珪素と炭素　結論 ｜セラミックス技術コラム

結論
繊維強化により強度や靭性を改善したSiC系の複合材料は、CVD法、反応焼結法、もしくは有機金属の含浸／熱分解法により作製される。反応焼結法のようにSiC複合材料作製のための高温でのプロセスが必要な場合は、炭素繊維、特にSiCで被覆した炭素繊維やSiCウィスカ―のみが熱安定性のゆえに適用可能である。プロセス過程の熱処理に最新の注意を払うことにより、PCS－SiC繊維、CVD－SiC繊維やAl2O3繊維も炭素繊維の複合材料になる。

　CVD法やCVI法を用いることにより有望な力学的特性を有するSiC複合材料が得られる。この種のSiC/SiC複合材料は擬等方的な熱膨張を示す。中でもCVD-SiC繊維を用いた複合材料は、これまでに作製されたすべての多結晶SiCよりも優れた性質が得られている。CVDの工程には時間を要するゆえに、工業用部材への利用を考える場合、経済的な観点から見ると、短時間で安価にできる反応焼結法に比べて自ずから限界がある。

　有機珪素化合物を原料とした珪素系セラミックスでマトリックスを形成する方法はかなり凝った方法であるものの、繊維強化珪素系セラミック複合材料を形成する方法として有望な方法である。この方法においては、C/C複合材料の分野で開発された類似の技法が利用できる。この方法の一つの利点は、低温でマトリックスが形成できる点で、これはSiC繊維のような強化材の再結晶化を防ぐのに有効である。第二の利点は、ホットプレスのような異方的な応力を必要としない点で、これは繊維の破壊をきたさないで済ませられる。第三の利点は、炭素繊維を強化材として用いる場合、繊維とマトリックス前駆体もしくは生成物との反応を避けられる点である。

　緻密なSiCをマトリックスとする複合材においては、一般にマトリックスの破断歪が小さいため、き裂はマトリックス中で発生し、伝播する。補強効果は、繊維もしくはウィスカ―の弾性率並びに破断歪が、SiCマトリックスのそれよりも大きい場合に発現できる。この場合、複合材の作成工程で、補強材が化学的に犯されていないことが前提となる。

　繊維とマトリックスの接着が十分である場合、例えば、CVD-SiC/RB-SiC、CVD-SiC/CVI-SiC並びにC/RB-SiC（原料の炭素バインダーの気孔を含む）等では高い曲げ強度は得られるが、脆性的な破壊は避けられない。

　強度を改善した上に、高靭性化の効果を発現した複合材料の例は、強化繊維の弾性率がマトリックスのそれより多少低い系であるにもかかわらず、繊維とマトリックスとの不完全な接着の場合に見出される。耐火物被覆した炭素繊維を用いた場合、RB-SiCマトリックスとの接着はCVD工程の条件によって影響される。これに対し、PCS-SiC繊維は繊維中のSiO₂含有量が高く、ガラス状の微構造を有するがゆえに、いかなるSiCマトリックスとも十分な接着は示さない。

　一部SiCに結合された炭素マトリックス中に埋め込まれた炭素繊維や高密度で均一な気孔径分布を有するC/C複合材料から得られる炭素繊維は1 %にもおよぶ破断歪で、擬塑性的な変形を示し、オリジナルの3倍もの破断歪で、40-60 %の残留強度を示す。α-SiCウィスカ―は、珪素化時の化学的安定性のゆえに、高強度なSiC複合材料を作製するための有望な素材である。

　これまでに得た著者らの観察結果、並びにデータから推察するに、将来のSiC複合材料の発展のためには、いわゆるCVD被覆等による繊維とマトリックスの接着の最適化の研究、並びに幅広い繰り返し荷重においても準安定的なき裂成長を示すような、き裂吸収型のマトリックスの開発に集中されるべきであろう。

謝辞
　本論文の翻訳に当たって東京工業大学・工業座量研究所の山田恵彦博士、田辺靖博助手並びに安田研究室の学生諸君に多々ご配慮戴いた。記して感謝申し上げる。

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宗宮 重行・守吉 佑介 共編「焼結－ケーススタディ」