JPH0337196A

JPH0337196A - 炭化珪素ウイスカーの製法

Info

Publication number: JPH0337196A
Application number: JP17100289A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Saito; 雅春斉藤; Hiroko Nagata; 永田　浩子; Katsunori Shimazaki; 嶋崎　勝乗; Yasushi Tomisaka; 富阪　泰
Original assignee: Kanebo Ltd; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kanebo Ltd; Kobe Steel Ltd
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1991-02-18

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、表面が滑らかで、繊維径が均一に制御され
た炭化珪素ウィスカーを得ることのできる炭化珪素ウィ
スカーの製法に関するものである。

〔従来の技術〕

炭化珪素ウィスカーは、結晶中に転移や格子欠陥等の構
造的欠陥のない、微細な針状の単結晶で、極めて高い引
っ張り強度や曲げ弾性率を示す。そこで、上記炭化珪素
ウィスカーを、種々のセラミック、プラスチック、金属
等のマトリックス中に強化材として使用し、弾性率、引
っ張り強度、耐熱性、耐摩耗性、高温強度等に優れた複
合強化材料を得ることが行われている。

このような炭化珪素ウィスカーの製法としては、珪素成
分原料と炭素成分原料の一方もしくは両方を気体状態で
供給しこれを反応させる方法（特開昭６０−４７０００
号、同６１−２９１４９８号。

同６３−２７７５９９号等に記載される方法）と、珪素
成分原料と炭素成分原料の両方を固体状態で非酸化性雰
囲気下で高温加熱反応させる方法（特開昭５８−１４７
５００号、同６１−２２０００号、同６３−２６０８９
９号等に記載される方法）が知られている。これらのう
ち、後者の方法が、原材料を安価に入手できるうえ、原
料利用率が高く、収率的にも有利である、として最近の
主流となっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、後者の珪素成分原料と炭素成分原料の両
方を固体状態で反応させる方法では、急激な反応の進行
によっては、得られる炭化珪素ウィスカーの表面状態が
やすりのようにぎざぎざになることがある。また、繊維
径についても、太いものと細いもののばらつきが生じる
ことがある。

このように表面の乱れた炭化珪素ウィスカーを強化材と
して用い、例えば破壊靭性の改善を企図して繊維強化セ
ラミックスをつくると、炭化珪素ウィスカーによるプル
アウト効果（強化材がマトリックスから引き抜かれるこ
とにより破壊エネルギーを消費し靭性を改善する効果）
が有効に発現せず、破壊靭性の改善にならない。また、
繊維径にばらつきのある炭化珪素ウィスカーを用いて繊
維強化金属や繊維強化プラスチックをつくると、極端に
太い繊維径の炭化珪素ウィスカ一部分が破壊起点となっ
て引っ張り強度や弾性率の向上効果が発現しないばかり
か、かえって材料強度の低下を招いてしまう。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、表面
が滑らかで繊維径にばらつきのない、均一な形状の炭化
珪素ウィスカーを得ることのできる製法の提供をその目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この発明の炭化珪素ウィス
カーの製法は、炭素成分原料と珪素成分原料とを非酸化
性雰囲気下で加熱反応させることによって炭化珪素ウィ
スカーを製造する方法であって、反応炉内に導入する雰
囲気ガスとして、不活性ガスを５〜３０容積％（以下「
％」と略す）含有する非酸化性ガスを用いるという構成
をとる。

〔作用〕

すなわち、本発明者らは、従来の製法によって得られる
炭化珪素ウィスカーの形状不安定は、合成反応が急激に
進みすぎるために生じるものと考えられることから、上
記反応が穏やになるよう制御すれば、形状の均一な炭化
珪素ウィスカーが得られるのではないか、と想起した。

そして、そのような制御方法について一連の研究を行っ
た結果、反応時の雰囲気ガスとして、不活性ガスを添加
した混合ガスを用いると、この不活性ガスの存在によっ
て反応が穏やかになることを見いだしこの発明に到達し
た。

つぎに、この発明の詳細な説明する。

この発明に用いる炭素成分原料は、特に限定されるもの
ではなく、カーボンブラック、粉末状活性炭等が適宜用
いられる。

また、上記炭素成分原料とともに用いられる珪素成分原
料も、特に限定されるものではなく、金属珪素粉末、珪
石、珪砂、シリカゲル、シリカフラワー等の二酸化珪素
含有物質等が適宜に用いられる。

上記各原料は、ともに粉末であっても顆粒であっても、
また予備成形されたものであってもよい。

なお、上記炭素成分原料と珪素成分原料とを反応させる
際には、触媒を使用することができる。

上記触媒としては、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバル
ト、塩化鉄、塩化ニッケル、塩化コバルト。

鉄微粉末、コバルト微粉末、ステンレス３０４微粉末等
があげられる。

この発明では、上記炭素成分原料と珪素成分原料と（必
要であれば上記触媒と）を適宜の状態で反応炉内に充填
し、下記の特殊な非酸化性雰囲気下において、１３００
°Ｃ以上の温度で反応させることにより炭化珪素ウィス
カーを生成させる。

上記特殊な非酸化性雰囲気とは、水素ガス、−酸化炭素
ガス等の非酸化性ガス中に不活性ガスが５〜３０％含有
されたガスで反応炉内が充満された状態をいう、この雰
囲気下で炭化珪素ウィスカーの合成反応を行うと、その
反応の進行が穏やかに制御される。この制御機構を詳細
に説明する。

例えば、珪素成分原料として二酸化珪素を用い、炭素成
分原料としてカーボンブラックを用いた場合、合成反応
は、まずつぎのように進行する。

Ｓｉｎ、＋Ｃ→ｓｉｏ＋ｃｏ　　・・・・・・■そして
、上記反応中間体として生じた一酸化珪素は、炭素成分
原料（カーボンブラック）中へと拡散していき、その場
において、下記のように反応して炭化珪素となる。

Ｓ　ｔｏ＋２ｃｍ＋ｓ　ｉ　Ｃ＋ＣＯ・・・・・・■し
たがって、二酸化珪素からみた総括反応はつぎのように
なる。

５ｉＯｚ＋３Ｃ→ＳｉＣ＋２ＣＯ・・・・・・■この合
成反応において、例えば非酸化性雰囲気ガスとして水素
ガスを用いる場合、水素が上記炭素成分原料と下記のよ
うに反応してメタンガスを生じる。

Ｃ＋２Ｈｚ→ＣＨ４・・・・・・■ 上記メタンガスは、上記式の、■で示される反応に関与
してつぎのようになる。

Ｓ　ｉ　Ｏ，＋ＣＨ４→Ｓｉ○＋ｃｏ＋２Ｈｚ・・・■
′Ｓ　ｉ　Ｏ＋　２　ＣＨｓ→Ｓ　ｉ　Ｃ＋　ＣＯ＋　
４　Ｈ２・・・■′すなわち、非酸化性雰囲気ガスであ
る水素ガスがまず炭素成分原料と反応してメタンガスと
なり、このメタンガスが珪素成分原料と反応して炭化珪
素ウィスカーが生成するという合成過程となる。

そこで、上記非酸化性ガス中に不活性ガスを添加すると
、上記水素ガス濃度が希釈されるため、上記メタンガス
の生成反応および炭化珪素ウィスカーの生成反応が穏や
かに進行するようになる。

例えばメタンガスについて、ｒＪＡＮＡＦ熱力学表」を
もとにして熱力学的な平衡計算を行うと、１５００°Ｃ
において水素ガスのみを雰囲気としたときには、メタン
ガスの濃度は約２５００ｐｐｍであるが、雰囲気中２０
％を不活性ガスに置き換えるとメタンガスの濃度は約２
０００ｐｐｍにまで低下する。その結果、メタンガスに
よる炭化珪素ウィスカーの合成反応が穏やかになり、緻
密な結晶ができる。このようにして得られる炭化珪素ウ
ィスカーの表面は滑らかで、かつ繊維径も均一に揃うよ
うになる。

なお、上記不活性ガスの配合割合は、すでに述べたよう
に、非酸化性ガス全体の５〜３０％に設定する必要があ
る。上記の範囲内で、不活性ガスの割合が多くなればな
るほど表面が滑らかで繊維径の均一な炭化珪素ウィスカ
ーが得られるが、上記範囲を超えると、あまりにも反応
の進行が遅すぎて生産効率上、不都合となり、かつ炭化
珪素ウィスカーとしての直線性が劣るようになる。また
、逆に、５％未満では上記反応への制御効果が得られな
い。

上記不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、ヘ
リウムガス等があげられ、なかでも窒素ガスが好適であ
る。

このようにして得られる炭化珪素ウィスカーは、結晶表
面が滑らかで、しかも繊維径が均一で非常に質の揃った
ものとなる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

〔実施例１〜４、比較例１〜３〕まず、珪素成分原料として二酸化珪素粉末を、ポリビニ
ルアルコールをバインダーとして予備成形し、幅１０ｍ
ｍ、高さ２５ｍ、長さ１２０ｍ＋＋＋の棒状体とした。

この棒状体を四本、内寸法が、縦横それぞれ１３０ｎｍ
、深さ５０＋ｍａの黒鉛製反応容器内に等間隔で並べて
置き、この棒状体の間を満たすようにして炭素成分原料
であるガーボンブラツク３０ｇと触媒の均一混合粉末を
充填した。この反応容器を合成炉内に装填し、下記の表
に示す各種の雰囲気下で１５５０°ＣＸ４時間の合成反
応に供した。反応後、未反応のカーボンブラックを含有
する炭化珪素ウィスカーケーキを取り出し、未反応のカ
ーボンブラックを焼却除去するため、空気雰囲気中で６
００　’Ｃの加熱処理を施して淡緑色の炭化珪素ウィス
カーを得た。

このようにして得られた炭化珪素ウィスカーの収量と、
平均繊維径および繊維径のばらつき具合、表面状態を観
察して下記の表に併せて示した。

（以下余白）なお、上記実施例３によって得られた炭化珪素ウィスカ
ーの結晶構造の電子顕微鏡写真を第１図に示し、上記比
較例３によって得られた炭化珪素ウィスカーの結晶構造
の電子顕微鏡写真を第２図に示す。これらの図から、明
らかに実施例品の炭化珪素ウィスカーの方が結晶表面が
滑らかで繊維径も細く揃っていることがわかる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明は、炭化珪素ウィスカーの合成
にあたり雰囲気ガスとして不活性ガスを所定割合だけ配
合した特殊な非酸化性ガスを用いるようにしているため
、表面が滑らかで、繊維径が均一に揃った炭化珪素ウィ
スカーを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によって得られた炭化珪素
ウィスカーの結晶構造を示す電子顕微鏡写真図、第２図
は一比較例によって得られた炭化珪素ウィスカーの結晶
構造を示す電子顕微鏡写真図である。第！図第閏

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭素成分原料と珪素成分原料とを非酸化性雰囲気
下で加熱反応させることによつて炭化珪素ウィスカーを
製造する方法であつて、反応炉内に導入する雰囲気ガス
として、不活性ガスを５〜３０容積％含有する非酸化性
ガスを用いることを特徴とする炭化珪素ウィスカーの製
法。
（２）上記不活性ガスが窒素ガスである請求項（１）記
載の炭化珪素ウィスカーの製法。
（３）上記非酸化性ガスが水素ガスを主とするものであ
る請求項（１）記載の炭化珪素ウィスカーの製法。