JP2000128646A

JP2000128646A - 多孔質ＳｉＣ焼結体

Info

Publication number: JP2000128646A
Application number: JP10299839A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Wakita; 保脇田; Shigeki Niwa; 茂樹丹羽; Yutaka Okada; 裕岡田; Toshiyuki Suzuki; 利幸鈴木
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1998-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 2000-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】この発明は、実質的にむらが無く大きな粒子
から小さな粒子まで連続した粒径を有する原料を用い
て、高気孔率でかつ気孔径を制御できるとともに、高純
度、高強度、耐クリープ性にも優れた多孔質ＳｉＣ焼結
体を得ようとするものである。【解決手段】原料ＳｉＣ含有率が９７重量％以上、気孔
率が２２〜３７％である多孔質焼結体であって、原料Ｓ
ｉＣ中の微粉を除いた粗粒から微粒の範囲のＳｉＣ粒子
を、最大粒径より順に２の平方根で除していって区分し
た場合に、最大粒径より連続した６種の区分の中に全Ｓ
ｉＣ粒子の８０〜９５重量％を含有し、かつ互いに隣り
合う粒径範囲の区分に含まれるＳｉＣ粒子の体積比が、
大きい粒径範囲の区分に含まれるＳｉＣの合計体積をそ
のすぐ下の小さい粒径範囲に含まれるＳｉＣの合計体積
で除した値で０．４〜３．０となる粒度分布を有するこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電子部品材料焼
成用棚板やセッターなどに好適な多孔質ＳｉＣ焼結体に
関し、特に気孔径分布を所定の範囲で制御することがで
き、しかも高強度で高純度の多孔質ＳｉＣ焼結体に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】セラミックコンデンサなどの機能性セラ
ミックの熱処理や焼成は、最近、還元性雰囲気、Ｐ₀₂≦
１０^-6ａｔｍの低酸素分圧の条件下で行なわれることが
多くなっている。一般に、この種の焼成用道具材は、ア
ルミナ質などの酸化物系セラミックが使用されている
が、還元性雰囲気下で処理を行う電子部品材料の場合
は、焼成用道具材表面近傍の酸素分圧Ｐ_O2が高く、被焼
成物の特性に影響を与えるために酸化物系道具材の使用
は通常適さない。

【０００３】そのため、非酸化物材料を用いたＳｉＣ質
の焼成用道具材が、特開平６−１９１９４４号や特公平
４−８１５４３号に、またＳｉ₃ Ｎ₄ 、ＡｌＮを用いた
焼成用道具材が、特開平５−１２４８７０号で提案され
ている。しかしながら、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＡｌＮは窒化物で
あるため、酸化物系道具材と同様に焼成用道具材の表面
近傍で窒素分圧Ｐ_N2が高くなり、被焼成物に影響を与え
るために使用に適さないことが分かった。このような理
由で、現在ではＳｉＣ質の焼成用道具材の使用が検討さ
れている。

【０００４】一般に、還元性雰囲気で使用される焼成用
道具材に要求される特性としては、高強度であること、
被焼成物と焼成用道具材の中の不純物とが反応しないよ
うに高純度であること、被焼成物から出るバインダーや
余分な成分を焼成用道具材が有する気孔で吸収するため
高気孔率で、かつ被焼成物に適した気孔径に制御するこ
とが出来ること、高温下での使用に対する耐クリープ
性、さらには繰返しの熱履歴に対する耐スポール性を有
すること、などが挙げられる。

【０００５】しかしながら、従来の方法によって、高気
孔率でしかも気孔径を制御して脱バインダーを高めたＳ
ｉＣ質の焼成用道具材を得ようとすると、道具材の強度
が低下した。これを回避するため、従来は原料に最小量
の粘土などを添加してその強度不足を補っていた。しか
し、こうして得られた従来のＳｉＣ質の焼成用道具材
は、純度、耐クリープ性の低下を招いて、一部の特性に
は妥協を強いられ、また用途にも制限を受けていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、実質的に
むらが無く大きな粒子から小さな粒子まで連続した粒径
を有する原料を用いて、高気孔率でかつ気孔径を制御で
きるとともに、高純度、高強度、耐クリープ性にも優れ
た多孔質ＳｉＣ焼結体を得ようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、ＳｉＣ含有
率が９７重量％以上、気孔率が２２〜３７％である多孔
質焼結体であって、原料ＳｉＣ中の微粉を除いた粗粒か
ら微粒の範囲のＳｉＣ粒子を、最大粒径より順に２の平
方根で除していって区分した場合に、最大粒径より連続
した６種の区分の中に全ＳｉＣ粒子の８０〜９５重量％
を含有し、かつ互いに隣り合う粒径範囲の区分に含まれ
るＳｉＣ粒子の体積比が、大きい粒径範囲の区分に含ま
れるＳｉＣの合計体積をそのすぐ下の小さい粒径範囲に
含まれるＳｉＣの合計体積で除した値で０．４〜３．０
となる粒度分布を有することを特徴とする多孔質ＳｉＣ
焼結体（請求項１）、焼成が、非酸化雰囲気中１８００
〜２３００℃でなされた請求項１記載の多孔質ＳｉＣ焼
結体（請求項２）、Ｂ系化合物とＣ系化合物の組合せ又
はＡｌ化合物を焼結助剤に用いて焼結体とした請求項１
記載の多孔質ＳｉＣ焼結体（請求項３）及びＳｉＯ₂ 含
有率が、０．５重量％以下であることを特徴とする請求
項１記載の多孔質ＳｉＣ焼結体（請求項４）である。

【０００８】

【発明の実施の形態】この発明の多孔質焼結体は、Ｓｉ
Ｃ含有率が９７重量％以上、気孔率が２２〜３７％で、
さらに原料のＳｉＣ粒子を粗粒から微粒まで実質的にむ
らが無く連続するように調製をしたものである。以下
に、この発明の多孔質焼結体を焼成用道具材に用いた事
例を用いて説明するこの発明でＳｉＣ含有率を９７重量％以上としたのは、
ＳｉＣ高純度製品とするためである。ＳｉＣ含有率が９
７重量％未満であると、被焼成物と多孔質焼結体中の不
純物とが反応して被焼成物の特性を劣化させる恐れがあ
る。また、多孔質焼結体の不純物としては、ＳｉＯ₂ が
０．５重量％を超えると、被焼成物と反応したり或いは
耐クリープ性の低下など無視できない問題を生じる。Ｓ
ｉＣ多孔質焼結体は、出来るだけ高純度であることが望
ましく、好ましくはＳｉＣ純度が９９％である。

【０００９】本発明の多孔質焼結体に用いるＳｉＣ原料
は、微粉を除いた粗粒から微粒の範囲が、最大粒径より
順に２の平方根で除していって区分けした場合に、最大
粒径より連続した６種の区分の粒径範囲までに全ＳｉＣ
粒子の８０〜９５重量％を含有するようにする。即ち、
ＳｉＣ原料の最大粒径からその最大粒径を２の平方根で
除した値を超える粒径の範囲までを第１の粒径の範囲と
し、その粒径のすぐ下の最大粒径からその最大粒径を２
の平方根で除した値を超える粒径の範囲までを第２の粒
径の範囲とし、さらにその粒径の範囲のすぐ下の最大粒
径からその最大粒径を２の平方根で除した値を超える粒
径の範囲までを第３の粒径の範囲とし、以下同様に区分
けしていった場合に、最大粒径より連続した６種の粒径
範囲までに全ＳｉＣ粒子の８０〜９５重量％を含有する
ようにしたものである。

【００１０】そして、ＳｉＣ粒子をこのように区分けし
た場合、互いに隣り合う粒径範囲に含まれるＳｉＣ粒子
の体積比が、大きい方の粒径範囲の体積％を、そのすぐ
下の小さい方の粒径範囲の体積％で除した値で、０．４
〜３．０に調製して連続粒度分布系とするものである。
この値が、０．４未満或いは３．０を超えると粒度分布
にむらを生じて、連続した粒度分布を得ることが出来な
い。

【００１１】ＳｉＣ粒子を上記のように調製することに
よって、ＳｉＣ原料は実質的にむらが無く連続的な粒度
分布となって、粒径の大きな粒子の空隙に粒子径の小さ
い粒子が順次充填された構造の多孔質焼結体とすること
が出来て、ＳｉＣ粒子同士の接触点が増えて高強度とす
ることが出来るとともに、粒子が密に充填されているた
めに、気孔径は使用したＳｉＣ粒子の粒度範囲の下限と
相関関係となる。

【００１２】この発明の多孔質焼結体の気孔径の分布
は、使用した粒度範囲の下限域の粒子形状を球形と仮定
して充填したモデルより理論的に導かれる気孔径とよく
一致することが見出された。そのために、この発明によ
ると多孔質焼結体の気孔分布を所定の気孔径でかつ狭い
範囲で制御することが可能となるものである。

【００１３】多孔質焼結体の気孔率は、２２〜３７％の
範囲とする。気孔率が２２％未満であると、多孔質Ｓｉ
Ｃ材料が本来有する被焼成物から出るバインダー成分な
どの不純物を吸収する作用が低下する。また、気孔率が
３７％を超えると、粒子の充填が粗となって強度の低下
に加えて、気孔径分布が広くなるといった問題が生じて
くる。

【００１４】球形で均一な粒子を充填するモデルを考え
ると、理論的に最も疎な状態では、粒子は立方充填とな
り約４８％の空隙を生ずることになる。しかしながら、
実験的にはこのような状態に充填されず、疎の状態での
空隙率は３５〜４０％程度である。しかしながら、発明
者らの実験によると、気孔率が３７％を超えた多孔質Ｓ
ｉＣは、強度などで問題が残って実用的ではないので、
この発明では気孔率の上限を３７％とする。

【００１５】原料の中のＳｉＣ粒子の含有率は、８０〜
９５重量％が好ましい。ＳｉＣ粒子の含有率が８０重量
％未満であると、ＳｉＣ粒子に対する微粉の比率が高く
なり過ぎて気孔率が低下し、多孔質体として期待した効
果が得られなくなる。また、ＳｉＣ粒子が９５重量％を
超えると微粉が少なくなり過ぎて焼結が十分に進まず必
要な強度が得られなくなる恐れがある。

【００１６】ＳｉＣは難焼結性材料であるために、焼結
性を高めるために焼結助剤を添加して焼結する必要があ
る。助剤としては、Ｂ、Ｃ、Ａｌを含む化合物で、Ｂ系
化合物とＣ系化合物の組合せ或いはＡｌ系化合物であ
る。Ｂ源としては、Ｂ₄ Ｃ、ＢＮなど、Ｃ源としてはカ
ーボンブラック、フェノールレジンなどの有機物、Ａｌ
源としては窒化アルミニウム、アルミナなどがあげら
れ、これらのいずれの組合せでもよい。添加する量は、
ＳｉＣ粒度の粒度構成によって適宜に調整する。有効な
焼結助剤としてＢｅＯがあるが、ベリリウムが有害物質
であるために作業環境に対して問題があり実用できな
い。

【００１７】焼成条件は、ＳｉＣの酸化を防止するため
被酸化性雰囲気で、１８００〜２３００℃で焼成するの
が好ましい。焼成温度が１８００℃未満であると焼結が
十分に進まず必要な強度が得られず、また、焼成温度が
２３００℃を超えると焼結が促進し過ぎて、気孔の合体
や潰れなどが生じて気孔径の制御が難しくなる。

【００１８】

【実施例】（実施例１〜３、比較例１〜５）本発明の範
囲内の多孔質ＳｉＣ焼結体に用いた原料粒度配合を表１
乃至３に示す。表１では、使用したＳｉＣ粒子で、実質
的な最大粒径は３５４μｍであり、粒径範囲番号の粒
径範囲は３４５〜２５０μｍとなっているが、この２５
０μｍの値は、最大粒径３４５μｍを２の平方根で除し
た値である。粒径範囲番号以下についても同様であ
る。粒径範囲番号〜に含まれない微粒は雑とした。
なお、ここでいう「実施的な最大粒径」の意味は、この
場合でいうと、最大粒径３４５μｍを超える粒径も数％
含まれることもある場合を指している。また、実施例１
〜３のＳｉＣ含有率、ＳｉＯ₂ 含有率、ＳｉＣ粒子配合
率は表９に示した。

【００１９】また、比較例１〜５として、原料粒度配合
が本発明の範囲外の多孔質ＳｉＣ焼結体を表４〜８に示
す。比較例１及び２は、互いに隣り合う粒度分布の粒径
範囲に含まれるセラミック粒子の体積比が、大きい方の
粒径範囲の合計粒子体積をそのすぐ下の小さい方の粒径
範囲の合計粒子体積で除した値が、いずれも本発明で規
定した範囲外のもので、比較例１は、０．４未満のもの
が含まれるもの、比較例２は３．０を超えるものを含む
ものである。

【００２０】また、比較例３及び４は、ＳｉＣ粒子が、
最大粒径より２の平方根で除していって区分けした場合
に、最大粒径より連続した６種の粒度範囲までに全Ｓｉ
Ｃ粒子の８０％以上で９５重量％以下の範囲外のもの
で、比較例３は７４重量％、比較例４は９６重量％であ
る。比較例５は、化学組成が本発明の範囲外のものでＳ
ｉＣ含有率９６．０重量％、ＳｉＯ₂ 含有率は２．１重
量％のものである。

【００２１】上記の如き表１〜８に示した粒度配合の純
度９９％以上のＳｉＣ原料に焼結助剤及び成形助剤を添
加してこれをミキサーで混合した。焼結助剤は、カーボ
ンブラックおよびＢＮを、また成形助剤にはＰＶＡを用
いた。混合した原料は、従来のセッターを成形するのと
同じ一軸加圧成形機を用いて成形し、これをアルゴンガ
ス雰囲気中２１００℃で焼成して供試体を作製した。こ
の供試体からテストピースを作成し室温曲げ強さ、一般
物性及び耐スポール性を測定し、その結果を表９に示し
た。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】

【表３】

【００２５】

【表４】

【００２６】

【表５】

【００２７】

【表６】

【００２８】

【表７】

【００２９】

【表８】

【００３０】

【表９】

【００３１】表９に示すように、実施例１〜３は、曲げ
強さ、焼成物との反応性、耐クリープ性、気孔径分布の
制御の全ての項目で優れている。これに対して、比較例
１〜４は、これらの項目のいずれかが満足していない。
即ち、比較例１、２及び４は、曲げ強さが低下してい
る。比較例３は、気孔率が低く多孔質体としての機能が
殆ど得られない。比較例５は粘土を添加しているので、
被焼成物との反応が生じて耐クリープ性でも劣る結果と
なっている。（実施例４及び５、比較例６及び７）実施例４及び５
は、実施例１と同じ原料を、焼結温度を変えた以外は同
じ条件で焼結したものである。また、比較例６及び７
も、実施例１と同じ原料を用いて焼結温度を変えて焼結
したものである。これによって得られた多孔質ＳｉＣか
ら実施例１〜３と同じようにして供試体を切出して同じ
ように試験を行った。その結果を表１０に示す。

【００３２】

【表１０】

【００３３】実施例４及び５は、いずれも曲げ強さは大
きく、また気孔径分布の制御も良好である。これに対し
て、比較例の６は、曲げ強さが極度に低く、また比較例
７は気孔分布の制御が十分に行われないことが分かる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、多孔
質ＳｉＣ焼結体において、そのＳｉＣ原料の粒度分布を
実質的にむらが無く連続的に変化するようにして、高い
気孔率で高純度な多孔質ＳｉＣ焼結体としたので、高強
度でしかも任意に気孔径分布を制御した多孔質材料を得
ることが出来るようになった。

【００３５】かかるＳｉＣ多孔質焼結体は、電子部品焼
成用の道具材としての用途の外に、任意に気孔径分布を
制御することが出来ることから、単層或いは異なる配合
の原料を積層して、耐薬品性に優れた高純度ＳｉＣフイ
ルター材料としても利用が可能である。さらには、これ
に金属を含浸して作製する複合材料の基材などにも応用
することが可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡田裕愛知県刈谷市小垣江町南藤１番地東芝セラミックス株式会社刈谷製造所内 (72)発明者鈴木利幸愛知県刈谷市小垣江町南藤１番地東芝セラミックス株式会社刈谷製造所内Ｆターム(参考） 4G001 BA22 BB22 BB71 BC13 BC47 BC52 BC54 BD04 BD07 BE22 BE33 4G019 FA13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＳｉＣ含有率が９７重量％以上、気孔率
が２２〜３７％である多孔質焼結体であって、原料Ｓｉ
Ｃ中の微粉を除いた粗粒から微粒の範囲のＳｉＣ粒子
を、最大粒径より順に２の平方根で除していって区分し
た場合に、最大粒径より連続した６種の粒径範囲の区分
の中に全ＳｉＣ粒子の８０〜９５重量％を含有し、かつ
互いに隣り合う粒径範囲の区分に含まれるＳｉＣ粒子の
体積比が、大きい粒径範囲の区分に含まれるＳｉＣの合
計体積をそのすぐ下の小さい粒径範囲に含まれるＳｉＣ
の合計体積で除した値で０．４〜３．０となる粒度分布
を有することを特徴とする多孔質ＳｉＣ焼結体。
【請求項２】焼成が、非酸化雰囲気中１８００〜２３
００℃でなされた請求項１記載の多孔質ＳｉＣ焼結体。
【請求項３】Ｂ系化合物とＣ系化合物の組合せ又はＡ
ｌ化合物を焼結助剤に用いて焼結体とした請求項１記載
の多孔質ＳｉＣ焼結体。
【請求項４】ＳｉＯ₂ 含有率が、０．５重量％以下で
あることを特徴とする請求項１記載の多孔質ＳｉＣ焼結
体。