JPH0477356A

JPH0477356A - セラミックス複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0477356A
Application number: JP2190844A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Matsuki; 竜一松木; 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］Ａ　Ｉ　！　Ｏ＊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（ＳｉＣ１Ｓｉ＋Ｎｉ等）を
分散し、焼結することで、大幅な物理的緒特性を改善す
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Ａ　Ｉ　ｘ　Ｏｓの強度増加
は、５ｉＩＮ、微粒子が、Ａ　Ｉ　ｔ　Ｏｓ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問題点］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Ｓ　ｉｓＮ　
、微粒子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、Ａ　Ｉ　−’Ｏｓ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、Ａｌ２Ｏ３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　＋　１０１マトリツクスの結晶粒内に粒子径２．０
μｍ以下のＴｉＣ微粒子３〜４０重量％及び２μｍ以下
のＳ　ｌ　＄Ｎ　（微粒子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Ａ１．ＯＩ及び２
．０μｍ以下の粒子径のＴｉＣ３〜４０重量％を混合し
、更に、２μｍ以下のＳｉ、Ｎ、微粒子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、ＨＩＰ　（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、Ａｌ、０．
マトリックスゲレーン中に、ＴｉＣ微粒子及びＳｉ、Ｎ
、微粒子を分散した、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ＡＩ、０．結晶粒子内に、ＴｉＣ微粒子及
びＳｉ、Ｎ、微粒子を分散することで、ＡｌｇｏｓとＴ
ｉＣ又は及びＳｉ、Ｎ、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
るクラン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しようとする考えで
ある。

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微粒子及
びＳｉ、Ｎ、微粒子を、粒子径２．０μｍ・以下にする
理由は、Ａ　Ｉ　ｒ　ＯＩマド）　ンクス結晶粒子内に
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ＡＩｔｏｓ、分散粒子と
してＴｉＣ微粒子及びＳｉ、Ｎ、微粒子を用いることが
、特長である。そして、そのＡ　Ｉ　ｒ　Ｏｓマトリッ
クス粒子径は、０．５μｍ−１００μｍであり、ＴｉＣ
微粒子及び５ｉｌＮ、微粒子は径２μｍ以下をＡ　１　
＊　Ｏｒマトリックス中に均一に分散させた構造のもの
である。その原料としては、５μｍ以下の粒子径のＡ１
１０１及び２μｍ以下の粒子径のＴｉＣ及び２μｍ以下
のＳｉ、Ｎ、微粒子を用いて、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
造されまた、その原料として用いるＡ　Ｉ　ｒ　Ｏｓ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ＴｉＣ及びＳ　＋　２　Ｎ　４を２．０μｍ
以下の粒子径で用いる理由は、２．　０μｍ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及びＳｉＣ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。ＳｉｍＮｔ微粒子は、
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ＡＩ＝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、微粒子が、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］［試料粉末の調製］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　（＃００７）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
信越化学株式会社製の５ｉｓＮ−微粒子を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。

［切Ｉ枯）陛ノ黒コ焼結処理には、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的３
５ｇを黒鉛ダイス（内径５５闘）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、パンチ棒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
．３８ｍｍ）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。

［試験片作製］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−角長さ３６鵬程度にし
、３点曲げ試験片の大きさとした。

［勉り１９則う辷コ曲げ強度は、３点曲げ試験法により、荷重速度０．５ｍ
ｍ／分、スパン長さ３０吋、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。

微粒子添加量との関係を示す。この測定値から、Ａｌ２
Ｏ３−ＴｉＣ２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、微粒子添加（３成分系）５重量％から３０重量％
では、著しい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、Ａ１．０゜が高い強度になったことは、ＴｉＣ及び
Ｓｉ、Ｎ。

微粒子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。

Ｅ発明の効果コ本発明によるＴｉＣ３〜４０重量％及び２μｍ以下のＳ
　ｉｓＮ　４微粒子３〜４０重量％を添加したＡｔ、０
．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　ｒ　Ｃ／５ｉ
ｓＮ＋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Ａ１．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、Ａｔ、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２μｍ以下のＳ
ｉ＿３Ｎ＿４微粒子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）５μｍ以下の粒子径のＡｌ＿２Ｏ＿３及び２．０
μｍ以下の粒子径のＴｉＣ３〜４０重量％を混合し、更
に、２μｍ以下のＳｉ＿３Ｎ＿４微粒子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。