JP2988964B2

JP2988964B2 - 軽量高剛性セラミックス及びその用途

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Publication number: JP2988964B2
Application number: JP2139817A
Authority: JP
Inventors: 義幸安富; 素之宮田; 昌久祖父江; 貢記上船
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1990-05-31
Publication date: 1999-12-13
Anticipated expiration: 2014-12-13
Also published as: JPH0437667A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、軽量高剛性セラミックス構造体に係るもの
であり、特に反応焼結セラミックスマトリックス中に３
次元連続網目状構造体、中空粒子、中空繊維が形成され
た複合構造の軽量高剛性セラミックス及びその用途に関
する。

〔従来の技術〕

一般に、エンジンなどの機械構造部品に適するセラミ
ックスとして窒化物、炭化物が開発されている。従来の
セラミックスは、窒化珪素や炭化珪素などの単一組成物
が主流であり、靱性が小さい欠点がある。最近、靱性や
強度を向上させることを目的に、繊維強化複合セラミッ
クスが検討されている。また、比弾性率の高い材料とし
て、炭素をマトリックスとして炭素繊維で強化した炭素
複合材料が開発されている。

しかし、上記複合材は繊維配向によって機械的特性を
改善していることに特徴が有る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記従来技術は、セラミックスの靱性に
ついては改善されているが、比弾性率の改善については
全く配慮がされていない。

本発明の目的は、従来に無い軽量高剛性つまり比弾性
率の高い複合セラミックス構造体を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、セラミックスの比弾性率を向上するこ
とを目的に鋭意研究の結果、反応焼結セラミックスマト
リックス中に３次元連続網目状構造体、中空粒子、中空
繊維を構成することにより比弾性率を改善できることを
発明した。

上記目的は、気孔率40vol％以下の反応焼結セラミッ
クスマトリックス中に、３次元連続網目状構造体、中空
粒子、中空繊維の少なくとも一種を形成させることによ
り達成される。

本発明は、反応焼結セラミックスマトリックスで構成
することが必須条件である。従来の大きな収縮を伴う常
圧焼結法やホットプレス法では、収縮時に３次元連続網
目状構造体、中空繊維、中空粒子が破壊されるととも
に、内部に引っ張り応力が残留し、良好な焼結体を得る
ことが出来ない。それに対して、本発明のセラミックス
は、焼結に伴う焼結時寸法変化率が１％程度と小さいの
で３次元連続網目状構造体、中空繊維、中空粒子を破壊
させない状態で焼結体を得ることができ、焼結体内部に
引っ張り応力がほとんど残留しないので、結果的には、
比弾性率の高い構造体を得ることが出来る。

本発明により、比弾性率90GPa/（g/cm³）以上の反応
焼結Si₃N₄軽量高剛性セラミックス、あるいは、比弾性
率130GPa/（g/cm³）以上の反応焼結SiC軽量高剛性セラ
ミックスが得られる。これにより、反応焼結セラミック
スの欠点である剛性を改善でき、反応焼結セラミックス
の利点である高寸法精度焼結により、複雑形状の軽量高
剛性セラミックスをほとんど無加工で製造することが可
能と成る。

本発明の３次元連続網目状構造体、中空繊維、中空粒
子は、金属、炭化物、窒化物、酸化物、酸窒化物、珪化
物、硼化物の少なくとも一種以上で構成されることが好
ましい。特に、タングステン、モリブデン、炭化珪素、
窒化珪素、窒化アルミ、カーボン、酸化珪素、窒化硼
素、炭化硼素が好適である。

該中空粒子、中空繊維を形成したセラミックスマトリ
ックス中の気孔率（中空部分も含む）は40vol％以下と
するのが好ましい。なぜなら、40vol％より多いと機械
的強度が低下して比弾性率の向上に寄与しないためであ
る。

該３次元連続網目状構造体は、ハニカム構造体、例え
ば横断面形状が六角形状、五角形状、四角形状、丸状な
どのものが使用でき、縦断面方向に穴が設けられていて
も良い。また、中空構造のハニカムを用いるとより軽量
化が図れる、また、スケルトン構造でも同様に比弾性率
を向上することが可能である。３次元連続網目状構造体
は、上記の形状に限られず、３次元的に連続した網目状
の構造体であれば良い。

該３次元連続網目状構造体の製造法は、押出し成形で
作製した後焼結する方法、３次元繊維表面にセラミック
スや金属粒子をコーティングした後焼結する方法、など
により任意の３次元連続網目状構造体を公知の方法によ
り製造可能である。

該中空粒子は、外径１μｍから1mm程度、内径0.5μｍ
から0.5mm程度のものを使用することができるが、この
範囲には限定されない。また、中空粒子中に第２の粒子
が鈴のような形で混在した形状のものを使用すると減衰
効果をも、もたらすことができる。

該中空粒子は、閉気孔の中空粒子が好ましい。

該中空繊維は、外径１μｍから1mm程度、内径0.5μｍ
から0.5mm程度のもの、アスペクト比は、10から100を使
用することができるが、この範囲には限定されない。中
実繊維に比較して、軽量化を図ることができ、比弾性率
を向上させることが可能である。

本発明において、３次元連続網目状構造体及び中空繊
維を一次元方向に比弾性率が向上するように配向するこ
とにより、駆動、停止を繰り返す機構部品の駆動方向に
対して剛性を向上させることができ、精密な制御が可能
と成る。

該３次元連続網目状構造体、中空粒子、中空繊維の弾
性率は、反応焼結セラミックスマトリックスの弾性率よ
りも大きい方が好ましい。

該反応焼結セラミックスマトリックスは、導電性材
料、絶縁性材料、圧電材、誘電材、磁性材、熱伝導材、
触媒材、電子放射性材、センサ材などの特性をもつセラ
ミックスを用いることができる。また、反応焼結セラミ
ックスマトリックス中に形成する３次元連続網目状構造
体、中空繊維、中空粒子についても、同様に導電性材
料、絶縁性材料、圧電材、誘電材、磁性材、熱伝導材、
触媒材、電子放射性材、センサ材などの特性をもつもの
を使用できる。これにより、各種機能材料への応用も可
能である。

該反応焼結セラミックスマトリックスは窒化物、酸化
物、酸窒化物、炭化物から選ばれた少なくとも一種の粒
子及び／またはホイスカで構成できる。特に密度が小さ
く耐熱性に優れているSiC、Si₃N₄、AlNを主成分とする
のが好ましい。また、ホイスカと粒子との複合材とする
ことにより靱性をも向上可能である。

該反応焼結マトリックスと３次元連続網目状構造体、
中空繊維、中空粒子との結合状態の構造図を第８図及び
第９図に示す。

本発明は、Ａ部分である３次元連続網目状構造体、中
空繊維、中空粒子の間が反応焼結により生成した粒子
Ｂ、あるいは反応焼結により生成した粒子Ｂ及びウイス
カＣにより結合された構造であることに特徴が有る。本
発明は、反応焼結で該３次元連続網目状構造体、中空繊
維、中空粒子を結合するため、反応焼結マトリックスと
該３次元連続網目状構造体、中空繊維、中空粒子との組
成が異なったものを容易に製造できる。

該反応焼結セラミックスマトリックスは平均粒径100
μｍ以下の炭化物、酸化物、窒化物、酸窒化物から選ば
れた少なくとも一種の無機化合物と平均粒径が該無機化
合物より小さいSi₃N₄、及び気孔量が40vol％以下、最大
気孔径が30μｍ以下の気孔で構成することにより、比弾
性率を向上できる。

特に、３次元連続網目状構造体、中空繊維、中空粒子
の一種以上と、平均粒径100μｍ以下の炭化物、酸化
物、窒化物、酸窒化物から選ばれた少なくとも一種の無
機化合物と、金属Si粉末あるいは金属Al粉末からなる成
形体を窒化して得られるSi₃N₄あるいはAlNとで、３次元
連続網目状構造体、中空繊維、中空粒子の一種以上を結
合したセラミックスで構成することにより焼結時寸法変
化率が小さいので精密焼結が可能であり、後加工をほと
んど必要としないので低コストで製造可能である。

ここで、COガスを用いて反応焼結することにより、炭
化物でハニカム構造体、中空繊維、中空粒子の一種以上
を結合したセラミックスが得られる。

本発明は、反応焼結セラミックスマトリックス内部及
び／又は表面の気孔中に、プラスチック、ガラス、金
属、セラミックスの少なくとも一種を含浸し、これらで
表面を覆われていると、表面からのクラックの発生を防
止できるので、より信頼性の高いセラミックスが得られ
る。

本発明は、焼結中に成形体中の金属粉末から生成する
窒化物により、３次元連続網目状構造体、中空繊維、中
空粒子の一種以上を結合するとともに粒子間の空隙を減
少させることができ、焼結時の寸法変化率を小さくし、
金属粉末から生成する窒化物の種類により電気抵抗率を
任意に制御可能にすることも可能である。

本発明において、金属粉末は周期表III族からVIII族
に属するもので、特にTi,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Ce,Co,Mn,Hf,
W,Mo,Fe,Al,Si,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Yb,Lu,Th,Co,
Niから選ばれた少なくとも一種以上のものを使用でき
る。たとえば、Tiの窒化物は電気抵抗率が約10^-5Ωcmオ
ーダと小さく、逆にSiの窒化物は約10¹⁵Ωcmオーダと大
きい。このように金属粉末の種類によって窒化物の抵抗
率が異なり、このような抵抗率の異なる金属窒化物を組
合せることにより、導電から絶縁まで抵抗率の制御が可
能となる。

また、金属粉末以外に無機化合物を混合することによ
り、電気特性や機械的特性などを制御することが可能で
あり、弾性率の向上にも有効である。

前記金属粉末は、市販のものをそのまま用いることが
でき、またミルなどにより粉砕した丸みを帯びた粒子を
使用してもよい。

反応焼結は、成形体を、窒素及び／又はアンモニアに
必要に応じて水素、アルゴン、ヘリウムなどを加えた窒
化性ガス雰囲気下あるいはCOガスなどの炭化性ガス雰囲
気下で加熱するのが好ましい。これにより、窒化物、炭
化物を生成させることができる。また、本発明における
反応焼結は、焼結中に収縮をもたらせる液層部分が存在
しないことが特徴である。つまり、金属粉末と３次元連
続網目状構造体、中空繊維、中空粒子の間には、液層部
分となるガラス層や合金層が介在しないことに特徴があ
る。

本発明の反応焼結体は、焼結時の寸法変化率が極めて
少ないので、キャリッジのような複雑形状のものでも、
特に、二次加工することなく作成でき、型内面の形状を
転写した表面を有する焼結体を得ることができる。

本発明において、成形用バインダはポリビニルブチラ
ールやポリエチレンなどの有機高分子化合物やシリコン
イミド化合物やポリシラン化合物などの有機Si高分子化
合物などを適量添加し、好ましくは８〜15重量部添加
し、成形体の粒子体積充填率を65％以上とするのが好ま
しい。また成形方法は、射出成形、プレス成形、ラバー
プレス成形、押出し成形、鋳込み成形、金型粉末成形な
ど形状と要求特性に応じて成形方法を選択する。

本発明において、複合セラミックス焼結体の気孔中に
樹脂、油、潤滑剤などを含浸することも可能であり、摺
動部材へも応用可能である。

本発明の軽量高剛性セラミックスは、精密位置制御を
必要とする各種機構部品へ応用可能であり、例えば、デ
ィスク装置用キャリッジ及びアーム、電子部品をプリン
ト基板に挿入するための自動実装機のアーム及びステー
ジ、アクチュエーターの部品、ロボットのアームなどに
好適である。

また、熱膨張係数が小さく高剛性のため、工作機械の
ステージなどの構造部品にも適している。

〔作用〕

本発明は、軽量高剛性セラミックスに係るものであ
り、特に反応焼結セラミックスマトリックス中に３次元
連続網目状構造体、中空繊維、中空粒子の一種以上を構
成することにより、比弾性率の高いセラミックスを得る
などが出来る。また、防振効果としても有効な材料を得
ることができ、精密位置制御を必要とする各種機構部品
へ応用可能であり、アクセスタイムを大巾に短縮出来
る。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する
が、本発明はこれら実施例に限定されない。

実施例１押出し成形、焼結により作製した相対密度95％のカー
ボン質３次元連続網目状構造体（第１図のａ）の成形用
の型内に設置し、平均粒径0.8μｍのSi粉末に解こう剤
と蒸留水を混合したスラリーを型内に流し込み、成形体
を作製した。成形体は水分を除去した後、窒素ガス中13
80℃まで段階的に長時間かけて加熱処理し、生成物であ
るSi₃N₄（第１図のｂ）で結合したカーボン質３次元連
続網目状構造体セラミックス（第１図）を得た。断面を
第２図に示す。また、反応焼結セラミックスとカーボン
質３次元連続網目状構造体との微構造模式図を第３図に
示す。カーボン質３次元連続網目状構造体が、Siの生成
物であるSi₃N₄粒子及びSi₃N₄ウイスカで結合されてい
る。Si₃N₄粒子及びSi₃N₄ウイスカは気相反応で生成する
ために、この粒界には、ガラス層などの高温で軟化する
組成は介在していない。

この時の成形体から焼結体への寸法変化率は0.1％と
小さく寸法精度に優れたものが得られた。焼結体の気孔
率は18％、気孔径20μｍ以下、比弾性率は124GPa/（g/c
m³）であった。比弾性率は、弾性率を３点曲げ法により
そのたわみより計算して求め、その値を焼結体の密度で
割って求めた。比較のために、カーボン質３次元連続網
目状構造体を含まない反応焼結Si₃N₄セラミックスを同
様に作製し、測定した結果、比弾性率は、63GPa/（g/cm
³）であった。これより、本発明品は、極めて高い弾性
率を有することが判る。

本実施例の３次元連続網目状構造体は、カーボン以外
にタングステン、Si₃N₄、SiC、AlN、SiO₂、Al₂O₃、Ti
N、ムライト、ZrO₂などを用いても同様に焼結可能であ
る。

また、上記成形体をCOガス雰囲気中で処理することに
より、Siが炭化されSiCで結合されたカーボン質３次元
連続網目状構造体セラミックスが得られる。このとき、
カーボンの表面がSiCに変化し、より比弾性率を向上さ
せることができる。これにより、比弾性率160GPa/（g/c
m³）の構造体が得られた。ここで、３次元連続網目状構
造体を含まない反応焼結SiCセラミックスの比弾性率
は、125GPa/（g/cm³）であり、本発明品が極めて高い比
弾性率を有することが判る。

実施例２押出し成形により作製したSiC質３次元連続網目状構
造体を成形用の型内に設置し、平均粒径0.8μｍのTi粉
末に解こう剤と蒸留水を混合したスラリーを型内に流し
込み、成形体を作製した。成形体は水分を除去した後、
窒素ガス中1500℃まで同時に加熱処理し、TiNでSiC質３
次元連続網目状構造体を結合した構造体の複合セラミッ
クスを得た。焼結体の気孔率は18％、比弾性率は98GPa/
（g/cm³）であった。この構造体は、４×10^-7Ωｍの導
電性を有する。

また、平均粒径0.8μｍのTi粉末80wt％に平均粒径２
μｍのSiC粉末20wt％混合したスラリーを同様に型内に
流し込み、成形、焼結を行った。その結果、比弾性率は
113GPa/（g/cm³）まで向上させることができた。

実施例３平均粒径0.8μｍのSi粉末70重量部と平均粒径10μｍ
（内径５μｍ）のSiO₂中空粒子30重量部に熱可塑性樹脂
を13重量部添加、混合し、射出成形により成形体を作製
した。成形体は樹脂分を除去した後、窒素ガス中1380℃
まで段階的に長時間かけて加熱処理し、Si₃N₄で結合し
たSiO₂中空粒子セラミックス（第５図）を得た。この時
の成形体から焼結体への寸法変化率は0.1％と小さく寸
法精度に優れたものが得られた。焼結体の気孔率は25
％、気孔径20μｍ以下、比弾性率は98GPa/（g/cm³）で
あった。

また、上記の焼結体を50気圧の窒素中、1500℃で処理
することにより、SiO₂中空粒子の表面層がSi₃N₄に変化
し、より比弾性率の高いセラミックス〔114GPa/（g/c
m³）〕が得られた。

実施例４実施例３と同様にして、外径1mm、内径0.5mm、長さ5m
mのSiC質中空繊維30wt％、Si粉末70wt％を成形、焼結し
た。その結果、Si₃N₄で結合したSiC質中空繊維セラミッ
クス（第４図）を得た。その結果、比弾性率120GPa/（g
/cm³）の構造体が得られた。

実施例５実施例２と同様にして、焼結条件を変えて気孔率の異
なる焼結体を作製し、比弾性率を求めた。その結果を第
６図に示す。これより、気孔率が40vol％を越えると比
弾性率が小さくなり、軽量高剛性材料として好ましくな
いことが判る。

実施例６実施例１で得られた３次元連続網目状構造セラミック
スを用いて、第７図に示すような磁気ディスク装置のキ
ャリッジ、アーム部品を構成した。磁気ディスク２は、
スピンドル19で保持され、高速で回転する。薄膜磁気ヘ
ッド組立て体13はアームアセンブリ14に保持され、その
先端に薄膜磁気ヘッドが設けられる。この組立て体13は
磁気ディスク20の数だけ有り、キャリッジ16に一体に固
定され、ガイドレール６の上をベアリング５によって同
時に移動する。移動は、磁気回路15によって自動的行わ
れる。従来のアルミ製品に比較して、比弾性率が２倍以
上向上し、駆動、停止に伴う振動（びびり）が小さくな
り磁気ディスク装置の信頼性が大幅に向上した。

〔発明の効果〕

本発明によりセラミックスの比弾性率を大幅に改善す
ることができる。したがって、駆動、停止を繰り返す機
構部品の剛性や信頼性を著しく向上させることができ、
従来に無い、高精度制御の機構部品を提供することが可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は３次元連続網目状構造複合セラミックスを示す
斜視図、第２図は第１図の断面模式図、第３図は反応焼
結セラミックスマトリックスと３次元連続網目状構造体
との結合部分を示す拡大微構造模式図、第４図は中空繊
維複合セラミックスを示す斜視図、第５図は中空粒子複
合セラミックスを示す斜視図、第６図は焼結体気孔率と
比弾性率の関係を示すグラフ、第７図は磁気ディスク装
置の断面図、第８図及び第９図は、粒子、ウイスカと３
次元連続網目状構造体、中空粒子、中空繊維の結合状態
を示す拡大構造図である。ａ……３次元連続網目状構造体、ｂ……セラミックスマ
トリックス、ｃ……中空繊維、ｄ……中空粒子、ｅ……
セラミックス粒子、ｆ……セラミックスウイスカ、５…
…ベアリング、６……ガイドレール、13……薄膜磁気ヘ
ッド組立て体、14……アーム、15……磁気回路、16……
キャリッジ、17……導体、18……エンクロージャ、19…
…スピンドル、20……磁気ディスク、Ａ……３次元連続
網目状構造体、中空繊維、中空粒子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上船貢記神奈川県小田原市国府津2880番地株式会社日立製作所小田原工場内 (56)参考文献特開昭61−270273（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】気孔率40vol％以下の反応焼結セラミック
スマトリックス中に、３次元連続網目状構造体が形成さ
れていることを特徴とする軽量高剛性セラミックス。
【請求項２】気孔率40vol％以下の反応焼結セラミック
スマトリックス中に、中空粒子が形成されていることを
特徴とする軽量高剛性セラミックス。
【請求項３】気孔率40vol％以下の反応焼結セラミック
スマトリックス中に、中空繊維が形成されていることを
特徴とする軽量高剛性セラミックス。
【請求項４】請求項１、２又は３記載において、反応焼
結セラミックスマトリックスとして、Si₃N₄又はSiCから
なるセラミックスを用いることを特徴とする軽量高剛性
セラミックス。
【請求項５】請求項１、２又は３記載において、３次元
連続網目状構造体、中空粒子又は中空繊維は金属単体、
炭化物、窒化物、酸化物、酸窒化物、珪化物、硼化物か
ら選ばれた少なくとも一種からなることを特徴とする軽
量高剛性セラミックス。
【請求項６】請求項１〜４のいずれか１項記載におい
て、反応焼結セラミックスマトリックスの気孔が、プラ
スチック、ガラス、金属から選ばれた少なくとも一種で
埋められていることを特徴とする軽量高剛性セラミック
ス。
【請求項７】請求項１、２又は３記載において、反応焼
結セラミックスマトリックスが、平均粒径100μｍ以下
の炭化物、酸化物、窒化物、酸窒化物から選ばれた少な
くとも一種の無機化合物と、平均粒径が該無機化合物よ
り小さいSi₃N₄、及び気孔量40vol％以下、最大気孔径が
30μｍ以下の気孔で構成されたセラミックスとから成る
ことを特徴とする軽量高剛性セラミックス。
【請求項８】３次元連続網目状構造体、中空粒子、中空
繊維の少なくとも一種と、金属粉末とからなる成形体
を、反応焼結して得られる反応生成物で、３次元連続網
目状構造体、中空粒子、中空繊維の少なくとも一種を結
合した、気孔量が40vol％以下、最大気孔径が30μｍ以
下の気孔からなる軽量高剛性セラミックス。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか１項記載の軽量高
剛性セラミックスを用いて成形したことを特徴とする磁
気用、光用又は光磁気用ディスク装置用キャリッジ及び
アーム。