JPH0448722B2 - - Google Patents

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JPH0448722B2
JPH0448722B2 JP58211036A JP21103683A JPH0448722B2 JP H0448722 B2 JPH0448722 B2 JP H0448722B2 JP 58211036 A JP58211036 A JP 58211036A JP 21103683 A JP21103683 A JP 21103683A JP H0448722 B2 JPH0448722 B2 JP H0448722B2
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JP
Japan
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boron nitride
nitride
titanium
chemical vapor
boron
Prior art date
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Application number
JP58211036A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS60108306A (en
Inventor
Hiroyuki Nakae
Toshiaki Matsuda
Naoki Uno
Yukio Matsunami
Toshio Hirai
Takeshi Masumoto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Furukawa Electric Co Ltd filed Critical Furukawa Electric Co Ltd
Priority to JP58211036A priority Critical patent/JPS60108306A/en
Priority to EP84113503A priority patent/EP0149044B1/en
Priority to DE8484113503T priority patent/DE3463641D1/en
Priority to US06/670,154 priority patent/US4565747A/en
Publication of JPS60108306A publication Critical patent/JPS60108306A/en
Publication of JPH0448722B2 publication Critical patent/JPH0448722B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

技術分野 この発明は、気相析出法によつて製造した、窒
化チタンを含む、窒化ホウ素複合体とその製造方
法に関するものである。 従来技術 従来、化学気相析出によつて窒化ホウ素を製造
する方法が知られている。これは、原料ガスとし
てホウ素を含有するホウ素沈積源ガス、例えば
BCl3,BF3,B2H6などと窒素を含有する窒素沈
積源ガス、例えばNH3,N2などとが使用されて
おり、上記二種類のガスを高温度で反応させて窒
化ホウ素を生成させている。その時、基体、例え
ば炭素板や金属棒などの固体が存在すると、その
固体表面上に窒化ホウ素が層状に沈積して、窒化
ホウ素の薄膜や塊状体を得ることができる。こう
して得られた化学気相析出窒化ホウ素は、基体表
面と平行に窒化ホウ素のC面が配向するために、
析出成長方向とその垂直方向の性質に差異があ
る。 高純度、高温耐食性、電気絶縁性などの優れた
性質に加えて、上記のような異方性を有するため
に、この化学気相析出窒化ホウ素は特異な材料と
して重要性を増している。 窒化ホウ素塊状体は、窒化ホウ素粉末にホウ酸
やシリカガラスなどの焼結助剤を添加して、常圧
焼結助法やホツトプレス焼結法によつても製造さ
れているが、これらの焼結体は、純度、微細構造
において、化学気相析出窒化ホウ素とは著しく異
なるものである。 ところで、チタンを含む窒化ホウ素塊状体につ
いてはニホウ化チタンと窒化ホウ素の複合焼結体
が得られることが開示されている(特公昭43−
15078号)。しかし、窒化チタンを含有するこの発
明の気相析出窒化ホウ素は従来知られていなかつ
た。 目 的 この発明の目的は、窒化チタンを含む気相析出
窒化ホウ素およびその製造方法を提供することで
ある。 構 成 この発明の構成は、気相析出法により合成され
た窒化ホウ素であつて、窒化チタンを0.05重量%
以上2重量%未満含有することを特徴とする窒化
チタンを含む窒化ホウ素であり、また、その製造
方法として、ホウ素沈積源ガスと窒素沈積源ガス
とから窒化ホウ素を沈積させる方法において、前
記ホウ素沈積源ガスにTi/B原子比で、0.005以
上0.2未満となる量のチタン沈積源ガスを添加混
合することによつて、窒化チタンを含む窒化ホウ
素を製造する方法である。 この発明の窒化チタンを含有する気相析出窒化
ホウ素は、チタンを窒化チタンとして含有し、か
つ、マトリツクスを形成する窒化ホウ素は、気相
析出窒化ホウ素であつて、このような材料は全く
新規なものである。 この発明の一例である窒化チタンを含む気相析
出窒化ホウ素は析出面に平行に窒化ホウ素のC面
が配向した多結晶窒化ホウ素をマトリツクスと
し、そのマトリツクス中に約100Å程度の大きさ
の微細な窒化チタン粒子が均一に分散して存在し
ている。マトリツクスを形成する窒化ホウ素結晶
子はB3N3で形成される6角網目層が完全に三次
元配列をもつて積層している六方晶窒化ホウ素と
異なり、六角網目層の積み重なりが不完全で層間
距離が若干大きい3.35〜3.45Åの値を有する乱層
構造(turbostratic structure)をとるのが普通
であるが、製造条件により六方晶窒化ホウ素とす
ることも可能であり、また非晶質窒化ホウ素とす
ることも可能である。 チタンは窒化チタンとして含有されており、そ
の含有量は窒化チタンとして0.05以上2重量未満
の範囲内であり、その量は製造条件によつて制御
することができる。 窒化チタンの含有量が0.05重量%未満では、窒
化チタンを存在させた効果はなく、10重量%を越
える量では組成が不均一になる。 しかし、本発明においては、本発明者の出願に
なる先願(特願昭58−80061号)との重複を避け
るために窒化チタンの含有量を0.05重量%以上2
重量%未満とする。 この発明の一例である窒化チタンを含む化学気
相析出窒化ホウ素の密度は製造条件によつて異な
り、1.4〜2.3gr/cm3の範囲内になるが、窒化チタ
ンを含む密度2.0〜2.2gr/cm3の化学気相析出窒化
ホウ素が材料としてより好適である。 この発明の窒化チタンを含む上記化学気相析出
窒化ホウ素は、析出面に垂直方向の熱拡散率が極
めて小さく、優れた断熱材としての用途が期待で
きる。従来の化学気相析出窒化ホウ素は、前述の
ように析出面に平行に窒化ホウ素のC面が配向し
た構造をとるため、通常の焼結体にはみられない
顕著な異方性を示し、例えば、熱拡散率は析出面
に垂直方向で10〜12×10-3cm2/sec、析出面に平
行な方向では5×10-1cm2/secの値をもつており、
これらの値から析出面に垂直な方向では断熱材、
同じく析出面に平行の方向では熱の良導体とな
る。 この発明の、窒化チタンを含有した化学気相析
出窒化ホウ素の析出面に垂直方向の熱拡散率は、
前述した従来の化学気相析出窒化ホウ素の熱拡散
率の約1/2〜1/5に近い値を示す。 第1図に、窒化チタンを含むこの発明の化学気
相析出窒化ホウ素の析出面に垂直方向の熱拡散率
1の温度変化の一例を従来の化学気相析出窒化ホ
ウ素のそれ2と比較して示したグラフである。 熱拡散率は熱伝導率と次に示す関係がある。 熱伝導率=試料密度×比熱×熱拡散率 ……(1) 窒化チタンを含むこの発明の化学気相析出窒化
ホウ素の密度は前記のように2.3gr/cm3以下であ
り、従来の化学気相析出窒化ホウ素の密度は2.0
〜2.2gr/cm3であることから、上記(1)式の密度項
は、この発明のものも、従来のものもほぼ同じで
ある。また、比熱は、構成元素により決まる値で
あり、この発明品のマトリツクスを形成する窒化
ホウ素も従来品の窒化ホウ素も同じであり、室温
で約0.2cal/gr℃である。一方窒化チタンの比熱
は室温で約0.15cal/gr℃である。したがつて、
(1)式の比熱項もこの発明の製品と従来品では大体
同様となるから第1図に示したこの発明の製品と
従来品の熱拡散率の差異は、そのまま熱伝導率の
差を表わしているといえる。 第2図は窒化チタンを含むこの発明の化学気相
析出窒化ホウ素の熱拡散率の値から上記(1)式によ
り算出した熱伝導率の値3と、従来知られている
各種材料の熱伝導率とを比較したものである。例
えば各種材料の熱伝導率を示す線のうち、粉末マ
グネシア4、断熱レンガ5、安定化ジルコニア
6、透明石英ガラス7、粘土質耐火物8、緻密質
アルミナ焼結体9、緻密質マグネシア焼結体1
0、ベリリア11の熱伝導率を示したいる。窒化
チタンを含むこの発明の化学気相析出窒化ホウ素
のように、低い熱伝導率を示し、かつ、従来の化
学気相析出窒化ホウ素と同様のガス不透過性(緻
密質)で熱衝撃に強く、高温における耐食性を備
えた材料は断熱材として極めて有用なものであ
る。 次に、窒化チタンを含むこの発明の化学気相析
出窒化ホウ素の製造法の一例につき説明する。 この発明の窒化チタンを含む化学気相析出窒化
ホウ素は、ホウ素沈積源ガスと窒素沈積源ガスに
より、化学気相析出窒化ホウ素を沈積させる方法
において、前記ホウ素沈積源ガスにチタン沈積源
ガスを添加、混合することによつて製造できる。
ホウ素沈積源ガスとしてはBCl3,BF3などのハロ
ゲン化物、 B2H6,B10H14などの水素化物、 B3N3H6(ボラジン)や B3N3H3Cl3(三塩化ボラゾール)などの含窒素ホ
ウ素化合物、B(C2H53やB(CH33のアルキル
ホウ素化合物のうちから選ばれるいずれか一種ま
たは2種以上を用いることができる。好適には室
温で気体であるB2H6,BCl3を用いるのがよい。
窒素沈積源ガスとしては、窒素の水素化物、
(HN3,NH3,N2H4)、アンモニウムのハロゲン
化物(NH4Cl,NH4Br,NH4F,NH4HF2
NH4I)および窒素のうちから選ばれていずれ
か一種又は二種以上を用いることができ、安価で
あるNH3を使用するのが適当である。 また、チタン沈積源ガスとしては、チタンのハ
ロゲン化物、(Ticl4、TiBr4,TiF4,TiI4)のう
ちから選ばれるいずれか一種又は二種以上を用い
ることができる。TiCl4は比較的安価であり、蒸
気圧も高いので使い易い。 前記原料ガスに加えて、原料ガスを搬送およ
び/または希釈するためにN2,Ar,He,H2
いずれか一種または二種以上を必要により使用す
ることができる。 ホウ素沈積源ガス、チタン沈積源ガス、窒素沈
積源ガスおよび必要により使用される搬送およ
び/または希釈ガスは、加熱気体を収納した反応
器内に導入されるが、その際同心二重管や三重管
等の組み合わせ管を用いて基体近傍でホウ素およ
びチタンの混合沈積ガスと窒素沈積源ガスを混合
する方法は原料ガスの反応効率、析出速度を上昇
させるために有利であるが、すべての成分の沈積
源ガスを混合した後に、反応器中に導入しても何
等支障はない。 反応器内の基体の温度は500〜2000℃の範囲で
窒化チタンを含む窒化ホウ素を得ることができる
が、好ましくは1000〜1500℃、さらには1200〜
1400℃の温度範囲が好適である。 なお、高周波プラズマやマイクロ波プラズマ、
レーザー等を併用することによつて、窒化チタン
を含むこの発明の窒化ホウ素を製造できる温度を
低くすることができる。反応器内の全圧力は、
0.1〜770Torrの範囲内が用いられるが、好まし
くは、0.5〜50Torr、さらに1〜15Torrが最適で
ある。 次に、この発明による製造方法の製造条件と、
製造される窒化チタンを含む窒化ホウ素の性状と
の関係について説明する。 第3図は、窒化チタンを含むこの発明の化学気
相析出窒化ホウ素(線12)と窒化チタンを含まな
い化学気相析出窒化ホウ素(線13)を製造すると
きの製造温度が、製造される析出物の密度に及ぼ
す影響の一例を示すグラフである。 ここで製造温度以外の製造条件は、チタン沈積
源ガスが添加されている場合と、いない場合で差
異はなかつた。 この第3図から明らかなように、チタンを添加
した場合は、チタンを含まない場合と比較して、
高密度の製造が低温でも得られることがわかる。
この高密度化はチタンが窒化チタンとして含まれ
ることによる密度増加に加えて、マトリツクスを
形成する窒化ホウ素の結晶化が進行していること
により達成されている。第3図の場合、含まれる
窒化チタンの量は約0.5重量%であり、窒化チタ
ン混入による密度増加への寄与は極めて小さく、
高密度化は実質的に窒化ホウ素の結晶化の進行に
よるものである。窒化ホウ素の結晶化の程度は、
窒化ホウ素の層間距離を測ることにより知ること
ができ、層間距離が短い程結晶化の度合が高い。 第4図は窒化ホウ素の層間距離に及ぼす製造温
度の影響について、チタンを添加した場合の析出
物のマトリツクスを形成している化学気相析出窒
化ホウ素(線14)とチタンを添加せずに製造した
場合に析出した化学気相析出窒化ホウ素(線15)
について比較した例のグラフを示す。この場合の
製造条件は第3図の製造条件と全く同一である。 第4図のグラフから明らかなように、チタンを
添加することによつて、より結晶化が進んだ窒化
ホウ素が析出していることがわかる。結晶性が悪
い窒化ホウ素が析出した化学気相析出窒化ホウ素
は一般に密度が低く、かつ、化学的に不安定であ
ることから、従来の化学気相析出窒化ホウ素の製
造は、結晶化が進み、化学的に安定な析出物が得
られる1850℃以上の高い製造温度条件が必要であ
つた。 この発明のホウ素沈積源ガスにチタン沈積源ガ
スを添加、混合する方法によれば、従来の化学気
相析出窒化ホウ素以上の性能を有する窒化チタン
を含有する化学気相析出窒化ホウ素を、製造温度
1200℃においても製造することができる。 さらに、化学気相析出法により塊状体を製造す
る際は、沈積速度が重要な因子となるが、この発
明のチタンを添加する方法によれば、チタンを添
加しない場合に比し、沈積速度は速くなり約1.5
倍になる。例えば製造温度1400℃で窒化チタンを
含む化学気相析出窒化ホウ素は0.2mm/hr以上の
沈積速度で製造でき、この速度の上昇は塊状体の
製造では特に有利である。 窒化チタンを含むこの発明の化学気相析出窒化
ホウ素中の窒化チタンの含有量は、主としてホウ
素沈積源ガスとチタン沈積源ガスの流量比によつ
て制御できるが製造温度や反応器内、全圧力によ
つても制御できる。製造温度を下げ、また沈積速
度を上げるには、チタン沈積源ガスの添加量を好
ましい範囲に設定する必要がある。本発明では
Ti/Bの原子比で0.005以上0.2未満の範囲となる
ようにホウ素沈積源ガスに対するチタン沈積源ガ
スの流量を設定する。 窒化チタンを含むこの発明の気相析出窒化ホウ
素はその用途に応じて種々の形態を適宜とること
ができる。すなわち、薄膜状、板状、棒状、パイ
プやルツボのような成形物等いずれも製造するこ
とが可能である。 窒化チタンを含む、この発明の気相析出窒化ホ
ウ素は、従来知られている窒化ホウ素の優れた耐
熱性、化学的安定性、湿滑特性、機械加工性、中
性子吸収能、大きな異方性に加えて前記の優れた
耐熱性を有しているので、例えば高温シールド、
高温炉断熱材、 高温炉冶具、高純度金属結晶成
長ルツボ、電子ビームハースライナー、電気材
料、原子炉遮へい材などに用いられる。 次に、この発明を実施例によつて具体的に説明
する。 実施例 1 原料ガスとしてBCl3,NH3およびTiCl4を用
い、TiCl4の搬送ガスとしてH2ガスを用いた。 それぞれのガス流量は下記のとおりであつた。 BCl3 ……150ml/min NH3 ……90ml/min TiCl4 ……8ml/min H2 ……670ml/min これらのガスを1400℃に加熱した黒鉛基体を収
納した反応器内に導入し、10時間析出させた。こ
の間反応器内の全圧力は5Torrに保持した。反応
終了後、ガス導入を止め、反応器内を排気し、基
体を冷却した。 冷却後、反応器より基体を取り出したところ、
その表面に厚さ1mmの黒青色の窒化チタンを含む
窒化ホウ素が析出していた。この窒化チタンを含
む窒化ホウ素の特性を測定した結果は次のとおり
であつた。 TiN含有量 ……0.5重量% 密度 ……2.16gr/cm3 マトリツクスBNの層間距離 ……3.38Å 析出面に垂直方向の熱拡散率
……1.8×10-3cm2/sec 比較対象として市販の化学的気相析出窒化ホウ
素について上記特性を測定したところ次のような
結果であつた。 密度 ……2.14gr/cm3 層間距離 ……3.42Å 析出方向熱拡散率 ……7.8×10-3cm2/sec 上記結果によれば、窒化チタンを含むこの発明
の化学気相析出窒化ホウ素は、従来の化学気相析
出窒化ホウ素に比較して、析出面に垂直方向の熱
伝導率が約1/4となり断熱性が極めて高いといえ
る。 実施例 2 各ガスの流量、析出時間、反応器内圧力は実施
例1と同一にし、基体の温度を1300℃にして窒化
チタンを含む窒化ホウ素を製造した。 冷却後、基体を取り出したところ、基体の表面
に窒化チタンを含む黒色の化学気相析出窒化ホウ
素が厚さ0.6mmの層になつていた。この物性を測
定して蒸気の結果を得た。 TiN含有量 ……0.9重量% 密度 ……2.19gr/cm3 マトリツクスBNの層間距離 ……3.37Å 析出面に垂直方向の熱拡散率
……1.5×10-3cm2/sec 実施例 3 各ガスの流量、析出時間は実施例1と同一に
し、反応器内圧力は10Torrとし、基体の温度を
1200℃にして窒化チタンを含む窒化ホウ素を製造
した。 冷却後基体を取り出したところ、基体の表面に
厚さ0.7mmの黒青色の窒化チタンを含む窒化ホウ
素を得た。 比較例として、TiCl4を全く添加しなかつた以
外は実施例3と同一条件で窒化ホウ素を製造した
ところ基体表面に0.5mm厚さの白色の窒化ホウ素
を得た。 実施例3および比較例で得た試料も密度、元素
分析、構造解析の結果を第1表に示す。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a boron nitride composite containing titanium nitride manufactured by a vapor phase deposition method and a method for manufacturing the same. BACKGROUND OF THE INVENTION Conventionally, methods for producing boron nitride by chemical vapor deposition have been known. This is a boron deposition source gas containing boron as a raw material gas, e.g.
BCl 3 , BF 3 , B 2 H 6 , etc. and a nitrogen-containing nitrogen deposition source gas such as NH 3 , N 2 are used, and the above two gases are reacted at high temperature to form boron nitride. It is generated. At that time, if a solid substrate such as a carbon plate or a metal rod is present, boron nitride is deposited in a layer on the surface of the solid body, and a thin film or a lump of boron nitride can be obtained. The chemical vapor-deposited boron nitride thus obtained has the C-plane of boron nitride oriented parallel to the substrate surface.
There are differences in the properties of the precipitation growth direction and its perpendicular direction. Chemical vapor deposited boron nitride is gaining importance as a unique material because of its excellent properties such as high purity, high-temperature corrosion resistance, and electrical insulation, as well as the above-mentioned anisotropy. Boron nitride lumps can also be produced by adding sintering aids such as boric acid or silica glass to boron nitride powder and using the pressureless sintering method or the hot press sintering method. The bodies differ significantly in purity and microstructure from chemical vapor deposited boron nitride. By the way, it has been disclosed that a composite sintered body of titanium diboride and boron nitride can be obtained with respect to boron nitride lumps containing titanium (Japanese Patent Publication No. 1973-
No. 15078). However, the vapor-phase deposited boron nitride of the present invention containing titanium nitride has not been previously known. Purpose An object of the present invention is to provide a vapor phase deposited boron nitride containing titanium nitride and a method for producing the same. Composition The composition of the present invention is boron nitride synthesized by a vapor phase precipitation method, and titanium nitride in an amount of 0.05% by weight.
Boron nitride containing titanium nitride is characterized by containing less than 2% by weight of boron nitride, and as a method for producing the boron nitride, the boron nitride is deposited from a boron deposition source gas and a nitrogen deposition source gas. This is a method for producing boron nitride containing titanium nitride by adding and mixing a titanium deposition source gas in an amount such that the Ti/B atomic ratio is 0.005 or more and less than 0.2. The vapor-phase precipitated boron nitride containing titanium nitride of the present invention contains titanium as titanium nitride, and the boron nitride forming the matrix is vapor-phase precipitated boron nitride, and such a material is completely new. It is something. Vapor-phase precipitated boron nitride containing titanium nitride, which is an example of this invention, uses a matrix of polycrystalline boron nitride in which the C-plane of boron nitride is oriented parallel to the precipitation surface, and has fine particles of about 100 Å in size in the matrix. Titanium nitride particles are present in a uniformly dispersed manner. The boron nitride crystallites that form the matrix differ from hexagonal boron nitride in which the hexagonal network layers formed of B 3 N 3 are stacked in a perfect three-dimensional arrangement. Normally, it has a turbostratic structure with a slightly larger interlayer distance of 3.35 to 3.45 Å, but it is also possible to use hexagonal boron nitride depending on the manufacturing conditions, and it is also possible to use amorphous boron nitride. It is also possible to do this. Titanium is contained as titanium nitride, and its content is in the range of 0.05 or more and less than 2 weight as titanium nitride, and the amount can be controlled by manufacturing conditions. When the content of titanium nitride is less than 0.05% by weight, the presence of titanium nitride has no effect, and when the content exceeds 10% by weight, the composition becomes non-uniform. However, in the present invention, the content of titanium nitride is set at 0.05% by weight or more.
Less than % by weight. The density of chemical vapor deposited boron nitride containing titanium nitride, which is an example of this invention, varies depending on the manufacturing conditions and falls within the range of 1.4 to 2.3 gr/ cm3 , but the density containing titanium nitride is 2.0 to 2.2 gr/cm3. cm 3 chemical vapor deposited boron nitride is more suitable as a material. The chemical vapor-deposited boron nitride containing the titanium nitride of the present invention has an extremely low thermal diffusivity in the direction perpendicular to the deposition surface, and can be expected to be used as an excellent heat insulating material. Conventional chemical vapor-deposited boron nitride has a structure in which the C-plane of boron nitride is oriented parallel to the precipitation surface as described above, so it exhibits remarkable anisotropy that is not seen in ordinary sintered bodies. For example, the thermal diffusivity has a value of 10 to 12×10 -3 cm 2 /sec in the direction perpendicular to the precipitation surface, and 5×10 -1 cm 2 /sec in the direction parallel to the precipitation surface.
From these values, in the direction perpendicular to the precipitation surface, the insulation material,
Similarly, in the direction parallel to the precipitation surface, it is a good conductor of heat. The thermal diffusivity of the chemical vapor deposited boron nitride containing titanium nitride in the direction perpendicular to the precipitation surface of this invention is:
It exhibits a value close to about 1/2 to 1/5 of the thermal diffusivity of the conventional chemical vapor-deposited boron nitride mentioned above. Figure 1 shows an example of the temperature change in thermal diffusivity 1 in the direction perpendicular to the precipitation surface of chemical vapor deposited boron nitride of the present invention containing titanium nitride, compared with that of conventional chemical vapor deposited boron nitride 2. This is the graph shown. Thermal diffusivity has the following relationship with thermal conductivity. Thermal conductivity = Sample density x Specific heat x Thermal diffusivity...(1) The density of the chemical vapor deposited boron nitride of this invention containing titanium nitride is 2.3 gr/cm 3 or less as described above, which is higher than that of conventional chemical vapor deposition. The density of phase precipitated boron nitride is 2.0
2.2 gr/cm 3 , the density term in the above equation (1) is almost the same for both the present invention and the conventional method. Further, the specific heat is a value determined by the constituent elements, and is the same for boron nitride forming the matrix of this invention and the conventional boron nitride, and is about 0.2 cal/gr°C at room temperature. On the other hand, the specific heat of titanium nitride is approximately 0.15 cal/gr°C at room temperature. Therefore,
Since the specific heat term in equation (1) is almost the same for the product of this invention and the conventional product, the difference in thermal diffusivity between the product of this invention and the conventional product shown in Figure 1 directly represents the difference in thermal conductivity. It can be said that Figure 2 shows the thermal conductivity value 3 calculated from the above formula (1) from the thermal diffusivity value of the chemical vapor deposited boron nitride of this invention containing titanium nitride, and the thermal conductivity of various conventionally known materials. This is a comparison with the rate. For example, among the lines showing the thermal conductivity of various materials, powdered magnesia 4, insulation brick 5, stabilized zirconia 6, transparent quartz glass 7, clay refractory 8, dense alumina sintered body 9, dense magnesia sintered body body 1
0, indicates the thermal conductivity of beryllia 11. Like the chemical vapor deposited boron nitride of this invention containing titanium nitride, it exhibits low thermal conductivity, and is resistant to thermal shock with the same gas impermeability (dense quality) as conventional chemical vapor deposited boron nitride. , materials with corrosion resistance at high temperatures are extremely useful as insulation materials. Next, an example of the method for manufacturing chemical vapor deposition boron nitride of the present invention containing titanium nitride will be described. The chemical vapor deposition boron nitride containing titanium nitride of the present invention is produced by adding a titanium deposition source gas to the boron deposition source gas in a method of depositing chemical vapor deposition boron nitride using a boron deposition source gas and a nitrogen deposition source gas. , can be produced by mixing.
Boron deposition source gases include halides such as BCl 3 and BF 3 , hydrides such as B 2 H 6 and B 10 H 14 , B 3 N 3 H 6 (borazine) and B 3 N 3 H 3 Cl 3 (borazine). One or more selected from nitrogen-containing boron compounds such as (borazole chloride) and alkyl boron compounds such as B(C 2 H 5 ) 3 and B(CH 3 ) 3 can be used. It is preferable to use B 2 H 6 and BCl 3 which are gases at room temperature.
Nitrogen deposition source gases include nitrogen hydride,
(HN 3 , NH 3 , N 2 H 4 ), ammonium halides (NH 4 Cl, NH 4 Br, NH 4 F, NH 4 HF 2 ,
One or more kinds selected from NH 4 I) and nitrogen can be used, and it is appropriate to use NH 3 because it is inexpensive. Further, as the titanium deposition source gas, one or more selected from titanium halides (Ticl 4 , TiBr 4 , TiF 4 , TiI 4 ) can be used. TiCl 4 is relatively inexpensive and has a high vapor pressure, making it easy to use. In addition to the source gas, any one or more of N 2 , Ar, He, and H 2 may be used as necessary to convey and/or dilute the source gas. Boron deposition source gas, titanium deposition source gas, nitrogen deposition source gas, and optionally used conveying and/or dilution gases are introduced into a reactor containing heated gases, such as concentric double tube or triple tube. The method of mixing the mixed deposition gas of boron and titanium with the nitrogen deposition source gas near the substrate using a combination tube such as a tube is advantageous for increasing the reaction efficiency and deposition rate of the raw material gas, but it is There is no problem in introducing the deposition source gas into the reactor after mixing. Boron nitride containing titanium nitride can be obtained when the temperature of the substrate in the reactor is in the range of 500 to 2000°C, but preferably 1000 to 1500°C, more preferably 1200 to 2000°C.
A temperature range of 1400°C is preferred. In addition, high frequency plasma, microwave plasma,
By using a laser or the like in combination, the temperature at which boron nitride of the present invention containing titanium nitride can be manufactured can be lowered. The total pressure inside the reactor is
A range of 0.1 to 770 Torr is used, preferably 0.5 to 50 Torr, and most preferably 1 to 15 Torr. Next, the manufacturing conditions of the manufacturing method according to the present invention,
The relationship with the properties of boron nitride containing titanium nitride to be manufactured will be explained. FIG. 3 shows the manufacturing temperatures at which chemical vapor deposited boron nitride of the present invention containing titanium nitride (line 12) and chemical vapor deposited boron nitride without titanium nitride (line 13) are manufactured. It is a graph showing an example of the influence on the density of precipitates. There was no difference in the manufacturing conditions other than the manufacturing temperature between when the titanium deposition source gas was added and when it was not. As is clear from Figure 3, when titanium is added, compared to when titanium is not included,
It can be seen that high density production can be obtained even at low temperatures.
This high density is achieved not only by the increase in density due to the inclusion of titanium as titanium nitride, but also by the progress of crystallization of boron nitride forming the matrix. In the case of Figure 3, the amount of titanium nitride contained is approximately 0.5% by weight, and the contribution of titanium nitride to the density increase is extremely small.
The densification is substantially due to the progress of crystallization of boron nitride. The degree of crystallization of boron nitride is
This can be determined by measuring the interlayer distance of boron nitride, and the shorter the interlayer distance, the higher the degree of crystallization. Figure 4 shows the effect of manufacturing temperature on the interlayer distance of boron nitride, showing chemical vapor deposited boron nitride forming the matrix of precipitates when titanium is added (line 14) and when manufactured without titanium. Chemical vapor deposited boron nitride (line 15)
A graph of an example of comparison is shown. The manufacturing conditions in this case are exactly the same as those shown in FIG. As is clear from the graph in FIG. 4, it can be seen that by adding titanium, boron nitride is precipitated with more advanced crystallization. Chemical vapor phase precipitated boron nitride, in which boron nitride with poor crystallinity is precipitated, generally has a low density and is chemically unstable. High production temperature conditions of 1850°C or higher were required to obtain chemically stable precipitates. According to the method of adding and mixing a titanium deposition source gas to a boron deposition source gas of the present invention, chemical vapor deposited boron nitride containing titanium nitride having performance superior to conventional chemical vapor deposited boron nitride can be produced at a manufacturing temperature.
It can also be produced at 1200°C. Furthermore, when producing agglomerates by chemical vapor deposition, the deposition rate is an important factor, and according to the method of adding titanium of this invention, the deposition rate is lower than when titanium is not added. Faster by about 1.5
Double. For example, chemical vapor deposited boron nitride containing titanium nitride at a production temperature of 1400° C. can be produced at a deposition rate of 0.2 mm/hr or more, and this increased rate is particularly advantageous in the production of bulk bodies. The content of titanium nitride in the chemical vapor-deposited boron nitride of this invention containing titanium nitride can be controlled mainly by the flow rate ratio of the boron deposition source gas and the titanium deposition source gas, but it also depends on the production temperature, the inside of the reactor, and the total pressure. It can also be controlled by In order to lower the production temperature and increase the deposition rate, it is necessary to set the amount of titanium deposition source gas added within a preferable range. In the present invention
The flow rate of the titanium deposition source gas relative to the boron deposition source gas is set so that the Ti/B atomic ratio is in the range of 0.005 or more and less than 0.2. The vapor-deposited boron nitride of the present invention containing titanium nitride can take various forms depending on its use. That is, it is possible to produce any of the following: thin film, plate, rod, pipe, crucible, and other molded products. The vapor-deposited boron nitride of the present invention, which contains titanium nitride, has the superior heat resistance, chemical stability, wet slip properties, machinability, neutron absorption ability, and large anisotropy of previously known boron nitrides. In addition, it has the above-mentioned excellent heat resistance, so it can be used as a high-temperature shield, for example.
Used in high-temperature reactor insulation materials, high-temperature reactor jigs, high-purity metal crystal growth crucibles, electron beam hearth liners, electrical materials, nuclear reactor shielding materials, etc. Next, the present invention will be specifically explained using examples. Example 1 BCl 3 , NH 3 and TiCl 4 were used as raw material gases, and H 2 gas was used as a carrier gas for TiCl 4 . The respective gas flow rates were as follows. BCl 3 ...150ml/min NH3 ...90ml/min TiCl4 ... 8ml/min H2 ...670ml/min These gases were introduced into a reactor containing a graphite substrate heated to 1400°C, and It was allowed to precipitate for hours. During this time, the total pressure inside the reactor was maintained at 5 Torr. After the reaction was completed, gas introduction was stopped, the inside of the reactor was evacuated, and the substrate was cooled. After cooling, when the substrate was taken out from the reactor,
A 1 mm thick black-blue boron nitride containing titanium nitride was deposited on the surface. The results of measuring the characteristics of boron nitride containing titanium nitride were as follows. TiN content...0.5% by weight Density...2.16gr/cm Interlayer distance of 3 matrix BN...3.38Å Thermal diffusivity in the direction perpendicular to the precipitation surface
...1.8×10 -3 cm 2 /sec The above characteristics were measured for commercially available chemically vapor deposited boron nitride for comparison, and the following results were obtained. Density...2.14gr/cm Interlayer distance...3.42Å Thermal diffusivity in the precipitation direction...7.8×10 -3 cm 2 /sec According to the above results, the chemical vapor deposited boron nitride of this invention containing titanium nitride is Compared to conventional chemical vapor-deposited boron nitride, the thermal conductivity in the direction perpendicular to the deposition surface is approximately 1/4, meaning that it has extremely high heat insulation properties. Example 2 The flow rate of each gas, the deposition time, and the pressure inside the reactor were the same as in Example 1, and the temperature of the substrate was set at 1300° C. to produce boron nitride containing titanium nitride. After cooling, the substrate was taken out, and a 0.6 mm thick layer of black chemical vapor-deposited boron nitride containing titanium nitride was found on the surface of the substrate. The physical properties were measured and the results for steam were obtained. TiN content: 0.9% by weight Density: 2.19gr/cm Interlayer distance of 3 matrix BN: 3.37Å Thermal diffusivity in the direction perpendicular to the precipitation surface
...1.5×10 -3 cm 2 /sec Example 3 The flow rate of each gas and the deposition time were the same as in Example 1, the pressure inside the reactor was 10 Torr, and the temperature of the substrate was
Boron nitride containing titanium nitride was produced at 1200℃. After cooling, the substrate was taken out, and a 0.7 mm thick black-blue boron nitride containing titanium nitride was obtained on the surface of the substrate. As a comparative example, boron nitride was produced under the same conditions as in Example 3 except that no TiCl 4 was added, and white boron nitride with a thickness of 0.5 mm was obtained on the surface of the substrate. Table 1 shows the results of density, elemental analysis, and structural analysis of the samples obtained in Example 3 and Comparative Example.

【表】 第1表において、湿気に対する安定性は、製品
を大気中に1カ月放置後の重量増加(%)を示し
たものである。この重量増加は窒化ホウ素の加水
分解により生じるものである。 上記表による比較結果から基体温度が比較的低
温の時、比較例の場合は密度が小さく、湿気に対
して不安定な製品となるのに対して、この発明の
方法で製造されたものは密度が高く、湿気に対し
ても安定であることがわかる。 実施例 4 基体温度1400℃、反応器内の全圧力を5Torrと
し、TiCl4とBCl3の流量比を変えて、窒化チタン
の含有量がそれぞれ異なる窒化ホウ素析出物をつ
くり、これらの特性を比較した。 第2表にその製造条件を第3表にその製品の性
質を示す。
[Table] In Table 1, stability against humidity shows the weight increase (%) after the product was left in the atmosphere for one month. This weight increase is caused by the hydrolysis of boron nitride. From the comparison results in the table above, when the substrate temperature is relatively low, the comparative example has a low density and is unstable to moisture, whereas the product manufactured by the method of this invention has a low density. is high, indicating that it is stable against moisture. Example 4 Boron nitride precipitates with different titanium nitride contents were created by changing the flow rate ratio of TiCl 4 and BCl 3 at a substrate temperature of 1400°C and a total pressure in the reactor of 5 Torr, and their properties were compared. did. Table 2 shows the manufacturing conditions, and Table 3 shows the properties of the product.

【表】【table】

【表】 第3表に示したように、Ti含有量が10wt%を
越えるとTiNとTiB2が不均一に分散析出し、BN
の結晶性を改善する効果が失われるとともに、
Ti含有量の増加にともない、層状に析出した
TiN,TiB2の特性が強く現われ、BNが本来もつ
ている優れた異方性が損なわれる結果となる。 効 果 以上説明したように、この発明によれば、基体
上への析出面に平行な方向と、それに対して垂直
な方向とで極めて異方性の強い窒化ホウ素成形体
を得ることができる。
[Table] As shown in Table 3, when the Ti content exceeds 10wt%, TiN and TiB2 precipitate in a non-uniform manner, resulting in BN
The effect of improving crystallinity is lost, and
As the Ti content increased, layered precipitation occurred.
The characteristics of TiN and TiB 2 appear strongly, and the excellent anisotropy originally possessed by BN is lost. Effects As explained above, according to the present invention, it is possible to obtain a boron nitride molded body having extremely strong anisotropy in the direction parallel to the deposition surface on the substrate and in the direction perpendicular thereto.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、窒化チタンを含むこの発明の一例の
化学気相析出窒化ホウ素と、従来の化学気相析出
窒化ホウ素の析出方向の熱拡散率の温度変化を示
すグラフ、第2図は、窒化チタンを含むこの発明
の一例の化学気相析出窒化ホウ素の析出方向の熱
伝導率、その他のセラミツク材料の熱伝導率を示
すグラフ、第3図は、窒化チタンを含むこの発明
の窒化ホウ素とチタンを含まない窒化ホウ素の密
度とそれぞれの製造温度との関係を示したグラ
フ、第4図は、窒化チタンを含むこの発明の窒化
ホウ素とチタンを含まない窒化ホウ素の層間距離
とそれぞれの製造温度との関係を示したグラフで
ある。 1……窒化チタンを含むこの発明の窒化ホウ素
の析出面に垂直方向の熱拡散率を示す線、2……
チタンを含まない窒化ホウ素の析出面に垂直方向
の熱拡散率を示す線、3……窒化チタンを含むこ
の発明の窒化ホウ素の熱伝導率を示す線、4……
マグネシア粉末の熱伝導率を示す線、5……断熱
レンガの熱伝導率を示す線、6……安定化ジルコ
ニアの熱伝導率を示す線、7……透明石英ガラス
の熱伝導率を示す線、8……粘土質耐火物の熱伝
導率を示す線、9……緻密質アルミナ焼結体の熱
伝導率を示す線、10……緻密質マグネシア焼結
体の熱伝導率を示す線、11……酸化ベリリウム
の熱伝導率を示す線、12……窒化チタンを含む
この発明の窒化ホウ素の密度を示す線、13……
チタンを含まない窒化ホウ素の密度を示す線、1
4……窒化チタンを含むこの発明の窒化ホウ素の
層間距離を示す線、15……チタンを含まない窒
化ホウ素の層間距離を示す線。
Figure 1 is a graph showing temperature changes in thermal diffusivity in the direction of precipitation of chemical vapor deposited boron nitride as an example of the present invention containing titanium nitride and conventional chemical vapor deposited boron nitride. FIG. 3 is a graph showing the thermal conductivity in the precipitation direction of chemical vapor-deposited boron nitride of this invention containing titanium, and the thermal conductivity of other ceramic materials. Figure 4 is a graph showing the relationship between the density of boron nitride that does not contain titanium and the manufacturing temperature of each, and the interlayer distance of boron nitride of the present invention that contains titanium nitride and boron nitride that does not contain titanium and the manufacturing temperature of each. This is a graph showing the relationship between 1... A line showing the thermal diffusivity in the direction perpendicular to the precipitation surface of boron nitride of this invention containing titanium nitride, 2...
A line showing the thermal diffusivity in the direction perpendicular to the precipitation surface of boron nitride not containing titanium, 3... A line showing the thermal conductivity of boron nitride of the present invention containing titanium nitride, 4...
A line showing the thermal conductivity of magnesia powder, 5... A line showing the thermal conductivity of the insulating brick, 6... A line showing the thermal conductivity of stabilized zirconia, 7... A line showing the thermal conductivity of transparent quartz glass. , 8... A line showing the thermal conductivity of the clay refractory, 9... A line showing the thermal conductivity of the dense alumina sintered body, 10... A line showing the thermal conductivity of the dense magnesia sintered body, 11... A line showing the thermal conductivity of beryllium oxide, 12... A line showing the density of boron nitride of this invention containing titanium nitride, 13...
Line showing the density of boron nitride without titanium, 1
4... A line showing the interlayer distance of boron nitride of the present invention containing titanium nitride, 15... A line showing the interlayer distance of boron nitride not containing titanium.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 気相析出法により合成された窒化ホウ素であ
つて、窒化チタンを0.05重量%以上2重量%未満
含有することを特徴とする窒化チタンを含む窒化
ホウ素。 2 ホウ素沈積源ガスと窒素沈積源ガスとから窒
化ホウ素を沈積させる方法において、前記ホウ素
沈積源ガスにTi/B原子比で、0.005以上0.2未満
となる量のチタン沈積源ガスを添加混合すること
を特徴とする窒化チタンを含む窒化ホウ素の製造
方法。
[Scope of Claims] 1. Boron nitride containing titanium nitride, which is synthesized by a vapor phase precipitation method and is characterized by containing 0.05% by weight or more and less than 2% by weight of titanium nitride. 2. In the method of depositing boron nitride from a boron deposition source gas and a nitrogen deposition source gas, adding and mixing titanium deposition source gas in an amount such that the Ti/B atomic ratio is 0.005 or more and less than 0.2. A method for producing boron nitride containing titanium nitride, characterized by:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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