JP2008260661A - 炭化珪素−炭化珪素繊維複合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】炭化珪素粉末と炭化珪素繊維とから形成される炭化珪素−炭化珪素繊維複合体。
【効果】本発明の炭化珪素−炭化珪素繊維複合体は、耐酸化性に優れた材料であり、耐熱材料としての使用範囲が広がり、種々の用途に使用することが可能となった。また、炭化珪素化する方法も簡便であり、しかも品質のバラツキの少ない炭化珪素−炭化珪素繊維複合体を得ることが可能であり、工業的規模の生産にも十分耐え得るものである。
【選択図】なし

Description

本発明は、高温構造材、治具、半導体装置部材、液晶装置部材及び機械的摺動材として酸化雰囲気でも適用される炭化珪素−炭化珪素繊維複合体及びその製造方法に関する。

黒鉛材料は高温特性、機械的強度及び加工性に優れた材料であり、種々の高温材料として使用されている。但し、耐酸化性に劣ることより非酸化性雰囲気での使用に限定され、酸化性雰囲気で使用する高温材料としては、炭化珪素、窒化珪素及びアルミナといった酸化物セラミックスが用いられてきたが、これらセラミックスは加工性に劣ったり、大型化が困難だったりするほか、耐熱衝撃性に劣るといった問題があった。
そこで、耐酸化性を向上させるため、黒鉛材を炭化珪素化する方法が種々、試みられてきた。

従来、黒鉛材を炭化珪素化する方法としては、幾つかの方法が提案されている。例えば、特公昭６１−１１９１１号公報（特許文献１）においては、特定の径を持つ微細気孔を占める容積が０．０２ｃｍ³／ｇ以上の炭素基材を使用し、ＳｉＯガスを用いてコンバージョン法で炭化珪素−黒鉛複合材料を製造する方法、特許第２７２１６７８号公報（特許文献２）には、嵩密度１．５０ｇ／ｃｍ³以下及び平均ポアー半径１．５μｍ以上の黒鉛材料をＳｉＯガスと反応せしめ、β−炭化珪素を製造する方法が記載されている。

しかしながら、上記従来の方法では、嵩密度等黒鉛材の物性が限定されたり、黒鉛材料自体の強度がないため、炭化珪素化の過程において、黒鉛材と炭化珪素材の熱膨張率の違いにより、破損することが多く、歩留まりが悪く、結果として高価な炭化珪素材となったり、品質バラツキの大きい製品となるといった問題があり、いずれも工業的生産に優れた方法とは言えなかった。

特公昭６１−１１９１１号公報 特許第２７２１６７８号公報

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、高温酸化性雰囲気での使用に十分耐え、品質のバラツキも少なく、しかも容易かつ確実に製造することができる炭化珪素−炭化珪素繊維複合体及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、黒鉛材自体を高強度でかつ高脆性である黒鉛粉末と黒鉛繊維とからなるＣ／Ｃコンポジット材とすることで、炭化珪素に転化する過程においての破損がかなりの確率で防止でき、高温酸化性雰囲気での使用に十分耐え得る炭化珪素材料を容易に製造することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

従って、本発明は、下記炭化珪素−炭化珪素繊維複合体及びその製造方法を提供する。
（１）炭化珪素粉末と炭化珪素繊維とから形成される炭化珪素−炭化珪素繊維複合体。
（２）炭化珪素繊維の混合割合が２０〜７０質量％であることを特徴とする（１）記載の炭化珪素−炭化珪素繊維複合体。
（３）黒鉛粉末と黒鉛繊維とからなるＣ／Ｃコンポジット材を１１００〜１８００℃の温度範囲にてＳｉＯガスと反応させ、黒鉛を炭化珪素に転化させることを特徴とする炭化珪素−炭化珪素繊維複合体の製造方法。
（４）上記Ｃ／Ｃコンポジットの黒鉛繊維の混合割合が２０〜７０質量％であることを特徴とする（３）記載の炭化珪素−炭化珪素繊維複合体の製造方法。
（５）黒鉛粉末と黒鉛繊維とからなるＣ／Ｃコンポジット材とＳｉＯガスとの反応を１０００Ｐａ以下の減圧下で行わせることを特徴とする（３）又は（４）記載の炭化珪素−炭化珪素繊維複合体の製造方法
を提供する。

本発明の炭化珪素−炭化珪素繊維複合体は、耐酸化性に優れた材料であり、耐熱材料としての使用範囲が広がり、種々の用途に使用することが可能となった。また、炭化珪素化する方法も簡便であり、しかも品質のバラツキの少ない炭化珪素−炭化珪素繊維複合体を得ることが可能であり、工業的規模の生産にも十分耐え得るものである。

本発明の炭化珪素−炭化珪素繊維複合体は炭化珪素粉末と炭化珪素繊維とから形成される。ここで、炭化珪素粉末及び炭化珪素繊維の物性等については特に限定されるものではないが、強度が要求される用途では、炭化珪素−炭化珪素繊維複合体中の炭化珪素繊維の混合割合は、２０〜７０質量％、特に３５〜６０質量％が好ましい。炭化珪素繊維の混合割合が２０質量％より少ないと脆性が低下し、破損の原因となる。逆に炭化珪素繊維の混合割合が７０質量％より多いと強度が低下し、同様に破損の原因となる。
この場合、炭化珪素−炭化珪素繊維複合体の形状は特に制限はなく、その用途に応じて適宜選定される。

次に、上記炭化珪素−炭化珪素繊維複合体の製造方法について説明する。
本発明の炭化珪素−炭化珪素繊維複合体は、黒鉛粉末と黒鉛繊維とからなるＣ／Ｃコンポジット材を１１００〜１８００℃の温度範囲にてＳｉＯガスと反応させ、黒鉛を炭化珪素に転化させることで製造できる。

ここで、基材となるＣ／Ｃコンポジットは特に限定されず、黒鉛粉と黒鉛繊維で形成されたものが使用される。この場合、黒鉛粉と黒鉛繊維の混合割合も特に限定されるものではないが、強度が要求される用途では、黒鉛繊維の混合割合が２０〜７０質量％、特に３５〜６０質量％が好ましい。黒鉛繊維の混合割合が２０質量％より少ないと、得られる炭化珪素−炭化珪素繊維複合体の炭化珪素繊維の割合が２０質量％より少なくなり、結果として脆性が低下し、破損の原因となる。逆に黒鉛繊維の混合割合が７０質量％より多いと、得られる炭化珪素−炭化珪素繊維複合体の炭化珪素繊維の割合が７０質量％より多くなり、結果として強度が低下し、同様に破損の原因となる。

そのＣ／Ｃコンポジット材の形状も適宜選定されるが、例えば板状等の場合、厚さは１〜２０ｍｍ、特に３〜１５ｍｍが好ましい。厚さが１ｍｍより小さいと形状保持が困難になる場合があるし、逆に２０ｍｍより大きいとＳｉＯガスとの反応に時間がかかってしまい、場合によっては内部が未反応となるおそれがある。

また、この場合の黒鉛粉の平均粒径は、０．０５〜５０μｍ、特に０．１〜１０μｍであることが好ましく、黒鉛粉の形状は特に制限されない。なお、この平均粒径は、レーザー光回折法による粒度分布測定における質量平均値Ｄ₅₀（即ち、累積質量が５０％となるときの粒子径又はメジアン径）として測定することができる。

一方、黒鉛繊維としては、長さが１〜５００μｍ、特に５〜３００μｍであり、アスペクト比（長さ／直径）が１０〜１００、特に２０〜８０であることが好ましい。ここで、黒鉛繊維の長さ、アスペクト比の測定は、写真撮影後の画像解析等により行い、例えば、フロー式粒子像分析装置を用いた画像解析等の手段により自動的に行うことができる。

次に、このＣ／Ｃコンポジット材を１１００〜１８００℃の温度範囲にてＳｉＯガスと反応させ、炭化珪素に転化させる。ここで、ＳｉＯガスの発生方法についても特に限定されない。下記に代表的なＳｉＯガス発生方法を記す。
［１］ＳｉＯ自体を加熱する方法
ＳｉＯ（ｓ）→ＳｉＯ（ｇ）
［２］シリカと珪素を加熱する方法
ＳｉＯ₂（ｓ）＋Ｓｉ（ｓ）→２ＳｉＯ（ｇ）
［３］シリカと黒鉛を加熱する方法
ＳｉＯ₂（ｓ）＋Ｃ（ｓ）→ＳｉＯ（ｇ）＋ＣＯ（ｇ）

この中で特に、［２］シリカ粉末と珪素粉末（例えばヒュームドシリカ）を加熱する方法が副生物もなく、収率的にもコスト的にも有利であり、好ましい。また、処理温度は１１００℃〜１８００℃、特に１３００℃〜１６００℃が好ましい。処理温度が１１００℃より低いと、ＳｉＯ（ｇ）の発生が不十分となったり、発生したＳｉＯ（ｇ）とＣ／Ｃコンポジット材との反応性が低下する。逆に１８００℃より高くても、発生したＳｉＯ（ｇ）とＣ／Ｃコンポジット材との反応性が著しく高くなるわけでもなく、処理炉炉材の選定が限定され、結果として、高価な処理炉となったり、炉材消耗が早くなったりし、コスト的に有利な条件ではない。

また、処理する雰囲気は特に限定されず、Ａｒ，Ｈｅ等のＣ／Ｃコンポジット材と反応しない不活性ガス常圧又は加圧下、もしくは減圧下にて行うことができるが、特にＳｉＯ（ｇ）の発生が促進される減圧下で行うことが好ましい。この場合の減圧度は１０００Ｐａ以下、特に５００Ｐａ以下が、ＳｉＯ（ｇ）の発生を効率的に行わせることができるため、好ましい。なお、減圧度の下限は、特に制限されるものではないが、通常１Ｐａ以上であることが好ましい。

また、処理を行う処理炉についても特に限定されるものではなく、バッチ炉、連続式トンネル炉等が用いられる。
処理後の炭化珪素−炭化珪素繊維複合体の純度を高めるため、炭化珪素−炭化珪素繊維複合体を大気中等の酸化性雰囲気中で熱処理し、炭化珪素−炭化珪素繊維複合体中に残存する未反応黒鉛を除去することもできる。この場合、処理温度は８００℃以上、特に８５０〜１１００℃が好ましい。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

［実施例］
１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍ（厚さ）のＣ／Ｃコンポジット板材（黒鉛粉（平均粒径３μｍ）／黒鉛繊維（長さ２００μｍ、直径５μｍ、アスペクト比４０）＝１／１（質量比））と、平均粒径５μｍの珪素粉末とＢＥＴ比表面積が３００ｍ²／ｇのヒュームドシリカとの等モル混合物（Ｓｉ／ＳｉＯ₂＝１／１（モル比））２００ｇをアルミナ製ルツボに仕込んだものを処理炉内に静置した。次に、処理炉内を真空ポンプで１００Ｐａ以下に減圧した後、加熱し、１４００℃で５ｈｒ保持した。

得られた処理物は緑色の板状物であり、Ｘ線回折及びＳＥＭ観察により粉体と繊維で構成される炭化珪素−炭化珪素繊維複合体であることが確認された。

次に得られた炭化珪素−炭化珪素繊維複合体の耐酸化性を評価するため、該炭化珪素−炭化珪素繊維複合体を大気中８００℃で３時間保持した。冷却後、質量減少を測定したところ、−０．１質量％と殆ど質量変化のない耐酸化性に優れた材質であることが確認された。

［比較例］
Ｃ／Ｃコンポジットの代わりに黒鉛板を使用した他は実施例と同様な方法で黒鉛板の炭化珪素処理を行った。
その結果、反応途中で黒鉛板が破損してしまい、形状を保持することができなかった。

Claims (5)

1. 炭化珪素粉末と炭化珪素繊維とから形成される炭化珪素−炭化珪素繊維複合体。
2. 炭化珪素繊維の混合割合が２０〜７０質量％であることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素−炭化珪素繊維複合体。
3. 黒鉛粉末と黒鉛繊維とからなるＣ／Ｃコンポジット材を１１００〜１８００℃の温度範囲にてＳｉＯガスと反応させ、黒鉛を炭化珪素に転化させることを特徴とする炭化珪素−炭化珪素繊維複合体の製造方法。
4. 上記Ｃ／Ｃコンポジットの黒鉛繊維の混合割合が２０〜７０質量％であることを特徴とする請求項３記載の炭化珪素−炭化珪素繊維複合体の製造方法。
5. 黒鉛粉末と黒鉛繊維とからなるＣ／Ｃコンポジット材とＳｉＯガスとの反応を１０００Ｐａ以下の減圧下で行わせることを特徴とする請求項３又は４記載の炭化珪素−炭化珪素繊維複合体の製造方法。