JPH09507465A - 多孔質構造体の窒化硼素による緻密化法及び窒化硼素により緻密化された多孔質構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多孔質構造体を窒化硼素を用いて緻密にする方法、及び窒化硼素で緻密にされた多孔質構造体が開示されている。その方法は非常に短時間で緻密化部品を製造することからなり、高密度で亀裂のない部品の製造を可能にする。その方法によれば、多孔質構造体を、式ＲＢＮＨ（式中、Ｒはハロゲン又は水素である）のボラゼンの中から選択された前駆物質中に入れ、少なくとも１．２×１０⁵Ｐａの圧力で全体を誘導加熱し、前記前駆物質の分解を行い、それによって窒化硼素を形成し、それを前記多孔質構造体の気孔内に付着させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 多孔質構造体の窒化硼素による緻密化法及び 窒化硼素により緻密化された多孔質構造体 本発明は、多孔質構造体を窒化硼素により緻密にする方法、例えば、二方向性 、多方向性フェルト又は織物、又は多孔質セラミックを緻密にすることを可能に する方法に関する。緻密化は多孔質マトリックスの間隙を満たし、その密度を増 大させることからなる。 本発明は、窒化硼素により緻密にされた多孔質構造体にも関する。 窒化硼素は、次の特に興味のある性質を有する。 − 軽い、 − 優れた化学的に不活性な性質、即ち酸及び溶融物に対する抵抗性をもち、 炭素又は二酸化炭素に対し１８００℃まで化学反応を示さない、 − 良好な熱安定性（不活性雰囲気中では２２００℃まで、窒素中では２４０ ０℃まで）、 − アブレーション(ablation)中の良好な挙動、 − 良好な熱伝導体 − 大きな電気抵抗性、及び − 良好な機械的性質。 これらの特別な性質の結果として、窒化硼素は、高温で使用される真空炉の建 造、鋳物の分野、鋼の連続鋳造を行うための非常に純粋な金属又は合金の変態の ための方法で従来用いられている。それはまた、炭素繊維の被覆に、それらを酸 化から保護するため使用され、或は繊維とセラミック複合体マトリックスとの間 の適応界面として働く。 窒化硼素は、航空又は宇宙船の分野で他の非常に重要な用途、例えば、アンテ ナ窓、飛行機ブレーキ、誘電体の性質を持つ熱遮蔽体又は帰還宇宙船（大気圏へ の再突入）の製造で使用でき、その大きな可能性を有する。例えば、窒化硼素は 炭素・炭素マトリックスよりも遥かに酸化しにくく、非常に良好な電気絶縁体を 構成する。しかし、後者の用途に対し、セラミック型の窒化硼素は、熱的又は機 械的衝撃に対し過度に脆いため不適切である。この問題を未然に防ぐため、既に 炭素、炭化物、硼化物、窒化物、又は酸化物型の殆どの非金属性化合物の場合の ように、織物繊維で補強されたマトリックスを配合した複合体の形の材料を用い る必要がある。 窒化硼素マトリックスを有する複合材料を製造するために、従来法で幾つかの 手順が研究されている。 例えば、気相法又は気相化学的浸潤を用いた第一の方法が知られている。この 方法は、炭素及び炭化珪素のために工業的に開発されたものであり、プレホーム として知られている多孔質網状組織内でガス状物質を加熱することにより化学的 に反応させることからなる。この方法は多くの欠点を有する。それは緻密化すべ き部品の周囲に位置する気孔が速く塞がるのを避ける必要があるため、高温で均 質な緻密化を得ることが困難である。更に、この方法は極めて遅く、大きな部品 では数カ月の製造期間を必要とする。 蒸着法の中で、Ｊ．Ｊ．ゲブハルト(GEBHARDT)による論文、「第４回ＣＶＤ会 議予稿集」(Proceedings of the 4th CVD Conference)，1973，pp 460-472には 、シリカ及び窒化硼素の繊維状構造体を、窒化硼素前駆物質の気相熱分解により 緻密化する方法が記載されている。この前駆物質は、例えば、トリクロロボラゼ ン（ＢＣｌＮＨ）₃である。この文献によれば、多孔質プレホームを囲いの中に 入れ、その中にトリクロロボラゼンをガス状態で約１１００℃の温度で４×１０² Ｐａの圧力で導入する。その論文は、一層高い圧力及び温度で窒化硼素を浸潤 させようとすると、プレホームの外側気孔の密閉をもたらし、前駆物質及び窒化 硼素がその多孔質構造体中へ侵入するのを妨げることも述べている。 フーガスＨ．ピァーソン(Hugues H．PIERSON)による論文「化学蒸着による窒 化硼素複合体」(Boron Nitride Composites by Chemical Vapor Deposition)，J ．Composite Materials，vol．9，July(1975)，pp．228-240には、窒化硼素繊維 を基にした基体上に窒化硼素を化学蒸着することにより形成した複合体材料が記 載されている。用いる反応性ガスは、三フッ化硼素（ＢＦ₃）及びアンモニア（ ＮＨ₃）である。この文献によれば、窒化硼素フェルトにより形成されたプレホ ームを、ＣＶＤ囲いの中の黒鉛サセプター(susceptor)の中心に入れる。囲いの 壁に誘導加熱コイルを配置し、その囲いに上記二種類のガスを供給する。反応温 度は１１００〜１２００℃であり、囲い内部に維持された圧力は４０〜５３×１ ０²Ｐａの範囲にある。このようにしてプレホームを緻密化する。 しかし、上記二つの方法によって得られる材料は欠陥をもち、特に密度が低く 、完全には熱分解されていない化合物を含有する欠点を有する。更に、それら複 合材料は亀裂を有する。 第二の緻密化方法は、固相反応を行うことからなる。これは、ルイーＹ．リン (Ruey Y．LIN)、ジェームズ・エコノミー(James ECONOMY)及びＨ．ディーンバサ (H．DEAN BATHA)による論文、「ＢＮ／ＢＮ複合体の製造」(Preparation of BN/ BN Composites)，Ceramic Bulletin．vol．55，No．9(1976)に記載されている。 この論文に記載されている方法は、窒化硼素繊維と、窒化硼素及び繊維状酸化硼 素Ｂ₂Ｏ₃の混合物により構成された部分的に窒化された前駆物質とを混合し、次 に高温アイソスタティックプレス又は圧縮することからなる。 最後に、フランス特許出願第２，６８４，３６６号明細書には、式Ｎ₂Ｓｉ_n（ ＣＨ₃）_3nＨ_4-n（ｎは２又は３に等しい）の誘導体と、トリクロロボラゼンとを 反応させ、次に熱分解することにより窒化硼素を製造する方法が記載されている 。しかし、熱分解中の気相についての説明はない。 本発明は、従来法の欠点を除くことを目的とする。 従って、本発明は、多孔質構造体を窒化硼素により緻密化する方法において、 多孔質構造体を、式ＲＢＮＨ（式中、Ｒはハロゲン又は水素である）のボラゼン の中から選択された前駆物質中に入れ、少なくとも１．２×１０⁵Ｐａの圧力で 誘導加熱を行い、前記前駆物質の分解により窒化硼素を形成し、それを前記多孔 質構造体の気孔内に付着させることを特徴とする緻密化方法に関する。 本発明のこれらの特徴の結果として、本方法は、数時間の非常に短い時間内で 多孔質構造体を緻密化することができるのに対し、従来の方法では全て数日又は 数週間もしなければ緻密化することができない。更に、この方法は、高密度の多 孔質構造体を得、亀裂のない生成物を得ることができる。高圧を使用することに より、反応器中での前駆物質の分解を回避し、前記反応器内で永久的に前駆物質 を維持する。 選択される前駆物質は、トリクロロボラゼン（ＢＣｌＮＨ）₃であるのが好ま しい。 本発明は、窒化硼素により緻密にされた多孔質構造体において、窒化硼素が黒 鉛型構造を有し、結晶子の大きさＬ_aが５０〜１００ｎｍであり、Ｌ_cが１０〜２ ０ｎｍであり、面間隔ｄ₀₀₂が３．３３〜３．３７Åである緻密化多孔質構造体 に関する。 本発明の他の特徴及び利点は、図面を参照した次の説明から分かるであろうが 、本発明は、それらに限定されるものではない。 図１は、本発明による方法の実施を可能にする装置の概略的断面図である。 図２は、時間の関数として熱緻密化工程を例示したグラフである。 本発明によれば、その方法は、無作為的な形をした多孔質構造体を窒化硼素前 駆物質内に入れ、加圧下で誘導加熱して窒化硼素を形成し、それを前記多孔質構 造体の気孔内に付着させることからなる。 本方法は、例えば、炭素、黒鉛、アルミナ、又は窒化硼素の基体を緻密化する のに用いることができる。一層一般的に言えば、多孔質構造体は無作為的な化学 的性質を持つものでよいが、本方法の操作温度で安定なものとする。 選択される窒化硼素前駆物質は、式（ＲＢＮＨ）₃（式中、Ｒはハロゲン又は 水素である）のボラゼン系に相当する。この系の前駆物質により、純粋な窒化硼 素を得ることができる。前駆物質はトリクロロボラゼンであるのが有利である。 ボラゼンは、沸騰温度へ持って行くと迅速に分解し、重合する化合物である。 従って、前駆物質の分解を著しく減少させるように、加圧下で反応を行う必要が ある。前駆物質の結晶化は、沸騰温度を上昇させることにより回避される。 緻密化反応は、少なくとも１．２×１０⁵Ｐａ、好ましくは少なくとも１．４ ×１０⁵Ｐａの圧力で、少なくとも６００℃、好ましくは少なくとも約１０００ ℃の温度で行う。温度が高い程、緻密化速度は大きくなる。１．２×１０⁵Ｐａ の圧力より低いと、前駆物質は非常に早く分解し、そのため数分後にそれが消失 し、緻密化工程を停止しなければならなくなる。 図１は、本発明による方法を実施するのに使用することができる装置を例示し ている。この装置は三つの部分、即ち、反応器２、熱交換器又は凝縮器４、及び スプラッシュヘッド(splash head)６又はエアロゾルトラップ(aerosol trap)を 有する。この装置はグローブボックス(glove box)８内に入れてあり、中性ガス 流によりグローブボックスの内部を掃気できるように入口及び出口１０が与えら れている。グローブボックス８により、反応器が破壊した場合の操作者の安全を 確保することができ、反応ガスの発火又は操作者による生成物の吸入を防ぐこと ができる。 緻密化すべき多孔質構造体１２を、回転又は非回転支持体１４上に置き、その 支持体は、多孔質構造体と接触してサセプター１３（例えば、誘導加熱すること ができるように黒鉛マンドレル）を支持することもできる。支持体は反応器２の 本体の下部に設置され、開口が形成されたプラグ１５を通過しており、その開口 を通って前記支持体１４は滑ることができる。支持体１４は、反応器２の外側に 位置するモーター１６によって回転することができる。 反応器２は、発電機２２によって供給される高周波電流を流し得るコイル２０ によって構成された誘導加熱装置１８によって加熱する。多孔質構造体１２の温 度は、その温度を制御するために発電機２２の電力を調節することができるプロ グラマーへ接続された熱電対の入った温度プローブ２４により測定する。 反応器は、前駆物質をその反応器２へ連続的に導入するためのパイプ２６、反 応器２中に入っている空気を排除するため窒素又は或る他の中性ガスを注入する ためのパイプ２８、及び最後に反応器を空にすることができる穴で、反応器の下 部に位置するタップが配備された穴３０を有する。 反応器２は、冷却用液体（一般には水）のための循環コイル３２を有する熱交 換器又は凝縮器４が上に配置されている。前駆物質の蒸気の冷却及びその凝縮に より、熱交換器はそれらを反応器２へ戻し得る。更に、装置内に適切な圧力を維 持することにより、前記熱交換器の所での前駆物質の結晶化を回避する。 スプラッシュヘッド６は、装置の上部に位置し、反応器２で生じ、熱交換器４ の所で凝縮しなかった霧を除去する働きをする。このスプラッシュヘッドは、フ ィルター３４、圧力調節弁３６、反応ガス抽出パイプ３８を有する。調節弁３６ は圧力ゲージ３７に接続されており、スプラッシュヘッド内の圧力を調節する。 最後に、スプラッシュヘッドには反応ガス抽出パイプ３８が配備されており、そ のガスをガス処理設備４０へ戻すことができるようにしてあり、その設備は一般 にグローブボックス８の外側に配置されている。 多孔質構造体の緻密化を行う操作順序を次に記述する。 操作順序 多孔質構造体１２を、反応２中の支持体１４の上に置き、次に反応器を不活性 ガスによって掃気し、反応器中に存在していた全ての酸素を排除する。次に反応 器２に前駆物質４２を、その性質により粉末又は液体状で満たす。この充填は充 填パイプ２６によって行う。トリクロロボラゼンを用いた場合、前駆物質は粉末 状である。 冷却用循環コイル３２、電力供給機即ち発電機２２、プログラマー、及び温度 プローブ２４を作動させ、多孔質構造体の温度を上昇させる。圧力は、圧力ゲー ジ３７によって１．４×１０⁵Ｐａに固定する。 前駆物質４２が溶融し始めたならば（トリクロロボラゼンの場合８０℃）、直 ぐに不活性ガスによる掃気を停止する。次に前駆物質は多孔質構造体と接触した 所では液体状になり、反応器の下部では固体状になっている。次に加熱用電力を 、前駆物質４２が沸騰及び還流するまで上昇させ、液体状の前駆物質は多孔質構 造体の気孔中に浸透する。 分解温度（例えば、トリクロロボラゼンの場合には６００℃）に到達すると、 前駆物質の蒸気４２は多孔質構造体１２の中で分解し、それによって基体気孔内 で窒化硼素の付着を起こす。 分解は特に多孔質構造体の最も熱い壁の所で行われる。多孔質構造体をサセプ ター上に置いてある場合、緻密化の前端は円筒状多孔質構造体内部を外側の壁の 方へ進行する。サセプターがない場合、即ち、一片の多孔質構造体（例えば、板 ）の場合、緻密化前端は多孔質構造体の内部から、液体前駆物質と接触している 外側壁の方へ進行する。緻密化前端はその緻密化工程中、試料基体の最大温度及 びその性質の関数として、多孔質基体内を数十分の一ミリメートル／時から数セ ンチメートル／時の範囲の速度で進行する。分解ガスは、未だ塞がれていない気 孔を通って出る。反応からのガスは、その装置の上部に排出される。 次に基体を冷却し、２０００℃に等しいか又はそれより高い温度で少なくとも １時間、真空炉中で窒素中（０．１×１０⁵Ｐａに等しいか又はそれより大きい 圧力）で熱処理する。この熱処理により加水分解に対し窒化硼素を安定化するこ とができる。 そのような処理をした後に得られた緻密化基体は、偏光顕微鏡で見ると、マル タ十字機構(Maltese cross)及び特性柱状成長(characteristic columnar growth s)を示しており、炭素の場合と類似して、粗い層状構造を持っていた。この構造 は最も興味のあるものである。なぜなら、それは高温熱処理（２０００℃）によ り黒鉛型の構造を得ることを可能にしているからである。 透過電子顕微鏡検査及びＸ線解析により、結晶子の良好な配向が存在すること が確認された。 得られた複合体材料は、約１．８の密度、結晶子の大きさ、Ｌ_a＝５０〜１０ ０ｎｍ、Ｌ_c＝１０〜２０ｎｍ、及び３．３３〜３．３７Åの面間隔ｄ₀₀₂を持っ ていた。 従来法では、そのような黒鉛化状態の窒化硼素マトリックスは未だ報告されて いない。 緻密化基体の製造例を次に記述する。 例 緻密化すべき多孔質基体１２は、炭素繊維を３方向に織って作った、高さ１０ ｃｍ、幅３ｃｍ、厚さ１．５ｃｍの平行六面体部品（登録商標名、東レとして５ ０体積％の繊維を有する繊維Ｔ３００、６Ｋ、５０Ａ）であった。温度プローブ をその部品の中心に固定した。圧力は、圧力ゲージ３７によって１．４×１０⁵ Ｐａに固定した。用いた反応器２は高さ２００ｍｍ及び内径５ｃｍであった。前 駆物質はトリクロロボラゼンであった。 熱処理工程は図２に例示してある。８０℃で１５分間の最初の平坦部の後、１ ０００℃まで約４００℃／時の速度で温度上昇を行なった。次に８００℃／時の 温度低下速度で冷却を行なった。 得られた部品は、真空炉中、２０００℃で１時間の熱処理を受けた。その部品 の最終密度は約１．８で、得られた窒化硼素は前述の黒鉛型構造を持っていた。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年１０月１６日 【補正内容】 従って、本発明は、多孔質構造体を窒化硼素により緻密化する方法において、 多孔質構造体を、式ＲＢＮＨ（式中、Ｒはハロゲン又は水素である）のボラゼン の中から選択された前駆物質中に入れ、少なくとも１．２×１０⁵Ｐａの圧力で 少なくとも６００℃の温度で誘導加熱を行い、前記前駆物質の分解により窒化硼 素を形成し、それを前記多孔質構造体の気孔内に付着させることを特徴とする緻 密化方法に関する。 本発明のこれらの特徴の結果として、本方法は、数時間の非常に短い時間内で 多孔質構造体を緻密化することができるのに対し、従来の方法では全て数日又は 数週間もしなければ緻密化することができない。更に、この方法は、高密度の多 孔質構造体を得、亀裂のない生成物を得ることができる。高圧を使用することに より、反応器中での前駆物質の分解を回避し、前記反応器内で永久的に前駆物質 を維持する。 選択される前駆物質は、トリクロロボラゼン（ＢＣｌＮＨ）₃であるのが好ま しい。 本発明は、窒化硼素により緻密にされた多孔質構造体において、窒化硼素が黒 鉛型構造を有し、結晶子の大きさＬ_aが５０〜１００ｎｍであり、Ｌ_cが１０〜２ ０ｎｍであり、面間隔ｄ₀₀₂が３．３３〜３．３７×１０^-10ｍ（３．３３〜３． ３７Å）である緻密化多孔質構造体に関する。 透過電子顕微鏡検査及びＸ線解析により、結晶子の良好な配向が存在すること が確認された。 得られた複合体材料は、約１．８の密度、結晶子の大きさ、Ｌ_a＝５０〜１０ ０ｎｍ、Ｌ_c＝１０〜２０ｎｍ、及び３．３３〜３．３７×１０^-10ｍ（３．３３ 〜３．３７Å）の面間隔ｄ₀₀₂を持っていた。 従来法では、そのような黒鉛化状態の窒化硼素マトリックスは未だ報告されて いない。 緻密化基体の製造例を次に記述する。 請求の範囲 １．多孔質構造体を窒化硼素により緻密化する方法において、前記多孔質構造 体を、式ＲＢＮＨ（式中、Ｒはハロゲン又は水素である）のボラゼンの中から選 択された前駆物質中に入れ、少なくとも１．２×１０⁵Ｐａの圧力で少なくとも ６００℃の温度で誘導加熱を行い、前記前駆物質の分解により窒化硼素を形成し 、それを前記多孔質構造体の気孔内に付着させることを特徴とする緻密化法。 ２．前駆物質がトリクロロボラゼンである、請求項１に記載の緻密化法。 ３．多孔質構造体が、炭素、黒鉛、アルミナ、又は窒化硼素からなる、請求項 １に記載の緻密化法。 ４．緻密にされた多孔質構造体に、少なくとも２０００℃の温度で熱処理を行 う、請求項１に記載の緻密化法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ナルシィ，ブルノ フランス国 75014 パリ，リュ ディド, 20

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．多孔質構造体を窒化硼素により緻密化する方法において、前記多孔質構造 体を、式ＲＢＮＨ（式中、Ｒはハロゲン又は水素である）のボラゼンの中から選 択された前駆物質中に入れ、少なくとも１．２×１０⁵Ｐａの圧力で誘導加熱を 行い、前記前駆物質の分解により窒化硼素を形成し、それを前記多孔質構造体の 気孔内に付着させることを特徴とする緻密化法。 ２．前駆物質がトリクロロボラゼンである、請求項１に記載の緻密化法。 ３．多孔質構造体が、炭素、黒鉛、アルミナ、又は窒化硼素からなる、請求項 １に記載の緻密化法。 ４．加熱を少なくとも３００℃の温度で行う、請求項１に記載の緻密化法。 ５．緻密にされた多孔質構造体に、少なくとも２０００℃の温度で熱処理を行 う、請求項１に記載の緻密化法。 ６．窒化硼素が黒鉛型構造を有し、結晶子の大きさ、Ｌ_aが５０〜１００ｎｍ であり、Ｌ_cが１０〜２０ｎｍであり、面間隔ｄ₀₀₂が３．３３〜３．３７Åであ ることを特徴とする、窒化硼素により緻密化された多孔質構造体。 ７．約１．８の密度を有する、請求項６に記載の緻密化多孔質構造体。 ８．多孔質構造体が、炭素、黒鉛、アルミナ、又は窒化硼素からなる、請求項 ６又は７に記載の緻密化多孔質構造体。