JP2931824B2 - シリコンカーバイドセラミクスの製造方法 - Google Patents

シリコンカーバイドセラミクスの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の産業上利用分野) 本発明は、シリコンカーバイドセラミックスの製造方
法、さらに詳細には軽量かつ任意形状に焼成可能な、耐
熱材料の製造方法に関するものである。
(従来の技術および問題点) シリコンカーバイドセラミクスは軽量な高温耐熱性材
料として注目され、耐熱性繊維や宇宙材料への応用が考
えられている。
シリコンカーバイドセラミクスのこれまでの一般的製
造方法は、珪石と炭素材料とを電気抵抗炉によって焼く
方法であり、この方法によりインゴット状のシリコンカ
ーバイドセラミクスが得られる。
しかしながら、この方法では、繊維状のものを得るこ
とは困難であるなど、容易に任意の形状に成形加工する
のが困難であった。
このような欠点を補うため、成形加工性に優れた高分
子化合物を原料として用いる方法や考案されている(S.
ヤジマ(S.Yajima)他、ケミストリーレター(Chem.Let
t.)、第931頁、(1975))。この方法は、可融性もし
くは有機溶剤に対する可溶性を持つ高分子化合物を、任
意の形状に成形加工した後、高温で焼成してシリコンカ
ーバイドセラミクスを得る方法で、繊維状などのこれま
で作成困難であった形状のものが容易に得られるという
特徴を持つ。原料に用いる高分子化合物は、主鎖が珪素
と炭素から成るポリカルボシランであって、主鎖が珪素
のみで構成され側鎖が全てメチル基で構成される高分子
化合物であるところのパーメチルポリシラン、もしくは
置換基が全てメチル基で構成される珪素六員環化合物
を、400−450℃で熱分解することによって得られる。得
られたポリカルボシランを融解もしくは有機溶剤に溶解
し、任意形状に成形加工した後、一部を酸素で架橋して
不溶化し、窒素中1300℃程度の高温で焼成するとシリコ
ンカーバイドセラミクスが得られる。
この方法は、焼成に伴う重量減少が20%程度と小さい
ことを特徴とし、得られたシリコンカーバイドセラミク
スの耐熱性は1200℃程度であるが、ジメチルジクロロ
シラン(Me2SiCl2)からの、パーメチルポリシランもし
くは上記珪素六員環化合物の合成、ポリカルボシラン
への転化、焼成、の3工程を経なければならず製造工
程が複雑である。
この製造工程を簡略化するため、最近、パーメチルポ
リシランに代わる、可融、可溶性の珪素高分子化合物を
用いる方法が開発された(R.ウェスト(R.West)他、セ
ラミック、ブリテン(Ceram.Bull.)、第899頁、(1983
年))。
この新しい製造方法は、R1R2SiCl2(R1、R2はどち
らも炭化水素基を示す)からの珪素高分子化合物の合
成、焼成、の2工程からなり、工程数が少ないという
特徴を有する。しかし、光による架橋処理が必要なこ
と、焼成時の重量減少が70%程度と大きいことが欠点で
ある。
焼成時の大きな重量減少は、1,4−ジクロロデカメチ
ルシクロヘキサシランを原料として合成された珪素高分
子化合物を用いることによって、40%程度まで改善可能
であるが(K.クマール(K.Kumar)他、ジャーナル オ
ブ ポリマー サイエンス パートC ポリマー レタ
ー(J.Polym.Sci.PartC:Polym.Lett.)、第26巻、第25
頁、(1988))、この珪素高分子化合物の製造には3工
程を必要とするため、R1R2SiCl2を原料に用いる上記方
法に比べて著しく複雑であり、原料物質に対する珪素高
分子化合物の収率も18%以下と低いため実用的でなかっ
た。
本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであり、珪
素高分子化合物を中間体として用いる工程数の少ないシ
リコンカーバイドセラミクスの製造方法において、従来
70%程度と大きかった焼成時の重量減少を少なくすると
ともに、耐熱性に優れたシリコンカーバイドセラミクス
を提供する。
(問題点を解決するための手段) 上記問題点を解決するため、本発明によるシリコンカ
ーバイドセラミックスの製造方法は、下記(a)式で表
される化合物を原料として用い、これをアルカリ金属に
より脱塩縮合して製造した高分子化合物を、空気中もし
くは窒素中で、常圧下あるいは常圧以下の減圧下で焼成
して、任意形状のシリコンカーバイドセラミクスをこと
を特徴としている。
RSiCl3 ・・・(a) R:ビニル基を除く飽和または不飽和炭化水素基。
本発明者は、工程数が少ない新しい製造方法の利点を
生かしつつ、焼成時の重量減少を低く抑えるために、上
記の1,4−ジクロロデカメチルシクロヘキサシランを原
料として合成された珪素高分子化合物とR1R2SiCl2を原
料として合成された珪素高分子化合物との分子構造を比
較した。そして、前者は構造の一部に後者にはない構
造、すなわち下記(b)に示すような1つのシリコン原
子が他の3つのシリコン原子と結合した構造を含むこと
に着目し、このような分子構造が重量減少の改善に寄与
していると考えた。
そこで、出発原料として、一回の製造工程で(b)の
構造を実現し得る、RSiCl3(Rは飽和または不飽和炭化
水素基を示す)を用いることによってシリコンカーバイ
ドの製造を行なった。
本発明では、焼成に用いる珪素高分子化合物の主鎖構
造をすべて上述の(b)の構造にするために、出発原料
として一回の製造工程で(b)の構造が実現可能な下記
の式(a)を用いたところが、従来の技術と異なる。
RSiCl3 ・・・(a) ただし、Rは飽和または不飽和の炭化水素基。
本発明により、珪素高分子化合物を中間体として用い
た方法において従来問題であった70%程度の大きな重量
減少を、酸素あるいは光による架橋処理なしで、20−60
%まで少なくすることに成功した。さらに本発明により
得られるシリコンカーバイドセラミクスの耐熱性は、ポ
リカルボシランを原料に用いる従来法によって製造され
たものが1200℃程度まで一酸化炭素の放出を伴った分解
が起こるのに対して、300℃高い、1500℃まで安定であ
ることが特徴である。
本発明をさらに詳しく説明すれば、まず、有機溶媒中
において、RSiCl3を金属ナトリウムを用いて縮合重合す
ることにより、中間体である珪素高分子化合物を得る。
この時、クラウンエーテルを用いると反応が円滑に進行
する(藤野、特願昭63−307578号)。あるいは、有機溶
媒中において、RSiCl3を超音波照射下、ナトリウム−カ
リウム合金を用いて縮合重合することにより(P.ビアン
コニ(P.Bianconi)他、ジャーナル オブ アメリカン
ケミカル ソサエティ(J.Am.Chem.Soc.)、第110
巻、第2342頁、(1988))、同様の中間体であるところ
の珪素高分子化合物を得る。
上記式(a)において、Rは上述のように飽和または
不飽和の炭化水素基を示すが、前記炭化水素基の炭素数
は好ましくは、1〜9であるのがよい。炭素数が9を超
えると重量減少が大きくなり過ぎる傾向があるからであ
る。Rの具体例としては、メチル、エチル、プロピル、
イソプロピル、ブチル、イソブチル、ターシャリーブチ
ル、ペンチル、イソペンチル、ターシャリーペンチル、
ネオペンチル、ヘキシル、シクロヘキシル、ヘプチル、
オクチルなどの飽和炭化水素基、また、フェニル、オル
トトリル、メタトリル、パラトリル、ベンジル、β−フ
ェネチル、2−フェニルプロピルなどの不飽和炭化水素
基を挙げることができる。しかしながら、本発明におい
ては、これらに限定されるものではないのは明らかであ
る。
次に、これらの方法において得られた珪素高分子化合
物を、溶融もしくは窒素中で、常圧下、あるいは常圧以
下の減圧下において、焼成し、目的のシリコンカーバイ
ドセラミクスを得る。
焼成の温度は、好ましくは1500℃以下、最も好ましく
は600〜1500℃であるのがよい。600℃未満であると、焼
成時間が長くなり、一方1500℃を超えると、焼成時間が
短くなり過ぎて、制御性が悪くなり、いずれも製造作業
上効率を損なう恐れがあるからである。
この時の重量減少は、20−60%程度で、焼成温度を60
0℃−1500℃の範囲で変えてもほとんど変化がない。
上記焼成温度における保持時間は、好ましくは10〜90
分である。10分未満であると、焼成温度が高くなり過
ぎ、一方90分を超えると焼成時間が長くなり過ぎ、製造
効率を損なう恐れを生じるからである。
本発明によるシリコンカーバイドセラミクスの詳細な
製造方法及び耐熱性の一例を、以下の実施例に示す。
(実施例1) トルエン200ml中に、12−クラウン−4((CH2CH
2O)4)0.46g、金属ナトリウム2.2gを加え、攪拌しなが
らリフラックス状態に置き、イソブチルトリクロロシラ
ン(C4H9SiCl3)5.0gをゆっくりと滴下する。滴下終了
後、リフラックス状態を維持しながら攪拌を30分間続
け、その後反応溶液を室温にまで冷却し、エタノール30
ccを徐々に加えて、反応末端及び未反応金属ナトリウム
の処理を行なう。さらに反応溶液をエタノール600cc中
にゆっくりと注ぎ込み、生じた沈澱物を取する。取
した沈澱物を水で洗浄することによって、オレンジ色の
珪素高分子化合物が得られる。
この珪素高分子化合物を乾燥し、トルエン−メタノー
ル系で再沈澱精製し、真空乾燥する。これを、酸素ある
いは光による架橋処理を行なわずに、空気中において、
常圧下、室温から1500℃まで毎分10℃の割合で昇温し、
10分間1500℃で保持して、シリコンカーバイドセラミク
スを得る。この時の重量減少は41%である。また、これ
を、窒素中において同条件で焼成した場合の重量減少は
52%であり、空気中の場合に比べて大きい。
(実施例2) ヘキシルトリクロロシラン(C6H13SiCl3)11gをペン
タン100ml中に加え、超音波照射による攪拌を行ないな
がら、ナトリウム−カリウム合金をゆっくりと滴下す
る。滴下終了後、反応溶液にテトラヒドロフラン100ml
を加え、さらに5分間、超音波による攪拌を行なう。こ
の後、反応溶液を室温まで冷却し、反応溶液が中和する
までヘキシルマグネシウムブロマイドを加え、反応末端
の処理を行なう。中和した反応溶液を水に注ぎ込むと、
黄色の沈澱が得られる。これを取し、乾燥後、テトラ
ヒドロフラン−メタノール系で再沈澱精製し、真空乾燥
して、珪素高分子化合物を得る。この珪素高分子化合物
を、実施例1と同じ方法で焼成し、シリコンカーバイド
セラミクスを得る。
(実施例3) 出発物質として、Rの異なるRSiCl3を用いて、実施例
1と同様の操作により、それぞれ対応するシリコンカー
バイドセラミクスを得る。中間体として合成した珪素高
分子化合物の収率、及び、それらを常圧下、空気中にお
いて色々な温度で対応する時間だけ焼成したときのそれ
ぞれの重量減少を第1表に示す。さらに、同珪素高分子
化合物を、窒素中で同条件で焼成した場合の重量減少を
第2表に示す。
第1表にRの異なるRSiCl3を出発物質として得られた
中間体の珪素高分子化合物の収率、及び、それらを常圧
下、空気中において、それぞれの温度で対応する時間だ
け焼成したときの重量減少を示す。第2表にRの異なる
RSiCl3を出発物質として得られた珪素高分子化合物を常
圧下、窒素中において、それぞれの温度で対応する時間
だけ焼成したときの重量減少を示す。
(実施例4) 実施例1によって得られた、Rとしてイソブチル基を
持った珪素高分子化合物を、10-2torr以下の減圧下にお
いて、実施例1と同じ温度、時間条件で焼成する。この
時の重量減少は54%である。
以上の実施例から、どの珪素高分子化合物も、焼成温
度が600℃−1500℃の高温になると重量変化がほとんど
見られなくなることがわかる。これは、焼成してできた
シリコンカーバイドセラミクスが、この温度範囲におい
て熱的に安定であることを示している。
(発明の効果) 上述のように、本発明のシリコンカーバイドセラミク
スは、その中間体である珪素高分子化合物の焼成時に、
重量減少が20−60%と、従来法での70%に比べて少な
い。従って、中間体である珪素高分子化合物を成形加工
し、焼成して、シリコンカーバイドセラミクスを得るに
あたって、従来法に比べてその収縮率が少なく、寸法安
定性が改善される。
また、重量減少が少ないことは、中間体の珪素高分子
化合物から得られるシリコンカーバイドセラミクスの収
率が高いことを意味するため、生産効率の向上が期待で
きる。
さらに、本発明で得られたシリコンカーバイドセラミ
クスは、従来ポリカルボシランを焼成して製造したもの
の耐熱温度1200℃を上回る、1500℃の耐熱温度を持つ。
従って、この範囲での耐熱材料として使用が可能である
という利点がある。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/573 C01B 31/36 CAS

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】下記(a)式で表される化合物を原料とし
    て用い、これをアルカリ金属により脱塩縮合して製造し
    た高分子化合物を、空気中もしくは窒素中で、常圧下あ
    るいは常圧以下の減圧下で焼成して、任意形状のシリコ
    ンカーバイドセラミクスを得ることを特徴とするシリコ
    ンカーバイドセラミックスの製造方法。 RSiCl3 ・・・(a) R:ビニル基を除く飽和または不飽和炭化水素基。
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