JPH09100167A - セラミックス系ナノ複合結晶体 - Google Patents
セラミックス系ナノ複合結晶体Info
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- JPH09100167A JPH09100167A JP7276150A JP27615095A JPH09100167A JP H09100167 A JPH09100167 A JP H09100167A JP 7276150 A JP7276150 A JP 7276150A JP 27615095 A JP27615095 A JP 27615095A JP H09100167 A JPH09100167 A JP H09100167A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 多結晶体を構成する粒子内部及び粒界に分散
した異種物質の粒径と結晶状態を高度に制御することに
よって、強度、靱性等の機械的特性に優れたセラミック
ス系ナノ複合結晶体を提供する。 【解決手段】 多結晶体の構成粒子内部及び粒界に異種
物質を分散させた複合体において、粒子内部には粒径６
０ｎｍ未満の異種物質のナノ粒子と粒径６０〜５００ｎ
ｍの異種物質のメゾ粒子が分散し、粒界には粒径５００
ｎｍ未満の異種物質のメゾ粒子と粒径５００ｎｍ以上の
異種物質のミクロ粒子が分散しており、かつ粒子内部に
分散したナノ粒子が、その物質に固有の格子面間隔を示
さずに、マトリックスの格子面間隔の０．８〜１．２倍
の格子面間隔を有して、マトリックスの格子面と平行に
つながっていることを特徴とする。
した異種物質の粒径と結晶状態を高度に制御することに
よって、強度、靱性等の機械的特性に優れたセラミック
ス系ナノ複合結晶体を提供する。 【解決手段】 多結晶体の構成粒子内部及び粒界に異種
物質を分散させた複合体において、粒子内部には粒径６
０ｎｍ未満の異種物質のナノ粒子と粒径６０〜５００ｎ
ｍの異種物質のメゾ粒子が分散し、粒界には粒径５００
ｎｍ未満の異種物質のメゾ粒子と粒径５００ｎｍ以上の
異種物質のミクロ粒子が分散しており、かつ粒子内部に
分散したナノ粒子が、その物質に固有の格子面間隔を示
さずに、マトリックスの格子面間隔の０．８〜１．２倍
の格子面間隔を有して、マトリックスの格子面と平行に
つながっていることを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強度、靱性、硬度
等の機械的特性に優れ、従来にない先進機能を発現しう
る新材料に関する。
等の機械的特性に優れ、従来にない先進機能を発現しう
る新材料に関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】セラミックス材料は、耐熱
性、耐食性に優れ、化学的にも安定であることから、機
械部品、構造材料等の種々の用途への利用が期待されて
いる。例えば、窒化ケイ素や炭化ケイ素は、軽くて高温
における強度、化学的安定性に優れることから、熱機関
用構造材料としての応用展開が進展している。また、ジ
ルコニアは強度、靱性に優れることから、粉砕機用媒
体、摺動部品、ガイドローラー、線引ダイスなど、各種
の産業部品に使用され始めている。このように材料を眺
めてみると、窒化ケイ素は耐熱衝撃性や破壊靱性に優
れ、炭化ケイ素は耐酸化性や高温強度に優れ、ジルコニ
アは室温強度、破壊靱性に優れている。この為、これら
の材料の特性を活かした用途への応用開発が進められて
きた。
性、耐食性に優れ、化学的にも安定であることから、機
械部品、構造材料等の種々の用途への利用が期待されて
いる。例えば、窒化ケイ素や炭化ケイ素は、軽くて高温
における強度、化学的安定性に優れることから、熱機関
用構造材料としての応用展開が進展している。また、ジ
ルコニアは強度、靱性に優れることから、粉砕機用媒
体、摺動部品、ガイドローラー、線引ダイスなど、各種
の産業部品に使用され始めている。このように材料を眺
めてみると、窒化ケイ素は耐熱衝撃性や破壊靱性に優
れ、炭化ケイ素は耐酸化性や高温強度に優れ、ジルコニ
アは室温強度、破壊靱性に優れている。この為、これら
の材料の特性を活かした用途への応用開発が進められて
きた。
【０００３】これに対して、近年、各種の材料の長所を
兼ね備えた新しい材料を創製するために、複数の材料を
組み合わせたミクロあるいはナノレベルの複合材料の研
究が注目されるようになった。例えば、窒化ケイ素−炭
化ケイ素複合体の研究が盛んに行われている。USP4,18
4,882、あるいはJ.Am.Ceram.Soc.,56巻,445頁(1973年)
では５〜32μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末と焼結助剤
を窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）粉末に添加することにより窒
化ケイ素に比べ、熱伝導度や高温強度の改善された焼結
体が得られることが開示されている。これらでは室温強
度等の特性はむしろ窒化ケイ素よりも低下する傾向をみ
せ、焼結体特性は用いた炭化ケイ素の粒子径に大きく依
存することが示されている。
兼ね備えた新しい材料を創製するために、複数の材料を
組み合わせたミクロあるいはナノレベルの複合材料の研
究が注目されるようになった。例えば、窒化ケイ素−炭
化ケイ素複合体の研究が盛んに行われている。USP4,18
4,882、あるいはJ.Am.Ceram.Soc.,56巻,445頁(1973年)
では５〜32μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末と焼結助剤
を窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）粉末に添加することにより窒
化ケイ素に比べ、熱伝導度や高温強度の改善された焼結
体が得られることが開示されている。これらでは室温強
度等の特性はむしろ窒化ケイ素よりも低下する傾向をみ
せ、焼結体特性は用いた炭化ケイ素の粒子径に大きく依
存することが示されている。
【０００４】また、特開平２−１６０６６９号に示され
るように、気相反応（ＣＶＤ）法により合成した非晶質
Ｓｉ−Ｃ−Ｎ粉末に焼結助剤を添加して、ホットプレス
等によりＳｉ3Ｎ4よりなるマトリックス中にＳｉＣ粒子
が分散した窒化ケイ素−炭化ケイ素焼結体が得られてい
る。このような異種物質の粒子を分散させた複合体は、
ミクロ複合材料とナノ複合材料に大別され、ＳｉＣ分散
Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4分散Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ分散ＭｇＯ、
ＳｉＣ分散Ｓｉ3Ｎ4などの多数の研究例が報告されてい
る。例えば、「粉体及び粉末冶金」第３７巻第２号、３
４８〜３５１頁には、セラミックス複合体の微細構造を
分類し、分散粒子が微細構造及び焼結体の機械的特性に
及ぼす影響が、詳細に解説されている。しかしながら、
セラミックス複合体に対する多大の期待に反して、実際
には、異種物質の粒子を分散させた効果は、単に組織の
微細化、異常粒成長の抑制及び粒径の制御に留まってお
り、微細粒子をマトリックス粒子の内部に分散させたこ
とによる本質的な機械的特性の向上は、ほとんど見出さ
れていない。このため、強度、靱性等の特性も、未だ目
標レベルにまでは到達していないのが現状である。
るように、気相反応（ＣＶＤ）法により合成した非晶質
Ｓｉ−Ｃ−Ｎ粉末に焼結助剤を添加して、ホットプレス
等によりＳｉ3Ｎ4よりなるマトリックス中にＳｉＣ粒子
が分散した窒化ケイ素−炭化ケイ素焼結体が得られてい
る。このような異種物質の粒子を分散させた複合体は、
ミクロ複合材料とナノ複合材料に大別され、ＳｉＣ分散
Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4分散Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ分散ＭｇＯ、
ＳｉＣ分散Ｓｉ3Ｎ4などの多数の研究例が報告されてい
る。例えば、「粉体及び粉末冶金」第３７巻第２号、３
４８〜３５１頁には、セラミックス複合体の微細構造を
分類し、分散粒子が微細構造及び焼結体の機械的特性に
及ぼす影響が、詳細に解説されている。しかしながら、
セラミックス複合体に対する多大の期待に反して、実際
には、異種物質の粒子を分散させた効果は、単に組織の
微細化、異常粒成長の抑制及び粒径の制御に留まってお
り、微細粒子をマトリックス粒子の内部に分散させたこ
とによる本質的な機械的特性の向上は、ほとんど見出さ
れていない。このため、強度、靱性等の特性も、未だ目
標レベルにまでは到達していないのが現状である。
【０００５】
【問題点を解決するための手段】本発明者等は、上記の
問題に対して詳細な検討を行った。その結果、多結晶体
の構成粒子内部に分散した異種物質の微細粒子が、特定
の粒径を有し、その結晶面が、マトリックスの結晶格子
と特定の整合関係にある場合にのみ、強度、靱性等の機
械的特性に優れた、真に複合化の効果を発現しうる焼結
材料が得られることを知見した。
問題に対して詳細な検討を行った。その結果、多結晶体
の構成粒子内部に分散した異種物質の微細粒子が、特定
の粒径を有し、その結晶面が、マトリックスの結晶格子
と特定の整合関係にある場合にのみ、強度、靱性等の機
械的特性に優れた、真に複合化の効果を発現しうる焼結
材料が得られることを知見した。
【０００６】すなわち、本発明は、多結晶体の構成粒子
内部及び粒界に異種物質を分散させた複合体において、
粒子内部には粒径６０ｎｍ未満の異種物質のナノ粒子と
粒径６０〜５００ｎｍの異種物質のメゾ粒子が分散し、
粒界には粒径５００ｎｍ未満の異種物質のメゾ粒子と粒
径５００ｎｍ以上の異種物質のミクロ粒子が分散してお
り、かつ粒子内部に分散したナノ粒子が、その物質に固
有の格子面間隔を示さずに、マトリックスの格子面間隔
の０．８〜１．２倍の格子面間隔を有して、マトリック
スの格子面と平行につながっていることを特徴とするセ
ラミックス系ナノ複合結晶体に関する。
内部及び粒界に異種物質を分散させた複合体において、
粒子内部には粒径６０ｎｍ未満の異種物質のナノ粒子と
粒径６０〜５００ｎｍの異種物質のメゾ粒子が分散し、
粒界には粒径５００ｎｍ未満の異種物質のメゾ粒子と粒
径５００ｎｍ以上の異種物質のミクロ粒子が分散してお
り、かつ粒子内部に分散したナノ粒子が、その物質に固
有の格子面間隔を示さずに、マトリックスの格子面間隔
の０．８〜１．２倍の格子面間隔を有して、マトリック
スの格子面と平行につながっていることを特徴とするセ
ラミックス系ナノ複合結晶体に関する。
【０００７】本発明によれば、室温における曲げ強度が
２ＧＰａ以上の優れた強度を有するセラミックス複合体
や１４００℃における曲げ強度が１ＧＰａ以上の優れた
高温強度を有するセラミックス複合体を得ることができ
る。
２ＧＰａ以上の優れた強度を有するセラミックス複合体
や１４００℃における曲げ強度が１ＧＰａ以上の優れた
高温強度を有するセラミックス複合体を得ることができ
る。
【０００８】本発明のセラミックス系ナノ複合体におけ
るマトリックスとしては、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ、Ｂ4Ｃ、Ｚ
ｒＯ2、及び／又は前記物質と焼結助剤との固溶体が挙
げられる。また、分散粒子としては、ＳｉＣ、Ｓｉ
3Ｎ4、Ｂ4Ｃ、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、及び／又は前記物質
と焼結助剤との固溶体、あるいは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、
Ｖ、Ｎｂ及びＴａから選ばれる少なくとも一種の遷移金
属の炭化物及び／又は該遷移金属の炭化物系固溶体、又
はＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａから選ばれる少
なくとも一種の遷移金属の窒化物及び／又は該遷移金属
の窒化物系固溶体が挙げられ、前記マトリックスとは異
なる分散粒子を組み合わせることができる。例えば、Ｓ
ｉＣ分散Ｓｉ3Ｎ4、Ｓｉ3Ｎ4分散ＢＮ、ＳｉＣ分散Ｂ4
Ｃ、Ｂ4Ｃ分散ＢＮ、ＡｌＮ分散ＢＮ、Ａｌ2Ｏ3分散Ｚ
ｒＯ2、ＴｉＣ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＣ分散Ｓｉ3Ｎ4、Ｈ
ｆＣ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＶＣ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＮｂＣ分散Ｓｉ
3Ｎ4、ＴａＣ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＮ分散Ｓｉ3Ｎ4、Ｚｒ
Ｎ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＨｆＮ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＶＮ分散Ｓｉ3
Ｎ4、ＮｂＮ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＴａＮ分散Ｓｉ3Ｎ4などの
各種複合体が挙げられる。この中でも、特に複合化の効
果の著しいのは、ＳｉＣ分散Ｓｉ3Ｎ4であり、以下、こ
の材料を例に取り、説明する。
るマトリックスとしては、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ、Ｂ4Ｃ、Ｚ
ｒＯ2、及び／又は前記物質と焼結助剤との固溶体が挙
げられる。また、分散粒子としては、ＳｉＣ、Ｓｉ
3Ｎ4、Ｂ4Ｃ、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、及び／又は前記物質
と焼結助剤との固溶体、あるいは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、
Ｖ、Ｎｂ及びＴａから選ばれる少なくとも一種の遷移金
属の炭化物及び／又は該遷移金属の炭化物系固溶体、又
はＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａから選ばれる少
なくとも一種の遷移金属の窒化物及び／又は該遷移金属
の窒化物系固溶体が挙げられ、前記マトリックスとは異
なる分散粒子を組み合わせることができる。例えば、Ｓ
ｉＣ分散Ｓｉ3Ｎ4、Ｓｉ3Ｎ4分散ＢＮ、ＳｉＣ分散Ｂ4
Ｃ、Ｂ4Ｃ分散ＢＮ、ＡｌＮ分散ＢＮ、Ａｌ2Ｏ3分散Ｚ
ｒＯ2、ＴｉＣ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＣ分散Ｓｉ3Ｎ4、Ｈ
ｆＣ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＶＣ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＮｂＣ分散Ｓｉ
3Ｎ4、ＴａＣ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＮ分散Ｓｉ3Ｎ4、Ｚｒ
Ｎ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＨｆＮ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＶＮ分散Ｓｉ3
Ｎ4、ＮｂＮ分散Ｓｉ3Ｎ4、ＴａＮ分散Ｓｉ3Ｎ4などの
各種複合体が挙げられる。この中でも、特に複合化の効
果の著しいのは、ＳｉＣ分散Ｓｉ3Ｎ4であり、以下、こ
の材料を例に取り、説明する。
【０００９】本発明のＳｉ3Ｎ4−ＳｉＣ系複合焼結体が
従来の複合焼結体には認められなかった特異な物性を示
すのは、その微細構造の特異性にある。すなわち、本発
明のＳｉ3Ｎ4−ＳｉＣ系複合焼結体においては、焼結後
の冷却速度及び／又は焼鈍条件を制御することにより、
マトリックスであるＳｉ3Ｎ4粒子（平均粒径（短径）
０．３〜１．０μｍ）内部に粒径６０ｎｍ未満のナノＳ
ｉＣ粒子と粒径６０〜５００ｎｍのメゾＳｉＣ粒子が存
在し、しかも、ナノＳｉＣ粒子は、ＳｉＣ固有の格子面
間隔を示さずに、Ｓｉ3Ｎ4の格子面間隔に近い格子面間
隔を有して、マトリックスの格子面と平行につながって
いる。これらの粒内分散ＳｉＣは、粒界に存在するＳｉ
Ｃ粒子と共同して、Ｓｉ3Ｎ4−ＳｉＣ系複合焼結体の強
度、靱性の向上に貢献している。
従来の複合焼結体には認められなかった特異な物性を示
すのは、その微細構造の特異性にある。すなわち、本発
明のＳｉ3Ｎ4−ＳｉＣ系複合焼結体においては、焼結後
の冷却速度及び／又は焼鈍条件を制御することにより、
マトリックスであるＳｉ3Ｎ4粒子（平均粒径（短径）
０．３〜１．０μｍ）内部に粒径６０ｎｍ未満のナノＳ
ｉＣ粒子と粒径６０〜５００ｎｍのメゾＳｉＣ粒子が存
在し、しかも、ナノＳｉＣ粒子は、ＳｉＣ固有の格子面
間隔を示さずに、Ｓｉ3Ｎ4の格子面間隔に近い格子面間
隔を有して、マトリックスの格子面と平行につながって
いる。これらの粒内分散ＳｉＣは、粒界に存在するＳｉ
Ｃ粒子と共同して、Ｓｉ3Ｎ4−ＳｉＣ系複合焼結体の強
度、靱性の向上に貢献している。
【００１０】これに対し、従来から知られているＳｉ3
Ｎ4−ＳｉＣ系複合焼結体には、粒内、粒界共にＳｉＣ
固有の格子面間隔を有するＳｉＣ粒子のみが存在し、Ｓ
ｉ3Ｎ4の格子面間隔に近い格子面間隔を有して、マトリ
ックスの格子面と平行につながっている粒径６０ｎｍ未
満のナノＳｉＣ粒子は認められていない。このナノＳｉ
Ｃ粒子は、焼結温度で固溶限界までマトリックス中に溶
解したＳｉＣが、焼結後の冷却過程及び／又は焼鈍過程
で、過飽和となって相分離を起こし、折出したものと考
えられる。このような特異な折出現象は、特定の焼結条
件でのみ起こりうるものである。このナノＳｉＣ粒子の
存在により、マトリックスであるＳｉ3Ｎ4粒子内部に局
所応力場が発生してサブグレインバウンダリーが生成す
ると共に、転位の移動がピン止めされ、室温強度及び高
温強度の改善をもたらすものと思われる。
Ｎ4−ＳｉＣ系複合焼結体には、粒内、粒界共にＳｉＣ
固有の格子面間隔を有するＳｉＣ粒子のみが存在し、Ｓ
ｉ3Ｎ4の格子面間隔に近い格子面間隔を有して、マトリ
ックスの格子面と平行につながっている粒径６０ｎｍ未
満のナノＳｉＣ粒子は認められていない。このナノＳｉ
Ｃ粒子は、焼結温度で固溶限界までマトリックス中に溶
解したＳｉＣが、焼結後の冷却過程及び／又は焼鈍過程
で、過飽和となって相分離を起こし、折出したものと考
えられる。このような特異な折出現象は、特定の焼結条
件でのみ起こりうるものである。このナノＳｉＣ粒子の
存在により、マトリックスであるＳｉ3Ｎ4粒子内部に局
所応力場が発生してサブグレインバウンダリーが生成す
ると共に、転位の移動がピン止めされ、室温強度及び高
温強度の改善をもたらすものと思われる。
【００１１】本発明のＳｉ3Ｎ4−ＳｉＣ系複合焼結体の
製造においては、Ｓｉ3Ｎ4粉末６０〜９５重量部、Ｓｉ
Ｃ粉末５〜４０重量部の混合粉末に、焼結助剤としてII
A族、IIIA族、IIIB族及びランタノイド系列の元素から
選ばれる少なくとも一種の元素の酸化物を、混合粉末に
対して１〜１５重量％添加し、非酸化性雰囲気中１７０
０〜１９００℃の温度で焼結もしくはホットプレスす
る。そして、焼結後の１４００℃までの冷却速度を１５
℃／分、好ましくは１０℃／分以下に制御するか、冷却
後の焼結体を再度１４００〜１６５０℃、好ましくは１
４５０〜１６００℃の範囲の温度で焼鈍することにより
得られる。
製造においては、Ｓｉ3Ｎ4粉末６０〜９５重量部、Ｓｉ
Ｃ粉末５〜４０重量部の混合粉末に、焼結助剤としてII
A族、IIIA族、IIIB族及びランタノイド系列の元素から
選ばれる少なくとも一種の元素の酸化物を、混合粉末に
対して１〜１５重量％添加し、非酸化性雰囲気中１７０
０〜１９００℃の温度で焼結もしくはホットプレスす
る。そして、焼結後の１４００℃までの冷却速度を１５
℃／分、好ましくは１０℃／分以下に制御するか、冷却
後の焼結体を再度１４００〜１６５０℃、好ましくは１
４５０〜１６００℃の範囲の温度で焼鈍することにより
得られる。
【００１２】ＳｉＣ粉末の添加量を上記の範囲に限定し
たのは、ＳｉＣ粉末が５重量部よりも少ないと、ＳｉＣ
粒子の分散による機械的特性の改善効果が小さく、高温
強度の優れた焼結体が得られず、４０重量部を越えると
焼結性が低下し、気孔率が上がって、強度特性が劣化す
るためである。特性の面からはＳｉＣ粉末の配合量は１
０〜３０重量部であることが望ましい。焼結助剤の添加
量は１〜１５重量％、好ましくは３〜１２重量％であ
る。添加量が１重量％よりも少ないと焼結性が低下し、
緻密な焼結体が得られず、１５重量％よりも多いと、構
成粒子の異常粒成長や粒界相の高温下での軟化を生じ易
くなるため好ましくない。また、Ｓｉ3Ｎ4粉末の一次粒
子径の平均値は０．４μｍ以下であることが望ましい。
粒子径が０．４μｍよりも大きくなると、焼結性が低下
して、気孔が残存し、強度が低下する。ＳｉＣ粉末の一
次粒子径の平均値は０．１μｍ以下であることが望まし
い。粒子径が０．１μｍよりも大きくなると、Ｓｉ3Ｎ4
粒子内部に分散する粒径６０ｎｍ未満のナノＳｉＣ粒子
及び粒径６０〜５００ｎｍのメゾＳｉＣ粒子の割合が著
しく減少し、これらの分散粒子による機械的特性の改善
効果が見られなくなる。
たのは、ＳｉＣ粉末が５重量部よりも少ないと、ＳｉＣ
粒子の分散による機械的特性の改善効果が小さく、高温
強度の優れた焼結体が得られず、４０重量部を越えると
焼結性が低下し、気孔率が上がって、強度特性が劣化す
るためである。特性の面からはＳｉＣ粉末の配合量は１
０〜３０重量部であることが望ましい。焼結助剤の添加
量は１〜１５重量％、好ましくは３〜１２重量％であ
る。添加量が１重量％よりも少ないと焼結性が低下し、
緻密な焼結体が得られず、１５重量％よりも多いと、構
成粒子の異常粒成長や粒界相の高温下での軟化を生じ易
くなるため好ましくない。また、Ｓｉ3Ｎ4粉末の一次粒
子径の平均値は０．４μｍ以下であることが望ましい。
粒子径が０．４μｍよりも大きくなると、焼結性が低下
して、気孔が残存し、強度が低下する。ＳｉＣ粉末の一
次粒子径の平均値は０．１μｍ以下であることが望まし
い。粒子径が０．１μｍよりも大きくなると、Ｓｉ3Ｎ4
粒子内部に分散する粒径６０ｎｍ未満のナノＳｉＣ粒子
及び粒径６０〜５００ｎｍのメゾＳｉＣ粒子の割合が著
しく減少し、これらの分散粒子による機械的特性の改善
効果が見られなくなる。
【００１３】さらに、分散粒子として添加するＳｉＣ粉
末に変えて、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａから
選ばれる少なくとも一種の遷移金属の炭化物粉末を添加
することにより、これらの粒子で分散強化されたＳｉ3
Ｎ4−炭化物系複合焼結体を製造することができる。ま
た、焼結時にＡｌ2Ｏ3、ＡｌＮ等を配合することによ
り、Ｓｉ3Ｎ4マトリックスに変えて、ＳｉＡｌＯＮマト
リックスとすることもできる。
末に変えて、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａから
選ばれる少なくとも一種の遷移金属の炭化物粉末を添加
することにより、これらの粒子で分散強化されたＳｉ3
Ｎ4−炭化物系複合焼結体を製造することができる。ま
た、焼結時にＡｌ2Ｏ3、ＡｌＮ等を配合することによ
り、Ｓｉ3Ｎ4マトリックスに変えて、ＳｉＡｌＯＮマト
リックスとすることもできる。
【００１４】本発明の複合焼結体は、原料粉末をエタノ
ール等の溶媒を用いて湿式ボールミル混合した後、乾
燥、造粒して調製粉末を得、これを非酸化性雰囲気中１
７００〜１９００℃の温度で焼結もしくはホットプレス
した後、焼結後の１４００℃までの冷却速度を１５℃／
分、好ましくは１０℃／分以下に制御するか、冷却後の
焼結体を再度１４００〜１６５０℃、好ましくは１４５
０〜１６００℃の範囲の温度で焼鈍することにより製造
される。焼結温度が１７００℃よりも低いと液相の生成
（針状粒子の発達）が不十分となり、緻密体が得られな
い。また、１９００℃よりも高くなると構成粒子の分解
あるいは異常粒成長が生じるために好ましくない。ホッ
トプレス焼結する場合には、調製粉末をモールドに入
れ、通常、面圧１００〜５００ｋｇｆ／ｃｍ2 、保持時
間１〜５時間、好ましくは２〜４時間の焼結条件で行
う。面圧が１００ｋｇｆ／ｃｍ2 よりも低いと緻密化が
十分でなく、５００ｋｇｆ／ｃｍ2 よりも高くなると試
料あるいはホットプレスのモールドに損傷を与える恐れ
がある。また、保持時間が１時間より短いと針状粒子の
発達が不十分であるため、所望の特性が得られず、５時
間を超えると異常粒成長を招く恐れがあり、好ましくな
い。常圧焼結する場合には、調製粉末を所望の形状に成
形した後、保持時間１〜５時間、好ましくは２〜４時間
の焼結条件で行う。保持時間が１時間より短いと針状粒
子の発達が不十分であるため、所望の特性が得られず、
５時間を超えると異常粒成長を招く恐れがあり、好まし
くない。常圧焼結後、さらに緻密化を促進させるため
に、窒素加圧下に１７００〜１９００℃の温度で保持時
間１〜５時間でＨＩＰ処理を行うこともできる。窒素圧
については特に制限はないが、通常１００ｋｇ／ｃｍ2
以上の圧力で行う。１００ｋｇ／ｃｍ2 よりも低いと十
分な緻密化が行えず、ＨＩＰの効果は小さい。また、処
理温度が１７００℃よりも低いか、あるいは保持時間が
１時間より短いと十分な緻密化が行えず、処理温度が１
９００℃よりも高いか、あるいは保持時間が５時間を超
えると異常粒成長を招く恐れがあり、好ましくない。Ｈ
ＩＰ処理を行った場合には、その後に、冷却速度の制
御、または冷却後の焼結体の焼鈍を行う。
ール等の溶媒を用いて湿式ボールミル混合した後、乾
燥、造粒して調製粉末を得、これを非酸化性雰囲気中１
７００〜１９００℃の温度で焼結もしくはホットプレス
した後、焼結後の１４００℃までの冷却速度を１５℃／
分、好ましくは１０℃／分以下に制御するか、冷却後の
焼結体を再度１４００〜１６５０℃、好ましくは１４５
０〜１６００℃の範囲の温度で焼鈍することにより製造
される。焼結温度が１７００℃よりも低いと液相の生成
（針状粒子の発達）が不十分となり、緻密体が得られな
い。また、１９００℃よりも高くなると構成粒子の分解
あるいは異常粒成長が生じるために好ましくない。ホッ
トプレス焼結する場合には、調製粉末をモールドに入
れ、通常、面圧１００〜５００ｋｇｆ／ｃｍ2 、保持時
間１〜５時間、好ましくは２〜４時間の焼結条件で行
う。面圧が１００ｋｇｆ／ｃｍ2 よりも低いと緻密化が
十分でなく、５００ｋｇｆ／ｃｍ2 よりも高くなると試
料あるいはホットプレスのモールドに損傷を与える恐れ
がある。また、保持時間が１時間より短いと針状粒子の
発達が不十分であるため、所望の特性が得られず、５時
間を超えると異常粒成長を招く恐れがあり、好ましくな
い。常圧焼結する場合には、調製粉末を所望の形状に成
形した後、保持時間１〜５時間、好ましくは２〜４時間
の焼結条件で行う。保持時間が１時間より短いと針状粒
子の発達が不十分であるため、所望の特性が得られず、
５時間を超えると異常粒成長を招く恐れがあり、好まし
くない。常圧焼結後、さらに緻密化を促進させるため
に、窒素加圧下に１７００〜１９００℃の温度で保持時
間１〜５時間でＨＩＰ処理を行うこともできる。窒素圧
については特に制限はないが、通常１００ｋｇ／ｃｍ2
以上の圧力で行う。１００ｋｇ／ｃｍ2 よりも低いと十
分な緻密化が行えず、ＨＩＰの効果は小さい。また、処
理温度が１７００℃よりも低いか、あるいは保持時間が
１時間より短いと十分な緻密化が行えず、処理温度が１
９００℃よりも高いか、あるいは保持時間が５時間を超
えると異常粒成長を招く恐れがあり、好ましくない。Ｈ
ＩＰ処理を行った場合には、その後に、冷却速度の制
御、または冷却後の焼結体の焼鈍を行う。
【００１５】
【実施例】以下に実施例及び比較例を示し、本発明をさ
らに具体的に説明する。 実施例１〜５及び比較例１〜４ 窒化ケイ素原料粉末（平均粒径０．２μｍ、α結晶化率
９８％、全酸素量１．３重量％、表面酸素量０．５重量
％、比表面積１１ｍ2／ｇ）７３重量％、β型炭化ケイ
素粉末（遊離炭素量０．６重量％、全酸素量０．５重量
％）２０重量％および希土類酸化物粉末７重量％をエタ
ノールにて湿式ボールミル混合後、乾燥、造粒した。こ
の粉末をＮ2ガス１気圧中で表１に記載の焼結温度で、
面圧３００ｋｇｆ／ｃｍ2にて２時間ホットプレス焼結
した。必要に応じ、表１に記載の条件でアニール処理を
行った。
らに具体的に説明する。 実施例１〜５及び比較例１〜４ 窒化ケイ素原料粉末（平均粒径０．２μｍ、α結晶化率
９８％、全酸素量１．３重量％、表面酸素量０．５重量
％、比表面積１１ｍ2／ｇ）７３重量％、β型炭化ケイ
素粉末（遊離炭素量０．６重量％、全酸素量０．５重量
％）２０重量％および希土類酸化物粉末７重量％をエタ
ノールにて湿式ボールミル混合後、乾燥、造粒した。こ
の粉末をＮ2ガス１気圧中で表１に記載の焼結温度で、
面圧３００ｋｇｆ／ｃｍ2にて２時間ホットプレス焼結
した。必要に応じ、表１に記載の条件でアニール処理を
行った。
【００１６】得られた焼結体の微細組織を透過型電子顕
微鏡により観察し、ナノ粒子、メゾ粒子、ミクロ粒子の
有無を調べた結果を表２に示す。また、図１及び図２に
実施例１で得られた複合焼結体の透過型電子顕微鏡写真
を示す。図１には、マトリックスであるＳｉ3Ｎ4粒子内
部に分散した粒径６０ｎｍ未満のナノＳｉＣ粒子が見ら
れ、マトリックスのＳｉ3Ｎ4の格子面間隔にほぼ等しい
格子面間隔を有し、Ｓｉ3Ｎ4の格子面と平行につながっ
ていることがわかる。また、図２には、マトリックスで
あるＳｉ3Ｎ4粒子内部に分散した粒径６０ｎｍ以上のメ
ゾＳｉＣ粒子が見られ、このメゾＳｉＣ粒子は、ＳｉＣ
固有の格子面間隔を有し、マトリックスのＳｉ3Ｎ4の格
子面とは整合していないことがわかる。また、実施例２
〜５で得られた複合焼結体でも、実施例１と同様のナノ
ＳｉＣ粒子及びメゾＳｉＣ粒子が観察された。一方、比
較例１〜４で得られた複合焼結体では、図２と同様のメ
ゾＳｉＣ粒子は観察されたが、図１のようなナノＳｉＣ
粒子は認められなかった。
微鏡により観察し、ナノ粒子、メゾ粒子、ミクロ粒子の
有無を調べた結果を表２に示す。また、図１及び図２に
実施例１で得られた複合焼結体の透過型電子顕微鏡写真
を示す。図１には、マトリックスであるＳｉ3Ｎ4粒子内
部に分散した粒径６０ｎｍ未満のナノＳｉＣ粒子が見ら
れ、マトリックスのＳｉ3Ｎ4の格子面間隔にほぼ等しい
格子面間隔を有し、Ｓｉ3Ｎ4の格子面と平行につながっ
ていることがわかる。また、図２には、マトリックスで
あるＳｉ3Ｎ4粒子内部に分散した粒径６０ｎｍ以上のメ
ゾＳｉＣ粒子が見られ、このメゾＳｉＣ粒子は、ＳｉＣ
固有の格子面間隔を有し、マトリックスのＳｉ3Ｎ4の格
子面とは整合していないことがわかる。また、実施例２
〜５で得られた複合焼結体でも、実施例１と同様のナノ
ＳｉＣ粒子及びメゾＳｉＣ粒子が観察された。一方、比
較例１〜４で得られた複合焼結体では、図２と同様のメ
ゾＳｉＣ粒子は観察されたが、図１のようなナノＳｉＣ
粒子は認められなかった。
【００１７】また、得られた焼結体よりＪＩＳＲ１６０
１に準拠した３×４×３６ｍｍ相当の抗折試験片を切り
出し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠して外スパン３０ｍｍ、
内スパン１０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／
ｍｉｎの条件で３点曲げ強度測定を１０本ずつ実施し
た。高温での曲げ強度試験は試験片をＮ2雰囲気中、所
定温度で１０分間保持した後、３本以上の試験片につい
て室温曲げ試験と同様の強度測定を行った。また、抗折
試験片を空気中１４００℃で５０時間加熱して酸化さ
せ、酸化後の３点曲げ強度を測定した（試験片５本ずつ
実施）。結果を表２に示す。
１に準拠した３×４×３６ｍｍ相当の抗折試験片を切り
出し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠して外スパン３０ｍｍ、
内スパン１０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／
ｍｉｎの条件で３点曲げ強度測定を１０本ずつ実施し
た。高温での曲げ強度試験は試験片をＮ2雰囲気中、所
定温度で１０分間保持した後、３本以上の試験片につい
て室温曲げ試験と同様の強度測定を行った。また、抗折
試験片を空気中１４００℃で５０時間加熱して酸化さ
せ、酸化後の３点曲げ強度を測定した（試験片５本ずつ
実施）。結果を表２に示す。
【００１８】実施例６ β型炭化ケイ素粉末として、実施例１で用いた平均粒径
０．０３μｍのもの１０重量％と、平均粒径０．３μｍ
のもの（比表面積７ｍ2／ｇ、遊離炭素量０．８重量
％、全酸素量０．５重量％）１０重量％とを添加した以
外は実施例１と同様にして、焼結体を製造した。結果を
表２に示す。
０．０３μｍのもの１０重量％と、平均粒径０．３μｍ
のもの（比表面積７ｍ2／ｇ、遊離炭素量０．８重量
％、全酸素量０．５重量％）１０重量％とを添加した以
外は実施例１と同様にして、焼結体を製造した。結果を
表２に示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】実施例７〜９及び比較例５〜７ 原料の窒化珪素粉末としてα結晶化率９７．５％、全酸
素量１．５重量％、表面酸素量０．６重量％、比表面積
１２ｍ2／ｇのものを使用した。この窒化珪素粉末７３
重量％と表３に記載の金属炭化物粉末２０重量％および
Ｙ2Ｏ3粉末７重量％をエタノールにて湿式ボールミル混
合後、乾燥、造粒した。この粉末をＮ2ガス１気圧中で
１７８０℃、面圧２５０ｋｇｆ／ｃｍ2にて２時間ホッ
トプレス焼結した。得られた焼結体の物性を表４に示
す。
素量１．５重量％、表面酸素量０．６重量％、比表面積
１２ｍ2／ｇのものを使用した。この窒化珪素粉末７３
重量％と表３に記載の金属炭化物粉末２０重量％および
Ｙ2Ｏ3粉末７重量％をエタノールにて湿式ボールミル混
合後、乾燥、造粒した。この粉末をＮ2ガス１気圧中で
１７８０℃、面圧２５０ｋｇｆ／ｃｍ2にて２時間ホッ
トプレス焼結した。得られた焼結体の物性を表４に示
す。
【００２２】
【表３】
【００２３】
【表４】
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、多結晶体を構成する粒
子内部及び粒界に分散した異種物質の粒径と結晶状態を
高度に制御することによって、強度、靱性等の機械的特
性に優れたセラミックス系ナノ複合結晶体を得ることが
できる。
子内部及び粒界に分散した異種物質の粒径と結晶状態を
高度に制御することによって、強度、靱性等の機械的特
性に優れたセラミックス系ナノ複合結晶体を得ることが
できる。
【図１】 図１は、本発明の実施例１で得られた複合焼
結体のセラミックス材料の組織を示す図面に代える透過
型電子顕微鏡写真である。
結体のセラミックス材料の組織を示す図面に代える透過
型電子顕微鏡写真である。
【図２】 図２は、本発明の実施例１で得られた複合焼
結体のセラミックス材料の組織を示す図面に代える透過
型電子顕微鏡写真である。
結体のセラミックス材料の組織を示す図面に代える透過
型電子顕微鏡写真である。
【図３】 図３は、図１の透過型電子顕微鏡写真に示さ
れたＳｉ3Ｎ4粒子内部に分散した粒径６０ｎｍ未満の微
細粒子がＳｉＣであることを証明する同部分のＥＥＬＳ
スペクトルを示す図である。
れたＳｉ3Ｎ4粒子内部に分散した粒径６０ｎｍ未満の微
細粒子がＳｉＣであることを証明する同部分のＥＥＬＳ
スペクトルを示す図である。
Claims (5)
- 【請求項１】 多結晶体の構成粒子内部及び粒界に異種
物質を分散させた複合体において、粒子内部には粒径６
０ｎｍ未満の異種物質のナノ粒子と粒径６０〜５００ｎ
ｍの異種物質のメゾ粒子が分散し、粒界には粒径５００
ｎｍ未満の異種物質のメゾ粒子と粒径５００ｎｍ以上の
異種物質のミクロ粒子が分散しており、かつ粒子内部に
分散したナノ粒子が、その物質に固有の格子面間隔を示
さずに、マトリックスの格子面間隔の０．８〜１．２倍
の格子面間隔を有して、マトリックスの格子面と平行に
つながっていることを特徴とするセラミックス系ナノ複
合結晶体。 - 【請求項２】 マトリックス粒子が窒化ケイ素及び／又
は窒化ケイ素系固溶体、分散した異種粒子が炭化ケイ素
及び／又は炭化ケイ素系固溶体である請求項１記載のセ
ラミックス系ナノ複合結晶体。 - 【請求項３】 α又はβ型窒化ケイ素の結晶の格子面間
隔の０．８〜１．２倍の格子面間隔を有し、炭化ケイ素
の格子面間隔を示さない炭化ケイ素及び／又は炭化ケイ
素系固溶体の結晶。 - 【請求項４】 マトリックス粒子が窒化ケイ素及び／又
は窒化ケイ素系固溶体、分散した異種粒子がＴｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａから選ばれる少なくとも一
種の遷移金属の炭化物及び／又は該遷移金属の炭化物系
固溶体である請求項１記載のセラミックス系ナノ複合結
晶体。 - 【請求項５】 粒界相が、IIA族、IIIA族、IIIB族及び
ランタノイド系列の元素から選ばれる少なくとも一種の
元素とケイ素の複合酸化物及び／又は複合酸窒化物のア
モルファス相及び／又は結晶相である請求項２又は請求
項４記載のセラミックス系ナノ複合結晶体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7276150A JPH09100167A (ja) | 1995-10-02 | 1995-10-02 | セラミックス系ナノ複合結晶体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7276150A JPH09100167A (ja) | 1995-10-02 | 1995-10-02 | セラミックス系ナノ複合結晶体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09100167A true JPH09100167A (ja) | 1997-04-15 |
Family
ID=17565463
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7276150A Pending JPH09100167A (ja) | 1995-10-02 | 1995-10-02 | セラミックス系ナノ複合結晶体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09100167A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010517208A (ja) * | 2006-10-31 | 2010-05-20 | コーニング インコーポレイテッド | マイクロ加工された電解質シート、これを利用する燃料電池デバイス、および燃料電池デバイスを作製するマイクロ加工方法 |
-
1995
- 1995-10-02 JP JP7276150A patent/JPH09100167A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010517208A (ja) * | 2006-10-31 | 2010-05-20 | コーニング インコーポレイテッド | マイクロ加工された電解質シート、これを利用する燃料電池デバイス、および燃料電池デバイスを作製するマイクロ加工方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040525 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20041005 |