JP2620294B2 - 炭化珪素−黒鉛複合材料及びその製造法 - Google Patents

炭化珪素−黒鉛複合材料及びその製造法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は炭化珪素−黒鉛複合材料並びにその製造法に
関し、電子部品用熱処理用治具、ガラス封着用治具、機
械摺動材料等に極めて好適な炭化珪素−黒鉛複合材料を
提供することをその目的とする。
〔従来の技術〕
従来、炭化珪素−黒鉛複合材料の製造方法としてはす
でに多くの技術が提案されている。例えば特開昭59−30
84号においては、結晶面間隔Co(002)が6.74Å以上の
炭素剤を利用してSiOガスを用い通常のコンバージョン
法で炭化珪素−黒鉛複合材料を製造する方法が記載され
ている。また、特公昭61−11911号においては、特定の
径をもつ微細気孔の占める容積が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が、また、特開昭
62−132787号においては、開気孔率が5〜55重量%、平
均気孔径が1〜100μmの多孔質炭化珪素焼結体を作成
し、その開気孔中に炭素を充填して炭化珪素−黒鉛複合
材料を製造する方法が記載されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし乍ら、前記各従来技術の場合、解決を必要とす
る次のような問題点を抱えていた。まず、特開昭59−30
84号では、コンバージョン法であるため、種々の形状の
複合材料を作成できるという利点を持っているが、反面
黒鉛機材のもつ空孔が炭化珪素層に残留し、酸化雰囲気
では使用できず、またこれを気密化しようとしても装置
の大型化、コスト面、寸法精度面の制限があり、実質的
に気密化するのは極めて困難である。特公昭61−11911
号においても多孔質炭素材料を用いているため上記と同
様の難点が生じる。また、特開昭62−132787号において
は、炭化珪素焼結体を作る際に焼結助剤を必要とするた
め不純物が混入する難点があり、特に不純物をきらう半
導体分野等には使用できず、加えて炭化珪素製造の工
程、炭素を含浸する工程と操作が繁雑となり、工業的に
決して望ましい方法とは言い難い。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは、上記従来技術が抱える問題点を種々研
究したところ、多孔質黒鉛基材と溶融珪素とを反応せし
めると、黒鉛基材細孔部より溶融珪素が浸透し、バイン
ダー部と骨材黒鉛の一部が珪化されることが判明した。
さらに黒鉛基材の嵩密度、気孔率、全細孔容積及び平
均ポアー半径が珪化に関係があり、これらをある特定範
囲とすることにより、炭素材への珪素成分の割り込みに
よる体積膨張を吸収し得る空間を過不足なく提供するこ
とができる。
即ち、嵩密度が高く、気孔率及び全細孔容積が余りに
小さく、且つポアー半径が小さいと、珪化反応に伴う体
積膨張が吸収し切れず複合材にクラックが発生する。
炭素材内部にある細孔内の炭素を珪化せしめた場合、
反応による体積膨張を過不足なく吸収し、細孔内を完全
に埋め、緻密で、残存気孔率が実質的に0で、かつ過量
の珪化反応によるひび割れの皆無な(流体)不透過性材
料を得るためには、嵩密度、気孔率、ポアー半径及び全
細孔容積の間には相関があることを見出し、本発明を完
成するに至ったものである。
またこの黒鉛基材として、その曲げ強度及びショアー
硬度も或る特定のものを使用することにより、黒鉛基材
の強度が高くなる結果として、前記した嵩密度、気孔
率、全細孔容積と相乗的に、該基材の崩壊を防ぐために
効果があった。
また、原料黒鉛基材のショアー硬度及び曲げ強度が大
きくすると、得られた複合材料も高強度のものが得られ
る。
さらにはまたこの際高純度の黒鉛基材及び珪素を使用
することにより、半導体分野にも充分使用できる複合材
料が得られることも判明した。即ち緻密でかつ耐酸化性
に優れた高純度炭化珪素−黒鉛複合材料が得られ、従来
の問題を解決できることが判明した。即ち本発明はほぼ
全体が炭化珪素と黒鉛とから成る複合材料であって、Hg
ポロシメーターで測定した気孔率が0以下であって緻密
な組織を有する炭化珪素−黒鉛複合材料、及び多孔質黒
鉛基材に溶融珪素を浸透し、反応せしめることを特徴と
する、炭化珪素−黒鉛複合材料の製造法に係るものであ
る。
〔発明の作用並びに構成〕
本発明に於いては、多孔質黒鉛基材に金属珪素を溶融
上体で含浸、反応せしめることにより、黒鉛基材内部ま
で溶融珪素が浸透し反応するので、表面から内部までほ
ぼ均一な組織を有する黒鉛と炭化珪素との複合材料が得
られる。特に嵩密度、気孔率、全細孔容積及び平均ポア
ー半径が特定範囲の多孔質黒鉛基材を用いると溶融珪素
が極めて円滑に浸入し基材内部まで充分に反応が進行
し、しかもこの際クラック発生の危険もなく黒鉛と炭化
珪素とから成る均一な複合材料が得られる。また特定範
囲の曲げ強度及びショアー硬度の基材を使用するので崩
壊を防止しうる。さらに黒鉛基材の空隙に溶融珪素が充
分に浸入して反応するため、得られる複合材料は極めて
緻密な殆ど気孔のない材料となる。
以下に本発明をその製法に従って説明する。
本発明に於いては多孔質黒鉛基材に溶融珪素を浸透せ
しめて、反応を行うことをその基本としている。この際
使用する黒鉛基材としては、多孔質のものが使用される
が、特に嵩密度が1.6g/cm3以下、気孔率が20%以上、全
細孔容積が0.12cm3/g以上、平均ポアー半径が2.0μm以
上、曲げ強度7MPa以上及びショアー硬度30以上の多孔質
黒鉛基材のものを使用する。
このような特定範囲の物質を有する黒鉛基材を使用する
と何等のクラックも生ずることなく、内部まで充分に反
応が進行し、CとSiCとから成り、遊離Siの実質的に存
在しない緻密な複合材料が得られる。このような特定範
囲外の黒鉛基材では時としてクラックが発生したり、或
いは内部まで充分に反応が進行せず、不均質な複合材料
となることがある。但し、上記特性は夫々次のことを示
す。
嵩密度:黒鉛基材の全体積当たりの質量(g/cm3) 気孔率:黒鉛基材の体積中の全気孔の割合 全細孔容積:Hgポロシメーター(Hg圧入法)により求め
た開気孔の全容積(cm3/g) 平均ポアー半径:Hgポロシメーターから求めた細孔容積
の平均ポアー半径(μm) 但しHgポロシメーターによる細孔径測定等はカルボ・
エルバ社製「2000」を用い、圧力は1〜2000Barにて行
った。
更に本発明に於いては黒鉛基材としての高純度のもの
を使用することにより、さらに高純度のものが収得出来
る。高純度黒鉛基材としてはその純度としては不純物
(灰分)が10ppm以下、特に好ましくは2ppm以下程度の
ものが好ましい。高純度化の方法としては特に制限され
ず、各種の方法が任意に適用される。好ましい方法とし
ては特願昭61−224131号に記載の方法を例示することが
出来る。
珪素としては金属珪素ばかりでなく、たとえばSiCl4
やSiHCl3の如きハロゲン化珪素やSiH4の如き水素化珪素
を用いて、水素ガスキャリヤー中で加熱して珪素を黒鉛
基材上に形成せしめる手段も採用出来る。しかし乍ら、
ハロゲン化珪素や水素化珪素は、黒鉛基材上に化学蒸着
法(以下CVDという)により適用するためコスト高とな
るので、金属珪素の方がこの面からは望ましい。金属珪
素は塊状、粉末状等特にその形状は制限されない。
金属珪素と黒鉛基材とを反応せしめるに際しては、通
常黒鉛基材と金属珪素とを前者100重量部に対して後者1
00〜500好ましくは200〜300重量部の割合で黒鉛るつぼ
中に収納し、真空乃至減圧下に加熱する。
この際の減圧乃至真空度は通常0.01〜13KPa、温度は1
750〜2500K程度が好ましい。減圧度が0.01KPaよりも、
低くなりすぎたり或いは温度が2500Kよりも高くなりす
ぎると、珪素の蒸発量が大きくなりすぎて好ましくな
い。また減圧度が13KPaより高くなりすぎると、珪素が
黒鉛基材中に充分に浸透せず、また1750Kより温度が低
くなりすぎると、黒鉛と珪素との反応速度が遅くなり、
目的物複合材料内に未反応珪素が残存する場合がある。
かくして得られる本発明の炭化珪素−黒鉛複合材料
は、その内部までほぼ均一な状態で黒鉛と炭化珪素とか
らなっている。そして極めて緻密な組織構造を有し、気
孔は殆ど存在しない。
本発明複合材料はこのような特性を有するために、例
えば電子部材用熱処理治具、ガラス封着治具、機械摺動
部材に極めて好適である。
〔実施例〕
以下に実施例を示して本発明を更に具体的に説明す
る。
実施例1〜3 第1表に示す所定の物性を有する3種類の高純度黒鉛
(不純物1ppm)を夫々金属珪素塊15gとともに黒鉛るつ
ぼに入れた。このるつぼを真空加熱炉に装填し、温度20
00K、圧力0.1KPaで5時間反応を行った。冷却後、炭化
珪素−黒鉛複合材料をとり出し、種々の物理特性を測定
した。その結果を第1表に示す。
また実施例1の複合材料のX線回析結果を第1図に示
す。
比較例1〜3 上記実施例1に於いて使用する黒鉛基材として第1表
に示すものを使用し、その他はすべて同様に処理した。
この結果を第1表に示す。
上記第1表から明らかな通り嵩密度が1.60g/cm3
上、全細孔容積が0.2cm3/g以下、且つ平均ポアー半径が
2.0μm以下の比較例1や上記いずれの特性にも合致し
ない比較例2ではクラックが生じ、不均一な珪化状態と
なっている。比較例3では崩壊し原形をとどめていなか
った。
黒鉛るつぼ下部にSiO2粉末(粒度200メッシュパス)
を500g入れ、その上部に実施例1〜3及び比較例1〜3
で使用した6種の黒鉛基材を夫々入れた。このるつぼを
反応炉に装填し、2200Kで5時間反応を行った。冷却
後、炭化珪素−黒鉛複合体をとり出し、種々の物理特性
を測定した。その結果を第2表に示す。
上記実施例、比較例について夫々物性を比較すると、
各実施例(本発明法)のものでは気孔がなくなり曲げ強
度も強くなっている。
また、耐酸化性を調べるために、900℃の電気炉に35
時間空気雰囲気で加熱した結果を第3表に示す。
各実施例の〔本発明法で製造された〕炭化珪素−黒鉛
複合材料は、耐酸化性に優れていることが明らかであ
る。これは実施例のものはいずれも炭化珪素の周りに島
状の黒鉛が点在しているため、表面の黒鉛部分は若干酸
化されるが、炭化珪素中の黒鉛は酸化されないことに基
づくものと推考される。
〔発明の効果〕
以上詳述した通り、本発明の炭化珪素−黒鉛複合材料
は、緻密でかつ耐酸化性に優れ、さらに高強度で加工性
に優れている。従って電子部材用熱処理治具、ガラス封
着用治具及び機械摺動材料の各種の高特性を要求される
高温材料として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例1の炭化珪素−黒鉛複合材料のX線回析
結果を示す図面である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−251175(JP,A) 特開 昭63−242969(JP,A) 米国特許4265843(US,A) 西独国特許出願公開2239971(DE, A1)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】バインダー部と骨材黒鉛とからなり、蒿密
    度が1.60g/cm3以下、気孔率が20%以上、全細孔容積が
    0.12cm3/g以上、平均ポアー半径が2.0μm以上、曲げ強
    度7MPa以上及びショアー硬度30以上である黒鉛基材のう
    ち、前記バインダー部と前記骨材黒鉛の一部を珪化して
    膨張させることで形成される炭化珪素と、残りの骨材黒
    鉛とから成る複合材料であって、 前記炭化珪素と前記残りの骨材黒鉛との割合が、前者15
    〜65重量%、後者35〜85%であり、且つHgポロシメータ
    ーで測定した気孔率が0以下であって緻密な組織を有す
    る炭化珪素−黒鉛複合材料。
  2. 【請求項2】蒿密度が1.60g/cm3以下、気孔率が20%以
    上、全細孔容積が0.12cm3/g以上、平均ポアー半径が2.0
    μm以上、曲げ強度7MPa以上及びショアー硬度30以上で
    ある多孔質黒鉛基材に、溶融珪素を浸透し、反応せしめ
    て、ほぼ全体が炭化珪素と黒鉛とから成る複合材料であ
    って、炭化珪素と黒鉛との割合が、前者15〜65重量%、
    後者35〜85重量%であり、且つHgポロシメーターで測定
    した気孔率0以下であって緻密な組織を有する炭化珪素
    −黒鉛複合材料を得ることを特徴とする炭化−黒鉛複合
    材料の製造法。
  3. 【請求項3】上記黒鉛基材と珪素とを0.1〜13kPa、1750
    〜2500Kの条件下に、真空加熱炉で処理することを特徴
    とする請求項2に記載の炭化珪素−黒鉛複合材料の製造
    法。
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