JPH01201087A - 多孔質炭化ケイ素材料の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多孔質の炭化ケイ素質セラミックス材料を製
造する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

炭化ケイ素質材料は、硬度、耐熱性、耐食性等にすぐれ
た材料として近年注目されており、摺動材料、高温用機
械材料など、多くの分野で利用されるようになった。し
かしながら、この炭化ケイ素質材料を多孔質のものにし
て利用することはあまり行われていない。

多孔質炭化ケイ素質材料は、高温または腐食性の流体を
処理するフィルター等に使用すればすぐれた性能を示す
ことか期待される。しかしながら、従来の多孔質炭化ケ
イ素質材料は、ガラス質物質を結合剤として炭化ケイ素
粒子を成形したものであるから、耐熱性や耐食性が結合
剤部分のそれにより支配されてしまい、炭化ケイ素本来
の特長を十分に発揮し得るものではなかった。

そこで本発明者らは、さきにガラス質の結合剤を用いな
い製法、すなわち炭化性有機物をコーティングした炭化
ケイ素粒子を多孔質の成形体に成形し、得られた成形体
を非酸化性雰囲気で焼成して成形体中の炭化性有機物を
炭化させ、処理後の成形体中に溶融ケイ素を浸透させる
ことにより成形体中の有機物炭化物をケイ素と反応させ
て炭化ケイ素に変換するという、独特の製法を発明し、
特許出願した（特願昭６１−１３８３５１号）。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記本発明者らによる多孔質炭化ケイ素材料の製法は、
結合剤の使用を不要にし、耐熱性と耐食性のすぐれた製
品を与える点ですぐれたものであるが、ケイ素の一部が
未反応のまま成形体中に残り、それが一部の用途におい
ては溶出して不都合を生じる場合がある。

本発明の目的はこの問題をも解決し、ガラス質結合剤も
未反応ケイ素も含まない多孔質炭化ケイ素材料を製造す
る方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成することに成功した本発明は、平均粒子
径５０〜３００μ論の炭化ケイ素粒子の表面に炭化物換
算量で３〜１５重量％の炭化性有機物をコーティングし
、コーティングされた炭化ケイ素粒子からなる粉末を、
後記有機物炭化処理後の成形体のかさ密度が１．７〜２
　、１　ｇ／ｃｍ３になるような条件で成形し、得られ
た成形体を非酸化性雰囲気で焼成して成形体中の炭化性
有機物を炭化させ、処理後の成形体を１４５０℃以上で
溶融ケイ素と接触させて該ケイ素を成形体中に浸透させ
ることにより成形体中の有機物炭化物をケイ素と反応さ
せて炭化ケイ素に変換し、次いで成形体を硝酸とフッ化
水素酸との混合液で処理して成形体中の遊離ケイ素をケ
イフッ化水素酸に変換し溶出させることを特徴とするも
のである。

以下、上記本発明の製法について詳述する。

平均粒子径５０〜３００μｍの炭化ケイ素粒子は研削材
として市販されており、本発明の製法における原料の炭
化ケイ素としてはこれをそのまま用いることができる。

一般に、炭化ケイ素の粒子径が大きいほど製品の気孔径
が大きくなるから、所望の製品気孔径に応じて、用いる
炭化ケイ素の粒子径を適宜選定する。なお平均粒子径が
５０μｍよりも小さいと、ケイ素溶浸処理を行う成形体
における炭化ケイ素粒子間の空隙が小さくなり過ぎてこ
こがケイ素により埋めつくされ易く、上記混酸による遊
離ケイ素の除去に長時間を要することになる。また反対
に粒子径が３００μｍをこえると、炭化ケイ素粒子同士
の結合箇所が少なくなるため、強度が不十分な製品しか
得られない。

炭化ケイ素粒子のコーティングに用いる炭化性有機物と
しては、なんらかの溶剤に溶けてコーティングが可能な
溶液を形成し且つ非酸化性雰囲気で焼成されると高収率
で炭素化するもの、たとえばフェノール樹脂、７ラン樹
脂などの熱硬化性樹脂やピッチを用いる。

コーティングは、炭化性有機物の溶液と炭化ケイ素粉末
とを攪拌機を用いてよく混合した後、引続き攪拌しなが
ら加熱して乾燥することにより行うことができる。また
、流動層コーティング法によっても可能である。コーテ
ィングされｔ；炭化性有機物は次の焼成工程で炭化し、
形成された炭化物が溶融ケイ素の反応対象゛となるので
、炭化性有機物の好適コーテイング量は用いる炭化性有
機物の炭素収率により異なる。したがって、包括的な好
適コーテイング量は炭化物換算量により示すのが適当で
、その値は炭化ケイ素の重量基準で３〜１５％、特に好
ましくは５〜１２％である。３％以下では炭化ケイ素粒
子上に形成される炭素被覆が連続相になり得ず、したが
って、反応で生じる炭化ケイ素による炭化ケイ素粒子の
結合が不十分な、強度の低い製品しか得られない。また
１５％以上にすることは、製品の気孔率を低下させるだ
けで、無益である。

なおコーティング工程では、炭化性有機物とともに、次
の成形工程における成形性向上のための助剤を炭化ケイ
素粒子に付着させてもよい。この助剤としては、炭化性
有機物の炭化温度以下の温度で熱分解を起こし飛散して
しまうもの、たとえばパラフィン、ワックス、ステアリ
ン酸、熱可塑性合成樹脂（たとえばアクリル樹脂、メタ
クリル樹脂）などが適当である。

コーティングを終わった炭化ケイ素粒子からなる粉末は
、必要量を金型に入れ、単軸プレスなどを用いて圧縮成
形する。この場合の成形条件は、前述のように、有機物
炭化処理後の成形体のかさ密度が１．７〜２．１ｇ／ｃ
ｎ＋３になるような条件とする。成形体のかさ密度が１
　、７　ｇ／ｃｔｍ”に満たないときは、実用上必要な
強度を有する製品を得ることが難しくなる。一方、２　
、１　ｇ／ｃｍ’をこえる高密度のものとすると、それ
にともない小さくなった粒子間空隙に入り込んだケイ素
の過剰分を上記混酸で除去するのに長時間を要するだけ
でなく、製品に所望量の気孔を生じさせるのが難しくな
る。成形体のかさ密度は、成形圧、成形温度などを調節
することにより、所望の値のものとすることができる。

得られた成形体は、まず非酸化性雰囲気で約５００’Ｃ
！−１２００℃に加熱し、成形体中の炭化性有機物を炭
化させる（分解性の成形助剤を用いた場合は、それを炭
化性有機物の炭化に先立って分解させる）。炭化性有機
物の炭化は揮発性物質の遊離をともなうため、形成され
る炭化物は多数の微細な連通気孔を有するものとなる。

この後、真空中または不活性ガス中で、成形体を金属ケ
イ素の融点である１４５０℃以上、望ましくは約１４５
０’０〜１７００℃に加熱して、溶融ケイ素と接触させ
る。このための方法としては、粉末状金属ケイ素中に成
形体を埋めた状態で昇温する方法、適当なバインダーで
金属ケイ素粉末をペースト状にしたものを成形体表面に
塗布して昇温する方法、金属ケイ素粉末をシート状に成
形したものを成形体に接触させた状態で昇温する方法、
などがある。このとき溶融状態のケイ素は、成形体の有
機物炭化物部分の連通気孔に毛細管現象により浸入し、
次いで炭素と反応して炭化ケイ素を生じる。有機物炭化
物をすべて炭化ケイ素に変換するのに必要なケイ素の量
は、通常、有機物炭化物重量の２．５倍前後である。上
述のような経過をたどるため、溶融ケイ素の供給量を制
限しなくても無制限にケイ素が成形体中にとり込まれる
ことはないが、上記必要量の約３倍をこえる量のケイ素
を用意することは意味がない。上述のようにして有機物
炭化物部分が炭化ケイ素に変換されると、もともと成形
体中にあった炭化ケイ素粒子はこの反応により生じた炭
化ケイ素および未反応のまま残る少量のケイ素と一体化
する。

次に反応後の成形体を硝酸とフッ化水素酸との混合液で
処理する（簡単には、浸漬処理する）と、成形体中の遊
離のケイ素すなわち炭化ケイ素粒子間に浸透したのち未
反応のまま残ったケイ素がケイフッ化水素酸（Ｈ２Ｓ　
ＩＦ　ｓ）に変換され、処理液中に溶出する。この処理
に用いる混酸の好適濃度は、硝酸が９〜６０％、フッ化
水素酸が２〜２０％程度である。ケイ素が溶出した後に
は、微細な連通気孔が形成される。芯部のケイ素まで完
全に溶出させるには、常温処理の場合で約２〜１４０時
間を要する。

以上により、実質的に炭化ケイ素のみからなる多孔質材
料が形成される。

〔発明の効果〕

本発明の製法によれば、実質的に炭化ケイ素からなり、
孔径５０〜３００μｍ程度の連通気孔が２０〜４０Ｖ６
１％程度均一に分布している多孔質炭化ケイ素質材料を
、安定して製造することができる。本発明の製法の特に
有利な点は、従来法におけるガラス質結合剤のような、
異質の結合剤を用いないため、製品が、炭化ケイ素部分
に比べて劣る結合剤部分の物性や耐食性が原因の劣化を
起こすことがなく、すぐれた物性と耐久性を示すことと
、製品が遊離のケイ素を含まないためどのような条件で
用いてもケイ素溶出による周辺汚染や物性変化のおそれ
がなく、使用可能範囲が広いことである。

〔実施例〕

平均粒子径１００μｍの炭化ケイ素粒子９００ｇを、５
００ｍ１のアセトンに溶解したノボラック型フェノール
樹脂１００ｇとともに攪拌機付混合機に入れて混合し、
引続き攪拌しながら加熱してアセトンを蒸発させること
により、炭化ケイ素粒子にフェノル樹脂をコーティング
した。次いで、コーティング済み炭化ケイ素の粉末を、
１ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力で直径７０ｍ＋ａ、厚さ５ＩＩ
ＩＩ１１の円板状に成形し、得られた成形体を９００　
’Ｏで焼成した。焼成後の成形体は、重量が３５．４ｇ
、かさ密度が１．８４１７ｃｍ３で、９４重量％の炭化
ケイ素と６重量％の樹脂炭化物よりなるものであった。

この焼成済み成形体を７．１ｇの金属ケイ素粉末と接触
させた状態で真空下に加熱し、１５００’Ｃに２時間保
つことにより、溶融したケイ素の大部分を成形体中に浸
透させた。このあと放冷し、次いで成形体を硝酸（濃度
２０％）−フッ化水素酸（濃度５％）混合液に常温で１
２時間浸漬した。

最後に水洗し乾燥して得られた炭化ケイ素質材料は、９
９重量％以上が炭化ケイ素からなり、気孔径７０〜１６
０μｍ１気孔量３５ｖｏ１％の、多孔質のものであっｔ
こ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　平均粒子径５０〜３００μｍの炭化ケイ素粒子の表面
   に炭化物換算量で３〜１５重量％の炭化性有機物をコー
   ティングし、コーティングされた炭化ケイ素粒子からな
   る粉末を後記有機物炭化処理後の成形体かさ密度が１．
   ７〜２．１ｇ／ｃｍ＾３になるような条件で成形し、得
   られた成形体を非酸化性雰囲気で焼成して成形体中の炭
   化性有機物を炭化させ、処理後の成形体を１４５０℃以
   上で溶融ケイ素と接触させて該ケイ素を成形体中に浸透
   させることにより成形体中の有機物炭化物をケイ素と反
   応させて炭化ケイ素に変換し、次いで成形体を硝酸とフ
   ッ化水素酸との混合液で処理して成形体中の遊離ケイ素
   をケイフッ化水素酸に変換し溶出させることを特徴とす
   る多孔質炭化ケイ素材料の製造法。