるように配合し、これを水中で湿式
混合して、原料スラリー（粉末および短繊維濃度：５０
体積％）を作製した。

【００５６】この原料スラリーを、実施例９と同様な部
品形状を有する圧力鋳込み成形機の樹脂型内に、４０kg
／cm²の圧力で加圧充填し、その圧力で５分間保持し
て、短繊維含有サイアロン成形体を作製した。

【００５７】この後、上記短繊維含有サイアロン成形体
を、乾燥および脱脂した後、ＢＮ粉末中に埋設し、４０
０kg／cm²の圧力の下で、１５５０℃で２時間保持し
て、ホットプレス焼結した。

【００５８】このようにして得た部品形状の繊維強化サ
イアロン複合焼結体の特性を、実施例９と同様に測定し
たところ、実施例９と同様な結果が得られた。

【００５９】実施例１１強化繊維として、直径８５μｍ、長さ５mmのＳｉＣ短繊
維（ＳｉＣ被覆繊維，商品名：ＳＣＳ−９）を用意し
た。マトリックスは反応焼結ＳｉＣとし、この反応焼結
ＳｉＣの出発原料として、Ｃ粉末とＳｉＣ粉末を用意し
た。そして、これらを、Ｓｉ−Ｃ−Ｏ短繊維が３０重量
％，Ｃ粉末が２０重量％，ＳｉＣ粉末が５０重量％とな
るように、水中で湿式混合して、原料スラリー（粉末お
よび短繊維濃度：５０体積％）を作製した。

【００６０】次に、上記原料スラリーを、実施例９と同
様な部品形状を有する圧力鋳込み成形機の樹脂型内に、
４０kg／cm²の圧力で加圧充填し、その圧力で５分間保
持して、短繊維含有成形体を作製した。

【００６１】この後、上記短繊維含有成形体を、Ａｒ
中、１４３０℃×２時間の条件で、Si含浸反応焼結させ
た。

【００６２】このようにして得たマトリックスが反応焼
結ＳｉＣの繊維強化複合焼結体の特性を、実施例９と同
様に測定したところ、同様な良好な結果が得られた。

【００６３】実施例１２実施例９におけるマトリックスを反応焼結Ｓｉ₃Ｎ₄に
代えて、同様な部品形状の繊維強化ＳｉＣ複合焼結体
（ＳｉＣ短繊維からなるプリフォームを使用）を作製
し、その特性を実施例９と同様に測定したところ、最大
応力が４５０ＭＰａ、破壊までの材料変位が〜８００μ
ｍと良好な値を示した。

【００６４】以上説明したように、本実施例に係る繊維
強化セラミックスの製造方法によれば、特定形状のセラ
ミックス繊維を用いていると共に、マトリックス構成材
料の充填に加圧鋳込みを適用しているため、種々の部品
形状を容易に作製することができ、かつ得られる繊維強
化セラミックス複合材料の破壊靭性や破壊エネルギー等
をより一層向上させることが可能となる。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る繊維強
化セラミックス複合材料およびその製造方法によれば、
セラミックス粉末に対して、所定形状のセラミックス短
繊維を添加混合して調製した原料混合体を、鋳込み成形
法，押出し成形法，ドクターブレード法，射出成形法，
自己硬化成形法によって所定形状に成形しているため、
あるいは、所定形状に成形したセラミックス短繊維から
成る予備成形体（プリフォーム）に、鋳込み成形法，射
出成形法，自己硬化成形法等によりマトリックスを含浸
注入成形しているため、複雑な部品形状に対応すること
が可能な複合材料成形体が得られる。そのため、得られ
た複合材料成形体を脱脂し、しかる後に各種焼結法によ
り焼結した場合においても靭性に優れ、緻密で高強度の
繊維強化セラミックス複合材料が得られる。

【００６６】特に従来、長繊維複合セラミックスで問題
であった製品形状に制約が少なくなり複雑形状を有する
高密度の繊維強化セラミックス複合材料を提供すること
ができる。

【００６７】また、上記鋳込み成形法、押出し成形法，
自己硬化成形法または射出成形法を使用することによ
り、最終製品形状に近い、いわゆるニアネットシェイプ
の成形体が得られ、複合材料の二次加工も極めて容易に
なる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス焼結体から成るマトリック
ス中に、直径が３μｍ以上１５０μｍ以下であり、長さ
が０．１mm以上２０mm以下であるセラミックス繊維を６
０体積％以下の割合で分散させたことを特徴とする繊維
強化セラミックス複合材料。
【請求項２】マトリックスを構成するセラミックス粉
末に対して、直径が３μｍ以上１５０μｍ以下であり、
長さが０．１mm以上２０mm以下であるセラミックス繊維
を６０体積％以下の割合で添加し、さらに添加剤または
分散媒を添加混合して調製した原料混合体を、鋳込み成
形法，押出し成形法，ドクターブレード法，射出成形法
および自己硬化成形法から選択されるいずれかの成形方
法によって所定形状に成形し、得られた成形体を脱脂焼
結することを特徴とする繊維強化セラミックス複合材料
の製造方法。
【請求項３】成形体は常圧焼結法，雰囲気加圧焼結
法，ホットプレス法，反応焼結法，またはそれらの組合
せにより焼結することを特徴とする請求項２記載の繊維
強化セラミックス複合材料の製造方法。
【請求項４】セラミックスからなるマトリックスの出
発原料を主成分とする原料スラリーを、直径が３〜１５
０μｍで、長さが０．１〜２０mmのセラミックス繊維か
らなる予備成形体を配置した成形型内に加圧鋳込法およ
び／または減圧鋳込法によって鋳込み、所望形状の繊維
含有セラミックス成形体を作製する工程と、前記繊維含
有セラミックス成形体を、前記マトリックスの構成材料
に応じた条件で焼成し、繊維含有セラミックス複合焼結
体を作製する工程とを具備することを特徴とする繊維強
化セラミックス複合材料の製造方法。
【請求項５】請求項４記載の繊維強化セラミックス複
合材料の製造方法において、前記セラミックス繊維を、
前記セラミックス複合焼結体中に５体積％以上含有させ
ることを特徴とする繊維強化セラミックス複合材料の製
造方法。
【請求項６】請求項４記載の繊維強化セラミックス複
合材料の製造方法において、前記セラミックス繊維から
なる予備成形体を、鋳込み成形，圧力鋳込み成形，射出
成形，押出し成形，自己硬化成形またはドクターブレー
ド成形により作製することを特徴とする繊維強化セラミ
ックス複合材料の製造方法。