JP3611345B2

JP3611345B2 - セラミック及びその用途

Info

Publication number: JP3611345B2
Application number: JP14028494A
Authority: JP
Inventors: 充茂小川; 浩二西村; 敏勝光永; 啓磯崎
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 1994-06-22
Filing date: 1994-06-22
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: JPH0812435A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はセラミック及びその用途に関する。詳しくは、耐酸化性と導電性に優れしかも抵抗温度特性が負特性を示さないβ型炭化珪素焼結体からなり、特にセラミックヒータとして好適なセラミックとそれで構成されたセラミックヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱風は、ニッケルクロム線等の金属発熱体をブロックガイシ等に組み込みブロックヒータ中に被加熱気体を通過させることによって発生させている。
【０００３】
しかしながら、ブロックガイシ等に組み込まれた金属発熱体は、比抵抗が小さすぎるので必要な電力に対して発熱面積を大きくかつ均一にすることが難しく、高温で酸化したり、ブロックガイシとの熱膨張係数の差が大きいために発熱時に変形したりする問題があった。
【０００４】
一方、熱風発生機用ヒータとしては、熱風の発生効率等の面から比表面積の大きなハニカム構造体が使用されているが、炭化珪素等の非酸化物系セラミックスを利用したヒータでは気孔率が２０％をこえると高温空気中で容易に酸化され、電気絶縁相となる酸化物が表面だけでなく内部にまで生成し、ヒータ性能が劣化する問題があった。また、炭化珪素ヒータは、その抵抗温度特性が１０００℃以下の低温域では負特性を示すので温度制御が困難になる問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、以上の問題を解消するものであり、耐酸化性と導電性に優れしかも抵抗温度特性が負特性を示さないセラミック及びこのセラミックで構成されたセラミックヒータを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、窒素及び／又は窒化物の合計を窒素分として１〜５重量％、金属珪素を１〜５重量％含み、室温比抵抗が１０Ωｃｍ以下のβ型炭化珪素焼結体からなることを特徴とするセラミック、及びこのセラミックで構成されてなることを特徴とするセラミックヒータである。
【０００７】
以下、更に詳しく本発明について説明する。
【０００８】
本発明において、β型炭化珪素焼結体のβ型結晶相の割合は１００％である必要はなく６０％もあれば十分である。残りはα型結晶相の多形２Ｈ、４Ｈ、６Ｈ等である。β型炭化珪素焼結体はα型炭化珪素焼結体に比べて室温比抵抗が小さいという利点がある。
【０００９】
本発明においては、β型炭化珪素焼結体は例えば以下のようにして生成させることができる。すなわち、炭化珪素の結晶相には数多くの多型があり、一般に六方晶のα型は２０００℃以上の高温で４Ｈ、６Ｈとして安定であるが、β型の３Ｃは１８００〜２０００℃程度の温度で４Ｈ、６Ｈのα型に転移するので、β型炭化珪素粉末原料からその焼結体を製造する際の焼成温度を１８００℃以下に調節することによって生成させることができる。他の方法は、反応焼結炭化珪素を温度２５００℃、窒素圧力３０ｋｇ／ｃｍ^２で焼なましすることによってα型からβ型に転移することが報告（Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ，６４，（１９８１）Ｃ１７７〜１７８）されているので、この技術を利用することも可能と考えられる。
【００１０】
本発明において、窒素及び／又は窒化物の合計を窒素分として１〜５重量％に限定したのは、１重量％未満では室温比抵抗と耐酸化性の改善効果が十分でなくなり、また５重量％をこえると窒化珪素等の絶縁相となる化合物が多くなって導電性が低下することによる。このような窒素及び／又は窒化物は、粒界相又は粒内に固溶あるいは単独、更には窒化珪素、炭窒化珪素化物等の化合物として存在する。
【００１１】
本発明において、金属珪素の含有量を１〜５重量％に限定した理由は、１重量％未満では抵抗温度特性を一定又は正特性にすることが困難となり、また５重量％をこえると機械的強度が低下する。金属珪素のかわりにニッケル等の金属を本発明のような割合で含ませてもその抵抗温度特性を一定又は正特性にすることができるが、耐酸化性が著しく低下し本発明の目的を達成することができない。
【００１２】
本発明のセラミックは、室温比抵抗が１０Ωｃｍ以下を有するものであり、これをこえるとヒータとしての機能が低下する。
【００１３】
本発明のセラミックは、室温比抵抗１０Ωｃｍ以下を有ししかも高温に曝されてもその比抵抗はほとんど変化しないという耐酸化性に優れたものである。しかも抵抗温度特性はいかなる温度域においても負特性を示さないものであり、これは従来の炭化珪素焼結体が１０００℃以下の温度域で負特性を示したこととは対象的である。
【００１４】
以上の特性を有する本発明のセラミックの用途としては、ダクトヒータ、大型ドライヤーの熱源に使用される熱風発生機用ヒータとして最適であり、更に暖房機器、乾燥機、焼成炉等に使用されるヒータとしても適している。
【００１５】
次に、本発明のセラミックの製造法について説明する。炭化珪素粉末原料としてはα型又はβ型のいずれでもよく、純度９５％以上、平均粒径５μｍ以下が好ましい。また、金属珪素粉末原料は平均粒径２０μｍ以下、純度９０％以上のものが好ましい。両者の配合割合は、炭化珪素粉末９５〜９９重量％、金属粉末１〜５重量％であり、ミキサー、ボールミル等の混合機を用いて混合する。
【００１６】
混合粉末の成形は、熱風の発生効率を高くするために比表面積を大きくできる形状が好ましく、多孔体ブロック又はハニカム構造体が最適である。例えば、多孔体ブロックを成形する方法としては、ウレタンフォームにセラミックスラリーを含浸させ乾燥後焼成してウレタンフォームを除去する方法、あるいは発泡させたセラミックスラリーを吸水性のある型に流し込み固化した成形体を焼成し気孔を形成させる方法がある。また、ハニカム構造体に成形するには、原料粉末に有機バインダを添加した混練物を押出成形法等により成形し焼成する方法等を採用することができる。
【００１７】
焼成は温度２０００℃以上で行われ、その際の昇温雰囲気を窒素ガス圧１ｋｇ／ｃｍ^２以上とし、降温雰囲気を減圧不活性ガス雰囲気又は真空中とする。焼成温度が２０００℃よりも低いと炭化珪素の結晶相をβ型とすることが難しくなる。焼成温度の上限は、耐熱容器等の設備の面から２３００℃程度が望ましい。
【００１８】
また、昇温時の窒素ガス圧を１ｋｇ／ｃｍ^２以上とする理由は、β型炭化珪素焼結体に窒素及び／又は窒化物を窒素分として１〜５重量％含ませるためであり、１ｋｇ／ｃｍ^２未満ではその量が少なくなって耐酸化性と導電性が得られなくなる。また、窒素ガス圧の上限については特に制限はないが、耐熱容器等の設備の面から１０ｋｇ／ｃｍ^２が望ましい。
【００１９】
更に、降温雰囲気を減圧不活性ガス雰囲気又は真空中とする理由は、炭化珪素の結晶粒界相に存在する金属珪素が降温時に窒化して電気絶縁性を示す窒化珪素となるのを抑制するためである。
【００２０】
【実施例】
次に実施例と比較例を挙げてさらに具体的に本発明を説明する。
【００２１】
実施例１
出発原料としてα型炭化珪素粉末（平均粒径０．８μｍ）９５重量％と金属珪素粉末（平均粒径６．７μｍ）５重量％との混合粉末１００重量部、水１７重量部、有機バインダーとしてメチルセルロースを５重量部を配合しニーダ混練機で４０分間混練した。
【００２２】
得られたセラミックスラリーを高圧真空押出成形機を用い成形圧力３０ｋｇ／ｃｍ^２で２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚み２ｍｍの板状テストピースを成形した。また、同様のセラミックスラリーを用い成形圧力６０ｋｇ／ｃｍ^２で外径寸法□１００ｍｍ、セル寸法２．５ｍｍ、リブ厚０．５ｍｍ、長さ１５０ｍｍのハニカム構造体を成形した。
【００２３】
得られた成形体を乾燥後４５０℃で脱脂し、昇温時の窒素ガス圧を９ｋｇ／ｃｍ^２として温度２１００℃×５時間焼成し、降温時の雰囲気を０．６ｔｏｒｒの真空中として焼成した。得られたセラミックについて以下の特性を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００２４】
（１）室温比抵抗：板状テストピースを用い４端子法により測定した。
（２）抵抗温度特性：板状テストピースを用い室温〜１２００℃で測定した。
（３）β型炭化珪素の割合（β化率）：板状テストピースのＸ線回折を行い以下により算出した。
β化率（％）＝１００／（１＋ａ＋ｂ）
但し、ａ＝４．５７Ｉａ／（１００−２．７２Ｉａ−０．６６５Ｉｂ）
ｂ＝２．５３Ｉｂ／（１００−２．７２Ｉａ−０．６６５Ｉｂ）
ここで、ＩａはＣｕＫα２θが３４．３°におけるピーク強度、Ｉｂは３４．９°におけるピーク強度であり、ＣｕＫα２θ＝３６．５°におけるピーク強度を１００とした場合の相対値である。
【００２５】
（４）窒素分含有量：板状テストピースを用いＬＥＣＯ社製Ｏ／Ｎ同時分析計で測定した。
（５）金属珪素量：板状テストピースを用いＸ線回折法により測定した。
（６）気孔率：ハニカム構造体を用いアルキメデス法により測定した。
（７）耐酸化性：ハニカム構造体の端面に銀電極を形成した後、初期抵抗と大気中、１２００℃×１００時間処理後の抵抗を測定した。
【００２６】
実施例２
出発原料として平均粒径１．２μｍのβ型炭化珪素粉末９８重量％と平均粒径６．７μｍの金属珪素粉末を２重量％の混合粉末を使用したこと以外は、実施例１と同様にしてセラミックを製造した。
【００２７】
比較例１
出発原料として平均粒径０．８μｍのα型炭化珪素粉末のみを用いたこと以外は、実施例１と同様にしてセラミックを製造した。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、耐酸化性と導電性に優れしかも抵抗温度特性が負特性を示さないβ型炭化珪素焼結体からなるセラミックが提供される。
【００３０】
本発明のセラミックは、抵抗温度特性が一定又は正特性を示し温度制御が容易でしかも優れた耐酸化性を有することから、ダクトヒータ、大型ドライヤーの熱源に使用される熱風発生機用ヒータとして最適であり、更に暖房機器、乾燥機、焼成炉等に使用されるヒータとしても適している。

Claims

窒素及び／又は窒化物の合計を窒素分として１〜５重量％、金属珪素を１〜５重量％含み、室温比抵抗が１０Ωｃｍ以下のβ型炭化珪素焼結体からなることを特徴とするセラミック。
窒素及び／又は窒化物の合計を窒素分として１〜５重量％、金属珪素を１〜５重量％含み、室温比抵抗が１０Ωｃｍ以下のβ型炭化珪素焼結体からなることを特徴とするセラミックヒーター。
α又はβ型炭化珪素粉末９５〜９９重量％と金属珪素粉末１〜５重量％との混合原料を焼成温度２０００℃以上、昇温雰囲気ガスとして、窒素ガス圧９８ｋＰａ以上、降温雰囲気ガスとして、減圧不活性ガス又は真空中とするβ型炭化珪素焼結体からなることを特徴とするセラミックの製造方法。