JPH03150275A - 多孔質窒化珪素構造体 - 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」 この発明は、高い耐熱性および耐熱衝撃性を有し、溶融
金属に対する耐蝕性が高く、機械加工が容易な構造材料
となる多孔質窒化珪素構造体に関する。

「従来の技術」 窒化珪素材料は、高温下におけるａｍ強度に優れ、溶融
金属に対する耐蝕性が高く、かつ高い耐熱衝撃性を有し
ていることから、高温構造材料および溶融金属用耐火物
として広く利用されている。

ところで、このような窒化珪素材料を作製するにあたっ
ては、一般に粒状の窒化珪素粉を焼結して緻密な焼結体
とするが、このようにし、て得られた焼結体では過度の
熱応力が加わった際、その熱応力に伴ってクラツクが発
生し、これに起因して決定的な破壊が起こることがある
。

ここで、セラミックスの熱衝撃破壊抵抗Ｒ°は以下の式
で表される。

Ｒ−＝［Ｓ（１−μ）／Ｅα］ｘ（ｋ／ρｅ）（ただし
、α＝熱膨張率、Ｅ＝ヤング率。

μ＝ポアソン比、ρ＝密度、ｃ＝比熱。

ｋ＝熱伝導率、Ｓ＝強度である。） この式より、耐熱衝撃性を向上させるには、構造体を粗
密化することによってヤング率（Ｅ）、密度（ρ）、ポ
アソン比（μ）を下げ、これにより熱衝撃破壊抵抗Ｒを
上げることが考えられる。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、粒状の窒化珪素粉よりなる構造体では、
粗密化するため焼結体の気孔率を体積５０％以上にした
場合に機械強度が大幅に低下するといった問題があり、
よって気孔率を増加させることにより熱衝撃破壊抵抗Ｒ
°を大きくすることが非常に困錐である。

この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高い耐熱
衝撃性を有し、かつ機械強度の低下を抑えた窒化珪素構
造体を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この定明の多孔質窒化珪素構造体では、針状もしくは繊
維状の窒化珪素の複数個が互いに結合してなり、その気
孔率が９５体積％以下で３０体積％以上であることを上
記課題の解決手段とした。

以下、この発明の多孔質窒化珪素構造体をその製造方法
をもとに詳しく説明する。

まず、β−窒化珪素ウイスカーなどの針状もしくはｌｉ
ｌ錐状の窒化珪素材料を用意し、これ単独で、もしくは
これに周期律表の第ＩＩａ族元素の化合物、第ＩＩＩａ
族元素の化合物、希土類元素の化合物および酸化珪素の
うち少なくとも一種を第二成分として配合し混合して焼
結する。ここで、針状もしくは繊維状の窒化珪素材料と
しては、線径（繊維径）が０．０５〜１０ｕｍ程度、長
さが０．０１〜ｔ。

ｆｌ程度が好ましい。この場合に針状もしくは繊維状の
窒化珪素材料を用いるのは、粒状の窒化珪素材料を使用
した場合に比較して得られる焼結体の機械的強度を高く
保ちつつ低密度化することが可能になるからであり、こ
のように焼結体を低密度化すれば、ヤング率が低下して
引き抜き効果およびクラブクディフラクシ１ンの効果が
高まり、破壊靭性が大きく向上することによって耐熱衝
撃性が向上し、かつ機械加工が可能になるためである。

また、第二成分として周期律表の第■１族元素の化合物
、第ＩＩＩａ族元素の化合物、希土類元素の化合物、酸
化珪素を配合するのは、焼結時にこれらが窒化珪素と反
応することによって窒酸化物を形成し、この窒酸化物が
針状もしくは繊維状の窒化珪素間の接合をなす接点とな
るからである。なおここで、第■ａ族元素の化合物とし
てはＭｇＯ。

Ｃａ　Ｏ、Ｂ　ａｔ　０３が好適に用いられ、第■＆族
元素の化合物としてはＡ　Ｑ　２０３が好適に用いられ
、また希土類元素の化合物としてはＹ、０３やＤＹ＊Ｏ
ｓが好適に用いられ、さらに酸化珪素としてはＳｉ−Ｏ
，が好適に用いられる。また第二成分の配合量としては
、その総量を０．０１重量％から４０重量％とするのが
好ましい。すなわち、第二成分の総量が０．０１重量未
満では配合した効果がほとんどなく、配合しない場合に
比べて窒化珪素間の接合点が十分に増加しないからであ
り、また４０重量％を越えた場合には該第二成分と窒化
珪素との反応による窒化珪素の分解量が多くなりすぎ、
窒酸化物からなる接合部（接点）が厚くなることによっ
て引き抜き効果およびクラブクディフラクションの効果
が低くなり、得られる焼結体の破壊靭性が低下して耐熱
衝撃性および機械加工性が低下するとともに、高温強度
が低下するからである。

また、焼結して焼結体を得るにあたっては、焼結体の気
孔率を９５体積％以下３０体積％以上に調節し、これに
より得られた焼結体を多孔質窒化珪素構造体とする。す
なわち、気孔率が９５体積％を越えると十分な強度が得
られず、実用性に乏しくなるからであり、また３０体積
％未満では窒化珪素間の結合が強固になり、クラツクが
窒化珪素内を進展し易くなって引き抜き効果およびクラ
ブクディフラクションの効果が低下するからである。

ここで、上述したように気孔率が９５体積％以下３０体
積％以上となるよう調節するには、第二成分の添加の有
無や添加した場合の配合量などによっても異なるが、窒
素雰囲気中にて１５００〜１８５０℃程度で４時間程度
加熱し焼結するのが好ましい。

このようにして得られた多孔質窒化珪素構造体にあって
は、粒状の窒化珪素材料を使用して得られた焼結体に比
べ機械的強度が十分高くかつ低密度となり、したがって
ヤング率が低下して引き抜き効果およびクラブクデイフ
ラクションの効果が高まり、破壊靭性が大きく向上する
ことによって耐熱衝撃性が向上し、かつ機械加工が可能
になる。

「実施例」 以下、実施例によりこの発明を員体的に説明する。

線径０．２μ！、長さｌＯミ！程度のβ−窒化珪素ウイ
スカーに、粉状の酸化アルミニウム、酸化イットリウム
、酸化珪素をそれぞれ第１表に示した割合になるよう添
加して均一に混合し、密度（気孔率）の異なる４種類（
試料Ｎｏ、１〜４）のものに成形した後、常圧下の窒素
雰囲気中にて温度１７５０℃で４時間熱処理し、１００
１１Ｘ　ｌ　０１１×１２１１ＩＩの寸法の角柱状に加
工成彩した。

次に、このようにして得た成形体（多孔質窒化珪素構造
体）の気孔率、圧縮強度、曲げ強度を調べ、さらに水中
落下法により耐熱衝撃試験を行って耐熱衝撃性を調べて
その結果を第１表に示した。

なお、第１表中の耐熱衝撃性の欄で示した値（温度）は
、耐熱衝撃試験によって破壊した温度を示すものであり
、またこの欄において［＞１２００］は、試料が１２０
０℃においても破壊されなかったことを示すものである
。

また、比較のため実施例と同一のβ−窒化珪素ウイスカ
ーを用い、同様の製造法により焼結体の密度が高く（気
孔率を低く）なるようにして３種類の焼結体（試料Ｎｏ
、５〜７）を作製し、これらを実施例Ｉと同様に試験し
てその結果を第１表中に併記した。さらに、比較のため
窒化珪素の粒子を用いて成形した後、実施例と同様の製
造法により２種類の焼結体（試料Ｎｏ−８，９）を作製
し、これらも実施例１と同様に試験してその結果を第１
表中に併記した。

第１表に示したように、実施例のものは比較例のものに
比べて耐熱衝撃性が格段に優れていることが確認された
。

「発明の効果」 以上説明したようにこの発明の多孔質窒化珪素構造体は
、針状もしくは繊維状の窒化珪素の複数個が互いに結合
してなり、その気孔率が９５体積％以下で３０体積％以
上のものであるから、粒状の窒化珪素材料を使用して得
られた焼結体に比べ機械的強度が十分高くかつ低密度と
なり、したがってヤング率が低下して引き抜き効果お上
、びクラックディフラクシ３ンの効果が高まり、破壊靭
性が大きく向上することによって耐熱衝撃性が向上し、
かつ機械加工が可能になる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　針状もしくは繊維状の窒化珪素の複数個が互い
   に結合してなる多孔質窒化珪素であって、その気孔率が
   ９５体積％以下で３０体積％以上である多孔質窒化珪素
   構造体。
2. （２）　請求項１記載の多孔質窒化珪素構造体において
   、周期律表の第IIａ族元素の化合物、第IIIａ族元素の
   化合物、希土類元素の化合物および酸化珪素のうち少な
   くとも一種を第二成分として含んでなる多孔質窒化珪素
   構造体。
3. （３）　請求項２記載の多孔質窒化珪素構造体において
   、第二成分の総量が０．０１重量％から４０重量％であ
   る多孔質窒化珪素構造体。