JPH0477354A

JPH0477354A - セラミックス複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0477354A
Application number: JP2190842A
Authority: JP
Inventors: Hisao Ueda; 上田　尚郎; Takeyoshi Takenouchi; 竹之内　武義; Hiroshi Sasaki; 博佐々木; Koichi Niihara; 晧一新原
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1992-03-11

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、特殊構造のセラミックス材料及びその製法に
関する。更に、詳しくは、特殊な構造を有し、高強度、
耐熱性の高性能の複合セラミックス材料及びその製法に
関する。

［従来の技術］Ａ１．０．は、すぐれた耐熱性、耐食性、電気絶縁性を
有するが、高温強度、破壊靭性、耐熱衝撃性は乏しく、
構造材料として使用するには、強度面において、不十分
である。

一般に、材料のマトリックス中（例えば、アルミナ粒子
中）に第２相として微粒子（Ｔ　ｉ　Ｃ１Ｓ　１ｓＮ−
等）を分散し、焼結することで、大幅な物理的諸特性を
改善すること、特に、高い強度を得ることが、可能にな
ることが、文献等で多く報告されている。これらの報告
では、ＳｉＣによる複合化に伴うＡ１．Ｏ，の強度増加
は、ＳｉＣ微粒子が、Ａｌ２Ｏ３粒界に偏在するために
、生じるクラックデフラクションによるクラックの進展
の妨害が、寄与していると結論ずけている。

また、アルミナのようなセラミックス焼結体では、異方
性粒子で、マトリックスが形成されており、そのため、
粒子境界で隣接粒子の熱膨張差により歪みが発生し、こ
のために、粒界が破壊源となり、強度低下になることが
周知である。

このように、マトリックス中に、粒子を分散した場合、
クラックの進展が阻止され、このため、靭性の向上が期
待されるものである。この考えでは、破壊の発生源であ
る粒界の欠陥は、変化がなく、その欠点は、残存してい
るため、強度の大きな向上は、望めなかった。

［発明が解決しようとする間組点］本発明は、上記のような欠点を解消するため、Ａ１．Ｏ
，マトリックス粒子中にＴｉＣ微粒子及びＳｉ、Ｎ、ウ
ィスカーを複合化した構造セラミックス材料として、高
い強度のセラミックスコンポジットを提供することを目
的とする。従って、本発明は、Ａ１．０．の特性の改善
を試みたセラミックス複合体を提供することを目的にす
る。更に、耐火、耐熱材料、電子セラミックス材料にお
いては、Ａｉｄ、粒成長を制御し、耐熱衝撃性のある、
また、使用中の破壊特性が著しく改善された材料を提供
することを目的にする。

［問題点を解決するための手段］本発明は、０．５μｍ〜１００μｍの結晶粒子を有する
Ａ　ｌ　１０　ｓマトリックスの結晶粒内に粒子径２．
０μｍ以下のＴｉＣ微粒子３〜４０重量％及び０．００
５−２ｐのＳ　Ｉ　ＩＮ　４ウィスカー３〜４０重量％
を分散させたことを特徴とするセラミックス複合材料で
ある。そして、その製法は、５μｍ以下の粒子径のＡ　
１　＊　Ｏｓ及び２．０μｍ以下の粒子径のＴｉＣ３〜
４０重量％を混合し、更に、０．００５−２ｐのＳ＋ｓ
Ｎ、ウィスカー３〜４０重量％を混合し、成形した後、
１５００℃以上で焼成すること、又はホットプレス、Ｈ
ＩＰ　（熱間等方性圧プレス）で作製するものである。

［作用］本発明によるセラミックスコンポジットは、ＡＩ、０．
マトリックスゲレーン中に、ＴｉＣ微粒子及びＳｉ、Ｎ
、ウィスカーを分散した、所謂、ナノオーダーの複合化
を行なうことにより、セラミックス体の特性の強化、改
善を得ようとするものである。

即ち、個々のＡ　ｌ　ｔ　Ｏｓ結晶粒子内に、ＴｉＣ微
粒子を分散することで、Ａ　］　＊　ＯｒとＴｉＣの熱
膨張係数の差による残留応力を生じさせる。この残留応
力により、隣接する粒子の粒界に、圧縮応力場を生じさ
せておき、進行しようとするクラック先端をトラップし
たり、デフラクションすることにより、クラックの進展
を防止するものである。

更に、Ｓｉ、Ｎ、ウィスカーによる引き抜き効果やクラ
ックデフラクション効果により、高靭性化が一層向上す
る。

しては、５μｍ以下の粒子径のＡＩ、Ｏ，及び２μｍ以
下の粒子径のＴｉＣ及び０．１〜２μｍの５ｉ、Ｎ、ウ
ィスカーを用いて、これらを混合し、成形、焼成するこ
とにより、前記のセラミックス複合材料が製造される。

セラミックス複合体中のＡＩ、Ｏ，マトリックス粒子径
は、０．５μｍ〜１００μｍとする理由は、焼結体の強
度が最大となる範囲であるためであり、ＴｉＣ微粒子を
、粒子径１．０μｍ以下にする理由は、ＡＩ、Ｏ，マト
リックス結晶粒子内に取り込まれる最適の粒度範囲であ
るためである。

本発明は、マトリックスとしてＡＩ、Ｏ，、分散粒子と
してＴｉＣ微粒子及びＳｉ、Ｎ、ウィスカーを用いるこ
とが、特長である。そして、そのＡＩ、０．マトリック
ス粒子径は、０゜５μｍ〜１００μｍであり、ＴｉＣ微
粒子は、粒子径２．０ｐｍ以下、５ｉｓＮ＋ウイスカー
は径０．０５〜２μｍをＡＩ、Ｏ，マトリックス中に均
一にを分散させた構造のものである。その原料とまた、
その原料として用いるＡ　Ｉ　＋　Ｏｒを、５μｍ以下
の粒子径にする理由は、焼結し易いためであり、原料Ｔ
ｉＣを２．０μｍ以下の粒子径にする理由は、２．０μ
ｍを超えるとマイクロクラックが発生すること、マトリ
ックス粒内にＴｉＣが取り込まれ易いこと、そして、残
留応力がある限界以上になってもマイクロクラックが発
生しない範囲であること等である。Ｓ　Ｉ　ＩＮ　（ウ
ィスカは、現在工業的に製造されているものを用いるこ
とができる。

本発明によるマトリックスＡ１．Ｏ，は、焼結工程で、
緻密に焼結される必要があり、この粒子内に分散相のＴ
ｉＣ及びＳｉ、Ｎ、ウィスカーが、均一に分散されてい
ることが、必要である。

また、焼結過程で、マトリックス粒子内に取り込まれる
ものでなければならない。

焼結温度については、１５００℃以上の焼成が望ましい
。また、ＨＩＰ処理、ホットプレスによる焼結処理が好
適である。

本発明により得られるセラミックス複合体は、耐熱材料
として、その他、耐食、熱間高強度、耐熱衝撃性等の耐
火材として、特に、好適である。

次に、本発明のセラミックス複合体の製造とその得られ
る特性を測定した結果について説明するが、本発明は、
次の実施例に限定されるものではない。

［実施例］［氏粁−木立遍ｙ］マトリックスには、昭和軽金属株式会社製Ａ１．０ｓＵ
Ａ−５１０５（平均粒径０．２５μ、純度９９．９９％
）を用い、添加するＴｉＣとしては、日本新金属株式会
社製のＴｉＣ（＃０Ｏ７）を用いて、マトリックス材料
に対して、３重量％〜４０重量％の割合で添加し、更に
タテホ化学社製のＳ　ｉ−Ｎ　４ウイスカー（ＳＮＷ）
を３〜４０重量％添加混合し、アルミナボールミルで、
１２時間粉砕混合を行なった。これを十分に乾燥した後
に、アルミナボールミルで乾式解砕混合を５時間行なっ
たものを、試料粉砕して使用した。

［焼結処理］焼結処理には、誘導加熱式ホットプレス装置（富士電波
工業製）を用いた。前記のように調製した試料粉末約３
５ｇを黒鉛ダイス（内径５５Ｉ）に充填し、１０ＭＰａ
に予備圧縮した後に焼結処理した。このとき、充填した
試料が、ダイス内壁、パンチ捧のプレス面に直接接触し
、反応しないように、これらの面にＢＮパウダーをコー
ティングし、更にこの上にグラファイトホイル（厚さ０
．３８ａｎ）を置き、この中に試料を充填した。　ホッ
トプレス条件は、焼結温度まで昇温させた後、１時間保
持し、プレス圧は、３０ＭＰａで、雰囲気ガスにはアル
ゴンガスを用いた。

［枚峡瓦止１］得られた焼結体のプレス両面をダイヤモンドホイールで
研削し、＃１０００の粗さに仕上げ、これをダイヤモン
ドカッターで直方体に切り出した。試料はＪＩＳ　　Ｒ
１６０１規定に準じて、３×４鵬角長さ３６ｍｍ程度に
し、３点曲げ試験片の大きさとした。

［艷炸員淀］曲げ強度は、３点曲げ試験法により、荷重速度０．５ｍ
ｍ／分、スパン長さ３Ｑｍｍ、室温で、強度を測定した
。試験片はダイヤモンドペースト（３μ）を用いて、引
張面を鏡面仕上げし、そして、エツジ部分を４５°の角
度で約０．１ｍｍの幅で面取り加工したものについて、
測定した。

破壊靭性は、荷重１　ｋｇで、保持時間１０秒間で、１
Ｍ法により測定した。

［測定結果の説明］第１表に、３点曲げ強度とＴｉＣ及びＳｉ、Ｎ。

ウィスカー添加量との関係を示す。この測定値から、Ａ
　ｌ　＊Ｏｓ　　Ｔ　ｒ　Ｃ２成分系での１７００℃焼
結体では、平均９００ＭＰａ程度の強度であった。それ
に対して、Ｓｉ、Ｎ、ウィスカー添加（３成分系）５重
量％から３０重量％では、大きな強度の向上が見られた
。これらの試料の破断面を観察すると、非常に複雑な面
を呈していたことから、Ａ　Ｉ　！　Ｏ＊が高い強度に
なったことは、ＴｉＣ及びＳｉ、Ｎ、ウィスカー添加に
よるクラックデフラクションが発生し、靭性強度が改善
されたものと考えられる。

［発明の効果コ本発明によるＴｊＣ３〜４０重量％及び０．００５−２
ｐのＳｉ、Ｎ、ウィスカー３−４０重量％を添加したＡ
１．Ｏ，複合マトリックスは、次のような顕著な技術的
な効果が得られるものである。

第１に、以上の説明で明らかなように、構造材料として
利用性を有するＡ　Ｉ　＊　Ｏｓ／　Ｔ　ｉ　Ｃ／Ｓｊ
、Ｎ４ウイスカーの複合体材料を提供できる。

第２に、本発明の製造方法で得られたＡ　ｌ　ｚ　Ｏ＊
マトリックスセラミックス複合体は、大幅な特性改善と
、高い強度にすることのできるものである。

第３に、本発明のセラミックス複合体は、Ａ１．０．の
特性をそのまま生かして、且つ高強度、高靭性の特性を
有する材料を提供することができたものである。

特許出願人　三菱鉱業セメント株式会社（外１名）代理
人　弁理士　　倉　持　　裕

Claims

【特許請求の範囲】

（１）０．５μｍ〜１００μｍの結晶粒子を有するＡｌ
＿２Ｏ＿３マトリックスの結晶粒内に粒子径２．０μｍ
以下のＴｉＣ微粒子３〜４０重量％及び０．１〜２μｍ
のＳｉ＿３Ｎ＿４ウィスカー３〜４０重量％を分散させ
たことを特徴とするセラミックス複合材料。（２）５μ
ｍ以下の粒子径のＡｌ＿２Ｏ＿３及び２．０μｍ以下の
粒子径のＴｉＣ３〜４０重量％を混合し、更に、０．１
〜２μｍのＳｉ＿３Ｎ＿４ウイスカー３〜４０重量％を
混合し、成形した後、１５００℃以上で焼成することを
特徴とする請求項１記載のセラミックス複合材料の製法
。