JP2881189B2 - 窒化珪素−炭化珪素複合セラミックスの製造方法 - Google Patents
窒化珪素−炭化珪素複合セラミックスの製造方法Info
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温度で高強度を
有する窒化珪素−炭化珪素複合セラミックスに関する。
有する窒化珪素−炭化珪素複合セラミックスに関する。
【0002】
【従来の技術】窒化珪素は、強度、破壊靭性、耐食性、
耐摩耗性、耐熱衝撃性等においてバランスのとれた特性
を有し、自動車用部材やガスタービン用部材等の高温構
造用部材として研究開発が進められている。しかし、ガ
スタービン用部材等高い信頼性を要求される分野で窒化
珪素セラミックスを使用するためには、さらに高温での
強度の向上を図ることが必要である。
耐摩耗性、耐熱衝撃性等においてバランスのとれた特性
を有し、自動車用部材やガスタービン用部材等の高温構
造用部材として研究開発が進められている。しかし、ガ
スタービン用部材等高い信頼性を要求される分野で窒化
珪素セラミックスを使用するためには、さらに高温での
強度の向上を図ることが必要である。
【0003】このために、例えばマトリックスがSi3
N4粒子とSi-N-O成分からなる粒界相とで構成さ
れ、分散相がSiCで構成される複合セラミックス(特
開平6−279122号公報)が提案されている。
N4粒子とSi-N-O成分からなる粒界相とで構成さ
れ、分散相がSiCで構成される複合セラミックス(特
開平6−279122号公報)が提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記の複合セラミック
スでは、Si3N4マトリックス粒子の粒界相がSi-N-
O成分からなることから、希土類酸化物やAl2O3など
の焼結助剤に起因するガラス相を粒界に形成しているセ
ラミックスに比べて、高温下での粒界相の軟化による強
度低下を抑えることができるもものの、この粒界にはS
i-N-O成分よりなるガラス相が形成されており、高温
下でこのガラス相が軟化して強度低下をおこすという問
題点がある。
スでは、Si3N4マトリックス粒子の粒界相がSi-N-
O成分からなることから、希土類酸化物やAl2O3など
の焼結助剤に起因するガラス相を粒界に形成しているセ
ラミックスに比べて、高温下での粒界相の軟化による強
度低下を抑えることができるもものの、この粒界にはS
i-N-O成分よりなるガラス相が形成されており、高温
下でこのガラス相が軟化して強度低下をおこすという問
題点がある。
【0005】本発明では、かかる事情を鑑み、高温で優
れた強度を有する窒化珪素−炭化珪素系複合セラミック
スを提供することを目的とする。
れた強度を有する窒化珪素−炭化珪素系複合セラミック
スを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の、本発明の窒化珪素-炭化珪素系複合セラミックス
は、マトリックスが窒化珪素粒子からなり、マトリック
ス内に分散している分散相が炭化珪素粒子で構成され、
分散相がの粒内及び/又は粒界に分散しており、マトリ
ックス粒子同志の粒界ではそれら粒子同士が直接に接
し、またマトリックスと分散相間の粒界ではそれらが直
接に接して、各粒界に粒界相が形成されていないことを
特徴とする複合セラミックスである。ここで粒界相と
は、希土類酸化物やAl2O3などの焼結助剤に起因する
ガラス相や原料粉末の表面酸化物に起因するSi-N-O
成分よりなる結晶相やガラス相のことをさす。また本複
合セラミックスでは、分散相が窒化珪素粒子の粒内及び
/又は粒界に分散しており、窒化珪素粒子の粒内に分散
している分散相が500nmより小さく、窒化珪素粒子粒
子の粒界にある分散相が1μmより小さいこと、分散相
の量が5〜40vol%であることを特徴とする。
の、本発明の窒化珪素-炭化珪素系複合セラミックス
は、マトリックスが窒化珪素粒子からなり、マトリック
ス内に分散している分散相が炭化珪素粒子で構成され、
分散相がの粒内及び/又は粒界に分散しており、マトリ
ックス粒子同志の粒界ではそれら粒子同士が直接に接
し、またマトリックスと分散相間の粒界ではそれらが直
接に接して、各粒界に粒界相が形成されていないことを
特徴とする複合セラミックスである。ここで粒界相と
は、希土類酸化物やAl2O3などの焼結助剤に起因する
ガラス相や原料粉末の表面酸化物に起因するSi-N-O
成分よりなる結晶相やガラス相のことをさす。また本複
合セラミックスでは、分散相が窒化珪素粒子の粒内及び
/又は粒界に分散しており、窒化珪素粒子の粒内に分散
している分散相が500nmより小さく、窒化珪素粒子粒
子の粒界にある分散相が1μmより小さいこと、分散相
の量が5〜40vol%であることを特徴とする。
【0007】またこの複合セラミックスの製造方法は、
金属珪素と炭化珪素の混合粉末よりなる成形体を窒素を
含む雰囲気中で金属珪素の融点以下の温度に加熱するこ
とにより、金属珪素より窒化珪素マトリックスと該マト
リックス内に分散する炭化珪素粒子の分散相とからなる
焼結体を生成する工程と、この焼結体をHIP処理にて
緻密化する工程より構成する。
金属珪素と炭化珪素の混合粉末よりなる成形体を窒素を
含む雰囲気中で金属珪素の融点以下の温度に加熱するこ
とにより、金属珪素より窒化珪素マトリックスと該マト
リックス内に分散する炭化珪素粒子の分散相とからなる
焼結体を生成する工程と、この焼結体をHIP処理にて
緻密化する工程より構成する。
【0008】本発明の複合セラミックスでは粒界に粒界
相を形成していないため、高温下での粒界滑りに起因す
る強度の低下を抑えることができる。さらに窒化珪素マ
トリックス中に耐熱性を有する炭化珪素を分散させるこ
とにより両者の間に歪場を形成しさらに高強度化を図る
ことができる。
相を形成していないため、高温下での粒界滑りに起因す
る強度の低下を抑えることができる。さらに窒化珪素マ
トリックス中に耐熱性を有する炭化珪素を分散させるこ
とにより両者の間に歪場を形成しさらに高強度化を図る
ことができる。
【0009】本発明の複合セラミックスでは、金属珪素
と炭化珪素の混合粉末よりなる成形体を窒素を含む雰囲
気中で金属珪素の融点以下1400℃に加熱して、金属
珪素より窒化珪素マトリックスを生成する。上記の特開
平6−279122号公報に記載のように窒化珪素粉末
を原料に用いて複合セラミックスを作製した場合、窒化
珪素の表面酸化物を完全に取り除くことができず、得ら
れた複合セラミックスの粒界にはSi-N-O成分よりなるガ
ラス相が形成してしまう。これに対して、本発明のよう
に、金属珪素を窒化して窒化珪素を生成することによ
り、粒界に不純物を介さずに直接結合した高純度な粒界
を形成することができる(日本セラミックス協会学術論
文誌、98、429-438(1990))。またマトリックスを形成す
る窒化珪素粒子の粒径が微細なほど高強度なセラミック
スが得られるが、本発明の複合セラミックスでは、炭化
珪素を分散することにより、窒化珪素粒子の成長を抑制
し微細なマトリックスを得ることができる。このように
して生成した窒化珪素と炭化珪素からなる焼結体を20
00℃にてHIPで緻密化することにより粒界相を有し
ない緻密な窒化珪素−炭化珪素複合セラミックスを得る
ことができる。
と炭化珪素の混合粉末よりなる成形体を窒素を含む雰囲
気中で金属珪素の融点以下1400℃に加熱して、金属
珪素より窒化珪素マトリックスを生成する。上記の特開
平6−279122号公報に記載のように窒化珪素粉末
を原料に用いて複合セラミックスを作製した場合、窒化
珪素の表面酸化物を完全に取り除くことができず、得ら
れた複合セラミックスの粒界にはSi-N-O成分よりなるガ
ラス相が形成してしまう。これに対して、本発明のよう
に、金属珪素を窒化して窒化珪素を生成することによ
り、粒界に不純物を介さずに直接結合した高純度な粒界
を形成することができる(日本セラミックス協会学術論
文誌、98、429-438(1990))。またマトリックスを形成す
る窒化珪素粒子の粒径が微細なほど高強度なセラミック
スが得られるが、本発明の複合セラミックスでは、炭化
珪素を分散することにより、窒化珪素粒子の成長を抑制
し微細なマトリックスを得ることができる。このように
して生成した窒化珪素と炭化珪素からなる焼結体を20
00℃にてHIPで緻密化することにより粒界相を有し
ない緻密な窒化珪素−炭化珪素複合セラミックスを得る
ことができる。
【0010】本発明の複合セラミックスではマトリック
スを形成する窒化珪素粒子の粒内や粒界に炭化珪素を分
散することにより、両者の結晶構造の相違などにより応
力場を形成し、炭化珪素が分散していない場合に比べて
強度の向上を図ることができるが、窒化珪素粒子の粒内
に分散する炭化珪素の粒径は1〜500nmの範囲である
ことが好ましい。これは1nmより小さいとマトリックス
中に固溶してしまい分散粒子としての効果が発揮できな
いためであり、500nmより大きくなるとマトリックス
の粒子を粗大化させ、強度の低下を招くためである。ま
た粒子間に分散している炭化珪素の粒径は1μmより小
さいことが好ましい。これは1μmより大きくなるとそ
れ自体が破壊の起点となり強度の低下をもたらすためで
ある。
スを形成する窒化珪素粒子の粒内や粒界に炭化珪素を分
散することにより、両者の結晶構造の相違などにより応
力場を形成し、炭化珪素が分散していない場合に比べて
強度の向上を図ることができるが、窒化珪素粒子の粒内
に分散する炭化珪素の粒径は1〜500nmの範囲である
ことが好ましい。これは1nmより小さいとマトリックス
中に固溶してしまい分散粒子としての効果が発揮できな
いためであり、500nmより大きくなるとマトリックス
の粒子を粗大化させ、強度の低下を招くためである。ま
た粒子間に分散している炭化珪素の粒径は1μmより小
さいことが好ましい。これは1μmより大きくなるとそ
れ自体が破壊の起点となり強度の低下をもたらすためで
ある。
【0011】また、本複合セラミックス中の炭化珪素の
含有量は、5〜60%とすることが好ましく、5〜40
vol%とすることがさらに好ましい。これは、5vol%よ
り少ないと機械的特性向上に寄与せず、そして60vol
%より多くなると炭化珪素同志の接触部が生じ、これが
破壊の起点となり複合セラミックスの強度低下をもたら
すためである。
含有量は、5〜60%とすることが好ましく、5〜40
vol%とすることがさらに好ましい。これは、5vol%よ
り少ないと機械的特性向上に寄与せず、そして60vol
%より多くなると炭化珪素同志の接触部が生じ、これが
破壊の起点となり複合セラミックスの強度低下をもたら
すためである。
【0012】本発明において、金属珪素の窒化処理は珪
素の融点以下の温度で行うことが必要であり、望ましく
は1400℃以下にて行うことが好ましい。これは珪素
の融点以上まで加熱すると金属珪素が溶融し窒化珪素の
生成反応が完全に進行しないためである。またその後に
行う緻密化工程は1600〜2200℃の温度範囲まで
行うことが望ましい。これは1600℃より低い温度で
は窒化珪素の緻密化が十分に行われないためであり、2
200℃以上では窒化珪素の分解気化反応が起こり緻密
化が阻害されるためである。
素の融点以下の温度で行うことが必要であり、望ましく
は1400℃以下にて行うことが好ましい。これは珪素
の融点以上まで加熱すると金属珪素が溶融し窒化珪素の
生成反応が完全に進行しないためである。またその後に
行う緻密化工程は1600〜2200℃の温度範囲まで
行うことが望ましい。これは1600℃より低い温度で
は窒化珪素の緻密化が十分に行われないためであり、2
200℃以上では窒化珪素の分解気化反応が起こり緻密
化が阻害されるためである。
【0013】成形体の成形方法としては、射出成形、プ
レス成形、静水圧加圧成形、押出し成形、鋳込み成形、
金型粉末成形、スリップキャスティング成形などにより
形状と要求特性に応じて成形方法を選択することができ
るが、これらに限定されるものではない。
レス成形、静水圧加圧成形、押出し成形、鋳込み成形、
金型粉末成形、スリップキャスティング成形などにより
形状と要求特性に応じて成形方法を選択することができ
るが、これらに限定されるものではない。
【0014】本発明の複合セラミックスは発電用、航空
機用、自動車用ガスタービンの構成部品等への適用が可
能であり、特に高温環境下で優れた機械的特性を要求さ
れるタービンブレード、燃焼器等に好適である。
機用、自動車用ガスタービンの構成部品等への適用が可
能であり、特に高温環境下で優れた機械的特性を要求さ
れるタービンブレード、燃焼器等に好適である。
【0015】
〔実施の形態1〕平均粒径1.0μmの金属Si粉末と
平均粒径0.3μmの炭化珪素(SiC)粉末に成形用バ
インダを加えた混合粉末より直径60mm、厚さ10mmの
成形体を金型成形法により作製した。成形体を加熱して
バインダ分を除去した後に、N2ガス中で1400℃ま
で0.1℃/minで加熱して、金属Si粉末の窒化処理を
行い、窒化珪素(Si3N4)マトリックスと該マトリック
ス内に分散する炭化珪素(SiC)粒子からなる焼結体を
得た。これをさらに2000℃でHIP処理(熱間で等
方性加圧する処理)を行い焼結体のボイドを消失させる
緻密化処理を行い、窒化珪素-炭化珪素系複合セラミッ
クスを得た。
平均粒径0.3μmの炭化珪素(SiC)粉末に成形用バ
インダを加えた混合粉末より直径60mm、厚さ10mmの
成形体を金型成形法により作製した。成形体を加熱して
バインダ分を除去した後に、N2ガス中で1400℃ま
で0.1℃/minで加熱して、金属Si粉末の窒化処理を
行い、窒化珪素(Si3N4)マトリックスと該マトリック
ス内に分散する炭化珪素(SiC)粒子からなる焼結体を
得た。これをさらに2000℃でHIP処理(熱間で等
方性加圧する処理)を行い焼結体のボイドを消失させる
緻密化処理を行い、窒化珪素-炭化珪素系複合セラミッ
クスを得た。
【0016】この複合セラミックスを、透過型電子顕微
鏡を用いるエネルギー分散式X線分析(TEM−EDX)
により微構造観察を行ったところ、マトリックスを形成
するSi3N4粒子の粒界には前出の公報に示されたSi
−O−N成分等からなる粒界相は認められなかった。な
お1550℃でHIPを行った場合、処理温度が低すぎ
て十分に緻密化しなかった。また、2250℃でHIP
を行った場合、窒化珪素の一部が分解昇華して緻密なセ
ラミックスが得られなかった。また比較のために上記と
同じ金属Si粉末とSiC粉末に焼結助剤としてAl2
O3、Y2O3を各々5wt%添加した混合粉末成形体か
ら、同様にして複合セラミックスを作製した。この比較
材をTEM−EDXにより微構造観察を行ったところ、
Si3N4粒子の粒界にAl、Y、Oを含むガラス相が形
成されているのが観察された。得られた焼結体より4×
3×40(mm)の曲げ試験片を作製し、4点曲げ試験を行
った。その結果を表1に示す。これにより、本発明材は
炭化珪素量が5〜60%、特に5〜30%の場合に室温
(RT)で及び高温で、比較材に比べて優れた機械的特性を
有することがわかる。すなわち、炭化珪素量が5〜30
%の場合、室温では本発明材は1080〜1570MP
a、比較材は1050〜1460MPaの曲げ強度を示
し、1500℃では本発明材は1010〜1520MP
a、比較材は530〜620MPaの曲げ強度を示す。
特に、本発明材の高温強度が比較材のそれより極めて高
いことがわかる。
鏡を用いるエネルギー分散式X線分析(TEM−EDX)
により微構造観察を行ったところ、マトリックスを形成
するSi3N4粒子の粒界には前出の公報に示されたSi
−O−N成分等からなる粒界相は認められなかった。な
お1550℃でHIPを行った場合、処理温度が低すぎ
て十分に緻密化しなかった。また、2250℃でHIP
を行った場合、窒化珪素の一部が分解昇華して緻密なセ
ラミックスが得られなかった。また比較のために上記と
同じ金属Si粉末とSiC粉末に焼結助剤としてAl2
O3、Y2O3を各々5wt%添加した混合粉末成形体か
ら、同様にして複合セラミックスを作製した。この比較
材をTEM−EDXにより微構造観察を行ったところ、
Si3N4粒子の粒界にAl、Y、Oを含むガラス相が形
成されているのが観察された。得られた焼結体より4×
3×40(mm)の曲げ試験片を作製し、4点曲げ試験を行
った。その結果を表1に示す。これにより、本発明材は
炭化珪素量が5〜60%、特に5〜30%の場合に室温
(RT)で及び高温で、比較材に比べて優れた機械的特性を
有することがわかる。すなわち、炭化珪素量が5〜30
%の場合、室温では本発明材は1080〜1570MP
a、比較材は1050〜1460MPaの曲げ強度を示
し、1500℃では本発明材は1010〜1520MP
a、比較材は530〜620MPaの曲げ強度を示す。
特に、本発明材の高温強度が比較材のそれより極めて高
いことがわかる。
【0017】
【表1】
【0018】〔実施の形態2〕複合セラミックス中の炭
化珪素(SiC)量が20vol%となるように配合した混
合粉末を用いてSi3N4マトリックス内に分散するSi
Cの粒径を変化させた焼結体を実施の形態1と同様にし
て作製し、曲げ強度を測定した。なおSiC分散粒子の
粒径は走査型電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TE
M)にて確認した。その結果を表2に示す。すなわち、S
iCの粒径がSi3N4粒子の粒界で0.3μm、Si3N
4粒子内で50nmの場合には、その複合セラミックス
は1500℃で曲げ強度が1500MPaであり、また
SiC粒径がSi3N4粒子の粒界で1.2μm、Si3N
4粒子の粒内で50nmの場合には、その複合セラミッ
クスは1500℃で1280MPaと高い値を示してい
る。一方、SiC粒径が、Si3N4粒子の粒界で5.6
μmと大きくなると、その複合セラミックスの強度は1
500℃で830MPaと低く、またSiC粒径がSi
3N4粒子の粒内で600nmと大きくなると、1500
℃で870MPaと低いことがわかる。結局、Si3N4
マトリックス粒子の粒内に分散しているSiC粒径が5
00nmより大きくなる、またSi3N4粒子の粒界に分散
しているSiCの粒径が1μmより大きくなると機械的
特性が著しく低下し複合化の効果がない。
化珪素(SiC)量が20vol%となるように配合した混
合粉末を用いてSi3N4マトリックス内に分散するSi
Cの粒径を変化させた焼結体を実施の形態1と同様にし
て作製し、曲げ強度を測定した。なおSiC分散粒子の
粒径は走査型電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TE
M)にて確認した。その結果を表2に示す。すなわち、S
iCの粒径がSi3N4粒子の粒界で0.3μm、Si3N
4粒子内で50nmの場合には、その複合セラミックス
は1500℃で曲げ強度が1500MPaであり、また
SiC粒径がSi3N4粒子の粒界で1.2μm、Si3N
4粒子の粒内で50nmの場合には、その複合セラミッ
クスは1500℃で1280MPaと高い値を示してい
る。一方、SiC粒径が、Si3N4粒子の粒界で5.6
μmと大きくなると、その複合セラミックスの強度は1
500℃で830MPaと低く、またSiC粒径がSi
3N4粒子の粒内で600nmと大きくなると、1500
℃で870MPaと低いことがわかる。結局、Si3N4
マトリックス粒子の粒内に分散しているSiC粒径が5
00nmより大きくなる、またSi3N4粒子の粒界に分散
しているSiCの粒径が1μmより大きくなると機械的
特性が著しく低下し複合化の効果がない。
【0019】
【表2】
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、窒化珪素−炭化珪素複
合セラミックスを、窒化珪素粒子からなるマトリックス
とこのマトリックス内に分散する炭化珪素粒子からなる
分散相とから構成し、窒化珪素粒内にある分散相の粒径
が1〜500nmであり、窒化珪素粒子の粒界にある分散
相の粒径が1μmより小さく、そして隣合う窒化珪素粒子
同士の界面では窒素珪素粒子同士が直接に接し、かつ分
散相とマトリックスが直接に接しているセラミックスと
したので、1500℃の高温でも高い強度を有する窒化
珪素-炭化珪素系複合セラミックスを得ることができ
る。
合セラミックスを、窒化珪素粒子からなるマトリックス
とこのマトリックス内に分散する炭化珪素粒子からなる
分散相とから構成し、窒化珪素粒内にある分散相の粒径
が1〜500nmであり、窒化珪素粒子の粒界にある分散
相の粒径が1μmより小さく、そして隣合う窒化珪素粒子
同士の界面では窒素珪素粒子同士が直接に接し、かつ分
散相とマトリックスが直接に接しているセラミックスと
したので、1500℃の高温でも高い強度を有する窒化
珪素-炭化珪素系複合セラミックスを得ることができ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 千葉 秋雄 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 金井 恒行 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 平7−33532(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/584 C04B 35/593 C04B 35/80
Claims (1)
- 【請求項1】 金属珪素と炭化珪素の混合粉末よりなる
成形体を窒素を含む雰囲気中で金属珪素の融点以下の温
度に加熱して、窒化珪素からなるマトリックス内に炭化
珪素からなる分散相を分散させてなる焼結体を生成する
工程と、該焼結体をHIP処理にて緻密化する工程とを
有する窒化珪素−炭化珪素複合セラミックスの製造方法
において、成形体は、平均粒径1.0μmの金属珪素と
平均粒径0.3μmの炭化珪素の混合粉末よりなる成形
体であり、かつ、該成形体の5〜60vol%が炭化珪素
で、残部が金属珪素であることを特徴とする窒化珪素−
炭化珪素複合セラミックスの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8236101A JP2881189B2 (ja) | 1996-09-06 | 1996-09-06 | 窒化珪素−炭化珪素複合セラミックスの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8236101A JP2881189B2 (ja) | 1996-09-06 | 1996-09-06 | 窒化珪素−炭化珪素複合セラミックスの製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1081567A JPH1081567A (ja) | 1998-03-31 |
| JP2881189B2 true JP2881189B2 (ja) | 1999-04-12 |
Family
ID=16995752
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8236101A Expired - Fee Related JP2881189B2 (ja) | 1996-09-06 | 1996-09-06 | 窒化珪素−炭化珪素複合セラミックスの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2881189B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2254525B (en) * | 1991-04-03 | 1995-06-28 | Robert Gordon Thomson | Information storage and retrieval using facsimile transmission |
| CN116924822B (zh) * | 2023-07-26 | 2025-05-30 | 广东工业大学 | 一种碳化硅陶瓷连接件及其制备方法和应用 |
-
1996
- 1996-09-06 JP JP8236101A patent/JP2881189B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1081567A (ja) | 1998-03-31 |
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