JPH0244078A - 多孔質セラミックス複合材料およびその製造方法 - 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〕 本発明は多孔質セラミックス復合材ｔｉおよびその製造
方法に関し、特に、多孔質炭化ケイ素セラミックスの表
面を窒化ケイ素で被覆した多孔質セラミックス複合材料
およびその製造方法に関するものである。

〔従来技術および解決しようとする問題点〕−ａに、炭
化ケイ素セラミックスは総合的にすぐれた耐熱性を有す
る構造材料として知られているが、急激な加熱や冷却の
熱変化に対する耐久性、すなわち耐熱衝撃性にやや難点
があることが知られている。

また、窒化ケイ素セラミンクスは、上記の耐熱衝撃性に
すぐれた構造材料であることが知られている。

そして、上記炭化ケイ素セラミックスに微細な連通気孔
が形成された、多孔質炭化ケイ素セラミック又は、特開
昭６２年第２９７２７９号に記載された方法によって製
造されることは知られていて、この多孔質炭化ケイ素セ
ラミンクスにあっても、前記と同様に耐熱衝撃性にやや
難点があり、温度変化の大きい場所、例えば、高温ガス
用のフィルターなどの構造材料としては耐性が充分でな
く、温度変化の大きい場所でも使用できるような耐熱衝
撃性の向上が望まれていた。

本発明は総合的にすぐれた耐熱性を有するとともに、耐
熱衝撃性にもすぐれた多孔質セラミックス複合材料およ
びその製造方法を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために本発明の多孔質セラミック
ス複合材料は、微細な連通気孔を有するとともに、前記
連通気孔内表面を含む表層部分を窒化ケイ素材で構成し
、この窒化ケイ素材が１〜２５体積％であり、残り７５
〜９９体積％が炭化ケイ素材からなり、前記連通気孔の
気孔率が１０〜５０体禎％である構成を有しており、ま
た、本発明の多孔質セラミックス複合材料の製造方法は
、平均粒径５０〜３００μｍの炭化ケイ素粒子の表面に
、炭化物換算量で３〜１５重足％の炭化性有機物を被覆
し、被ＩＷされた炭化ケイ素粒子の１５）末を有機物炭
化処理後の成形体かさ密度が１．７〜２　、　１　ｇ　
／（Ｉｌｌになるような条件で成形し、ｉ＋られな成形
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、次いで炭化処理後の成形体を１４５０℃以
上で溶融ケイ素と接触させて成形体にケイ素を浸透させ
、成形体中のＨ機動炭化物とケイ素とを反応させ炭化ケ
イ素とするとともに、成形体表面にケイ素を過剰に供給
し、さらに、このケイ素を過剰に供給した成形体に窒素
またはアンモニアガスを接触反応させて成形体表面のケ
イ素を窒化ケイ素に変換する手段を有している。

〔作用〕

本発明は上記の構成および手段を採用したことにより、
炭化ケイ素／窒化ケイ素からなる多孔質セラミックス複
合材ｔ’＋は温度変化の大きい場所の構造材料として有
用な耐熱衝撃性にすぐれるとともに、総合的にすぐれた
耐熱性を有するものであり、その炭化ケイ素／窒化ケイ
素からなる多孔質セラミックス複合材料を筒便に製造で
きることとなる。

〔発明の具体的な構成〕

以下、本発明による炭化ケイ素／窒化ケイ素からなる多
孔質セラミックス複合材料について詳述する。

平均粒径５０〜３００μｍの炭化ケイ素粒子は研削材と
して市販されており、本発明の原材料としての炭化ケイ
素粒子の粉末はこれをそのまま用いることができる。

−ｉ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して用いる炭
化ケイ素の粒子径を適宜選択する。

なお、平均粒径が５０μｍよりも小さいと、ケイ素溶融
処理を行う成形体における変化ケイ素粒子間の空隙が小
さくなりすぎて空隙が））−イ素により埋めつくされ易
く、必要な気孔率を確保できなくなる。

また反対に粒子径が３００μｍを越えると、炭化ケイ素
粒子同士の結合箇所が少なくなるため、多孔質セラミッ
クス複合材料の強度が不充分となる。

上記の炭化ケイ素粒子の被１■に用いる炭化性有機物と
しては、なんらかの溶剤に熔けて炭化ケイ素粒子の被覆
が可能な溶液を形成し、か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、例えばフェノール樹脂、
フラン樹脂などの熱硬化性樹脂やピンチ等を用いること
ができる。

被覆工程は、炭化性有機物の溶液と炭化ケイ素粒子の粉
末とを撹拌機を用いてよく混合した後、引き続き撹拌し
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。

彼ＩＶされた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
化性有機物の好適被覆星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、包括的な上記炭化性有機物の好適被ｊＷ　
！ｉｔ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％以下では炭化ゲイ素粒子上に形成される炭素被覆が
連続相になり得す、したがって、反応で生しる炭化ケイ
素による炭化ケイ素粒子の結合が不充分となり、強度の
低い製品しか得られない。

また１５％以ト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、被覆工程では、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性ケイ素粒
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、例えばパラフィ
ン、ワックス、ステアリン酸、熱可塑性合成樹脂（例え
ばアクリル樹脂、メタクリル樹脂等）等が適当である。

被覆を終わった炭化ケイ素粒子の粉末は、必要量を成形
金型に入れ、単軸ブレスなどを用いて圧縮成形する。こ
の場合の成形条件は、有機物炭化処理後の成形体のかさ
密度が１．７〜２．１ｇ／ｃ−になるような条件とずろ
。

かさ密度が１．７ｇ／ｃｆｆｌ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困難となる。

一方、２．Ｉｇ／ｃａｔを越える高密度のものでは、そ
れにともない小さくなった粒子間空隙にもケイ素が入り
込むため、多孔質セラミックス材料を得ることができな
い。

成形体のかさ密度は、成形圧、成形温度などを調整する
ごとにより、所望の値のものとすることができる。

（ｔられた成形体は、まず非酸化性の雰囲気で約５００
〜１２００℃に加熱し、成形体中の炭化性ｆ１゛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
を炭化性イＩ□物に先だって分解させる。） 炭化性有機物の炭化は連発性物質のｔｌ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１　４５０　’Ｃ以上、好ましくは１
４５０〜１７００℃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、熔融状態のケイ素は、成形体の有機物炭化物
部分の表面部分とともに連通気孔にも毛細管現象により
侵入し、次いで炭素と反応して前記連通気孔内表面を含
む表層部分に炭化ケイ素を生しる。

このときのケイ素の供給量は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星と、後の窒化ケイ素化す
る工程においての窒化ケイ素が全体のセラミンクス複合
材料に対してｌ〜２５体積％になる星を接触させる。

上記のようにして有機物炭化物が炭化ケイ素に変換され
ると、基材である炭化ケイ素粒子からなる多孔質炭化ケ
イ素セラミックス中の炭化ケイ素粒子はこの反応により
生した炭化ケイ素および未反応のケイ素と一体化する。

未反応のケイ素の存在形態は、反応により生した炭化ケ
イ素を覆う網目状となっている。

次に、−上記の表面に未反応ケイ素が存在する多孔質セ
ラミックス成形体をその未反応ケイ素が窒素ガスと反応
する温度の１２５０〜１５００゛Ｃに保持し、その成形
体に窒素ガスまたはアンモニアガスを供給し、−上記の
未反応ケイ素を窒素ガスまたはアンモニアガスと反応さ
せ、前記の工程で炭化ケイ素粒子との反応により生じた
炭化ケイ素が形成された多孔質セラミックス成形体の表
面を覆うように窒化ケイ素の層を形成する。

］−記の表面に窒化ケイ素の層を形成する反応時間は、
２〜２０時間程度であり、全体の多孔質セラミックス複
合材料の１〜２５体積％となるように形成する。

一方、炭化ケイ素は、全体の多孔質セラミックス複合材
料の７５〜９９体積％となる。

また、−に記の製造工程を経て形成された多孔質セラミ
ックス複合材ネ４の前記連通気孔の気孔率はｌＯ〜５０
体積％となる。

上記のようにして得られる本発明による多孔質セラミッ
クス複合材料は、その連通気孔内の表面を含む表層部分
に形成される窒化ケイ素の層が炭化ケイ素に比較して耐
熱衝撃性にすぐれており、多孔質セラミックス複合材ギ
１の連通気孔を高温のガスが通過した場合には、このガ
スは炭化ケイ素に直接接触することがなく、その表層を
被覆する耐熱衝撃性にずくれた窒化ケイ素と接触するの
で耐熱衝！バ性は大幅に向にすることとなるとともに、
基材である炭化ケイ素の耐熱性および機械的強度はその
まま保持されている。

〔発明の効果］ 本発明は上記のように１．１へ成したことにより、基［
オである炭化ケイ素セラミ、クスの耐夕、すけおよび機
械的強度はそのまま保持されるとともに、その連通気孔
内の表面を含む表層部分に形成される窒化ケイ素の層が
炭化ケイ、東に比較して耐熱衝撃性にすぐれているので
　全体の多孔質セラミックス複合材ネ、１としての耐熱
衝撃性は大幅に向上するものであり、また、これらのす
くれた特性を打する多孔質セラミックス複合材料を０ｎ
便な工程でＷ　Ｗすることができるなどのすぐれた効果
を有するものである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）微細な連通気孔を有するとともに、前記連通気孔
   内表面を含む表層部分を窒化ケイ素材で構成し、この窒
   化ケイ素材が１〜２５体積％であり、残り７５〜９９体
   積％が炭化ケイ素材からなり、前記連通気孔の気孔率が
   １０〜５０体積％であることを特徴とする多孔質セラミ
   ックス複合材料。
2. （２）平均粒径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
   被覆し、被覆された炭化ケイ素粒子の粉末を有機物炭化
   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、
   次いで炭化処理後の成形体を １４５０℃以上で溶融ケイ素と接触させて成形体にケイ
   素を浸透させ、成形体中の有機物炭化物とケイ素とを反
   応させ炭化ケイ素とするとともに、成形体表面にケイ素
   を過剰に供給し、さらに、このケイ素を過剰に供給した
   成形体に窒素またはアンモニアガスを接触反応させて成
   形体表面のケイ素を窒化ケイ素に変換することを特徴と
   する多孔質セラミックス複合材料の製造方法。