JP3230793B2 - セラミックス発熱体 - Google Patents

セラミックス発熱体

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    • H05B3/148Silicon, e.g. silicon carbide, magnesium silicide, heating transistors or diodes

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、赤外線光源や電気炉
の発熱体として用いられるセラミックス発熱体に関す
る。
【0002】
【従来の技術】図3に、従来例として特開平5−296
833号公報に示されているような、セラミックスの抵
抗発熱体を示す。同図において、セラミックス発熱体1
0は、例えば水バインダー法を用いたファインセラミッ
クス粉末の押し出し成型法により得た珪化モリブデンの
細線をコイル状に巻取り、これを乾燥して真空乾燥炉で
焼成して発熱体としている。このコイル状セラミックス
細線10の両端には、リード線12a,12bが接続さ
れ、該リード線12a,12bを介してコイル状セラミ
ックス細線10に電流が供給されると、コイル状セラミ
ックス細線10が発熱する。
【0003】また、コイル状セラミックス細線10は赤
外線の放射窓14のある耐熱性のセラミックス(例えば
アルミナ)管16内に配置され、セラミックス細線10
と各リード線12a,12bの接続部は耐熱性接着剤1
8a,18bによりセラミックス管16内に固定されて
いる。従って、リード線12a,12bを介してコイル
状セラミックス細線10に電流を供給されると、このコ
イル状セラミックス細線10から放射される赤外線は放
射窓14を介して出射することになる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、MoSi2
は酸化珪素の保護皮膜の生成能力による優れた耐酸化性
を示すため、大気中での高温炉用(例えば1750℃)
ヒータとして利用されている。従って、ガスタービン部
材等の高温構造材料としても注目され、材料評価されて
いる。
【0005】しかし、MoSi2 は、室温での脆性と高
温度での低強度という問題から実現が難しい。また、材
料の物性値である比抵抗が0.0003(Ωcm)と小
さいため、高温(1300℃)に発熱させるためには大
電流を必要とし、消費電力が増大するという問題があ
る。さらには、高温発熱状態での大電流により電磁力が
発生し、その電磁力による吸引力または反発力の発生
と、発熱による熱応力が発熱部に作用するためクリープ
変形が発生して破断してしまい、寿命が短くなるという
難点もある。
【0006】消費電力については、このMoSi2 の見
かけ上の抵抗値を上昇させる方法が各種提案されてお
り、その代表的な手段として細線化がある。しかしなが
ら、一般的なMoSi2 発熱体の作製方法は、MoSi
2 粉末を焼成するものであるため、細線化はもとより小
型化も到底不可能とされている。これは、焼成法そのも
のが細線化に適していないことが大きな要因となってお
り、細線化してもある程度の大きさになってしまい、抵
抗値を大きくできずに大電流を要求されてしまう。
【0007】また、焼成後に機械的加工を行なうにして
も、セラミックスは本質的に脆いため、光源として使用
し得るほどの細径に加工することは不可能であり、セラ
ミックスを用いて1000℃以上の高温度発熱体または
赤外線光源体の開発を行なうことは極めて困難とされて
いる。したがって、この発明の課題はMoSi2 の優れ
た耐酸化性を利用して高温強度を持たせ、微小化を可能
として長寿命化と低消費電力化を図ることにある。
【0008】 このような課題を解決するため、請求項
1の発明では、SiCウイスカーが3〜40容量%で残
部が実質的にMoSi 2 からなる複合セラミックス材に
て発熱部を形成するとともに、その両端に電極部を設け
てなるセラミックス発熱体において、前記SiCウイス
カーの平均直径,および平均長さをそれぞれ0.2〜
1.0μm,2〜50μm、より好ましくは0.4〜
0.9μm,10〜40μmとし、かつ前記SiCウイ
スカーの50%以上をα型の結晶構造、または成長方向
に積層欠陥(不整)を持つβ型の結晶構造、すなわちX
線回折パターンにおいて2θ=33.6°のピークが出
て、2θ=41.4°のピークが現れないβ型の結晶構
造を持つものとすることを特徴としている。
【0009】 請求項2の発明では、SiCウイスカー
が3〜40容量%で残部が実質的にMoSi 2 からなる
複合セラミックス材にて発熱部を形成するとともに、そ
の両端に電極部を設けてなるセラミックス発熱体におい
て、前記SiCウイスカーの平均直径,および平均長さ
をそれぞれ0.2〜1.0μm,2〜50μm、より好
ましくは0.4〜0.9μm,10〜40μmとし、
つ前記SiCウイスカーの0%以上をα型の結晶構
造、または成長方向に積層欠陥(不整)を持つβ型の結
晶構造、すなわちX線回折パターンにおいて2θ=3
3.6°のピークが出て、2θ=41.4°のピークが
現れないβ型の結晶構造を持つものとすることを特徴と
している。
【0010】 上記請求項1または2の発明において
は、前記MoSi 2 のマトリックスがSi 3 4 、Ti
C、ZrC、HfC、TiB、TiB 2 、ZrB 2 、Hf
2 、ZrO 2 、HfO 2 、SiC、MoB、Mo 2 B、M
2 5 、WB、W 2 B、WB 2 、W 2 5 の中から選ばれる
第2相、または第3相で分散強化されていることができ
(請求項3の発明)、請求項3の発明においては、前記
分散強化された第2相または第3相の和が、MoSi 2
のマトリックスの30%容量以内であることができる
(請求項4の発明)。
【0011】 また、請求項3または4の発明において
は、前記分散強化された第2相がMoBまたはWBであ
ことができ(請求項5の発明)、この請求項5の発明
においては、前記分散強化された第2相のMoBまたは
WBを全体の10%容量とすることができる(請求項6
の発明)。上記請求項1ないし6の発明においては、前
発熱体の両端に白金線を溶融接合した電極部を持つ
とができる(請求項7の発明)。
【0012】
【作用】二珪化モリブデン系セラミックスにSiCウイ
スカーを混合して二珪化モリブデン系複合セラミックス
とすることにより、優れた耐酸化性を生かしつつ高温強
度を持たせ、微小化を可能として長寿命化と低消費電力
化を達成する。SiCウイスカーとしては、機械的強度
を強化する観点からSiCウイスカー自身の破壊強度の
高いもの、基本的にはα型結晶型のものか、またはβ型
でも成長方向に積層欠陥を持つものを選択し、また、ウ
イスカー径や長さも破壊靱性(靭性)の向上と内部の欠
陥確率の観点から、適当なものを選択する。さらに、M
oSi2 系マトリックスとしては、Si3 4 、Ti
C、ZrC、HfC、TiB、TiB2 、ZrB2 、H
fB2 、ZrO2 、HfO2 、SiC、MoB、Mo2
B、Mo2 5 、WB、W2 B、WB2 、W2 5 等の
MoSi2 の特性を阻害しない強化用の第2相または第
3相を同時に複合し、マトリックスの強化を図ることが
できる。
【0013】
【実施例】図1はこの発明の実施例を示す構成図であ
る。同図において、1は炭化珪素(SiC)ウイスカー
強化二珪化モリブデン(MoSi2 )系複合セラミック
スからなるサーペン状(S字形)セラミックス発熱体
で、このサーペン状セラミックス発熱体1の両端には白
金からなるリード線2a,2bが溶接されて電極を形成
している。3は例えばアルミナからなるセラミックス管
で、サーペン状セラミックス発熱体1は耐熱性接着材4
によって固定されている。従って、リード線2a,2b
を介してサーペン状セラミックス発熱体1に電流が供給
されると、サーペン状セラミックス発熱体1が発熱し、
赤外線を放射する。
【0014】ここで用いられるサーペン状セラミックス
発熱体1の材料としては、できるだけ緻密な複合セラミ
ックスに焼結するため、(1)平均粒径2μm以下のM
oSi2 と、(2)平均直径および平均長さがそれぞれ
0.2〜1.0μm、および2〜50μmで、かつ50
%以上がα型(六方晶)の結晶構造、または成長方向に
積層欠陥(不整)を持つβ型(立方晶)の結晶構造を有
するもの、つまり、X線回折パターンにおいて、2θ=
33.6°のピークが出て、2θ=41.4°のピーク
が現れないβ型(立方晶)の結晶構造を有するSiCウ
イスカー(直径が数μm、長さが数十μm〜数mmの線
状結晶のこと)とを含有する原料粉末を用い、1400
〜1850℃、50〜500Kg/cm2 の圧力で、1
0分〜5時間の加圧焼結を行なうことで製造される。こ
の焼結体から表面研磨によって薄いペレット状にし、例
えばワイヤカットなどの精密加工手段によってサーペン
状に成型する。
【0015】上記MoSi2 系のマトリックスとして
は、Si3 4 、TiC、ZrC、HfC、TiB、T
iB2 、ZrB2 、HfB2 、ZrO2 、HfO2 、S
iC、MoB、Mo2 B、Mo2 5 、WB、W2 B、
WB2 、W2 5 などのMoSi2 の特性を阻害しない
強化用の第2相または第3相を加える場合も、それらの
原料粉末を2μm以下とする。
【0016】SiCウイスカーの平均直径が0.2μm
未満では、靱性(靭性)と強度の向上が十分ではなく、
また、1.0μmより大きいものを用いると、導入され
る欠陥密度が高くなり強度が劣るようになる。また、S
iCウイスカーの平均長さが2μm未満であると、ウイ
スカーによる強度の向上が十分とならない。一方、平均
長さが50μmを越えると、焼結体中に欠陥を導入する
確率が高くなり、これにより複合体の強度が低下する。
以上のことから、好ましくは平均直径が0.4μm〜
0.9μm程度で、平均長さが10〜40μm程度のS
iCウイスカーを用いるのが良い。
【0017】また、ここで用いるSiCウイスカーのう
ち、少なくとも50%以上がα型の結晶構造、または成
長方向に積層欠陥(不整)を持つβ型の結晶構造を有す
るもの、すなわち、X線回折パターンにおいて2θ=3
3.6°のピークが出て、2θ=41.4°のピークが
現れないβ型の結晶構造からなるものとする。ただし、
α型の結晶構造、またはX線回折パターンにおいて2θ
=33.6°のピークが出て、2θ=41.4°のピー
クが現れないβ型の結晶構造を有するSiCウイスカー
が50%未満であると、複合セラミックスの靱性(靭
性)および強度の向上が見られない。そこで、好ましく
はSiCウイスカーの80%以上をα型の結晶構造、ま
たはX線回折パターンにおいて2θ=33.6°のピー
クが出て、2θ=41.4°のピークが現れないβ型の
ものとする。
【0018】MoSi2 系マトリックスとしては、Si
3 4 、TiC、ZrC、HfC、TiB、TiB2
ZrB2 、HfB2 、ZrO2 、HfO2 、SiC、M
oB、Mo2 B、Mo2 5 、WB、W2 B、WB2
2 5 等のMoSi2 の特性を阻害しない強化用の第
2相または第3相を同時に複合し、マトリックスの強化
を図ることができる。なお、これらの第2相または第3
相の容量%は、MoSi2 マトリックスの30容量%以
内とすることが望ましい。
【0019】これらマトリックスの原料粉末、すなわち
MoSi2 を含め、Si3 4 、TiC、ZrC、Hf
C、TiB、TiB2 、ZrB2 、HfB2 、Zr
2 、HfO2 、SiC、MoB、Mo2 B、Mo2
5 、WB、W2 B、WB2 、W25 等は緻密質の焼結
体を得る観点から、平均粒径を2μm以下とする。つま
り、2μm以上の原料粉末を用いると、複合セラミック
スで焼結する緻密化する前に粒成長し、機械的強度に劣
るようになる。好ましくは、特にMoSi2 において平
均粒径を1μm以下の原料粉末を用いるのが良い。
【0020】各成分の配合は以下の通りである。MoS
2 系セラミックスおよびSiCウイスカーの合計を1
00容量%とすると、SiCウイスカーを3〜40容量
%、残部をMoSi2 系セラミックスとする。SiCウ
イスカーの量が3%未満では、複合セラミックスの靱性
および強度の向上が十分でない。また、40容量%を越
す量のSiCウイスカーを配合すると、逆に焼結体中に
欠陥が導入され強度が低下する。
【0021】次に、MoSi2 −SiCウイスカー複合
セラミックスの製造方法について説明する。まず、原料
となるMoSi2 (および第2相または第3相を同時に
複合する場合はSi3 4 、TiC、ZrC、HfC、
TiB、TiB2 、ZrB2 、HfB2 、ZrO2 、H
fO2 、SiC、MoB、Mo2 B、Mo2 5 、W
B、W 2 B、WB2 、W2 5 等を含む)、および上述
した規格のSiCウイスカーを所定量とり、これを混合
する。
【0022】混合は、ボールミル等により十分に(例え
ば48時間以上)行なうのが良い。平均粒径が2μm以
上ある原料粉から始めるときは、最初にこれらの原料粉
をアトライタ等で十分粉砕し、その後SiCウイスカー
を加え、ボールミルで混合しても良い。次に、得られた
混合粉を乾燥後、所望の形状の型に入れ、50〜500
Kg/cm2 の圧力を加えながら、1400〜1850
℃で10分〜5時間の加圧焼結を行なう。
【0023】圧力が50Kg/cm2 未満の焼結では、
十分に緻密化せず向上した機械的強度が得られない。ま
た、圧力が500Kg/cm2 を越えても効果に差がな
いので、上限を500Kg/cm2 とする。一方、焼結
温度については、1400℃未満では複合セラミックス
の緻密化が達成できない。また、1850℃を越す温度
で焼結すると、MoSi2 が不純物と反応して融点を下
げ、バブリング現象を起こし緻密な焼結体を得ることが
できない。また、焼結時間を10分未満とすると、複合
セラミックスの緻密化が達成できず、5時間を越す焼結
時間は実用的ではないので、上限を5時間とする。
【0024】ここで、第1の実施例について具体的に説
明する。純度99%、平均粒径が0.8μmのMoSi
2 粉末を75容量%、平均直径0.5μm、平均長さが
30μm、α型の結晶の比率(α/(α+β))が85
%のSiCウイスカーが25容量%となるように配合し
た混合粉をボールミルで72時間湿式混合し、これを乾
燥させた。得られた混合粉を用い、アルゴンガス気流
中、300Kg/cm2 の圧力をかけながら1700℃
で1時間加圧焼結し50φ×5mmの焼結体を得た。
【0025】得られた焼結体から、3×4×40mmの
試験片、および1.5×4×25mmの試験片を採取
し、3×4×40mmの試験片では3点曲げ試験(スパ
ン30mm、クロスヘッド速度0.5mm/min)お
よび破壊靱性試験(新原の式によるインデンテーション
法)を、また、1.5×4×25mmの試験片では0.
1μmまで測定できる歪計を用い、0.03mm/mi
nのクロスヘッド速度、上スパン10mm、下スパン2
0mmの4点曲げ試験を室温、1000℃、および13
00℃で行ない、荷重/変位曲線から荷重5Nでの変位
量とヤング率を測定した。その結果を表1に示す。
【表1】
【0026】表1には、純度99%、平均粒径が0.8
μmのMoSi2 粉末のみで、上記と同様の焼結体を製
作し、強度,破壊靱性,変位量,ヤング率等の測定を行
なった結果を併記している。この表1からも明らかなよ
うに、この発明によるものの方がほぼ2倍の強度を持つ
ことが分かる。なお、この発明によるサーペン状セラミ
ックス発熱体は、上記の製造方法により製作される50
φ×5mmの焼結体を研磨して薄い板材(例えば1m
m)とし、この板からワイヤ放電加工のような精密加工
手段によって所望の形状に成形して構成される。
【0027】図2に発熱体の具体例を示す。各寸法は、
a=0.25mm、b=0.3mm、H=18mm、L
=3.5mm、t=0.3mmとなっており、この発熱
体を1300℃に発熱させたときの消費電力は12〜1
4Wとなる。板材の厚みを小さくし、精密加工により小
型の発熱体を形成することで大きな抵抗値を持つことに
なり、高温度で低消費電力の赤外線光源として使用する
ことが可能となる。
【0028】また、材料においてもMoSi2 の特性を
阻害しないウイスカーを複合するため、優れた耐酸化
性、1600℃付近まで発熱可能という特性を損なうこ
となく機械的強度が高められ、耐変形性が向上するの
で、高寿命の赤外線光源を提供することができる。さら
に、放電加工等の精密加工が可能なので、小型化や複雑
形状の発熱体を容易に製作可能となる。
【0029】図1において、発熱体1に設けた電極2
a,2bを、白金線と溶融接合することで、発熱体材料
であるMoSi2 −SiCウイスカー複合セラミックス
のシリコン(Si)と白金(Pt)が接触反応してプラ
チナシリサイドを形成し、リード部を成すようにする。
プラチナシリサイドの融点は1000℃と非常に高いた
め、抵抗発熱体のリード部として非常に信頼性の高いも
のとなる利点がある。
【0030】第2の実施例として、平均直径0.8μ
m、平均長さが20μmでX線回折パターンにおいて、
2θ=33.6°のピークが出て2θ=41.4°のピ
ークが現れないβ型の結晶構造を有するSiCウイスカ
ーを用いる外は、上記第1実施例と同様にして複合セラ
ミックスを作製した。この複合セラミックスに対し、上
記具体例と同様に強度,破壊靱性,変位量およびヤング
率を測定した。その結果を表2に示す。
【表2】
【0031】第3の実施例として純度98%、平均粒径
1.2μmのMoB粉末、または純度99%、平均粒径
0.9μmのWB粉末を用いて粒子分散強化したMoS
2マトリックスについても、上記第1実施例と同様に
してSiCウイスカー強化複合セラミックスを作製し
た。ここで、MoBまたはWBの配合量を10容量%、
SiCウイスカーは25容量%とした。したがって、M
oSi2 は65容量%となる。
【0032】その特性値も第1実施例と同様、強度,破
壊靱性,変位量およびヤング率を測定した。また、比較
のため、SiCウイスカーを配合しない粒子分散強化し
たMoSi2 複合セラミックスについても同様に作製
し、同様の評価を行なった結果を表3に示す。
【表3】
【0033】さらに、SiCウイスカーの平均直径、結
晶型の比率およびSiCウイスカーの配合量を表4のよ
うにした外は、第3実施例と同様にしてMoSi2 /M
oB/SiCウイスカー複合セラミックスを作製した。
得られた複合セラミックスについて、第1実施例と同様
の3点曲げ試験と破壊靱性試験を行なった。
【表4】
【0034】加えて、加圧焼結する以外は第1実施例と
同じようにして(第1実施例と同一の組成)、複合セラ
ミックスを作製した。得られた複合セラミックスについ
て、第1実施例と同様の3点曲げ試験と破壊靱性試験を
行なった。これらの結果を表5に示す。
【表5】
【0035】なお、上記では主として赤外線光源を想定
して説明したが、この発明はこれに限らず、例えば電気
炉の発熱体としても用いることができる。すなわち、従
来酸化雰囲気中で使用可能な電気炉は、その発熱体の関
係から或る程度大型化せざるを得なかったが、この発明
にかかるセラミックス発熱体を用いることにより、超小
型の電気炉とすることが可能となる。
【0036】
【発明の効果】この発明によれば、二珪化モリブデン
(MoSi2 )と炭化珪素(SiC)のウイスカーとを
用いることにより、優れた発熱特性,耐酸化性,耐変形
性を持ち低消費電力、微小で長寿命のセラミックス発熱
体を得ることができる。また、二珪化モリプデン系複合
セラミックスには白金線を溶融接合することができ、こ
の接合部の融点が1000℃と非常に高いため、非常に
信頼性の高い接続部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例を示す構成図である。
【図2】発熱体の具体例を説明する説明図である。
【図3】従来装置を示す構成図である。
【符号の説明】
1…サーペン状セラミックス発熱体、2a,2b…電
極、3…セラミックス(アルミナ)管、4…耐熱性接着
材。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 南雲 睦 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 (72)発明者 宇野 正裕 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 (72)発明者 山下 洋市 埼玉県熊谷市末広4−14−1 株式会社 リケン 熊谷事業所内 (72)発明者 江 莞 埼玉県熊谷市末広4−14−1 株式会社 リケン 熊谷事業所内 (72)発明者 内山 哲夫 埼玉県熊谷市末広4−14−1 株式会社 リケン 熊谷事業所内 (72)発明者 辻 健一 埼玉県熊谷市末広4−14−1 株式会社 リケン 熊谷事業所内 (56)参考文献 特開 昭62−230675(JP,A) 特開 昭63−252973(JP,A) 特許2687972(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/58,35/80,35/81 H05B 3/14

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 SiCウイスカーが3〜40容量%で残
    部が実質的にMoSi 2 からなる複合セラミックス材に
    て発熱部を形成するとともに、その両端に電極部を設け
    てなるセラミックス発熱体において、 前記SiCウイスカーの平均直径,および平均長さをそ
    れぞれ0.2〜1.0μm,2〜50μm、より好まし
    くは0.4〜0.9μm,10〜40μmとし、かつ前
    記SiCウイスカーの50%以上をα型の結晶構造、ま
    たは成長方向に積層欠陥(不整)を持つβ型の結晶構
    造、すなわちX線回折パターンにおいて2θ=33.6
    °のピークが出て、2θ=41.4°のピークが現れな
    いβ型の結晶構造を持つものとすることを特徴とするセ
    ラミックス発熱体。
  2. 【請求項2】 SiCウイスカーが3〜40容量%で残
    部が実質的にMoSi 2 からなる複合セラミックス材に
    て発熱部を形成するとともに、その両端に電極部を設け
    てなるセラミックス発熱体において、 前記SiCウイスカーの平均直径,および平均長さをそ
    れぞれ0.2〜1.0μm,2〜50μm、より好まし
    くは0.4〜0.9μm,10〜40μmとし、かつ前
    記SiCウイスカーの0%以上をα型の結晶構造、ま
    たは成長方向に積層欠陥(不整)を持つβ型の結晶構
    造、すなわちX線回折パターンにおいて2θ=33.6
    °のピークが出て、2θ=41.4°のピークが現れな
    いβ型の結晶構造を持つものとすることを特徴とするセ
    ラミックス発熱体。
  3. 【請求項3】 前記MoSi 2 のマトリックスがSi 3
    4 、TiC、ZrC、HfC、TiB、TiB 2 、ZrB
    2 、HfB 2 、ZrO 2 、HfO 2 、SiC、MoB、Mo
    2 B、Mo 2 5 、WB、W 2 B、WB 2 、W 2 5 の中から
    選ばれる第2相、または第3相で分散強化されている
    とを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のセ
    ラミックス発熱体。
  4. 【請求項4】 前記分散強化された第2相または第3相
    の和が、MoSi 2 のマトリックスの30%容量以内で
    あることを特徴とする請求項に記載のセラミックス発
    熱体。
  5. 【請求項5】 前記分散強化された第2相がMoBまた
    はWBであることを特徴とする請求項3または4のいず
    れかに記載のセラミックス発熱体。
  6. 【請求項6】 前記分散強化された第2相のMoBまた
    はWBを全体の10%容量とすることを特徴とする請求
    項5に記載のセラミックス発熱体。
  7. 【請求項7】 前記発熱体の両端に白金線を溶融接合し
    た電極部を持つことを特徴とする請求項1ないし6のい
    ずれかに記載のセラミックス発熱体。
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