JPH0797268A - Composite ceramic and its production - Google Patents

Composite ceramic and its production

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JPH0797268A
JPH0797268A JP5249718A JP24971893A JPH0797268A JP H0797268 A JPH0797268 A JP H0797268A JP 5249718 A JP5249718 A JP 5249718A JP 24971893 A JP24971893 A JP 24971893A JP H0797268 A JPH0797268 A JP H0797268A
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Japan
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composite
composite ceramic
phase
phases
thermal conductivity
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JP5249718A
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Inventor
Hidenori Kita
英紀 北
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Isuzu Motors Ltd
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Abstract

PURPOSE:To produce a light-weight composite ceramic having a low thermal conductivity. CONSTITUTION:This composite ceramic can be produced by using a powdery mixture composed of Si and a composite oxide as the raw material, molding the powdery mixture, nitriding and sintering the resultant molding and then oxidizing the sintered material. This composite ceramic has a phase composed of all elements of Si, O and N and one or more kinds of elements selected from a group of elements containing Al, Zr, Li, P and Mg and <=2.6 specific gravity. In the above-mentioned phase, a phase composed of Si, Al, O and N and another phase composed of Si, O and N are respectively formed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、軽量で低い熱伝導率
を有する複合セラミックス及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lightweight composite ceramic having low thermal conductivity and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、ケイ素Siに、窒化の促進、高強
度化を目的として酸化物を添加、反応焼結する方法は、
例えば、特開昭58−88173号公報、特開昭59−
152271号公報、特開昭59−207876号公
報、特開昭59−207877号公報、特開昭59−2
17673号公報、特開昭60−186470号公報、
特公昭59−34677号公報、特公昭59−3467
8号公報に開示されている。また、低熱伝導セラミック
スとしては、チタン酸アルミニウムAl2 TiO5、部
分安定化ジルコニアZrO2 等がエンジン用材料として
既に検討され、一部実用化されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a method of adding an oxide to silicon Si for the purpose of accelerating nitriding and increasing strength and reacting and sintering is known.
For example, JP-A-58-88173 and JP-A-59-88
No. 1522271, JP-A-59-207876, JP-A-59-207877, and JP-A-59-2.
17673, JP-A-60-186470,
JP-B-59-34677, JP-B-59-3467
No. 8 publication. Further, as the low thermal conductive ceramics, aluminum titanate Al 2 TiO 5 , partially stabilized zirconia ZrO 2 and the like have already been studied as an engine material and partially used.

【0003】また、特開平3−261662号公報には
セラミック組成物及びそれによるセラミック部材の製造
方法が開示されている。該セラミックス組成物は、金属
Si粉末又は該粉末にセラミック粉末を加えた混合粉
末、合計重量の6〜25wt%の添加量範囲の有機バイ
ンダ、解膠剤及び水を含むものである。また、セラミッ
クス粉末は、Si3 4 ,Al2 TiO5 、ムライト、
チタン酸カリウムの少なくとも1種含んでおり、窒素ガ
ス雰囲気で焼成したものである。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 3-261662 discloses a ceramic composition and a method for producing a ceramic member using the same. The ceramic composition contains metal Si powder or a mixed powder obtained by adding ceramic powder to the powder, an organic binder in an addition amount range of 6 to 25 wt% of the total weight, a deflocculant, and water. Further, the ceramic powder includes Si 3 N 4 , Al 2 TiO 5 , mullite,
It contains at least one kind of potassium titanate and is fired in a nitrogen gas atmosphere.

【0004】また、特開平2−296771号公報には
複合セラミックス及びその製造方法が開示されている。
該複合セラミックスは、第1セラミックスにそれより焼
結温度が低温度である第2セラミックス粒子が分散含有
されている素材で形成された複合粒子から成る緻密な焼
結体であり、第1セラミックスより第2セラミックスが
熱伝導率が小さいものである。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-296771 discloses a composite ceramic and a method for manufacturing the same.
The composite ceramics is a dense sintered body composed of composite particles formed of a material in which second ceramics particles having a sintering temperature lower than that of the first ceramics are dispersed and contained. The second ceramic has a small thermal conductivity.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ケイ素Siに、窒化の促進、高強度化を目的として酸化
物を添加、反応焼結したセラミックスでは、十分に低熱
伝導化されていないのが現状である。また、Al2 Ti
5 は強度が50MPa以下であり、エンジン等の構造
用セラミックスとしては強度が低く、そのままでは使用
できないものである。更に、ZrO2 は強度が高いが、
熱膨張係数が大きく、高い熱応力が発生することが欠点
である。
However, the ceramics obtained by adding an oxide to the above silicon Si for the purpose of accelerating nitriding and increasing the strength and reacting and sintering the ceramics do not have a sufficiently low thermal conductivity. Is. In addition, Al 2 Ti
O 5 has a strength of 50 MPa or less, which is low as a structural ceramic for an engine or the like and cannot be used as it is. Furthermore, ZrO 2 has high strength,
It has a drawback that the coefficient of thermal expansion is large and a high thermal stress is generated.

【0006】また、部材に対しての非定常状態における
伝熱量Qは、次式で表すことができる。即ち、Q=(2
・κ・c・ρ・T/π)1 / 2 ×Δθ0 ×Aである。但
し、A;表面積、Δθ0 ;表面での温度振幅、T;表面
での温度、κ;熱伝導率、c;熱容量即ち比熱、ρ;密
度即ち比重を示す。
The amount Q of heat transferred to the member in the unsteady state can be expressed by the following equation. That is, Q = (2
・ Κ ・ c ・ ρ ・ T / π) 1/2 × Δθ 0 × A. However, A: surface area, Δθ 0 ; temperature amplitude on the surface, T: temperature on the surface, κ: thermal conductivity, c: heat capacity or specific heat, ρ: density or specific gravity.

【0007】上記の式から分かるように、Qを小さくす
るには、使用する材料の物性値として、熱伝導率κ×比
熱c×比重ρの積を小さくする必要がある。しかしなが
ら、ZrO2 ではその値の平方根(κ×c×ρ)1 / 2
は5であり、Si3 4 ではその値の平方根(κ×c×
ρ)1 / 2 は8.7である。そこで、熱伝導率κ、比熱
c及び比重ρが仮に小さくなると、例えば、熱伝導率κ
が2.1w/m・Kであり、比熱cが0.7J/g・K
であり、比重ρが2.2程度の軽量で低熱伝導材であれ
ば、上記の値は1.8程度になり、伝熱量Qは、ZrO
2 並びにSi34 に比較して約36%、20%程度と
小さくすることができる。
As can be seen from the above equation, in order to reduce Q, it is necessary to reduce the product of thermal conductivity κ × specific heat c × specific gravity ρ as a physical property value of the material used. However, with ZrO 2 , the square root of that value (κ × c × ρ) 1/2
Is 5, and for Si 3 N 4 the square root of that value (κ × c ×
ρ) 1/2 is 8.7. Therefore, if the thermal conductivity κ, the specific heat c and the specific gravity ρ become small, for example, the thermal conductivity κ
Is 2.1 w / m · K and specific heat c is 0.7 J / g · K
If the specific gravity ρ is a lightweight and low heat conductive material of about 2.2, the above value is about 1.8, and the heat transfer amount Q is ZrO 2.
2 and Si 3 N 4 can be reduced to about 36% and about 20%.

【0008】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、Siと複合酸化物から成る混合粉
末を原料として、窒化焼成即ち窒素雰囲気で反応焼結し
た後、酸化処理即ち大気雰囲気で熱処理し、軽量で且つ
従来の単一酸化物との複合に比較して低熱伝導率を有す
る材料を得るものであり、複合酸化物として、Al6
2 1 3 (ムライト),(ZrO)2 2 7 ,Li
2 O・Al2 3 ・SiO2 即ちLAS,MgO・Al
2 3 ・SiO2 即ちMAS,Al2 TiO5(チタン
酸アルミニウム)を使用できる複合セラミックス及びそ
の製造方法を提供することである。
[0008] Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems. A mixed powder of Si and a complex oxide is used as a raw material, and after nitriding firing, that is, reaction sintering in a nitrogen atmosphere, oxidation treatment, that is, atmospheric air. It is heat-treated in an atmosphere to obtain a material which is lightweight and has a low thermal conductivity as compared with a conventional composite with a single oxide. As a composite oxide, Al 6 S
i 2 O 1 3 (mullite), (ZrO) 2 P 2 O 7 , Li
2 O ・ Al 2 O 3・ SiO 2 ie LAS, MgO ・ Al
It is an object of the present invention to provide a composite ceramic which can use 2 O 3 .SiO 2 or MAS, Al 2 TiO 5 (aluminum titanate) and a method for producing the same.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、Si,O,Nの全ての元素、並びにAl,
Zr,Li,P,Mgの元素群から少なくとも1種以上
でなる相を持ち、且つ比重が2.6以下であることを特
徴とする複合セラミックスに関する。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows. That is,
This invention is applicable to all elements of Si, O, N, as well as Al,
The present invention relates to a composite ceramic having a phase composed of at least one element selected from the group consisting of Zr, Li, P, and Mg and having a specific gravity of 2.6 or less.

【0010】また、この複合セラミックスは、Si,
O,Nの全ての元素、並びにAl,Ti,Zr,Li,
Pの元素群から少なくとも1種以上の元素からなり、1
つの分散相が隣接する複数の相或いは取り巻かれた複数
の相から構成されているものである。
This composite ceramic is made of Si,
All elements of O and N, as well as Al, Ti, Zr, Li,
Consists of at least one element from the P element group, 1
One dispersed phase is composed of a plurality of adjacent phases or a plurality of surrounding phases.

【0011】また、この複合セラミックスは、前記相又
は前記分散相には、Si,Al,O,N及びSi,O,
Nでなる相がそれぞれ形成されているものである。
Further, in the composite ceramics, Si, Al, O, N and Si, O,
A phase composed of N is formed respectively.

【0012】また、この複合セラミックスは、前記相又
は前記分散相がその中心にAlがリッチな相を有してい
るものである。
Further, in this composite ceramic, the phase or the dispersed phase has an Al-rich phase in the center thereof.

【0013】また、この複合セラミックスは、ポート、
マニホルド、ピストンヘッドに適用できるものである。
Further, this composite ceramic has a port,
It can be applied to manifolds and piston heads.

【0014】又は、この発明は、Si及び複合酸化物か
ら成る混合粉末を原料とし、該混合粉末を成形して成形
体を作製し、該成形体を窒化焼成して焼結体を作製し、
次いで、前記焼結体を酸化処理したことを特徴とする複
合セラミックスの製造方法に関する。
Alternatively, according to the present invention, a mixed powder of Si and a complex oxide is used as a raw material, the mixed powder is molded into a molded body, and the molded body is nitrided and fired to manufacture a sintered body.
Then, the present invention relates to a method for producing a composite ceramic, characterized in that the sintered body is subjected to an oxidation treatment.

【0015】また、この複合セラミックスの製造方法に
おいて、前記複合酸化物はAl6 Si2 1 3 ,Li2
O・Al2 3 ・SiO2 ,(ZrO)2 2 7 ,M
gO・Al2 3 ・SiO2 ,Al2 TiO5 の群のう
ちの少なくとも1種を含んでいるものである。
Further, in this method for producing a composite ceramic, the composite oxide is Al 6 Si 2 O 1 3 , Li 2
O ・ Al 2 O 3・ SiO 2 , (ZrO) 2 P 2 O 7 , M
It contains at least one member selected from the group consisting of gO.Al 2 O 3 .SiO 2 and Al 2 TiO 5 .

【0016】また、この複合セラミックスの製造方法に
おいて、前記複合酸化物は重量に換算して15〜65w
t%含まれているものである。
Further, in this method for producing a composite ceramic, the composite oxide is 15 to 65 w in terms of weight.
t% is included.

【0017】[0017]

【作用】この発明による複合セラミックス及びその製造
方法は、上記のように構成されており、次のように作用
する。即ち、この複合セラミックスは、Si,O,Nの
全ての元素、並びにAl,Zr,Li,P,Mg,Ti
の元素群から少なくとも1種以上の元素からなり、比重
が2.6以下であるので、1つの相に複数の相が隣接す
るか、或いは1つの相を複数の相が取り囲まれ、軽量で
且つ低熱伝導率の複合セラミックスを提供できる。
The composite ceramic and the method for producing the same according to the present invention are configured as described above, and operate as follows. That is, this composite ceramics contains all elements of Si, O and N, as well as Al, Zr, Li, P, Mg and Ti.
It is composed of at least one or more elements from the group of elements and has a specific gravity of 2.6 or less, so that a plurality of phases are adjacent to one phase, or one phase is surrounded by a plurality of phases, and it is lightweight and A composite ceramic with low thermal conductivity can be provided.

【0018】また、この複合セラミックスは、Si,
O,Nの全ての元素、並びにAl,Zr,Li,P,M
g,Tiの元素群から少なくとも1種以上の元素からな
り、1つの分散相が隣接する複数の相或いは取り巻かれ
た複数の相から構成されているので、軽量で且つ低熱伝
導率の複合セラミックスを提供できる。
This composite ceramic is made of Si,
All elements of O and N, as well as Al, Zr, Li, P and M
Since at least one element is selected from the group of elements g and Ti and one dispersed phase is composed of a plurality of adjacent phases or a plurality of surrounding phases, a lightweight and low thermal conductivity composite ceramic is obtained. Can be provided.

【0019】又は、この複合セラミックスは、Siと複
合酸化物を原料として窒化、熱処理を行うことによって
製造されるので、単なる酸化物との複合化に比較してナ
ノレベルでの混合相、或いは特異な固溶体が形成され、
それらがフォノン散乱を促進するために、低熱伝導率に
なる。
Alternatively, since this composite ceramic is produced by nitriding and heat-treating Si and a composite oxide as raw materials, compared to simple compounding with an oxide, a mixed phase at a nano level or a peculiarity is obtained. A solid solution is formed,
They have low thermal conductivity because they promote phonon scattering.

【0020】[0020]

【実施例】以下、図面及び表を参照して、この発明によ
る複合セラミックス及びその製造方法の実施例を説明す
る。図1は各種酸化物粉末とSiから成る混合粉末を原
料として作製した反応焼結セラミックスの熱伝導率を示
すグラフ、図2はSiとAl6 Si2 1 3 とを原料と
して反応焼結させ、更に酸化処理した複合セラミックス
の微細組織を示す説明図、及び図3は図2の複合セラミ
ックスの生成相のX線回折による同定結果を示す線図で
ある。
Embodiments of the composite ceramics and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings and tables. Fig. 1 is a graph showing the thermal conductivity of the reaction-sintered ceramics produced by using mixed powders of various oxide powders and Si as raw materials, and Fig. 2 is the result of reaction sintering of Si and Al 6 Si 2 O 1 3 as raw materials. FIG. 3 is an explanatory view showing a fine structure of the composite ceramic further subjected to the oxidation treatment, and FIG. 3 is a diagram showing an identification result by X-ray diffraction of a produced phase of the composite ceramic of FIG.

【0021】この複合セラミックスの製造方法におい
て、Si及び酸化物粉末でなる原料を所定量秤量し、粉
末総重量の1.5倍の蒸留水を加え、Si3 4 ボール
を媒体として、ボールミルで約24時間混合して混合物
を作った。この混合物を十分乾燥させた後、ボールミル
を使用して乾燥混合物を約15時間かけて粉砕して混合
粉末を作製した。この混合粉末を金型内に入れ、一軸加
圧により予備成形後、CIPにより約15×15×80
mmの成形体を作製した。この成形体を焼成炉内に入
れ、0.93MPaのN2 雰囲気で最高1400℃まで
加熱して焼結体を作製した。この焼結体を酸化処理し
た。酸化処理は、大気中において320℃/hrで昇温
し、所定温度まで加熱した後、その温度状態で1時間保
持した。
In this method for producing composite ceramics, a predetermined amount of raw materials consisting of Si and oxide powder is weighed, distilled water 1.5 times the total weight of the powder is added, and a Si 3 N 4 ball is used as a medium in a ball mill. Mix for about 24 hours to make a mixture. After sufficiently drying this mixture, the dry mixture was pulverized for about 15 hours using a ball mill to prepare a mixed powder. This mixed powder is put in a mold, pre-formed by uniaxial pressure, and then CIP about 15 × 15 × 80.
A mm shaped body was prepared. The compact was placed in a firing furnace and heated to a maximum of 1400 ° C. in a N 2 atmosphere of 0.93 MPa to produce a sintered body. This sintered body was oxidized. In the oxidation treatment, the temperature was raised at 320 ° C./hr in the air, the temperature was raised to a predetermined temperature, and then the temperature was maintained for 1 hour.

【0022】得られた焼結体の熱伝導率を測定するた
め、その焼結体から熱伝導率用として1.5±0.03
mmのペレットを熱伝導率測定試験片にし、また、曲げ
試験用として3×4×40mmになるように研削加工し
て曲げ試験片を作製した。熱伝導率の測定は、レーザー
フラッシュ法により室温で行った。また、強度の測定
は、4点曲げにより行った。試験片の本数は、各酸化処
理条件に付き20本以上、スパンは30mm、クロスヘ
ッドスピードは5mm/分とした。
In order to measure the thermal conductivity of the obtained sintered body, 1.5 ± 0.03 was used as the thermal conductivity for the sintered body.
mm pellets were used as a thermal conductivity measurement test piece, and a bending test piece was prepared by performing a grinding process for a bending test so as to have a size of 3 × 4 × 40 mm. The thermal conductivity was measured at room temperature by the laser flash method. The strength was measured by bending at four points. The number of test pieces was 20 or more per each oxidation treatment condition, the span was 30 mm, and the crosshead speed was 5 mm / min.

【0023】試験片を減圧容器内で水中に沈め、60m
mHg以下になるまで減圧し、その状態で約48時間保
持した。表面に付着した水滴をペーパータオルで軽く拭
った後、重量を測定し、吸水前後での重量の増加量をそ
の温度における水の密度と試験片堆積で除した値を求
め、その値を気孔率とした。多孔体中の固体部分の熱伝
導率の算出にあたっては固体部分の熱伝導率λS が既知
の場合、多孔材における熱伝導率λを未知数とし、その
気孔率との関係は次式で表される。本発明では、同様に
式を使って、λ,Pを実験から求め、λS を算出した。 λ=1/A+B 但し、A;(1−P1 / 3 )/λS B;P1 / 3 /〔(1−P2 / 3 )×λS +P2 / 3 ×
λg 〕である。 P;気孔率、λ;多孔体の熱伝導率、λS ;固体部分の
熱伝導率、λg ;気体の熱伝導率であり、空気の熱伝導
率(=0.0478w/m・K)を用いた。
The test piece was immersed in water in a vacuum vessel for 60 m.
The pressure was reduced to mHg or less, and the state was maintained for about 48 hours. After lightly wiping the water droplets on the surface with a paper towel, weigh the weight, obtain the value obtained by dividing the increase in weight before and after water absorption by the density of water at that temperature and the test piece deposition, and calculate the value as porosity. did. When calculating the thermal conductivity of the solid part in the porous body, if the thermal conductivity λ S of the solid part is known, the thermal conductivity λ of the porous material is taken as an unknown number, and its relationship with the porosity is expressed by the following equation. It In the present invention, λ S and P are calculated from the experiment by similarly using the equations. λ = 1 / A + B where A; (1-P 1/3 ) / λ S B; P 1/3 / [(1-P 2/3 ) × λ S + P 2/3 ×
λ g ]. P: Porosity, λ: Thermal conductivity of porous body, λ S : Thermal conductivity of solid part, λ g : Thermal conductivity of gas, thermal conductivity of air (= 0.0478 w / mK) Was used.

【0024】図1には、数種の酸化物及び窒化物を添加
物とし、これらの添加物粉末とSi粉末から成る混合粉
末を原料として作製した反応焼結複合材即ち複合セラミ
ックスの固体部分の熱伝導率λS を示している。図1で
は、縦軸に固体部分の熱伝導率λS をとり、熱伝導率λ
S は、熱伝導率の実測値λと気孔率から上記式を用いて
算出した値(w/m・K)である。図1では、横軸に酸
化物及び窒化物の添加物の配合割合をとり、添加物は全
重量に対する配合割合をmol%で示している。用いた
添加物については、Al2 TiO5 ,Al2 3 +Ti
2 ,ZrO2,Al2 3 ,(ZrO)2 2 7
Li2 O・Al2 3 ・SiO2 (即ちLAS),Y2
3 ,TiO2 ,Al6 Si2 1 3 ,TiN,MgO
・Al23 ・SiO2 (即ちMAS),Si単独の各
種である。
FIG. 1 shows a solid part of a reaction-sintered composite material, that is, a composite ceramic, prepared by using several kinds of oxides and nitrides as additives and using a mixed powder of these additive powders and Si powder as a raw material. The thermal conductivity λ S is shown. In FIG. 1, the vertical axis is the thermal conductivity λ S of the solid part, and the thermal conductivity λ
S is a value (w / m · K) calculated from the measured value λ of the thermal conductivity and the porosity using the above formula. In FIG. 1, the horizontal axis represents the blending ratio of the oxide and nitride additives, and the blending ratio of the additive with respect to the total weight is shown in mol%. The additives used are Al 2 TiO 5 , Al 2 O 3 + Ti.
O 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , (ZrO) 2 P 2 O 7 ,
Li 2 O · Al 2 O 3 · SiO 2 (ie LAS), Y 2
O 3 , TiO 2 , Al 6 Si 2 O 1 3 , TiN, MgO
・ Al 2 O 3 .SiO 2 (that is, MAS) and Si alone.

【0025】図1に示した熱伝導率(w/m・K)を考
慮すると、熱伝導率の低減率は添加物の種類によって異
なることが分かる。例えば、Al2 3 や、Al2 3
とTiO2 を同時に添加した複合材に比べ、或いは複合
酸化物であるAl2 TiO5,Al6 Si2 1 3
(ZrO)2 2 7 ,LAS,MASといった酸化物
は、熱伝導率の低減効果が大きいことが分かる。また、
ZrO2 ,La2 3 ,CeO2 ,Y2 3 を添加した
材料では大気中、800℃で加熱した後、微小亀裂が発
生し、強度が著しく低下していた。
Considering the thermal conductivity (w / m · K) shown in FIG. 1, it can be seen that the reduction rate of the thermal conductivity varies depending on the kind of the additive. For example, Al 2 O 3 and Al 2 O 3
And a composite material in which TiO 2 is added at the same time, or a composite oxide of Al 2 TiO 5 , Al 6 Si 2 O 1 3 ,
It can be seen that oxides such as (ZrO) 2 P 2 O 7 , LAS, and MAS have a large effect of reducing the thermal conductivity. Also,
In the material to which ZrO 2 , La 2 O 3 , CeO 2 , and Y 2 O 3 were added, after heating at 800 ° C. in the air, microcracks were generated and the strength was remarkably lowered.

【0026】次に、Siと複合酸化物の混合粉末を原料
として得られた焼結体の特性を表1に示す。表1におい
て、作製条件における配合量(wt%)は、酸化物重量
を全体粉末重量(Si+酸化物重量)で除し、100を
掛けた値である。
Next, Table 1 shows the characteristics of the sintered body obtained by using the mixed powder of Si and the complex oxide as a raw material. In Table 1, the blending amount (wt%) under the manufacturing conditions is a value obtained by dividing the oxide weight by the total powder weight (Si + oxide weight) and multiplying by 100.

【表1】 [Table 1]

【0027】この複合セラミックスの製造方法におい
て、Siの65wt%にAl6 Si21 3 の35wt
%を配合して混合粉末を作製し、該混合粉末を原料とし
て成形し、その成形体を1400℃で反応焼結して焼結
体を作製し、この焼結体を大気中で1000℃で加熱処
理即ち酸化処理して複合セラミックスの焼結体を作製し
た。このようにして作製した複合セラミックスを切断
し、切断面を研磨処理した後、X線マイクロアナライザ
ーによってその元素分布を調査したところ、図2及び図
3に示す結果を得た。
In this method for producing a composite ceramic, 35 wt% of Al 6 Si 2 O 13 is added to 65 wt% of Si.
% Of the mixed powder to prepare a mixed powder, which is molded using the mixed powder as a raw material, and the molded body is reacted and sintered at 1400 ° C. to prepare a sintered body. Heat treatment, that is, oxidation treatment, was performed to produce a sintered body of composite ceramics. After cutting the composite ceramics produced in this way and polishing the cut surface, the element distribution was investigated by an X-ray microanalyzer, and the results shown in FIGS. 2 and 3 were obtained.

【0028】図2は、得られた焼結体の微細組織、及び
生成相の同定結果をX線マイクロアナライザーによって
示したものであり、Si,Al,O,Nの存在状態を示
すために模写したものである。或いは、図3は、この複
合セラミックスの製造方法で作製した複合セラミックス
の組織のX線マイクロアナライザーで作図した分析図で
ある。図3において、最も黒く濃い部分がAl2
3 (Al−O)であり、次に黒く濃い部分がSi−O−
Nであり、白い部分がSi−Al−O−N(Si3Al
3 3 5 )であり、白い部分に細かく点在する部分が
Si−Al−O(Al6 Si2 1 3 )である。図2又
は図3から分かるように、Si−O−N相即ちSi,O
がリッチな相を中心にして、それを取り囲むようにして
Si,Al,Oがリッチな相が形成され、その周りにA
l,Oがリッチな相が形成されていることが分かる。
FIG. 2 shows the microstructure of the obtained sintered body and the identification result of the produced phase by an X-ray microanalyzer, which is reproduced to show the existing state of Si, Al, O and N. It was done. Alternatively, FIG. 3 is an analysis diagram drawn by an X-ray microanalyzer of the structure of the composite ceramic produced by this method for producing the composite ceramic. In FIG. 3, the darkest and darkest part is Al 2 O.
3 (Al-O), and then the dark black part is Si-O-
N, and white portions is Si-Al-O-N ( Si 3 Al
3 O 3 N 5 ), and the finely scattered white portions are Si—Al—O (Al 6 Si 2 O 13 ). As can be seen from FIG. 2 or 3, the Si—O—N phase, that is, Si, O
Is rich in Si, Al, and O so that a phase rich in Si, Al, and O is formed around it.
It can be seen that a phase rich in l and O is formed.

【0029】また、図6には、SiにAl6 Si2
1 3 の35wt%を配合して得られた焼結体の生成相の
X線回折による同定結果即ちX線回折パターンを示す
が、Si3 Al3 3 5 が検出された。X線回折パタ
ーンでは、X線マイクロアナライザーで検出されたSi
ONが検出されなかったことから考慮すると、SiON
は非晶質である可能性がある。また、SiAlON相も
固溶体であって熱伝導率は低いと考えられる。
Further, in FIG. 6, Al 6 Si 2 O is added to Si.
Si 3 Al 3 O 3 N 5 was detected although the identification result by X-ray diffraction, that is, the X-ray diffraction pattern, of the produced phase of the sintered body obtained by blending 35 wt% of 13 was shown. In the X-ray diffraction pattern, Si detected by X-ray microanalyzer
Considering that ON was not detected, SiON
May be amorphous. Further, it is considered that the SiAlON phase is also a solid solution and has a low thermal conductivity.

【0030】従って、この複合セラミックスは、SiO
Nの非晶質或いはSiAlON相の固溶体が極めて微細
なレベルで形成され、多重相を構成していることがフォ
ノン散乱を促進し、低熱伝導化されていると考えられ
る。
Therefore, this composite ceramic is
It is considered that N amorphous or a solid solution of SiAlON phase is formed at an extremely fine level and constitutes a multiple phase, which promotes phonon scattering and has low thermal conductivity.

【0031】また、この発明による複合セラミックスの
製造方法において、SiとAl2 TiO5 の混合粉末を
原料として作製した複合セラミックスを、図4及び図5
に示す。図4はこの複合セラミックスの製造方法で作製
した複合セラミックスの組織のX線マイクロアナライザ
ーで作図した分析図、及び図5は図4の分析図の一部を
説明する説明図である。この複合セラミックスは、Si
を65wt%とAl2TiO5 を35wt%とから混合
粉末を原料とし、その混合粉末を成形した後、1400
℃の窒素雰囲気内で反応焼結し、次いで、1000℃の
大気中にて加熱処理即ち酸化処理を行うことによって製
造できる。このようにして作製した複合セラミックスを
切断し、切断面を研磨処理した後、X線マイクロアナラ
イザーによってその元素分布を調査したところ、図4及
び図5に示す結果を得た。図4において、最も黒く濃い
コア部分がAl2 3 (Al−O)であり、次に黒く濃
い部分がSi−Al−O−Nであり、白い部分がSi−
Al−Ti−O−Nであり、Al2 3 の濃いコア部分
を取り巻く相がTi−Oのリッチな相である。図4及び
図5から分かるように、Alがリッチな相を中心にして
その外側にTi,Alがリッチな相が隣接し、更にT
i,Alがリッチな相を取り囲むようにSi−Al−T
i−O−Nの相が存在していることが分かる。
Further, in the method for producing a composite ceramic according to the present invention, a composite ceramic produced by using a mixed powder of Si and Al 2 TiO 5 as a raw material is shown in FIGS.
Shown in. FIG. 4 is an analysis diagram of the structure of the composite ceramic produced by this method for producing the composite ceramic, which is drawn by an X-ray microanalyzer, and FIG. 5 is an explanatory view for explaining a part of the analysis diagram of FIG. This composite ceramic is made of Si
Of 65 wt% of Al 2 TiO 5 and 35 wt% of Al 2 TiO 5 as a raw material, and after molding the mixed powder, 1400
It can be manufactured by reacting and sintering in a nitrogen atmosphere at 0 ° C. and then performing heat treatment, that is, oxidation treatment at 1000 ° C. in the atmosphere. After cutting the composite ceramics produced in this way and polishing the cut surface, the element distribution was investigated by an X-ray microanalyzer, and the results shown in FIGS. 4 and 5 were obtained. In FIG. 4, the blackest and darkest core part is Al 2 O 3 (Al-O), the next darkest and darkest part is Si-Al-O-N, and the white part is Si-.
An Al-Ti-O-N, phase surrounding the dark core of Al 2 O 3 is rich phase of Ti-O. As can be seen from FIGS. 4 and 5, the Al-rich phase is centered on the outer side of which the Ti- and Al-rich phase is adjacent.
i, Al so as to surround the rich phase Si-Al-T
It can be seen that the i-O-N phase is present.

【0032】以上のことより、この複合セラミックスで
は、チタン酸アルミニウム(Al2TiO5 )やムライ
ト(Al6 Si2 1 3 )等の複合酸化物とSiとを原
料にして作製した混合物を、窒化焼成した場合に製造で
きる複合セラミックスは、従来のような単一酸化物、例
えば、酸化アルミニウム(Al2 3 )の添加によって
作製したセラミックスと異なり、分散相が多重に構成さ
れていることが特徴である。この多重の相は、複合酸化
物の窒化焼成時における分解、並びにSiや窒素ガス
(N2 )雰囲気との複雑な反応によって形成されたと考
えられる。そして、複合セラミックスにおける多重相に
よって、熱のキャリヤであるフォノン散乱が境界部分で
生じ、複合セラミックスが低熱伝導の性質になると考え
られる。
From the above, in this composite ceramic, a mixture prepared by using a composite oxide such as aluminum titanate (Al 2 TiO 5 ) and mullite (Al 6 Si 2 O 1 3 ) and Si as a raw material, The composite ceramics that can be produced by nitriding firing are different from conventional single oxides, for example, ceramics produced by adding aluminum oxide (Al 2 O 3 ), in that the dispersed phase is composed of multiple layers. It is a feature. It is considered that the multiple phases were formed by decomposition of the complex oxide during nitriding and firing, and complicated reaction with the atmosphere of Si or nitrogen gas (N 2 ). It is considered that phonon scattering, which is a carrier of heat, is generated at the boundary due to the multiple phases in the composite ceramic, and the composite ceramic has a property of low heat conduction.

【0033】[0033]

【発明の効果】この発明による複合セラミックス及びそ
の製造方法は、上記のように構成されており、次のよう
な効果を有する。即ち、この複合セラミックスは、S
i,O,Nの全ての元素、並びにAl,Zr,Li,
P,Mgの元素群から少なくとも1種以上でなる相を持
ち、且つ比重が2.6以下であるので、軽量であり、熱
伝導率の小さいセラミックスを作製するとができ、従っ
て、エンジン等の部品の遮熱部品に適用した場合に、非
定常状態での伝熱量を低減することができる。
The composite ceramics and the method for producing the same according to the present invention are configured as described above and have the following effects. That is, this composite ceramic is
All elements of i, O, N, as well as Al, Zr, Li,
Since it has a phase composed of at least one or more elements of P and Mg and has a specific gravity of 2.6 or less, it is possible to manufacture a ceramic that is lightweight and has a low thermal conductivity, and therefore a component such as an engine. When applied to the heat-shielding component, the heat transfer amount in an unsteady state can be reduced.

【0034】また、この複合セラミックスの製造方法
は、Si及び複合酸化物から成る混合粉末を原料とし、
該混合粉末を成形して成形体を作製し、該成形体を窒化
焼成して焼結体を作製し、次いで、前記焼結体を酸化処
理したものであり、前記複合酸化物としては、Al6
2 1 3 ,Li2 O・Al2 3 ・SiO2 ,(Zr
O)2 2 7 ,MgO・Al2 3 ・SiO2 を使用
できるものである。
Further, in this method for producing a composite ceramic, a mixed powder composed of Si and a composite oxide is used as a raw material,
The mixed powder is formed into a molded body, the molded body is nitrided and fired to form a sintered body, and then the sintered body is subjected to an oxidation treatment. 6 S
i 2 O 1 3, Li 2 O · Al 2 O 3 · SiO 2, (Zr
O) 2 P 2 O 7 , MgO.Al 2 O 3 .SiO 2 can be used.

【0035】この複合セラミックスは、Al2 TiO5
やAl6 Si2 1 3 等の複合酸化物とSiとを原料に
して作製した混合物を、窒化焼成し、次いで酸化処理し
て製造できるので、従来のようなAl2 3 のような単
一酸化物の添加によって作製したセラミックスと異な
り、分散相が多重に構成される。この多重の相は、複合
酸化物の窒化焼成時における分解、並びにSiやN2
囲気との反応によって形成される。そして、この複合セ
ラミックスは、その多重相によって熱のキャリヤである
フォノン散乱が境界部分で生じ、低熱伝導の性質を有す
るようになる。
This composite ceramic is made of Al 2 TiO 5
Since it is possible to manufacture a mixture prepared by using a composite oxide such as Al, Si 2 O 1 3 and Al 6 Si 3 as a raw material and nitriding and firing, and then subjecting it to an oxidization treatment, it is possible to produce a mixture such as a conventional Al 2 O 3 Unlike ceramics produced by the addition of monoxide, the dispersed phase is composed in multiple layers. The multiple phases are formed by decomposition of the complex oxide during nitriding firing and reaction with the Si or N 2 atmosphere. Then, this composite ceramic has a property of low heat conduction because phonon scattering, which is a carrier of heat, is generated at the boundary due to the multiple phases.

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

【図1】各種酸化物粉末とSiから成る混合粉末を原料
として作製した反応焼結セラミックスの熱伝導率を示す
グラフである。
FIG. 1 is a graph showing the thermal conductivity of reaction-sintered ceramics prepared by using a mixed powder of various oxide powders and Si as a raw material.

【図2】SiとAl6 Si2 1 3 とを原料として反応
焼結させ、更に酸化処理した複合セラミックスの微細組
織を示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory view showing a fine structure of a composite ceramic which is obtained by reacting and sintering Si and Al 6 Si 2 O 13 as raw materials and further oxidizing the composite ceramic.

【図3】この複合セラミックスの製造方法において、S
iとAl6 Si2 1 3 との混合物を反応焼結させ、酸
化処理した複合セラミックスの組織のX線マイクロアナ
ライザーで作図した分析図である。
[FIG. 3] In the method for producing the composite ceramic, S
FIG. 3 is an analysis diagram drawn by an X-ray microanalyzer of the structure of a composite ceramic obtained by reacting and sintering a mixture of i and Al 6 Si 2 O 13 ;

【図4】この複合セラミックスの製造方法において、S
iとAl2 TiO5 との混合物を反応焼結させ、酸化処
理した複合セラミックスの組織のX線マイクロアナライ
ザーで作図した分析図である。
FIG. 4 is a diagram showing a method of manufacturing a composite ceramic according to S
FIG. 3 is an analysis diagram drawn by an X-ray microanalyzer of the structure of composite ceramics obtained by reacting and sintering a mixture of i and Al 2 TiO 5 .

【図5】図4の分析図の一部を説明する説明図である。5 is an explanatory diagram for explaining a part of the analysis diagram of FIG.

【図6】図2の複合セラミックスの生成相のX線回折に
よる同定結果を示す線図である。
FIG. 6 is a diagram showing an identification result by X-ray diffraction of a produced phase of the composite ceramic of FIG.

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Si,O,Nの全ての元素、並びにA
l,Zr,Li,P,Mgの元素群から少なくとも1種
以上でなる相を持ち、且つ比重が2.6以下であること
を特徴とする複合セラミックス。
1. All elements of Si, O, N and A
A composite ceramic having a phase composed of at least one element selected from the group consisting of 1, Zr, Li, P, and Mg and having a specific gravity of 2.6 or less.
【請求項2】 1つの前記相は隣接する複数の相或いは
取り巻かれた複数の相から構成されていることを特徴と
する請求項1に記載の複合セラミックス。
2. The composite ceramic according to claim 1, wherein one of the phases is composed of a plurality of adjacent phases or a plurality of surrounding phases.
【請求項3】 前記相には、Si,Al,O,N及びS
i,O,Nでなる相がそれぞれ形成されていることを特
徴とする請求項1に記載の複合セラミックス。
3. The phases include Si, Al, O, N and S.
The composite ceramics according to claim 1, wherein a phase composed of i, O, and N is formed.
【請求項4】 前記相がその中心にAlがリッチな相を
有していることを特徴とする請求項1に記載の複合セラ
ミックス。
4. The composite ceramic according to claim 1, wherein the phase has a phase rich in Al at the center thereof.
【請求項5】 Si,O,Nの全ての元素、並びにA
l,Ti,Zr,Li,Pの元素群から少なくとも1種
以上の元素からなり、1つの分散相が隣接する複数の相
或いは取り巻かれた複数の相から構成されていることを
特徴とする複合セラミックス。
5. All elements of Si, O, N and A
A composite characterized in that it comprises at least one element from the element group of l, Ti, Zr, Li, P, and one dispersed phase is composed of a plurality of adjacent phases or a plurality of surrounding phases. Ceramics.
【請求項6】 前記分散相には、Si,Al,O,N及
びSi,O,Nでなる相がそれぞれ形成されていること
を特徴とする請求項5に記載の複合セラミックス。
6. The composite ceramic according to claim 5, wherein the dispersed phase is formed with phases of Si, Al, O, N and Si, O, N, respectively.
【請求項7】 前記分散相がその中心にAlがリッチな
相を有していることを特徴とする請求項5に記載の複合
セラミックス。
7. The composite ceramic according to claim 5, wherein the dispersed phase has a phase rich in Al at the center thereof.
【請求項8】 ポート、マニホルド、ピストンヘッドに
適用できることを特徴とする請求項1又は請求項5に記
載の複合セラミックス。
8. The composite ceramic according to claim 1, which is applicable to a port, a manifold and a piston head.
【請求項9】 Si及び複合酸化物から成る混合粉末を
原料とし、該混合粉末を成形して成形体を作製し、該成
形体を窒化焼成して焼結体を作製し、次いで、前記焼結
体を酸化処理したことを特徴とする複合セラミックスの
製造方法。
9. A mixed powder of Si and a complex oxide is used as a raw material, the mixed powder is molded into a molded body, and the molded body is subjected to nitriding firing to form a sintered body. A method for producing a composite ceramic, characterized in that a composite is subjected to an oxidation treatment.
【請求項10】 前記複合酸化物はAl6 Si
2 1 3 ,Li2 O・Al23 ・SiO2 ,(Zr
O)2 2 7 ,MgO・Al2 3 ・SiO2 ,Al
2 TiO5 の群のうちの少なくとも1種を含んでいるこ
とを特徴とする請求項9に記載の複合セラミックスの製
造方法。
10. The composite oxide is Al 6 Si.
2 O 13 , Li 2 O.Al 2 O 3 .SiO 2 , (Zr
O) 2 P 2 O 7 , MgO · Al 2 O 3 · SiO 2 , Al
The method for producing a composite ceramics according to claim 9, characterized in that it contains at least one kind of 2 TiO 5 group.
【請求項11】 前記複合酸化物は重量に換算して15
〜65wt%含まれていることを特徴とする請求項9に
記載の複合セラミックスの製造方法。
11. The composite oxide is 15 in terms of weight.
The composite ceramics manufacturing method according to claim 9, wherein the composite ceramics is contained in an amount of ˜65 wt%.
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US08/593,282 US5616527A (en) 1993-09-13 1996-01-30 Composite ceramic

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010150123A (en) * 2008-11-21 2010-07-08 Ngk Spark Plug Co Ltd Silicon nitride-melilite composite sintered body and device utilizing the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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