JPH0380156A - 導電性セラミックス及びその製造法 - 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、新規な導電性セラミックスとその製造法に係
り、特に焼結時の寸法変化率が小さく、低電気抵抗率の
導電セラミックスとその製造法に関する。

〔従来の技術〕

反応焼結法は他の材料に比較して焼結時の寸法変化率が
小さいことが知られているが、特開昭５８＝１４０３７
５号広報に示すように金属Ｓｉ粉末の窒化物で構成され
ているだけで導電性については開示されてない。また焼
結時の寸法変化か小さいと予測される材料に従来から耐
火物に使用されているＳ〕３Ｎ４結合材があるが、特開
昭５８−８８］６９号広報に開示されているように導電
性については開示されておらず、機械的強度が５０　Ｍ
　Ｐ　ａ程度しかなく構造用材料として使用するには不
適当である。

一方、耐熱性のあるヒータ材や導電材として春用な導電
性セラミックスに対する開発要望が強い。

電気抵抗率の小さいセラミックスが得られれば、現流製
品の性能改善やセラミックスの新しい用途開拓が期待さ
れる。従来の導電性セラミックスは、例えば、特開昭５
７−４１７９６号に開示されているように、ＳｉＣ”５
ｉａＮ４に導電性化合物を混合し、ホットプレス焼結に
より上記問題を解決している。

しかし、ホラ１〜プレス法は、焼結に膨大なエネルギを
必要とするために製造コス１−が高いという問題がある
。

更に特開昭６０−６０９８３号に開示されているように
、Ｓｉ；＋Ｎ＋に導電性化合物を混合し、ホラミルプレ
ス法よりもエネルギ的に有効な常圧焼結法により導電性
セラミックスを得ているが、焼結助剤を利用するために
焼結時の寸ｄ；変化率が１５〜１８％あり、変形などの
問題がある。

既に特願昭６１−２０７９２７号で報告したように、導
電性粒子を８５３Ｎ４で反応結合する焼結時寸法変化率
の小さい導電性セラミックスを開発している。

この材料は、電気抵抗率を小さくするには、焼結体中に
導電性粒子を多くすることで得られるが、絶縁材である
Ｓ　ｊ３Ｎ４が結合材となるため低電気抵抗に限度があ
った。

したがって、これまでに焼結時の寸法変化率が小さく、
かつ低電気抵抗率のセラミックスを製造する技術がなく
、機能材料としての実用範囲が限定され、エンジニアリ
ングセラミックスが普及しづらい理由の一つとなってい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、焼結時の寸法変化率、電気抵抗率９機
械的強度の点について配慮がされておらず、機械構造用
材料や機能材料として使用が限られていた。

本発明は、焼結時寸法変化率が小さく、低電気抵抗のセ
ラミックスを、はとんど加工することなく得ることがで
きるようにすることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、焼結中に成形体中の金属粉末から生成する窒
化物により粒子相互間を結合するとともに粒子間の空隙
を減少させることにより、焼結時の寸法変化率を小さく
し、金属粉末から生成する窒化物の種類により電気抵抗
率を任意に制御可能にするものである。

本発明において、金属粉末は周期表■族から■族に属す
るもので、平均粒径１０μｍを越え、１００μｍ以下の
Ｔｉ　、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ。

Ｃｒ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ。

Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｌｕ。

Ｔｈ、Ｎｉの少なくとも一種以上からなる。たとえば、
Ｔｊの窒化物は電気抵抗率が約１０−５Ωｃａｎオーダ
と小さく、低抵抗の焼結体が得られる。さらに、」１記
の金属粉末に、無機化合物を混合することによっても、
低抵抗率のセラミックスが得られる。

反応生成物である金属窒化物は３０μｍ以下の微粒子で
ある。

本発明において、金属粉末の含有量を１０ＶｏＱ％以上
とした理由は、無機化合物量を１００ｖｏｆ１％で焼結
した場合、結合材となる物質がなく焼結体の結合力が低
下するためである。また金属粉末の含有量が９０ｖｏＱ
％を超えると焼結時の寸法変化が大きくなりやすい。従
って、態様化物の添加量は、容積率で９０％〜１０％が
望ましい。

無機化合物の平均粒径は、工ＯＯμｒｎ以下が好ましい
、１００μｍより大きくなると機械的強度が低下するた
めである。また、無機化合物にウィスカや長繊維を使用
しても良い。ウィスカは、平均アスペク１〜比２００以
下、平均長さ２００μｍ以下のものが好ましい。また長
繊維を配向することにより、電気特性に方向性を持たせ
ることが可能である。

本発明において、気孔率を３０％以下とするのが好まし
い。気孔率を３０％を越えると強度が小さくなるからで
ある。またこの気孔は開気孔か１＝）なる。なぜなら、
金属粉末からなる成形体を窒化性ガス雰囲気下で焼結し
、金属粉末が窒化性カスと反応して窒化物に変化して焼
結体を得るためには、窒化性ガスが成形体中を通過する
通気孔が必要であるからである。この場合の焼結により
、金属粉末の種類によっては金属粉末同志が反応する場
合があるが特性」二問題はない。例えば、ＴｉＡＱ。

Ｔ］ＡＱｓ、ＴコＳｉ、ＺｒＡｌ１　　などが一部生成
する場合がある。

本発明では、さらに気孔率を小さくするために、上記で
得られた焼結体をホットプレスや熱間静水圧プレス処理
やポス１へシンタリングなどにより可能である。しかし
、これらの作業は寸法精度を保つ意味では好ましくない
。

成形体は、窒素及び／又はアンモニアに必要に応して、
水素、アルゴン、ヘリウムなどを加えた窒化性ガス雰囲
気下で金属粉末の融点以下で長時間加熱した後高温で加
熱するのが好ましい。

本発明において、底形用バインダはポリビニルブチラー
ルやポリエチレンなどの有機高分子化合物やシリコンイ
ミド化合物やポリシラン化合物などの有機Ｓｌ高分子化
合物などのバインダを適量添加し、特に高い焼結体強度
を得るためには１５〜２５容量％添加し、成形体の粒子
体積充填率を６５％以上とするのが好ましい。バインダ
を添加する理由を以下の述べる。

原料粉末自体は脆性の固体粒子から戊っているため、そ
のまま加圧するだけでは充填が困難であり圧力の増加に
ともなって成形体に歪、クラックが発生し割れてしまう
。そのため、何らかの有機バインダを加えて粉体の流動
性を助け、かつ成形体の強度を高める必要がある。また
、有機バインダの添加量により焼結体の強度が左右され
る。たとえば、金属Ｔｉ粉末＋ＴｉＮ粉末の本発明の焼
結法によるＴｉＮ焼結体の有機バインダの添加量と焼結
体の曲げ強さの関係を第１図に示す。このように有機バ
インダ添加量により焼結体の強度が変わる。これは成形
体の粒子体積充填率（導度）に関係する。有機バインダ
が多すぎても少なすぎても成形体の粒子体積充填率が向
上せず、最適添加量を増していくと、混合物の加温下の
流動性は良好となり、加圧成形が容易になる。その結果
成形体の粒子体積充填率が向」ニする。しかし、原料粉
が理想的な密充填にあるときの空孔の割合風」二に有機
バインダを混合すると原料粉はバインダ中に孤立した状
態になる。混合物の流動性は良好であるが、成形体中の
固形分はバインダが多くなる程少なくなり、その結果成
形体の粒子体積充填率が低下することになる。

成形方法は、射出成形、プレス成形、ラバープレス成形
、押出し成形、１〜クターブレード法、金型粉末成形な
ど形状と要求特性に応して成形方法を選択する。特に、
基板の作製にはドクターブレード法が有効である。

前記金属粉末は、ミルなどにより粉砕した丸みを帯びた
粒子や造粒粉を使用してもよい。

本発明において、セラミックス焼結体の気孔中に樹脂、
油２粒子などを含浸することも可能である。導電性摺動
部材へも応用可能である。

本発明における導電性セラミックスは、電気抵抗率を小
さくすることにより、放電加工も可能である。

本発明において、金属粉末から生成する化合物は窒化均
相中心であることが好ましい、なぜなら酸化性ガス中で
焼結すると酸化物相が生成し、電気抵抗率の制御が困難
になるからである。

〔作用〕

本発明によれば、各種金属粉末から生成した窒化物で結
合させることにより、焼結時寸法変化率が小さく、低電
気抵抗率のセラミックスが得られる。

以下に実施例を示し本発明を更に具体的に説明する。

〔実施例〕

実施例上 平均粒径３０μｍの金属Ｔｊ粉末と平均粒径２μｍのＴ
ｉＮ粉末とを所定量比で混合し、これに成形バインダと
してポリエチレン系ワックス、合成ワックス、ステアリ
ン酸などの有機バインダを４重量部添加し加圧ニーダで
工り０℃、５時間混練した。そして、混線物を破砕した
後、供試原料とした。これらの原料をメカニカルプレス
を用いた成形圧力１０００　ｋｇ　ｆ　／　ａ＋Ｉ、温
度１６０℃で直径５０ｍｍ、厚さ２０　ｍｍのものに成
形した。得られた成形体の粒子体積充填率は６０ｖｏ（
ｉ％以上である。この成形体はアルゴン雰囲気中３℃／
）〕の昇昇温度で５００℃まで加熱し、成形バインダを
除去した後、窒素雰囲気中６００°Ｃから１３００　’
Ｃまで段階的に長時間かけて加熱し、焼結体を得た。

第２図に焼結体のＸ線回折結果を示す。どの焼結体もＴ
１のピークは見られず添加したＴｉが窒素中での加熱に
よりＴｉＮに変化したことが判る。

即ち、Ｔｉ粉末及びＴｉＮ粉末からなる圧粉体を窒素中
で加熱することにより、Ｔ　ｊ、　Ｎ単体相からなる反
応焼結セラミックスが得られることが確認できた。

第３図にＴｉＮ焼結体の焼結時の寸法変化率を示す。比
較のために従来の常圧焼結したときの寸法変化率を付記
した。

焼結時の寸法変化率は、Ｔｊ添加量を増すほど寸法変化
率が大きくなるが、その範囲は約−４〜３％で、これら
の値は従来の常圧焼結法の寸法変化率に比べ数段に小さ
いことが判る。また、焼結時の寸法変化率±１％以下を
得るＴｊ添加量は、４７〜５７ｖｏＱ％が最適である。

第４図にＴｉＮ焼結体の電気抵抗率を示す。図中に比較
のためステレンス鋼及びＴｉ＋　Ｔ　ｊ−Ｈの文献値を
示す。Ｔ」Ｎの焼結体の電気抵抗は、Ｔ１添加量を増す
ほど若干大きくなるが、いずれも１０−７Ωｍオーダー
でＴｉＮの文献値から考えて妥当な値である。得られた
値の電気抵抗は、ステンレス鋼や金属１゛ｊと同等であ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、焼結時の寸法変化率が±５％以下と小
さく、低電気抵抗率のセラミックスが容易に得られる。

これにより、焼結後の加工コストがほとんど必要としな
いので、各種ヒータ、各種１ 電極材料、モータ用ブラシ、コンミテータ、基板。

集電材など、航空、宇宙関係、海洋開発などへの分野へ
のセラミックスの利用範囲を拡大する。

【図面の簡単な説明】

第工図は成形バインダ量と曲げ強度の関係を示す線図、
第２図は本発明の焼結体のＸ線回折結果を示す線図、第
３図は本発明のＴｉＮ焼結体のＴｉ添加量と焼結時寸法
変化率との関係を示す線図、第４図は本発明のＴｉＮ焼
結体の電気抵抗率を示す８図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．平均粒径１０μｍを越え、１００μｍ以下のＴｉ，
   Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｃｅ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，
   Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｙ
   ｂ，Ｌｕ，Ｔｈ，Ｎｉの少なくとも一種以上の金属粉末
   と、同金属の窒化物粉末の少なくとも一種以上からなる
   成形体を窒化性ガス雰囲気中で加熱して、主として金属
   粉末から生成した窒化物で互いに結合した気孔率３０％
   以下の焼結体であることを特徴とした導電性セラミツク
   スの製造法。
2. ２．請求項１において、成形体の焼結後の寸法変化率が
   ±５％以内で、電気抵抗率が１０＾−＾５Ωｍ以下であ
   ることを特徴とした導電性セラミツクスの製造法。
3. ３．Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｃｅ，Ｈｆ，
   Ｗ，Ｍｏ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ
   ，Ｈｏ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔｈ，Ｎｉの少なくとも一種以上
   の窒化物粉末と平均粒径１０μｍを越え、１００μｍ以
   下のＡｌ又はＳｉ粉末からなる成形体を窒化性ガス雰囲
   気中で加熱して、主として金属粉末から生成した窒化物
   で互いに結合し、気孔率３０％以下の焼結体であること
   を特徴とした導電性セラミツクスの製造法。
4. ４．請求項３において、成形体の焼結による寸法変化率
   が±５％以内で、電気抵抗率が１０＾−＾５Ωｍ以下で
   ある導電性セラミツクスの製造法。