JP2014058413A - セラミックスプリフォームおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バインダとしての樹脂の縮重合反応により発生する水蒸気由来の割れおよび変形の確実な発生防止が図られうるセラミックスプリフォーム及びその製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス粉末粒子またはセラミックス粉末粒子および炭素粉末粒子と、バインダとしての熱硬化性樹脂との混合物である原料が成形型に入れられて所定圧力で加圧されながら、熱硬化性樹脂の融点以上かつ硬化開始点未満の温度で保持される（１次熱処理工程）。脱型後、熱硬化性樹脂の硬化開始点以上の温度範囲における昇温速度を４［℃／ｈｒ］以下に制御しながら成形体が加熱される（２次熱処理工程）。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体製造装置および液晶製造装置など精密機械等に用いられる金属−セラミックス複合材料を構成するセラミックスプリフォームおよびその製造方法に関する。

セラミックス粉末またはセラミックス繊維と金属との複合材料の製造方法として、鋳造法、加圧鋳造法、加圧浸透法、非加圧浸透法および粉末冶金法等の方法が知られている。このうち、非加圧浸透法によれば、ＳｉＣ粉末および熱硬化性樹脂バインダ（フェノール樹脂またはエポキシ樹脂等）の混合物としての原料がプレス等により成形されることで得られたセラミックスプリフォームが所定形状に加工された後、さらに脱バインダ処理および脱酸素処理が施され、これに金属Ｓｉを含浸させるという手順でＳｉＣ／Ｓｉ系材料が製造される。

セラミックスプリフォームの成形に際して、保形性を得るため熱硬化性樹脂系のバインダを硬化させるように、原料の温度を当該バインダの硬化開始点以上に制御しながら加圧する熱プレス法が用いられる。例えば、熱硬化性樹脂バインダの融点以上かつ硬化開始点未満の温度に原料が保持された後、バインダを硬化させる手法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１２−１４０２５３号公報

しかし、成形時の原料の温度がバインダとしての樹脂の硬化開始点以上に制御されることにより、当該樹脂の縮重合反応が起きて縮重合水が発生する。縮重合水は樹脂の硬化開始点において蒸気となるが、セラミックスプリフォームが有する開気孔、細孔径および形状によってはこの水蒸気がプリフォームから抜け切れず、プリフォームが膨張して割れまたは変形が生じる可能性がある。特に金型内では水蒸気の抜け道が当該金型のクリアランスにしかないため、このような問題が生じやすい。

そこで、本発明は、バインダとしての樹脂の縮重合反応により発生する水蒸気由来の割れおよび変形の確実な発生防止が図られうるセラミックスプリフォーム及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のセラミックスプリフォームの製造方法は、セラミックス粉末粒子またはセラミックス粉末粒子および炭素粉末粒子と、バインダとしての熱硬化性樹脂との混合物である原料を調整する工程と、前記原料を成形型に入れて所定圧力で加圧しながら、前記熱硬化性樹脂の融点以上かつ硬化開始点未満の温度で保持することにより成形体を作成する１次熱処理工程と、前記成形体を融点より低温に冷却した上で脱型する工程と、前記熱硬化性樹脂の硬化開始点以上の温度範囲における昇温速度を４［℃／ｈｒ］以下に制御しながら前記成形体を加熱する２次熱処理工程と、を含んでいることを特徴とする。本発明のセラミックスプリフォームは、前記方法にしたがって製造されたことを特徴とする。

本発明によれば、原料成形に際してバインダとしての樹脂を熱硬化させないので、当該熱硬化に伴う縮重合水が発生せず、この縮重合水の水蒸気に起因する成形体としてのプリフォームの変形（膨れ）および割れの発生が確実に防止される。さらに、熱硬化性樹脂系のバインダは溶融状態において、原料粉末粒子同士の潤滑剤の役割を果たすので、当該粉末粒子の充填効率の向上が図られる。この段階では樹脂を熱硬化させないものの、樹脂の軟化後に融点以下の温度まで冷却すれば成形体の十分な保形性が実現されうる。

さらに、昇温速度の制御により熱硬化性樹脂の縮重合反応に由来する水蒸気を緩やかに発生させることで、急激な水蒸気の発生に由来するプリフォームの変形および割れが確実に防止される。ここで熱硬化を完了させることにより、続く脱脂工程における熱処理に際して、割れの原因となる水蒸気が急激に発生することが確実に防止される。

（製造方法）
本発明のセラミックスプリフォームは、次のような手順で製造される。

（原料調整工程）
セラミックス粉末粒子に対して、熱硬化性樹脂系のバインダ、または当該バインダおよび炭素粉末が添加され、ボールミル混合により造粒粉が原料として調製される。

（１次熱処理工程）
原料が成形型または金型に充填された上で所定圧力において加圧される。この状態で、原料がバインダとしての熱硬化性樹脂の融点以上かつ硬化開始点未満の温度で保持される。

（脱型工程）
成形体がバインダとしての樹脂の融点以下の温度になるまで冷却された上で、成形型から取り外される。

（２次熱処理工程）
成形体が、樹脂の融点以上かつ熱硬化開始点より低温において保持された上で、樹脂の熱硬化開始点以上の温度範囲において、成形体又はその雰囲気の昇温速度が４［℃／ｈｒ］以下に制御される。これにより、成形体中の樹脂が熱硬化され、当該成形体の保形性が実現される。

（実施例）
（実施例１）
原料として、粒度配合された炭化ケイ素粉末（Ｆ９０／＃８００＝６０／４０）に対して、カーボンビーズ１５［ｗｔ％］およびバインダとしてのフェノール樹脂１２［ｗｔ％］（融点：８０［℃］、熱硬化開始点：１１０［℃］)が添加され、ボールミル混合により造粒粉が調製された。炭化ケイ素粉末 （Ｆ９０)としては太平洋ランダム社の ＮＧ９０が用いられ、炭化ケイ素粉末（＃８００）としては信濃電気製錬株式会社製のＧＰ＃８００が用いられ、フェノール樹脂としてはＤＩＣ株式会社製 ＯＩ−３０５Ａが用いられ、カーボンビーズとしてはオリエンタル産業株式会社製 ＡＴ−Ｎｏ．４０Ｃが用いられた。

原料が成形型または金型に充填された上で、プレス機により３０［ｋｇ／ｃｍ²］で加圧された状態で、原料全体の温度が、バインダとしての熱硬化性樹脂の融点以上かつ硬化開始点未満の温度である１００［℃］に制御され、１［ｈｒ］にわたり保持された。その後、成形体がバインダとしての樹脂の融点以下の温度になるように冷却された上で、成形型から取り外され、□６００×ｔ６０［ｍｍ］の成形体が得られた。

成形体が乾燥機に収容された上で１００［℃］において１［ｈｒ］にわたり保持される。続いて、成形体又はその雰囲気の昇温速度が２［℃／ｈｒ］に制御されながら、２０［ｈｒ］にわたり熱処理されることによりセラミックスプリフォームに含まれる樹脂が熱硬化された。その結果、実施例１のセラミックスプリフォームが製造された。

（実施例２〜６）
２次熱処理工程における成形体又はその雰囲気の昇温速度が１．０［℃／ｈｒ］、３．０［℃／ｈｒ］、３．５［℃／ｈｒ］、３．９［℃／ｈｒ］および４．０［℃／ｈｒ］のそれぞれに制御された以外は実施例１と同様の条件下で実施例２〜６のそれぞれのセラミックスプリフォームが製造された。

（実施例７）
セラミックス原料として炭化ケイ素ではなくアルミナ（＃９０／＃８００＝６０／４０、昭和電工製 モランダム（モランダムは登録商標））が採用された以外は実施例１と同様の条件下で実施例７のセラミックスプリフォームが製造された。

(実施例８）
バインダとしてフェノール樹脂ではなくエポキシ樹脂（融点：６５［℃］、熱硬化開始点：１００［℃］、ＤＩＣ製ＥＰＩＣＲＯＮ Ｎ−７７０）が採用され、１次熱処理工程における保持温度が８０［℃］に制御された以外は実施例１と同様の条件下で実施例８のセラミックスプリフォームが製造された。

(実施例９）
成形体又はその雰囲気の昇温速度が４［℃／ｈｒ］に制御されながら、１０［ｈｒ］にわたり熱処理したこと以外は実施例１と同様の条件下で実施例９のセラミックスプリフォームが製造された。

各実施例のセラミックスプリフォームには変形（膨れ）および割れが存在しないことが確認された。

（比較例）
（比較例１）
成形工程において原料温度が１５０［℃］に制御された以外は実施例１と同様の条件下で比較例１のセラミックスプリフォームの製造が試みられた。しかし、比較例１の成形体には、膨れおよび割れが生じていることが確認された。これは、成形体において樹脂の熱硬化に伴い水蒸気が発生し、これが成形型から抜け出せずに成形体を膨張させたためであると推察される。

（比較例２〜６）
熱硬化処理工程において成形体の昇温速度が４．１［℃／ｈｒ］、４．５［℃／ｈｒ］、６．０［℃／ｈｒ］、８．０［℃／ｈｒ］および１０［℃／ｈｒ］のそれぞれにおいて４［ｈｒ］にわたり熱処理された以外は実施例１と同様の条件下で比較例２〜６のそれぞれのセラミックスプリフォームが製造された。比較例２〜６の成形体には、膨れおよび割れが生じていることが確認された。これは、昇温速度が過度に高いために樹脂の熱硬化に伴う水蒸気の発生量が過多となったため、当該水蒸気が成形体を膨張させたためであると推察される。

表１には、２次熱処理工程における昇温速度と、セラミックスプリフォームにおける割れまたは変形の有無（○：無、●：有）とがまとめて示されている。

Claims (2)

1. セラミックス粉末粒子またはセラミックス粉末粒子および炭素粉末粒子と、バインダとしての熱硬化性樹脂との混合物である原料を調整する工程と、
   前記原料を成形型に入れて所定圧力で加圧しながら、前記熱硬化性樹脂の融点以上かつ硬化開始点未満の温度で保持することにより成形体を作成する１次熱処理工程と、
   前記成形体を融点より低温に冷却した上で脱型する工程と、
   前記熱硬化性樹脂の硬化開始点以上の温度範囲における昇温速度を４［℃／ｈｒ］以下に制御しながら前記成形体を加熱する２次熱処理工程と、を含んでいることを特徴とするセラミックスプリフォームの製造方法。
2. 請求項１記載の方法にしたがって製造されたことを特徴とするセラミックスプリフォーム。