JP2004532788A - 金属含有単一相組成物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Mn+1AzXn（ここでnは0.8〜3.2の範囲内の数値、zは0.8〜1.2の範囲内の数値、MはTi（チタン）、Sc（スカンジウム）、V（バナジウム）、Cr（クロム）、Zr（ジルコニウム）、Nb（ニオビウム）およびTa（タンタル）から成る群より選択された少なくとも１種の金属、XはC（炭素）およびN（窒素）から成る群より選択された少なくとも１種の非金属、そしてAは最終的な所望の化合物がMn+1AzXnで表される複数の成分を含有するための化学元素Si（ケイ素）、Al（アルミニウム）およびSn（錫）から成る群より選択された少なくとも１種の化学元素あるいは該化学元素による化合物である）で表される単一相組成物の製造法において、該金属および非金属ならびに該化学元素あるいは該化学元素による該化合物から粉体混合物を形成する工程;およびそれにより該成分を反応させるために解離の促進を妨げるように該粉体混合物を不活性雰囲気内で着火する工程:を包含することを特徴とするMn+1AzXnで表される単一相組成物の製造法。同方法は、反応温度を該成分が反応する温度以上ではあるが単一相組成物が解離する温度未満に維持することを特徴としている。本発明は、主として、単一相物質Ti3SiC2の製造に関する。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属含有単一相組成物の製造方法に関する。本発明は、主として、炭化チタン・ケイ素(titanium silicon carbide)および同一族の複合化合物の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素が存在しない状態での燃焼合成（SHS:Self-propagating High Temperature Synthesis;自己生長高温合成:としても知られている）は、金属間生成物およびセラミック組成物を製造する際に一般的に用いられる方法である。
【０００３】
SHS技術においては、２種類以上の物質からなる混合物が、強力な熱源である媒体を通じて部分的に着火される。この熱源は、例えば加熱用コイルその他の加熱体、レーザー線あるいは電子線により構成されている。部分的な燃焼の結果、反応は強力な発熱反応により部分的に進行する。これにより過剰なエネルギーが放出され、これが隣接部の反応物質を着火させ、最終的には全面的に反応物質を着火させる。この連鎖反応は極めて急速に進行し、これが制御されていれば、金属間化合物およびセラミックスを大量生産するための極めて効果的な方法を提供する。本システムにより到達可能な最高温度は断熱温度である。
【０００４】
1980年代半ば以降、Ti3SiC2を生成するために多くの試みがなされている。例えば、Pampuch他（R. Pampuch他、“Solid Combustion Synthesis of Ti3SiC2, J. EURCERAM. SOC., 5,283-87 (1989)）および他は、Ti、SiおよびCの粉体混合物を不活性ガス雰囲気下で着火させた。この結果、Ti3SiC2＋10〜30%のその他の相（例えば、TiC、TiS2およびSiC）が生成された。
【０００５】
Goesmann他（F. Goesmann他、“Preparation of Ti3SiC2 by Electron-Beam-Ignited Solid-State Reaction”、J. Amer. Ceram. Soc., 81, 11, 3025-28 (1998)）は、SHS技術では反応が2000℃超という極めて高温で進行する結果、金属ケイ素のガスが放出されるのでTi3SiC2で構成される単一相が支配的な生成物は得られないであろうと考えた。そこで、Goesmannは、Ti3SiC2＋12.5重量％の過剰ケイ素という化学組成を有するTiとSiCから成る混合物を出発原料として反応を開始した。すなわち、彼は、電子線を用いて同混合物を着火させた。過剰ケイ素のガスを放出するために、800℃での熱処理、900℃での着火および1600℃での熱処理という３段階で同混合物の処理を実施した。この方法により、試料中の第二相が8％未満の生成物を得た。
【０００６】
本発明者等は、Ti3SiC2の製造プロセスおよび後続の焼結プロセスにおいて、高温下でのケイ素の蒸発とは基本的に異なる気体状のSiO2の発生により、大気中の酸素がTi3SiC2の熱的安定性に影響を及ぼすとの知見を得た（米国特許出願番号09/469,893、1999年12月出願）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
こうして、上述のやり方では、他の反応生成物を生成することなく、炭化チタン・ケイ素を生成することは困難であることがわかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述したように、本発明は同一族の組成物にも関する。同一族組成物とは、M3SiZ2の単一相組成物と表され得る（ここでMは少なくとも１種の金属、ZはC（炭素）およびN（窒素）から成る群より選択された少なくとも１種の化学元素である）。
【０００９】
本発明は、炭化チタン・ケイ素の製造に係わる高コストの問題に関する。
【００１０】
従って、本発明は、Mn+1AzXn（ここでnは0.8〜3.2の範囲内の数値、zは0.8〜1.2の範囲内の数値、MはTi（チタン）、Sc（スカンジウム）、V（バナジウム）、Cr（クロム）、Zr（ジルコニウム）、Nb（ニオビウム）およびTa（タンタル）から成る群より選択された少なくとも１種の金属、XはC（炭素）およびN（窒素）から成る群より選択された少なくとも１種の非金属、そしてAは最終的な所望の化合物がMn+1AzXnで表される複数の成分を得るための化学元素Si（ケイ素）、Al（アルミニウム）およびSn（錫）から成る群より選択された少なくとも１種の化学元素あるいは該化学元素による化合物である）で表される単一相組成物の製造法に関し、同方法は更に該金属および非金属ならびに最後に言及された該化学元素あるいは該化学元素による該化合物から粉体混合物を形成する工程と;解離の促進を防止するために不活性雰囲気内で該混合物を着火する（それにより該燃焼成分は反応する）工程:を包含し、反応物温度を、該成分が反応する温度以上ではあるが該単一相組成物が解離する温度未満に維持することを特徴とする方法に関する。
【００１１】
本発明を、部分的には３実施例を参照しつつ、より詳細に説明する。
【００１２】
本方法は、Mn+1AzXn（ここでnは0.8〜3.2の範囲内の数値、zは0.8〜1.2の範囲内の数値、MはTi（チタン）、Sc（スカンジウム）、V（バナジウム）、Cr（クロム）、Zr（ジルコニウム）、Nb（ニオビウム）およびTa（タンタル）から成る群より選択された少なくとも１種の金属、XはC（炭素）およびN（窒素）から成る群より選択された少なくとも１種の非金属、そしてAは最終的な所望の化合物がMn+1AzXnで表される複数の成分を含有するための化学元素Si（ケイ素）、Al（アルミニウム）およびSn（錫）から成る群より選択された少なくとも１種の化学元素あるいは該化学元素による化合物である）で表される単一相（または１つの相の）組成物の製造法に関する。同方法は、該金属および非金属ならびに最後に言及された該化学元素あるいは該化学元素による化合物により構成された粉体混合物を形成する工程および該粉体混合物を不活性雰囲気内で着火する工程を包含する。該不活性雰囲気には、解離の促進を防止するに十分な程の低分圧の酸素を含有する雰囲気も含まれる。
【００１３】
本発明によれば、反応温度は該成分が反応する温度以上ではあるが該単一相組成物が解離する温度未満に維持される。
【００１４】
従って、本発明の本質的な特徴は、温度は反応過程で低下させるが、それでも与えられたレベルを超える状態に維持することである。
【００１５】
上記は、Ti3SiC2から成る単一相組成物を得るための望ましい方法である。
【００１６】
極めて好適な実施態様によれば、予備反応した（pre-reacted:事前の反応によって得られた）Ti3SiC2の追加により温度の低下を維持する（ここで、Ti3SiC2はヒートシンクとして機能する）。
【００１７】
好ましくはヒートシンクとしてTi3SiC2を約25重量％まで使用する。
【００１８】
上記以外に、反応過程で温度を例えば反応物質を制御された方法で冷却するといった他の方法で低下してもよい。
【００１９】
以下に実施例により本発明を説明する。
【実施例１】
【００２０】
Ti、SiCおよびグラファイトの粉体をTi3SiC2の化学量論混合比を与える比率で一緒に混合した。次いで、この混合物を12重量％の事前の反応によって得られた（:予備反応）Ti3SiC2と混合した。
【００２１】
同混合物を反応容器内に供給し、同容器にアルゴンを0.5 L/分の流量で流した。同粉体床の厚さは約20cmであった。
【００２２】
同粉体床を同反応容器底部に設置したケイ化モリブデン素子により着火した。これにより、同床内の混合物成分は互いに反応した。
【００２３】
その後、同粉体を冷却後、同反応容器から取り出した。同床成分は容易に粉砕できた。
【００２４】
同床から取り出された試料をX線回折により分析した。
【００２５】
その結果、同床はTiCを約２〜４重量％含有していることが分かった。
【実施例２】
【００２６】
本実施例では、25重量％の事前の反応によって得られた（:予備反応）Ti3SiC2を該混合物に添加した以外は実施例１と同様な操作を実施した。
【００２７】
着火および冷却後の粉体床は15〜20重量％のTiCを含有していた。
【００２８】
実施例２は、なかんずく、予備反応性（pre-reactive:反応する以前の状態の）物質を過剰に希釈すると反応は完全には進行しない（これにより、単一層材料を得るために粉体床を1400℃、8時間の条件で熱処理を行うことが要求される）ことを示している。
【実施例３】
【００２９】
本実施例では、25重量％の事前の反応によって得られた（:予備反応）Ti3SiC2と共にTi、Siおよびグラファイトを混合し、上記混合物に添加した以外は実施例２と同様な操作を実施した。
【００３０】
着火および冷却後の粉体床は25〜30重量％のTiCを含有していた。
【００３１】
1400℃で8時間熱処理を受けた後、同粉体床に存在するTiCは２重量％未満であった。
【００３２】
本実施例の結果は、SiCの代わりにSiを用いてもよいことを示している。
【００３３】
いくつかの好適な実施態様により本発明を説明したが、本発明の範囲内であれば、温度を上記以外の方法で上記範囲内に維持可能である点を理解されたい。
【００３４】
以下に示す特許請求の範囲に記載される範囲内で変更態様を実施できるのであるから、本発明はそれを説明する上述の実施態様によっては制限されないと考えるべきである。
【０００１】
本発明は、金属含有単一相組成物の製造方法に関する。本発明は、主として、炭化チタン・ケイ素(titanium silicon carbide)および同一族の複合化合物の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素が存在しない状態での燃焼合成（SHS:Self-propagating High Temperature Synthesis;自己生長高温合成:としても知られている）は、金属間生成物およびセラミック組成物を製造する際に一般的に用いられる方法である。
【０００３】
SHS技術においては、２種類以上の物質からなる混合物が、強力な熱源である媒体を通じて部分的に着火される。この熱源は、例えば加熱用コイルその他の加熱体、レーザー線あるいは電子線により構成されている。部分的な燃焼の結果、反応は強力な発熱反応により部分的に進行する。これにより過剰なエネルギーが放出され、これが隣接部の反応物質を着火させ、最終的には全面的に反応物質を着火させる。この連鎖反応は極めて急速に進行し、これが制御されていれば、金属間化合物およびセラミックスを大量生産するための極めて効果的な方法を提供する。本システムにより到達可能な最高温度は断熱温度である。
【０００４】
1980年代半ば以降、Ti3SiC2を生成するために多くの試みがなされている。例えば、Pampuch他（R. Pampuch他、“Solid Combustion Synthesis of Ti3SiC2, J. EURCERAM. SOC., 5,283-87 (1989)）および他は、Ti、SiおよびCの粉体混合物を不活性ガス雰囲気下で着火させた。この結果、Ti3SiC2＋10〜30%のその他の相（例えば、TiC、TiS2およびSiC）が生成された。
【０００５】
Goesmann他（F. Goesmann他、“Preparation of Ti3SiC2 by Electron-Beam-Ignited Solid-State Reaction”、J. Amer. Ceram. Soc., 81, 11, 3025-28 (1998)）は、SHS技術では反応が2000℃超という極めて高温で進行する結果、金属ケイ素のガスが放出されるのでTi3SiC2で構成される単一相が支配的な生成物は得られないであろうと考えた。そこで、Goesmannは、Ti3SiC2＋12.5重量％の過剰ケイ素という化学組成を有するTiとSiCから成る混合物を出発原料として反応を開始した。すなわち、彼は、電子線を用いて同混合物を着火させた。過剰ケイ素のガスを放出するために、800℃での熱処理、900℃での着火および1600℃での熱処理という３段階で同混合物の処理を実施した。この方法により、試料中の第二相が8％未満の生成物を得た。
【０００６】
本発明者等は、Ti3SiC2の製造プロセスおよび後続の焼結プロセスにおいて、高温下でのケイ素の蒸発とは基本的に異なる気体状のSiO2の発生により、大気中の酸素がTi3SiC2の熱的安定性に影響を及ぼすとの知見を得た（米国特許出願番号09/469,893、1999年12月出願）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
こうして、上述のやり方では、他の反応生成物を生成することなく、炭化チタン・ケイ素を生成することは困難であることがわかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述したように、本発明は同一族の組成物にも関する。同一族組成物とは、M3SiZ2の単一相組成物と表され得る（ここでMは少なくとも１種の金属、ZはC（炭素）およびN（窒素）から成る群より選択された少なくとも１種の化学元素である）。
【０００９】
本発明は、炭化チタン・ケイ素の製造に係わる高コストの問題に関する。
【００１０】
従って、本発明は、Mn+1AzXn（ここでnは0.8〜3.2の範囲内の数値、zは0.8〜1.2の範囲内の数値、MはTi（チタン）、Sc（スカンジウム）、V（バナジウム）、Cr（クロム）、Zr（ジルコニウム）、Nb（ニオビウム）およびTa（タンタル）から成る群より選択された少なくとも１種の金属、XはC（炭素）およびN（窒素）から成る群より選択された少なくとも１種の非金属、そしてAは最終的な所望の化合物がMn+1AzXnで表される複数の成分を得るための化学元素Si（ケイ素）、Al（アルミニウム）およびSn（錫）から成る群より選択された少なくとも１種の化学元素あるいは該化学元素による化合物である）で表される単一相組成物の製造法に関し、同方法は更に該金属および非金属ならびに最後に言及された該化学元素あるいは該化学元素による該化合物から粉体混合物を形成する工程と;解離の促進を防止するために不活性雰囲気内で該混合物を着火する（それにより該燃焼成分は反応する）工程:を包含し、反応物温度を、該成分が反応する温度以上ではあるが該単一相組成物が解離する温度未満に維持することを特徴とする方法に関する。
【００１１】
本発明を、部分的には３実施例を参照しつつ、より詳細に説明する。
【００１２】
本方法は、Mn+1AzXn（ここでnは0.8〜3.2の範囲内の数値、zは0.8〜1.2の範囲内の数値、MはTi（チタン）、Sc（スカンジウム）、V（バナジウム）、Cr（クロム）、Zr（ジルコニウム）、Nb（ニオビウム）およびTa（タンタル）から成る群より選択された少なくとも１種の金属、XはC（炭素）およびN（窒素）から成る群より選択された少なくとも１種の非金属、そしてAは最終的な所望の化合物がMn+1AzXnで表される複数の成分を含有するための化学元素Si（ケイ素）、Al（アルミニウム）およびSn（錫）から成る群より選択された少なくとも１種の化学元素あるいは該化学元素による化合物である）で表される単一相（または１つの相の）組成物の製造法に関する。同方法は、該金属および非金属ならびに最後に言及された該化学元素あるいは該化学元素による化合物により構成された粉体混合物を形成する工程および該粉体混合物を不活性雰囲気内で着火する工程を包含する。該不活性雰囲気には、解離の促進を防止するに十分な程の低分圧の酸素を含有する雰囲気も含まれる。
【００１３】
本発明によれば、反応温度は該成分が反応する温度以上ではあるが該単一相組成物が解離する温度未満に維持される。
【００１４】
従って、本発明の本質的な特徴は、温度は反応過程で低下させるが、それでも与えられたレベルを超える状態に維持することである。
【００１５】
上記は、Ti3SiC2から成る単一相組成物を得るための望ましい方法である。
【００１６】
極めて好適な実施態様によれば、予備反応した（pre-reacted:事前の反応によって得られた）Ti3SiC2の追加により温度の低下を維持する（ここで、Ti3SiC2はヒートシンクとして機能する）。
【００１７】
好ましくはヒートシンクとしてTi3SiC2を約25重量％まで使用する。
【００１８】
上記以外に、反応過程で温度を例えば反応物質を制御された方法で冷却するといった他の方法で低下してもよい。
【００１９】
以下に実施例により本発明を説明する。
【実施例１】
【００２０】
Ti、SiCおよびグラファイトの粉体をTi3SiC2の化学量論混合比を与える比率で一緒に混合した。次いで、この混合物を12重量％の事前の反応によって得られた（:予備反応）Ti3SiC2と混合した。
【００２１】
同混合物を反応容器内に供給し、同容器にアルゴンを0.5 L/分の流量で流した。同粉体床の厚さは約20cmであった。
【００２２】
同粉体床を同反応容器底部に設置したケイ化モリブデン素子により着火した。これにより、同床内の混合物成分は互いに反応した。
【００２３】
その後、同粉体を冷却後、同反応容器から取り出した。同床成分は容易に粉砕できた。
【００２４】
同床から取り出された試料をX線回折により分析した。
【００２５】
その結果、同床はTiCを約２〜４重量％含有していることが分かった。
【実施例２】
【００２６】
本実施例では、25重量％の事前の反応によって得られた（:予備反応）Ti3SiC2を該混合物に添加した以外は実施例１と同様な操作を実施した。
【００２７】
着火および冷却後の粉体床は15〜20重量％のTiCを含有していた。
【００２８】
実施例２は、なかんずく、予備反応性（pre-reactive:反応する以前の状態の）物質を過剰に希釈すると反応は完全には進行しない（これにより、単一層材料を得るために粉体床を1400℃、8時間の条件で熱処理を行うことが要求される）ことを示している。
【実施例３】
【００２９】
本実施例では、25重量％の事前の反応によって得られた（:予備反応）Ti3SiC2と共にTi、Siおよびグラファイトを混合し、上記混合物に添加した以外は実施例２と同様な操作を実施した。
【００３０】
着火および冷却後の粉体床は25〜30重量％のTiCを含有していた。
【００３１】
1400℃で8時間熱処理を受けた後、同粉体床に存在するTiCは２重量％未満であった。
【００３２】
本実施例の結果は、SiCの代わりにSiを用いてもよいことを示している。
【００３３】
いくつかの好適な実施態様により本発明を説明したが、本発明の範囲内であれば、温度を上記以外の方法で上記範囲内に維持可能である点を理解されたい。
【００３４】
以下に示す特許請求の範囲に記載される範囲内で変更態様を実施できるのであるから、本発明はそれを説明する上述の実施態様によっては制限されないと考えるべきである。
Claims (6)
- Mn+1AzXn（ここでnは0.8〜3.2の範囲内の数値、zは0.8〜1.2の範囲内の数値、MはTi（チタン）、Sc（スカンジウム）、V（バナジウム）、Cr（クロム）、Zr（ジルコニウム）、Nb（ニオビウム）およびTa（タンタル）から成る群より選択された少なくとも１種の金属、XはC（炭素）およびN（窒素）から成る群より選択された少なくとも１種の非金属、そしてAは最終的な所望の化合物がMn+1AzXnで表される複数の成分を含有するための化学元素Si（ケイ素）、Al（アルミニウム）およびSn（錫）から成る群より選択された少なくとも１種の化学元素あるいは該化学元素による化合物である）で表される単一相組成物の製造法において、該金属および非金属ならびに該化学元素あるいは該化学元素による該化合物から粉体混合物を形成する工程;およびそれにより該成分を反応させるために解離の促進を妨げるように該粉体混合物を不活性雰囲気内で着火する工程:を包含し、反応温度を、該成分が反応する温度以上ではあるが該単一相組成物が解離する温度未満に維持することを特徴とする、Mn+1AzXnで表される単一相組成物の製造法。
- nが１、２あるいは３のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記単一相物質がTi3SiC2であることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 予備反応状態のMn+1AzXnで表される所望の前記化合物を追加し、ヒートシンクとして機能させる工程を包含することを特徴とする請求項１、２あるいは３記載の方法。
- 約25重量％の予備反応状態の物質をヒートシンクとして使用することを特徴とする請求項１、２、３あるいは４記載の方法。
- 前記単一相物質がTi2AlCあるいはTi2SnCであることを特徴とする請求項１、２、３、４あるいは５記載の方法。
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