JPH01278479A - Whisker compound ceramic and production thereof - Google Patents

Whisker compound ceramic and production thereof

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JPH01278479A
JPH01278479A JP63106862A JP10686288A JPH01278479A JP H01278479 A JPH01278479 A JP H01278479A JP 63106862 A JP63106862 A JP 63106862A JP 10686288 A JP10686288 A JP 10686288A JP H01278479 A JPH01278479 A JP H01278479A
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whisker
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敏夫 石井
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Abstract

PURPOSE:To produce products of complicated shape and to manufacture high- density products by normal-pressure sintering by orientating whiskers in the direction perpendicular to compression direction of molded article of ceramic. CONSTITUTION:The whisker compound ceramic is a ceramic wherein whiskers are uniformly dispersed in a fixed plane direction in a matrix. In order to produce the compound ceramic, a polymer electrolyte is used as a dispersant of whisker, the surface of the whiskers is mechanically and electrically covered with the electrolyte during dispersion and electrically repulsion force is given between the whiskers. The whiskers are mutually repulsed by the repulsion force during molding such as pressing, injection or extrusion molding, readily orientated in a fixed plane direction and high-density molded articles are obtained. Polyethyleneimine is used as the dispersant of the polymer electrolyte and the pH thereof is preferably 10-13.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は構造用セラミックスまたは電子部品用セラミッ
クスとして適するウィスカー複合セラミックス及びそれ
を製造する方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a whisker composite ceramic suitable as a structural ceramic or a ceramic for electronic parts, and a method for producing the same.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

一般に、ウィスカー複合セラミックスとして、A j!
 2L−S+C+74 スh−複合体、あルイハS+3
Na−SiCウィスカー複合体が主に研究されているが
、その多くは、焼結方法としてホットプレス法を用いて
いる( rsic ウィスカーで強化した513N4 
セラミックスの破壊靭性」、窯業協会誌 94(9)1
986.55〜59頁)。その主な理由は、ウィスカー
の長さが数十μm、直径が数μmのため、一般の原料粉
(〜数μm)に比べて分散が困難であり、普通焼結法で
は高密度のウィスカー複合セラミックス焼結体が得られ
ないためである(“5interedA j2zos−
3iC−Whisker Composites” 、
 Am、 Ceram。
Generally, as whisker composite ceramics, A j!
2L-S+C+74 Shu-complex, Auiha S+3
Na-SiC whisker composites have been mainly studied, and most of them use the hot pressing method as the sintering method (513N4 reinforced with rsic whiskers).
“Fracture toughness of ceramics”, Ceramics Association Journal 94(9)1
986. pp. 55-59). The main reason for this is that the length of the whiskers is several tens of micrometers and the diameter is several micrometers, making it difficult to disperse compared to general raw material powder (~several micrometers). This is because a ceramic sintered body cannot be obtained (“5interedA j2zos-
3iC-Whisker Composites”,
Am, Ceram.

Soc、Bull、、 66  (:2)pp、 33
9−342(1987) )。
Soc, Bull, 66 (:2)pp, 33
9-342 (1987)).

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

上記のホットプレスによる製造方法では、焼成時に試料
を一軸方向に加圧するため、製造可能な製品の形状は円
板等の単純な形状であり、しかも製造費が高いという問
題点があった。
In the hot press manufacturing method described above, since the sample is uniaxially pressed during firing, the shape of the product that can be manufactured is a simple shape such as a disk, and there is a problem that the manufacturing cost is high.

従って本発明の目的は、複雑な形状とすることができる
とともに高密度なウィスカー複合セラミックスを常圧焼
結により廉価に製造することができる方法、及びその方
法で得られるウィスカー複合セラミックスを提供するこ
とである。
Therefore, it is an object of the present invention to provide a method for inexpensively manufacturing whisker composite ceramics that can be formed into complex shapes and have high density by pressureless sintering, and to provide whisker composite ceramics obtained by the method. It is.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は、ウィスカーを複合したセラミックスにおいて
、マトリックス内にウィスカーが一定面内方向、かつ均
一に分散していることを特徴とするウィスカー複合セラ
ミックス及びその製造方法を提供するものである。
The present invention provides a whisker composite ceramic in which the whiskers are uniformly dispersed in a certain in-plane direction within the matrix, and a method for manufacturing the same.

本発明を以下詳細に説明する。The present invention will be explained in detail below.

本発明において、ウィスカーを一定面内方向、かつ均一
に分散させることにより、焼成時にマトリックス材、例
えばAl2O3やSi、Na はウィスカーに妨げられ
ることなく高密度に焼成される。ウィスカーの分散が不
充分で、一定面内方向に充分に配列していない場合、ウ
ィスカーは3次元の構造物あるいは凝集体を作り、マト
リックス材はこれら構造物あるいは凝集体により充分な
収縮及び高密度化が妨げられ、高密度のウィスカー複合
セラミックスが製造できない。
In the present invention, by uniformly dispersing the whiskers in a certain in-plane direction, the matrix material, such as Al2O3, Si, and Na, is fired at high density during firing without being hindered by the whiskers. If the whiskers are insufficiently dispersed and not well aligned in a certain in-plane direction, the whiskers will form three-dimensional structures or aggregates, and the matrix material will shrink sufficiently and become denser due to these structures or aggregates. This prevents the production of high-density whisker composite ceramics.

本発明はこのようなウィスカーの分散剤として高分子電
解質を用いることを特徴とする。
The present invention is characterized in that a polymer electrolyte is used as a dispersant for such whiskers.

本発明において、分散剤として高分子電解質を用いるこ
とにより、高分子電解質は分散時にウィスカー表面を機
械的かつ電気的におおい、各ウィスカー間に電気的な反
発力を与える。この反発力により、プレスや射出成形あ
るいは押し出し成形等による成形時にウィスカーは相互
に反発し、−定面内方向に配列され易くなり、高密度の
成形体が得られる。
In the present invention, by using a polymer electrolyte as a dispersant, the polymer electrolyte covers the whisker surface mechanically and electrically during dispersion, and provides electrical repulsion between each whisker. Due to this repulsive force, the whiskers repel each other during molding by pressing, injection molding, extrusion molding, etc., and are more likely to be arranged in the in-plane direction, resulting in a high-density molded product.

本発明は特に高分子電解質の分散剤としてポリエチレン
イミンを用いることを特徴とする。さらに使用する高分
子電解質のpHは10〜13、好ましくは10.5〜1
1.5の範囲にあることを特徴とする。
The present invention is particularly characterized in that polyethyleneimine is used as a dispersant for the polymer electrolyte. Furthermore, the pH of the polymer electrolyte used is 10 to 13, preferably 10.5 to 1.
It is characterized by being in the range of 1.5.

本発明において、分散剤としてポリエチレンイミンやp
H1o〜13の高分子電解質を用いることにより、ウィ
スカーの分散性と配列化はさらに向上し、より高密度の
ウィスカー複合セラミックスが製造できる。
In the present invention, polyethyleneimine and p
By using the polymer electrolytes H1o to H13, the dispersibility and arrangement of whiskers are further improved, and whisker composite ceramics with higher density can be manufactured.

本発明の好ましい例として、A R、O,−3iCウィ
スカー複合セラミックスの製造方法について説明する。
As a preferred example of the present invention, a method for manufacturing AR, O, -3iC whisker composite ceramics will be described.

マトリックス用原料としてAl2O,粉を、ウィスカー
としてSiCウィスカーを用いる。
Al2O powder is used as the raw material for the matrix, and SiC whiskers are used as the whiskers.

まず、分散剤として高分子電解質を用いた場合の分散特
性と沈澱特性を述べる。分散特性は及び沈澱特性を調べ
るために、0.5gのSiCウィスカーを12rn1の
ガラスチューブ内で10−の高分子電解質/脱イオン水
の溶液中に分散させた。各溶液中の高分子電解質の濃度
は以下の通りである。
First, we will describe the dispersion characteristics and precipitation characteristics when a polymer electrolyte is used as a dispersant. To investigate the dispersion and precipitation properties, 0.5 g of SiC whiskers were dispersed in a 10-polyelectrolyte/deionized water solution in a 12rn1 glass tube. The concentration of the polymer electrolyte in each solution is as follows.

ポリエチレンイミン(polyethyleneimi
ne、 PEI):0.5.1.0.3.0.5.0.
7.5 wt%ポリビニルピロリドン(polyvin
ylpyrolidone。
polyethyleneimine
ne, PEI): 0.5.1.0.3.0.5.0.
7.5 wt% polyvinylpyrrolidone (polyvin
ylpyrolidone.

PVP )  :0.5.2.5.5.0.7.5.1
0.0 wt %ポリアクリルアミド(polyacr
ylamide、 PA人):0.2.0.4 wt% DarvanC■: 5.10.15.20.25.3
0.35.40゜5Q wt% また比較用としてポリスチレン−メチルメタクリレート
共重合体(polystyrene−methylme
thacrylate) (copolymer、 P
S−PIJMA )の1重量%トルエン溶液も測定した
。PS−PMMA は一種の高分子電解質ではあるがそ
の電離度は非常に弱く、通常の分散剤として考えられる
PVP): 0.5.2.5.5.0.7.5.1
0.0 wt% polyacrylamide (polyacr
ylamide, PA): 0.2.0.4 wt% DarvanC: 5.10.15.20.25.3
0.35.40゜5Q wt% Also, for comparison, polystyrene-methyl methacrylate copolymer (polystyrene-methyl methacrylate copolymer)
thacrylate) (copolymer, P
A 1% by weight toluene solution of S-PIJMA) was also measured. Although PS-PMMA is a type of polymer electrolyte, its degree of ionization is very weak, and it can be considered as a normal dispersant.

分散液はSiCウィスカーと高分子電解質の溶液を1日
間タンブルすることにより調製し、分散高さを4時間に
わたって種々の間隔で測定し、分散特性を評価した。こ
こで分散高さは分散部と上澄み液との境界部とチューブ
底面との距離と定義する。従って分散高さが高い程分教
性が良いことになる。
Dispersions were prepared by tumbling a solution of SiC whiskers and polyelectrolyte for 1 day, and dispersion height was measured at various intervals over 4 hours to evaluate dispersion properties. Here, the dispersion height is defined as the distance between the boundary between the dispersion section and the supernatant liquid and the bottom surface of the tube. Therefore, the higher the dispersion height, the better the dispersibility.

沈澱特性は、分散特性を測定後5日間静止状態に放置後
、上澄み液、細粒沈澱部、粗沈澱部等の高さより求めた
The sedimentation characteristics were determined from the heights of the supernatant liquid, fine sediment portion, coarse sediment portion, etc. after the sample was left stationary for 5 days after measuring the dispersion characteristics.

分散特性及び沈澱特性を調べた後に、各高分子電解質/
 S i Cウィスカー混合物を超音波により再分散し
、そのpHをコーニングンpHメータ125 により測
定した。
After examining the dispersion and precipitation characteristics, each polymer electrolyte/
The S i C whisker mixture was redispersed by ultrasound and its pH was measured with a Koningen pH meter 125.

分散及び沈澱に対するpHの影響を調べるために、NH
40)1を添加することにより0.5重量%PH1溶液
のpHを9.4.10.8.12.2及び11.5に調
節し、得られた分散特性及び沈殿特性を評価した。また
SiCウィスカーに用いたのと同じ方法により、5重量
%PE1l 水溶液中でのAl2O,粉末の分散性を調
べた。
To investigate the effect of pH on dispersion and precipitation, NH
The pH of the 0.5 wt % PH1 solution was adjusted to 9.4, 10, 8, 12.2 and 11.5 by adding 40) 1, and the resulting dispersion and precipitation properties were evaluated. In addition, the dispersibility of Al2O powder in a 5% by weight PE1l aqueous solution was investigated using the same method used for SiC whiskers.

分散特性の実験結果を第1図乃至第5図に示す。Experimental results of dispersion characteristics are shown in FIGS. 1 to 5.

第1図は以上の分散剤による代表的な分散特性を示した
もノテある。PH1(1)、PVP (2)、FAA 
(3)、DarvanOC(4)等の高分子電解質では
、SiCウィスカーの分散性が長時間係たれているが、
一般の分散剤PS−PMM^(5)では約20分で分散
部が2分の1に、60分後には25%にまで減少する。
Note that FIG. 1 shows typical dispersion characteristics of the above-mentioned dispersants. PH1 (1), PVP (2), FAA
In polymer electrolytes such as (3) and DarvanOC (4), the dispersibility of SiC whiskers has been affected for a long time;
In the case of the general dispersant PS-PMM^(5), the dispersion area decreases to one half in about 20 minutes and to 25% after 60 minutes.

このように高分子電解質の効果が顕著であることがわか
る。特に、PE[の分散性が良い。というのはP^^で
は溶液の粘度が少し高< 、pvpでは水溶液中の沈殿
物の密度が低いからである。
It can thus be seen that the effect of the polymer electrolyte is remarkable. In particular, the dispersibility of PE is good. This is because the viscosity of the solution is slightly higher in P^^, and the density of the precipitate in the aqueous solution is lower in PVP.

第1図により、PvP は沈殿特性は余り良好ではない
が(多量の粗い沈澱物が形成された)、分散性が良いこ
とがわかる。0.5重量%のPVP水溶液のサンプルは
粗い沈澱物を形成しなかったが、沈澱量は他の分散剤を
用いた場合の2倍であった。
From FIG. 1, it can be seen that although PvP did not have very good sedimentation properties (a large amount of coarse precipitate was formed), it had good dispersibility. Although the sample of 0.5% by weight aqueous PVP solution did not form a coarse precipitate, the amount of precipitate was twice as much as with other dispersants.

PVP /水/ S i Cウィスカー分散液のpHは
0.5重量%PVPサンプルの場合の7,2から10.
0重量%PVPサンプルの5.1 までの範囲にあった
The pH of the PVP/water/S i C whisker dispersion ranged from 7.2 to 10.2 for the 0.5 wt% PVP sample.
It ranged from 5.1 to 5.1 for the 0 wt% PVP sample.

PA^サンプルは良好な分散特性を示したが、0゜2重
量%や0.4重量%の水溶液でもかなり高粘度であった
。これらの2つの分散液のpHの読み値はそれぞれ8.
0及び8.8 であった。
Although the PA sample exhibited good dispersion properties, it had a fairly high viscosity even in 0.2 wt.% and 0.4 wt.% aqueous solutions. The pH readings of these two dispersions each were 8.
0 and 8.8.

DarvanOCの分散特性は余り良好ではなかった。The dispersion properties of DarvanOC were not very good.

全サンプルの沈殿高さは3時間後金体の60%に減少し
、上澄み液は非常に透明であった。分散液のpHは8.
5〜8.7の範囲であった。
The sediment height of all samples decreased to 60% of the gold body after 3 hours and the supernatant liquid was very clear. The pH of the dispersion was 8.
It was in the range of 5 to 8.7.

第2図は、P巳1水溶液とPS−PMMA / )ルエ
ン溶液中でのSiCウィスカーの分散性を示したもので
ある。PH1は良好な分散性を示すが、特に3〜8wt
%の溶液が分散特性に優れている。この・場合3時間後
でも10%しか分散高さが低下しない。これに対してP
S−PMMA分散液は10分以内に沈澱した。
FIG. 2 shows the dispersibility of SiC whiskers in the P-1 aqueous solution and the PS-PMMA/)luene solution. PH1 shows good dispersibility, especially 3-8wt
% solution has excellent dispersion properties. In this case, the dispersion height decreases by only 10% even after 3 hours. On the other hand, P
The S-PMMA dispersion precipitated within 10 minutes.

なお3wt%以上のPH1溶液でも分散特性は優れてい
るが、後のセラミックス化工程におけるバインダーの除
去を考えると、分散剤の濃度は低い方が良く、3〜8重
量%で十分である。
Note that even a PH1 solution of 3 wt% or more has excellent dispersion properties, but considering the removal of the binder in the subsequent ceramic forming process, the lower the concentration of the dispersant, the better, and 3 to 8 wt% is sufficient.

第2図はまたpHの影響を示している。SiCウィスカ
ーの水中への分散のためには1035〜11.5のpH
が最も好ましい。
Figure 2 also shows the effect of pH. pH of 1035-11.5 for dispersion of SiC whiskers in water
is most preferred.

第3図は、各濃度におけるPEI と1wt%のPS−
PMMAの沈澱特性を示したものである。PEI では
、濃度の増加とともに粗沈搬11の量が減少し、沈澱物
の密度が高(なることを示している。各粗沈澱11の上
に微細沈澱物120層が形成されるが、その高さは非常
にゆっくり増大する。PS−PMMAでは、第2図でも
見られる通り急速に沈澱が進行し、沈澱物の粒度も細か
くなった。
Figure 3 shows PEI at each concentration and 1 wt% PS-
This figure shows the precipitation characteristics of PMMA. In PEI, the amount of coarse sediment 11 decreases as the concentration increases, indicating that the density of the sediment becomes high.A layer of fine sediment 120 is formed on each coarse sediment 11, but the The height increases very slowly.In PS-PMMA, precipitation progressed rapidly as seen in Figure 2, and the particle size of the precipitate also became fine.

第4図は、SiCウィスカーの分散性に対するpHの影
響を示したものである。なおpHの調整は0,5wt%
のPH1溶液にN)140Hを加えることにより行なっ
た。ptt未調整の0.51%Pal (6) (pH
=9.4)に比べてpHを10〜13ニ調整後(7)P
BI 114)、αつ、QED テl;! 分散特性が
向上していることが判る。参考として、分散剤なしでp
Hを11.2に調整した純水α力の分散特性も示した。
FIG. 4 shows the influence of pH on the dispersibility of SiC whiskers. In addition, pH adjustment is 0.5wt%
This was done by adding N)140H to a PH1 solution of. PTT unadjusted 0.51% Pal (6) (pH
= 9.4) After adjusting the pH by 10 to 13 degrees (7) P
BI 114), α, QED Tel;! It can be seen that the dispersion characteristics are improved. For reference, p without dispersant
The dispersion characteristics of pure water α power with H adjusted to 11.2 are also shown.

以上の比較からpH調整の効果は明らかである。但し、
これら分散剤による沈殿物のかさ密度は低く、3.0〜
7.5wt%のPBI  から得られたものに比べて粗
い。特にpH11,2の純水(脱イオン水)での沈澱高
さは全溶液高さの72%であった。
From the above comparison, the effect of pH adjustment is clear. however,
The bulk density of the precipitate produced by these dispersants is low, 3.0~
coarse compared to that obtained from 7.5 wt% PBI. In particular, the precipitation height in pure water (deionized water) with a pH of 11.2 was 72% of the total solution height.

これは5重量%PH1水性分散液における沈澱高さの約
3倍であった。
This was approximately three times the precipitation height in a 5 wt% PH1 aqueous dispersion.

第5図は5wt%Pal 水溶液によるAj!20*粉
の分散特性を示したものである。分散後、6時間後にも
分散部の高さはほとんど減少しなかった。これにより^
β203 粉やSiCウィスカーに対してもPHI の
分散特性が優れていることがわかる。
Figure 5 shows Aj! by 5wt% Pal aqueous solution! This shows the dispersion characteristics of 20* powder. Even 6 hours after dispersion, the height of the dispersed area hardly decreased. Due to this ^
It can be seen that PHI has excellent dispersion characteristics even for β203 powder and SiC whiskers.

次に、^β2Off−SiCウィスカー複合セラミック
スの製造例について述べる。
Next, an example of manufacturing ^β2Off-SiC whisker composite ceramics will be described.

SiCウィスカーをAL 20.のグラインディング媒
体とともに脱イオン水(pH11)  中で68時間ボ
ールミルした。ボールミルにより、SiCウィスカーの
平均長さは減少し、その凝集物は破壊された。ボールミ
ル後、懸濁液は沈澱物、分散液(分散したウィスカーを
含有する溶媒)及び上澄み液からなる3つの部分に別れ
た。分散液部分のみ以下の複合セラミックス製造に用い
た。ボールミルしたSiCウィスカーの平均長さは約2
0μmであり、その平均直径は約0.6 μmであった
AL SiC whisker 20. Ball milled in deionized water (pH 11) with grinding media for 68 hours. Ball milling reduced the average length of SiC whiskers and destroyed their agglomerates. After ball milling, the suspension was separated into three parts: precipitate, dispersion (solvent containing dispersed whiskers) and supernatant. Only the dispersion liquid portion was used in the following composite ceramic production. The average length of ball milled SiC whiskers is approximately 2
0 μm, and its average diameter was approximately 0.6 μm.

第9図はAL、0.−3iCウィスカー複合セラミック
スを製造するのに用いた方法を示す。
FIG. 9 shows AL, 0. -3iC whisker composite ceramics are shown.

At 20.粉末を1対20重量比で4重量%PSI 
水溶液中に分散し、SiCウィスカーを1対200重量
比で4重量%のPBI 水溶液中に分散した。超音波処
理及びタンプリング後に、A1203分散液及びSiC
ウィスカー分散液を所望の割合で混合し、SiCの含有
量がそれぞれ0.5.10.15.20重量%のAL、
03−3iCウィスカー複合体を形成した。2500r
pmで1時間遠心分離した後上澄み液を除去し、脱イオ
ン水を沈澱量の半分の量で混合物中に添加した。混合物
をついで1時間超音波処理し、24時間クンブリングン
し、153MPaで1時間コロイドプレスした。バイン
イダーの焼去は2時間600 ℃の空気中で行った。ま
た焼結は下記の3つの段階によりアルゴン雰囲気中で行
った。
At 20. Powder at a 1:20 weight ratio of 4% PSI by weight
SiC whiskers were dispersed in a 4 wt % PBI aqueous solution at a 1:200 weight ratio. After sonication and tampling, A1203 dispersion and SiC
Whisker dispersion liquid was mixed in a desired ratio, and AL with a SiC content of 0.5, 10, 15, and 20% by weight, respectively;
03-3iC whisker complexes were formed. 2500r
After centrifugation at pm for 1 hour, the supernatant was removed and deionized water was added into the mixture in an amount equal to half the amount of precipitate. The mixture was then sonicated for 1 hour, cumbling for 24 hours, and colloid pressed for 1 hour at 153 MPa. The binder was burned off in air at 600° C. for 2 hours. Sintering was performed in an argon atmosphere in the following three steps.

(1) 1555 ℃まで20分かけて加熱し10分間
保持、(2) 1650 ℃まで30分かけ−て加熱し
20分間保持、及び (3) 1725 ℃まで30分かけて加熱し、20分
間保持。
(1) Heating to 1555°C for 20 minutes and holding for 10 minutes, (2) Heating to 1650°C for 30 minutes and holding for 20 minutes, and (3) Heating to 1725°C for 30 minutes and holding for 20 minutes. .

収縮率はバインダー焼去前の各乾燥サンプル及び焼結後
の同じサンプルを用いて下記式により求めた。
The shrinkage rate was determined by the following formula using each dried sample before the binder was burned off and the same sample after sintering.

全てのサンプルの密度はアルキメデス法により測定した
。表面の孔による水分の吸収を防止するために、焼結サ
ンプルにアクリルスプレィKrylon(ボーデン社製
登録商標)を二度被覆した。1650℃又は1725℃
で焼結した15重量%SiCウィスカー−At、Os 
複合体の密度は^STM # C373−72の変形法
を用いて測定した。この方法において、未被覆サンプル
は1時間沸騰水中に浸漬し、ついで−晩中冷却水中に放
置した。各サンプルの重量(吸収水を含む)は翌朝測定
した。吸収水を除いた重量は各サンプルを12時間乾燥
後に測定した。各サンプルの体積(吸収水の体積を含む
) は下記式により水の比■ 乾 燥 重 量:空気中で乾燥後の重量H,0中の重量
:水中での重量 湿 潤 重 量:吸収水を含む空気中の重量竿6図は0
. 5.10.15.20賀twt%SiCウィスカー
含有^11203 複合セラミックスの焼成密度を対理
論密度比で示したものである。理論密度はSiCウィス
カーが0重量%の場合3.990g / crlであり
、515重量%の場合3.8608 / cfflであ
り、10重量%の場合3.903g / cutで゛あ
り、15重量%の場合3.8608/catであり、2
0重量%の場合3.8168 / cdである。
The density of all samples was determined by the Archimedes method. The sintered samples were coated twice with acrylic spray Krylon (Trademark of Borden) to prevent moisture absorption through surface pores. 1650℃ or 1725℃
15 wt% SiC whiskers sintered with - At, Os
The density of the composite was measured using a modification of STM #C373-72. In this method, uncoated samples were immersed in boiling water for 1 hour and then left in cooling water overnight. The weight of each sample (including absorbed water) was determined the next morning. The weight excluding absorbed water was measured after drying each sample for 12 hours. The volume of each sample (including the volume of absorbed water) is determined by the following formula: Dry weight: Weight after drying in air H, Weight in 0: Weight in water Wet weight: Absorbed water The weight of the rod in the air containing 6 diagrams is 0
.. 5.10.15.20 twt% SiC whisker content ^11203 The fired density of the composite ceramic is expressed as a ratio to the theoretical density. The theoretical density is 3.990 g/crl for 0 wt% SiC whiskers, 3.8608/cffl for 515 wt%, 3.903 g/cut for 10 wt%, and 3.990 g/crl for 15 wt% SiC whiskers. case 3.8608/cat, 2
At 0% by weight, it is 3.8168/cd.

それぞれ0,5.10.15及び20重量%のSiCウ
ィスカーを含有する複合体の燃焼は1550℃で行い、
他の複合板(15重量%ウィスカー)の焼結は1650
℃又は1725℃で行った。ウィスカーの含有量を0〜
2Qwt%に増加させているにもかかわらず、焼成密度
の低下がわずかであることがわかる。具体的には0.5
.10.15.20重量%のSiCウィスカー含有量に
対して理論密度はぞれぞれ88.6.86.8.85.
5.82.5及び83.3%であった。
Combustion of composites containing 0, 5, 10, 15 and 20% by weight of SiC whiskers, respectively, was carried out at 1550 °C;
Sintering of other composite plates (15 wt% whiskers) is 1650
or 1725°C. Whisker content from 0 to
It can be seen that the firing density decreases only slightly despite the increase to 2Qwt%. Specifically 0.5
.. Theoretical densities are 88.6.86.8.85. for a SiC whisker content of 10.15.20% by weight, respectively.
They were 5.82.5 and 83.3%.

SiCウィスカー含有量が0重量%のサンプルは焼結中
2つに破断したので、大きい方の破片の密度を測定した
The sample with 0 wt % SiC whisker content broke into two pieces during sintering, so the density of the larger piece was measured.

1650℃あるいは1725℃で焼成した15wt%S
iCウィスカー、実質残部Aβ203 の複合セラミッ
クスアクリル被覆サンプルの焼成密度は各89.6%及
び95.0%であった。なお、15wt%のSiCウィ
スカーの含有量は13,4 vo1%に対応している。
15wt%S fired at 1650℃ or 1725℃
The fired densities of the composite ceramic acrylic coated sample with iC whiskers and the substantial remainder Aβ203 were 89.6% and 95.0%, respectively. Note that the SiC whisker content of 15 wt% corresponds to 13.4 vo1%.

先に引用した文献(^m、Ceram、Soc、 Bu
ll )では、焼成助剤として2wt%Y2L 、0.
5wt%MgDを添加しているにもかかわらず、170
0〜0800℃の焼成により、15及び20 VOI%
SiCウィスカー含有−実質残部A I 203 の複
合セラミックスの焼成密度は約92及び81%であり、
本発明による焼成密度向上の効果は明らかである。
References cited earlier (^m, Ceram, Soc, Bu
ll), 2 wt% Y2L, 0.
Despite adding 5 wt% MgD, 170
15 and 20 VOI% by firing at 0~0800℃
The fired densities of the SiC whisker-containing-substantial balance A I 203 composite ceramics are approximately 92 and 81%,
The effect of improving the firing density according to the present invention is obvious.

1650℃及び1725℃で焼成時の対成形体収縮率は
、15wt%SiCウィスカー含有の複合セラミックス
で、直径方向に各92.1%と90.1%、厚さ方向に
各82.6%と72,3%であった。プレス方向でもあ
る複合体の厚さ方向に大きく収縮し、径方向にはあまり
収縮しないこと示している。これは、SiCウィスカー
が主にプレス方向に垂直に配列しているためである。
When fired at 1650°C and 1725°C, the shrinkage rates of the composite ceramic containing 15 wt% SiC whiskers were 92.1% and 90.1% in the diameter direction, and 82.6% in the thickness direction. It was 72.3%. It shows that there is a large contraction in the thickness direction of the composite, which is also the pressing direction, and there is not much contraction in the radial direction. This is because the SiC whiskers are mainly arranged perpendicular to the pressing direction.

第7図及び第8図は15wt%のSiCウィスカーを含
有するAt20.複合セラミックス(1650℃で焼結
)の破断面のSEM写真である。第7図は試料の中央部
、第8図は試料の頂上部近傍である。第7図では、大部
分のSiCウィスカーは長手方向の形で現われており、
しかもプレス方向く写真右下より左上〉に垂直に配列し
ている。第8図ではSiCウィスカーは径方向の形で現
われている。本発明によるSiCウィスカーの配列効果
は明らかである。
7 and 8 show At20.0 containing 15 wt% SiC whiskers. This is an SEM photograph of a fractured surface of composite ceramics (sintered at 1650°C). FIG. 7 shows the center of the sample, and FIG. 8 shows the vicinity of the top of the sample. In Figure 7, most of the SiC whiskers appear in the longitudinal form;
Moreover, they are arranged perpendicularly from the bottom right to the top left of the photo in the direction of the press. In FIG. 8 the SiC whiskers appear in radial form. The alignment effect of SiC whiskers according to the invention is obvious.

本発明によれば、ウィスカーの分散性が向上し、一定方
向面内に大部分のウィスカーが配列するため、従来不可
能であった常圧焼結によるウィスカー複合セラミックス
の高密度化が達成できる。この結果、ホットプレス法で
は不可能であった、より複雑な形状のウィスカー複合セ
ラミックスをより廉価に提供することが可能となった。
According to the present invention, the dispersibility of whiskers is improved and most of the whiskers are arranged in a plane in a certain direction, so that it is possible to achieve high density of whisker composite ceramics by pressureless sintering, which was previously impossible. As a result, it has become possible to provide whisker composite ceramics with more complex shapes at a lower cost, which was not possible using the hot press method.

本発明の実施例ではA1□0s−SiCウィスカー複合
セラミックスについて述べたが、マトリックス材はAl
2O3に限るものではな(Si3N、 、等のセラミッ
クスやポリマーでも良く、ウィスカー材はAj!zo*
 ウィスカーやSi3N4  ウィスカー等地のウィス
カー材でも良い。また、焼結助剤を加えても良い。成形
方法として射出成形や押し出し成形等を用いることも良
く、常圧焼結後に熱間等方プレスを行ないさらに密度を
向上させることも良い。
In the examples of the present invention, A1□0s-SiC whisker composite ceramics were described, but the matrix material was Al
It is not limited to 2O3 (ceramics and polymers such as Si3N,
A whisker material such as whisker or Si3N4 whisker may also be used. Further, a sintering aid may be added. Injection molding, extrusion molding, etc. may be used as a molding method, and hot isostatic pressing may be performed after pressureless sintering to further improve the density.

さらに、本発明をホットプレス法に用い、より低温度で
短時間にウィスカー複合セラミックスを製造することも
可能である。
Furthermore, it is also possible to use the present invention in a hot press method to produce whisker composite ceramics at lower temperatures and in a shorter time.

本発明において高分子電解質はSiCウィスカーの分散
に特に有用である。SiCウィスカー及びAI、03 
粉末の分散に3〜5重量%のポリエチレンイミン水溶液
は特に良好でである。分散剤/溶媒として4重量%ポリ
エチレンイミン/水を用いることにより、一方向にコロ
イドプレスするAt 203 マトリックス中でSIC
ウィスカーが配向し、最終複合セラミックスの焼結密度
が著しく向上する。
Polyelectrolytes are particularly useful in the present invention for dispersing SiC whiskers. SiC whiskers and AI, 03
A 3-5% by weight aqueous solution of polyethyleneimine is particularly good for dispersing the powder. SIC in At 203 matrix with unidirectional colloidal pressing by using 4 wt% polyethyleneimine/water as dispersant/solvent.
The whiskers are oriented and the sintered density of the final composite ceramic is significantly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明に係る種々の高分子電解質(3重量f;
!PHI /水、2.5重量%PVP /水、0.4重
量はFAA /水、50重量%Darvan oC/水
及び1重量%PS−PMMA / )ルエン)によるS
iCウィスカーの分散特性を示すグラフであり、 第2図は本発明に係るポリエチレンイミン水溶液(0,
5,1,3,5及び7.5重量%)及び1重量%PS−
PMM^/トルエン溶液によるSiCウィスカーの分散
特性を示すグラフであり、 第3図は本発明に係るポリエチレンイミン水溶液(0,
5,1,3,5及び7.5重量%)及び1重量%PS−
PM&lA / )ルエン溶液によるSiCウィスカー
の沈澱特性を示すグラフであり、 第4図は本発明に係る0、5重量%Pε1水溶液及び純
水におけるSiCウィスカーの分散特性に対するpH変
化の影響を示すグラフであり、第5図は本発明に係る5
重量%ポリエチレンイミン水溶液によるAl2O,粉の
分散特性を示すグラフであり、 第6図は本発明によるA 120.−5iCウィスカー
複合セラミックス(SiCO15,10,15,20重
看%)の1550℃での焼成密度を示すグラフであり、
第7図及び第8図はそれぞれ1650℃に30分間加熱
し、20分間保持したA 120.−5iCウィスカー
複合セラミックス(SiC15重量%)の破断面の中央
部と頂上部近傍を示す36M写真であり、第9図は本発
明によるAl2O,−5iCウィスカー複合セラミック
スの製造方法を示すフローチャートである。
FIG. 1 shows various polymer electrolytes (3 weight f;
! PHI/water, 2.5 wt% PVP/water, 0.4 wt FAA/water, 50 wt% DarvanoC/water and 1 wt% PS-PMMA/)S by luene)
FIG. 2 is a graph showing the dispersion characteristics of iC whiskers, and FIG. 2 is a graph showing the dispersion characteristics of iC whiskers.
5, 1, 3, 5 and 7.5 wt%) and 1 wt% PS-
FIG. 3 is a graph showing the dispersion characteristics of SiC whiskers in a PMM^/toluene solution, and FIG.
5, 1, 3, 5 and 7.5 wt%) and 1 wt% PS-
FIG. 4 is a graph showing the precipitation characteristics of SiC whiskers in a PM&lA/) luene solution; FIG. 5 according to the present invention.
Fig. 6 is a graph showing the dispersion characteristics of Al2O powder by weight% polyethyleneimine aqueous solution; -5iC whisker composite ceramics (SiCO 15, 10, 15, 20%) is a graph showing the firing density at 1550 ° C.
Figures 7 and 8 show A 120. This is a 36M photograph showing the center and the vicinity of the top of the fracture surface of -5iC whisker composite ceramics (SiC 15% by weight), and FIG. 9 is a flowchart showing the manufacturing method of Al2O, -5iC whisker composite ceramics according to the present invention.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)ウィスカー複合セラミックスにおいて、前記ウィ
スカーが前記セラミセックス成形体の圧縮方向と直角の
方向に配向していることを特徴とするウィスカー複合セ
ラミックス。
(1) A whisker composite ceramic, characterized in that the whiskers are oriented in a direction perpendicular to the compression direction of the ceramic sex molded body.
(2)ウィスカー複合セラミックスを製造する方法にお
いて、 (a)前記ウィスカーを電気的に表面処理し、(b)前
記ウィスカーとマトリックスセラミックスとの混合物を
成形して前記ウィスカ ーが前記マトリックスセラミックス中で 配向した成形体を形成し、 (c)前記成形体を常圧焼結法により焼結することを特
徴とする方法。
(2) A method for manufacturing whisker composite ceramics, including (a) electrically surface-treating the whiskers, and (b) molding a mixture of the whiskers and matrix ceramics so that the whiskers are oriented in the matrix ceramics. A method characterized by forming a compact, and (c) sintering the compact by a pressureless sintering method.
(3)請求項1に記載の方法において、前記ウィスカー
の表面処理を高分子電解質溶液中に前記ウィスカーを分
散することにより行うことを特徴とする方法。
(3) A method according to claim 1, characterized in that the surface treatment of the whiskers is carried out by dispersing the whiskers in a polyelectrolyte solution.
(4)請求項3に記載の方法において、前記高分子電解
質の濃度が3〜8重量%の水溶液中に前記ウィスカーを
分散させることにより、表面処理を行うことを特徴とす
る方法。
(4) The method according to claim 3, wherein the surface treatment is carried out by dispersing the whiskers in an aqueous solution of the polymer electrolyte having a concentration of 3 to 8% by weight.
(5)請求項4に記載の方法において、前記水溶液をp
H10〜13に調節することを特徴とする方法。
(5) In the method according to claim 4, the aqueous solution is
A method characterized by adjusting H10 to H13.
(6)請求項3に記載の方法において、前記ウィスカー
がSiCウィスカーであり、前記マトリックスセラミッ
クスがAl_2O_3系セラミックスであることを特徴
とする方法。
(6) The method according to claim 3, wherein the whiskers are SiC whiskers and the matrix ceramics are Al_2O_3 ceramics.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5648029A (en) * 1991-03-25 1997-07-15 Sandvik Ab Method of manufacturing inserts preferably for machining of heat resistant materials

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6311579A (en) * 1986-06-30 1988-01-19 日産自動車株式会社 Manufacture of fiber reinforced ceramics

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