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JPH0735313B2 - Surface treatment method for carbon / carbon composite material - Google Patents
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JPH0735313B2 - Surface treatment method for carbon / carbon composite material - Google Patents

Surface treatment method for carbon / carbon composite material

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JPH0735313B2
JPH0735313B2 JP14230987A JP14230987A JPH0735313B2 JP H0735313 B2 JPH0735313 B2 JP H0735313B2 JP 14230987 A JP14230987 A JP 14230987A JP 14230987 A JP14230987 A JP 14230987A JP H0735313 B2 JPH0735313 B2 JP H0735313B2
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treatment
carbon
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corrosion resistance
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は、耐熱性,耐食性、耐酸化性等が要求される
部分,部品および製品の素材として用いられる炭素/炭
素複合材(C/C材)の表面特性をより一層改善するのに
利用される炭素/炭素複合材の表面処理方法に関するも
のである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Object of the Invention (Industrial field of application) The present invention is a carbon / carbon composite used as a material for parts, parts and products that require heat resistance, corrosion resistance, oxidation resistance and the like. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a surface treatment method for a carbon / carbon composite material, which is used for further improving the surface characteristics of a carbon material (C / C material).

(従来の技術) 近年の材料開発技術の進展にともない、従来の金属系の
材料から進んで、セラミックス系(酸化物系,窒化物
系,炭化物系,窒化物−酸素物系など)の材料が開発さ
れ、さらに繊維強化金属(FRM)や繊維強化セラミック
ス(FRC)、さらには炭素/炭素複合材(C/C材)が開発
されるに至っている。
(Prior Art) With the progress of material development technology in recent years, ceramic-based (oxide-based, nitride-based, carbide-based, nitride-oxygen-based, etc.) materials have been advanced from the conventional metal-based materials. It has been developed, and further, fiber reinforced metal (FRM), fiber reinforced ceramics (FRC), and carbon / carbon composite material (C / C material) have been developed.

そして、後者のC/C材は、軽量で且つ耐食・耐酸化性が
比較的良好であって熱による損耗や強度低下が従来の金
属系材料に比べてかなり少ないため、例えばロケットノ
ズルなどのような苛酷な熱環境にさらされる用途に適し
ている。
The latter C / C material is lightweight, has relatively good corrosion and oxidation resistance, and suffers less wear and strength deterioration due to heat compared to conventional metal-based materials, so it can be used, for example, in rocket nozzles. Suitable for applications exposed to severe heat environment.

このC/C材の製造方法としては、カーボン/フェノール
やグラファイト/フェノールなどといったFRP状態にあ
る素材を一次焼成により炭化あるいは黒鉛化し、さらに
高密度化するためにピッチ含浸と焼成とを繰返すレジン
・チャー法や、カーボンもしくはグラファイト繊維で編
んだ骨材に炭化水素を熱分解して生成する炭素を蒸着す
る蒸着法(CVD法)などがあり、二次元(2D)タイプのC
/C材のほか、三次元(3D),四次元(4D)タイプのよう
に多次元に繊維が配向したC/C材の開発もなされている
(例えば、C/C材に関して、「鉄と鋼」第70年(1984)
第14号第30頁〜第31頁に記載がある。)。
This C / C material is manufactured by carbonizing or graphitizing FRP materials such as carbon / phenol and graphite / phenol by primary firing, and then repeating pitch impregnation and firing to further densify the resin. There is a char method and a vapor deposition method (CVD method) that vaporizes carbon produced by pyrolyzing hydrocarbons into aggregates woven with carbon or graphite fibers, and is a two-dimensional (2D) type C
In addition to / C materials, C / C materials with multi-dimensionally oriented fibers such as three-dimensional (3D) and four-dimensional (4D) types have also been developed (for example, regarding C / C materials, " Steel ”70th year (1984)
No. 14, p. 30 to p. 31. ).

このようなすぐれた特性のC/C材であっても、その表面
特性をさらに改善し、例えば、再使用型の有翼宇宙往還
機(いわゆる「スペースシャトル」)のノーズキャップ
やリーディングエッジなどのごとく、大気圏再突入時の
最高温度が金属構造材の耐熱限界を大きく超えるような
熱的に厳しく且つ強度・剛性が要求される部分にも適用
することができるように、C/C材の表面にSiC(炭化珪
素)を拡散形成させる耐酸化表面処理法が開発されてい
る。
Even C / C materials with such excellent properties can be further improved in their surface properties, for example, nose caps and leading edges of reusable winged space vehicles (so-called "space shuttles"). As shown in the figure, the surface of C / C material is applied so that it can be applied to the part where the maximum temperature at the time of re-entry into the atmosphere remarkably exceeds the heat resistance limit of metal structural materials and is required to be thermally severe and strength / rigidity is required. An oxidation-resistant surface treatment method has been developed to diffuse and form SiC (silicon carbide).

この耐酸化表面処理法の一例としては、 CERAMIC BULLETIN VOL.60,No.11(1981)に記載されて
いるものがある。この方法は、10%アルミナ(Al2O3),
30%珪素(Si),60%炭化珪素(SiC)からなる粉末をグ
ラファイト製のレトルト内でC/C材のまわりに詰め、ア
ルゴン雰囲気中において約1650℃で加熱し、C/C材の表
面をSiCに転化させるものであり、この後の冷却過程
で、C/C材とSiCとの間における熱膨張差によって生ずる
微少なクラックをオルト珪酸塩四エチル(TEOS)で処理
し、上記クラックをSiO2で含浸する耐酸化表面処理法で
ある。
An example of this oxidation resistant surface treatment method is described in CERAMIC BULLETIN VOL.60, No.11 (1981). This method uses 10% alumina (Al 2 O 3 ),
The powder consisting of 30% silicon (Si) and 60% silicon carbide (SiC) was packed around the C / C material in a graphite retort and heated at about 1650 ° C in an argon atmosphere to obtain the surface of the C / C material. Is converted to SiC, and in the subsequent cooling process, minute cracks caused by the difference in thermal expansion between the C / C material and SiC are treated with tetraethyl orthosilicate (TEOS) to remove the cracks. This is an oxidation resistant surface treatment method of impregnating with SiO 2 .

(発明が解決しようとする問題点) このような従来のC/C材の耐酸化表面処理方法では、C/C
材の表面にSiCが拡散形成され、表面に形成された微少
なクラックにはSiO2が含浸されているため、耐酸化表面
処理を施さないC/C材に比べて、とくに大気圏再突入時
の熱空気に対する耐食性に著しく優れたものである。し
かしながら上記のいわゆるレトルト法により表面処理し
た場合では、表面の平滑度が比較的低いものとなり、C/
C材の表面にはきわめて硬いSiC拡散層が形成されてお
り、SiC拡散層の厚さコントロールが困難であることか
ら、C/C材構造体としての十分な寸法精度を確保するこ
とがむつかしく、宇宙往還機のノーズやリーディングエ
ッジ等のような曲面形状のC/C材に適用する場合にはこ
れと接合するインターフェース上の問題を生じることが
あり、より一層の改善が必要であるという問題点があっ
た。
(Problems to be solved by the invention) In such a conventional oxidation-resistant surface treatment method for C / C materials, C / C
Since SiC is diffused and formed on the surface of the material, and the minute cracks formed on the surface are impregnated with SiO 2 , compared with C / C material that is not subjected to oxidation-resistant surface treatment, especially when re-entry into the atmosphere, It is remarkably excellent in corrosion resistance against hot air. However, when the surface is treated by the so-called retort method described above, the smoothness of the surface becomes relatively low, and C /
Since an extremely hard SiC diffusion layer is formed on the surface of C material, and it is difficult to control the thickness of the SiC diffusion layer, it is difficult to secure sufficient dimensional accuracy as a C / C material structure, When applied to curved C / C materials such as the nose and leading edge of space vehicles, problems with the interface that joins this may occur, and further improvement is required. was there.

(発明の目的) この発明は、上述した従来の問題点に着目してなされた
もので、耐酸化表面処理後に平滑度の高い表面を得るこ
とが可能であり、表面処理層の厚さコントーロルが容易
であって、例えば宇宙往還機のリーディングエッジなど
のような曲面形状を有する部位に適用した場合にも高い
寸法精度を確保することが可能であり、耐熱性,耐食・
耐酸化性(特に熱空気に対する耐食・耐酸化性)および
強度剛性が要求される部分の素材として好適であって、
再使用が十分に可能であるC/C材(炭素/炭素複合材)
を提供することを目的としているものである。
(Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and it is possible to obtain a surface having high smoothness after the oxidation resistant surface treatment, and the thickness control of the surface treatment layer is controlled. It is easy, and it is possible to secure high dimensional accuracy even when applied to a part having a curved surface such as the leading edge of a space shuttle, heat resistance, corrosion resistance,
Suitable as a material for parts requiring oxidation resistance (especially corrosion and oxidation resistance against hot air) and strength and rigidity,
C / C material (carbon / carbon composite material) that is fully reusable
It is intended to provide.

[発明の構成] (問題点を解決するための手段) この発明に係る炭素/炭素複合材(C/C材)の表面処理
方法は、当該C/C材の表面に蒸着法によってSiC(炭化珪
素)蒸着膜を被覆形成し、次いで前記SiC蒸着膜に生じ
た微細クラックにSiO2を含浸させることを特徴としてい
るものである。
[Structure of the Invention] (Means for Solving Problems) A surface treatment method for a carbon / carbon composite material (C / C material) according to the present invention is a method for depositing SiC (carbonization) on the surface of the C / C material by vapor deposition. (Silicon) vapor deposition film is formed by coating, and then SiO 2 is impregnated into fine cracks generated in the SiC vapor deposition film.

この発明が適用されるC/C材は、その製造方法において
特に限定されず、例えば、カーボン/フェノール,グラ
ファイト/フェノールといったFRP状態にある素材を一
次焼成によって炭化あるいは黒鉛化し、さらに高密度化
するためにピッチ含浸と焼成を繰り返すレジン・チャー
法や、カーボンまたはグラファイト繊維で編んだ骨材に
炭化水素を熱分解して生成する炭素を蒸着する蒸着法
や、それらの組み合わせ法などによって製造されたもの
が適用され、繊維配向を2次元(2D)にしたものだけで
なく、3次元(3D),4次元(4D)と多次元にしたものに
対しても適用することができる。
The C / C material to which the present invention is applied is not particularly limited in its manufacturing method. For example, a material in an FRP state such as carbon / phenol and graphite / phenol is carbonized or graphitized by primary firing to further increase the density. For this purpose, it was manufactured by the resin char method in which pitch impregnation and firing are repeated, the vapor deposition method in which carbon produced by thermally decomposing hydrocarbons into carbon or graphite fiber knitted aggregate is deposited, or a combination thereof. The present invention can be applied not only to those in which the fiber orientation is two-dimensional (2D), but also to those in which the fiber orientation is multidimensional such as three-dimensional (3D) and four-dimensional (4D).

また、上記C/C材の表面にSiC蒸着膜を被覆形成させるた
めの蒸着法においても特に限定されず、例えば気相蒸着
法などが採用される。
The vapor deposition method for forming the SiC vapor deposition film on the surface of the C / C material is not particularly limited, and a vapor phase vapor deposition method or the like is adopted.

さらに、蒸着法によってC/C材表面に被覆形成されたSiC
蒸着膜は、その後の冷却過程において、C/C材(熱膨張
係数は約1.2〜2×10-6/℃)とSiC蒸着膜(熱膨張係数
は約3.5〜4×10-6/℃)との熱膨張差に起因して当該S
iC蒸着膜表面に微細クラックが発生し、これによって熱
空気に対する耐食性が損なわれることになるので、この
微細クラックにSiO2を含浸させる。
In addition, the SiC formed on the surface of the C / C material by vapor deposition
The vapor-deposited film has a C / C material (coefficient of thermal expansion of about 1.2 to 2 × 10 −6 / ° C.) and a SiC vapor-deposited film (coefficient of thermal expansion of about 3.5 to 4 × 10 −6 / ° C.) in the subsequent cooling process. S due to the difference in thermal expansion between
Since microcracks are generated on the surface of the iC vapor deposition film, and the corrosion resistance to hot air is impaired, SiO 2 is impregnated into the microcracks.

この場合、上記微細クラックにSiO2を含浸させるに際し
ては、当該微細クラックにオルト珪酸塩四エチル(TEO
S)を含浸して熱処理することにより、微細クラック内
にSiO2として残す方法や、前記微細クラックにシリコン
改質剤であるケイ酸コーティング剤を含浸して熱処理す
ることによりSiO2として残す方法などがある。
In this case, when impregnating the fine cracks with SiO 2 , the tetraethyl orthosilicate (TEO
By heat treatment by impregnating the S), and a method to leave as SiO 2 in fine cracks, a method of leaving as SiO 2 by heat treatment by impregnating the silicate coating is a silicone modifier to the fine cracks There is.

(実施例1) レジン・チャー法によって製造したC/C材を用意し、こ
のC/C材をあらかじめ約1500℃で高純度処理したあと高
温低圧炉に装着し、H2/CH3SiCl3の混合ガス雰囲気下
で、C/C材表面に蒸着法(CVD法)によって分子状のSiC
を蒸着させることにより、SiC蒸着膜を被覆形成させ
た。
(Example 1) A C / C material manufactured by the resin char method was prepared, and this C / C material was pre-purified at about 1500 ° C. and then mounted in a high-temperature low-pressure furnace to prepare H 2 / CH 3 SiCl 3 In the mixed gas atmosphere of C, the molecular SiC on the surface of the C / C material by the vapor deposition method (CVD method)
By vapor-depositing, a SiC vapor-deposited film was formed by coating.

この蒸着法によって表面の耐酸化処理を行ったC/C材
は、光沢のある表面状態を示し、従来のレトルト法で得
たものとは異なり、C/C材の原形通りに処理することが
できることから、曲面形状への耐酸化処理も容易であ
り、複雑な形状の処理も可能なものであると共に、SiC
蒸着膜の厚さは容易にコントロールできるものであっ
た。
The C / C material whose surface has been subjected to oxidation resistance by this vapor deposition method shows a glossy surface state, and unlike the one obtained by the conventional retort method, it can be processed as it is in its original shape. As a result, it is possible to easily treat curved shapes with oxidation resistance, and it is possible to treat complicated shapes.
The thickness of the deposited film could be easily controlled.

このようにして、SiC蒸着膜を形成したあと冷却する過
程においては、C/C材の熱膨張係数(約1.2〜2×10-6
℃)とSiCの熱膨張係数(約3.5〜4×10-6/℃)の差に
よって、SiC蒸着膜に例えば5μm程度の微細クラック
を発生するので、このクラックに対し次のうよにしてSi
O2を含浸させる処理を行った。
In this way, in the process of cooling after forming the SiC vapor-deposited film, the coefficient of thermal expansion of the C / C material (about 1.2 to 2 × 10 −6 /
C.) and the coefficient of thermal expansion of SiC (about 3.5 to 4.times.10.sup.- 6 / .degree. C.), minute cracks of, for example, about 5 .mu.m are generated in the SiC vapor-deposited film.
A treatment of impregnating with O 2 was performed.

すなわち、SiC蒸着膜を形成したのちのC/C材をオルト珪
酸塩四エチル(TEOS)中に180℃で4時間浸漬し、引き
上げて含浸状態を調べ、含浸不十分の場合は再含浸した
のち、サンドペーパーによる表面処理および洗浄を行っ
た。次いで、315℃で6時間加熱して硬化処理を行っ
て、SiC蒸着膜に生じた微細クラックにSiO2を含浸させ
た。
That is, after the SiC vapor-deposited film was formed, the C / C material was immersed in tetraethyl orthosilicate (TEOS) at 180 ° C for 4 hours and then pulled up to check the impregnation state. Surface treatment with sandpaper and cleaning were performed. Then, it was heated at 315 ° C. for 6 hours to carry out a curing treatment to impregnate SiO 2 into the fine cracks generated in the SiC vapor deposition film.

次に、上記実施例1によってSiCによる耐酸化処理後TEO
Sによる完全クラック処理を施したC/C材と、参考のため
にSiC耐酸化処理を施していないC/C材と、比較のために
SiC耐酸化処理後TEOSによるクラック処理を施していな
いC/C材と、SiCによる耐酸化処理後TEOSによるクラック
処理を約50%程度施した不完全クラック処理C/C材と、
を供試材として、各C/C材の熱空気に対する耐食性を評
価した。
Next, according to the above-mentioned Example 1, TEO after the oxidation resistance treatment with SiC was performed.
For comparison, a C / C material that has been completely cracked with S and a C / C material that has not been subjected to SiC oxidation resistance for reference
C / C material that has not undergone crack treatment by TEOS after SiC oxidation resistance, and C / C material that has undergone about 50% crack treatment by TEOS after oxidation resistance treatment by SiC,
As a test material, the corrosion resistance of each C / C material to hot air was evaluated.

このとき、供試材は25mmφのものとし、供試材裏面温
度:650℃,プロパンガスを用いたバーナー火炎温度:140
0℃でバーナー火炎照射を行い、各供試材の質量損失(g
/m2)を求めて耐食性を評価した。
At this time, the test material shall be 25 mmφ, the back surface temperature of the test material: 650 ° C, the burner flame temperature using propane gas: 140
Burner flame irradiation was performed at 0 ° C, and the mass loss (g
/ m 2 ) was obtained to evaluate the corrosion resistance.

この結果を第1図に示す。 The results are shown in FIG.

第1図に示すように、SiC蒸着膜に形成された微細クラ
ックをTEOSにより完全クラック処理することによって、
バーナー火炎照射による質量損失を著しく少なくするこ
とが可能であり、熱空気に対する耐食性をかなり向上で
きることが確認された。そして、クラック処理を完全に
行わない場合には、TEOSによるクラック処理を全く行わ
ない場合よりも耐食性はかなり向上するものの、完全に
行った場合に比べて耐食性が低下することが確かめられ
た。このことは、微細クラックと熱空気に対する耐食性
との間に相関があることを示しているものであり、C/C
材の表面に蒸着されたSiC蒸着膜の微細クラックでC/C材
が露出した場合には、熱空気に対する耐食性を低下させ
ることを示している。
As shown in FIG. 1, by completely treating the fine cracks formed on the SiC vapor-deposited film with TEOS,
It was confirmed that it is possible to significantly reduce the mass loss due to burner flame irradiation, and to significantly improve the corrosion resistance to hot air. It was confirmed that when the crack treatment was not completely performed, the corrosion resistance was considerably improved as compared with the case where the TEOS crack treatment was not performed at all, but the corrosion resistance was lower than when the crack treatment was completely performed. This indicates that there is a correlation between the fine cracks and the corrosion resistance to hot air.
It is shown that the corrosion resistance to hot air is reduced when the C / C material is exposed due to the fine cracks in the SiC vapor-deposited film deposited on the surface of the material.

また、TEOS処理と質量損失速度との関係を調べたとこ
ろ、第1表に示すとおりであった。
Moreover, when the relationship between the TEOS treatment and the mass loss rate was examined, it was as shown in Table 1.

第1表に示すように、冷却家庭でSiC蒸着膜に形成され
た微細クラックをTEOSで完全処理することによって、ク
ラック処理なしのC/C材に比べて約1/8の質量損失速度と
なり、耐酸化処理なしのC/C材に比べて約1/15の質量損
失速度となり、耐酸化性を著しく向上できることが確認
された。
As shown in Table 1, by completely treating the fine cracks formed on the SiC vapor-deposited film with TEOS in a cooling household, the mass loss rate is about 1/8 of that of the C / C material without crack treatment, It was confirmed that the mass loss rate was about 1/15 compared to the C / C material without oxidation resistance, and the oxidation resistance could be significantly improved.

(実施例2) レジン・チャー法によって製造したC/C材を用意し、実
施例1と同様にして、このC/C材をあらかじめ約1500℃
で高純度処理したあと高温低圧炉に装着し、H2/CH3SiC
l3の混合ガス雰囲気下で、C/C材表面に蒸着法(CVD法)
によって実施例1と同様に分子状のSiCを蒸着させてSiC
蒸着膜を被覆形成させた。
(Example 2) A C / C material produced by the resin char method was prepared, and this C / C material was preheated to about 1500 ° C in the same manner as in Example 1.
After high-purity treatment with H 2 / CH 3 SiC
Vapor deposition method (CVD method) on the surface of C / C material under a mixed gas atmosphere of l 3
In the same manner as in Example 1, by depositing molecular SiC,
A vapor-deposited film was formed by coating.

このようにしてSiC蒸着膜を被覆形成したあと冷却する
過程においては、前記したようにC/C材とSiCとの熱膨張
差によってSiC蒸着膜に微細クラックを発生するので、
このクラックに次のようにしてSiO2を含浸させる処理を
行った。
In this way, in the process of cooling after forming the SiC vapor-deposited film by coating, fine cracks are generated in the SiC vapor-deposited film due to the difference in thermal expansion between the C / C material and SiC as described above,
The cracks were impregnated with SiO 2 as follows.

すなわち、シリコン改質剤として、(ケイ酸,メチルシ
リコン)+有機溶剤の2液タイプのものを用い、C/C材
を前記シリコン改質剤中に浸漬して真空引きすることに
より含浸させたのち、常温にて乾燥し、次いで80℃で2
時間加熱して硬化させた。この加熱によって、メチル基
とSiO2が90%残留するので、SiC蒸着膜に生じている微
細クラックにSiO2を含浸させることができた。
That is, a two-liquid type of (silicic acid, methyl silicon) + organic solvent was used as the silicon modifier, and the C / C material was immersed in the silicon modifier and impregnated by vacuuming. After that, it is dried at room temperature and then 2 at 80 ℃.
Heated and cured for hours. By this heating, 90% of the methyl groups and SiO 2 remained, so that SiO 2 could be impregnated into the fine cracks generated in the SiC vapor-deposited film.

次に、上記実施例2によってSiCによる耐酸化処理後シ
リコン改質剤による完全クラック処理を施したC/C材
と、参考のためにSiC耐酸化処理を施していないC/C材
と、比較のためにSiC耐酸化処理後シリコン改質剤によ
るクラック処理を施していないC/C材と、SiCによる耐酸
化処理後シリコン改質剤によるクラック処理を約50%程
度施した不完全クラック処理C/C材と、を供試材とし
て、各C/C材の熱空気に対する耐食性を評価した。
Next, a comparison was made between the C / C material which was subjected to the complete crack treatment with the silicon modifier after the oxidation resistance treatment with SiC according to the above Example 2 and the C / C material which was not subjected to the SiC oxidation resistance treatment for reference. For this reason, a C / C material that has not undergone cracking treatment with a silicon modifier after SiC oxidation resistance and an incomplete crack treatment C that has undergone about 50% cracking treatment with a silicon modifier after oxidation resistance treatment with SiC / C material was used as a test material, and the corrosion resistance of each C / C material to hot air was evaluated.

このとき、供試材は25mmφのものとし、供試材裏面温
度:650℃,プロパンガス火炎温度:1400℃でバーナー火
炎照射を行い、質量損失(g/m2)を求めて耐食性を評価
した。
At this time, the test material was 25 mmφ, burner flame irradiation was performed at the back surface temperature of the test material: 650 ° C, propane gas flame temperature: 1400 ° C, and corrosion resistance was evaluated by determining the mass loss (g / m 2 ). .

この結果を第2図に示す。The results are shown in FIG.

第2図に示すように、SiC蒸着膜に形成された微細クラ
ックをシリコン改質剤により完全クラック処理すること
によって、バーナー火炎照射による質量損失を著しく少
なくすることが可能であり、熱空気に対する耐食性をか
なり向上できることが確認された。そして、クラック処
理を不完全に行った場合には、実施例1の場合と同様に
耐食性が低下することが確かめられた。
As shown in Fig. 2, by completely treating the fine cracks formed on the SiC vapor-deposited film with a silicon modifier, it is possible to significantly reduce the mass loss due to burner flame irradiation, and the corrosion resistance to hot air. It has been confirmed that can be significantly improved. Then, it was confirmed that when the cracking treatment was performed incompletely, the corrosion resistance was lowered as in the case of Example 1.

また、シリコン改質剤処理と質量損失速度との関係を調
べたところ、第2表に示すとおりであった。
Further, when the relationship between the treatment with the silicon modifier and the mass loss rate was examined, it was as shown in Table 2.

第2表に示すように、冷却過程でSiC蒸着膜に形成され
た微細クラックをシリコン改質剤で完全処理することに
よって、クラック処理なしのC/C材に比べて約1/6の質量
損失速度となり、耐酸化処理なしのC/C材に比べて約1/1
1の質量損失速度となり、耐酸化性を著しく向上できる
ことが確認された。
As shown in Table 2, by completely treating the fine cracks formed in the SiC vapor-deposited film in the cooling process with the silicon modifier, the mass loss is about 1/6 of that of the C / C material without crack treatment. Speed, which is about 1/1 compared to C / C material without oxidation resistance
It was confirmed that the mass loss rate was 1 and the oxidation resistance could be significantly improved.

(実施例3) 繊維強化型の第3表に示すR・C/C材を用意して実施し
た。
(Example 3) Fiber-reinforced type R / C / C materials shown in Table 3 were prepared and implemented.

そして、第3表に示した各R・C/C−1〜4材の熱空気
に対する耐食性を評価した。
Then, the corrosion resistance of each of the R / C / C-1 to 4 materials shown in Table 3 to hot air was evaluated.

このとき、供試材は25mmφのものとし、供試材裏面温
度:1000℃,プロパンガスを用いたバナー火炎温度:1650
℃でバーナー火炎照射を行い、質量損失(g/m2)を求め
ることにより評価した。この結果を第3図に示す。
At this time, the test material shall be 25 mmφ, the back temperature of the test material: 1000 ° C, the banner flame temperature using propane gas: 1650
It was evaluated by irradiating a burner flame at ℃ and obtaining the mass loss (g / m 2 ). The results are shown in FIG.

第3図に示すように、C/C材の繊維・マトリックスの違
いによる質量損失に実質的な差異は認められず、各供試
材の質量損失速度はいずれもおおよそ13質量損失/minで
あった。
As shown in Fig. 3, there is no substantial difference in the mass loss due to the difference in the fiber / matrix of the C / C material, and the mass loss rate of each test material is approximately 13 mass loss / min. It was

次に、第3表に示した各R・C/C−1〜4材を実施例1
と同様にして耐酸化処理に供し、各R・C/C−1〜4材
の表面に蒸着法(CVD法)によってSiC蒸着膜を被膜形成
させた。このとき、R・C/C−1〜3材におけるSiC蒸着
膜の厚さは約175μm,R・C/C−4材におけるSiC蒸着膜の
厚さは約130μmであった。
Next, each of the R / C / C-1 to 4 materials shown in Table 3 was used in Example 1
In the same manner as above, an oxidation resistance treatment was performed, and a SiC vapor deposition film was formed on the surface of each of the R / C / C-1 to 4 materials by the vapor deposition method (CVD method). At this time, the thickness of the SiC vapor-deposited film of the R · C / C-1 to 3 materials was about 175 μm, and the thickness of the SiC vapor-deposited film of the R · C / C-4 material was about 130 μm.

次いで、前記SiC蒸着膜被膜形成後の各R・C/C−1〜4
材の熱空気に対する耐食性を評価した。
Next, each of the R / C / C-1 to 4 after the formation of the SiC vapor deposition film
The corrosion resistance of the material to hot air was evaluated.

このとき、供試材は25mmφのものとし、供試材裏面温
度:1000℃,プロパンガスを用いたバーナー火炎温度:16
50℃でバナー火炎照射を行い、質量損失(g/m2)を求め
ることにより評価した。この結果を第4図に示す。
At this time, the test material shall be 25 mmφ, the back temperature of the test material: 1000 ° C, the burner flame temperature using propane gas: 16
It was evaluated by performing banner flame irradiation at 50 ° C. and determining the mass loss (g / m 2 ). The results are shown in FIG.

第4図に示すように、第3図で評価したR・C/C−1〜
4材の表面にSiCによる耐酸化処理を施すことによっ
て、熱空気に対する質量損失を著しく少なくすることが
可能であった。そして、この場合にR・C/C−1〜4材
の繊維・マトリックスの違いによって熱空気に対する耐
食性に差がみられ、R・C/C材とSiC蒸着膜との熱膨張差
が大きいものほどSiC表面の微細クラックが大きくなる
ことから、耐食性が低くなる傾向にあることが確かめら
れた。この場合、母材構成が2DであるR・C/C−1〜2
材に比べて、母材構成が3DであるR・C/C−3〜4材の
方が高密度化されるので、熱膨張係数が小さくなり、Si
C蒸着膜との熱膨張係数差が拡大するため、微細クラッ
クの大きさは2D材に比べて3D材の方が大きくなり、熱空
気に対する耐食性が低下するものと考えられる。
As shown in FIG. 4, R · C / C-1 to 1 evaluated in FIG.
It was possible to significantly reduce the mass loss with respect to hot air by subjecting the surfaces of the four materials to the oxidation resistance treatment with SiC. In this case, the difference in the corrosion resistance against hot air is observed due to the difference in the fiber / matrix of the R / C / C-1 to 4 materials, and the difference in thermal expansion between the R / C / C material and the SiC vapor-deposited film is large. It has been confirmed that the corrosion resistance tends to be low because the fine cracks on the SiC surface become larger. In this case, the base material composition is 2D R / C / C-1 to 2
Compared with the material, the R / C / C-3 to 4 material, which has a 3D base material, has a higher density, so the coefficient of thermal expansion becomes smaller and
Since the difference in the coefficient of thermal expansion from the C vapor deposition film increases, the size of the microcracks becomes larger in the 3D material than in the 2D material, and it is considered that the corrosion resistance to hot air is reduced.

次に、前記SiC表面の微細クラック発生による耐食性の
低下を防止するために、このクラックに対して実施例1
と同様にしてTEOSを用いるクラック処理を施し、前記微
細クラックにSiO2を含浸させた。
Next, in order to prevent deterioration of corrosion resistance due to generation of fine cracks on the SiC surface, Example 1 was applied to the cracks.
In the same manner as above, a crack treatment using TEOS was performed to impregnate the fine cracks with SiO 2 .

次いで、TEOSによる完全クラック処理を施した各R・C/
C−1〜4材の熱空気に対する耐食性を評価した。
Next, each R / C / that has been completely cracked by TEOS
The corrosion resistance of C-1 to 4 materials against hot air was evaluated.

このとき、供試材は25mmφのものとし、供試材裏面温
度:1000℃,プロパンガスを用いたバーナー火炎温度:16
50℃でバナー火炎照射を行い、質量損失(g/m2)を求め
て耐食性を評価した。この結果を第5図に示す。
At this time, the test material shall be 25 mmφ, the back temperature of the test material: 1000 ° C, the burner flame temperature using propane gas: 16
The banner flame was irradiated at 50 ° C., and the mass loss (g / m 2 ) was determined to evaluate the corrosion resistance. The results are shown in FIG.

第5図に示すように、SiC蒸着膜に形成された微細クラ
ックをTEOSにより完全クラック処置することによって、
バーナー火炎照射による質量損失を著しく少なくするこ
とが可能であり、熱空気に対する耐食性をかなり向上で
きることが確認された。そしてこの場合、バーナー火炎
照射による耐食性は、2D材(R・C/C−1〜2材)の方
が3D材(R・C/C−3〜4材)に比べて優れており、熱
空気に対する耐食性はR・C/C材の構成によらず、熱膨
張差で発生する微細クラックに依存することが確かめら
れた。
As shown in FIG. 5, by completely treating the fine cracks formed in the SiC vapor-deposited film with TEOS,
It was confirmed that it is possible to significantly reduce the mass loss due to burner flame irradiation, and to significantly improve the corrosion resistance to hot air. In this case, the 2D material (R / C / C-1 to 2 material) is superior to the 3D material (R / C / C-3 to 4 material) in corrosion resistance due to burner flame irradiation. It was confirmed that the corrosion resistance to air does not depend on the composition of the R / C / C material but depends on the fine cracks generated by the difference in thermal expansion.

(比較例1) レジン・チャー法によって製造したC/C材を用意し、ア
ルミナ(Al2O3)/10%,珪素(Si):30%,炭化珪素(S
iC):60%からなる混合物粉末を上記C/C材とともに、レ
トルト内に入れ、アルゴン雰囲気中で約1600℃に加熱処
理することによって、C/C材の表面をSiで拡散反応させ
て表面のC/CをSiC化することにより、C/C材の表面にSiC
拡散層を形成させた。
(Comparative Example 1) A C / C material manufactured by the resin char method was prepared, and alumina (Al 2 O 3 ) / 10%, silicon (Si): 30%, silicon carbide (S
iC): A mixture powder consisting of 60% is put into the retort together with the above C / C material, and heat-treated at about 1600 ° C. in an argon atmosphere to cause the surface of the C / C material to undergo a diffusion reaction with Si to produce a surface. By converting the C / C of SiC into SiC,
A diffusion layer was formed.

このレトルト法によって表面の耐酸化処理を行ったC/C
材は、表面が極めて硬いSiC拡散層で覆われており、こ
のSiC拡散層の厚さ(深さ)は制御しにくいものであ
り、曲面形状のC/C材表面を耐酸化処理するためには改
良が必要なものであり、複雑な形状のものにはあまり適
していないものであった。
C / C whose surface was subjected to oxidation resistance treatment by this retort method
The surface of the material is covered with an extremely hard SiC diffusion layer, and the thickness (depth) of this SiC diffusion layer is difficult to control. To prevent oxidation of the curved C / C material surface, Was required to be improved, and was not suitable for a complicated shape.

このようにしてSiC拡散層を形成したあと冷却する過程
においては、C/C材とSiC拡散層と熱膨張差によって、表
面に微小なクラックを発生するので、このクラックに次
のようにしてSiO2を含浸させる処理を行った。
In the process of cooling after forming the SiC diffusion layer in this way, a minute crack is generated on the surface due to the difference in thermal expansion between the C / C material and the SiC diffusion layer. The treatment of impregnating 2 was performed.

すなわち、微少なクラックにオルト珪酸塩四エチル(TE
OS)を含浸させるために、数回の含浸工程と硬化工程と
を繰り返し、この硬化工程においてオルト珪酸塩四エチ
ルをSiO2に変性させて、クラック中にSiO2を含浸させ
た。
That is, tetraethyl orthosilicate (TE
To impregnate the OS), repeating the curing several impregnation step process, the orthosilicate tetraethyl denatured to SiO 2 in the curing step, impregnated with SiO 2 in the cracks.

次に、実施例1においてCVD法により耐酸化処理したC/C
材と、比較例1においてレトルト法により耐酸化処理し
たC/C材と、参考のために耐酸化処理を施していないC/C
材とを供試材として、各C/C材の熱空気に対する耐食性
を評価した。
Next, in Example 1, C / C subjected to oxidation resistance by the CVD method
Material, C / C material subjected to oxidation resistance by the retort method in Comparative Example 1, and C / C not subjected to oxidation resistance for reference
As a test material, the corrosion resistance of each C / C material against hot air was evaluated.

このとき、供試材は50mmφのものとし、供試材裏面温度
1000℃,プロパンガスを用いたバーナー火炎温度:1650
℃でバーナー火炎照射を行い、質量損失(g/m2)を求め
ることにより耐食性を評価した。この結果を第6図に示
す。
At this time, the test material shall be 50 mmφ, and the backside temperature of the test material
1000 ℃, Burner flame temperature using propane gas: 1650
Corrosion resistance was evaluated by irradiating a burner flame at ℃ and obtaining the mass loss (g / m 2 ). The results are shown in FIG.

第6図に示すように、C/C材の表面にSiCによる耐酸化処
理を施すことによって、熱空気に対する質量損失を著し
く少なくすることが可能であり、比較例1のレトルト処
理C/C材よりも実施例1のCVD処理C/C材の方がより耐酸
化性に優れていることが確かめられた。
As shown in FIG. 6, by subjecting the surface of the C / C material to oxidation resistance treatment with SiC, it is possible to significantly reduce the mass loss with respect to hot air, and the retort-treated C / C material of Comparative Example 1 is used. It was confirmed that the CVD-treated C / C material of Example 1 was more excellent in oxidation resistance than the above.

また、バーナー火炎照射時間と質量損失との関係を一次
に近似して、質量損失速度(質量損失/min)で表わした
ところ、第4表のとおりであった。
Further, the relationship between the burner flame irradiation time and the mass loss was linearly approximated and expressed by the mass loss rate (mass loss / min).

第4表に示すようにC/C材の表面にSiC耐酸化処理を行う
ことによって、処理しない場合に比べて質量損失速度は
約1/12〜1/15となり、CVD処理C/C材の方がレトルト処理
C/C材よりも質量損失速度が小さいことが認められた。
これは、CVD処理C/C材では、表面にSiCの蒸着膜が均一
に形成されているのに対して、レトルト処理C/C材で
は、SiCの拡散層が形成されかつその深さが均一でない
部分があるためと推察された。
As shown in Table 4, by performing SiC oxidation resistance treatment on the surface of C / C material, the mass loss rate is about 1/12 to 1/15 compared to the case without treatment, and the CVD treated C / C material Retort processing
It was confirmed that the mass loss rate was lower than that of C / C material.
This is because the CVD-deposited C / C material has a uniformly deposited SiC film on the surface, whereas the retort-treated C / C material has a SiC diffusion layer with a uniform depth. It is presumed that there is a part that is not.

[発明の効果] 以上説明してきたように、この発明に係る炭素・炭素複
合材(C/C材)の表面処理方法は、当該C/C材の表面に蒸
着法によってSiC蒸着膜を被覆形成し、次いで、前記SiC
蒸着膜に生じた微細クラックにSiO2を含浸させるように
したから、このように表面処理されたC/C材は、耐熱
性,耐食・耐酸化性(特に熱空気に対する耐食・耐酸化
性)および強度剛性に優れていることが要求される部
分,部品,製品の素材として著しく好適なものであり、
再使用が十分に可能である軽量型の材料であるという非
常に優れた効果がもたらされる。そして、例えば、再使
用型の有翼宇宙往還機において熱的に最も厳しいノーズ
キャップおよびリーディングエッジ等に使用した場合
に、当該部分の寸法精度を高いものにするもとが可能で
あってこれと接合するインターフェース上の問題も著し
く少なくするとともに、熱空気に対する耐食性を著しく
向上させることが可能であり、大気圏の再突入時におけ
る酸化抵抗の大きなC/C材とすることができるという著
大なる効果がもたらされる。
[Effects of the Invention] As described above, the surface treatment method for a carbon / carbon composite material (C / C material) according to the present invention forms a SiC vapor deposition film on the surface of the C / C material by vapor deposition. And then the SiC
Since the minute cracks generated in the vapor-deposited film were impregnated with SiO 2 , the surface-treated C / C material had heat resistance, corrosion resistance and oxidation resistance (especially corrosion resistance and oxidation resistance against hot air). It is remarkably suitable as a material for parts, parts and products that are required to have excellent strength and rigidity,
The excellent effect of being a lightweight material that is fully reusable is provided. And, for example, when it is used for a nose cap and a leading edge that are the most thermally severe in a reusable wing space vehicle, it is possible to increase the dimensional accuracy of the part. It is possible to significantly reduce the problems on the interface to be joined and to significantly improve the corrosion resistance to hot air, and it is a great effect that it can be a C / C material with a large oxidation resistance when re-entering the atmosphere. Is brought about.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図はこの発明の実施例1においてTEOSによる微細ク
ラック処理の有無とバーナー火炎照射による質量損失と
の関連を調べた結果を示すグラフ、第2図は実施例2に
おいてシリコン改質剤による微細クラック処理の有無と
バーナー火炎照射による質量損失との関連を調べた結果
を示すグラフ、第3図は実施例3においてR・C/C材単
体の繊維・マトリックス構造とバーナー火炎照射による
質量損失との関連を調べた結果を示すグラフ、第4図は
同じく実施例3においてSiCによる耐酸化処理後のR・C
/C材の繊維・マトリックス構造とバーナー火炎照射によ
る質量損失との関連を調べた結果を示すグラフ、第5図
は同じく実施例3においてSiCによる耐酸化処理およびT
EOSによる繊維クラック処理後のR・C/C材の繊維・マト
リックス構造とバーナー火炎照射による質量損失との関
連を調べた結果を示すグラフ、第6図は比較例において
SiCによる耐酸化処理方法とバーナー火炎照射による質
量損失との関連を調べた結果を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the results of examining the relationship between the presence or absence of fine crack treatment by TEOS and the mass loss due to burner flame irradiation in Example 1 of the present invention, and FIG. FIG. 3 is a graph showing the results of examining the relationship between the presence or absence of crack treatment and the mass loss due to burner flame irradiation. FIG. 3 shows the fiber / matrix structure of the R / C / C material alone and the mass loss due to burner flame irradiation in Example 3. 4 is a graph showing the results of examining the relationship between R and C after the oxidation resistance treatment with SiC in Example 3 as well.
FIG. 5 is a graph showing the results of investigating the relationship between the fiber / matrix structure of the C / C material and the mass loss due to burner flame irradiation, and FIG.
A graph showing the results of examining the relationship between the fiber / matrix structure of the R / C / C material after the fiber crack treatment by EOS and the mass loss due to burner flame irradiation, and FIG.
It is a graph which shows the result of having investigated the relation between the oxidation resistance processing method by SiC and the mass loss by burner flame irradiation.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】炭素/炭素複合材の表面に蒸着法によって
SiC蒸着膜を被覆形成し、次いで前記SiC蒸着膜に生じた
微細クラックにSiO2を含浸させることを特徴とする炭素
/炭素複合材の表面処理方法。
1. A surface of carbon / carbon composite material is deposited by a vapor deposition method.
A method for surface treatment of a carbon / carbon composite material, which comprises forming an SiC vapor-deposited film as a coating and then impregnating fine cracks generated in the SiC vapor-deposited film with SiO 2 .
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