JPH0812435A - セラミック及びその用途 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐酸化性と導電性に優れしかも抵抗温度特性
が負特性を示さないセラミックとセラミックヒータを提
供すること。 【構成】 窒素及び／又は窒化物の合計を窒素分として
１〜５重量％、金属珪素を１〜５重量％含み、室温比抵
抗が１０Ωｃｍ以下のβ型炭化珪素焼結体からなること
を特徴とするセラミック、及びこのセラミックで構成さ
れてなることを特徴とするセラミックヒータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミック及びその用途
に関する。詳しくは、耐酸化性と導電性に優れしかも抵
抗温度特性が負特性を示さないβ型炭化珪素焼結体から
なり、特にセラミックヒータとして好適なセラミックと
それで構成されたセラミックヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱風は、ニッケルクロム線等の金
属発熱体をブロックガイシ等に組み込みブロックヒータ
中に被加熱気体を通過させることによって発生させてい
る。

【０００３】しかしながら、ブロックガイシ等に組み込
まれた金属発熱体は、比抵抗が小さすぎるので必要な電
力に対して発熱面積を大きくかつ均一にすることが難し
く、高温で酸化したり、ブロックガイシとの熱膨張係数
の差が大きいために発熱時に変形したりする問題があっ
た。

【０００４】一方、熱風発生機用ヒータとしては、熱風
の発生効率等の面から比表面積の大きなハニカム構造体
が使用されているが、炭化珪素等の非酸化物系セラミッ
クスを利用したヒータでは気孔率が２０％をこえると高
温空気中で容易に酸化され、電気絶縁相となる酸化物が
表面だけでなく内部にまで生成し、ヒータ性能が劣化す
る問題があった。また、炭化珪素ヒータは、その抵抗温
度特性が１０００℃以下の低温域では負特性を示すので
温度制御が困難になる問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、以上
の問題を解消するものであり、耐酸化性と導電性に優れ
しかも抵抗温度特性が負特性を示さないセラミック及び
このセラミックで構成されたセラミックヒータを提供す
ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、窒
素及び／又は窒化物の合計を窒素分として１〜５重量
％、金属珪素を１〜５重量％含み、室温比抵抗が１０Ω
ｃｍ以下のβ型炭化珪素焼結体からなることを特徴とす
るセラミック、及びこのセラミックで構成されてなるこ
とを特徴とするセラミックヒータである。

【０００７】以下、更に詳しく本発明について説明す
る。

【０００８】本発明において、β型炭化珪素焼結体のβ
型結晶相の割合は１００％である必要はなく６０％もあ
れば十分である。残りはα型結晶相の多形２Ｈ、４Ｈ、
６Ｈ等である。β型炭化珪素焼結体はα型炭化珪素焼結
体に比べて室温比抵抗が小さいという利点がある。

【０００９】本発明においては、β型炭化珪素焼結体は
例えば以下のようにして生成させることができる。すな
わち、炭化珪素の結晶相には数多くの多型があり、一般
に六方晶のα型は２０００℃以上の高温で４Ｈ、６Ｈと
して安定であるが、β型の３Ｃは１８００〜２０００℃
程度の温度で４Ｈ、６Ｈのα型に転移するので、β型炭
化珪素粉末原料からその焼結体を製造する際の焼成温度
を１８００℃以下に調節することによって生成させるこ
とができる。他の方法は、反応焼結炭化珪素を温度２５
００℃、窒素圧力３０ｋｇ／ｃｍ² で焼なましすること
によってα型からβ型に転移することが報告（Ｊ．Ａ
ｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ，６４，（１９８１）Ｃ１７７
〜１７８）されているので、この技術を利用することも
可能と考えられる。

【００１０】本発明において、窒素及び／又は窒化物の
合計を窒素分として１〜５重量％に限定したのは、１重
量％未満では室温比抵抗と耐酸化性の改善効果が十分で
なくなり、また５重量％をこえると窒化珪素等の絶縁相
となる化合物が多くなって導電性が低下することによ
る。このような窒素及び／又は窒化物は、粒界相又は粒
内に固溶あるいは単独、更には窒化珪素、炭窒化珪素化
物等の化合物として存在する。

【００１１】本発明において、金属珪素の含有量を１〜
５重量％に限定した理由は、１重量％未満では抵抗温度
特性を一定又は正特性にすることが困難となり、また５
重量％をこえると機械的強度が低下する。金属珪素のか
わりにニッケル等の金属を本発明のような割合で含ませ
てもその抵抗温度特性を一定又は正特性にすることがで
きるが、耐酸化性が著しく低下し本発明の目的を達成す
ることができない。

【００１２】本発明のセラミックは、室温比抵抗が１０
Ωｃｍ以下を有するものであり、これをこえるとヒータ
としての機能が低下する。

【００１３】本発明のセラミックは、室温比抵抗１０Ω
ｃｍ以下を有ししかも高温に曝されてもその比抵抗はほ
とんど変化しないという耐酸化性に優れたものである。
しかも抵抗温度特性はいかなる温度域においても負特性
を示さないものであり、これは従来の炭化珪素焼結体が
１０００℃以下の温度域で負特性を示したこととは対象
的である。

【００１４】以上の特性を有する本発明のセラミックの
用途としては、ダクトヒータ、大型ドライヤーの熱源に
使用される熱風発生機用ヒータとして最適であり、更に
暖房機器、乾燥機、焼成炉等に使用されるヒータとして
も適している。

【００１５】次に、本発明のセラミックの製造法につい
て説明する。炭化珪素粉末原料としてはα型又はβ型の
いずれでもよく、純度９５％以上、平均粒径５μｍ以下
が好ましい。また、金属珪素粉末原料は平均粒径２０μ
ｍ以下、純度９０％以上のものが好ましい。両者の配合
割合は、炭化珪素粉末９５〜９９重量％、金属粉末１〜
５重量％であり、ミキサー、ボールミル等の混合機を用
いて混合する。

【００１６】混合粉末の成形は、熱風の発生効率を高く
するために比表面積を大きくできる形状が好ましく、多
孔体ブロック又はハニカム構造体が最適である。例え
ば、多孔体ブロックを成形する方法としては、ウレタン
フォームにセラミックスラリーを含浸させ乾燥後焼成し
てウレタンフォームを除去する方法、あるいは発泡させ
たセラミックスラリーを吸水性のある型に流し込み固化
した成形体を焼成し気孔を形成させる方法がある。ま
た、ハニカム構造体に成形するには、原料粉末に有機バ
インダを添加した混練物を押出成形法等により成形し焼
成する方法等を採用することができる。

【００１７】焼成は温度２０００℃以上で行われ、その
際の昇温雰囲気を窒素ガス圧１ｋｇ／ｃｍ² 以上とし、
降温雰囲気を減圧不活性ガス雰囲気又は真空中とする。
焼成温度が２０００℃よりも低いと炭化珪素の結晶相を
β型とすることが難しくなる。焼成温度の上限は、耐熱
容器等の設備の面から２３００℃程度が望ましい。

【００１８】また、昇温時の窒素ガス圧を１ｋｇ／ｃｍ
² 以上とする理由は、β型炭化珪素焼結体に窒素及び／
又は窒化物を窒素分として１〜５重量％含ませるためで
あり、１ｋｇ／ｃｍ² 未満ではその量が少なくなって耐
酸化性と導電性が得られなくなる。また、窒素ガス圧の
上限については特に制限はないが、耐熱容器等の設備の
面から１０ｋｇ／ｃｍ² が望ましい。

【００１９】更に、降温雰囲気を減圧不活性ガス雰囲気
又は真空中とする理由は、炭化珪素の結晶粒界相に存在
する金属珪素が降温時に窒化して電気絶縁性を示す窒化
珪素となるのを抑制するためである。

【００２０】

【実施例】次に実施例と比較例を挙げてさらに具体的に
本発明を説明する。

【００２１】実施例１ 出発原料としてα型炭化珪素粉末（平均粒径０．８μ
ｍ）９５重量％と金属珪素粉末（平均粒径６．７μｍ）
５重量％との混合粉末１００重量部、水１７重量部、有
機バインダーとしてメチルセルロースを５重量部を配合
しニーダ混練機で４０分間混練した。

【００２２】得られたセラミックスラリーを高圧真空押
出成形機を用い成形圧力３０ｋｇ／ｃｍ² で２０ｍｍ×
２０ｍｍ×厚み２ｍｍの板状テストピースを成形した。
また、同様のセラミックスラリーを用い成形圧力６０ｋ
ｇ／ｃｍ² で外径寸法□１００ｍｍ、セル寸法２．５ｍ
ｍ、リブ厚０．５ｍｍ、長さ１５０ｍｍのハニカム構造
体を成形した。

【００２３】得られた成形体を乾燥後４５０℃で脱脂
し、昇温時の窒素ガス圧を９ｋｇ／ｃｍ² として温度２
１００℃×５時間焼成し、降温時の雰囲気を０．６ｔｏ
ｒｒの真空中として焼成した。得られたセラミックにつ
いて以下の特性を測定した。それらの結果を表１に示
す。

【００２４】（１）室温比抵抗：板状テストピースを用
い４端子法により測定した。 （２）抵抗温度特性：板状テストピースを用い室温〜１
２００℃で測定した。 （３）β型炭化珪素の割合（β化率）：板状テストピー
スのＸ線回折を行い以下により算出した。 β化率（％）＝１００／（１＋ａ＋ｂ） 但し、ａ＝４．５７Ｉａ／（１００−２．７２Ｉａ−
０．６６５Ｉｂ） ｂ＝２．５３Ｉｂ／（１００−２．７２Ｉａ−０．６６
５Ｉｂ） ここで、ＩａはＣｕＫα２θが３４．３°におけるピー
ク強度、Ｉｂは３４．９°におけるピーク強度であり、
ＣｕＫα２θ＝３６．５°におけるピーク強度を１００
とした場合の相対値である。

【００２５】（４）窒素分含有量：板状テストピースを
用いＬＥＣＯ社製Ｏ／Ｎ同時分析計で測定した。 （５）金属珪素量：板状テストピースを用いＸ線回折法
により測定した。 （６）気孔率：ハニカム構造体を用いアルキメデス法に
より測定した。 （７）耐酸化性：ハニカム構造体の端面に銀電極を形成
した後、初期抵抗と大気中、１２００℃×１００時間処
理後の抵抗を測定した。

【００２６】実施例２ 出発原料として平均粒径１．２μｍのβ型炭化珪素粉末
９８重量％と平均粒径６．７μｍの金属珪素粉末を２重
量％の混合粉末を使用したこと以外は、実施例１と同様
にしてセラミックを製造した。

【００２７】比較例１ 出発原料として平均粒径０．８μｍのα型炭化珪素粉末
のみを用いたこと以外は、実施例１と同様にしてセラミ
ックを製造した。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、耐酸化性と導電性に優
れしかも抵抗温度特性が負特性を示さないβ型炭化珪素
焼結体からなるセラミックが提供される。

【００３０】本発明のセラミックは、抵抗温度特性が一
定又は正特性を示し温度制御が容易でしかも優れた耐酸
化性を有することから、ダクトヒータ、大型ドライヤー
の熱源に使用される熱風発生機用ヒータとして最適であ
り、更に暖房機器、乾燥機、焼成炉等に使用されるヒー
タとしても適している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 磯崎 啓 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業株 式会社大牟田工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒素及び／又は窒化物の合計を窒素分と
   して１〜５重量％、金属珪素を１〜５重量％含み、室温
   比抵抗が１０Ωｃｍ以下のβ型炭化珪素焼結体からなる
   ことを特徴とするセラミック。
2. 【請求項２】 請求項１記載のセラミックで構成されて
   なることを特徴とするセラミックヒータ。