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公開番号2025102434
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-08
出願番号2023219879
出願日2023-12-26
発明の名称複合材料及び複合材料の製造方法
出願人学校法人東京理科大学
代理人弁理士法人太陽国際特許事務所
主分類D06M 11/83 20060101AFI20250701BHJP(繊維または類似のものの処理;洗濯;他に分類されない可とう性材料)
要約【課題】耐熱性に優れる新たな複合材料及びその製造方法の提供。
【解決手段】本開示の複合材料は、Zr及びHfを含む炭化物と、炭素繊維及びセラミック繊維の少なくとも一方を含む無機繊維と、を含有する。本開示の複合材料の製造方法は、Zr及びHfを含む合金を融解して合金融液を得ることと、前記合金融液を炭素繊維及びセラミック繊維の少なくとも一方を含む無機繊維に付着させることと、を含む。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
Ｚｒ及びＨｆを含む炭化物と、炭素繊維及びセラミック繊維の少なくとも一方を含む無機繊維と、を含有する複合材料。
続きを表示（約 730 文字）【請求項２】
前記炭化物を構成する全金属に占めるＺｒの割合が、６０原子％～９０原子％である請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
前記炭化物を構成する全金属に占めるＨｆの割合が、１原子％～２０原子％である請求項１に記載の複合材料。
【請求項４】
前記炭化物が、Ｔｉを更に含む請求項１に記載の複合材料。
【請求項５】
前記炭化物を構成する全金属に占めるＨｆの割合が、１原子％～２０原子％であり、
前記炭化物を構成する全金属に占めるＴｉの割合が、０原子％より大きく２９原子％以下であり、
前記炭化物を構成する全金属の残部が、Ｚｒ及び不可避的不純物である請求項４に記載の複合材料。
【請求項６】
前記複合材料に含まれる全てのＺｒ元素に占める未反応状態のＺｒの割合が、１０質量％以下である請求項１に記載の複合材料。
【請求項７】
前記複合材料に含まれる全てのＨｆ元素に占める未反応状態のＨｆの割合が、１０質量％以下である請求項１に記載の複合材料。
【請求項８】
前記複合材料に含まれる全てのＴｉ元素に占める未反応状態のＴｉの割合が、１０質量％以下である請求項４に記載の複合材料。
【請求項９】
Ｚｒ及びＨｆを含む合金を融解して合金融液を得ることと、
前記合金融液を炭素繊維及びセラミック繊維の少なくとも一方を含む無機繊維に付着させることと、
を含む複合材料の製造方法。
【請求項１０】
前記合金が、Ｔｉを更に含む請求項９に記載の複合材料の製造方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、複合材料及び複合材料の製造方法に関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
超音速機、大気圏再突入機等の高速移動体は、空力加熱を受けることで、厳しい加熱環境に曝される。そのため、空力加熱を受ける際に発生する温度上昇に耐えうる材料が、望まれている。
空力加熱による温度上昇に耐えうる材料として、炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＣａｒｂｏｎＣｏｍｐｏｓｉｔｅ））が知られている（例えば、特許文献１参照）。
その他の材料としては、炭素繊維とホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ
２
）又はホウ化ジルコニウム－炭化ケイ素（ＺｒＢ
２
－ＳｉＣ）複合体との複合材料が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
また、その他の材料としては、ホウ化ジルコニウム又はホウ化ハフニウム（ＨｆＢ
２
）と炭化ケイ素との複合材料が知られている（例えば、非特許文献２参照）。
さらには、繊維及び樹脂を含む複合材料を用い、材料自身が熱分解して発生した熱分解ガスによるブロッキング効果や、熱分解が吸熱反応であることによる冷却効果を利用した、アブレータが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２２－０３３２７６号公報
特開２０１３－１２１７８６号公報
【非特許文献】
【０００４】
Carbon fiber reinforced ultra-high temperature ceramic matrix composites: A review（Ceramics International, Volume 45, Issue 12, 15 August 2019, Pages 14481-14489）
Refractory Diborides of Zirconium and Hafnium（Journal of the American Ceramic Society, 90 [5] 1347-1364 2007）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
炭素繊維強化炭素複合材料やアブレータは、繰り返し使用には適さない。
また、ホウ化ジルコニウムを含む複合材料は、酸素の存在する環境において加熱によりホウ化ジルコニウムが酸化して酸化ジルコニウムと酸化ホウ素とを生ずる。酸化ホウ素は、１２００℃近傍では液状であるが、１２００℃を超えるとガス化するため、ホウ化ジルコニウムを含む複合材料は、１２００℃を超える温度域において劣化が進みやすい。
ホウ化ジルコニウムと炭化ケイ素との複合材料を用いると、加熱により酸化ケイ素（ガラス）が生じる。加熱により生じた酸化ケイ素により、ホウ化ジルコニウムの酸化が抑制され、耐熱性が向上する。しかしながら、酸化ケイ素の耐熱温度は１８００℃程度であり、これ以上の温度域ではホウ化ジルコニウムと炭化ケイ素との複合材料の劣化が進みやすい。
また、ホウ化ハフニウムもホウ化ジルコニウム同様に、１２００℃を超える温度域において劣化が進みやすく、また炭化ケイ素との複合材料においても同様で、劣化が進みやすい。
以上のことから、耐熱性に優れる新たな複合材料が求められていた。
【０００６】
本開示は上記従来の事情に鑑みてなされたものであり、耐熱性に優れる新たな複合材料及びその製造方法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】
前記課題を達成するための具体的手段は以下の通りである。
＜１＞Ｚｒ及びＨｆを含む炭化物と、炭素繊維及びセラミック繊維の少なくとも一方を含む無機繊維と、を含有する複合材料。
＜２＞前記炭化物を構成する全金属に占めるＺｒの割合が、６０原子％～９０原子％である＜１＞に記載の複合材料。
＜３＞前記炭化物を構成する全金属に占めるＨｆの割合が、１原子％～２０原子％である＜１＞又は＜２＞に記載の複合材料。
＜４＞前記炭化物が、Ｔｉを更に含む＜１＞～＜３＞のいずれか１項に記載の複合材料。
＜５＞前記炭化物を構成する全金属に占めるＨｆの割合が、１原子％～２０原子％であり、
前記炭化物を構成する全金属に占めるＴｉの割合が、０原子％より大きく２９原子％以下であり、
前記炭化物を構成する全金属の残部が、Ｚｒ及び不可避的不純物である＜４＞に記載の複合材料。
＜６＞前記複合材料に含まれる全てのＺｒ元素に占める未反応状態のＺｒの割合が、１０質量％以下である＜１＞～＜５＞のいずれか１項に記載の複合材料。
＜７＞前記複合材料に含まれる全てのＨｆ元素に占める未反応状態のＨｆの割合が、１０質量％以下である＜１＞～＜６＞のいずれか１項に記載の複合材料。
＜８＞前記複合材料に含まれる全てのＴｉ元素に占める未反応状態のＴｉの割合が、１０質量％以下である＜４＞又は＜５＞に記載の複合材料。
＜９＞Ｚｒ及びＨｆを含む合金を融解して合金融液を得ることと、
前記合金融液を炭素繊維及びセラミック繊維の少なくとも一方を含む無機繊維に付着させることと、
を含む複合材料の製造方法。
＜１０＞前記合金が、Ｔｉを更に含む＜９＞に記載の複合材料の製造方法。
＜１１＞前記合金融液を前記無機繊維に付着させることが、前記合金融液を前記無機繊維に含浸させることを含む＜９＞又は＜１０＞に記載の複合材料の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、耐熱性に優れる新たな複合材料及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
加熱率（Ｈｅａｔｆｌｕｘ）又は動圧（Ｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ）と、ノズルから試験片までの距離Ｌとの関係を示す図である。
アークジェットの照射時間と試験片の表面温度との関係を示す図である。
加熱後の試験片の断面写真である。
各試験片についての厚み減少率を示す図である。
試験片のＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示に係る実施形態について詳細に説明する。但し、本開示は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本開示を制限するものではない。
（【００１１】以降は省略されています）

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