JP4691293B2 - 改善された炭化ケイ素複合体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改善された複合体材料及びこの複合体材料を製造する溶融浸透方法に関するものである。さらに詳細には、本発明は、炭化ケイ素の少なくとも一部が好適には反応性浸透によって製造される炭化ケイ素複合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化ケイ素複合体は、３５年以上に亘り、反応性浸透技術によって製造されていた。一般に、このような反応性浸透プロセスは、真空または不活性雰囲気下で溶融シリコンと炭化ケイ素及び炭素を含む多孔性塊とを接触させることを含む。湿潤状態が生成されると、その結果溶融シリコンが多孔性塊に毛管作用によって引っ張られ、そこで溶融シリコンは炭素と反応して、追加の炭化ケイ素を形成する。この現場での炭化ケイ素は、代表的には相互に結合している。通常、高密度体が望ましいので、プロセスは一般に過剰なシリコンの存在下で行われる。従って、得られる複合体本体は、炭化ケイ素及び未反応のシリコン（このシリコンもまた、相互に結合している）を含んでおり、省略記号でＳｉ／ＳｉＣとして参照されてもよい。このような複合体本体を作製するために使用されるプロセスは、「反応形成」、「反応結合」または「反応性浸透」のように置き換えて参照される。
【０００３】
この技術の最も早い実施の１つにおいて、Ｐｏｐｐｅｒ（米国特許第３，２７５，７２２号）は、炭化ケイ素粒子の多孔性塊内にシリコンを浸透させることによる自己結合炭化ケイ素本体を生成し、真空中１８００〜２３００℃の温度で粉末グラファイトを生成した。
【０００４】
Ｔａｙｌｏｒ（米国特許第３，２０５，０４３号）もまた、炭化ケイ素及び遊離炭素を含む多孔性体にシリコンを反応性浸透させることにより、高密度炭化ケイ素体を生成した。Ｐｏｐｐｅｒとは異なり、Ｔａｙｌｏｒは最初に、本質的に粒状の炭化ケイ素から成る予備成形品を作製し、次いで、制御された量の炭素を成形体に導入した。彼の発明の１つの実施形態において、Ｔａｙｌｏｒは炭化可能な樹脂の形態の炭素を加え、次いで、炭化ケイ素及び浸透された樹脂を含む塊を加熱して、樹脂を分解（炭化）させた。次に成形された塊は、シリコンの存在下少なくとも２０００℃の温度で加熱され、シリコンを成形塊の細孔に侵入させ、導入された炭素と反応して炭化ケイ素を形成した。
【０００５】
Ｈｉｌｌｉｇ及び彼の共同研究者は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社において異なるアプローチを行い、炭素繊維予備成形品を反応性浸透させることにより、繊維状のＳｉ／ＳｉＣ複合体を生成した。
【０００６】
ごく最近、Ｃｈｉａｎｇほか（米国特許第５，５０９，５５５号）は、シリコン合金浸透材の使用による炭化ケイ素複合体の製造を開示している。合金によって浸透される予備成形品は、炭素から成ることができ、或いは、金属状Ｍｏ、ＷまたはＮｂ；炭化物状ＳｉＣ、ＴｉＣまたはＺｒＣ；窒化物状Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＮまたはＡｌＮ；酸化物状ＺｒＯ₂またはＡｌ₂Ｏ₃；金属間化合物状ＭｏＳｉ₂またはＷＳｉ₂、又はこれらの混合物のような少なくとも１つの他の材料と結合した炭素から本質的に成ることができる。液体浸透材は、シリコン及び金属例えばアルミニウム、銅、亜鉛、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、クロム、チタン、銀、金、白金及びこれらの混合物を含む。
【０００７】
Ｃｈｉａｎｇほかの発明における好適な実施形態において、予備成形品は多孔質炭素予備成形品で良く、液体浸透材合金は、約９０原子％〜約４０原子％の範囲のシリコン及び約１０原子％〜約６０原子％の範囲のアルミニウムを含むシリコン−アルミニウム合金で良く、炭素予備成形品はシリコン−アルミニウム合金と約９００℃〜約１８００℃の範囲の温度において十分な時間接触することができ、これにより、多孔性炭素の少なくとも一部が反応して炭化ケイ素を形成する。冷却する際に、形成された高密度複合体は、炭化ケイ素及び少なくとも一つの相例えば例えばシリコン−アルミニウム合金、シリコン及びアルミニウムの混合物、実質的に純粋なアルミニウムまたはその混合物を含む相集合体によって特徴づけることができる。
【０００８】
多量の炭素を含む予備成形品に多数の成分から成る液体を浸透させる際の１つの問題は、予備成形品内のある場所から他の場所へ移動する場合だけでなく浸透の過程に亘り、浸透材の化学的性質が著しく変化することである。Ｃｈｉａｎｇほかの表３は、この点を示している。ここで浸透材は、最初に約５４原子％のＳｉ、４６原子％のＣｕとして開始されるが、炭素予備成形品への浸透後には実質的に１００％Ｃｕであった。このような著しい組成の変化は、処理を困難とする。この同じ表から、浸透材合金が３０原子％のＳｉ、７０原子％のＣｕから開始される場合、浸透を達成するためには圧力が要求されることが明らかにされた。圧力浸透は、加圧しない浸透技術よりも非常に複雑で高価な機器を必要とし、通常、圧力浸透によって製作できる部材の大きさ及び形状はより限定されている。従って、特に明記しない限り、本発明は加圧をしないシステムに限定されないが、本発明の浸透は圧力の適用を必要としないことを意味する。
【０００９】
Ｃｈｉａｎｇほかは、彼らの方法が、付加的な機械加工ステップを必要とせずに、非常に網形状に近い複合体の製造を可能とすると述べている。彼らは、反応し予備成形品表面上に残っている残余の未反応液体浸透材合金を除去するための多数の非機械的技術を記載している。具体的には、Ｃｈｉａｎｇほかは、浸透に続いて、予備成形品表面上の過剰の液体合金を蒸発又は揮発させるのに十分な温度まで加熱してもよいと述べている。あるいは、反応した予備成形品を過剰な未反応液体浸透材が溶解したエッチング液中に浸漬し、反応した予備成形品をそのままにしておいてもよい。さらに、反応した予備成形品を、未反応の液体浸透材合金と化学的に反応性である例えば炭素又はＴｉ、Ｚｒ、ＭｏまたはＷのような金属の粉末と接触させてもよい。
【００１０】
米国特許第５，２０５，９７０号において、Ｍｉｌｉｖｏｊ Ｂｒｕｎほかも、浸透プロセスによる炭化ケイ素体の生成に続く過剰な浸透材を除去することに関連している。具体的には、Ｂｒｕｎほかは、反応生成体を炭素フェルトのような浸透材「吸上げ手段」と接触させている。一般に、吸上げ手段は、浸透材が溶融する温度で固体である浸透材湿潤可能な材料の多孔性体を含んでもよい。好適には、吸上げ手段は、反応生成体に残っている毛管より少なくとも大きい又はより大きい毛管を有する。従って、孔に充填される反応生成体中の浸透材は、吸上げ手段に引き寄せられ反応生成体中の孔を離れる代わりに、反応生成体中に残る。
【００１１】
過剰に付着したシリコンを除去する問題に対するＢｒｕｎほかの「吸上げ手段」溶液は、恐らく有効なものであるが、形成した複合体を吸上げ手段と接触させ上述の液相線温度を超える温度に再加熱する付加的なステップを必要とする。形成した炭化ケイ素複合体本体に付着した残余の浸透材を除去し、或いはその割合を少なくとも最小にすることが必要である。
【００１２】
本発明の目的は、網形状に近い炭化ケイ素複合体を生成することであり、これにより、最終製品に必要な寸法を達成するのに必要な研摩量及び／又は必要な機械加工を最小にすることである。
【００１３】
本発明の目的は、改善された強靱性を有する炭化ケイ素複合体を生成することである。
【００１４】
本発明の目的は、増大された熱伝導率を有する炭化ケイ素複合体を生成することである。
【００１５】
本発明の目的は、その熱膨張係数が炭化ケイ素の熱膨張係数以上であり、かつ目的に適用できる炭化ケイ素複合体を生成することである。
【００１６】
本発明の目的は、シリコンを含んだ浸透材材料の液相線温度を超える、しかし僅かにのみ超える温度において、炭化ケイ素複合体を生成することである。
【００１７】
本発明の目的は、純粋なシリコンの融点より実質的に低い温度において、炭化ケイ素複合体を生成することである。
【００１８】
本発明の目的は、ホウ素含有バリア材を必要とせず、或いは浸透の程度を制御する高価な金型を有しない炭化ケイ素複合体を生成することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明のこれらの目的及び他の望ましい特性は、反応性浸透によって複合体を作製する際に使用される多数の処理状態の慎重な制御を通して達成される。本発明に関して、これらの処理条件で最も重要なものは、浸透化学である。具体的には、本発明によれば、浸透材は少なくとも２成分を含み、かつ、少なくとも１成分はシリコンを含む。
【００２０】
シリコンは、凝固に際し体積が正味約９パーセント膨張することが示されている。従って、本発明の一態様によれば、凝固時に正味の体積が収縮する材料とシリコンとの合金を作ることにより、凝固時に正味の体積変化が実質的に起こらない残余の浸透材成分を有する炭化ケイ素複合体を生成することが可能である。従って、固化による孔及び固化による浸透材成分のしみ出しを示さない炭化ケイ素複合体の製造が実現できる。
【００２１】
炭素は、浸透を増強するために、しばしば透過性の塊に加えられる。（特に明記しない限り、用語「透過性塊」は、用語「予備成形品」を含むものと理解されたい。）しかし、このような合金化の１つの効果は、浸透材が透過性の塊または予備成形品を浸透させる時に、かつ浸透材合金のシリコン成分が浸透材合金内に含まれる炭素と反応して炭化ケイ素を生成するときに、浸透材の化学組成に変化が生じることである。従って、本発明者らは、浸透される透過性塊の炭素含有量を比較的低いレベルに保つ意義及び重要性を見出したものである。好適には、透過性塊中の遊離炭素を、信頼できる方法で完全な浸透を達成するために必要な低い量に保つことであり、しかし、予備成形品（例えば自立の透過性塊）が使用される際に、炭素のバインダー品質を過度に妥協することは行わない。このように、大きい塊は浸透材合金の最小の組成変化で浸透することができ、これにより、塊全体に亘り比較的均一な組成物の分散する合金相を有する炭化ケイ素複合体が得られる。
【００２２】
多成分浸透材組成物の使用は、凝固の際に体積変化（膨張又は収縮）がゼロ又は殆どゼロである合金組成を有する複合体を生成する能力を超えて、付加的な利点を有する。
【００２３】
例えば、本発明の主要な他の態様において、一つ以上の異なる基本的成分と共にシリコン浸透材を合金化することにより、浸透材の融点を実質的に低下させることができる。この点に関して望ましい合金元素は、アルミニウム、ベリリウム、銅、コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、スズ、亜鉛、銀及び金を含む。低下した融点又は液相線温度は、浸透がより低い温度で行われるのを可能とする。したがって、約１４００℃の最高浸透温度が選択できる。例えば、浸透材がシリコン−アルミニウム合金を含むとき、約１１００℃から約１３００℃の温度範囲で一部の元素状炭素を含む多孔性塊を浸透させることができる。比較のために、浸透材が本質的にシリコンから成るとき、シリコンの融点である約１４１２℃以上に少なくとも維持しなければならず、溶融物は十分に流体であるように、しばしば実質的に融点以上に維持しなければならない。より低い温度で動作することができる最も重要な結果の一つは、低温において浸透が透過性塊の境界でより確実に終了するという発見である。さらに、透過性塊を支持し液体浸透材を閉じ込めるために高価なグラファイト押型を使用しなければならない代わりに、セラミック微粒子のゆるい塊のようなより安価な材料を使用してもよい。したがって、低温で浸透を行うことにより、時間及びエネルギーを節約することは言うまでもなく、プロセスに亘り作業者により多くの制御性を与える。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の方法によれば、少なくとも一部の炭素を含む透過性塊は、シリコンを含む溶融した多成分合金に浸透される。浸透の間少なくとも一部の箇所で、浸透材合金のシリコン成分は透過性塊中の少なくとも一部で炭素と化学的に反応して炭化ケイ素を形成する。おそらく幾分組成が修正されるが、一般に一部の合金材料は、浸透体に残り、その全体に分布する。このようにして形成した本体はその場で炭化ケイ素を含み、従って、残余の合金は複合体である。
【００２５】
シリコン合金の始めの量が透過性塊の間隔を満たすために不十分な場合、本体内の少なくとも一部の残余の未反応合金は、分離した孤立ポケットとして分布していてもよい。通常、過剰な浸透材材料が透過性塊に供給され、複合体内の残余の合金が相互に結合する。
【００２６】
本発明は、透過性被浸透体内或いは浸透材料の本体と本体に隣接する塊との界面において、多成分浸透材の１つ、数個又は全ての成分を置換することを強調する。好適には、浸透材材料の成分は、合金としておそらくインゴット又は他のバルク形態で提供されるが、次にこれらの成分は、浸透される透過性塊に接触される。浸透材材料は浸透される透過性塊に直接接触して配置されてもよく、あるいは、浸透材材料は透過性塊から実質的に隔離されていてもよく、吸上げ手段は浸透材材料と透過性塊との間に配置され、溶融した浸透材材料が透過性塊の方へ移動する通路又は導管を生成する。吸上げ手段は、溶融浸透材材料に濡らされ、炭化ケイ素に好適な殆どの材料であってもよい。
【００２７】
本発明は、その場で炭化ケイ素を生成することを意図する。従って、多成分浸透材材料の少なくとも１つの成分は、シリコンを含む。他の成分は、処理中又は最終形態又は得られる複合体の性質において望ましい効果を生ずることができる種々の成分であってもよい。例えば、非シリコン成分は、純粋なシリコンの融点より低い液相線温度を有する合金を生じてもよい。低下した液相線温度は、浸透がより低い温度で行われるのを許容し、これにより、浸透材が予備成形品または透過性塊の境界を超えて支持材料を浸透する傾向を減少するのみならず、エネルギー及び時間を節約する。反応性のシリコン成分とともに透過性塊に浸透する非シリコン成分は、得られた複合体本体の優れた性質、例えば強度または強靱性の増大を生成してもよい。それほど浸透する非シリコン成分はまた、凝固の際にシリコン相の膨張と釣り合ってもよく、多くの見地からの望ましい結果は、後で更に詳細に議論する。有利な特性の一つ以上を成し遂げる基本的な非シリコン成分は、アルミニウム、ベリリウム、銅、コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、スズ、亜鉛、銀、金、ホウ素、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ストロンチウム、ゲルマニウム、鉛、チタン、バナジウム、モリブデン、クロム、イットリウム及びジルコニウム等の金属及び半金属を含む。好適な成分は、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、コバルト及びチタンを含む。アルミニウム及び銅は、特に好適である。
【００２８】
全ての３つの望ましい特性を成し遂げるものとして特定された合金化元素の１つは、アルミニウムである。本発明者らは、一部のアルミニウム相を含む炭化ケイ素複合体本体が、残余の未反応のシリコンを含む炭化ケイ素複合体より実質的に強靭なことに注目した。さらに、本発明者らは、複合体本体の残余の浸透材成分が約４０〜６０重量パーセントのシリコン及び６０〜４０パーセントのアルミニウムを含むとき、残余の浸透材相の容積変化が実際にゼロであるということを発見した。特に好適な実施形態において、炭化ケイ素微粒子及び約１〜数重量％の炭素を含む予備成形品は、約１１００℃でおおよその真空において容易に浸透され、ほぼ等しい重量割合のシリコン及びアルミニウムを含む浸透材合金は、炭化ケイ素並びに約４０〜４５重量パーセントのシリコン及び残余のアルミニウムの組成を有する残余の合金を含む複合体本体を生成する。加えて、本発明者らは、約１１００℃のより低い浸透温度で、炭化ケイ素微粒子のゆるい塊が、溶融した浸透材によってそれ自身が浸透されることなく、浸透される透過性塊または予備成形品を支持するために使用できるということを発見した。この発見は、加熱操作を非常に単純化し、高価なグラファイト取付具及び設備の必要を取り除く。
【００２９】
一般に、浸透が行われる温度は、浸透が速く及び確実に起こる最も低い温度である。一般に、温度が高くなればなるほど、より多くである、浸透はより強くなる。不必要に高い浸透温度は、エネルギーコスト及び余分な加熱及び冷却時間が必要であるばかりでなく、それどころか望ましくない反応が起こってしまう。中程度の温度で不活性かつ非浸透性であると通常考えられている多くのセラミック材料（例えば酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素）は、特に真空下、高い温度（例えば約１５００℃以上）でその不活性な性質を失い、或いはシリコンによって浸透される。したがって、浸透される透過性塊を収容するか又は支持し、支持材料への過浸透の程度あるいは反応を最小にすることは、相当な挑戦となる。このような過浸透は、過浸透された材料が浸透塊に結合し、これにより、その除去のために高価な研摩またはダイヤモンド機械加工を必要とする。不必要に過度な浸透熱に関する他の問題は、非シリコン成分がシリコン成分より高い蒸気圧を有し、このような成分が浸透材合金から容易に蒸発して合金の化学組成を変え加熱炉を汚染するという望ましくない問題を生じることである。
【００３０】
シリコン含有合金の浸透が行われる雰囲気は、通常不活性であるか僅かに還元性である。従って、アルゴン、ヘリウム、成形ガス及び一酸化炭素が使用されてもよい。しかしながら、少なくとも信頼性を促進し或いは浸透の堅牢性の見地から、真空環境が好適である。
【００３１】
もちろん、シリコン含有浸透材によって浸透される塊または予備成形品は、その場所の処理条件下で浸透材に透過性であるものでなければならない。例えば約２１５０℃の十分高い温度を与えることにより、加圧しない方法（例えばＡｌｌｉｅｇｒｏほかの米国特許第３，９５１，５８７号を参照）において、純粋な炭化ケイ素はシリコンによって浸透することができる。しかし、より一般的には、透過性塊は処理を容易にするために元素状又は遊離の炭素を含む。存在する炭素が増えれば増えるほど、より多くの炭化ケイ素がその場で生成される。多量の炭素を含む透過性塊を化学反応的に浸透させることは可能であるが、これは本発明の状況においては一般に望ましくなく、その理由は、浸透材合金が予備成形品内の１つの区域から次へとあまりに多く変化するためである。大きな組成の変化は、通常少なくとも２つの理由のために望ましくない：第１に、組成が変化した合金組成物は、浸透される透過性塊をもはや濡らさないかもいれないためである。第２に、うまく充分に浸透された透過性塊は、所定時間ある昇温下で維持しなければならず、これにより、浸透材相の成分の分布が均一になるためである。多量成分のために、このような「アニーリング時間」は、非実用的であるほど長い。
【００３２】
多量の炭素を含んでいる塊を浸透させることは確かに可能であるが、本発明で好適なのは約２５重量％未満、より好適には約１０重量％未満の炭素を含む透過性の塊である。一部の実施例で示され、本発明によって意図される代表的に選択された生成物では、特に好適な範囲は約１重量％〜５重量％である。
【００３３】
透過性塊の残部は、プロセス条件下で実質的に不活性である一つ以上の材料、例えば「充填剤」を含んでもよい。本発明で使用される充填剤の候補には、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃ、ＴｉＣ及びＷＣのような炭化物；Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＮ及びＡｌＮのような窒化物；ＳｉＢ₄、ＴｉＢ₂及びＡｌＢ₂のようなホウ化物；及びＡｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯのような酸化物が含まれる。充填剤の形態は、生成できる種々のもの、例えば微粒子、細糸、栓球、フレーク、中空の球体、その他何でもあってもよい。充填剤本体は、その大きさがサブミクロン〜数ミリメートルまでの範囲でよく、一般には数ミクロン〜数十ミクロンの範囲である。異なる大きさを有する充填剤本体は、例えば粒子パッキングを増大するために混合されてもよい。
【００３４】
本発明者らは、上述の材料の多くが合理的な浸透条件の下でシリコン含有溶融物によって本質的には浸透できないと認識している。したがって、これらの材料の一部は、後に詳述するように、埋設材として使用されてもよい。しかし、シリコン含有浸透材材料に対して湿潤可能及び／又は反応性であるコーティング材料例えば炭素を適用することにより、少なくともある程度の浸透性は達成できる。
【００３５】
一つ以上の充填剤を含む透過性塊は、そのパッキング又は理論的密度に関して、かなり変動してもよい。例えば、フレークまたは網状構造体を含む透過性塊は、わずか５〜１０％の密度であってもよい。他の極端な場合では、焼結された予備成形品は、９０〜９５％の密度であってもよい。予備成形品が浸透材材料によって濡らされることができ、相互に結合した空隙を含む限り、浸透により本発明の複合体を形成することができるものである。
【００３６】
一方、通常浸透させるのが難しい充填剤例えば酸化物を浸透させようとするときには特に、炭素成分の形態が重要である。微粒子形態での炭素が炭化ケイ素塊を浸透させることができてもよいが、炭素が網状にされ、ネットワークまたは骨格構造体を形成する他の充填剤が必要とされてもよい。特に好適であるのは、充填剤本体へのコーティングの形態である炭素である。炭素のこのような形態は、例えば樹脂のような液体形態の透過性塊に炭素を導入することによって達成できる。このような炭質樹脂を含む透過性塊は、熱処理されて分解され、又は樹脂を熱分解して固体炭素例えばグラファイト、無定形炭素またはこれらの組合わせとなる。多数の炭質樹脂が入手でき、エポキシ樹脂、フェノール樹脂及びフルフリルアルコールが含まれる。しかし、糖ベースの樹脂が好適である。これらの樹脂は、水ベースであり、環境及び人間の健康に関してかなり「扱い易い」ものである。特に好適であるのは、フラクトースから作られる水性樹脂である。
【００３７】
浸透プロセスを援助することに加えて、炭質樹脂によって演じられる重要な他の役割は、バインダーの役割である。充填剤のゆるい塊を浸透させることはできるが、より好適な経路は、特に目的が独特な部材で所望の形状を有している場合、自立の予備成形品を使用することである。一般に、充填剤のゆるい塊は、バインダー、好適にはここで炭質バインダーが混合され、次に、当業界で既知の技術を使用して、押圧、成形又はモールドして所望の形状とする。次いで、バインダーを硬化させ、形成された自立本体とする。
【００３８】
他の実施形態において、種々の透過性塊の浸透性の相違における慎重な観察により、これらの相違を引き立つように利用されるのが可能となった。具体的には、プロセス条件下で実質的に非浸透性である材料は、浸透される透過性塊を支持する埋設材料として使用することができる。埋設材料が通常グラファイト押型または「ボート」より非常に安価なので、この結果は重要である。
【００３９】
慎重な観察及び実験を通して本発明者らは、浸透が起こる傾向があるか増強されるか、これらの条件下で浸透が起こる傾向にないか抑制されるかの一般的な条件（または条件を変える傾向）を示した。例えば、炭素が他の元素に化学的に結合しているよりはむしろ元素状態で存在しているとき、本発明者らはシリコンを含む浸透材の透過性塊への反応性浸透は、より強く起こることを見出した。さらに、分離した粒子形態に対して、元素状炭素が三次元的に相互結合する形態で存在するとき、浸透はより強い。透過性塊が元素状炭素以外の成分、例えば窒化アルミニウムを含むとき、三次元的に相互に結合した元素状炭素相は、例えば窒化アルミニウム本体の少なくとも一部のコーティングとして存在することができる。さらに、浸透の温度が増大されるとき、対応温度（例えば溶融温度の百分率又は比）のみならず絶対温度に関しても、浸透はより強い。さらに、アルゴンのような希ガス雰囲気に対して真空下で実施されるとき、浸透はより強い。
【００４０】
従って、これらのパラメーターで、浸透セットアップを設計することができ、これにより、浸透される第１の透過性塊は少なくともこの透過性塊とは異なる透過性塊により支持され、液体浸透材は、支持透過性塊ではなく第１の透過性塊を浸透することができる。
【００４１】
例えば炭化ケイ素を含む透過性塊は、シリコン溶融物によって浸透でき複合体を生成することが周知である。しかし遊離炭素がない場合、炭化ケイ素はシリコンの融点より十分高い温度においてのみシリコンによって確実に浸透される（例えば「シリコナイジング」）。シリコンの融点より僅かに高い温度で、浸透はむしろ困難となる。アルミニウムのような金属がシリコンと合金を作るならば、融点または液相線温度は低下され、処理温度は同様に低下し、さらに浸透の傾向を減少する。これらの条件下で、このような炭化ケイ素材料が埋設材料又はバリア材料として使用することができる。炭化ケイ素を埋設材料として使用する一つの望ましい態様は、不純物または汚染が問題となる状況（例えば半導体への応用）であり、得られる炭化ケイ素複合体が異質な又は付加的な汚染物に露出することなく浸透される透過性塊として使用されるように、炭化ケイ素の同じソースを埋設材料として使用することができる。
【００４２】
逆に、直前で記述されたように、同じ浸透条件下で、シリコン含有合金は、特に元素状炭素が網状構造体で三次元的に相互結合している場合、比較的低い処理温度で遊離の炭素を含む炭化ケイ素塊を浸透してもよい。炭素が透過性塊に樹脂として添加され、この樹脂が続いて熱分解されるとき、上述のような構造が得られるかもしれない。したがって、このような遊離炭素を含まない炭化ケイ素微粒子の埋設層上に元素状炭素を加えて炭化ケイ素を含む透過性塊を支持することは可能であり、シリコン含有浸透材材料で透過性塊だけを浸透させることが可能である。さらに、シリコン−アルミニウム合金は、遊離炭素を分離して含む透過性塊と相互結合形態とを区別できるので、このような合金は、遊離炭素の分離した粒子を含む塊ではなく、網状の炭素を含む塊を浸透させることができる条件が見出されてもよい。
【００４３】
この結果は、浸透材材料、予備成形品又は浸透される透過性塊を直接指示する例えば押型又は「ボート」のようなグラファイト構造体を必要としないので、重要である。このような大型のグラファイト構造体は、高価であるばかりでなく、シリコン含有浸透材はグラファイトと反応し結合する傾向があり、これにより、浸透材の分離及び回収が困難となる。特にグラファイトボートは、しばしば損傷を与えられ、あるいは破壊さえされる。さらに、このような分離及び回収は、金属相の硬化効果なしでは比較的脆い複合体に損傷を与える結果となる。結合効果を防止するか最小にするために、例えば窒化ホウ素の保護コーティングをグラファイトボート又は予備成形品表面に接触させて施すことは可能であるが、例えば所定の半導体用途の成形体におけるエンドユーザは、ホウ素の存在の可能性を容認することはできない。さらに、窒化ホウ素コーティングは、特により高い浸透温度では強い浸透材バリアでなく、コーティングでの小さい割れ目は、しばしば浸透材が浸透するのを許容し、下層のグラファイト材料の大きな区域と反応するのを許容する。したがって、本発明はグラファイトトレーまたはボートが埋設材料を支持するために使用されることを許容し、次に埋設材料は浸透される透過性塊および／または浸透材材料を支持する。当業界のこの進歩は、グラファイト構造体がスクラップとして廃棄されるよりむしろ、引き続く浸透作業で再利用されるのを可能とする。
【００４４】
シリコンは、凝固時に約９パーセントの正味の体積が膨張することが示されている。したがって、本発明の重要な他の態様に従って、金属のように凝固時に正味の体積が減少する成分とシリコンとの合金を作製することによって、複合体内の残余の浸透材材料が凝固時に実質的に正味の体積変化を起こさない複合体本体を生成することが可能である。したがって、金属相の凝固空隙も凝固しみ出しも示さない炭化ケイ素複合体本体の製造を実現することができる。
【００４５】
アルミニウムの特に好適な合金元素は、単独で６．６体積％の凝固収縮を示す。真空環境の好適な条件下で相互結合した遊離炭素を含む炭化ケイ素透過性の塊の場合、浸透は約１０重量％シリコンから実質的に１００重量％シリコンまでの範囲の浸透材を使用して、達成することができる。従って、形成された炭化ケイ素本体の残余浸透材成分は、ほぼ１００パーセントのアルミニウムから実質的に１００パーセントのシリコンまでの範囲であってもよい。したがって、凝固時の残余浸透材材料の体積変化は、マイナス６．６パーセント（純粋なアルミニウムについて）〜プラス９パーセントの間で無限の可変性で作製できる。例えばマイナス５パーセント又はマイナス２パーセント又はマイナス１パーセントに凝固時の収縮を減少させることは有利であるが、凝固時の膨張をプラス９パーセントからおそらくプラス７パーセント、プラス５パーセント、プラス４パーセント、又はプラス３パーセント又はそれ以下に減少することは、非常に望ましくかつ有利である。もちろん、凝固時における浸透材の収縮／膨張の点から、この展望から、変化がゼロであるのが最も望ましい。
【００４６】
２つの状況のうち、凝固空隙への関心はより小さくてもよい。周到なレイアップデザイン及び過剰な浸透材又は浸透される塊を供給する浸透材のリザーバでは、複合体を凍結させる最後の領域が、本体外部から溶融浸透材材料で供給できる場合、凝固空隙は大部分避けることができる。時々、複合体本体の指向性凝固が、この所望の結果を達成するために使用される。
【００４７】
シリコン浸透が関係する反対の問題に、実際にしばしば遭遇する：すなわち、この場合、浸透材は凝固時に膨張し、複合体本体は材料の余分な体積を保持することができない。従って、複合体本体は、（直ぐに）過剰な浸透材をしみ出す。しみ出したシリコンは、それ自体の存在を溶滴またはビーズとして複合体本体の表面上に表し、しばしば複合体と強固に結合する。この厄介な材料は、付着した複合体に損傷を与える危険性を伴い、研摩またはグリットブラストによって除去されなければならない。また、この余分な製造ステップを行わないのも望ましいであろう。
【００４８】
シリコン成分の凝固膨張の重大な結果は、全複合体構造の可能な膨張であり、これにより、正味形状部分を生成する努力を複雑にしている。さらに悪いことには、このような凝固膨張が複合体本体に亀裂を生じるという危険があり、この危険は複合体本体の大きさが増すにつれて増大する。
【００４９】
したがって、凝固時に収縮する材料とシリコンとを合金化することにより浸透材材料のシリコン成分の凝固膨張を減少又は除去しさえする能力は、シリコン含有複合体材料の分野の重要な進歩を表す。このような複合体はしみ出したシリコンを除去する余分なステップを必要とすることなく製造することができるだけでなく、浸透条件においてより大きさが正確な複合体を製造することができる。その上、より大きい複合体は、今やその凝固温度を通して冷却の間、複合体内でシリコン相の膨張のために亀裂が生じる危険がより少なく生成される。
【００５０】
本発明は、以下の実施例及び比較例を参照してさらに詳細に記述される。
【００５１】
比較例（Ｉ）
この比較例は、反応結合したＳｉ／ＳｉＣ複合体本体の生成を示す。より詳細には、この比較例は、樹脂の先駆体から導かれる相互に結合した炭素相を含む炭化ケイ素予備成形品への、実質的に純粋なシリコンの浸透を説明する。
【００５２】
まず、予備成形品を次のように調製した。ＣＲＹＳＴＯＬＯＮブロック（レギュラー）状未処理の炭化ケイ素微粒子（Ｓｔ． Ｇｏｂａｉｎ／Ｎｏｒｔｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ， Ｗｏｒｃｈｅｓｔｅｒ， ＭＡ）１００重量部を、カロコーンシロップ（ＣＰＣ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．，Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ， ＮＪ）１５重量部と混合して結合させた。炭化ケイ素微粒子の内容は、約４４ミクロン（グレードＦ ２４０）の中央値粒径を有する約７０のパーセントの部分と、約１３ミクロン（グレードＦ ５００）の中央値粒径を有する残部とから成っていた。混合は、Ｍｏｄｅｌ ＲＶ０２ Ｅｉｒｉｃｈ高剪断ミキサーで次のように行われた：最初に、ＳｉＣ微粒子は、「低」速度で２分間混合された。次に、コーンシロップの半量が添加され、「低」速度でさらに１分間混合を継続した。次に、混合ボウルをこすり落すために混合は中断された。次に、コーンシロップの残りの半量を混合し、「低」速度でさらに１分間混合した。ボウルをこすり落す他の中断の後、「低」速度で２分間さらに混合を再開し、次いで「高」速度で１分間混合して終了した。
【００５３】
集塊をバラバラにするために、混合物を１６メッシュスクリーン（約１１８０ミクロンの平均開口）に通した。
【００５４】
次に、約５１ｍｍ平方、厚さ約１０ｍｍのクーポン試験片を、約２８ＭＰａの圧力下でスチールダイ中に一軸圧縮した。
【００５５】
ＳｉＣ微粒子及びコーンシロップを含む予備成形品は、ダイから取り出され、雰囲気が制御された炉に置かれた。市販の純粋な窒素が流れる雰囲気下で、予備成形品を毎時約１００℃の割合で約８００℃の温度に加熱した。この温度に約２時間維持した後、コーンシロップはほぼ完全に炭素に熱分解された。炉及びその内容物は、毎時約２００℃の割合で冷却された。ほぼ周囲温度に冷却した後、予備成形品を炉から回収して計算し（かさ密度に基づいて）、理論値の約６１パーセントの容積負荷を有していた。同様なサンプルの酸化を経た炭素分析により、予備成形品に遊離炭素が約２．５重量％存在することが示された。
【００５６】
次に、浸透プロセスを限定するレイアップを調製した。具体的には、約３７５ ｍｍ×約２９８ｍｍ、深さ約５１ｍｍのＧｒａｄｅ ＡＴＪグラファイトボート（Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｃｏｒｐ．，Ｃａｒｂｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｄｉｖ．，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ， ＯＨ）の内表面が、約３．１ｍｇ／ｃｍ²の割合又は厚さで窒化ホウ素スラリまたは塗料でコーティングされた。窒化ホウ素塗料は、ＬＵＢＲＩＣＯＡＴ窒化ホウ素ペースト（ＺＹＰ Ｃｏａｔｉｎｇｓ， Ｏａｋ Ｒｉｄｇｅ，ＴＮ）の４重量部と、水３重量部とを混合し、Ｍｏｄｅｌ ９５のＢｉｎｋｓスプレーガンを使用してスプレーコーティングすることによって調製された。
【００５７】
予備成形品４６グラムがコーティングされたグラファイトボート内に置かれた。０．５重量％（最大）のＦｅ及び残部Ｓｉを含み、塊状のシリコン約２３グラムを、予備成形品の頂部に置いた。ボートの頂部は、ＢＮでコーティングされた緩い（密封されていない）グラファイトの蓋で覆われた。
【００５８】
次に、完成されたレイアップは、ほぼ周囲温度（例えば約２０℃）で真空炉に置かれた。機械式の粗引きポンプを使用して空気を吸引し、およそ約２５ミリトルの残余圧力をその後維持した。次に、レイアップは、毎時約２００℃の割合で、周囲温度から約１３５０℃の温度まで加熱された。約１３５０℃の温度を約１時間維持した後、毎時約２００℃の割合で約１５５０℃の温度までさらに昇温させた。約１５５０℃の温度を約１時間維持した後、毎時約１００℃の割合で、約１４５０℃の温度まで降温させた。この温度を維持することなく、レイアップの温度をさらに毎時約２５℃の割合で約１３００℃の温度まで降温させ、直ちにおおよそ毎時約２００℃の割合でほぼ周囲温度まで冷却した。
【００５９】
炉内雰囲気は周囲の圧力に戻され、レイアップは炉から取り出された。レイアップの分解により、シリコンは完全に予備成形品に浸透し、炭化ケイ素及びシリコンを含む複合体本体を形成したことが明らかとなった。浸透が始まった表面で残余のシリコンをサンドグラストで除去した後、約２．８９ｇ／ｃｃの複合体本体の密度を水浸漬法によって測定した。ＳｉＣ及びＳｉの理論的な密度を使用して、本体は約６４体積％のＳｉＣ及び約３６体積％のＳｉのように計算された。
【００６０】
実施例２
比較例（Ｉ）の方法を繰り返し、主な違いは、浸透材がシリコンの塊の約半分がアルミニウムで置換されたことを特徴とした点である。したがって、不純物を除いて、浸透材は約５０重量％のシリコン及び約５０重量％のアルミニウムであった。また、この実施例で、浸透は比較例（Ｉ）より低い温度で行われた。
【００６１】
予備成形品及び浸透材の塊は、わずかに比較例（Ｉ）のそれらと僅かに異なり、それぞれ４４．８グラム及び２０グラムであった。加熱スケジュールでの相違に関しては、本実施例のレイアップは、毎時約２００℃の割合で、ほぼ周囲温度から約１０００℃の温度まで、真空で加熱した。約１０００℃の温度で約１時間維持した後、毎時約１５０℃の割合で、約１１５０℃に昇温した。約１１５０℃の温度で約４時間維持した後、レイアップは毎時約２００℃の割合で、周囲温度に近い温度に冷却した。
【００６２】
レイアップの分解により、浸透材は再び完全に予備成形品を浸透し、複合体本体を形成したことが判った。明らかに、形成された本体の表面から過剰な浸透材が滲みでることはなかった。複合体本体の密度も、約２．８９ｇ／ｃｃであった。
【００６３】
実施例３
この実施例は、炭化ケイ素複合体本体の選択された一部の物性について、浸透材の効果を示す。
【００６４】
２つの同一な予備成形品は、比較例（Ｉ）で詳述された材料及び手順を使用して作製した。高温分解に続いて、各予備成形品は、約７０体積％のＳｉＣ及び約３重量％の元素状炭素を含んでいた。
【００６５】
予備成形品の一方であるサンプルＡは、比較例（Ｉ）に詳述した浸透材組成物及び熱処理スケジュールにより浸透した。他方の予備成形品であるサンプルＢは、実施例２に記述された浸透材組成物及び熱処理スケジュールにより浸透した。したがって、サンプルＡは名目上純粋なシリコンで浸透し、サンプルＢは名目上Ｓｉ−５０合金で浸透した。浸透に続いて、得られたＳｉＣ複合体本体は、その特徴を記述された。選択された性質は、表１に提供される。
【００６６】
【表１】

実施例４
この実施例は、多成分浸透材相を特徴とする炭化ケイ素複合体「Ｕ−チャネル」の製作を説明する。
【００６７】
予備成形品は、沈降成形プロセスにより調製した。具体的には、約２５部の液体を、１００部のＣＲＹＳＴＯＬＯＮブロック（レギュラー）状未処理の炭化ケイ素微粒子（Ｓｔ． Ｇｏｂａｉｎ／Ｎｏｒｔｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ， Ｗｏｒｃｈｅｓｔｅｒ， ＭＡ）と、８〜１２部のＫＲＹＳＴＡＲ ３００の結晶フラクトース （Ａ．Ｅ．Ｓｔａｌｅｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｄｅｃａｔｕｒ， ＩＬ）とに加え、スラリを形成した。炭化ケイ素微粒子は、約７０重量部のグレードＦ ２４０（約４４ミクロンの中央値粒径）及び残部グレードＦ ５００（約１３ミクロンの中央値粒径）から成っていた。固形物及び液体はプラスチック製のジャーに加えられ、約約４０時間回転混合した。スラリは、約７６０ｍｍの真空度で約５分間脱気した。スラリを成形する前に、約１５分間再び回転混合して、粒子を懸濁及び沈降した。
【００６８】
グラファイト支持板が、振動テーブル上へ置かれた。成形される所望の形状のキャビティを有するゴム押型は、ＪＯＹ皿洗い用界面活性剤 （Ｐｒｏｃｔｏｒ ａｎｄ Ｇａｍｂｌｅ， Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ， ＯＨ）の１０重量％水溶液から成る界面活性剤で濡らされた。次に、濡らされたゴム押型は、グラファイト板上へ置かれ乾燥された。スラリは、キャビティへ注がれた。振動が開始された。
【００６９】
微粒子が充分に沈降した後（約３時間）、振動を停止した。注型上部の残液は、スポンジで吸い取った。ゴム押型内のグラファイト板及び注型は、振動テーブルから約−１５℃の温度で維持される冷凍装置に移された。注型は、６時間で完全に凍った。
【００７０】
冷凍装置から凍った注型は取り出され、乾燥及びビスク焼成のためにグラファイトセッタートレー上へ置かれた。次に、グラファイトトレー及び予備成形品は、周囲温度で窒素雰囲気炉に置かれた。炉は、作動及びプログラムされ、約０．５時間に亘り約４０℃の温度に加熱され、約２時間約４０℃に保持され、次に、約５時間に亘り約６５０℃の温度に加熱され、約２時間約６５０℃で維持され、次いで、約５時間に亘り周期温度まで冷却される。ビスク焼成された予備成形品は炉から取り出され、浸透ステップまで保存された。この焼成操作は、フラクトースを熱分解し、約２〜３重量％の炭素を含む、良好に結合された予備成形品を生成した。
【００７１】
上述のステップは、「ビーム」予備成形品及び「Ｕ−チャネル」予備成形品を生成するために使用された。Ｕ−チャネル予備成形品は、約１８２ｇの塊を有し、全体の寸法は、長さ約７６ｍｍ、幅約６４ｍｍ、高さ約３８ｍｍであった。この予備成形品は、平らな底部と、この底部に対して直角で互いに平行で平らな２つの壁部とから成っていた。これらの底部及び壁部は、各々約１０ｍｍの厚さであった。ビーム予備成形品は、矩形のプリズムの形状であり、測定により長さ約８９ｍｍ、幅約１１ｍｍ、厚さ約３ｍｍであった。このビーム予備成形品は、Ｕ−チャネル予備成形品に溶融浸透材が浸透する間、導管としての役割を果たすであろう。
【００７２】
次に、浸透のためのレイアップが調製された。
【００７３】
図１Ａ及び１Ｂを参照すると、約２１６ミクロン（グレードＦ ９０， Ｓｔ． Ｇｏｂａｉｎ／Ｎｏｒｔｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ， Ｗｏｒｃｈｅｓｔｅｒ， ＭＡ）の中央値粒径を有するＣＲＹＳＴＯＬＯＮブロック状未処理炭化ケイ素微粒子１１は、約４００ｍｍ平方、高さ約５０ｍｍを有するグラファイトトレー１３へ注がれた。この炭化ケイ素微粒子埋設材料は、トレー中央よりもトレーの壁部に向かって僅かに高くなるように、グラファイトトレー内に配置された。
【００７４】
Ｕ−チャネル予備成形品（及び特にその底部部分）は、ビームに接触して置かれた。より具体的には、約１３ミクロンの中央値粒径を有するＣＲＹＳＴＯＬＯＮレギュラー未焼結炭化ケイ素微粒子（グレードＦ ５００，Ｓｔ．Ｇｏｂａｉｎ／Ｎｏｒｔｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）の約６７重量％及び残部がほぼ同じ重量割合である水及びＫＲＹＳＴＡＲ ３００のフラクトース （Ａ．Ｅ． Ｓｔａｌｅｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．）を含むスラリにより、Ｕ−チャネル予備成形品はビーム予備成形品の一端に固定された。フラクトースを炭化する熱分解サイクルに続いて、結合した予備成形品は、ＳｉＣ微粒子埋設材料上へ置かれ、Ｕ−チャネル予備成形品１２はより高い高さで、ビーム予備成形品１５の反対側の端部は低い高さに伸びている。
【００７５】
約６８重量％のシリコン及び残部がほぼ純粋なアルミニウムを含み、約６２ｇの全重量を有する浸透材材料の多数の小片１７は、低い高さでビーム予備成形品の下部に配置された。追加のＧｒａｄｅ Ｆ ９０のＳｉＣ微粒子は、浸透材材料１７の積層の周りにリング１９内で配置され、これにより、浸透材材料１７が溶融した時に範囲を限定するのを助ける。次に、グラファイトトレー及びその内容物は、非密閉性のグラファイト蓋を有するより大きなグラファイト容器（例えば「ボート」）内に置かれ、これによりレイアップを完成した。
【００７６】
レイアップは、真空炉内に置かれた。加熱チャンバは、機械式の粗引きポンプで１００ミリトル以下の圧力に排気された。次に、チャンバ及びその内容物は、約５時間に亘り、約４０℃から約１１００℃に加熱され、約１１００℃で約１時間保持され、次に、約１時間で約１２７０℃に加熱され、約１２７０℃で約４時間保持され、次いで、約６時間で約４０℃に冷却された。
【００７７】
この加熱スケジュールに続いて、ボート及びその内容物は真空炉から回収された。シリコン−アルミニウム合金は溶融し、ビーム予備成形品を通してＵ−チャネル予備成形品に浸透し、高密度の炭化ケイ素複合体本体を形成した。ビーム予備成形品はＵ−チャネル予備成形品に結合しておりダイヤモンドソーで切断して除去しなければならなかったが、予備成形品への合金の浸透は、良好に制御された。具体的には、ＳｉＣ微粒子埋設材料内に浸透は起こらず、浸透した予備成形品の表面から過剰な合金（溶滴その他）がしみ出ることもなかった。
【００７８】
実施例５
この実施例は、多成分浸透材相を特徴とする炭化ケイ素複合体空気含有支持体フレームの製作を説明する。この実施例も、比較的大きい複合体本体の製作を説明する。
【００７９】
空気含有支持体フレーム予備成形品は、実施例４で記述されたように、実質的に同じ堆積物注型スラリを使用する２つの縦断面で作製された。沈降注型及び凍結に続いて、予備成形品の半分は、過剰な水蒸気生成のために一部に亀裂が入るのを避けるために、注意深く制御して１５０℃まで加熱し、この温度で乾燥させた。次に、予備成形品の半分は、実質的に実施例４に記述された加熱により、窒素雰囲気で付加的な熱処理を行い、フラクトースバインダーを炭素に熱分解した。次いで、予備成形品が未焼結機械加工された。
【００８０】
未焼結機械加工の後、約１３ミクロンの中央値粒径を有するＣＲＹＳＴＯＬＯＮレギュラー未焼結炭化ケイ素微粒子（グレードＦ ５００， Ｓｔ． Ｇｏｂａｉｎ／Ｎｏｒｔｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）の約６７重量％及び残部がほぼ同じ重量割合である水及びＫＲＹＳＴＡＲ ３００の結晶フラクトース（Ａ．Ｅ．Ｓｔａｌｅｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．）を含むスラリにより、断面を互いに接着した。このスラリは約４時間回転混合された後、脱気された。予備成形品の合わせ面は、接着操作の間、幾分吸水を遅らせるためにＫＲＹＬＯＮラッカー （Ｂｏｒｄｅｎ， Ｉｎｃ．，Ｃｏｌｕｍｂｕｓ， ＯＨ）でスプレーコーティングされた。スラリは合わせ面の一方に施され、予備成形品の半分は光圧下に集められた。次に、結合された予備成形品は、接合領域でフラクトースを硬化させるために、１５０℃の乾燥器に戻された。結合ラインで少しの付加的な未焼結機械加工に続いて、空気含有予備成形品はおよその寸法で、長さ約５１１ｍｍ、幅約３５ｍｍ、高さ約７０ｍｍであり、質量は約２１４５ｇであった。
【００８１】
次に、レイアップが調製された。具体的には、約２１６ミクロンの中央値粒径を有するＣＲＹＳＴＯＬＯＮレギュラー未焼結炭化ケイ素微粒子（グレードＦ ９０，Ｓｔ．Ｇｏｂａｉｎ／Ｎｏｒｔｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）は、長さ約７９０ｍｍ、幅約２３０ｍｍ、深さ約５０ｍｍのグラファイトトレーへ注がれ、水平となり埋設材料を形成した。空気含有予備成形品は、埋設材料上に配置された。約６８重量％のシリコン及び残部がほぼ純粋なアルミニウムを含む浸透材合金の約８３６ｇを、近くに置いた。次に、グラファイトトレーは、レイアップを完了するために、非密閉性のグラファイト蓋を有するより大きなグラファイト容器内に置かれた。
【００８２】
このレイアップは、長さ約８５０ｍｍ、幅約２９０ｍｍ、高さ約２４０ｍｍであり、次に、真空炉に置かれ、約４時間の代わりに約６時間約１２７０℃に維持した点を除いて実質的に実施例４と同様に熱処理を行った。
【００８３】
熱処理に続いて真空炉からレイアップを取り出した後、合金浸透材は溶融し炭化ケイ素粒子埋設材料を横切って流れ（中へではなく）、空気含有予備成形品に接触し、予備成形品を浸透して炭化ケイ素複合体空気含有支持フレームを生成した。空気含有予備成形品に初期接触点で結合した残余の合金材があったが、支持フレームの他方の面は最初の予備成形品表面を正確に反射し、浸透材材料がしみ出したり表面に溜まることはなかった。
【００８４】
実施例６
各部材がシリコン−アルミニウム合金で浸透され反応性結合した炭化ケイ素複合体部分が形成するまで２部材の結合を行わない点を除いて、実施例５の記述にほぼ沿って、約１２０ｍｍ平方及び高さ約１９ｍｍの空気含有支持フレームを作製した。
【００８５】
図２は、浸透された条件で二つのより複雑な形状の断片を示す。
【００８６】
従って、実施例４〜６は、そのうちの１つは複雑な形状を有しているが、本発明による反応性浸透技術によって生成することができ、最終複合体は最初の予備成形品の形状及び表面を正確に置き換えることができる。
【００８７】
比較例１
コーンシロップを加え予備成形品を押圧する代わりに、透過性塊は炭化ケイ素微粒子のゆるい塊だけから成る点を除いて、実施例２の材料及び方法を実質的に繰り返した。Ｓｉ−５０Ａｌ合金が溶融し炭化ケイ素微粒子の表面を覆ったが、浸透は起こらなかった。
【００８８】
比較例２
約１５重量％のコーンシロップを炭化ケイ素粒子充填剤材料に加える代わりに、約１重量％のＥＬＶＡＣＩＴＥアクリル樹脂 （Ｔｈｅ ＤｕＰｏｎｔ Ｃｏ．， Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ， ＤＥ）を添加した点を除き、実施例２を実質的に繰り返した。浸透ステップの前の予備成形品加熱ステップの間に、樹脂の約９９．１％を除去した。再び、浸透は起こらなかった。
【００８９】
比較例３
１５重量％のコーンシロップを炭化ケイ素粒子に加え予備成形品を押圧する代わりに、約３重量％のＧｒａｄｅ ＫＳ−６グラファイト粉末 （Ｌｏｎｚａ， Ｉｎｃ．，Ｆａｉｒｌａｗｎ， ＮＪ）を前記粒子に混合した点を除いて、実施例２を実質的に繰り返した。浸透がより高温で起こったかもしれないが、この混合物のゆるい塊へのＳｉ−５０Ａｌ合金の浸透は、約１１５０℃の本発明による操作温度では起こらなかった。
【００９０】
比較例４
真空環境の代わりに、市販の純粋なアルゴンガスが流れる雰囲気を使用した点を除いて、実施例１を実質的に繰り返した。浸透は、起こらなかった。
【００９１】
比較例５
真空環境の代わりに、市販の純粋なアルゴンガスが流れる雰囲気を使用した点を除いて、実施例２を実質的に繰り返した。予備成形品の一部の領域は、合金材料で浸透しなかった。さらに、浸透した領域は、多孔性で不均一であった。
【００９２】
産業の適応性
本発明の方法及び組成物は、所定の剛性、低熱膨張係数、高強度、高熱伝導度および／または高い消耗耐性を必要とする応用例において、有用性を見出される。従って、本発明の炭化ケイ素複合体材料は、精密機器、ロボット工学、機械設備、外装、電子部品パッケージ、熱管理及び半導体製造工業に対して関与する。本発明による炭化ケイ素複合体材料は、摩耗臨界成分として有望な材料である。本発明が意図する製品は、半導体ウェハ操作装置、真空チャック、静電チャック、空気軸受ハウジング又は支持フレーム、電子回路パッケージ及び基板、工作機械ブリッジ及びベース、ミラー基板、ミラーステージ及びフラットパネルディスプレイセッターを含む。
【００９３】
通常の知識を有する当業者に明らかなように、請求の範囲から逸脱することなく、本発明の種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 実施例４による「Ｕ−チャネル」炭化ケイ素複合体を生成するのに使用する材料の配置を示す概略側面図である。
【図１Ｂ】 実施例４による「Ｕ−チャネル」炭化ケイ素複合体を生成するのに使用する材料の配置を示す概略平面図である。
【図２】 実施例６により生成された炭化ケイ素複合体空気支持フレームを示す写真である。

Claims (23)

1. 炭化ケイ素複合体材料を製造する方法であって、
   少なくとも１つの充填剤と約１０重量％以下の遊離炭素とを含む透過性塊を、提供するステップと、
   シリコン及びシリコン以外の少なくとも１つの金属又は半金属を含む浸透材材料を提供するステップと、
   前記浸透材材料を、その液相線温度を超えかつ約１４００℃以下の温度に加熱して、溶融浸透材材料を形成するステップと、
   前記溶融した浸透材材料を前記透過性塊に接触させるステップと、
   前記溶融した浸透材材料を前記透過性塊内に浸透させ、前記シリコンの少なくとも一部と前記遊離炭素の少なくとも一部とを反応させ、炭化ケイ素と、前記少なくとも１つの充填剤と、シリコン及びシリコン以外の少なくとも１つの金属又は半金属を含む残余の浸透材材料とを含む複合体本体を形成するステップとを含み、
   前記残余の浸透材材料は、凝固の際に約−５％〜約＋７％の範囲の体積変化を示す化学組成を有する、方法。
2. 前記透過性塊が少なくとも約１重量％の遊離炭素を含み、
   炭化ケイ素を含み、遊離炭素を実質的に含まない埋設材料で前記透過性塊の少なくとも一方の表面を支持するステップと、及び、
   前記溶融浸透材材料が前記埋設材料に接触するまで前記浸透を継続するステップとを含み、
   前記埋設材料は、前記埋設材料内への浸透を停止させ、これにより、前記浸透の範囲を画成する、請求項１に記載の方法。
3. 前記透過性塊は、予備成形品を含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記充填剤は、粒子、繊維、小板、フレーク及び網状構造体からなる群から選択される少なくとも１つの形態である、請求項１又は請求項２に記載の方法。
5. 前記浸透材材料は、シリコン及びアルミニウムを含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
6. 前記浸透材材料は、アルミニウム、銅、スズ、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも１つの元素及びシリコンを含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
7. 前記浸透は、非酸化性雰囲気又は真空環境で行われる、請求項１又は請求項２に記載の方法。
8. 前記の残余の浸透材材料は、凝固の際に約−２％〜約＋４％の体積変化を示す、請求項１に記載の方法。
9. 前記浸透材材料は、少なくとも１０重量％の前記シリコンを含む、請求項1又は請求項２に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの充填剤は、炭化物、ホウ素化合物、窒化物、及び酸化物からなる群から選択される物質を含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
11. 前記の少なくとも１つの充填剤は、ＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ＴｉＣ、及びＷＣからなる群から選択される炭化物を含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
12. 前記透過性塊は、約５重量％以下の遊離炭素を含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
13. 前記浸透は、約８００℃〜約１４００℃の範囲の温度で行われる、請求項２に記載の方法。
14. 前記遊離炭素が、糖ベースの樹脂が分解されたものである、請求項１に記載の方法。
15. 炭化ケイ素を含むマトリックス相と、
    少なくとも１つの少なくとも５９体積％の炭化ケイ素の充填剤と、
    及び、本質的にシリコン及び少なくとも１０体積％の、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎからなる群から選択される少なくとも１つの他の元素成分からなる合金とを備え、
    前記の各充填剤材料及び前記合金は前記マトリックス相全体に分布している、複合体。
16. 相互に結合した形態で少なくとも一部の炭化ケイ素を含む第１の相と、
    前記第１の相の全体に分布する残余の浸透材材料と、
    及び、前記第１の相全体に分布している少なくとも１つの少なくとも５９体積％の炭化ケイ素の充填剤とを備え、
    前記残余の浸透材材料はシリコン及び少なくとも１つの他の成分を含み、
    前記の残余の浸透材材料は、凝固の際に約＋７体積％以下の範囲で大きさを変える性質を有し、
    前記の残余の浸透材材料は、約１４１２℃以下の液相線温度を有し、
    前記充填剤は粒子、小板、フレーク及び歪んだ球体からなる群から選択される少なくとも１つの形態を有する、複合体。
17. 前記残余の浸透材材料は、凝固の際に約−１％〜約＋３％の範囲の体積変化を受ける、請求項１６に記載の複合体。
18. 前記残余の浸透材材料は、アルミニウム、亜鉛、スズ、及び銅からなる群から選択される少なくとも１つの金属を含む請求項１６に記載の複合体。
19. 空気軸受支持フレーム、ミラー基板、ミラーステージ、半導体ウェハチャック、工作機械ブリッジ、工作機械ベース、電子部品パッケージ、電子部品基板、フラットパネルディスプレイセッター及び半導体ウェハを取り扱う装置の構成要素からなる群から選択される製品であって、
    （ｉ）炭化ケイ素及び前記炭化ケイ素の全体に分布する残余の浸透材成分を含むマトリックス相と、
    及び
    （ｉｉ）前記マトリックスの全体に分布する少なくとも１つの少なくとも５９体積％の炭化ケイ素の充填剤とを含む複合体材料を備え、
    前記残余の浸透材成分は、シリコンと、アルミニウム、亜鉛及び銅からなる群から選択される少なくとも１つの少なくとも１０体積％の金属と、を含む、製品。
20. 前記少なくとも１つの充填剤は、粒子、繊維、小板、フレーク及び網状構造体からなる群から選択される少なくとも１つの形態である、請求項１９に記載の製品。
21. 前記複合体材料は、焼結された予備成形品を前記シリコン及び前記少なくとも１つの金属を含む浸透材で浸透することによって製造され、前記予備成形品は９０％までの密度である、請求項１９に記載の製品。
22. 前記炭化ケイ素は、少なくとも部分的に相互に結合している、請求項１９に記載の製品。
23. 前記の残余の浸透材成分は、少なくとも４０重量％の前記シリコンを含む、請求項１９に記載の製品。

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