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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2016-216333(P2016-216333A)
(43)【公開日】2016年12月22日
(54)【発明の名称】セラミック複合材
(51)【国際特許分類】
   C04B 35/80 20060101AFI20161125BHJP
   C04B 35/52 20060101ALI20161125BHJP
   C23C 16/26 20060101ALI20161125BHJP
   C23C 16/42 20060101ALI20161125BHJP
【FI】
   C04B35/80 K
   C04B35/52 D
   C23C16/26
   C23C16/42
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】OL
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2015-106589(P2015-106589)
(22)【出願日】2015年5月26日
(71)【出願人】
【識別番号】000000158
【氏名又は名称】イビデン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】高木 俊
【テーマコード(参考)】
4G132
4K030
【Fターム(参考)】
4G132AA01
4G132AA72
4G132AB13
4G132AB34
4G132BA14
4G132CA14
4G132CA15
4G132GA12
4G132GA13
4K030AA06
4K030AA09
4K030AA10
4K030BA27
4K030BA37
4K030CA05
4K030CA08
4K030CA13
4K030CA14
4K030FA10
(57)【要約】
【課題】剥離しにくいセラミック複合材を提供する。
【解決手段】セラミック複合材10Aは、SiC繊維21を骨材20Aとするとともに表面がCVD−SiC被覆40で覆われている。骨材20Aは、SiC繊維層22が複数積層した支持材24で形成されており、SiC繊維層22が有する隙間Sが、表面から連続的に形成されている。さらに、複数のSiC繊維21からなるストランド23は、隙間Sを空けて配置されている。そして、その隙間Sの表面にCVD−SiC層41が形成されているので、SiC繊維層22は互いにCVD−SiC層41によって接続される。このため、強い接合力が得られ、剥離しにくくすることができる。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
SiC繊維を骨材とし、表面にセラミック被覆を有するセラミック複合材であって、
前記骨材は、SiC繊維層が複数積層した支持材からなるとともに、
前記SiC繊維層は、複数本の前記SiC繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置され、
前記隙間に備えられ、前記ストランドを覆うとともに前記セラミック被覆から延びるセラミック層により前記SiC繊維層が互いに接合されていることを特徴とするセラミック複合材。
【請求項2】
前記セラミック被覆は熱分解炭素被覆であって、前記セラミック層は熱分解炭素層であることを特徴とする請求項1に記載のセラミック複合材。
【請求項3】
前記セラミック被覆はCVD−SiC被覆であって、前記セラミック層はCVD−SiC層であることを特徴とする請求項1に記載のセラミック複合材。
【請求項4】
前記ストランドを構成する複数のSiC繊維の表面には、前記CVD−SiC被覆あるいは前記CVD−SiC層を分断する界面形成層を有することを特徴とする請求項3に記載のセラミック複合材。
【請求項5】
前記界面形成層は、劈開性セラミックからなることを特徴とする請求項4に記載のセラミック複合材。
【請求項6】
前記劈開性セラミックは、炭素、BN、マイカ、AlTiOのいずれかからなることを特徴とする請求項5に記載のセラミック複合材。
【請求項7】
前記セラミック複合材は管状体であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のうちのいずれか1項に記載のセラミック複合材。
【請求項8】
前記支持材が、フィラメントワインディング体であることを特徴とする請求項7に記載のセラミック複合材。
【請求項9】
前記支持材は、内部に表裏面を隔離するコア層をさらに有することを特徴とする請求項1ないし請求項8のうちのいずれか1項に記載のセラミック複合材。
【請求項10】
前記コア層は、隣り合う前記ストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されていることを特徴とする請求項9に記載のセラミック複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、セラミック複合材に関する。
【背景技術】
【0002】
SiC/SiC複合材などのSiC繊維を用いたセラミック複合材は、高強度のSiC繊維を骨材とし、主にSiCがマトリックスを構成する。SiC繊維は、耐熱性を有するとともに高強度の素材であるので、C/Cコンポジットなどとともに過酷な環境下で使用できる特徴がある。
【0003】
特許文献1には、放射線照射等の過酷な条件下においても、耐熱性、強度性および精密加工性に優れるという特性を有するスリーブ(管状体)として、SiC繊維強化SiC複合材料(SiC/SiC)からなる円筒状薄肉スリーブであって、気孔率が40%以下で、かつ、肉厚が5mm以下であることを特徴とする円筒状SiC複合材料スリーブが記載されている。さらに端部など上記円筒状SiC複合材料スリーブは、丸網みされたSiC連続繊維を3層以下の積層にすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平11−116337号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記記載された発明は、SiC連続繊維の積層で構成されているので、厚み方向には接合力が弱く剥離しやすい。このため、使用を繰り返すうちに膨れなどが発生しやすい。さらに切断面が露出していると、その部分からの剥離が起こりやすくなる。
【0006】
本発明では、前記課題を鑑み、剥離しにくいセラミック複合材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記課題を解決するための本発明のセラミック複合材は、SiC繊維を骨材とし、表面にセラミック被覆を有するセラミック複合材であって、前記骨材は、SiC繊維層が複数積層した支持材からなるとともに、前記SiC繊維層は、複数本の前記SiC繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置され、前記隙間に備えられ、前記ストランドを覆うとともに前記セラミック被覆から延びるセラミック層によって前記SiC繊維層が互いに接合されている。
【0008】
本発明のセラミック複合材によれば、SiC繊維を骨材とし表面にセラミック被覆を有し、SiC繊維からなるストランドの隙間に、前記ストランドを覆うとともにセラミック被覆から延びるセラミック層が侵入して形成されているので、SiC繊維層は互いにセラミック層によって接続される。このため、強い接合力が得られ、剥離しにくくすることができる。
【0009】
さらに、本発明のセラミック複合材は、以下の態様であることが望ましい。
(1)前記セラミック被覆は熱分解炭素被覆であって、前記セラミック層は熱分解炭素層である。
セラミック被覆およびセラミック層が熱分解炭素よりなると、SiC繊維との間で化学反応がおきにくい上に、SiC繊維とセラミック被覆の界面、SiC繊維とセラミック層の界面が異質材料の界面になるので、界面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【0010】
(2)前記セラミック被覆はCVD−SiC被覆であって、前記セラミック層はCVD−SiC層である。
セラミック被覆およびセラミック層がCVD−SiCよりなると、SiCは耐食性、耐熱性を有するとともに高強度の素材であるので、耐食性、耐熱性を有し高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【0011】
(3)前記ストランドを構成する複数のSiC繊維の表面には、前記CVD−SiC被覆あるいはCVD−SiC層を分断する界面形成層を有する。
セラミック被覆およびセラミック層がCVD−SiCよりなる場合、SiC繊維の表面に界面形成層があると、界面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【0012】
(4)前記界面形成層は、劈開性セラミックからなる。
界面形成層が劈開性セラミックよりなると、耐熱性を有するとともに、SiC繊維、セラミック層、セラミック被覆の材料であるSiCと異質の材料であるのでセラミック複合材の特徴を生かしながら、SiC繊維の表面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【0013】
(5)前記劈開性セラミックは、炭素、BN、マイカ、AlTiO、BCのいずれかからなる。
炭素、BN、マイカ、AlTiOなどのセラミックは、劈開性しやすい結晶方向を有し、SiC内部の結合より小さな力で劈開する。このためSiC繊維の表面で亀裂伝播をとめる能力が大きく、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【0014】
(6)前記セラミック複合材は管状体である。
セラミック複合材は管状体であるので、支持材の断面が管状体の両端部以外に露出しにくく、SiC繊維層をより剥離しにくい形状とすることができる。この管状体は、核燃料被覆管、熱交換器用部材、容器、流体用配管として好適に利用することができる。
【0015】
(7)前記SiC繊維層は、前記支持材が、フィラメントワインディング体である。
フィラメントワインディング体は、例えば、ヘリカル巻き、フープ巻きで強固にSiC繊維層を形成することができるので、強い接合力を得ることができ、剥離しにくくすることができる。
【0016】
(8)前記支持材は、内部に表裏面を隔離するコア層をさらに有する。
本発明のセラミック複合材は、SiC繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置されているので、内部にさらにコア層を有していると表裏間の隔離を確実に行うことができ、気体、液体の隔離を行うことができる。
【0017】
(9)前記コア層は、隣り合う前記ストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されている。
コア層が、隣り合うストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されていると、コア層を、SiC繊維層と同質の素材で構成することができるので、加熱による熱応力の発生を防止することができる。また製造段階における収縮もコア層と支持材全体が同様の挙動を示すのでセラミック複合材がもともと持つ内部応力を少なくすることができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、支持材を構成するSiC繊維層の内部に隙間が表面から連続的に形成され、その隙間の表面にセラミック層が形成されているので、SiC繊維層は互いにセラミック層によって接続される。このため、強い接合力が得られ、剥離しにくくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
図1】本発明に係る第1実施形態のセラミック複合材であり(A)は側面図、(B)は断面図である。
図2】本発明に係る第1実施形態のセラミック複合材を構成する支持材の部分拡大図であり、A−A’は長手方向である。
図3図1(B)のセラミック複合材の断面図の丸で囲まれた領域の拡大図である。
図4図2のセラミック複合材を構成する支持材のA−A’における断面図である。
図5図2のセラミック複合材を構成する支持材のB−B’における断面図である。
図6】(A)はSiC繊維のフープ巻きによる巻回工程を示す工程図であり、(B)および(C)はSiC繊維のヘリカル巻きによる巻回工程を示す工程図であり、(D)はSiC繊維の軸方向配置工程を示す工程図である。
図7】本発明の第2実施形態のセラミック複合材の支持材の断面図である。
図8】本発明の第3実施形態のセラミック複合材の斜視図である。
図9】本発明の第3実施形態のセラミック複合材を構成する支持材をSiC繊維層に分けた説明図であり、(A)は支持材を示し、(B)はそのうちの一層の拡大図である。
図10図9のセラミック複合材を構成する支持材の断面図であり、(A)はC−C’における断面図、(B)はD−D’における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明のセラミック複合材について説明する。
【0021】
前記課題を解決するための本発明のセラミック複合材は、SiC繊維を骨材とし、表面にセラミック被覆を有するセラミック複合材であって、前記骨材は、SiC繊維層が複数積層した支持材からなるとともに、前記SiC繊維層は、複数本の前記SiC繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置され、前記隙間に備えられ、前記ストランドを覆うとともに前記セラミック被覆から延びるセラミック層によって前記SiC繊維層が互いに接合されている。
【0022】
本発明のセラミック複合材によれば、SiC繊維を骨材とし、表面にセラミック被覆を有し、SiC繊維からなるストランドの隙間に、前記ストランドを覆うとともにセラミック被覆から延びるセラミック層が侵入して形成されているので、SiC繊維層は互いにセラミック層によって接続される。このため、強い接合力が得られ、剥離しにくくすることができる。
【0023】
さらに、本発明のセラミック複合材は、以下の態様であることが望ましい。
(1)前記セラミック被覆は熱分解炭素被覆であって、前記セラミック層は熱分解炭素層である。
セラミック被覆およびセラミック層が熱分解炭素よりなると、SiC繊維との間で化学反応がおきにくい上に、SiC繊維とセラミック被覆の界面、SiC繊維とセラミック層の界面が異質材料の界面になるので、界面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【0024】
(2)前記セラミック被覆はCVD−SiC被覆であって、前記セラミック層はCVD−SiC層である。
セラミック被覆およびセラミック層がCVD−SiCよりなると、SiCは耐食性、耐熱性を有するとともに高強度の素材であるので、耐食性、耐熱性を有し高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【0025】
(3)前記ストランドを構成する複数のSiC繊維の表面には、前記CVD−SiC被覆あるいは前記CVD−SiC層を分断する界面形成層を有する。
セラミック被覆およびセラミック層がCVD−SiCよりなる場合、SiC繊維の表面に界面形成層があると、界面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【0026】
(4)前記界面形成層は、劈開性セラミックからなる。
界面形成層が劈開性セラミックよりなると、耐熱性を有するとともに、SiC繊維、セラミック層、セラミック被覆の材料であるSiCと異質の材料であるのでセラミック複合材の特徴を生かしながら、SiC繊維の表面で亀裂伝播をとめることができ、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【0027】
(5)前記劈開性セラミックは、炭素、BN、マイカ、AlTiOのいずれかからなる。
炭素、BN、マイカ、AlTiOなどのセラミックは、劈開性しやすい結晶方向を有し、SiC内部の結合より小さな力で劈開する。このためSiC繊維の表面で亀裂伝播をとめる能力が大きく、高強度のセラミック複合材を提供することができる。
【0028】
(6)前記セラミック複合材は管状体である。
セラミック複合材は管状体であるので、支持材の断面が管状体の両端部以外に露出しにくく、SiC繊維層をより剥離しにくい形状とすることができる。この管状体は、核燃料被覆管、熱交換器用部材、容器、流体用配管として好適に利用することができる。
【0029】
(7)前記SiC繊維層は、前記支持材が、フィラメントワインディング体である。
フィラメントワインディング体は、例えば、ヘリカル巻き、フープ巻きで強固にSiC繊維層を形成することができるので、強い接合力を得ることができ、剥離しにくくすることができる。
【0030】
(8)前記支持材は、内部に表裏面を隔離するコア層をさらに有する。
本発明のセラミック複合材は、SiC繊維からなるストランドが隙間をあけて並んで配置されているので、内部にさらにコア層を有していると表裏間の隔離を確実に行うことができ、気体、液体の隔離を行うことができる。
【0031】
(9)前記コア層は、隣り合う前記ストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されている。
コア層が、隣り合うストランドが互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されていると、コア層を、SiC繊維層と同質の素材で構成することができるので、加熱による熱応力の発生を防止することができる。また製造段階における収縮もコア層と支持材全体が同様の挙動を示すのでセラミック複合材がもともと持つ内部応力を少なくすることができる。
【0032】
次に、本発明のセラミック複合材の製造方法について、説明する。
本発明のセラミック複合材は、さまざまな形状が利用できる。板状、パイプ状、棒状の他、これらを組み合わせた複合形状が利用できる。これらの形状はどのような製造方法でも得ることができ特に限定されない。無垢のセラミック複合材から切削加工、セラミック複合材の複数の部品の接着あるいは接合、パイプ状など目的の形状に合わせてセラミック複合材の造形など、どのような方法もとることができる。
【0033】
無垢のセラミック複合材は、例えばSiC繊維のクロスを積層し、例えばCVD法によってセラミック層およびセラミック被覆を形成することによって得ることができる。パイプ状など目的の形状に合わせて造形する場合には、中芯などの型を用いて製造する。予め型に沿ってSiC繊維の層が複数積層した支持材を配置し、例えばCVD法によってセラミック層およびセラミック被覆を形成する。目的の形状に合わせて形成する場合には、切削加工、接着、接合、型を用いた造形などの方法を組み合わせて得ることができる。
【0034】
本発明のセラミック複合材の製造方法は、SiC繊維のストランドを隙間が空くよう配置して、支持材を形成したのち、ストランドの隙間にセラミック層を形成するとともに、支持材の表面にセラミック被覆を形成する。このため、セラミック層によってSiC繊維が接合される。
SiC繊維のストランドの配置方法は、さまざまな方法があり、クロス、フィラメントワインディング、ブレーディングなどが利用できる。
【0035】
セラミック層およびセラミック被覆の形成方法は、焼成によりセラミックが得られる前駆体を塗布または含浸するプレカーサ法、熱分解よりセラミックが得られる原料ガスをCVD炉内に供給するCVD法などが適用できる。セラミック層及びセラミック被覆の形成方法は、同一であっても異なる方法を用いても良い。セラミック被覆の形成方法はプレカーサ法、CVD法のいずれも用いることができる。セラミック被覆の形成方法に関してはCVD法であることが好ましい。CVD法では緻密なセラミック被覆が得られ、強固な被覆で覆うことができるので高強度のセラミック複合材を得ることができる。
セラミック層の形成方法は、CVD法、プレカーサ法のいずれでも用いることができるが、CVD法であることが好ましい。CVD法では緻密なセラミック層が得られ、高強度のセラミック複合材を得ることができる。
【0036】
セラミック層及びセラミック被覆の材質は例えばSiC、アルミナ、Si、BC、熱分解炭素などが利用できる。
中でも、セラミック層及びセラミック被覆の材質はSiC、あるいは熱分解炭素が好ましい。これらは耐熱性がある上に、SiC繊維との間で反応しにくいので、高強度で耐熱性のあるセラミック複合材を提供することができる。
【0037】
次に、型となる中芯を用いてセラミック複合材を製造する方法と、中芯を用いない場合と対比しながら説明する。なお、平板など形状の場合には、型を用いることなくセラミック複合材を得ることができる。
本発明のセラミック複合材は、支持材形成工程と、セラミック層形成工程と、セラミック被覆形成工程とからなる。本発明のセラミック複合材は、支持材形成工程、セラミック層形成工程、セラミック被覆形成工程の順に製造される。
【0038】
さらに中芯を用いてパイプ状などのセラミック複合材を製造する場合には、さらに芯抜工程が加わる。芯抜き工程は、支持材形成工程とセラミック層形成工程との間、セラミック層形成工程とセラミック被覆形成工程との間、セラミック被覆形成工程の後のいずれに加えても良い。望ましくは、芯抜工程はセラミック層形成工程とセラミック被覆形成工程との間にあることが望ましい。セラミック層形成工程ではストランドの表面にセラミック層が形成されるので、支持材の形状を固定することができ形状精度の高いセラミック複合材を得ることができる。また芯抜工程の後にセラミック被覆形成工程があるので、セラミック複合材の表裏全面にセラミック被覆を形成することができ、耐食性があり、高強度のセラミック複合材を得ることができる。
【0039】
次に、支持材形成工程について説明する。支持材形成工程は、例えば円柱形状の芯材の周囲にSiC繊維のストランドを互いに隙間が開けながら巻回し、支持材を形成する。支持材形成工程はSiC繊維の配置、巻き方などで細かく分類される。支持材形成工程は、フィラメントワインディング法で製造する場合には、中芯の軸方向に対して平面視で交差する方向に配向する巻回工程を有し、軸方向に沿って配向する軸方向配置工程をさらに有していてもよい。巻回工程は、中芯の軸方向に対して平面視で略直交するフープ巻き、斜めに巻回されるヘリカル巻きとがあり、いずれを用いても良い。
【0040】
支持材がブレーディングである場合には、互いにSiC繊維のストランドが、隙間があくように編むことによって形成する。ブレーディングは、一旦編んだ後、潰れないよう中芯を挿入して、次のセラミック層形成工程でセラミック層を形成することが望ましい。中芯を挿入することにより、形状精度の高いセラミック複合材を得ることができる。
支持材が、平板である場合には、例えば互いに隙間が開くように織られたクロスを積層し、支持材を形成する。クロスの繊維方向、ストランドの太さなど特に限定されない。
【0041】
次にセラミック層形成工程及びセラミック被覆形成工程に適用できるCVD法について説明する。セラミック層形成工程は、SiC繊維のストランドの表面にセラミック層を形成する。セラミック被覆形成工程は、セラミック繊維のストランドで構成された支持材の表面にセラミック被覆を形成する。
【0042】
CVD法では、CVD炉に支持材をいれ、加熱した状態で原料ガスを導入する。原料ガスは、CVD炉内で拡散するとともに、加熱された支持材に接触すると熱分解が起こり、原料ガスに対応するセラミック層およびセラミック被覆が支持材を構成するSiC繊維の表面に形成される。
CVD法で使用する原料ガスは、セラミックス層およびセラミック被覆の種類によって適宜選択する。
【0043】
セラミック層あるいはセラミック被覆がSiCの場合には、原料ガスとして炭化水素ガスと、シラン系ガスの混合ガス、炭素と珪素を有する有機シラン系ガスなどが利用できる。これらの原料ガスは、水素がハロゲンで置換されたガスも利用することができる。シラン系ガスとしては、クロロシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、テトラクロロシラン、有機シラン系ガスの場合には、メチルトリクロロシラン(Methyltrichlorosilane)、メチルジクロロシラン(Methyldichlorosilane)、メチルクロロシラン(Methylchlorosilane)、ジメチルジクロロシラン(Dimethyldichlorosilane)、トリメチルジクロロシラン(Trimethyldichlorosilane)などが利用できる。またこれらの原料ガスを適宜混合して用いてもよく、さらに水素、アルゴンなどのキャリアガスとしても用いることもできる。キャリアガスとして水素を用いた場合には、平衡反応の調整に関与することができる。
【0044】
セラミック層あるいはセラミック被覆が、熱分解炭素の場合には、炭化水素ガスを原料ガスとして使用する。炭化水素ガスは特に限定されないが、メタン、エタン、プロパンなどのメタン系炭化水素、エチレン、プロピレンなどのエチレン系炭化水素、アセチレンなどアセチレン系炭化水素などが利用できる。またこれらの原料ガスを適宜混合して用いてもよく、さらに水素、アルゴンなどのキャリアガスとしても用いることもできる。キャリアガスとして水素を用いた場合には、平衡反応の調整に関与することができる。
【0045】
CVDの温度は、原料ガスの分解温度、分解速度に応じて適宜選定することができ、例えば800〜2000℃である。CVDの圧力は、セラミック層あるいはセラミック被覆の沈着の状態に応じて適宜選択することができる。使用できる範囲は、例えば0.1〜100kPaの減圧CVD法、また圧力を制御しない常圧CVD法でもよい。
【0046】
プレカーサ法では、目的のセラミックが得られる前駆体を適宜選定する。プレカーサ法では、液体の前駆体を支持材に塗布または含浸したのち、加熱処理し、最終的に焼成することによりセラミック層あるいはセラミック被覆を得る。加熱処理では、前駆体の形態によってさまざまな処理が行われる。前駆体が溶液である場合には、まず溶媒を乾燥する。前駆体がモノマー、ダイマーまたはオリゴマーなどの場合には重合反応を行う。前駆体がポリマーである場合には熱分解反応の処理が行われる。
【0047】
前駆体は、液体の形態で使用する。液体であるとは、前駆体を溶媒に溶かした溶液、液状の前駆体、固体の前駆体を加熱して溶融した液状の前駆体などが利用できる。なお、プレカーサ法では、最終的に前駆体を焼成し、セラミック層あるいはセラミック被覆を生成させる。
前駆体は、例えば次のようなものが利用できる。セラミック被覆あるいはセラミック層が炭素の場合は、フェノール樹脂、フラン樹脂などの前駆体が利用できる。セラミック被覆あるいはセラミック層がSiCの場合はポリカルボシラン(PCS:Polycarbosilane)などの前駆体が利用できる。これらの前駆体をSiC繊維に浸透させて、熱分解することによりセラミック層あるいはセラミック被覆を得ることができる。
また、プレカーサ法をセラミック層形成工程で適用することにより、前駆体を支持材の形状を固定するバインダとして用いることもできる。この場合には、前駆体が、乾燥、重合または熱分解する過程で、セラミック繊維同士を結合させた状態を維持することができる。
【0048】
なお、セラミック層およびセラミック被覆がCVD−SiCよりなる場合、SiC繊維とセラミック層、SiC繊維とセラミック被覆が一体化しないようセラミック被覆あるいはセラミック層とを分断する界面形成層を有することが好ましい。界面形成層が亀裂伝播をとめる作用を有し、高強度のセラミック複合材を提供することができる。界面形成層は、劈開性セラミックからなり、例えば炭素、BN、マイカ、AlTiOなどが挙げられる。界面形成層は、例えばSiCの前駆体を除く他の物質の前駆体あるいはセラミックの微粉末を浸透させ、薄い被膜をSiC繊維の表面に形成することで、形成することができる。他の物質の前駆体とは、たとえば、炭素となるフェノール樹脂などが挙げられる。微粉末は、スラリー状にして含浸することができる。
【0049】
セラミック層を形成するセラミック層形成工程とセラミック被覆を形成するセラミック被覆形成工程は、ともにCVD法で形成する場合には、1つの装置で連続して行ってもよく、個別に行っても良い。セラミック層形成工程とセラミック被覆形成工程との間に芯抜工程が有る場合には個別に行うこととなる。1つの装置で連続して行う場合には、セラミック層形成工程とセラミック被覆形成工程それぞれに対応する原料ガスを切り替えてCVD炉に供給することにより連続して行うことができる。
【0050】
セラミック層形成工程とセラミック被覆形成工程のCVD炉の条件は同一であってもそれぞれ異なっていても良い。セラミック層は支持材内部への被覆、セラミック被覆は支持材表面への被覆であるので、セラミック被覆形成工程ではセラミック層工程よりも、沈積しやすいように条件を切り替えることがこのましい。例えば、セラミック被覆形成工程ではセラミック層工程よりも炉内の圧力を高くするあるいは製膜温度を高くすることにより本発明のセラミック複合材を容易に得ることができる。
【0051】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について以下具体的に説明する。
本実施形態のセラミック複合材の製造方法は、支持材形成工程と、セラミック層形成工程と、芯抜工程と、セラミック被覆形成工程の順で構成される。
【0052】
次に、支持材形成工程について説明する。
図6に示すように、支持材形成工程は、芯材11の周囲に、多数のSiC繊維21を束ねられて形成されたストランド23を互いに隙間が開くように巻回し、支持材である骨材20Aを形成する。支持材形成工程はSiC繊維21の配置、巻き方などで細かく分類される。例えば、支持材形成工程は、巻回工程と、軸方向に沿って配向する軸方向配置工程とを有する。
【0053】
支持材形成工程は、ストランド23の配置、巻回方法、回数、順序は限定されず、自由に組み合わせることができる。
【0054】
図6(A)、図6(B)および図6(C)に示すように、巻回工程においては、中心軸CL回りに回転する芯材11の外周面にストランド23を巻回してSiC繊維層22を形成する。従って、骨材20Aは、SiC繊維層22が積層された支持材24から構成される。
巻回工程には、ヘリカル巻き工程と、フープ巻き工程とがある。図6(A)はフープ巻きによるストランド23の巻回工程を示し、図6(B)はヘリカル巻きによるストランド23の巻回工程の往路を示し、図6(C)はヘリカル巻きによるストランド23の巻回工程の復路を示す。
【0055】
このとき、ストランド23を収容するロール211を、芯材11の一端側(図6(A)および図6(B)において右端側)から他端側(図6(A)および図6(B)において左端側)へ移動(矢印A参照)させることにより、ストランド23を芯材11の外側面に巻回することができる。
なお、図6(C)に示すヘリカル巻きによるストランド23の巻回工程の復路では、ストランド23を収容するロール211を、芯材11の他端側(図6(C)において左端側)から一端側(図6(C)において右端側)へ移動させる(矢印B参照)。
【0056】
図6(A)に示すように、フープ巻きでは、ロール211の送り速度を遅くしてストランド23の間に隙間をあけながらロール211を送り、ストランド23を輪のよう巻く。
また、図6(B)および図6(C)に示すように、ヘリカル巻きでは、ロール211の送り速度を速くしてストランド23間に隙間が空くようにロール211を送り、ストランド23を傾斜させながら螺旋のよう巻く。
【0057】
このとき、フープ巻きによるストランド23の巻回工程においても、ストランド23は厳密には螺旋状に巻回される。ロール211の送り速度によって巻回されるストランド23の形態が変化する。すなわち、ロール211の送り速度を調整することによりストランド間の間隔を調整する。
【0058】
軸方向配置工程においては、例えば図6(D)に示すように、芯材11の一端側および他端側に係止部212、213を設けておき、係止部212と係止部213とに交互にストランド23を引っ掛けることにより、ストランド23を芯材11の中心軸CLに沿って配置してSiC繊維層22を形成する。従って、係止部212、213の間隔により繊維間隔が決定される。
【0059】
これにより、芯材11の表面に複数のSiC繊維層22を堆積させて支持材24を形成して、パイプ状の支持材を形成する。支持材は、管状、例えば円筒、円錐などの形状とすることができる。
【0060】
次いで、こうして得られた支持材をCVD炉に入れ、CVD炉に例えばメチルトリクロロシランガスを導入し、ストランドの表面にCVD−SiCよりなるセラミックス層を形成する。
そして、芯抜工程で支持材から芯材11から抜き、セラミック被覆形成工程で、再度CVD炉に入れ、CVD炉の製膜温度を上げて製膜速度を速め、支持材の表面に再度CVD−SiCからなるセラミック被覆を形成し、セラミック複合材10Aを製造する。
なお、芯材11から分離する芯抜工程は、これに限定されず、セラミック層形成工程の前後、セラミック被覆形成工程の後のいずれであってもよい。
【0061】
次に、得られたセラミック複合材10Aについて説明する。
図1(A)、図1(B)および図3に示すように、セラミック複合材10Aは、SiC繊維21を骨材20Aとする支持材と、SiC繊維のストランドの隙間にCVD−SiCからなるセラミック層を有するとともに、支持材の表面にCVD−SiCよりなるセラミック被覆を有する管状体であり、内部に内部空間201を有する。
図2および図3に示すように、支持材はSiC繊維層22が複数積層し構成される。SiC繊維層22は、複数本のSiC繊維21からなるストランド23が隙間Sをあけて並んで表面と略平行な面状に配置され、隙間Sには、表面から延びるCVD−SiCからなるCVD−SiC層41を有し、表面のセラミック被覆から、支持材内部に延びセラミック層によってSiC層が互いに接合されている。
【0062】
SiC繊維層22は、ストランド23をヘリカル巻き(図6(B)および(C)参照)で巻回して、または隙間Sをあけてストランド23をフープ巻き(図6(A)参照)で巻回して形成されており、支持材24を形成している。
すなわち、支持材24は、芯材11の周囲にストランド23を巻きつけたフィラメントワインディング体である。
【0063】
図4には、図2のセラミック複合材10Aを構成する支持材24のA−A’における断面図が示されている。また、図5には、図2のセラミック複合材10Aを構成する支持材24のB−B’における断面図が示されている。
ここでは、図4および図5に示されるように、支持材の最も内側(図4および図5において最も下側)に、相反する方向にヘリカル巻きでストランド23が巻回されたSiC繊維層221、222を有する。SiC繊維層221、222は、ヘリカル巻きにより形成されているので、隣接するストランド23の間には、隙間Sが形成される。
【0064】
そして、SiC繊維層222の外側(図3および図4において上側)には、フープ巻きでストランド23を巻回して、SiC繊維層223が形成されている。フープ巻きされたSiC繊維層223では、SiC繊維層223において隣接するストランド23の間に、隙間Sを設けるようにする。SiC繊維層223の外側には、相反する方向にヘリカル巻きでストランド23が巻回されたSiC繊維層224、225を有する。
さらに、図5に示すように、図2中B−B’位置では、ヘリカル巻きのSiC繊維層225の外側に、軸方向配置工程(図6(D)参照)により、ストランド23を軸方向に配置したSiC繊維層226が形成されている。
【0065】
本実施形態のセラミック複合材10Aによれば、SiC繊維21を骨材20Aとするとともに表面がCVD−SiC被覆40で覆われている。骨材20AはSiC繊維層22が複数積層した支持材24で形成されており、SiC繊維層22が有する隙間Sが、表面から連続的に形成されている。さらに、複数のSiC繊維21からなるストランド23は、隙間Sを空けて配置されている。そして、その隙間Sの表面にCVD−SiC層41が形成されているので、SiC繊維層22は互いにCVD−SiC層41によって接続される。このため、強い接合力が得られ、剥離しにくくすることができる。
【0066】
本実施形態のセラミック複合材10Aによれば、セラミック複合材10Aは管状体である。
セラミック複合材10Aは管状体であるので、支持材24の断面が管状体の両端部以外に露出しにくく、SiC繊維層22をより剥離しにくい形状とすることができる。この管状体は、核燃料被覆管、熱交換器用部材など、容器、流体用配管として好適に利用することができる。
【0067】
本実施形態のセラミック複合材10Aによれば、SiC繊維層22は、ストランド23がヘリカル巻き、およびストランド23が隙間Sをあけて巻回されたフープ巻きで形成され、支持材24が、フィラメントワインディング体となる。
フィラメントワインディング体は、ヘリカル巻き、フープ巻きで強固にSiC繊維層22を形成することにより、強い接合力を得ることができ、剥離しにくくすることができる。また、ヘリカル巻きは、隣り合うストランド23間に間隔をあけて巻回するので、表面から内部に連続する隙間Sを形成することができる。また、隙間Sを空けて巻回したフープ巻きでも同様に、隣り合うストランド23間に間隔を有するので、表面から内部に連続する隙間Sを形成することができる。
この効果は、セラミック層及びセラミック被覆がCVD−SiCと代えて熱分解炭素であっても同様に得ることができる。
【0068】
(第2実施形態)
次に、本発明のセラミック複合材の第2実施形態について説明する。
なお、前述した第1実施形態のセラミック複合材10Aと共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図7に示すように、第2実施形態のセラミック複合材10Bの骨材20Bでは、支持材24は、内部に表裏面を隔離するコア層25をさらに有する。コア層25は、隣り合うストランド23が互いに接するように巻回されたフープ巻きで形成されている。
なお、ここでは、コア層25の内側(図7において下方)には、前述した第1実施形態と同様のSiC繊維層22が設けられている。
【0069】
次に、第2実施形態のセラミック複合材の作用・効果について説明する。
第2実施形態のセラミック複合材10Bによれば、支持材24は、内部に表裏面を隔離するコア層25をさらに有する。
本実施形態のセラミック複合材10Bは、SiC繊維21からなるストランド23が隙間Sを空けて並んで配置され、隙間Sには、表面から延びるCVD−SiC層41を有するので、セラミック層が形成される前の支持材24のみの段階に隙間Sが、支持材24内部まで及んでいる。この隙間にセラミック層が形成され、中芯を抜いても、支持材の形状を固定することができる。また、本実施形態のセラミック複合材10Bは、コア層25を有しているので表裏間の隔離を確実に行うことができ、気体、あるいは液体の隔離を行うことができる。コア層は、フープ巻きに限定されず、例えばSiCの焼結体など無垢材などでも良い。
【0070】
第2実施形態のセラミック複合材10Bによれば、コア層25は、隣り合うストランド23が互いに接するように巻回されたフープ巻きで形成されている。
コア層25が、隣り合うストランド23が互いに接するように巻回されたフープ巻きで構成されていると、コア層25を、SiC繊維層22と同質の素材で構成することができるので、加熱による熱応力の発生を防止することができる。また製造段階における収縮も同様の挙動を示すのでセラミック複合材10Bがもともと持つ内部応力を少なくすることができる。なお、コア層の外側のSiC繊維層との間にコア層の外側を覆うセラミック層が形成されていても良い。コア層の外側を覆うセラミック層によって気体あるいは液体の隔離をより確実に覆うことができる。また、コア層は一層であると、支持材の内部にセラミック層の形成できない隙間がないので、剥離しにくくすることができる。
【0071】
(第3実施形態)
次に、本発明のセラミック複合材の第3実施形態について説明する。
なお、前述した第1実施形態のセラミック複合材10Aおよび第2実施形態のセラミック複合材10Bと共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図8は本発明の第3実施形態のセラミック複合材の斜視図である。図9は本発明の第3実施形態のセラミック複合材を構成する支持材をSiC繊維層に分けた説明図であり、(A)は支持材を示し、(B)はそのうちの一層の拡大図である。図10は、図9のセラミック複合材を構成する支持材の断面図であり、(A)は図9(B)中C−C’における断面図、(B)はD−D’における断面図である。
【0072】
前述した第1実施形態のセラミック複合材10Aおよび第2実施形態のセラミック複合材10Bでは、管状体の場合について説明したが、第3実施形態のセラミック複合材10Cは、平面状となっている。
すなわち、図8および図9(A)に示すように、第3実施形態のセラミック複合材10Cにおいては、骨材20Cは、平面状のSiC繊維層22Cを積層した支持材24Cから構成されている。各SiC繊維層22Cは、ストランド23を直交する2方向に配設して構成されている。
【0073】
例えば、図9(A)中、最上のSiC繊維層22Cでは、図9(B)に示すように、一方のストランド231は、図8中のL−L’方向に沿って配設される。また、他方のストランド232は、W−W’方向に沿って配設される。すなわち、一方のストランド231と、一方のストランド231に交差する他方のストランド232とを、同一平面上に編み込むことにより形成されている。
また、最上のSiC繊維層22Cの下側には、一方のストランド231および他方のストランド232が、L−L’方向およびW−W’方向に、例えばそれぞれ45度で交差する方向に編み込まれてSiC繊維層22Cが形成されている。
すなわち、支持材24Cは、一方のストランド231がL−L’方向に沿ったSiC繊維層22Cと、一方のストランド231および他方のストランド232がL−L’方向に対して45度で交差するSiC繊維層22Cとが交互に積層されている。
【0074】
図10(A)および図10(B)に示すように、SiC繊維層22Cでは、一方のストランド231は、他方のストランド232の上方および下方に交互に配設される。また、同様に、他方のストランド232は、一方のストランド231の上方および下方に交互に配策される(図示省略)。
支持材24Cは、このようなSiC繊維層22Cを積層することにより形成される。あるいは、第1実施形態および第2実施形態で説明したような管状に形成された支持材24を長手方向に沿って切断し、開いて平面状とすることにより形成することも可能である。
なお、その後のマトリックス形成工程等は、第1実施形態および第2実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【0075】
以上、説明した第3実施形態のセラミック複合材10Cによれば、前述した第1実施形態のセラミック複合材10Aおよび第2実施形態のセラミック複合材10Bと同様の作用効果を得ることができる。
さらに、セラミック複合材10Cは平板状なので、管状体の場合とは異なる用途に広く用いることができる。
【0076】
本発明のセラミック複合材は、前述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形,改良等が可能である。
【符号の説明】
【0077】
10A、10B、10C セラミック複合材
20A、20B 骨材
21 SiC繊維
22 SiC繊維層
23 ストランド
24 支持材
25 コア層
40 CVD−SiC被覆
41 CVD−SiC層
S 隙間
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10