長繊維強化炭化ケイ素部材、その製造方法、および、原子炉構造部材

本発明の実施形態は、長繊維強化炭化ケイ素部材、その製造方法、および、原子炉構造部材に関する。

セラミックス材である炭化ケイ素部材は、一般に、高温環境において強度の低下が少ない。また、炭化ケイ素部材は、従来の金属部材よりも、硬度が高いと共に、耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性、耐腐食性、および、軽量性などの特性が優れている。このため、炭化ケイ素部材は、広い分野において使用されている。たとえば、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、半導体装置の材料として、炭化ケイ素部材が使用されている。

しかし、炭化ケイ素部材である炭化ケイ素モノリシック部材は、圧縮応力よりも引張り応力に弱く、引張り応力が加わったときに脆性破壊が生じる場合がある。このため、炭化ケイ素モノリシック部材よりも靭性を高めて破壊エネルギーを増やすために、炭化ケイ素のマトリックス中に炭化ケイ素の長繊維(連続繊維)を複合化させた長繊維強化炭化ケイ素部材が炭化ケイ素部材として開発されている。

長繊維強化炭化ケイ素部材1を製造する際には、最初に、たとえば、直径が約10μmである炭化ケイ素の長繊維を500〜3000本束ねることによって繊維束(ヤーン)を形成した後に、その繊維束を用いて所定形状の予備成形体(繊維プリフォーム)を形成する。予備成形体は、繊維束を二次元方向または三次元方向に配列することで形成される他に、繊維束を織ることによって形成される。

つぎに、予備成形体の内部にマトリックスを形成することによって、長繊維強化炭化ケイ素部材を完成させる。マトリックスの形成は、たとえば、化学的気相浸透(CVI;Chemical Vapor Infiltration)法で行われる。また、マトリックスの形成は、鋳込み成形法によって予備成形体の内部に粉末を充填した後に反応焼結を行うことで実行される。この他に、プリカーサ含浸焼成法(PIP法)でマトリックスの形成が行われる。プリカーサ含浸焼成法では、たとえば、セラミックス繊維で形成された予備成形体中にセラミックスプリカーサ(ポリカルボシランなど)を含浸させた後に焼成することを、複数回(たとえば、6〜7回)、繰り返すことで、マトリックスを形成する。

米国特許第6226342号明細書

上記したように、炭化ケイ素部材において、長繊維強化炭化ケイ素部材は、炭化ケイ素モノリシック部材よりも靭性が高く、破壊エネルギーが増大しており、見かけ上は、脆性破壊が生じにくい。しかしながら、長繊維強化炭化ケイ素部材は、一般的に、5〜20体積%の気孔を含んでいる。特に、長繊維強化炭化ケイ素部材を化学的気相浸透法で作製した場合には、化学量論組成の炭化ケイ素セラミックスが高い純度で形成されるが、5〜20体積%の気孔を含む。このため、機械的特性や耐環境性が要求される部品および部材に、上記の長繊維強化炭化ケイ素部材を適用することが困難な場合がある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、機械的特性や耐環境性を十分に向上可能な、長繊維強化炭化ケイ素部材、および、その製造方法を提供することである。

実施形態の長繊維強化炭化ケイ素部材は、筒形状であって、第1の複合材料層と第2の複合材料層とを有する。第1の複合材料層は、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化している。第2の複合材料層は、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化している。そして、第1の複合材料層と第2の複合材料層とが積層されている。

本発明によれば、機械的特性と耐環境性を十分に向上することが可能な、長繊維強化炭化ケイ素部材、その製造方法、および、原子炉構造部材を提供することができる。

第1実施形態に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を模式的に示す斜視図

第1実施形態に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

第1実施形態の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

第1実施形態の他の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

第1実施形態の他の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

第2実施形態に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

第2実施形態の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

第2実施形態の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

第3実施形態に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

第3実施形態の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

第3実施形態の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

第4実施形態に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

第4実施形態の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

第4実施形態の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図

<第1実施形態> [構成] 図1は、第1実施形態に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を模式的に示す斜視図である。

図1に示すように、本実施形態の長繊維強化炭化ケイ素部材1は、たとえば、円筒形状の管状体であって、長繊維強化炭化ケイ素部材1において長繊維が連続的に配置された構造である。

図2は、第1実施形態に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図である。図2では、長繊維強化炭化ケイ素部材1に関して、軸方向が直交する断面について示している。

図2に示すように、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、第1の複合材料層11と第2の複合材料層21とを有し、第1の複合材料層11と第2の複合材料層21とが径方向において積層されている。

第1の複合材料層11は、円筒形状の管状体であって、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化している。

第2の複合材料層21は、円筒形状の管状体であって、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化している。本実施形態では、第2の複合材料層21は、第1の複合材料層11の外周面を被覆するように設けられている。

このように、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化した第1の複合材料層11と、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化した第2の複合材料層21との積層構造で、長繊維強化炭化ケイ素部材1を構成することによって、耐環境性および機械的特性の向上を実現することができる。

本実施形態の長繊維強化炭化ケイ素部材1において、第1の複合材料層11は、厚みが0.2mm以上、5mm以下であることが好ましい。また、第2の複合材料層21は、厚みが0.2mm以上、2mm以下であることが好ましい。第1の複合材料層11の厚み、および、第2の複合材料層21の厚みは、長繊維強化炭化ケイ素部材1における機械的特性や耐環境性の面から、上記範囲の下限値以上であることが好ましい。また、第1の複合材料層11の厚み、および、第2の複合材料層21の厚みは、損傷時に長繊維による強化機構が十分に発現されるためには、上記範囲の上限値以下であることが好ましい。

[製造方法] 本実施形態において、上記の長繊維強化炭化ケイ素部材1を製造するときに行う各工程に関して順次説明する。

上記の長繊維強化炭化ケイ素部材1を製造する際には、最初に、第1の複合材料層11を準備する。本工程では、たとえば、炭化ケイ素の長繊維を複数束ねることによって繊維束(ヤーン)を形成する。そして、その繊維束を用いて円筒形状の予備成形体(繊維プリフォーム)を形成する。その後、その予備成形体にマトリックスを形成することによって、第1の複合材料層11を完成させる。

マトリックスの形成は、化学気相蒸着法と化学気相浸透法との少なくとも一方の方法で行われる。本実施形態では、予備成形体を構成する繊維の間に化学気相浸透法でマトリックスを形成する。そして、必要に応じて、予備成形体の周囲をマトリックスが覆うように、化学気相蒸着法でマトリックスを形成する。なお、プリカーサ含浸焼成法(PIP)でマトリックスの形成を行う場合には、焼成による収縮などに起因して、マトリックスに微細なクラックが生ずる。このため、長繊維強化炭化ケイ素部材1において密着性および気密性を十分に確保するためには、プリカーサ含浸焼成法(PIP)でなく、化学気相蒸着法、化学気相浸透法でマトリックスの形成を行う方が好ましい。

つぎに、第1の複合材料層11の外周面に第2の複合材料層21を形成する。本工程では、第1の複合材料層11の外周面に、直接、炭素の長繊維を複数束ねることによって、繊維束(ヤーン)を形成する。そして、その繊維束を用いて円筒形状の予備成形体(繊維プリフォーム)を形成する。その後、その予備成形体にマトリックスを形成することによって、第2の複合材料層21を完成させる。第2の複合材料層21のマトリックスの形成は、第1の複合材料層11の場合と同様な方法で行う。このようにして、本実施形態の長繊維強化炭化ケイ素部材1を完成させる。

本実施形態の長繊維強化炭化ケイ素部材1は、原子炉構造材料(チャンネルボックス、燃料棒、制御棒の構造材料など)、シール材料(水中ポンプなど)、宇宙船用部材、人工衛星用部材などの材料として、好適に利用することができる。

[変形例] 図3は、第1実施形態の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図である。図3では、図2と同様に、長繊維強化炭化ケイ素部材1に関して、軸方向が直交する断面について示している。

図3に示すように、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、第2の複合材料層21の外周面に第1の複合材料層11が形成されていてもよい。図示を省略しているが、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、第1の複合材料層11の内周面および外周面のそれぞれに第2の複合材料層21が形成されていてもよい。

炭化ケイ素の長繊維の方が炭素の長繊維がよりも大気中温度が高い環境下(たとえば、400℃を超える環境下)での耐性が高い。また、炭素の長繊維の方が炭化ケイ素の長繊維よりも400℃以下の水に曝される環境下での耐性が高い。このため、この特性に応じて、第1の複合材料層11と第2の複合材料層21とを適宜積層させることができる。

図4、図5は、第1実施形態の他の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図である。図4は、図1と同様に、長繊維強化炭化ケイ素部材の斜視図であって、図5は、図2と同様に、長繊維強化炭化ケイ素部材1に関して、軸方向が直交する断面について示している。

図4に示すように、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、角筒形状の管状体であってもよい。この場合においても、図5に示すように、第1の複合材料層11の外周面に第2の複合材料層21が形成されていてもよい。図示を省略しているが、第2の複合材料層21の外周面に第1の複合材料層11が形成されていてもよい。当然ながら、第1の複合材料層11の内周面および外周面のそれぞれに第2の複合材料層21が形成されていてもよい。

<第2実施形態> [構成] 図6は、第2実施形態に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図である。図6では、図2と同様に、長繊維強化炭化ケイ素部材1に関して、軸方向が直交する断面を示している。

図6に示すように、本実施形態の長繊維強化炭化ケイ素部材1は、第1実施形態の場合と同様に、第1の複合材料層11と第2の複合材料層21とを備える。

第1の複合材料層11を構成する炭化ケイ素の長繊維は、引張強度が2〜4GPaであって、引張弾性率が150〜400GPaである。第2の複合材料層21を構成する炭素の長繊維は、引張強度が1〜7GPaであって、引張弾性率が30〜950GPaである。第1の複合材料層11および第2の複合材料層21においては、長繊維の組合せによっては、マトリックスと長繊維との間の引張弾性率の差に起因して、初期破壊強度の低下および破壊エネルギーが低下する場合がある。

しかしながら、本実施形態では、第1の複合材料層11と第2の複合材料層21との間に、中間層31が介在している。ここでは、第1の複合材料層11の外周面を被覆するように中間層31が設けられている。そして、中間層31の外周面を被覆するように、第2の複合材料層21が設けられている。

本実施形態において、中間層31は、炭素、窒化ホウ素、チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、クロムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイドからなる群より選択される材料の単体で形成されている。このため、本実施形態では、この特定材料で形成した中間層31が長さ方向と周方向と厚み方向で強度が異なることを利用した材料設計により、第1実施形態の場合よりも、長繊維による強化方向の機械的特性を更に向上させることができる。

中間層31は、厚みが0.01mm以上、0.2mm以下であることが好ましい。第1の複合材料層11と第2の複合材料層21との間において異なる機械的特性を十分発現させるためには、中間層31が上記範囲の下限値以上であることが好ましい。また、長繊維強化炭化ケイ素部材1の機械的特性の観点からは、中間層31が上記範囲の上限値以下であることが好ましい。このため、中間層31の厚みは、特に、0.02mm以上、0.1mm以下の範囲にあることが、より好ましい。

中間層31は、長繊維強化炭化ケイ素部材1において、長さ方向(軸方向)と周方向とで強度が異なる異方性を備えた層である。中間層31は、結晶形態が六方晶または擬六方晶を示す単斜晶であることが更に好ましい。この場合には、中間層31を構成する六方晶の結晶において、結晶面の滑りが生ずる。このため、第1の複合材料層11と第2の複合材料層21とのそれぞれにおいてクラックが進展することを抑制することができる。その結果、長繊維強化炭化ケイ素部材1の機械的特性を更に向上することができる。特に、三元の炭化物(チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、クロムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイド)について、結晶形態が六方晶であることが更に好ましい。

なお、中間層31は、上記した特定の材料の単体層が一つである場合の他に、その単体層を複数積層することで構成してもよい。たとえば、炭素の単体層とチタンケイ素カーバイドの単体層とを順次積層することによって、中間層31を構成してもよい。

[製造方法] 本実施形態において、上記の長繊維強化炭化ケイ素部材1を製造する各工程に関して説明する。

上記の長繊維強化炭化ケイ素部材1を製造する際には、最初に、第1の複合材料層11の準備を、第1実施形態の場合と同様に行う。

つぎに、その準備した第1の複合材料層11の外周面に中間層31を形成する。中間層31の形成は、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、プラズマCVD法、熱CVD法、光CVD法、MOCVD法などの成膜方法で行う。このうち、熱CVD法は、原料ガスを切り替えることによって、第1の複合材料層11の成膜と中間層31の成膜とを連続的に行うことができるので、好適である。

つぎに、中間層31の外周面に第2の複合材料層21を形成する。第2の複合材料層21の形成は、第1実施形態の場合と同様な方法で行う。このようにして、本実施形態の長繊維強化炭化ケイ素部材1を完成させる。

[変形例] 図7および図8は、第2実施形態の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図である。図7および図8では、図6と同様に、長繊維強化炭化ケイ素部材1に関して、軸方向が直交する断面について示している。

図7に示すように、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、第2の複合材料層21の外周面に中間層31と第1の複合材料層11とが順次形成されていてもよい。

また、図8に示すように、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、角筒形状の管状体であってもよい。この場合においても、第1の複合材料層11の外周面に、中間層31と第2の複合材料層21とが順次形成されていてもよい。図示を省略しているが、第2の複合材料層21の外周面に、中間層31と第1の複合材料層11とが順次形成されていてもよい。

<第3実施形態> [構成] 図9は、第3実施形態に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図である。図9では、図2と同様に、長繊維強化炭化ケイ素部材1に関して、軸方向が直交する断面を示している。

図9に示すように、本実施形態において、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、第1実施形態の場合と異なり、コーティング材料層41を更に有している。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第1実施形態の場合と同様であるので、重複する部分に関しては、適宜、記載を省略する。

コーティング材料層41は、第2の複合材料層21の外周面を被覆するように設けられている。

本実施形態において、コーティング材料層41は、炭素、炭化チタン、窒化クロム、窒化クロムアルミニウム、イットリウムシリケート、イッテルビウムシリケート、スカンジウムシリケート、ジルコニウム合金からなる群より選択される材料の単体で形成されている。このように、長繊維強化炭化ケイ素部材1の表面は、上記した特定の材料で形成されたコーティング材料層41で被覆された状態であるので、上記した他の実施形態の場合よりも、腐食減肉量が少なくなり、耐環境性の向上を更に容易に実現することができる。

長繊維強化炭化ケイ素部材1において水に曝される面には、上記材料のうち、炭素、炭化チタン、窒化クロムでコーティング材料層41を形成することが好ましい。また、窒化クロムアルミニウム、イットリウムシリケート、イッテルビウムシリケート、スカンジウムシリケートは、第1の複合材料層11および第2の複合材料層21においてマトリックスを構成する炭化ケイ素(SiC)と、熱膨張係数が近いため、好適に用いられる。

コーティング材料層41は、厚みが0.05mm以上、0.5mm以下であることが好ましい。コーティング材料層41が上記範囲の下限値よりも薄い場合には、長繊維強化炭化ケイ素部材1において十分に耐環境性を保持できない場合があると共に、機械的特性が不十分になる場合がある。また、コーティング材料層41が上記範囲の上限値よりも厚い場合には、コーティング材料層41に起因して、長繊維強化炭化ケイ素部材1の機械的特性が不十分になる場合がある。すなわち、コーティング材料層41自体の剪断強度が、長繊維強化炭化ケイ素部材1とコーティング材料層41との間の密着性に影響を及ぼす場合がある。

なお、コーティング材料層41は、上記した特定の材料の単体層が一つである場合の他に、その単体層を複数積層することで構成してもよい。たとえば、窒化クロムの単体層とイットリウムシリケートの単体層とを順次積層することによって、コーティング材料層41を構成してもよい。

コーティング材料層としては、環境温度が400℃未満の低温では、炭素、炭化チタン、窒化クロム、窒化クロムアルミニウム、イットリウムシリケート、イッテルビウムシリケート、スカンジウムシリケート、ジルコニウム合金からなる群より選択される材料、900℃未満の中温では、炭化チタン、窒化クロム、窒化クロムアルミニウム、イットリウムシリケート、イッテルビウムシリケート、スカンジウムシリケート、ジルコニウム合金からなる群より選択される材料、1500℃未満の高温では、イットリウムシリケート、イッテルビウムシリケート、スカンジウムシリケートからなる群より選択される材料で形成されていることが好ましい。

[製造方法] 本実施形態において、上記の長繊維強化炭化ケイ素部材1を製造する各工程に関して説明する。

上記の長繊維強化炭化ケイ素部材1を製造する際には、最初に、第1実施形態の場合と同様に、第1の複合材料層11と第2の複合材料層21とを形成する。

つぎに、第2の複合材料層21の外周面にコーティング材料層41を形成する。コーティング材料層41の形成は、プラズマCVD法、熱CVD法、光CVD法、MOCVD法、プラズマ溶射法、サスペンジョンプラズマ溶射法、エアロゾルディポジッション法によって行う。

[変形例] 図10および図11は、第3実施形態の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図である。図10および図11では、図9と同様に、長繊維強化炭化ケイ素部材1に関して、軸方向が直交する断面について示している。

図10に示すように、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、第1の複合材料層11の内周面にコーティング材料層41が形成されていてもよい。図示を省略しているが、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、第1の複合材料層11の内周面および第2の複合材料層21の外周面のそれぞれにコーティング材料層41が形成されていてもよい。つまり、長繊維強化炭化ケイ素部材1において、内周面と外周面との少なくとも一方にコーティング材料層41を形成してもよい。

また、図11に示すように、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、角筒形状の管状体であってもよい。この場合においても、第1の複合材料層11の外周面に、第2の複合材料層21とコーティング材料層41とが順次形成されていてもよい。図示を省略しているが、第2の複合材料層21の外周面に、第1の複合材料層11とコーティング材料層41とが順次形成されていてもよい。

<第4実施形態> [構成など] 図12は、第4実施形態に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図である。図12では、図6と同様に、長繊維強化炭化ケイ素部材1に関して、軸方向が直交する断面を示している。

図12に示すように、本実施形態において、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、コーティング材料層41を更に有する点を除き、第2実施形態の場合と同様である。コーティング材料層41は、第3実施形態で示したコーティング材料層41と同様である。

このため、詳細な説明については省略するが、本実施形態では、第2実施形態の場合と同様に、中間層31の作用によって、機械的特性を更に向上させることができる。また、本実施形態では、第3実施形態の場合と同様に、コーティング材料層41の作用によって、耐環境性を更に向上させることができる。

[変形例] 図13および図14は、第4実施形態の変形例に係る長繊維強化炭化ケイ素部材を示す断面図である。図13および図14は、図12と同様に、長繊維強化炭化ケイ素部材1に関して、軸方向が直交する断面について示している。

図13に示すように、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、第1の複合材料層11の内周面にコーティング材料層41が形成されていてもよい。図示を省略しているが、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、第1の複合材料層11の内周面および第2の複合材料層21の外周面のそれぞれにコーティング材料層41が形成されていてもよい。

また、図14に示すように、長繊維強化炭化ケイ素部材1は、角筒形状の管状体であってもよい。この場合においても、第1の複合材料層11の外周面に、第2の複合材料層21とコーティング材料層41とが順次形成されていてもよい。図示を省略しているが、第2の複合材料層21の外周面に、第1の複合材料層11とコーティング材料層41とが順次形成されていてもよい。

以下より、上記の長繊維強化炭化ケイ素部材1の実施例および比較例に関して、表1を用いて説明する。なお、実施例に関する説明では、理解を容易にするため、上記の実施形態と同様に、各部に符号を付している。 なお、各実施例において、各層の厚みはX線CT装置TDM2300H−FP(ヤマト科学株式会社)を用いて計測した。

[実施例1] 実施例1において、長繊維強化炭化ケイ素部材1について作製を行う際には、最初に、第1の複合材料層11を構成する予備成形体(プリフォーム)の形成を行った。本工程では、まず、直径が12μmである炭化ケイ素の長繊維(商品名:ハイニカロン(登録商標) タイプS,日本カーボン製)の表面に、カーボンをCVD法で被覆した。そして、その長繊維を500本束ねた繊維束(ヤーン)を用いて、フィラメントワインディング法によって、円筒形状の予備成形体(厚みが1.0mm)を作製した。

つぎに、第1の複合材料層11の予備成形体にマトリックスを形成した。本工程では、上記の予備成形体を化学気相反応炉内のカーボンモールド内部にセットした後に、温度が1300〜1400℃であって圧力が4〜100kPaである条件の下で、原料ガス(四塩化ケイ素ガス、プロパンガス、水素ガス)を反応炉の内部に導入した。これによって、炭化ケイ素を主成分とするマトリックスを予備成形体に形成して、厚みが1mmである第1の複合材料層11を準備した。ここでは、第1の複合材料層11の予備成形体を構成する繊維の間に化学気相浸透法でマトリックスを形成すると共に、予備成形体の周囲をマトリックスが覆うように、化学気相蒸着法でマトリックスを形成した。

つぎに、第2の複合材料層21を構成する予備成形体(プリフォーム)の形成を行った。本工程では、まず、直径が10μmである炭素の長繊維(商品名:トレカ(登録商標) M60,東レ製)の表面に、カーボンをCVD法で被覆した。そして、その長繊維を3000本束ねた繊維束(ヤーン)を用いて、フィラメントワインディング法によって、円筒形状の予備成形体(厚みが0.5mm)を第1の複合材料層11の外周面に作製した。

つぎに、第2の複合材料層21の予備成形体にマトリックスを形成した。本工程では、上記の予備成形体を化学気相反応炉内のカーボンモールド内部にセットした後に、温度が1300〜1400℃であって圧力が4〜100kPaである条件の下で、原料ガス(四塩化ケイ素ガス、プロパンガス、水素ガス)を反応炉の内部に導入した。これによって、炭化ケイ素を主成分とするマトリックスを予備成形体に形成することで、厚みが1mmである第2の複合材料層21を形成した。ここでは、第1の複合材料層11の場合と同様に、第2の複合材料層21の予備成形体を構成する繊維の間に化学気相浸透法でマトリックスを形成すると共に、予備成形体の周囲をマトリックスが覆うように、化学気相蒸着法でマトリックスを形成した。これにより、実施例1の長繊維強化炭化ケイ素部材1を完成させた。

[実施例2] 実施例2においては、実施例1の場合と同様に、第1の複合材料層11を準備した後に、第1の複合材料層11の外周面に中間層31を形成した。ここでは、炭素(C)の単体層(厚みが0.02mm)を成膜することによって、中間層31の形成を行った。その後、実施例1の場合と同様に、第1の複合材料層11の外周面に、中間層31を介して、第2の複合材料層21を形成した。これにより、実施例2の長繊維強化炭化ケイ素部材1を完成させた。

[実施例3] 実施例3では、クロムアルミニウムカーバイド(Cr₂AlC)の単体層(厚みが0.02mm)を、中間層31として形成した点を除き、実施例2の場合と同様にして、長繊維強化炭化ケイ素部材1の作製を行った。

[実施例4] 実施例4においては、実施例1の場合と同様に、第1の複合材料層11を準備した後に、第1の複合材料層11の外周面に第2の複合材料層21を形成した。その後、第2の複合材料層21の外周面にコーティング材料層41を形成した。ここでは、窒化クロム(CrN)の単体層(厚みが0.05mm)を成膜することによって、コーティング材料層41の形成を行った。これにより、実施例4の長繊維強化炭化ケイ素部材1を完成させた。

[実施例5] 実施例5においては、実施例1の場合と同様に、第1の複合材料層11を準備した後に、第1の複合材料層11の外周面に中間層31を形成した。ここでは、チタンケイ素カーバイド(Ti₃SiC₂)の単体層(厚みが0.02mm)を成膜することによって、中間層31の形成を行った。そして、実施例1の場合と同様に、第1の複合材料層11の外周面に、中間層31を介して、第2の複合材料層21を形成した。その後、第2の複合材料層21の外周面にコーティング材料層41を形成した。ここでは、イットリウムシリケート(Y₂SiO₅)の単体層(厚みが0.1mm)を成膜することによって、コーティング材料層41の形成を行った。これにより、実施例5の長繊維強化炭化ケイ素部材1を完成させた。

[比較例] 比較例においては、実施例1の場合と同様に、第1の複合材料層11の形成を行ったが、第2の複合材料層21の形成については行わなかった。これにより、第1の複合材料層11のみからなる長繊維強化炭化ケイ素部材1を比較例として準備した。

[試験内容] 表1に示すように、実施例および比較例の各サンプルについて、耐環境性試験と機械的特性試験とを行った。

ここでは、耐環境性試験として、過熱水蒸気試験を行った。過熱水蒸気試験については、オートクレーブを用いて、下記試験条件で行った。そして、試験前の重量と試験後の重量とを測定し、両者の差分値から、減肉量を換算した。表1では、各例について求めた値を、比較例の値で割った割合を示している。つまり、各実施例の値について比較例の値を「1」とした場合の割合を示している。

(過熱水蒸気試験の条件) ・温度:360℃ ・水蒸気圧:0.2MPa ・保持時間:1週間

上記した耐環境性試験を行った各例のサンプルについて、機械的特性試験を実施した。ここでは、機械的特性試験として、室温で引張強度試験を実施することで、初期破壊強度と破壊エネルギーとのそれぞれを測定した。試験方法は、ASTM C1793−15に準拠して実施した。初期破壊強度と破壊エネルギーとのそれぞれに関しても、表1では、各例について求めた値を、比較例の値で割った割合を示している。つまり、各実施例の値について比較例の値を「1」とした場合の割合を示している。

[評価結果] 表1に示すように、実施例1は、耐環境性試験において比較例よりも腐食減肉量が少ないため、耐環境性に優れる。また、実施例1は、機械的特性試験において比較例よりも初期破壊強度および破壊エネルギーが高いため、機械的特性に優れる。実施例1は、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化した第1の複合材料層11と、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化した第2の複合材料層21との積層構造で構成されている。これに対して、比較例は、第1の複合材料層11のみで構成されている。このように、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化した第1の複合材料層11に対して、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化した第2の複合材料層21を積層させることで、耐環境性および機械的特性の向上を実現することができる。

実施例2および実施例3は、耐環境性試験において、比較例よりも腐食減肉量が少ないため、実施例1と同様に、耐環境性に優れる。また、実施例2および実施例3は、機械的特性試験において、比較例よりも初期破壊強度および破壊エネルギーが高いため、実施例1と同様に、機械的特性に優れる。特に、破壊エネルギーについては、実施例2および実施例3は、実施例1よりも高い。実施例2は、第1の複合材料層11と第2の複合材料層21との間に、炭素(C)の単体層が中間層31として設けられている。実施例3は、クロムアルミニウムカーバイド(Cr₂AlC)の単体層が、中間層31として設けられている。このように、特定の材料で形成された中間層31を、第1の複合材料層11と第2の複合材料層21との間に介在させることによって、破壊エネルギーが高くなるため、機械的特性を更に向上させることができる。

表1において実施例として列挙していないが、中間層31が、炭素またはクロムアルミニウムカーバイドの単体層である場合の他に、窒化ホウ素、チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイドの単体層である場合においても同様に、耐環境性および機械的特性の向上を実現することができる。

実施例4および実施例5は、耐環境性試験において、比較例よりも腐食減肉量が少ないため、上記実施例と同様に、耐環境性に優れる。また、実施例4および実施例5は、機械的特性試験において、比較例よりも初期破壊強度および破壊エネルギーが高いため、上記実施例と同様に、機械的特性に優れる。特に、腐食減肉量については、実施例4および実施例5は、実施例1から実施例3の場合よりも少ない。実施例4は、窒化クロム(CrN)の単体層が、コーティング材料層41として表面に形成されている。実施例5は、イッテルビウムシリケート(Yb₂Si₂O₇)の単体層が、コーティング材料層41として表面に形成されている。このように、特定の材料で形成されたコーティング材料層41で表面を被覆することによって、腐食減肉量が少なくなるため、特に、耐環境性の向上を容易に実現することができる。

表1において実施例として列挙していないが、コーティング材料層41が、窒化クロムまたはイッテルビウムシリケートの単体層である場合の他に、炭素、炭化チタン、窒化クロムアルミニウム、イットリウムシリケート、イッテルビウムシリケート、スカンジウムシリケート、ジルコニウム合金の単体層である場合においても同様に、耐環境性および機械的特性の向上を実現することができる。

<その他> 上記実施例においてはX線CT装置を用いて各層の厚みを計測したが、超音波計測、厚み計、変位計等による計測であってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

1…長繊維強化炭化ケイ素部材、11…複合材料層、21…複合材料層、31…中間層、41…コーティング材料層