JP2013014493A - Carbon-silicon carbide composite material - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon-silicon carbide composite material having excellent processability and high strength.SOLUTION: The carbon-silicon carbide composite material has a structure in which carbon particles are mutually joined through a silicon carbide layer, wherein bending strength is 50 MPa or more, and a Shore hardness is HSD 50 or less.

Description

本発明は、炭素と炭化ケイ素とが複合した炭素−炭化ケイ素複合材に関するものである。   The present invention relates to a carbon-silicon carbide composite material in which carbon and silicon carbide are combined.

炭素と炭化ケイ素とを複合した炭素−炭化ケイ素複合材については、種々検討されている。   Various studies have been made on carbon-silicon carbide composite materials in which carbon and silicon carbide are combined.

例えば、特許文献1においては、微粉化された炭化ケイ素粒子及び炭素粒子を混合し、高温高圧で所望の形状に焼結することにより、炭素−炭化ケイ素複合材を製造する方法が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a method for producing a carbon-silicon carbide composite material by mixing finely divided silicon carbide particles and carbon particles and sintering them into a desired shape at high temperature and pressure. .

また、特許文献2においては、加圧成形した炭素繊維の成形体にシリコンを溶融含浸することにより、炭素−炭化ケイ素複合体を製造する方法が開示されている。   Patent Document 2 discloses a method for producing a carbon-silicon carbide composite by melt-impregnating silicon into a carbon fiber compact that has been pressure-molded.

炭素−炭化ケイ素複合材は、炭化ケイ素を含むものであるため硬度が高く、所望の形状に加工するのが困難であるという問題があった。加工性を改善するため、硬度を下げると、曲げ強度などの機械的強度が低下するという問題を生じる。   Since the carbon-silicon carbide composite material contains silicon carbide, there is a problem that the hardness is high and it is difficult to process into a desired shape. If the hardness is lowered in order to improve the workability, there arises a problem that the mechanical strength such as bending strength is lowered.

従って、良好な加工性と高い強度は、相反する性質であり、加工性に優れ、かつ強度の高い炭素−炭化ケイ素複合材は従来より得ることが困難であった。   Therefore, good workability and high strength are contradictory properties, and it has been difficult to obtain a carbon-silicon carbide composite material having excellent workability and high strength.

特許文献3においては、基材の炭素をケイ素成分と反応させることにより、炭素粒子表面に、炭化ケイ素を形成した炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を焼結することにより、炭素−炭化ケイ素複合材を製造する方法が開示されている。しかしながら、加工性に優れ、かつ強度の高い炭素−炭化ケイ素複合材に関しては、何ら開示されておらず、その示唆もなされていない。   In Patent Document 3, a carbon-silicon carbide composite material is obtained by sintering carbon particles having a silicon carbide coating layer in which silicon carbide is formed on the surface of carbon particles by reacting carbon of the substrate with a silicon component. A method of manufacturing is disclosed. However, no carbon-silicon carbide composite material having excellent workability and high strength is disclosed or suggested.

特開2004−339048号公報JP 2004-339048 A 特開2006−290670号公報JP 2006-290670 A 特開2011−51866号公報JP 2011-51866 A

本発明の目的は、加工性に優れ、かつ強度の高い炭素−炭化ケイ素複合材を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a carbon-silicon carbide composite material having excellent processability and high strength.

本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、炭素粒子同士が炭化ケイ素層を介して接合した構造を有する炭素−炭化ケイ素複合材であって、曲げ強度が50MPa以上、ショア硬さがHSD50以下であることを特徴としている。   The carbon-silicon carbide composite material of the present invention is a carbon-silicon carbide composite material having a structure in which carbon particles are bonded via a silicon carbide layer, and has a bending strength of 50 MPa or more and a Shore hardness of HSD 50 or less. It is characterized by that.

本発明の炭素−炭化ケイ素複合材において、炭化ケイ素層の割合は、20〜70重量%の範囲であることが好ましい。   In the carbon-silicon carbide composite material of the present invention, the proportion of the silicon carbide layer is preferably in the range of 20 to 70% by weight.

また、かさ密度は、1.90g/cm以上であることが好ましい。 The bulk density is preferably 1.90 g / cm 3 or more.

炭化ケイ素層の厚さは、100nm〜20μmの範囲であることが好ましい。   The thickness of the silicon carbide layer is preferably in the range of 100 nm to 20 μm.

本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を焼結することにより得られるものであることが好ましい。   The carbon-silicon carbide composite material of the present invention is preferably obtained by sintering carbon particles having a silicon carbide coating layer.

炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子の平均粒子径は、50nm〜500μmの範囲であることが好ましい。   The average particle diameter of the carbon particles having the silicon carbide coating layer is preferably in the range of 50 nm to 500 μm.

炭化ケイ素被覆層の厚さは、50nm〜10μmの範囲であることが好ましい。   The thickness of the silicon carbide coating layer is preferably in the range of 50 nm to 10 μm.

本発明によれば、加工性に優れ、かつ強度の高い炭素−炭化ケイ素複合材とすることができる。   According to the present invention, a carbon-silicon carbide composite material having excellent workability and high strength can be obtained.

本発明に従う一実施形態における炭素−炭化ケイ素複合材を示す模式的断面図。1 is a schematic cross-sectional view showing a carbon-silicon carbide composite material in an embodiment according to the present invention. 炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を示す模式的断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing carbon particles having a silicon carbide coating layer. 本発明に従う実施例における炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を製造するための坩堝内の配置状態を示す模式的断面図。Typical sectional drawing which shows the arrangement | positioning state in the crucible for manufacturing the carbon particle which has a silicon carbide coating layer in the Example according to this invention. 本発明に従う実施例1に用いた原料1のX線回折パターンを示す図。The figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the raw material 1 used for Example 1 according to this invention. 本発明に従う実施例2に用いた原料2のX線回折パターンを示す図。The figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the raw material 2 used for Example 2 according to this invention. 本発明に従う実施例3に用いた原料3のX線回折パターンを示す図。The figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the raw material 3 used for Example 3 according to this invention. 比較例1に用いた原料4のX線回折パターンを示す図。The figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the raw material 4 used for the comparative example 1. FIG. 比較例2に用いた原料5のX線回折パターンを示す図。The figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the raw material 5 used for the comparative example 2. FIG.

図1は、本発明に従う一実施形態の炭素−炭化ケイ素複合材を示す模式的断面図である。図1に示すように、本発明の炭素−炭化ケイ素複合材1は、炭素粒子2の周りに、炭化ケイ素層3を有しており、炭素粒子2同士が、炭化ケイ素層3を介して接合した構造を有している。炭化ケイ素層3は、3次元の網目状に連続して、炭素−炭化ケイ素複合材1内に設けられている。炭素粒子2の周りに設けられている炭化ケイ素層3は、連続して均一な厚みで形成されている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a carbon-silicon carbide composite material according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the carbon-silicon carbide composite material 1 of the present invention has a silicon carbide layer 3 around the carbon particles 2, and the carbon particles 2 are bonded together via the silicon carbide layer 3. It has the structure. The silicon carbide layer 3 is provided in the carbon-silicon carbide composite material 1 continuously in a three-dimensional network. The silicon carbide layer 3 provided around the carbon particles 2 is continuously formed with a uniform thickness.

さらに、本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、炭素粒子2同士が炭化ケイ素層3を介して接合した構造を有しているので、高い曲げ強度を有する一方で、低いショア硬さを有することができる。上述のように、一般には、曲げ強度が高くなると、ショア硬さも上昇するが、本発明の炭素−炭化ケイ素複合材においては、高い曲げ強度と、低いショア硬さを併存させることができる。   Furthermore, since the carbon-silicon carbide composite material of the present invention has a structure in which the carbon particles 2 are joined to each other via the silicon carbide layer 3, the carbon-silicon carbide composite material has a high bending strength and a low Shore hardness. Can do. As described above, generally, as the bending strength increases, the Shore hardness also increases. However, in the carbon-silicon carbide composite material of the present invention, high bending strength and low Shore hardness can coexist.

本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、曲げ強度が50MPa以上であり、ショア硬さがHSD50以下である。このような曲げ強度及びショア硬さを有することにより、高い強度を有するとともに、加工性に優れた炭素−炭化ケイ素複合材とすることができる。   The carbon-silicon carbide composite material of the present invention has a bending strength of 50 MPa or more and a Shore hardness of HSD 50 or less. By having such bending strength and Shore hardness, a carbon-silicon carbide composite material having high strength and excellent workability can be obtained.

本発明において、曲げ強度は、50MPa以上である。曲げ強度が50MPa未満になると、炭素−炭化ケイ素複合材の機械的強度が不十分となる。曲げ強度は、50〜300MPaの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、60〜250MPaの範囲である。   In the present invention, the bending strength is 50 MPa or more. When the bending strength is less than 50 MPa, the mechanical strength of the carbon-silicon carbide composite becomes insufficient. The bending strength is preferably in the range of 50 to 300 MPa, more preferably in the range of 60 to 250 MPa.

本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、ショア硬さがHSD50以下である。ショア硬さが50を超えると、良好な加工性が得られない。ショア硬さは、HSD20〜50の範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、HSD25〜45の範囲である。   The carbon-silicon carbide composite material of the present invention has a Shore hardness of HSD 50 or less. If the Shore hardness exceeds 50, good processability cannot be obtained. The shore hardness is preferably in the range of HSD 20-50, more preferably in the range of HSD 25-45.

本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、上記の曲げ強度及びショア硬さを有しているので、加工性に優れており、加工後においても、割れ等を生じにくい。従って、加工性および強度に優れた構造材とすることができる。   Since the carbon-silicon carbide composite material of the present invention has the above-described bending strength and shore hardness, it is excellent in workability and is less likely to be cracked after processing. Therefore, it can be set as the structural material excellent in workability and intensity | strength.

また、本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、炭素粒子同士が、炭化ケイ素層を介して接合した構造を有しているので、切削加工等により、新たに表れる面は、ほぼ均一であるため、物性に大きなばらつきがない。このため、加工しても、表面において性能の差はほとんど生じない。   In addition, since the carbon-silicon carbide composite material of the present invention has a structure in which carbon particles are bonded to each other via a silicon carbide layer, a newly appearing surface by cutting or the like is almost uniform. There is no great variation in physical properties. For this reason, even if processed, there is almost no difference in performance on the surface.

本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、炭化ケイ素層の割合が、20〜70重量%の範囲であることが好ましい。炭化ケイ素層の割合が、20重量%未満であると、炭化ケイ素層の強度が弱くなる可能性があり、材料としての強度も低下する可能性がある。   In the carbon-silicon carbide composite material of the present invention, the ratio of the silicon carbide layer is preferably in the range of 20 to 70% by weight. When the proportion of the silicon carbide layer is less than 20% by weight, the strength of the silicon carbide layer may be weakened, and the strength as a material may be reduced.

また、炭化ケイ素層の割合が70重量%を超えると、炭素自体の割合が小さすぎるために、炭素の特性が発現しにくくなる。   On the other hand, when the ratio of the silicon carbide layer exceeds 70% by weight, the ratio of the carbon itself is too small, so that the characteristics of the carbon are hardly exhibited.

炭化ケイ素層の割合は、25〜65重量%の範囲であることがさらに好ましく、特に好ましくは、30〜55重量%の範囲である。   The proportion of the silicon carbide layer is more preferably in the range of 25 to 65% by weight, particularly preferably in the range of 30 to 55% by weight.

本発明の炭素−炭化ケイ素複合材のかさ密度は、1.90g/cm以上であることが好ましい。かさ密度が1.90g/cm未満であると、相対的に密に詰まった構造とならず、強度が低下する恐れがある。 The bulk density of the carbon-silicon carbide composite material of the present invention is preferably 1.90 g / cm 3 or more. If the bulk density is less than 1.90 g / cm 3 , the structure does not become relatively dense and the strength may be reduced.

かさ密度は、1.95〜2.80g/cmの範囲であることがさらに好ましく、特に好ましくは2.05〜2.70g/cmの範囲である。 The bulk density is more preferably in the range of 1.95~2.80g / cm 3, particularly preferably from 2.05~2.70g / cm 3.

本発明の炭素−炭化ケイ素複合材において、炭化ケイ素層の厚さは、100nm〜20μmの範囲であることが好ましい。   In the carbon-silicon carbide composite material of the present invention, the silicon carbide layer preferably has a thickness in the range of 100 nm to 20 μm.

炭化ケイ素層の厚さが薄すぎると、炭化ケイ素層の強度が低下する可能性がある。   If the thickness of the silicon carbide layer is too thin, the strength of the silicon carbide layer may be reduced.

炭化ケイ素層の厚さが厚すぎると、炭素の良好な特性が発現しにくくなる場合がある。   If the thickness of the silicon carbide layer is too thick, it may be difficult to develop good characteristics of carbon.

本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を焼結することにより得られもるのであることが好ましい。炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を用いて焼結することにより、炭素粒子の周りに均一な炭化ケイ素層を有する炭素−炭化ケイ素複合材を得ることができる。このため、加工性に優れ、かつ強度の高い炭素−炭化ケイ素複合材を容易に製造することができる。   The carbon-silicon carbide composite material of the present invention is preferably obtained by sintering carbon particles having a silicon carbide coating layer. By sintering using carbon particles having a silicon carbide coating layer, a carbon-silicon carbide composite material having a uniform silicon carbide layer around the carbon particles can be obtained. For this reason, a carbon-silicon carbide composite material having excellent workability and high strength can be easily produced.

図2は、炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を示す模式的断面図である。図2に示すように、炭化ケイ素被覆炭素粒子12は、炭素粒子10の表面に炭化ケイ素被覆層11を有している。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing carbon particles having a silicon carbide coating layer. As shown in FIG. 2, the silicon carbide-coated carbon particles 12 have a silicon carbide coating layer 11 on the surface of the carbon particles 10.

図2に示すような炭化ケイ素被覆炭素粒子12は、例えば、炭素粒子10に、ケイ素成分を反応させることにより、表面の炭素を炭化して炭化ケイ素を形成することにより製造することができる。このように基材の炭素を反応源としてケイ素成分と反応させることにより、炭化ケイ素に転化する方法を、CVR法という。例えば、特許文献3においては、このようなCVR法を用いて、図2に示すような炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を製造している。特許文献3に開示された方法を用いて製造した炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を用いて、本発明の炭素−炭化ケイ素複合材を形成してもよい。   The silicon carbide-coated carbon particles 12 as shown in FIG. 2 can be produced by, for example, reacting a carbon component 10 with a silicon component to carbonize the surface carbon to form silicon carbide. The method of converting into silicon carbide by reacting carbon of the base material with the silicon component as a reaction source in this way is called CVR method. For example, in patent document 3, the carbon particle which has a silicon carbide coating layer as shown in FIG. 2 is manufactured using such a CVR method. You may form the carbon-silicon carbide composite material of this invention using the carbon particle which has the silicon carbide coating layer manufactured using the method disclosed by patent document 3. FIG.

上記CVR法では、例えば、温度1400℃〜1600℃、圧力1〜150Paの雰囲気中で、炭素粒子の表面と、SiOガスを反応させて炭素粒子の表面に炭化ケイ素被覆層を形成することができる。   In the CVR method, for example, a silicon carbide coating layer can be formed on the surface of the carbon particles by reacting the surface of the carbon particles with SiO gas in an atmosphere at a temperature of 1400 ° C. to 1600 ° C. and a pressure of 1 to 150 Pa. .

炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子の平均粒子径は、50nm〜500μmの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、1μm〜250μmの範囲であり、特に好ましくは、5μm〜100μmの範囲である。   The average particle size of the carbon particles having the silicon carbide coating layer is preferably in the range of 50 nm to 500 μm, more preferably in the range of 1 μm to 250 μm, and particularly preferably in the range of 5 μm to 100 μm.

平均粒子径が小さすぎると、充分な炭化ケイ素層を持つ炭素粒子とならない可能性が有る。従って炭化ケイ素層の強度低下を招き、炭素−炭化ケイ素複合材の強度が得られない。   If the average particle size is too small, there is a possibility that carbon particles having a sufficient silicon carbide layer may not be obtained. Therefore, the strength of the silicon carbide layer is reduced, and the strength of the carbon-silicon carbide composite material cannot be obtained.

平均粒子径が大きすぎると、焼結時に充分な密度が得られず、焼成した炭素−炭化ケイ素複合材の強度が低下する場合がある。   If the average particle size is too large, a sufficient density cannot be obtained during sintering, and the strength of the fired carbon-silicon carbide composite material may decrease.

炭化ケイ素被覆層の厚さは、50nm〜10μmの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、200nm〜10μmの範囲であり、特に好ましくは、500nm〜5μmの範囲である。炭化ケイ素被覆層の厚さが薄すぎると、炭素粒子−炭素粒子間の接合強度が小さくなってしまい、材料全体の強度が低下する可能性があり、炭化ケイ素被覆層の厚さが厚すぎると、相対密度が高い緻密な炭素−炭化ケイ素複合材が得られない可能性がある。   The thickness of the silicon carbide coating layer is preferably in the range of 50 nm to 10 μm, more preferably in the range of 200 nm to 10 μm, and particularly preferably in the range of 500 nm to 5 μm. If the thickness of the silicon carbide coating layer is too thin, the bonding strength between the carbon particles and the carbon particles may be reduced, and the strength of the entire material may be reduced. If the thickness of the silicon carbide coating layer is too thick, There is a possibility that a dense carbon-silicon carbide composite material having a high relative density cannot be obtained.

図3は、炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子をCVR法で製造するための坩堝内の配置状態を示す模式的断面図である。図3に示すように、黒鉛製坩堝21内に、カーボンシート22を配置し、その上にSiO源として、SiO粉末23を配置する。SiO粉末23の上に、カーボンフェルト24を配置し、カーボンフェルト24の上に、炭素粒子25を配置する。炭素粒子25の上に、カーボンフェルト26を配置し、その上にカーボンシート27を配置する。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an arrangement state in a crucible for producing carbon particles having a silicon carbide coating layer by a CVR method. As shown in FIG. 3, a carbon sheet 22 is disposed in a graphite crucible 21, and an SiO powder 23 is disposed thereon as an SiO source. A carbon felt 24 is disposed on the SiO powder 23, and carbon particles 25 are disposed on the carbon felt 24. A carbon felt 26 is disposed on the carbon particles 25, and a carbon sheet 27 is disposed thereon.

黒鉛製坩堝21に代えて、アルミナ製坩堝を用いてもよい。   Instead of the graphite crucible 21, an alumina crucible may be used.

図3に示すように配置した黒鉛製坩堝21を、焼成炉内に配置し、焼成炉内を排気し、加熱することにより、黒鉛製坩堝21内を所定の温度及び所定の圧力に加熱及び排気する。   The graphite crucible 21 arranged as shown in FIG. 3 is placed in a firing furnace, the inside of the firing furnace is evacuated and heated to heat and exhaust the interior of the graphite crucible 21 to a predetermined temperature and a predetermined pressure. To do.

黒鉛製坩堝21を所定の圧力に排気し、所定の温度に加熱することにより、SiO粉末からSiOガスが発生し、このSiOガスが炭素粒子の表面と反応することにより、炭素粒子の表面が炭化ケイ素に転化し、CVR法により炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を製造することができる。   By evacuating the graphite crucible 21 to a predetermined pressure and heating it to a predetermined temperature, SiO gas is generated from the SiO powder, and this SiO gas reacts with the surface of the carbon particles, so that the surfaces of the carbon particles are carbonized. Carbon particles having a silicon carbide coating layer can be produced by conversion to silicon and the CVR method.

本発明における炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子は、上記のCVR法により製造されるものに限定されず、他の方法で製造してもよい。例えば、炭化ケイ素層を、気相法、液相法、機械的混合法、またはこれらを組み合わせた方法により、炭素粒子の表面に形成することにより製造してもよい。例えば、炭素粒子を、炭化ケイ素粒子のスラリー中に添加することにより、炭素粒子の表面に炭化ケイ素粒子を付着させ、炭化ケイ素層を形成してもよい。   The carbon particles having a silicon carbide coating layer in the present invention are not limited to those produced by the CVR method, and may be produced by other methods. For example, the silicon carbide layer may be produced by forming it on the surface of the carbon particles by a vapor phase method, a liquid phase method, a mechanical mixing method, or a combination thereof. For example, by adding carbon particles to a slurry of silicon carbide particles, the silicon carbide particles may be attached to the surface of the carbon particles to form a silicon carbide layer.

以下、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples, but the present invention is not limited to the following examples.

〔炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子の製造〕
図3に示す黒鉛製坩堝21を用いて、上述のようにして、黒鉛製坩堝21内に、SiO粉末23及び炭素粒子25を配置し、表1に示す原料仕込み量及び反応条件で、CVR法により、炭化ケイ素層を有する炭素粒子(以下、「炭化ケイ素被覆炭素粒子」という)を製造した。SiO粉末としては、平均粒子径2〜6μmのSiO顆粒を用いた。炭素粒子としては、平均粒子径20μmの球状黒鉛粒子を用いた。
[Production of carbon particles having a silicon carbide coating layer]
Using the graphite crucible 21 shown in FIG. 3, the SiO powder 23 and the carbon particles 25 are placed in the graphite crucible 21 as described above, and the CVR method is performed under the raw material charge and reaction conditions shown in Table 1. Thus, carbon particles having a silicon carbide layer (hereinafter referred to as “silicon carbide-coated carbon particles”) were produced. As the SiO powder, SiO granules having an average particle diameter of 2 to 6 μm were used. As the carbon particles, spherical graphite particles having an average particle diameter of 20 μm were used.

表1に示す反応条件の雰囲気における「Vac.」は、減圧雰囲気を意味しており、具体的には、真空ポンプを用いて30Pa以下まで減圧したことを示す。また、「Ar」は、アルゴン雰囲気を意味している。また、原料仕込み量における「C量」及び「SiO量」は、黒鉛粒子のCのmol量及びSiO粉末におけるSiのmol量を示している。   “Vac.” In the atmosphere of the reaction conditions shown in Table 1 means a reduced pressure atmosphere, and specifically indicates that the pressure was reduced to 30 Pa or less using a vacuum pump. “Ar” means an argon atmosphere. Further, “C amount” and “SiO amount” in the raw material charging amount indicate the C mol amount of the graphite particles and the Si mol amount in the SiO powder.

Figure 2013014493
Figure 2013014493

表1に示す条件で、原料1〜原料5の炭化ケイ素被覆炭素粒子が得られた。   Under the conditions shown in Table 1, silicon carbide-coated carbon particles of raw materials 1 to 5 were obtained.

炭化ケイ素被覆炭素粒子の平均粒子径は、原料1〜5が全て20μmであった。   As for the average particle diameter of the silicon carbide-coated carbon particles, all of the raw materials 1 to 5 were 20 μm.

また、炭化ケイ素被覆炭素粒子における炭化ケイ素被覆層の厚さは、原料1が600nm、原料2が1.5μm、原料3が2.5μm、原料4が150nm、原料5が7μmであった。   Moreover, the thickness of the silicon carbide coating layer in the silicon carbide coated carbon particles was 600 nm for the raw material 1, 1.5 μm for the raw material 2, 2.5 μm for the raw material 3, 150 nm for the raw material 4, and 7 μm for the raw material 5.

図4〜図8は、上記のようにして得られた原料1〜原料5のX線回折パターンを示す図である。図4は原料1、図5は原料2、図6は原料3、図7は原料4、図8は原料5を示している。なお、各図における縦軸はピーク強度を示すものであり、任意単位である。   4 to 8 are diagrams showing X-ray diffraction patterns of the raw materials 1 to 5 obtained as described above. 4 shows the raw material 1, FIG. 5 shows the raw material 2, FIG. 6 shows the raw material 3, FIG. 7 shows the raw material 4, and FIG. In addition, the vertical axis | shaft in each figure shows peak intensity and is an arbitrary unit.

表1に示す「SiC被覆量」は、炭化ケイ素被覆炭素粒子における、炭化ケイ素被覆層の被覆割合を示している。SiC被覆量は、X線回折の検量線から求めた値である。   “SiC coating amount” shown in Table 1 indicates the coating ratio of the silicon carbide coating layer in the silicon carbide-coated carbon particles. The SiC coating amount is a value obtained from an X-ray diffraction calibration curve.

〔炭素−炭化ケイ素複合材の製造〕
上記の原料1〜原料5の炭化ケイ素被覆炭素粒子を用いて、以下のようにして炭素−炭化ケイ素複合材を製造した。
[Production of carbon-silicon carbide composite]
Using the silicon carbide-coated carbon particles of the raw materials 1 to 5, a carbon-silicon carbide composite material was produced as follows.

炭化ケイ素被覆炭素粒子を、大電流放電接合装置(住友石炭工業社製、「SPS−1050」)を用い、加圧焼結することにより、炭素−炭化ケイ素複合材を製造した。この装置を用いることにより、放電プラズマ焼結(パルス通電焼結)で焼結させることができる。放電プラズマ焼結は、電流による直接加熱に加え、パルス通電による電流衝撃を発生させ、通常より低温で粉体を焼結させることができる。 A carbon-silicon carbide composite material was manufactured by pressure-sintering silicon carbide-coated carbon particles using a high-current discharge bonding apparatus (“SPS-1050” manufactured by Sumitomo Coal Industry Co., Ltd.). By using this apparatus, sintering can be performed by spark plasma sintering (pulse current sintering). In the discharge plasma sintering, in addition to direct heating by electric current, a current impact by pulse energization is generated, and powder can be sintered at a temperature lower than usual.

ここでは、30MPaに加圧した状態で、2000℃の温度で、5分間加熱を保持することにより、焼結させた。   Here, sintering was performed by maintaining heating at a temperature of 2000 ° C. for 5 minutes while being pressurized to 30 MPa.

実施例1は原料1を、実施例2は原料2を、実施例3は原料3を、比較例1は原料4を、比較例2は原料5を用いて焼結体を製造した。   A sintered body was manufactured using the raw material 1 in Example 1, the raw material 2 in Example 2, the raw material 3 in Example 3, the raw material 4 in Comparative Example 1, and the raw material 5 in Comparative Example 2.

比較例3は、炭化ケイ素被覆炭素粒子を用いずに、元の炭素粒子と、炭化ケイ素粉末(平均粒子径600nm)とを、炭化ケイ素含有量が55重量%となるように混合した混合粉末を用いて焼結体を作製した。   Comparative Example 3 is a mixed powder obtained by mixing original carbon particles and silicon carbide powder (average particle diameter 600 nm) without using silicon carbide-coated carbon particles so that the silicon carbide content is 55% by weight. Using this, a sintered body was produced.

得られた焼結体について、以下のようにして、かさ密度、曲げ強度、及びショア硬さを測定した。   About the obtained sintered compact, bulk density, bending strength, and Shore hardness were measured as follows.

なお、得られた焼結体は、図1に示すように、炭素粒子同士が炭化ケイ素層を介して接合した構造を有しており、炭化ケイ素層の厚さは、実施例1が1200nm、実施例2が3.0μm、実施例3が5.0μm、比較例1が300nm、比較例2が14μmであった。   In addition, as shown in FIG. 1, the obtained sintered body has a structure in which carbon particles are bonded via a silicon carbide layer. The thickness of the silicon carbide layer is 1200 nm in Example 1. Example 2 was 3.0 μm, Example 3 was 5.0 μm, Comparative Example 1 was 300 nm, and Comparative Example 2 was 14 μm.

なお比較例3においては、図1に示すような構造は、認められず、3次元の網目状の連続した炭化ケイ素層は観察されなかった。   In Comparative Example 3, the structure as shown in FIG. 1 was not recognized, and a three-dimensional network-like continuous silicon carbide layer was not observed.

〔かさ密度の測定〕
アルキメデス法により、かさ密度を測定した。具体的には、JIS A1509−3に基づき測定した。
[Measurement of bulk density]
The bulk density was measured by the Archimedes method. Specifically, it measured based on JIS A1509-3.

〔曲げ強度の測定〕
焼結体の3点曲げ強度を測定した。得られた焼結体を、厚み約2mm×幅約3mm×長さ約20mmに加工し、試料片とした。この試料片を、卓上小型汎用試験機(島津製作所製、「EZ−Test Type L」)を用い、荷重速度0.1mm/秒で、破断時の曲げ強度を測定した。
[Measurement of bending strength]
The three-point bending strength of the sintered body was measured. The obtained sintered body was processed to a thickness of about 2 mm × width of about 3 mm × length of about 20 mm to obtain a sample piece. Using this sample piece, the bending strength at break was measured at a load speed of 0.1 mm / sec using a desktop small general-purpose tester (manufactured by Shimadzu Corporation, “EZ-Test Type L”).

〔ショア硬さの測定〕
得られた焼結体について、硬さ試験機ショア式D型(仲井精機製作所製、型番20309)を用いて、ショア硬さを測定した。1つの試験片に対し5点測定し、測定値の最大値及び最小値を除いた3点の平均値を、ショア硬さとした。
[Measurement of Shore hardness]
About the obtained sintered compact, Shore hardness was measured using hardness tester Shore type D type (Nakai Seiki Seisakusho make, model number 20309). Five points were measured for one test piece, and the average value of three points excluding the maximum value and the minimum value of the measured values was defined as Shore hardness.

測定結果を表2に示す。   The measurement results are shown in Table 2.

Figure 2013014493
Figure 2013014493

原料1〜原料3を用いた実施例1〜3においては、曲げ強度が50MPa以上であり、ショア硬さがHSD50以下である炭素−炭化ケイ素複合材を得ることができた。   In Examples 1 to 3 using the raw materials 1 to 3, a carbon-silicon carbide composite material having a bending strength of 50 MPa or more and a Shore hardness of HSD 50 or less could be obtained.

比較例1においては、ショア硬さがHSD50以下であるが、曲げ強度が50MPa未満であった。また、比較例2においては、ショア硬さがHSD50より高い値であった。   In Comparative Example 1, the Shore hardness was HSD50 or less, but the bending strength was less than 50 MPa. In Comparative Example 2, the Shore hardness was higher than HSD50.

比較例3は、炭素粒子の焼結がうまくできず、非常に脆性の炭素−炭化ケイ素複合材であったため、試験片を作成することができず測定不能であった。   In Comparative Example 3, the carbon particles could not be sintered well and was a brittle carbon-silicon carbide composite material, so that a test piece could not be prepared and measurement was impossible.

また、参考例として、特許文献3の実施例に開示された条件で焼結体を作製した。具体的には、40MPaに加圧した状態で、2000℃の温度で、20分間加圧して焼結体を作製したところ、ショア硬さはHSD59であり、50より高い値であった。   Further, as a reference example, a sintered body was produced under the conditions disclosed in the example of Patent Document 3. Specifically, when a sintered body was produced by applying pressure to 40 MPa at a temperature of 2000 ° C. for 20 minutes, the Shore hardness was HSD59, which was higher than 50.

従って、本発明の炭素−炭化ケイ素複合材におけるショア硬さは、例えば、焼結時間を短くすることにより、ショア硬さをHSD50以下に制御できることがわかる。   Therefore, it can be seen that the Shore hardness in the carbon-silicon carbide composite material of the present invention can be controlled to HSD 50 or less by shortening the sintering time, for example.

〔加工性の評価〕
実施例1〜3及び比較例1〜2の炭素−炭化ケイ素複合材について、以下のようにして加工性を評価した。
[Evaluation of workability]
About the carbon-silicon carbide composite material of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2, workability was evaluated as follows.

得られた炭素−炭化ケイ素複合材に0.5mm幅のねじ山を有する穴を形成した。実施例1〜3では、切削工具を用いてねじ山が割れることなく形成でき、ねじ穴にねじを螺合させたところ、ねじ山が割れることなく繰り返しねじの螺合することができた。これに対して、比較例1では、ねじ山が割れてしまい、加工性が悪く実用性に欠けるものであり、さらに、形成したねじ穴にねじを螺合させたところ、ねじ山がさらに崩れ、強度が弱く、実用性に欠けるものであった。また、比較例2では、硬すぎるため、上記一般的な切削工具で加工することができなかった。   Holes having a thread width of 0.5 mm were formed in the obtained carbon-silicon carbide composite material. In Examples 1 to 3, it was possible to form the screw thread without cracking using a cutting tool, and when the screw was screwed into the screw hole, the screw could be repeatedly screwed without cracking the screw thread. On the other hand, in Comparative Example 1, the thread is cracked, the workability is poor and lacks practicality, and when the screw is screwed into the formed screw hole, the thread is further broken. The strength was weak and lacked practicality. Moreover, in comparative example 2, since it was too hard, it was not able to process with the said general cutting tool.

1…炭素−炭化ケイ素複合材
2…炭素粒子
3…炭化ケイ素層
10…炭素粒子
11…炭化ケイ素被覆層
12…炭化ケイ素被覆炭素粒子
21…黒鉛製坩堝
22…カーボンシート
23…SiO粉末
24…カーボンフェルト
25…炭素粒子
26…カーボンフェルト
27…カーボンシート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Carbon-silicon carbide composite material 2 ... Carbon particle 3 ... Silicon carbide layer 10 ... Carbon particle 11 ... Silicon carbide coating layer 12 ... Silicon carbide coated carbon particle 21 ... Graphite crucible 22 ... Carbon sheet 23 ... SiO powder 24 ... Carbon Felt 25 ... carbon particle 26 ... carbon felt 27 ... carbon sheet

Claims (7)

炭素粒子同士が炭化ケイ素層を介して接合した構造を有する炭素−炭化ケイ素複合材であって、
曲げ強度が50MPa以上、ショア硬さがHSD50以下であることを特徴とする、炭素−炭化ケイ素複合材。
A carbon-silicon carbide composite material having a structure in which carbon particles are bonded together via a silicon carbide layer,
A carbon-silicon carbide composite material having a bending strength of 50 MPa or more and a Shore hardness of HSD 50 or less.
前記炭化ケイ素層の割合が、20〜70重量%の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の炭素−炭化ケイ素複合材。   The carbon-silicon carbide composite material according to claim 1, wherein a ratio of the silicon carbide layer is in a range of 20 to 70% by weight. かさ密度が、1.90g/cm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の炭素−炭化ケイ素複合材。 The carbon-silicon carbide composite material according to claim 1, wherein the bulk density is 1.90 g / cm 3 or more. 前記炭化ケイ素層の厚さが、100nm〜20μmの範囲であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の炭素−炭化ケイ素複合材。   The carbon-silicon carbide composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein a thickness of the silicon carbide layer is in a range of 100 nm to 20 µm. 炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を焼結することにより得られることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の炭素−炭化ケイ素複合材。   The carbon-silicon carbide composite material according to any one of claims 1 to 4, wherein the carbon-silicon carbide composite material is obtained by sintering carbon particles having a silicon carbide coating layer. 前記炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子の平均粒子径が、50nm〜500μmの範囲であることを特徴とする請求項5に記載の炭素−炭化ケイ素複合材。   The carbon-silicon carbide composite material according to claim 5, wherein an average particle diameter of the carbon particles having the silicon carbide coating layer is in a range of 50 nm to 500 µm. 前記炭化ケイ素被覆層の厚さが、50nm〜10μmの範囲であることを特徴とする請求項5または6に記載の炭素−炭化ケイ素複合材。   The carbon-silicon carbide composite material according to claim 5 or 6, wherein a thickness of the silicon carbide coating layer is in a range of 50 nm to 10 µm.
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