JP2007197226A - 高い信頼性を持つ高熱伝導窒化ケイ素セラミックス及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ケイ素粉末の反応焼結を利用して合成した反応焼結窒化ケイ素焼結体であって、β相窒化ケイ素を主成分とし、Y、Yb、Nd、Smの少なくとも一種を酸化物に換算して0.5〜7mol%含有し、Mgの存在量が酸化物に換算して2mol%以下であり、100W/mK以上の熱伝導率、600MPa以上の3点曲げ強度、及び予き裂導入破壊試験法で測定した破壊靱性が7MPam1/2以上であることを特徴とする窒化ケイ素焼結体、その製造方法、及びその応用製品。
【効果】低品位のSi原料を含む多様なSi原料粉末を出発原料として用いることが可能で、しかも優れた特性を有する窒化ケイ素焼結体を低コストで合成できる。
【選択図】なし
Description
(1)ケイ素粉末の反応焼結を利用した窒化ケイ素焼結体の製造方法において、1)ケイ素粉末あるいはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に、希土類酸化物とマグネシウム化合物を同時に添加する、2)ケイ素粉末の不純物酸素とマグネシウム化合物に含まれる酸素の総量を同時に制御する、3)それにより、高熱伝導、高強度、高靭性を共生させた窒化ケイ素焼結体を製造する、ことを特徴とする窒化ケイ素焼結体の製造方法。
(2)ケイ素粉末あるいはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に、ケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において、希土類元素の酸化物を0.5mol%から7mol%、更に、マグネシウム化合物として酸化マグネシウム(MgO)あるいは窒化ケイ素マグネシウム(MgSiN2)あるいはケイ化マグネシウム(Mg2Si)あるいはこれらの混合物の1mol%から7mol%を、ケイ素及び窒化ケイ素に含まれる不純物酸素並びにマグネシウム化合物からの酸素の総量がケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において、0.1mass%から1.8mass%の範囲となるように添加する、前記(1)に記載の方法。
(3)上記混合物の成形体を1200〜1400℃の温度範囲で窒化し、得られた窒化体を1気圧以上の窒素中で1700℃から1950℃の温度で加熱し、窒化体を95%以上の相対密度に緻密化する、前記(2)に記載の方法。
(4)マグネシウム化合物として酸化マグネシウム(MgO)あるいは窒化ケイ素マグネシウム(MgSiN2)あるいはケイ化マグネシウム(Mg2Si)あるいはこれらの混合物の1mol%から7mol%を、ケイ素及び窒化ケイ素に含まれる不純物酸素並びにマグネシウム化合物からの酸素の総量がケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において、0.3mass%から1.5mass%の範囲となるように添加する、前記(2)に記載の方法。
(5)上記混合物の成形体を1200〜1400℃の温度範囲で窒化し、得られた窒化体を1気圧以上の窒素中で1700℃から1950℃の温度で加熱し、窒化体を95%以上の相対密度に緻密化するとともに、焼結体中のMg元素の量を酸化物に換算して0.2mass%以下に揮散させる、前記(4)に記載の方法。
(6)熱伝導率が130W/mK以上、3点曲げ強度が600MPa以上、及び予き裂導入破壊試験法で測定した破壊靱性値が7MPam1/2以上の特性を有する窒化ケイ素焼結体を製造する、前記(5)に記載の方法。
(7)ケイ素粉末の反応焼結を利用して合成した反応焼結窒化ケイ素焼結体であって、β相窒化ケイ素を主成分とし、Y、Yb、Nd、Smの少なくとも一種を酸化物に換算して0.5〜7mol%含有し、Mgの存在量が酸化物に換算して2mol%以下であり、100W/mK以上の熱伝導率、600MPa以上の3点曲げ強度、及び予き裂導入破壊試験法で測定した破壊靱性が7MPam1/2以上であることを特徴とする窒化ケイ素焼結体。
(8)前記(7)に記載の反応焼結窒化ケイ素焼結体から構成される、高熱伝導性、高強度及び高破壊靭性の特性を合わせ持つことを特徴とする窒化ケイ素製品。
本発明は、ケイ素粉末の反応焼結を利用した窒化ケイ素焼結体の製造方法において、1)ケイ素粉末あるいはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に、希土類酸化物とマグネシウム化合物を同時に添加する、2)ケイ素粉末の不純物酸素とマグネシウム化合物に含まれる酸素の総量を同時に制御する、3)それにより、高熱伝導、高強度、高靭性を共生させた窒化ケイ素焼結体を製造することを特徴とするものである。
(1)本発明により、反応焼結の手法を利用して合成した、高い信頼性を有する高熱伝導窒化ケイ素セラミックス及びその安価な製造方法を提供することができる。
(2)本発明は、多くの不純物酸素を含む低品位のSi原料粉末から不純物酸素量の少ない高品位なSi粉末まで、多様なSi原料粉末を出発原料として用いることができる、窒化ケイ素焼結体の製造方法を提供することができる。
(3)本発明により、600MPa以上の強度、7MPam1/2以上の破壊靭性、及び100W/mK以上の熱伝導率を共生する窒化ケイ素焼結体の製造方法及びその製品を提供することができる。
(窒化ケイ素粉末を出発原料とした通常の焼結方法:表1参照)
平均粒径0.2μmの窒化ケイ素粉末(不純物酸素量1.3mass%)に、2mol%の酸化イッテリビウムあるいは2mol%の酸化イットリウム及び5mol%の酸化マグネシウムを添加し、メタノールを分散媒とし、窒化ケイ素ポットと窒化ケイ素ボールを用いて、2時間遊星ミル混合を行った。エバポレータを用いてメタノールを蒸発させ、得られた粉末を45×50×5mmの形状に金型を用いて成形し、更に、3ton/cm2の圧力でCIP成形した。
(窒化ケイ素粉末を出発原料とした通常の焼結方法:表1参照)
粒子径150μmのケイ化マグネシウム粉末、粒子径10μmのケイ素粉末、純度99%、粒子径1μmの窒化ケイ素粉末を、それぞれ重量比で64.6%、5.9%、29.5%となるように秤量し、メノウ乳鉢を用いて混合した。高純度窒化ホウ素(BN)ルツボに充填した混合粉末をアルミナ製管状炉に設置し、窒素気流中で〜1350℃に加熱し、1時間保持した後、炉内で室温まで冷却し、窒化ケイ素マグネシウム粉末を合成した。
Claims (8)
- ケイ素粉末の反応焼結を利用した窒化ケイ素焼結体の製造方法において、(1)ケイ素粉末あるいはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に、希土類酸化物とマグネシウム化合物を同時に添加する、(2)ケイ素粉末の不純物酸素とマグネシウム化合物に含まれる酸素の総量を同時に制御する、(3)それにより、高熱伝導、高強度、高靭性を共生させた窒化ケイ素焼結体を製造する、ことを特徴とする窒化ケイ素焼結体の製造方法。
- ケイ素粉末あるいはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に、ケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において、希土類元素の酸化物を0.5mol%から7mol%、更に、マグネシウム化合物として酸化マグネシウム(MgO)あるいは窒化ケイ素マグネシウム(MgSiN2)あるいはケイ化マグネシウム(Mg2Si)あるいはこれらの混合物の1mol%から7mol%を、ケイ素及び窒化ケイ素に含まれる不純物酸素並びにマグネシウム化合物からの酸素の総量がケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において、0.1mass%から1.8mass%の範囲となるように添加する、請求項1に記載の方法。
- 上記混合物の成形体を1200〜1400℃の温度範囲で窒化し、得られた窒化体を1気圧以上の窒素中で1700℃から1950℃の温度で加熱し、窒化体を95%以上の相対密度に緻密化する、請求項2に記載の方法。
- マグネシウム化合物として酸化マグネシウム(MgO)あるいは窒化ケイ素マグネシウム(MgSiN2)あるいはケイ化マグネシウム(Mg2Si)あるいはこれらの混合物の1mol%から7mol%を、ケイ素及び窒化ケイ素に含まれる不純物酸素並びにマグネシウム化合物からの酸素の総量がケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において、0.3mass%から1.5mass%の範囲となるように添加する、請求項2に記載の方法。
- 上記混合物の成形体を1200〜1400℃の温度範囲で窒化し、得られた窒化体を1気圧以上の窒素中で1700℃から1950℃の温度で加熱し、窒化体を95%以上の相対密度に緻密化するとともに、焼結体中のMg元素の量を酸化物に換算して0.2mass%以下に揮散させる、請求項4に記載の方法。
- 熱伝導率が130W/mK以上、3点曲げ強度が600MPa以上、及び予き裂導入破壊試験法で測定した破壊靱性値が7MPam1/2以上の特性を有する窒化ケイ素焼結体を製造する、請求項5に記載の方法。
- ケイ素粉末の反応焼結を利用して合成した反応焼結窒化ケイ素焼結体であって、β相窒化ケイ素を主成分とし、Y、Yb、Nd、Smの少なくとも一種を酸化物に換算して0.5〜7mol%含有し、Mgの存在量が酸化物に換算して2mol%以下であり、100W/mK以上の熱伝導率、600MPa以上の3点曲げ強度、及び予き裂導入破壊試験法で測定した破壊靱性が7MPam1/2以上であることを特徴とする窒化ケイ素焼結体。
- 請求項7に記載の反応焼結窒化ケイ素焼結体から構成される、高熱伝導性、高強度及び高破壊靭性の特性を合わせ持つことを特徴とする窒化ケイ素製品。
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