JP2002321982A - 共有結合性ナノ結晶セラミックス及びその製造方法 - Google Patents
共有結合性ナノ結晶セラミックス及びその製造方法Info
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- JP2002321982A JP2002321982A JP2001167432A JP2001167432A JP2002321982A JP 2002321982 A JP2002321982 A JP 2002321982A JP 2001167432 A JP2001167432 A JP 2001167432A JP 2001167432 A JP2001167432 A JP 2001167432A JP 2002321982 A JP2002321982 A JP 2002321982A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】粒界ガラス相を形成する酸化物系助剤を添加す
ることなく、難焼結性である共有結合性ナノ結晶セラミ
ックスを得るための方法を提供することにある。 【解決手段】粒径１００ｎｍ以下の共有結合性セラミッ
クス原料粉末を酸化物系助剤を添加することなくＣＩＰ
成形し、カプセル封入したものを６００ＭＰａ以上の圧
力で熱間等方加圧成形（ＨＩＰ）することによって、平
均粒径３００ｎｍ以下の共有結合性ナノ結晶セラミック
スを製造する。
ることなく、難焼結性である共有結合性ナノ結晶セラミ
ックスを得るための方法を提供することにある。 【解決手段】粒径１００ｎｍ以下の共有結合性セラミッ
クス原料粉末を酸化物系助剤を添加することなくＣＩＰ
成形し、カプセル封入したものを６００ＭＰａ以上の圧
力で熱間等方加圧成形（ＨＩＰ）することによって、平
均粒径３００ｎｍ以下の共有結合性ナノ結晶セラミック
スを製造する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、共有結合性セラミ
ックス及びその製造法に関し、特に粒径がナノメートル
サイズである焼結体及びその製造方法に関する。
ックス及びその製造法に関し、特に粒径がナノメートル
サイズである焼結体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】炭化ケイ素や窒化ケイ素は共有結合性の
強固な原子間結合力を有し、耐熱性、硬度、耐摩耗性に
優れているため、高強度構造用材料として応用される。
しかしながら、共有結合性の材料であるが故に本質的に
難焼結性でもあり、緻密な焼結体を得るのが困難であ
る。
強固な原子間結合力を有し、耐熱性、硬度、耐摩耗性に
優れているため、高強度構造用材料として応用される。
しかしながら、共有結合性の材料であるが故に本質的に
難焼結性でもあり、緻密な焼結体を得るのが困難であ
る。
【０００３】そこで、共有結合性セラミックスの焼結の
ためには助剤を添加することが必要である。炭化ケイ素
の代表的な助剤としては、ボロン（Ｂ）−カーボン
（Ｃ）系、Ａｌ２Ｏ３系などがある。また、高温で液相
を形成する酸化物系（Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系、Ａｌ２
Ｏ３−Ｙ２Ｏ３−ＣａＯ系など）の助剤は窒化ケイ素、
ならびに、炭化ケイ素の焼結に用いられている。しかし
ながら、酸化物系助剤を添加すると、粒界に低融点のガ
ラス相が形成され、焼結体の高温強度を低下させるなど
共有結合性セラミックス本来の優れた機械的性質が失わ
れてしまう。
ためには助剤を添加することが必要である。炭化ケイ素
の代表的な助剤としては、ボロン（Ｂ）−カーボン
（Ｃ）系、Ａｌ２Ｏ３系などがある。また、高温で液相
を形成する酸化物系（Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系、Ａｌ２
Ｏ３−Ｙ２Ｏ３−ＣａＯ系など）の助剤は窒化ケイ素、
ならびに、炭化ケイ素の焼結に用いられている。しかし
ながら、酸化物系助剤を添加すると、粒界に低融点のガ
ラス相が形成され、焼結体の高温強度を低下させるなど
共有結合性セラミックス本来の優れた機械的性質が失わ
れてしまう。
【０００４】このような助剤を極力使用しないで緻密化
を行うには、焼結中に圧力を付加することが効果的であ
る。そのために、従来から、５０ＭＰａ程度の圧力での
ホットプレスや２００ＭＰａ程度の圧力による熱間等方
加圧成形（ＨＩＰ）などの技術が用いられてきた。しか
しながら、酸化物系助剤を全く使わない場合には、ホッ
トプレスやＨＩＰによる加圧焼結を用いても、炭化ケイ
素や窒化ケイ素を緻密化するためには２０００℃以上の
高い焼結温度が必要となり、高温で結晶粒が粗大化する
ため、粒径が１μｍ以上になってしまうという問題があ
った。
を行うには、焼結中に圧力を付加することが効果的であ
る。そのために、従来から、５０ＭＰａ程度の圧力での
ホットプレスや２００ＭＰａ程度の圧力による熱間等方
加圧成形（ＨＩＰ）などの技術が用いられてきた。しか
しながら、酸化物系助剤を全く使わない場合には、ホッ
トプレスやＨＩＰによる加圧焼結を用いても、炭化ケイ
素や窒化ケイ素を緻密化するためには２０００℃以上の
高い焼結温度が必要となり、高温で結晶粒が粗大化する
ため、粒径が１μｍ以上になってしまうという問題があ
った。
【０００５】なお、これ以上の高圧を得る手段としてダ
イヤモンド作製などに用いられる超高圧アンビル等の装
置があるが、これによって得られる焼結体は数ｍｍ角の
大きさでしかなく、構造用材料作製法としては不適であ
る。また、ＣＶＤ法により気相から直接ナノ結晶材料が
作製できるが、粉末や薄膜などの作製に限定されてお
り、構造用材料としてのバルク体は製造できない。
イヤモンド作製などに用いられる超高圧アンビル等の装
置があるが、これによって得られる焼結体は数ｍｍ角の
大きさでしかなく、構造用材料作製法としては不適であ
る。また、ＣＶＤ法により気相から直接ナノ結晶材料が
作製できるが、粉末や薄膜などの作製に限定されてお
り、構造用材料としてのバルク体は製造できない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ナノメートルサイズの
結晶粒子径を有するナノ結晶材料は、粒径がマイクロメ
ータサイズの材料に比べて、さらに強度と硬度が向上す
ることが金属に対しては知られている。しかしながら、
粒界にガラス相が多量に残存せず、共有結合性セラミッ
クス本来の優れた機械的性質をもち、かつ、粒径が３０
０ｎｍ以下である緻密な共有結合性ナノ結晶セラミック
スのバルク体を製造することはできなかった。
結晶粒子径を有するナノ結晶材料は、粒径がマイクロメ
ータサイズの材料に比べて、さらに強度と硬度が向上す
ることが金属に対しては知られている。しかしながら、
粒界にガラス相が多量に残存せず、共有結合性セラミッ
クス本来の優れた機械的性質をもち、かつ、粒径が３０
０ｎｍ以下である緻密な共有結合性ナノ結晶セラミック
スのバルク体を製造することはできなかった。
【０００７】本発明は、粒界ガラス相を形成する酸化物
系助剤を添加することなく、難焼結性である共有結合性
ナノ結晶セラミックスを得るための方法を提供すること
にある。
系助剤を添加することなく、難焼結性である共有結合性
ナノ結晶セラミックスを得るための方法を提供すること
にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するため鋭意研究した結果、従来の２００ＭＰａ
級ＨＩＰ装置を用いた場合には常圧焼結に比べて１００
−２００℃程度しか焼結温度を下げることが出来ないこ
とに対して、６００ＭＰａ以上の圧力下でＨＩＰを行な
うことによって、焼結温度を４００℃以上低下させるこ
とができ、粒成長を抑制した共有結合性ナノ結晶セラミ
ックスが製造できることを見出し、本発明にいたった
を達成するため鋭意研究した結果、従来の２００ＭＰａ
級ＨＩＰ装置を用いた場合には常圧焼結に比べて１００
−２００℃程度しか焼結温度を下げることが出来ないこ
とに対して、６００ＭＰａ以上の圧力下でＨＩＰを行な
うことによって、焼結温度を４００℃以上低下させるこ
とができ、粒成長を抑制した共有結合性ナノ結晶セラミ
ックスが製造できることを見出し、本発明にいたった
【０００９】すなわち、本発明の共有結合性セラミック
スは、平均粒径３００ｎｍ以下のナノ結晶粒組織を有
し、粒界ガラス相を形成する酸化物系焼結助剤を添加し
ないことを特徴とする。
スは、平均粒径３００ｎｍ以下のナノ結晶粒組織を有
し、粒界ガラス相を形成する酸化物系焼結助剤を添加し
ないことを特徴とする。
【００１０】ここで、共有結合性セラミックスは、炭化
ケイ素、窒化ケイ素のうち、１種類もしくは２種類を８
０重量％以上含む。なお、炭化ケイ素、窒化ケイ素と反
応してＨＩＰ温度において液相を形成しない金属炭化
物、金属窒化物、あるいは、一時的に液相を形成しても
炭化ケイ素あるいは窒化ケイ素中に成分が固溶し、粒界
にガラス相として残存しない金属ならびに酸化物を含ん
でもよい。
ケイ素、窒化ケイ素のうち、１種類もしくは２種類を８
０重量％以上含む。なお、炭化ケイ素、窒化ケイ素と反
応してＨＩＰ温度において液相を形成しない金属炭化
物、金属窒化物、あるいは、一時的に液相を形成しても
炭化ケイ素あるいは窒化ケイ素中に成分が固溶し、粒界
にガラス相として残存しない金属ならびに酸化物を含ん
でもよい。
【００１１】この発明の共有結合性ナノ結晶セラミック
スを製造する方法は次の工程を経ることを特徴とする。
（ａ）原料粒径１００ｎｍ以下の共有結合性セラミック
ス原料粉末を、ガラス相を形成する酸化物系助剤を添加
することなくＣＩＰ成形する工程（ｂ）ＣＩＰ成形体を
カプセル封入したものを、１５００℃以上１８００℃以
下の温度で、６００ＭＰａ以上の圧力で熱間等方加圧下
（ＨＩＰ）で成形する工程。
スを製造する方法は次の工程を経ることを特徴とする。
（ａ）原料粒径１００ｎｍ以下の共有結合性セラミック
ス原料粉末を、ガラス相を形成する酸化物系助剤を添加
することなくＣＩＰ成形する工程（ｂ）ＣＩＰ成形体を
カプセル封入したものを、１５００℃以上１８００℃以
下の温度で、６００ＭＰａ以上の圧力で熱間等方加圧下
（ＨＩＰ）で成形する工程。
【００１２】ＨＩＰ焼結温度が１８００℃以上では粒成
長が生じ、粒径３００ｎｍ以下のナノ結晶セラミックス
は得られない。また、１５００℃以下では相対密度９５
％以上の緻密なセラミックスとならない。
長が生じ、粒径３００ｎｍ以下のナノ結晶セラミックス
は得られない。また、１５００℃以下では相対密度９５
％以上の緻密なセラミックスとならない。
【００１３】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施例を示す。以下
に示す実施例は本発明の一例を示すものであって、本発
明の要旨を越えない限り、これに限定されるものではな
い。
に示す実施例は本発明の一例を示すものであって、本発
明の要旨を越えない限り、これに限定されるものではな
い。
【００１４】実施例１ 不純物としてフリーカーボンをおよそ４重量％含む平均
粒子径３０ｎｍの炭化ケイ素微粉末を２００ＭＰａでＣ
ＩＰ成形し、７２０℃でガラスカプセル封入した後、１
６００℃でアルゴンガスにより９８０ＭＰａの静水圧を
付加し１時間のＨＩＰ焼結を行った。焼結体の密度は
３．１１ｇ／ｃｍ３でありほぼ理論密度に近い緻密化が
達成できた。平均粒径は７０ｎｍであり、極めて微細な
ナノ結晶材料が得られた。
粒子径３０ｎｍの炭化ケイ素微粉末を２００ＭＰａでＣ
ＩＰ成形し、７２０℃でガラスカプセル封入した後、１
６００℃でアルゴンガスにより９８０ＭＰａの静水圧を
付加し１時間のＨＩＰ焼結を行った。焼結体の密度は
３．１１ｇ／ｃｍ３でありほぼ理論密度に近い緻密化が
達成できた。平均粒径は７０ｎｍであり、極めて微細な
ナノ結晶材料が得られた。
【００１５】粒径７０ｎｍの材料のビッカース硬さと室
温での３点曲げ強度を表１に示す。なお、表１には比較
のため、ボロンとカーボンを焼結助剤とし、２４００℃
で常圧焼結した粒径２μｍの炭化ケイ素の値も示した。
温での３点曲げ強度を表１に示す。なお、表１には比較
のため、ボロンとカーボンを焼結助剤とし、２４００℃
で常圧焼結した粒径２μｍの炭化ケイ素の値も示した。
【００１６】
【表１】
【００１７】表１より明らかなように、本実施例の方が
ビッカース硬さが高く、かつ室温曲げ強度も増加してい
ることが分かる。さらに、本実施例のナノ結晶セラミッ
クスは焼結助剤を添加していないために粒成長が生じに
くく、２０００℃でも３００ｎｍ以下のナノ結晶組織が
維持できた。
ビッカース硬さが高く、かつ室温曲げ強度も増加してい
ることが分かる。さらに、本実施例のナノ結晶セラミッ
クスは焼結助剤を添加していないために粒成長が生じに
くく、２０００℃でも３００ｎｍ以下のナノ結晶組織が
維持できた。
【００１８】実施例２ 実施例１と同様な原料粉末にアルミニウムを１重量％添
加しボールミル混合した粉末についても同様な条件でＨ
ＩＰ焼結をした。焼結体の密度は３．１１ｇ／ｃｍ３で
粒径は７０ｎｍであった。実施例１の材料と実施例２の
材料の１８００℃、３Ｘ１０−５ｓ−１の圧縮加工にお
ける加工応力を表２に示した。
加しボールミル混合した粉末についても同様な条件でＨ
ＩＰ焼結をした。焼結体の密度は３．１１ｇ／ｃｍ３で
粒径は７０ｎｍであった。実施例１の材料と実施例２の
材料の１８００℃、３Ｘ１０−５ｓ−１の圧縮加工にお
ける加工応力を表２に示した。
【００１９】
【表２】
【００２０】実施例１の無添加材料は高温でも優れた圧
縮強度を維持することがわかる。一方、実施例２のアル
ミニウム添加材料は実施例１の無添加材料に比べて加工
応力が極めて低く、逆に高温での塑性加工が容易である
ことがわかる。
縮強度を維持することがわかる。一方、実施例２のアル
ミニウム添加材料は実施例１の無添加材料に比べて加工
応力が極めて低く、逆に高温での塑性加工が容易である
ことがわかる。
【００２１】実施例３ 実施例１と同様の粉末に、ボロンを０．１、０．３、
１．０、３．０、１２重量％添加して、同様にＨＩＰ焼
結した場合も、ほぼ理論密度に近い緻密化が達成でき、
粒径は７０〜３００ｎｍであった。
１．０、３．０、１２重量％添加して、同様にＨＩＰ焼
結した場合も、ほぼ理論密度に近い緻密化が達成でき、
粒径は７０〜３００ｎｍであった。
【００２２】実施例４ 不純物として酸素をおよそ１重量％含む平均粒子径３５
ｎｍのα窒化ケイ素微粉末を２００ＭＰａでＣＩＰ成形
し、７２０℃でガラスカプセル封入した後、１５００℃
でアルゴンガスにより９８０ＭＰａの静水圧を付加し１
時間のＨＩＰ焼結を行った。焼結体の密度は３．１０ｇ
／ｃｍ３でありほぼ理論密度に近い緻密化が達成でき
た。平均粒径は８０ｎｍであった。ビッカース硬さは２
１００であり、比較のためにＹ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系焼
結助剤を添加してホットプレスにより作製したβ窒化ケ
イ素のビッカース硬さ１７００よりも高かった。
ｎｍのα窒化ケイ素微粉末を２００ＭＰａでＣＩＰ成形
し、７２０℃でガラスカプセル封入した後、１５００℃
でアルゴンガスにより９８０ＭＰａの静水圧を付加し１
時間のＨＩＰ焼結を行った。焼結体の密度は３．１０ｇ
／ｃｍ３でありほぼ理論密度に近い緻密化が達成でき
た。平均粒径は８０ｎｍであった。ビッカース硬さは２
１００であり、比較のためにＹ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系焼
結助剤を添加してホットプレスにより作製したβ窒化ケ
イ素のビッカース硬さ１７００よりも高かった。
【００２３】
【発明の効果】以上のとおり、本発明により、粒界ガラ
ス相を形成する酸化物系焼結助剤を添加しないで、共有
結合性ナノ結晶セラミックスが得られる。この共有結合
性ナノ結晶セラミックスは高温で優れた強度を維持し、
室温での強度、硬度に優れる。さらに、条件によっては
高温での塑性加工が可能となる。
ス相を形成する酸化物系焼結助剤を添加しないで、共有
結合性ナノ結晶セラミックスが得られる。この共有結合
性ナノ結晶セラミックスは高温で優れた強度を維持し、
室温での強度、硬度に優れる。さらに、条件によっては
高温での塑性加工が可能となる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若井 史博 東京都町田市南つくし野３−１−３ ＣＫ すずかけ台620 Ｆターム(参考） 4G001 BA22 BA32 BA60 BA63 BA68 BA73 BB22 BB32 BB60 BB63 BB68 BB73 BC13 BC23 BC43 BC52 BC62 BD14 BE11 BE14 BE22 4G030 AA47 AA52 AA60 AA63 AA67 BA18 BA20 CA01 CA04 CA05 GA11 GA19 GA27 GA29 GA31
Claims (3)
- 【請求項１】 平均粒径３００ｎｍ以下のナノ結晶粒組
織を有し、粒界ガラス相を形成する酸化物系焼結助剤を
添加しないことを特徴とする共有結合性セラミックス。 - 【請求項２】 共有結合性結晶として、炭化ケイ素、窒
化ケイ素のうち、１種類もしくは２種類を合計８０重量
％以上含む請求項１記載の共有結合性ナノ結晶セラミッ
クス。 - 【請求項３】 粒径１００ｎｍ以下の共有結合性セラミ
ックス原料粉末を酸化物系助剤を添加することなくＣＩ
Ｐ成形し、ガラスカプセル封入したものを１５００℃以
上１８００℃以下の温度で、６００ＭＰａ以上の圧力で
熱間等方加圧（ＨＩＰ）下で成形することを特徴とする
請求項１または２記載の共有結合性ナノ結晶セラミック
スの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001167432A JP2002321982A (ja) | 2001-04-26 | 2001-04-26 | 共有結合性ナノ結晶セラミックス及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001167432A JP2002321982A (ja) | 2001-04-26 | 2001-04-26 | 共有結合性ナノ結晶セラミックス及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002321982A true JP2002321982A (ja) | 2002-11-08 |
Family
ID=19009816
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001167432A Pending JP2002321982A (ja) | 2001-04-26 | 2001-04-26 | 共有結合性ナノ結晶セラミックス及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002321982A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115073182A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-20 | 中国人民解放军空军工程大学 | 一种超高温材料及其制备方法 |
-
2001
- 2001-04-26 JP JP2001167432A patent/JP2002321982A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115073182A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-20 | 中国人民解放军空军工程大学 | 一种超高温材料及其制备方法 |
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