JPH03288639A

JPH03288639A - 断熱材

Info

Publication number: JPH03288639A
Application number: JP9105090A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Matsumoto; 和久松本; Miharu Kayane; 茅根　美治
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1990-04-05
Filing date: 1990-04-05
Publication date: 1991-12-18
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: JPH0681713B2

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］本発明は断熱材に係り、特に耐風速性、耐摩耗性、耐久
性、断熱性等の各種特性に優れた断熱材に関する。

［従来の技術］従来、各種高温炉の耐火断熱材としては、セラミック繊
維の織布又は不織布を所定形状に成形してなる断熱材が
一般に使用されている。

［発明が解決しようとする課題］従来のセラミック繊維製断熱材では、次のような欠点が
あった。

■　セラミック繊維は細くて脆いので、耐風速性に劣る
。このため、含塵流体中や高速流体中では使用できない
。

■　セラミック同志が強く結合していないため、極めて
破損し易い。

■　■、■よりセラミックの短繊維や粉末が炉内を浮遊
し、炉内処理物を汚染する。この現象は減圧工程を含む
炉では特に著しい。

■　断熱材中には不純物が含まれており、この不純物が
炉内に拡散して被処理物を汚染する。

例えば、従来の断熱材をＳｉ単結晶引上げ装置（ＣＺ法
）やＧａＡｓ単結晶引上げ装置（ＬＥＣ法）の加熱溶融
炉の断熱材として用いた場合、断熱材中の不純物が引上
げＳｉ単結晶やＧａＡｓ単結晶に拡散して単結晶の純度
を低下させる。

特に、近年、超ＬＳＩのメガビット時代を迎え、基板結
晶の高純度完全性に対する要求が厳しくなっており、上
記■の問題は解決すべき重大な問題とされている。

上記問題を解決するために、断熱材表面にＣＶ　Ｄ　（
Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
）又はｃｖｒ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｉｍｐ
ｒｅｇｎａｔｉｏｎ）法により、耐火性、耐摩耗性等に
優れた炭化珪素（Ｓ　ｉ　Ｃ）又は窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ
＋）の被覆膜を形成することも考えられるが、この場合
には、新たに次のような問題が生起する。

■　繊維質断熱材は気孔率の大きな材料であるため、Ｓ
ｉＣ又はＳｉ３Ｎ４が断熱材内部まで深（浸透し、熱伝
導性の良いＳｉＣ又はＳｉ３Ｎ４の連続膜層が断熱材内
部にまで形成されることとなり、断熱材の断熱性が低下
する。

■　断熱材の構成繊維がＳｉＣ又はＳｉ３Ｎ４と熱膨張
係数が大きく異なる繊維の場合、健全な被ｉｌｌ！を形
成することができず、ＳｉＣ又はＳｉ３Ｎ＋被覆膜の割
れや剥離か生じる。

本発明は上記従来の問題点を解決し、耐風速性、耐摩耗
性、耐久性、断熱性等の各種特性に優れ、また、使用系
内を汚染することかない断熱材を提供することを目的と
する。

［課題を解決するための手段］本発明の断熱材は、セラミック繊維で構成された断熱材
本体の表層部に、セラミック及び耐熱金属よりなる群か
ら選ばれる少なくとも１種の粉末及び／又は短繊維が充
填されており、更にその表面にＳｉＣ被覆膜又はＳｉ３
Ｎ４被覆膜が形成されていることを特徴とする。

以下に本発明を図面を参照して詳細に説明する。

第１図は本発明の断熱材の一実施例を示す断面の模式図
、第２図は第１図の１１部の拡大図である。

なお、以下においては、ＳｉＣ被覆膜を設りる場合につ
いて説明するか、Ｓｉ３Ｎ４被覆膜を設ける場合につい
ても同様である。

図示の如く、本発明の断熱材１は、セラミック繊維２で
構成された断熱材本体３の表層部に、セラミック及び耐
熱金属よりなる群から選ばれる少なくとも１種の粉末及
び／又は短繊維（以下「充填材」という。）４が充填さ
れており（充填層５）、更にその表面にＳｉＣ被覆膜６
が形成されているものである。

本発明において、断熱材本体３を構成するセラミック繊
維の材質としては、ジルコニア系、シリカ系、アルミナ
系、アルミナ・シリカ系、炭素系、黒鉛系、炭化珪素系
等のセラミックが挙げられる。また、断熱材の形態とし
ては特に制限はなく、フェルト状、ボード状、ブランケ
ット状、ペーパー状、ブロック状等、各種形態を採り得
る。

本発明において、断熱材本体３は、後述の充填材の充填
効率面から、その気孔率が７０〜９９％程度であること
が好ましい。

このような断熱材本体３の表層に充填する充填材として
は、黒鉛、炭素、ＳｉＣ，Ｂ４Ｃ。

Ａｊ２Ｎ、　　Ｔ　　ｉ　　Ｂ２　　、　　ＭｏＳ　　
ｉ　　２　　、　　ＴａＮ、　　ＷＣＷ２Ｃ等のセラミ
ック、及びＷ、Ｍｏ等の耐熱金属よりなる群から選ばれ
る１種又は２種以上の粉末及び／又は短繊維が挙げられ
る。本発明においては、特に、これらのうち断熱材本体
３と形成するＳｉＣ被覆膜６との熱膨張差を緩和し得る
もの、例えば、等方性黒鉛、ＳｉＣ，Ｂ４Ｃ１Ａ　ｆｌ
Ｎ　ｙ　Ｔ　ｉＢ　２　、Ｍ　ｏ　Ｓ　１２　、Ｍ　ｏ
　、Ｗ等が好ましい。なお、Ｓｉ３Ｎ＋被覆膜の場合の
充填材としては、Ｓｉ３Ｎ＋が好ましい。充填材４が粉
末である場合、その平均粒径は０．２〜１００μｍ程度
とするのが好ましい。また、短繊維である場合、その平
均繊維径は０．２〜３０μｍ、平均繊維長さは２０〜２
００μｍであることが好ましい。

このような充填材４を断熱材本体３の表層に充填する方
法としては特に制限はないが、次のＡ。

Ｂ等の方法が挙げられる。

Ａ：接着法１ ■−■　充填材を断熱材本体の表面へふりかける。

■−■　へヶ又はヘラで余分の充填材を除去する。

■−〇　フェノール樹脂等の接着材をスプレーガン等で
吹きつける。

■−■　接着剤を硬化させる。

■−■　接着剤を無機化する。

Ｂ：接着法２ ■−〇　断熱材本体表面へフェノール樹脂等の接着剤を
スプレーガン又はへヶにて塗布する。

■−■　充填材をふりかける。

■−■　へケ又はヘラで余分の充填材を除去する。

■−■　接着剤を硬化させる。

■−■　接着剤を無機化する。

本発明において、充填材４の充填量には特に制限はない
が、断熱材本体３の表層に形成される充填層５の厚さｔ
が００１〜０．２ｍｍ程度となるようにするのが好まし
い。充填層５の厚さｔが０．０１ｍｍ未満では本発明に
よる十分な効果が得られず、０．２ｍｍを超えても効果
に差異はなく、コストが高騰し好ましくない。

なお、断熱材本体３に充填材４を充填すると、断熱材本
体３の表面から充填材が若干はみ出した状態となる。こ
の充填材のはみ出し厚さδが１ｍｍ以上となると後述の
ＳｉＣ被覆膜の形成にあたり、ＳｉＣを断熱材本体３の
内部まで密着して形成し難くなり、膜剥離等が生起し易
くなる。このため、この断熱材本体３からの充填材４の
はみ出し厚さδは１．０ｍｍ未満となるようにするのが
好ましい。

このようにして充填層５が形成された断熱材本体３の表
面にＳｉＣ被覆膜６を形成する方法としては特に制限は
ないが、緻密で高純度、高特性の膜を容易に得ることが
できることからＣＶＤ法又はＣＶＩ法を採用するのが好
ましい。

ＣＶＩ法又はＣＶＤ法の好適なＳｉＣの蒸着条件の一例
を下記第１表に示す。

このようなＳｉＣ被覆膜６の形成にあたり、ＳｉＣは充
填層５の充填材４や断熱材本体３の表層部のセラミック
繊維２間にも蒸着されるため、ＳｉＣ被覆ｌｌ１６は断
熱材本体３の表面に極めて強固に密着形成される。

なお、ＳｉＣ被覆膜６の厚さＴは、用いる充填材４の大
きさとの関係で十分に緻密な被覆膜を得るために、次の
ような厚さとするのが好ましい。

充填材４が粉末の場合平均粒径の１０倍以上充填材４が短繊維の場合：平均繊維径の２０倍以上ＳｉＣ被覆膜６の厚さＴは厚過ぎてもコスト高騰、膜の
割れや剥離、断熱性紙下等の不具合をひき起こすため、
厚さＴの上限は２ｍｍ以下とするのが好ましい。

本発明の断熱材は、例えば次のような使用形態で使用す
るのが好適である。

■　断熱材の耐風速性、耐摩耗性のみを向上させる場合
：高速流体、含塵流体が衝突、接触する面のみ又は全面に
設ける。

１１　　断熱材中の不純物の炉内拡散を防止する場合：
全面に設ける。

ただし、■、１１のいずれにおいても、全面に設ける場
合には温度変化、圧力変化によりＳｉＣ被覆膜に圧力が
作用しないように、一部分例えば炉の排気口周辺はＳｉ
Ｃ被覆膜を形成しないものとする。

［作用コ以下においてはＳｉＣ被覆を行なう場合について述べる
が、３ｉ３Ｎ＋被覆についても同様である。

前述の如く、繊維質断熱材は気孔率の大きな材料である
ため、ＣＶＤ法又はＣＶＩ法でＳｉＣ被覆を行なうと、
断熱材内部にまで熱伝導性の良いＳｉＣ膜が形成され、
断熱性が低下するが、本発明によれは、断熱材の表層部
のみＳｉＣ被覆を行なうことができ、断熱材の断熱性を
低下させることがない。

また、ＳｉＣと熱膨張係数が大きく異なる繊維から構成
される断熱材本体表面に直接ＳｉＣ被覆膜を形成すると
膜に剥離、割れなどの欠陥が発生するか、断熱材本体の
表層部に充填材の充填層を形成することにより、表面に
健全なＳｉＣ被覆膜を形成することが可催とされる。

更に、繊維質の断熱材本体へ直接ＳｉＣ被覆膜を形成す
ると、熱膨張係数の差や繊維の異方性によりＳｉＣ被覆
膜に剥離や割れが発生するが、本発明では、極めて変形
能の大きい繊維質断熱材本体の表層へ、上述のような健
全なＳｉＣ被覆膜を形成すると共に、充填材により熱膨
張差を緩和することができるので、ＳｉＣ被覆膜に割れ
、剥離が発生しない。

［実施例コ以下にＳｉＣ被Ｎ膜を形成する場合について実施例、比
較例及び参考例を挙げて本発明をより具体的に説明する
。

実施例１〜４．比較例１１第２表に示す断熱材本体の表層部に、第２表に示す充填
材の充填層を第２表に示す方法にて形成した後、第２表
に示す方法により第２表に示す厚さのＳｉＣ被覆膜を形
成し、本発明の断熱材を製造した。

２各断熱材を供試材として、第３図に示す試験装置にて熱
サイクルテストを行なった。また、比較のため「ファイ
バーキャスト＃１０００Ｊを５０ｍｍｘ５０ｍｍＸ２０
ｍｍ厚さに成形したもの（比較例１）についても同様に
熱サイクルテストを行なった。

なお、第３図において、１１は耐火断熱レンガてあり、
１２は燃焼器、１３は燃焼器内筒である。１４はテスト
セクションてあり供試材１５を耐火レンガ１１に埋め込
んでセットした。

テストは、配管１６よりプロパンを燃焼器１２に導入し
て燃焼させて１２００℃の燃焼ガスを５０　ｍ　／　Ｓ
で１時間テストセクション１４に送給した後、冷却した
。この加熱、冷却を１０回繰返した。

その結果、実施例１〜４のものはいずれも表面のＳｉＣ
被覆膜に剥離や割れは認められなかったか、比較例１の
ものは表面に割れが発生し、数ケ所に剥離か詔められた
。

実施例５〜８．参考例１第３表に示す断熱材本体の表層部に、第３表に示す充填
材の充填層を第３表に示す方法にて形成した後、第３表
に示す方法により第３表に示す厚さのＳｉＣ被Ｎ膜を形
成し、本発明の断熱材を製造した。

得られた断熱材を試料として、下記方法により断熱材本
体の不純物拡散テストを行ない、結果を第４表に示した
。

試験方法 ■　ＣＶＤ−３ｉＣ被覆膜を形成した高純度黒鉛製容器
の中へ各試料を入れ、蓋をする。

■　１３００℃の電気炉内て５０００時間保持する。

■　１０ｘｔｏｍｍのサンプルを切り出し、ＳｉＣ被覆
膜の断熱材側から５０μｍ、表面側から５０μｍ研削除
去する。

■　１０ｘｌＯｘ０．１ｍｍのＳ　ｉ　Ｃ？皮覆ｌＩ負
中の不純物量を放射化分析によって求める。

同様の不純物拡散テストを、高純度黒鉛の全面に第１表
に示すＣＶＤ法てＳｉＣ被覆膜を２００μｍ形成したも
の（参考例１）についても行ない、結果を第４表に示し
た。なお、この場合、テスト後のＳｉＣ被覆膜の研削は
黒鉛側からのみ１００μｍ行なった。

（ｐｐｍ）第４表より、実施例５〜８の断熱材のＳｉＣ被覆膜はい
ずれも参考例１のものと同程度の純度であり、ＳｉＣ被
覆膜が断熱材本体中の不純物拡散のバリヤーとして十分
に機能していることが明らかである。

参考例２ＳｉＣ被ＮＩＩＭの膜厚を第５表に示す厚さとしたこと
以外は、それぞれ実施例１〜８のうちの第５表に示す実
施例（第５表においては、「供試実施例」と記す。）と
同様にして断熱材を製造し、各断熱材について下記方法
によりＳｉＣ被覆膜の緻密性を調べ、結果を第５表に示
した。

試験方法 ■　各々の断熱材を直径２０ｍｍの円板に切断しく厚さ
はもとの断熱材と同じ）、実施例１〜８と同様にしてＳ
ｉＣ被覆膜を形成する。

ただし、円筒面には、直径５ｍｍの未被覆部がある。

■　第４図に示す如く、Ｎ２導入管２１と圧力計２２及
び排気バルブ２７とを備えるＳＵ３円管２０の一端のＳ
ＵＳフランジ２３にＳＵＳ蓋２４をボルトとナツト２５
を用いて取り付けて密封し、他端に試料２６を挿入して
蓋着する。試料２６は、エポキシ系接着剤でＳＵ３円管
２０に接着した後室温、常圧で乾燥し、更に室温、ＩＴ
ｏｒｒで２４時間乾燥する。

■　Ｎ２導入管２１よりＳＵ’Ｓ円管２０内に０．１ｋ
ｇｆ／ｃｍ’のＮ２圧を封入する。

■　圧力変化を調べる。

■　圧力低下の有無から、緻密性を下記基準で評価した
。

△：圧力低下あり、緻密性に若干問題あり。

○・圧力低下なし、緻密性良好。

２０第５表第５表より、ＳｉＣ被覆膜の厚さを充填材が粉末の場合
にはその平均粒径の１０倍以上、充填材が短繊維の場合
にはその平均繊維径の２０倍以上の厚さとすることによ
り、極めて緻密なＳｉＣ被覆膜を形成することができる
ことが明らかである。

１「発明の効果」以上詳述した通り、本発明の断熱材によれば、耐風速性
、耐摩耗性等に優れ、かつ緻密で高特性のＳｉＣ被覆膜
又はＳｉ３Ｎ４被覆膜を、割れ、剥離等の問題を生起す
ることなく、また、断熱性を損なうことなく、断熱材本
体に密着性良く形成することができるため、 ■　断熱材の耐風速性、耐摩耗性を向上させることがで
きる。

■　断熱材本体の不純物の拡散を防ぎ、不純物による系
内の汚染を防止することができる。

■　断熱材の断熱性は著しく高く、しかも軽量である。

等の優れた効果が奏される。

本発明の断熱材は、熱風炉、バーナ・ノズル等に用いて
、その耐風速性、耐摩耗性、軽量性、断熱性の向上を図
ることができる。また、Ｓｔ単結晶やＧａＡｓ単結晶の
引上げ装置に用いた場合には、不純物による汚染が防止
され、Ｓｔ単結晶やＧａＡｓ単結晶の高純度化が可能と
なり、メガビット時代を迎えた超ＬＳＩ用基板として適
した単結晶を得ることを可能とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の断熱材の一実施例を示す断熱材の模式
図、第２図は第１図の１１部の拡大図である。第３図は
実施例１〜４で用いた試験装置を示す概略断面図、第４
図は参考例２て用いた試験装置を示す概略断面図である
。１・・・断熱材、　　　　２・・・セラミック繊維、３
・・・断熱材本体、　　４・・・充填材、５・・・充填
層、６・・・ＳｉＣ被覆膜（又はＳｉ３Ｎ４被覆膜）。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）セラミック繊維で構成された断熱材本体の表層部
に、セラミック及び耐熱金属よりなる群から選ばれる少
なくとも１種の粉末及び／又は短繊維が充填されており
、更にその表面にＳｉＣ又はＳｉ＿３Ｎ＿４よりなる被
覆膜が形成されていることを特徴とする断熱材。