JPH0818886B2 - Method for producing porous silicon carbide material - Google Patents

Method for producing porous silicon carbide material

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JPH0818886B2
JPH0818886B2 JP61138351A JP13835186A JPH0818886B2 JP H0818886 B2 JPH0818886 B2 JP H0818886B2 JP 61138351 A JP61138351 A JP 61138351A JP 13835186 A JP13835186 A JP 13835186A JP H0818886 B2 JPH0818886 B2 JP H0818886B2
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晴裕 長田
彰治 片山
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、多孔質の炭化ケイ素質セラミックス材料を
製造する方法に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a porous silicon carbide based ceramic material.

従来の技術 炭化ケイ素質材料は、硬度、耐熱性、耐食性等にすぐ
れた材料として近年注目されており、摺動材料、高温用
機械材料など、多くの分野で利用されるようになった。
しかしながら、この炭化ケイ素質材料を多孔質のものに
して利用することはあまり行われていない。多孔質炭化
ケイ素質材料は、高温または腐食性の流体を処理するフ
ィルター等に使用すればすぐれた性能を示すことが期待
されるが、従来提供された多孔質炭化ケイ素質材料とし
ては炭化ケイ素質発熱体や炭化ケイ素質レンガなどがあ
るに過ぎない。そしてこれらは、粘土微粒子等のガラス
質物質を結合剤として炭化ケイ素粒子を成形したもので
あるから、耐熱性や耐食性が結合剤部分のそれにより支
配されてしまい、炭化ケイ素本来の特長を十分に発揮し
得るものではなかった。ガラス質の結合剤を用いない製
法、たとえば炭化ケイ素粒子を焼結させる方法により多
孔質材料を製造することができればよりすぐれた物性の
ものとなることは明らかであるが、そのような製法はま
だ確立されていない。
2. Description of the Related Art Silicon carbide-based materials have been attracting attention in recent years as materials excellent in hardness, heat resistance, corrosion resistance, etc., and have come to be used in many fields such as sliding materials and high temperature mechanical materials.
However, this silicon carbide material is rarely used as a porous material. Porous silicon carbide materials are expected to show excellent performance when used in filters for treating high temperature or corrosive fluids. There are only heating elements and silicon carbide bricks. And since these are formed by molding silicon carbide particles using a glassy material such as clay particles as a binder, heat resistance and corrosion resistance are dominated by that of the binder part, and the original characteristics of silicon carbide are fully It wasn't possible. It is clear that if a porous material can be produced by a production method that does not use a vitreous binder, for example, a method of sintering silicon carbide particles, it will have better physical properties, but such a production method is not yet available. Not established.

発明が解決しようとする問題点 したがって本発明の目的は、上記従来品のような欠点
のない多孔質材料を得るための、ガラス質結合剤を用い
ない方法による多孔質炭化ケイ素質材料の製造法を提供
することにある。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention Therefore, an object of the present invention is to provide a method for producing a porous silicon carbide based material by a method without using a vitreous binder, in order to obtain a porous material without the above-mentioned conventional defects. To provide.

問題点を解決するための手段 上記目的を達成することに成功した本発明による多孔
質炭化ケイ素質材料の製造法には、平均粒子径50〜300
μmの炭化ケイ素粒子の表面に炭化物換算量で3〜15重
量%の炭化性有機物をコーティングし、コーティングさ
れた炭化ケイ素粒子からなる粉末を後記有機物炭化処理
後の成形体かさ密度が1.7〜2.1g/cm3になるような条件
で成形し、得られた成形体を非酸化性雰囲気で焼成して
成形体中の炭化性有機物を炭化させ、次いで処理後の成
形体を1450℃以上で溶融ケイ素と接触させて該ケイ素を
成形体中に浸透させることにより成形体中の有機物炭化
物をケイ素と反応させ炭化ケイ素に変換することを特徴
とするものである。
Means for Solving the Problems In the method for producing a porous silicon carbide material according to the present invention which has succeeded in achieving the above object, an average particle diameter of 50 to 300 is included.
The surface of the silicon carbide particles of μm is coated with 3 to 15% by weight of a carbonaceous organic material in terms of carbide, and the powder composed of the coated silicon carbide particles has a bulk density of 1.7 to 2.1 g after the organic carbonization treatment described below. Molded under conditions such that / cm 3 , the resulting molded body is fired in a non-oxidizing atmosphere to carbonize the carbonizable organic matter in the molded body, and then the molded body after treatment is melted at 1450 ° C or higher with molten silicon. It is characterized in that the organic carbide in the molded body is reacted with silicon to be converted into silicon carbide by contacting the molded body with the silicon to penetrate the silicon into the molded body.

以下、上記本発明の製法について詳述する。 Hereinafter, the manufacturing method of the present invention will be described in detail.

平均粒子径50〜300μmの炭化ケイ素粒子は研削材と
して市販されており、本発明の製法における原料の炭化
ケイ素としてはこれをそのまま用いることができる。一
般に、炭化ケイ素の粒子径が大きいほど製品の気孔径が
大きくなるから、所望の製品気孔径に応じて、用いる炭
化ケイ素の粒子径を適宜選定する。なお平均粒子径が50
μmよりも小さいと、ケイ素溶浸処理を行う成形体にお
ける炭化ケイ素粒子間の空隙が小さくなり過ぎてここが
ケイ素により埋めつくされ易く、必要な気孔を確保でき
なくなる。また反対に粒子径が300μmをこえると、炭
化ケイ素粒子同士の結合箇所が少なくなるため、強度が
不十分な製品しか得られない。
Silicon carbide particles having an average particle diameter of 50 to 300 μm are commercially available as an abrasive, and they can be used as they are as the raw material silicon carbide in the production method of the present invention. In general, the larger the particle size of silicon carbide, the larger the pore size of the product. Therefore, the particle size of silicon carbide to be used is appropriately selected according to the desired product pore size. The average particle size is 50
If it is smaller than μm, the voids between the silicon carbide particles in the molded product subjected to the silicon infiltration treatment become too small, and the voids are easily filled with silicon, making it impossible to secure the necessary pores. On the other hand, if the particle size exceeds 300 μm, the number of bonding points between the silicon carbide particles decreases, and only a product having insufficient strength can be obtained.

炭化ケイ素粒子のコーティングに用いる炭化性有機物
としては、なんらかの溶剤に溶けてコーテイングが可能
な溶液を形成し且つ非酸化性雰囲気で焼成されると高収
率で炭素化するもの、たとえばフェノール樹脂、フラン
樹脂などの熱硬化性樹脂やピッチを用いる。
Carbonizing organic materials used for coating silicon carbide particles include those which dissolve in some solvent to form a coatable solution and which carbonize in high yield when fired in a non-oxidizing atmosphere, such as phenolic resins and furan. Thermosetting resin such as resin or pitch is used.

コーティングは、炭化性有機物の溶液と炭化ケイ素粉
末とを攪拌機を用いてよく混合した後、引続き攪拌しな
がら加熱して乾燥することにより行うことができる。ま
た、流動層コーティング法によっても可能である。コー
ティングされた炭化性有機物は次の焼成工程で炭化し、
形成された炭化物が溶融ケイ素の反応対象となるので、
炭化性有機物の好適コーティング量は用いる炭化性有機
物の炭素収率により異なる。したがって、包括的な好適
コーティング量は炭化物換算量により示すのが適当で、
その値は炭化ケイ素の重量基準で3〜15%、特に好まし
くは5〜12%である。3%以下では炭化ケイ素粒子上に
形成される炭素被覆が連続相になり得ず、したがって、
反応で生じる炭化ケイ素による炭化ケイ素粒子の結合が
不十分な、強度の低い製品しか得られない。また15%以
上にすることは製品の気孔率を低下させるだけで、無益
である。
The coating can be carried out by thoroughly mixing the solution of the carbonizable organic substance and the silicon carbide powder with a stirrer, and subsequently heating and drying with stirring. It is also possible to use a fluidized bed coating method. The coated carbonizable organic matter is carbonized in the next firing step,
Since the formed carbide is the reaction target of molten silicon,
The suitable coating amount of the carbonizable organic material depends on the carbon yield of the carbonized organic material used. Therefore, it is appropriate to indicate the comprehensive suitable coating amount by the equivalent amount of carbide,
Its value is 3 to 15%, particularly preferably 5 to 12%, based on the weight of silicon carbide. Below 3%, the carbon coating formed on the silicon carbide particles cannot be a continuous phase, and therefore
Only low-strength products can be obtained in which the binding of silicon carbide particles with the silicon carbide formed in the reaction is insufficient. Further, if it exceeds 15%, it only reduces the porosity of the product, and is useless.

なおコーティング工程では、炭化性有機物とともに、
次の成形工程における成形性向上のための助剤を炭化ケ
イ素粒子に付着させてもよい。この助剤としては、炭化
性有機物の炭化温度以下の温度で熱分解を起こし飛散し
てしまうもの、たとえばパラフィン、ワックス、ステア
リン酸、熱可塑性合成樹脂(たとえばアクリル樹脂、メ
タクリル樹脂)などが適当である。
In the coating process, along with the carbonizable organic matter,
An auxiliary agent for improving moldability in the next molding step may be attached to the silicon carbide particles. As this auxiliary agent, those which cause thermal decomposition and scatter at a temperature below the carbonization temperature of the carbonizable organic matter, such as paraffin, wax, stearic acid, thermoplastic synthetic resin (eg acrylic resin, methacrylic resin), etc. are suitable. is there.

コーティングを終わった炭化ケイ素粒子からなる粉末
は、必要量を金型に入れ、単軸プレスなどを用いて圧縮
成形する。この場合の成形条件は、前述のように、有機
物炭化処理後の成形体かさ密度が1.7〜2.1g/cm3になる
ような条件とする。かさ密度が1.7g/cm3に満たないとき
は、実用上必要な強度を有する製品を得ることが難しく
なる。一方、2.1g/cm3をこえる高密度のものとすると、
それにともない小さくなった粒子間空隙にもケイ素が入
り込むため、多孔質材料を得ることができない。成形体
のかさ密度は、成形圧、成形温度などを調節することに
より、所望の値のものとすることができる。
The required amount of powder consisting of silicon carbide particles after coating is put in a mold and compression-molded using a uniaxial press or the like. As described above, the molding conditions in this case are such that the bulk density of the molded body after the organic substance carbonization treatment is 1.7 to 2.1 g / cm 3 . When the bulk density is less than 1.7 g / cm 3 , it becomes difficult to obtain a product having the strength required for practical use. On the other hand, if the density is over 2.1 g / cm 3 ,
Along with that, silicon also enters the interparticle spaces that have become smaller, so that a porous material cannot be obtained. The bulk density of the molded product can be set to a desired value by adjusting the molding pressure, the molding temperature and the like.

得られた成形体は、まず非酸化性の雰囲気で約500℃
〜1200℃に加熱し、成形体中の炭化性有機物を炭化させ
る(分解性の成形助剤を用いた場合は、それを炭化性有
機物の炭化に先立って分解させる)。炭化性有機物の炭
化は揮発性物質の遊離をともなうため、形成される炭化
物は多数の微細な連通気孔を有するものとなる。
The obtained molded product is first about 500 ° C in a non-oxidizing atmosphere.
The mixture is heated to ~ 1200 ° C to carbonize the carbonizable organic matter in the molded body (if a decomposable molding aid is used, decompose it before carbonizing the carbonizable organic matter). Since carbonization of a carbonizable organic substance is accompanied by liberation of volatile substances, the formed carbide has a large number of fine continuous air holes.

この後、真空中または不活性ガス中で、成形体を金属
ケイ素の融点である1450℃以上、望ましくは約1450℃〜
1700℃に加熱して、溶融ケイ素と接触させる。このため
の方法としては、粉末状金属ケイ素中に成形体を埋めた
状態で昇温する方法、適当なバインダーで金属ケイ素粉
末をペースト状にしたものを成形体表面に塗布して昇温
する方法、金属ケイ素粉末をシート状に成形したものを
成形体に接触させた状態で昇温する方法、などがある。
このとき溶融状態のケイ素は、成形体の有機物炭化物部
分の連通気孔に毛細管現象により浸入し、次いで炭素と
反応して炭化ケイ素を生じる。有機物炭化物をすべて炭
化ケイ素に変換するのに必要なケイ素の量は、通常、有
機物炭化物重量の2.5倍前後である。上述のような経過
をたどるため、溶融ケイ素の供給量を制限しなくても無
制限にケイ素が成形体中にとり込まれることはないが、
上記必要量の約3倍をこえる量のケイ素を用意すること
は意味がない。
Then, the molded body is heated to 1450 ° C. or higher, which is the melting point of metallic silicon, preferably about 1450 ° C. or higher in a vacuum or an inert gas.
Heat to 1700 ° C. and contact with molten silicon. As a method for this, a method of raising the temperature in a state where the molded body is embedded in powdered metal silicon, a method of applying a paste of metal silicon powder with an appropriate binder to the surface of the molded body and heating it There is a method in which a sheet of metal silicon powder is molded and the temperature is raised in contact with the molded product.
At this time, the molten silicon infiltrates into the continuous air holes of the organic carbide portion of the molded body by a capillary phenomenon, and then reacts with carbon to generate silicon carbide. The amount of silicon required to convert all organic carbides to silicon carbide is typically around 2.5 times the weight of organic carbides. Since the above-described process is followed, silicon is not taken into the molded body without limitation without limiting the supply amount of molten silicon.
It does not make sense to prepare an amount of silicon that exceeds about three times the above required amount.

上述のようにして有機物炭化物部分が炭化ケイ素に変
換されると、もともと成形体中にあった炭化ケイ素粒子
はこの反応により生じた炭化ケイ素および未反応のまま
残る少量のケイ素と一体化する。成形体中に存在する炭
化ケイ素粒子間空隙は、前述のような原料および成形条
件が選択されている限り、溶融ケイ素が毛細管現象によ
り浸透するには大きすぎるため、大部分が空隙のまま残
る。以上により、実質的に炭化ケイ素のみからなる多孔
質材料が形成される。
When the organic carbide portion is converted to silicon carbide as described above, the silicon carbide particles originally present in the molded body are integrated with the silicon carbide generated by this reaction and a small amount of silicon which remains unreacted. The voids between the silicon carbide particles existing in the molded body are too large for the molten silicon to permeate by the capillary phenomenon as long as the above-mentioned raw materials and molding conditions are selected, so that most of them remain as voids. By the above, a porous material consisting essentially of silicon carbide is formed.

発明の効果 本発明の製法によれば、実質的に炭化ケイ素からな
り、孔径約50〜300μm程度の連通気孔が20〜40vol%程
度均一に分布している多孔質炭化ケイ素質材料を、安定
して製造することができる。本発明の製法の特に有利な
点は、従来法におけるガラス質結合剤のような、異質の
結合剤を用いないため、製品が、炭化ケイ素部分に比べ
て劣る結合剤部分の物性や耐食性が原因の劣化を起こす
ことがなく、すぐれた物性と耐久性を示すことである。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the production method of the present invention, a porous silicon carbide-based material that is substantially composed of silicon carbide and has continuous pores with a pore size of about 50 to 300 μm uniformly distributed about 20 to 40 vol% can be stably prepared. Can be manufactured. A particular advantage of the manufacturing method of the present invention is that, because a heterogeneous binder, such as a glassy binder in the conventional method, is not used, the product is inferior to the silicon carbide portion in terms of physical properties and corrosion resistance of the binder portion. It has excellent physical properties and durability without deterioration.

実施例 平均粒子径100μmの炭化ケイ素粒子900gを、500mlの
アセトンに溶解したノボラック型フェノール樹脂100gと
ともに攪拌機付混合機に入れて混合し、引続き攪拌しな
がら加熱してアセトンを蒸発させることにより、炭化ケ
イ素粒子にフェノル樹脂をコーティングした。
Example 900 g of silicon carbide particles having an average particle size of 100 μm were put in a mixer with a stirrer and mixed together with 100 g of a novolac type phenol resin dissolved in 500 ml of acetone, followed by heating with stirring to evaporate the acetone, thereby carbonizing. The silicon particles were coated with phenol resin.

次いで、コーティング済み炭化ケイ素の粉末を1ton/c
m2の圧力で直径70mm、厚さ5mmの円板状に成形し、得ら
れた成形体を焼成した。焼成後の成形体は、重量が35.4
g、かさ密度が1.84g/cm3で、94重量%の炭化ケイ素と6
重量%の樹脂炭化物よりなるものであった。
Then, coated silicon carbide powder at 1 ton / c
A disk having a diameter of 70 mm and a thickness of 5 mm was formed under a pressure of m 2 and the obtained formed body was fired. The molded body after firing has a weight of 35.4
g, bulk density 1.84 g / cm 3 , 94% by weight silicon carbide and 6
It consisted of wt% resin carbide.

この焼成済み成形体を7.1gの金属ケイ素粉末(成形体
中の炭素2.12gの330%)と接触させた状態で真空下に加
熱し、1500℃に2時間保つことにより、溶融したケイ素
の大部分を成形体中に浸透させた。この溶浸処理後放冷
して得られた成形体は、93.7重量%以上が炭化ケイ素か
らなり、気孔径70〜160μm、気孔量30vol%の、均一な
多孔質のものであった。また、曲げ強度は8.5Kg/mm2
ヤング率は18,400Kg/mmで、フィルター等に使うのに充
分な物性を有するものであった。
This calcined compact was heated under vacuum in contact with 7.1 g of metallic silicon powder (330% of 2.12 g of carbon in the compact) and kept at 1500 ° C for 2 hours to obtain a large amount of molten silicon. The part was penetrated into the shaped body. The molded body obtained by allowing to cool after this infiltration treatment was 93.7% by weight or more of silicon carbide, and had a uniform porosity with a pore size of 70 to 160 μm and a porosity of 30 vol%. Also, the bending strength is 8.5 Kg / mm 2 ,
The Young's modulus was 18,400 Kg / mm, which had sufficient physical properties for use as a filter.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】平均粒子径50〜300μmの炭化ケイ素粒子
の表面に炭化物換算量で3〜15重量%の炭化性有機物を
コーティングし、コーティングされた炭化ケイ素粒子か
らなる粉末を後記有機物炭化処理後の成形体かさ密度が
1.7〜2.1g/cm3になるような条件で成形し、得られた成
形体を非酸化性雰囲気で焼成して成形体中の炭化性有機
物を炭化させ、次いで処理後の成形体を1450℃以上で溶
融ケイ素と接触させて該ケイ素を成形体中に浸透させる
ことにより成形体中の有機物炭化物をケイ素と反応させ
炭化ケイ素に変換することを特徴とする多孔質炭化ケイ
素質材料の製造法。
1. A surface of silicon carbide particles having an average particle diameter of 50 to 300 μm is coated with 3 to 15% by weight of a carbonaceous organic substance in terms of carbide, and a powder comprising the coated silicon carbide particles is treated with an organic substance described below. The bulk density of
Molded under conditions such that 1.7 ~ 2.1 g / cm 3 , the obtained molded body is fired in a non-oxidizing atmosphere to carbonize the carbonizable organic matter in the molded body, then the molded body after treatment at 1450 ° C A method for producing a porous silicon carbide-based material, characterized in that the organic carbide in the molded body is reacted with silicon to be converted into silicon carbide by bringing the silicon into contact with molten silicon and allowing the silicon to penetrate into the molded body.
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