JPH11116341A - Highly heat-conductive silicon nitride sintered product and its production - Google Patents

Highly heat-conductive silicon nitride sintered product and its production

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JPH11116341A
JPH11116341A JP9284101A JP28410197A JPH11116341A JP H11116341 A JPH11116341 A JP H11116341A JP 9284101 A JP9284101 A JP 9284101A JP 28410197 A JP28410197 A JP 28410197A JP H11116341 A JPH11116341 A JP H11116341A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon nitride
sintered body
sintering
thermal conductivity
nitride sintered
Prior art date
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Pending
Application number
JP9284101A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshio Akimune
宗 淑 雄 秋
Fumio Munakata
像 文 男 宗
Yusuke Okamoto
本 裕 介 岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH11116341A publication Critical patent/JPH11116341A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to impart improved high heat conductivity and breaking toughness to a silicon nitride sintered product light in weight and excellent in heat resistance. SOLUTION: Silicon nitride powder 2 containing 1-7 wt.% of a sintering auxiliary is mixed with 0.5-8.5 wt.% of silicon nitride whiskers 3 and subsequently sintered to obtain the highly heat-conductive silicon nitride sintered product having an average heat conductivity of >=90 W/m.K in mutually orthogonal directions X, Y and Z and having a heat conductivity of ±10 W/m.K in the directions X, Y and Z.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、軽量でかつ耐熱性
に優れた窒化ケイ素焼結体により一層の高熱伝導性およ
び破壊靭性を付与するのに好適な高熱伝導性セラミック
ス(窒化ケイ素質焼結体)およびその製造方法に関する
ものであり、例えば、自動車用部材、電子機器用部材、
化学装置用部材、宇宙航空機器用部材等に利用される構
造用部材を提供するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a highly thermally conductive ceramic (silicon nitride sintered body) suitable for imparting even higher thermal conductivity and fracture toughness to a silicon nitride sintered body that is lightweight and excellent in heat resistance. Body) and a method for producing the same, for example, a member for an automobile, a member for an electronic device,
An object of the present invention is to provide a structural member used for a member for a chemical device, a member for aerospace equipment, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】軽量でかつ耐熱性に優れた高強度なセラ
ミックスの機械部品等への利用を拡大するためには、価
格を低減させるとともに、セラミックスを適用すること
で機械部品等の性能を飛躍的に向上させることが必要で
ある。
2. Description of the Related Art In order to expand the use of high-strength ceramics, which are lightweight and excellent in heat resistance, for machine parts, etc., the price is reduced, and the performance of machine parts, etc. is increased by applying ceramics. It is necessary to improve it.

【0003】そのため、例えば、第2相を添加すること
でセラミックスのマトリックスの硬度や靭性を高めて機
械的性能を向上させる方法や、粒子の直径を小さくして
強度を向上させる素材の開発が行われている。
[0003] Therefore, for example, a method for improving the mechanical performance by increasing the hardness and toughness of the ceramic matrix by adding a second phase, and a material for improving the strength by reducing the diameter of the particles have been developed. Have been done.

【0004】機械的性能が最もバランスの良い材料は窒
化ケイ素であり、窒化ケイ素をマトリックスに利用した
複合材料の開発が盛んである。そして、かなり以前から
の機械的性能を向上させる方法では、窒化ケイ素の強度
を維持しつつ第2相を添加したり、繊維で強化したりし
て、硬度や強度を高めることにより、工具,部品材料な
どに利用する開発が1970年頃より行われている。
A material having the best balance of mechanical performance is silicon nitride, and a composite material using silicon nitride as a matrix has been actively developed. A method of improving mechanical performance for a long time is to add a second phase while reinforcing the strength of silicon nitride or to strengthen it with fibers to increase the hardness and strength, thereby increasing the tool and component. Development for use in materials and the like has been performed since about 1970.

【0005】窒化ケイ素の熱伝導率を向上させる手法と
しては、日本セラミックス協会学術論文誌1989年1
月号56〜62ページに助剤をYとして焼結する
技術や、アルミニウム量を低減させる手法が公開されて
おり(特開平4−175268号,特開平4−2193
71号)、あるいはまた、助剤を複数の希土類酸化物と
して焼結する手法が報告されている(特開平9−308
66号)。
[0005] As a method for improving the thermal conductivity of silicon nitride, there is a method disclosed in The Ceramic Society of Japan, 1989, January.
A technique for sintering an auxiliary agent as Y 2 O 3 and a technique for reducing the amount of aluminum have been disclosed on pages 56 to 62 of the monthly publication (JP-A-4-175268, JP-A-4-2193).
No. 71), or a method of sintering an auxiliary agent as a plurality of rare earth oxides has been reported (JP-A-9-308).
No. 66).

【0006】最近では、柱状金属を添加する方法が報告
されている(特開平8−26837号)が、セラミック
スの特徴である1000℃以上の温度では利用すること
ができがたい。また、窒化ケイ素に炭化ケイ素を複合化
させて高温強度を改善する手法もある(特開平8−33
7476号,特開平8−73270号,特開平8−67
568号)。
Recently, a method of adding a columnar metal has been reported (Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-26837), but it cannot be used at a temperature of 1000 ° C. or more which is a characteristic of ceramics. There is also a method of improving the high-temperature strength by compounding silicon carbide with silicon nitride (Japanese Patent Laid-Open No. 8-33).
7476, JP-A-8-73270, JP-A-8-67
568).

【0007】高強度を得るために、出発原料の粒子径を
0.1μm程度に微細化する手法が報告されている(特
開平8−12306号)が、微細粉末であるためプロセ
ス上の取り扱い工程が増加し、生産効率が低下するとい
う欠点がある。
[0007] In order to obtain high strength, a method of reducing the particle size of a starting material to about 0.1 µm has been reported (Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-12306). And the production efficiency decreases.

【0008】同様に、粉末を直径0.2μm程度に均一
に粉砕して焼結するプロセスも提案されている(特開平
8−48564号)。この場合、強度は高いものの靭性
は低いという欠点がある。
Similarly, a process has been proposed in which powder is uniformly ground to a diameter of about 0.2 μm and sintered (JP-A-8-48564). In this case, there is a disadvantage that the strength is high but the toughness is low.

【0009】他方、原料中のハロゲンを少なくして強度
を改善する手法もある(特開平9−25168号)。
On the other hand, there is a method for improving the strength by reducing the amount of halogen in the raw material (JP-A-9-25168).

【0010】窒化ケイ素自体の強度と靭性を向上させる
手法としては、粒界相を結晶化させて高温での強度およ
び靭性を向上させる手法(特開平8−319165号)
や、微細窒化ケイ素粉末に粗大窒化ケイ素粉末および針
状粒子を分散させた材料が提案されている(特開平8−
133842号)。この場合、靭性は向上するものの強
度はほとんど変わらない。
As a technique for improving the strength and toughness of silicon nitride itself, a technique for improving the strength and toughness at a high temperature by crystallizing a grain boundary phase (Japanese Patent Laid-Open No. 8-319165).
Also, a material in which coarse silicon nitride powder and needle-like particles are dispersed in fine silicon nitride powder has been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-
133842). In this case, although the toughness is improved, the strength is hardly changed.

【0011】高靭性と高強度を同時に得る方法には、シ
ート成形した窒化ケイ素を積層し荷重と直角方向に粒子
を配向成長させて一方向の強度および靭性を高める手法
もある(特開平8−143400号)。
As a method for simultaneously obtaining high toughness and high strength, there is a method of laminating sheet-formed silicon nitride and orienting and growing particles in a direction perpendicular to the load to increase the strength and toughness in one direction (Japanese Patent Laid-Open No. 8-108). No. 143400).

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】従来主に用いられてい
る複合材製造プロセスでは、原料のマトリックス粉末に
第2相の粉末を複合化した後焼結する方法であるが、複
合材料では強化相を導入するときに添加相の周囲に残留
応力が残り、マトリックスに欠陥が入って強度を低下さ
せることがあるという問題がある。また、高価な繊維を
配合するためプロセスが複雑かつ高価になるという欠点
がある。
In the composite material manufacturing process mainly used in the past, a method of compounding a second phase powder into a raw material matrix powder and then sintering the composite material is used. However, there is a problem that residual stress remains around the added phase when the alloy is introduced, and the matrix may have defects to reduce the strength. Further, there is a disadvantage that the process becomes complicated and expensive due to the addition of expensive fibers.

【0013】一方、高熱伝導率を得る製造方法では、助
剤を変更するため熱伝導度は向上できるものの靭性値が
低下するので、特性値の両立ができなくなるという欠点
もあった。
On the other hand, in the production method for obtaining a high thermal conductivity, although the thermal conductivity can be improved by changing the auxiliary agent, the toughness value is lowered, and there is also a disadvantage that the characteristic values cannot be compatible.

【0014】[0014]

【発明の目的】本発明は、このような従来の技術にかん
がみてなされたものであって、軽量でかつ耐熱性に優れ
た窒化ケイ素焼結体において、熱伝導率の方向依存性が
小さく優れた熱伝導特性を有していると共に、高強度で
かつ高靭性であって機械的特性にも優れた窒化ケイ素焼
結体を提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such prior art, and is intended to provide a silicon nitride sintered body which is lightweight and excellent in heat resistance and has a small direction dependency of thermal conductivity. It is an object of the present invention to provide a silicon nitride sintered body having high thermal conductivity, high strength and high toughness, and excellent mechanical properties.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】ここで提案する発明は、
マトリックスに新規ドメインを導入することで異質材料
間の焼結不具合をなくし、強度と熱伝導率の両立を図る
手法である。
Means for Solving the Problems The invention proposed here is:
By introducing a new domain into the matrix, this method eliminates sintering problems between different materials and achieves both strength and thermal conductivity.

【0016】本発明では、従来の技術において強度低下
を招く粗大粒子として考えられている窒化ケイ素単結晶
ウイスカーを活用した焼結技術に着目し、表面を水熱処
理方法で酸化させて表面にSiOを析出させた窒化ケ
イ素ウイスカーを所定の割合添加して同時焼結させる方
法で窒化ケイ素焼結体を製造するようにしている。そし
て、窒化ケイ素ウイスカーの添加割合を最少量として優
れた機能を発現させる粒子群分散構造とすることにより
前記問題点を解決するものである。このようにして得ら
れた窒化ケイ素焼結体は熱伝導率に優れていると共にか
なりの機械的強度や靭性と硬度特性を有する。
In the present invention, attention is paid to a sintering technique utilizing silicon nitride single crystal whiskers, which is considered as a coarse particle which causes a decrease in strength in the prior art, and the surface is oxidized by a hydrothermal treatment method to form SiO 2 on the surface. A silicon nitride sintered body is manufactured by a method of adding a predetermined ratio of silicon nitride whiskers on which is precipitated and simultaneously sintering. The above problem is solved by providing a particle group dispersed structure that exhibits excellent functions by minimizing the addition ratio of silicon nitride whiskers. The silicon nitride sintered body thus obtained has excellent thermal conductivity and considerable mechanical strength, toughness and hardness characteristics.

【0017】本発明に係わる高熱伝導性窒化ケイ素焼結
体は、請求項1に記載しているように、窒化ケイ素マト
リックス中に、窒化ケイ素ウイスカーが0.5〜8.5
体積%分散してなり、互いに直交するX,Y,Z方向で
の熱伝導率の平均値が90W/m・K以上であると共に
前記X,Y,Z方向における熱伝導率の値が±10W/
m・K以内であるものとしたことを特徴としている。
In the high thermal conductivity silicon nitride sintered body according to the present invention, as described in claim 1, silicon nitride whiskers are contained in a silicon nitride matrix in an amount of 0.5 to 8.5.
The average value of the thermal conductivity in the X, Y, and Z directions orthogonal to each other is 90 W / m · K or more, and the value of the thermal conductivity in the X, Y, and Z directions is ± 10 W. /
m · K or less.

【0018】そして、本発明に係わる高熱伝導性窒化ケ
イ素焼結体の実施態様においては、請求項2に記載して
いるように、窒化ケイ素ウイスカーのうち、直径が3μ
m以上であるウイスカーの占める割合が10〜65面積
%であるようになすことができる。
In the embodiment of the high thermal conductive silicon nitride sintered body according to the present invention, as described in claim 2, among the silicon nitride whiskers, the diameter is 3 μm.
m, the ratio of whiskers occupying 10 m or more is 10 to 65 area%.

【0019】本発明に係わる高熱伝導性窒化ケイ素焼結
体の製造方法は、請求項3に記載しているように、焼結
助剤を1〜7重量%含有した窒化ケイ素粉末に、窒化ケ
イ素ウイスカーを0.5〜8.5重量%添加した混合粉
末を焼結して、互いに直交するX,Y,Z方向での熱伝
導率の平均値が90W/m・K以上であると共に前記
X,Y,Z方向における熱伝導率の値が±10W/m・
K以内である窒化ケイ素焼結体を得るようにしたことを
特徴としている。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for producing a silicon nitride sintered body having a high thermal conductivity, wherein silicon nitride powder containing 1 to 7% by weight of a sintering aid is added to silicon nitride powder. The mixed powder to which whiskers are added in an amount of 0.5 to 8.5% by weight is sintered, and the average value of the thermal conductivity in the X, Y, and Z directions orthogonal to each other is 90 W / m · K or more, and , Y, and Z thermal conductivity values are ± 10 W / m ·
It is characterized in that a silicon nitride sintered body having a temperature within K is obtained.

【0020】そして、本発明に係わる高熱伝導性窒化ケ
イ素焼結体の製造方法の実施態様においては、請求項4
に記載しているように、添加する窒化ケイ素ウイスカー
がβ型窒化ケイ素であり、直径が2〜5μm、長さが2
0〜50μmであるものとするようになすことができ
る。
In a preferred embodiment of the method for producing a silicon nitride sintered body having high thermal conductivity according to the present invention, claim 4
As described in the above, the silicon nitride whisker to be added is β-type silicon nitride and has a diameter of 2 to 5 μm and a length of 2 μm.
It can be made to be 0 to 50 μm.

【0021】同じく、本発明に係わる高熱伝導性窒化ケ
イ素焼結体の製造方法の実施態様においては、請求項5
に記載しているように、添加する窒化ケイ素ウイスカー
を110〜140℃で水熱処理するようになすことがで
きる。
Similarly, in an embodiment of the method for producing a silicon nitride sintered body having high thermal conductivity according to the present invention,
As described above, the silicon nitride whiskers to be added can be subjected to hydrothermal treatment at 110 to 140 ° C.

【0022】同じく、本発明に係わる高熱伝導性窒化ケ
イ素焼結体の製造方法の実施態様においては、請求項6
に記載しているように、窒化ケイ素粉末に含まれる焼結
助剤は、酸化イットリウム,酸化ネオジム、酸化ランタ
ン,酸化イッテルビウムのうちから選ばれる1種以上の
希土類酸化物と、酸化シリコン,酸化マグネシウムのう
ちから選ばれる1種以上の非希土類酸化物のうちから選
ばれる1種または2種以上であるものとすることができ
る。
Similarly, in an embodiment of the method for producing a silicon nitride sintered body having high thermal conductivity according to the present invention, claim 6
As described in the above, the sintering aid contained in the silicon nitride powder includes at least one rare earth oxide selected from yttrium oxide, neodymium oxide, lanthanum oxide, and ytterbium oxide, and silicon oxide and magnesium oxide. And at least one selected from one or more non-rare earth oxides selected from the group consisting of:

【0023】同じく、本発明に係わる高熱伝導性窒化ケ
イ素焼結体の製造方法の実施態様においては、請求項7
に記載しているように、焼結助剤を含有した窒化ケイ素
粉末と窒化ケイ素ウイスカーとの混合粉末を1950〜
2100℃の温度でかつ窒素分圧を0.2〜1MPaと
した窒素ガス中でガス圧焼結するようになすことができ
る。
Similarly, in an embodiment of the method for producing a silicon nitride sintered body having high thermal conductivity according to the present invention, claim 7
As described in the above, a mixed powder of a silicon nitride powder containing a sintering aid and a silicon nitride whisker is 1950-
Gas pressure sintering can be performed in a nitrogen gas at a temperature of 2100 ° C. and a nitrogen partial pressure of 0.2 to 1 MPa.

【0024】同じく、本発明に係わる高熱伝導性窒化ケ
イ素焼結体の製造方法の実施態様においては、請求項8
に記載しているように、焼結助剤を含有した窒化ケイ素
粉末と窒化ケイ素ウイスカーとの混合粉末を1950〜
2100℃の温度でかつ窒素分圧を0.2〜1MPaと
した窒素ガス中でガス圧焼結した後、2100〜220
0℃の温度で30〜200MPaの窒素雰囲気下で熱間
静水圧焼結するようになすことができる。
Similarly, in an embodiment of the method for producing a silicon nitride sintered body having high thermal conductivity according to the present invention, claim 8
As described in the above, a mixed powder of a silicon nitride powder containing a sintering aid and a silicon nitride whisker is 1950-
After gas pressure sintering in a nitrogen gas at a temperature of 2100 ° C. and a nitrogen partial pressure of 0.2 to 1 MPa, 2100 to 220
Hot isostatic sintering can be performed under a nitrogen atmosphere of 30 to 200 MPa at a temperature of 0 ° C.

【0025】[0025]

【発明の作用】本発明に係わる高熱伝導性窒化ケイ素焼
結体およびその製造方法は、上述した構成を有するもの
であるが、その製造方法について具体的に例示すると次
のごとくである。
The high thermal conductive silicon nitride sintered body and the method of manufacturing the same according to the present invention have the above-mentioned construction. The method of manufacturing the silicon nitride sintered body will be specifically described as follows.

【0026】マトリックス用窒化ケイ素粉末(β型窒化
ケイ素の含有率が90重量%以上で平均粒子径0.5〜
0.7μmのもの)に、焼結助剤(1種以上の希土類酸
化物および/または1種以上の非希土類酸化物を合計で
1〜7重量%)を添加し、アルコール中でボールミルに
より粉砕混合した後乾燥してマトリックス粉末とする。
Silicon nitride powder for matrix (When the content of β-type silicon nitride is 90% by weight or more and the average particle size is 0.5 to
0.7 μm), a sintering aid (total of 1 to 7% by weight of one or more rare earth oxides and / or one or more non-rare earth oxides) is added and pulverized by a ball mill in alcohol. After mixing, the mixture is dried to obtain a matrix powder.

【0027】他方、添加相として、表面を例えば120
℃で水熱処理した窒化ケイ素ウイスカーを0.5〜8.
5重量%添加し、アルコール中でボールミルにより混合
した後ロータリーエバポレータにより乾燥して原料粉末
とする。
On the other hand, as an additional phase,
0.5 to 8. Silicon nitride whiskers that have been hydrothermally treated at
5% by weight is added, mixed in an alcohol by a ball mill, and dried by a rotary evaporator to obtain a raw material powder.

【0028】次に、上記焼結助剤を含有した窒化ケイ素
粉末と窒化ケイ素ウイスカーとの混合粉末を窒素ガス雰
囲気中で焼結する。
Next, the mixed powder of the silicon nitride powder containing the sintering aid and the silicon nitride whisker is sintered in a nitrogen gas atmosphere.

【0029】ここで、前記混合粉末とする際の原材料の
径や添加量などに関して範囲を決めるのが望ましい理由
は以下の通りである。
Here, the reason why it is desirable to determine the range with respect to the diameter and the amount of the raw material when forming the mixed powder is as follows.

【0030】マトリックス用窒化ケイ素粉末の粒子径が
大きすぎると本発明記載の温度範囲での焼結が困難とな
り、小さすぎても取り扱いが困難でかつ同様に窒化ケイ
素ウイスカーとの同時焼結が困難となるので、0.5〜
0.7μmとするのがよい。
If the particle size of the silicon nitride powder for the matrix is too large, sintering within the temperature range described in the present invention becomes difficult, and if it is too small, it is difficult to handle, and similarly, it is difficult to simultaneously sinter with silicon nitride whiskers. 0.5 ~
The thickness is preferably 0.7 μm.

【0031】また、マトリックス用窒化ケイ素粉末のβ
化率が少ないと本発明記載の温度範囲での焼結が困難と
なるので90重量%以上とするのがよい。
Further, β of silicon nitride powder for matrix
If the conversion ratio is small, sintering in the temperature range described in the present invention becomes difficult, so it is preferable to set the content to 90% by weight or more.

【0032】さらに、マトリックス用窒化ケイ素粉末に
添加する焼結助剤量が少ないと窒化ケイ素の焼結不足と
なり、多いとガラス相が多くなって強度や靭性値が低下
することとなるので、1〜7重量%とするのがよい。
Further, if the amount of the sintering aid added to the silicon nitride powder for the matrix is small, the sintering of the silicon nitride will be insufficient, and if it is too large, the glass phase will increase and the strength and toughness will decrease. The content is preferably set to 7% by weight.

【0033】次に、針状粒子用窒化ケイ素ウイスカー
は、単結晶のものであるのがよく、この窒化ケイ素ウイ
スカーの径が5μmよりも大きいと本発明記載の温度範
囲での焼結が困難であり、3μmよりも小さいと液相焼
結時に溶解して効果が発揮できなくなるので好ましくな
い。
Next, the silicon nitride whiskers for acicular particles are preferably single crystals. If the diameter of the silicon nitride whiskers is larger than 5 μm, sintering in the temperature range described in the present invention is difficult. If it is smaller than 3 μm, it is not preferable because it dissolves during liquid phase sintering and cannot exert its effect.

【0034】また、窒化ケイ素ウイスカーの長さが20
μmよりも短いと効果が発揮できなくなり、50μmよ
りも長いとマトリックスが焼結不足となって強度が低下
するので好ましくない。
The length of the silicon nitride whiskers is 20.
If the length is shorter than μm, the effect cannot be exerted.

【0035】さらにまた、窒化ケイ素ウイスカーの添加
量が8.5体積%よりも多いと比重が大きくなり機械的
特性が不足するので好ましくなく、0.5重量%よりも
少ないと効果が発揮できなくなるので好ましくない。
Further, if the addition amount of the silicon nitride whisker is more than 8.5% by volume, the specific gravity becomes large and the mechanical properties become insufficient, which is not preferable. If it is less than 0.5% by weight, the effect cannot be exhibited. It is not preferable.

【0036】次に、上記した焼結助剤を含有したマトリ
ックス用窒化ケイ素粉末と窒化ケイ素ウイスカーとの混
合粉末の焼結に際しては、適宜プレス成形を行ったの
ち、1950〜2100℃の温度で窒素雰囲気(0.2
〜1MPa)下で焼結するガス圧焼結方法を採用するこ
とができ、あるいはここで得たガス圧焼結体を再度窒素
雰囲気30〜200MPa下において2100〜220
0℃の温度で焼結する熱間静水圧焼結法を採用すること
ができる。この場合、ガス圧焼結では、1950℃未満
であると密度が上がらず構造材として不適であり、21
00℃超過の温度域では粒子が過度に成長して強度低下
が発生するので好ましくない。
Next, when sintering the mixed powder of the silicon nitride powder for matrix containing the above-mentioned sintering aid and the silicon nitride whisker, after appropriately performing press molding, the mixed powder is heated at a temperature of 1950 to 2100 ° C. Atmosphere (0.2
Gas pressure sintering method of sintering under a pressure of 1 to 220 MPa, or the gas pressure sintered body obtained here is again subjected to a pressure of 2100 to 220 MPa under a nitrogen atmosphere of 30 to 200 MPa.
A hot isostatic sintering method of sintering at a temperature of 0 ° C. can be employed. In this case, in gas pressure sintering, if the temperature is lower than 1950 ° C., the density does not increase and is not suitable as a structural material.
If the temperature is higher than 00 ° C., the particles grow excessively and the strength is reduced, which is not preferable.

【0037】焼結後の微構造では、図1に模式的に示す
窒化ケイ素焼結体1において、窒化ケイ素マトリックス
2の中に窒化ケイ素ウイスカー3が針状を保ちながら分
散しており、添加粒子の直径や長さに応じた窒化ケイ素
針状粒子が存在している。この場合、窒化ケイ素ウイス
カーの添加量が0.5体積%未満では成長粒子が必要な
量とはならず、また、添加量が8.5体積%超過では粗
大粒子が大きくなって機械的特性値が著しく低下してし
まうので好ましくない。
In the microstructure after sintering, in a silicon nitride sintered body 1 schematically shown in FIG. 1, silicon nitride whiskers 3 are dispersed in a silicon nitride matrix 2 while maintaining a needle shape. There are silicon nitride needle-like particles corresponding to the diameter and length of the particles. In this case, if the added amount of the silicon nitride whisker is less than 0.5% by volume, the amount of the grown particles is not required, and if the added amount exceeds 8.5% by volume, the coarse particles become large and the mechanical property value becomes large. Is remarkably reduced, which is not preferable.

【0038】次に、本発明による窒化ケイ素焼結体の評
価に際し、粒子群微構造についての評価は、試料をダイ
ヤモンド粒子(粒子径0.26μm)で研磨した後、光
学顕微鏡にて行った。また、強度についてはJIS−R
1601による4点曲げ試験方法を用い、破壊靭性につ
いてはJIS−R1607によるSEPB法を用いて評
価した。さらに、粒子径は顕微鏡写真の4mm×4mm
の面積に含まれる粒子の径を平均して求めた。さらに、
熱伝導率はJIS−R1611により直径10mm×厚
さ2mmの円盤で測定した。
Next, in the evaluation of the silicon nitride sintered body according to the present invention, the evaluation of the particle group microstructure was carried out using an optical microscope after polishing the sample with diamond particles (particle diameter 0.26 μm). Also, the strength is JIS-R
The four-point bending test method according to 1601 was used, and the fracture toughness was evaluated using the SEPB method according to JIS-R1607. Further, the particle diameter was 4 mm × 4 mm in the micrograph.
Were determined by averaging the diameters of the particles contained in the area of further,
The thermal conductivity was measured on a disk having a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm according to JIS-R1611.

【0039】なお、ここで、本発明の派生技術について
つけ加えると、本発明で用いた第2相粒子を含む窒化ケ
イ素を針状粒子に成形した後、粒子群の形で粉末に添加
する方法では、通常の焼結プロセスを用いることで特性
値に偏りがなく、量産性についても問題はなく、コスト
上昇を招くことなくセラミックスに異なった特性を付与
できる新規な製造技術である。
Here, in addition to the derivative technology of the present invention, the method of forming the silicon nitride containing the second phase particles used in the present invention into needle-like particles, and then adding the silicon nitride to the powder in the form of particles is described. This is a novel manufacturing technique that can impart different characteristics to ceramics without using a normal sintering process, without causing deviations in characteristic values, with no problem in mass productivity, and without increasing costs.

【0040】[0040]

【発明の効果】本発明による高熱伝導性窒化ケイ素焼結
体は、請求項1に記載しているように、窒化ケイ素マト
リックス中に、窒化ケイ素ウイスカーが0.5〜8.5
体積%分散してなり、互いに直交するX,Y,Z方向で
の熱伝導率の平均値が90W/m・K以上であると共に
前記X,Y,Z方向における熱伝導率の値が±10W/
m・K以内であるものとしたから、軽量でかつ耐熱性に
優れた窒化ケイ素焼結体により一層の高熱伝導性とより
優れた破壊靭性とを同時に付与することが可能であり、
例えば、自動車用部材,電子機器用部材,化学装置用部
材,宇宙航空機器用部材等に利用される構造用部材とし
て適したものであるという著大なる効果がもたらされ
る。
According to the high thermal conductivity silicon nitride sintered body of the present invention, the silicon nitride whisker is contained in the silicon nitride matrix in the range of 0.5 to 8.5.
The average value of the thermal conductivity in the X, Y, and Z directions orthogonal to each other is 90 W / m · K or more, and the value of the thermal conductivity in the X, Y, and Z directions is ± 10 W. /
m · K or less, it is possible to simultaneously provide even higher thermal conductivity and more excellent fracture toughness to a silicon nitride sintered body that is lightweight and has excellent heat resistance,
For example, a remarkable effect is obtained that the material is suitable as a structural member used for a member for an automobile, a member for an electronic device, a member for a chemical device, a member for an aerospace device, and the like.

【0041】そして、請求項2に記載しているように、
窒化ケイ素ウイスカーのうち、直径が3μm以上である
ウイスカーの占める割合が10〜65面積%であるもの
とすることによって、より一層の高熱伝導性とより優れ
た破壊靭性を同時に得ることが可能であるという著大な
る効果がもたらされる。
And, as described in claim 2,
By setting the proportion of the whiskers having a diameter of 3 μm or more in the silicon nitride whiskers to be 10 to 65 area%, it is possible to obtain higher thermal conductivity and more excellent fracture toughness at the same time. That is a great effect.

【0042】本発明による高熱伝導性窒化ケイ素焼結体
の製造方法は、請求項3に記載しているように、焼結助
剤を1〜7重量%含有した窒化ケイ素粉末に、窒化ケイ
素ウイスカーを0.5〜8.5重量%添加した混合粉末
を焼結して、互いに直交するX,Y,Z方向での熱伝導
率の平均値が90W/m・K以上であると共に前記X,
Y,Z方向における熱伝導率の値が±10W/m・K以
内である窒化ケイ素焼結体を得るようにしたから、軽量
で耐熱性に優れ、しかも高強度・高靭性であって熱伝導
率の方向依存性が小さい優れた熱伝導特性を有する窒化
ケイ素焼結体を製造することが可能であるという著大な
る効果がもたらされる。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for producing a silicon nitride sintered body having a high thermal conductivity, wherein a silicon nitride whisker is added to a silicon nitride powder containing 1 to 7% by weight of a sintering aid. Of 0.5 to 8.5% by weight is sintered, and the average value of the thermal conductivity in the X, Y, and Z directions orthogonal to each other is 90 W / m · K or more and the X,
Since a silicon nitride sintered body having a thermal conductivity value within ± 10 W / m · K in the Y and Z directions is obtained, it is lightweight, has excellent heat resistance, and has high strength and high toughness and has thermal conductivity. A remarkable effect that it is possible to manufacture a silicon nitride sintered body having excellent heat conduction characteristics with small direction dependence of the rate.

【0043】そして、請求項4に記載しているように、
添加する窒化ケイ素ウイスカーがβ型窒化ケイ素であ
り、直径が2〜5μm、長さが20〜50μmであるも
のとすることによって、より一層の高熱伝導性とより優
れた破壊靭性を同時に付与することが可能であるという
著大なる効果がもたらされる。
And, as described in claim 4,
Silicon nitride whiskers to be added are β-type silicon nitride, having a diameter of 2 to 5 μm and a length of 20 to 50 μm, thereby simultaneously providing higher thermal conductivity and more excellent fracture toughness. This is a great effect that is possible.

【0044】また、請求項5に記載しているように、添
加する窒化ケイ素ウイスカーを110〜140℃で水熱
処理するようになすことによって、窒化ケイ素ウイスカ
ーの表面が酸化されて表面にSiOが析出したものと
なり、これを窒化ケイ素粒子と同時に焼結することによ
って、窒化ケイ素ウイスカーの添加量を必要最少量とし
て高熱伝導性と高破壊靭性とが同時に付与された窒化ケ
イ素焼結体とすることが可能であるという著大なる効果
がもたらされる。
As described in claim 5, by subjecting the silicon nitride whiskers to be added to hydrothermal treatment at 110 to 140 ° C., the surface of the silicon nitride whiskers is oxidized and SiO 2 is formed on the surface. By being sintered at the same time as the precipitated silicon nitride particles, the silicon nitride whisker should be added to the necessary minimum amount to obtain a silicon nitride sintered body having high thermal conductivity and high fracture toughness at the same time. This is a great effect that is possible.

【0045】さらに、請求項6に記載しているように、
窒化ケイ素粉末に含まれる焼結助剤は、酸化イットリウ
ム,酸化ネオジム、酸化ランタン,酸化イッテルビウム
のうちから選ばれる1種以上の希土類酸化物と、酸化シ
リコン,酸化マグネシウムのうちから選ばれる1種以上
の非希土類酸化物のうちから選ばれる1種または2種以
上であるものとすることによって、焼結を十分良好に行
うことが可能であり、窒化ケイ素マトリックスの強度お
よび靭性をより一層向上したものとすることが可能であ
るという著大なる効果がもたらされる。
Further, as described in claim 6,
The sintering aid contained in the silicon nitride powder is at least one rare earth oxide selected from yttrium oxide, neodymium oxide, lanthanum oxide, and ytterbium oxide, and at least one selected from silicon oxide and magnesium oxide. By using one or more selected from among the non-rare earth oxides described above, sintering can be performed sufficiently well and the strength and toughness of the silicon nitride matrix are further improved. A great effect is obtained.

【0046】さらにまた、請求項7に記載しているよう
に、焼結助剤を含有した窒化ケイ素粉末と窒化ケイ素ウ
イスカーとの混合粉末を1950〜2100℃の温度で
かつ窒素分圧を0.2〜1MPaとした窒素ガス中でガ
ス圧焼結するようになすことによって、マトリックス用
窒化ケイ素粉末と窒化ケイ素ウイスカーとの同時焼結が
可能であり、方向依存性の小さい優れた熱伝導特性を有
していると共に高強度・高靭性の窒化ケイ素焼結体を製
造することが可能であるという著大なる効果がもたらさ
れる。
Further, as described in claim 7, the mixed powder of the silicon nitride powder containing the sintering aid and the silicon nitride whisker is mixed at a temperature of 1950 to 2100 ° C. and a nitrogen partial pressure of 0.1%. By performing gas pressure sintering in a nitrogen gas of 2 to 1 MPa, it is possible to simultaneously sinter the silicon nitride powder for the matrix and the silicon nitride whisker, and to obtain excellent heat conduction characteristics with small direction dependence. This has a remarkable effect that it is possible to produce a silicon nitride sintered body having high strength and high toughness as well as having a high strength.

【0047】さらにまた、請求項8に記載しているよう
に、焼結助剤を含有した窒化ケイ素粉末と窒化ケイ素ウ
イスカーとの混合粉末を1950〜2100℃の温度で
かつ窒素分圧を0.2〜1MPaとした窒素ガス中でガ
ス圧焼結した後、2100〜2200℃の温度で30〜
200MPaの窒素雰囲気下で熱間静水圧焼結するよう
になすことによって、機械的特性がより一層向上した高
熱伝導性窒化ケイ素焼結体を得ることが可能であるとい
う著大なる効果がもたらされる。
Further, as described in claim 8, a mixed powder of a silicon nitride powder containing a sintering aid and a silicon nitride whisker is prepared at a temperature of 1950-2100 ° C. and a nitrogen partial pressure of 0.1 wt. After gas pressure sintering in a nitrogen gas of 2 to 1 MPa, a temperature of 2100 to 2200 ° C.
By performing hot isostatic sintering in a nitrogen atmosphere of 200 MPa, a remarkable effect that a highly thermally conductive silicon nitride sintered body with further improved mechanical properties can be obtained is brought about. .

【0048】[0048]

【実施例】【Example】

(実施例1〜5、比較例1,2)−表面処理窒化ケイ素
ウイスカーの添加量− (1)原料調整 窒化ケイ素針状粒子を得るに際しては、市販のβ型窒化
ケイ素ウイスカー(宇部興産製 E10 直径が3μ
m,長さが30μmのもの)を120℃で96時間水熱
処理した後、乾燥して原料の窒化ケイ素ウイスカーとし
た。
(Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 and 2)-Addition amount of surface-treated silicon nitride whisker-(1) Raw material adjustment To obtain silicon nitride acicular particles, a commercially available β-type silicon nitride whisker (E10 manufactured by Ube Industries) 3μ in diameter
m, having a length of 30 μm) was subjected to hydrothermal treatment at 120 ° C. for 96 hours, and then dried to obtain silicon nitride whiskers as a raw material.

【0049】一方、マトリックス用窒化ケイ素粉末を得
るに際しては、市販の窒化ケイ素粉末(電気化学工業製
P21FC β型の含有率が90重量%以上で平均粒
子径が0.5〜0.7μmのもの)に、焼結助剤として
Ndを2重量%とYを2重量%加えて96
時間アルコール中でボールミルにより粉砕混合した後乾
燥した。
On the other hand, when obtaining a silicon nitride powder for a matrix, commercially available silicon nitride powder (P21FC β type manufactured by Denki Kagaku Kogyo having a content of 90% by weight or more and an average particle size of 0.5 to 0.7 μm) is used. ), 2% by weight of Nd 2 O 3 and 2% by weight of Y 2 O 3 were added as sintering aids to form a mixture.
The mixture was pulverized and mixed by a ball mill in alcohol for an hour, and then dried.

【0050】そして、窒化ケイ素粉末に対し窒化ケイ素
ウイスカーを表1,2の実施例1〜5および比較例1,
2の欄に示すように0〜10重量%の範囲で配合したあ
とV型ブレンダで混合して「表面処理ウイスカー混合粉
末」とした。
Then, silicon nitride whiskers were added to the silicon nitride powder in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 shown in Tables 1 and 2.
As shown in column 2, after mixing in a range of 0 to 10% by weight, the mixture was mixed with a V-type blender to obtain "surface-treated whisker mixed powder".

【0051】(2)焼結条件と試験片形状 焼結に際しては窒素雰囲気(0.9MPa)にて200
0℃で4時間のガス圧焼結を行うことによって「表面処
理ウイスカー混合焼結体」を得た。なお、「表面処理ウ
イスカー混合焼結体」の形状は4×5×45mmのもの
とした。そして、前記形状の平板よりJIS形状の試験
片を作製した。
(2) Sintering Conditions and Specimen Shape During sintering, the sintering was performed in a nitrogen atmosphere (0.9 MPa).
By performing gas pressure sintering at 0 ° C. for 4 hours, a “surface-treated whisker mixed sintered body” was obtained. The shape of the “sintered whisker-mixed sintered body” was 4 × 5 × 45 mm. Then, a JIS-shaped test piece was prepared from the flat plate having the above-mentioned shape.

【0052】(3)微構造観察と特性評価 粒子群微構造についての評価は、試料をダイヤモンド粒
子(粒子径0.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡に
て行った。強度試験はJIS−R1601による4点曲
げ試験方法を用い、破壊靭性試験はJIS−R1607
によるSEPB法を用いて行った。さらに、熱伝導率は
JIS−R1611による円盤を用いて測定した。
(3) Observation of Microstructure and Evaluation of Characteristics Evaluation of the microstructure of the particle group was performed using an optical microscope after polishing the sample with diamond particles (particle diameter 0.26 μm). The strength test uses a four-point bending test method according to JIS-R1601, and the fracture toughness test uses JIS-R1607.
Using the SEPB method. Further, the thermal conductivity was measured using a disk according to JIS-R1611.

【0053】(4)結果 表1,2に示すように、窒化ケイ素ウイスカーを0.5
〜8重量%添加した実施例1〜5の焼結体では、熱伝導
率の方位依存性が少なく、平均値で90W/m・K以上
の優れた値が得られた。また、機械的強度は650MP
a以上、破壊靭性値は6.5MPa√m以上であり、タ
ービン用途やエンジン用途として用いる場合に熱応力の
発生を抑さえかつ破壊確率が10万分の1以下となる十
分な機械的強度特性を有したセラミックス材料となって
いた。これに対して、窒化ケイ素ウイスカーを添加しな
い比較例1の焼結体では、強度および靭性ならびに熱伝
導率が劣るものとなっており、また、窒化ケイ素ウイス
カーの添加量が10重量%である比較例2の焼結体では
粒成長が過度に促進されるため強度が大幅に低下したも
のになっていると共に、熱伝導率の方位依存性が若干大
きいものとなっていた。
(4) Results As shown in Tables 1 and 2, 0.5% silicon nitride whiskers were used.
In the sintered bodies of Examples 1 to 5 in which 88% by weight was added, the orientation dependence of the thermal conductivity was small, and an excellent value of 90 W / m · K or more was obtained on average. The mechanical strength is 650MP
a, the fracture toughness value is 6.5 MPa√m or more, and when used for turbine or engine applications, sufficient mechanical strength characteristics to suppress the generation of thermal stress and to reduce the probability of fracture to 1 / 100,000 or less Ceramic material. On the other hand, in the sintered body of Comparative Example 1 in which no silicon nitride whisker was added, the strength, toughness, and thermal conductivity were inferior, and the addition amount of the silicon nitride whisker was 10% by weight. In the sintered body of Example 2, since the grain growth was excessively promoted, the strength was greatly reduced, and the orientation dependency of the thermal conductivity was slightly large.

【0054】(実施例6〜10、比較例3,4)−表面
処理窒化ケイ素ウイスカーの水熱処理温度− (1)原料調整 窒化ケイ素針状粒子を得るに際しては、市販のβ型窒化
ケイ素ウイスカー(宇部興産製 E10 直径が3μ
m,長さが10μmのもの)を表3,4の実施例6〜1
0および比較例3,4の欄に示すように、100〜16
0℃の温度で96時間水熱処理した粒子と120℃の温
度で48時間および144時間水熱処理をした粒子を準
備し、乾燥して原料の窒化ケイ素ウイスカーとした。
(Examples 6 to 10, Comparative Examples 3 and 4)-Hydrothermal treatment temperature of surface-treated silicon nitride whiskers (1) Preparation of raw material To obtain silicon nitride needle-like particles, commercially available β-type silicon nitride whiskers ( Ube Industries E10 3μ in diameter
m, having a length of 10 μm) in Examples 6 to 1 of Tables 3 and 4.
0 and 100 to 16 as shown in the columns of Comparative Examples 3 and 4.
Particles subjected to a hydrothermal treatment at a temperature of 0 ° C. for 96 hours and particles subjected to a hydrothermal treatment at a temperature of 120 ° C. for 48 hours and 144 hours were prepared and dried to obtain a raw material silicon nitride whisker.

【0055】一方、マトリックス用窒化ケイ素原料粉末
を得るに際しては、市販の窒化ケイ素粉末(電気化学工
業製 P21FC )に、焼結助剤としてNd
2重量%とYを2重量%加えて96時間アルコー
ル中でボールミルにより粉砕混合した後乾燥した。
On the other hand, when obtaining a silicon nitride raw material powder for a matrix, a commercially available silicon nitride powder (P21FC manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was added with 2% by weight of Nd 2 O 3 and 2% by weight of Y 2 O 3 as sintering aids. The mixture was pulverized and mixed by a ball mill in an alcohol for 96 hours and then dried.

【0056】そして、窒化ケイ素粉末に対し窒化ケイ素
ウイスカーを4重量%配合したあとV型ブレンダで混合
して「表面処理ウイスカー混合粉末」とした。
Then, 4% by weight of silicon nitride whiskers were blended with the silicon nitride powder and mixed with a V-type blender to obtain "surface-treated whisker mixed powder".

【0057】(2)焼結条件と試験片形状 焼結に際しては窒素雰囲気(0.9MPa)にて200
0℃で4時間のガス圧焼結を行うことによって「表面処
理ウイスカー混合焼結体」を得た。なお、「表面処理ウ
イスカー混合焼結体」の形状は4×5×45mmのもの
とした。そして、前記形状の平板よりJIS形状の試験
片を作製した。
(2) Sintering Conditions and Specimen Shape During sintering, the sintering was performed in a nitrogen atmosphere (0.9 MPa).
By performing gas pressure sintering at 0 ° C. for 4 hours, a “surface-treated whisker mixed sintered body” was obtained. The shape of the “sintered whisker-mixed sintered body” was 4 × 5 × 45 mm. Then, a JIS-shaped test piece was prepared from the flat plate having the above-mentioned shape.

【0058】(3)微構造観察と特性評価 粒子群微構造についての評価は、試料をダイヤモンド粒
子(粒子径0.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡に
て行った。強度試験はJIS−R1601による4点曲
げ試験方法を用い、破壊靭性試験はJIS−R1607
によるSEPB法を用いて行った。さらに、熱伝導率は
JIS−R1611による円盤を用いて測定した。
(3) Observation of Microstructure and Evaluation of Characteristics Evaluation of the microstructure of the particle group was carried out using an optical microscope after polishing the sample with diamond particles (particle diameter 0.26 μm). The strength test uses a four-point bending test method according to JIS-R1601, and the fracture toughness test uses JIS-R1607.
Using the SEPB method. Further, the thermal conductivity was measured using a disk according to JIS-R1611.

【0059】(4)結果 表3,4に示すように、窒化ケイ素ウイスカーを110
〜140℃の温度で水熱処理をした針状粒子を用いた実
施例6〜10の焼結体では、熱伝導率の方位依存性が少
なく、平均値で90W/m・Kを超える優れた値が得ら
れた。また、機械的強度も650MPa以上、破壊靭性
値は6.5MPa√m以上であり、タービン用途やエン
ジン用途として用いる場合に熱応力の発生を抑さえかつ
破壊確率が10万分の1以下となる十分な機械的強度特
性を有したセラミックス材料となっていた。そして、水
熱処理温度が120℃である場合には48時間および1
44時間のいずれの処理でも同等の効果が得られた。こ
れに対して、水熱処理温度が100℃と低い比較例3の
焼結体では強度および靭性が低いものとなっており、水
熱処理温度が160℃と高い比較例4の焼結体において
も強度が低いものとなっていた。
(4) Results As shown in Tables 3 and 4, silicon nitride whiskers were
In the sintered bodies of Examples 6 to 10 using the acicular particles subjected to hydrothermal treatment at a temperature of up to 140 ° C., the orientation dependence of the thermal conductivity was small, and an excellent value exceeding 90 W / m · K on average. was gotten. In addition, the mechanical strength is 650 MPa or more, and the fracture toughness is 6.5 MPa√m or more. When used for turbine applications and engine applications, the generation of thermal stress is suppressed and the fracture probability is reduced to 1 / 100,000 or less. Ceramic material having excellent mechanical strength characteristics. When the hydrothermal treatment temperature is 120 ° C., 48 hours and 1 hour
The same effect was obtained by any of the treatments for 44 hours. On the other hand, the strength and toughness of the sintered body of Comparative Example 3 having a low hydrothermal treatment temperature of 100 ° C. are low, and the strength of the sintered body of Comparative Example 4 having a high hydrothermal treatment temperature of 160 ° C. Was low.

【0060】(実施例11〜15、比較例4〜6)−窒
化ケイ素混合粉末の焼結条件− (1)原料調整 窒化ケイ素針状粒子を得るに際しては、市販のβ型窒化
ケイ素ウイスカー(宇部興産製 E10 直径が3μ
m,長さが30μmのもの)を、120℃で96時間水
熱処理した後、乾燥して原料の窒化ケイ素ウイスカーと
した。
(Examples 11 to 15 and Comparative Examples 4 to 6)-Sintering Conditions of Silicon Nitride Mixed Powder-(1) Preparation of Raw Materials In order to obtain silicon nitride needle-like particles, commercially available β-type silicon nitride whiskers (Ube Kosan E10 diameter 3μ
m, having a length of 30 μm) was subjected to hydrothermal treatment at 120 ° C. for 96 hours, and then dried to obtain silicon nitride whiskers as a raw material.

【0061】一方、マトリックス用窒化ケイ素粉末を得
るに際しては、市販の窒化ケイ素粉末(電気化学工業製
P21FC )に、焼結助剤としてNdを2重
量%とYを2重量%加えて96時間アルコール中
でボールミルにより粉砕混合した後乾燥した。
On the other hand, when obtaining a silicon nitride powder for a matrix, a commercially available silicon nitride powder (P21FC manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was used to add 2% by weight of Nd 2 O 3 and 2% by weight of Y 2 O 3 as sintering aids. %, And the mixture was ground and mixed by a ball mill in alcohol for 96 hours and then dried.

【0062】そして、窒化ケイ素粉末に対し窒化ケイ素
ウイスカーを4重量%配合したあとV型ブレンダで混合
して「表面処理ウイスカー混合粉末」とした。
Then, 4% by weight of silicon nitride whiskers were blended with the silicon nitride powder and mixed with a V-type blender to obtain "surface-treated whisker mixed powder".

【0063】(2)焼結条件と試験片形状 焼結に際しては窒素雰囲気(0.9MPa)にて表5,
6の実施例11〜13ならびに比較例4および比較例5
(ただし、シート成形して積層したものを焼結)の欄に
示すように1950〜2100℃で4時間のガス圧焼
結、および実施例14および実施例15の欄に示すよう
にガス圧焼結後の熱間静水圧焼結、さらには比較例6の
欄に示すように2000℃で1時間のガス圧ホットプレ
ス焼結を行うことによって、「表面処理ウイスカー混合
焼結体」を得た。なお、「表面処理ウイスカー混合焼結
体」の形状は4×5×45mmのものとした。そして、
前記形状の平板よりJIS形状の試験片を作製した。
(2) Sintering Conditions and Specimen Shapes In sintering, a nitrogen atmosphere (0.9 MPa) was used.
6, Examples 11 to 13 and Comparative Examples 4 and 5
(However, as shown in the column of sheet molding and sintering, gas pressure sintering at 1950-2100 ° C. for 4 hours, and gas pressure sintering as shown in the columns of Examples 14 and 15) By performing hot isostatic sintering after sintering, and further performing gas pressure hot press sintering at 2000 ° C. for 1 hour as shown in the column of Comparative Example 6, a “surface-treated whisker mixed sintered body” was obtained. . The shape of the “sintered whisker-mixed sintered body” was 4 × 5 × 45 mm. And
A test piece having a JIS shape was prepared from the flat plate having the above shape.

【0064】(3)微構造観察と特性評価 粒子群微構造についての評価は、試料をダイヤモンド粒
子(粒子径0.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡に
て行った。強度試験はJIS−R1601による4点曲
げ試験方法を用い、破壊靭性試験はJIS−R1607
によるSEPB法を用いて行った。さらに、熱伝導率は
JIS−R1611による円盤を用いて測定した。
(3) Microstructure Observation and Characteristic Evaluation The microstructure of the particle group was evaluated using an optical microscope after polishing the sample with diamond particles (particle diameter 0.26 μm). The strength test uses a four-point bending test method according to JIS-R1601, and the fracture toughness test uses JIS-R1607.
Using the SEPB method. Further, the thermal conductivity was measured using a disk according to JIS-R1611.

【0065】(4)結果 表5,6に示すように、「表面処理ウイスカー混合粉
末」を1950〜2100℃の温度でガス圧焼結した実
施例11〜13の焼結体および熱間静水圧焼結を行った
実施例14および実施例15の焼結体では、熱伝導率の
方位依存性が少なく、平均値で90W/m・Kを超える
優れた値が得られた。また、機械的強度も650MPa
以上、破壊靭性値は6.5MPa√m以上であり、ター
ビン用途やエンジン用途として用いる場合に熱応力の発
生を抑さえかつ破壊確率が10万分の1以下となる十分
な機械的強度特性を有したセラミックス材料となってい
た。これに対して、焼結温度が1900℃と低い比較例
4の焼結体では強度および靭性が低いと共に熱伝導率も
あまり良くなく、また、押し出し成形したあと焼結した
比較例5の焼結体や焼結時に異方性のでるホットプレス
焼結を行った比較例6の焼結体では熱伝導率に比較的大
きな異方性が生じていた。
(4) Results As shown in Tables 5 and 6, the "surface-treated whisker mixed powder" was gas-pressure sintered at a temperature of 1950 to 2100 ° C. and the sintered bodies of Examples 11 to 13 and hot isostatic pressure In the sintered bodies of Examples 14 and 15 in which sintering was performed, the orientation dependency of the thermal conductivity was small, and an excellent value exceeding 90 W / m · K on average was obtained. The mechanical strength is also 650MPa
As described above, the fracture toughness value is 6.5 MPa√m or more, and has sufficient mechanical strength characteristics to suppress the generation of thermal stress and reduce the probability of fracture to 1 / 100,000 or less when used for turbine and engine applications. Ceramic material. On the other hand, the sintered body of Comparative Example 4 having a low sintering temperature of 1900 ° C. has low strength and toughness and not very good thermal conductivity, and the sintered body of Comparative Example 5 which is extruded and then sintered. In the sintered body of Comparative Example 6 in which hot press sintering was performed during the sintering or in the sintering, a relatively large anisotropy occurred in the thermal conductivity.

【0066】(実施例16〜23)−焼結助剤の種類と
添加量− (1)原料調整 窒化ケイ素針状粒子を得るに際しては、市販のβ型窒化
ケイ素ウイスカー(宇部興産製 E10 直径が3μ
m,長さが50μmのもの)を、120℃の温度で96
時間水熱処理した後、乾燥して原料の窒化ケイ素ウイス
カーとした。
(Examples 16 to 23)-Kinds and Additions of Sintering Aids-(1) Raw Material Adjustment To obtain silicon nitride needle-like particles, a commercially available β-type silicon nitride whisker (E10 having a diameter of E10 manufactured by Ube Industries) 3μ
m, having a length of 50 μm) at a temperature of 120 ° C. for 96 hours.
After hydrothermal treatment for an hour, it was dried to obtain silicon nitride whiskers as a raw material.

【0067】一方、マトリックス用窒化ケイ素原料粉末
を得るに際しては、市販の窒化ケイ素粉末(電気化学工
業製 P21FC )に、焼結助剤として表7,8の実
施例16〜23の欄に示すように、酸化イットリウム,
酸化ネオジム,酸化ランタン,酸化イッテルビウムのう
ちから選んだ希土類酸化物と、酸化シリコン,酸化マグ
ネシウムのうちから選んだ非希土類酸化物とを組み合わ
せて合計で4重量%加え、96時間アルコール中でボー
ルミルにより粉砕混合した後乾燥した。
On the other hand, when obtaining a silicon nitride raw material powder for a matrix, commercially available silicon nitride powder (P21FC manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was used as a sintering aid as shown in the columns of Examples 16 to 23 of Tables 7 and 8. And yttrium oxide,
A rare earth oxide selected from neodymium oxide, lanthanum oxide and ytterbium oxide and a non-rare earth oxide selected from silicon oxide and magnesium oxide are combined in a total of 4% by weight, and added to a ball mill in alcohol for 96 hours. After crushing and mixing, it was dried.

【0068】そして、窒化ケイ素粉末に対し窒化ケイ素
ウイスカーを4重量%配合したあとV型ブレンダで混合
して「表面処理ウイスカー混合粉末」とした。
Then, 4% by weight of silicon nitride whiskers were blended with the silicon nitride powder and mixed with a V-type blender to obtain "surface-treated whisker mixed powder".

【0069】(2)焼結条件と試験片形状 焼結に際しては窒素雰囲気(0.9MPa)にて200
0℃で4時間のガス圧焼結を行うことによって、「表面
処理ウイスカー混合焼結体」を得た。なお、表面処理ウ
イスカー混合焼結体の形状は4×5×45mmのものと
した。そして、前記形状の平板よりJIS形状の試験片
を作製した。
(2) Sintering conditions and test piece shape During sintering, the sintering was performed in a nitrogen atmosphere (0.9 MPa).
By performing gas pressure sintering at 0 ° C. for 4 hours, a “surface-treated whisker mixed sintered body” was obtained. In addition, the shape of the surface-treated whisker mixed sintered body was 4 × 5 × 45 mm. Then, a JIS-shaped test piece was prepared from the flat plate having the above-mentioned shape.

【0070】(3)微構造観察と特性評価 粒子群微構造についての評価は、試料をダイヤモンド粒
子(粒子径0.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡に
て行った。強度試験はJIS−R1601による4点曲
げ試験方法を用い、破壊靭性試験はJIS−R1607
によるSEPB法を用いて行った。さらに、熱伝導率は
JIS−R1611による円盤を用いて測定した。
(3) Observation of Microstructure and Evaluation of Characteristics Evaluation of the microstructure of the particle group was performed using an optical microscope after polishing the sample with diamond particles (particle diameter 0.26 μm). The strength test uses a four-point bending test method according to JIS-R1601, and the fracture toughness test uses JIS-R1607.
Using the SEPB method. Further, the thermal conductivity was measured using a disk according to JIS-R1611.

【0071】(4)結果 表7,8に示すように、焼結助剤を適正範囲内で変えた
ときでも、先の実施例と同様に、実施例16〜23にお
ける焼結助剤の組み合わせとした場合に熱伝導率の方位
依存性が少なく、平均値で90W/m・Kを超える優れ
た値が得られた。また、機械的強度も650MPa以
上、破壊靭性値は6.5MPa√m以上であり、タービ
ン用途やエンジン用途として用いる場合に熱応力の発生
を抑さえかつ破壊確率が10万分の1以下となる十分な
機械的強度特性を有したセラミックス材料となってい
た。
(4) Results As shown in Tables 7 and 8, even when the sintering aid was changed within an appropriate range, the combination of the sintering aid in Examples 16 to 23 was the same as in the previous example. In this case, the orientation dependence of the thermal conductivity was small, and an excellent value exceeding 90 W / m · K on average was obtained. In addition, the mechanical strength is 650 MPa or more, and the fracture toughness is 6.5 MPa√m or more. When used for turbine applications and engine applications, the generation of thermal stress is suppressed and the fracture probability is reduced to 1 / 100,000 or less. Ceramic material having excellent mechanical strength characteristics.

【0072】[0072]

【表1】 [Table 1]

【0073】[0073]

【表2】 [Table 2]

【0074】[0074]

【表3】 [Table 3]

【0075】[0075]

【表4】 [Table 4]

【0076】[0076]

【表5】 [Table 5]

【0077】[0077]

【表6】 [Table 6]

【0078】[0078]

【表7】 [Table 7]

【0079】[0079]

【表8】 [Table 8]

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

【図1】 本発明による高熱伝導性窒化ケイ素焼結体の
組織を模式的に示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing the structure of a highly thermally conductive silicon nitride sintered body according to the present invention.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化ケイ素マトリックス中に、窒化ケイ
素ウイスカーが0.5〜8.5体積%分散してなり、互
いに直交するX,Y,Z方向での熱伝導率の平均値が9
0W/m・K以上であると共に前記X,Y,Z方向にお
ける熱伝導率の値が±10W/m・K以内であることを
特徴とする高熱伝導性窒化ケイ素焼結体。
1. Silicon nitride whiskers are dispersed in a silicon nitride matrix in an amount of 0.5 to 8.5% by volume, and the average thermal conductivity in X, Y, and Z directions orthogonal to each other is 9%.
A highly thermally conductive silicon nitride sintered body characterized by being at least 0 W / m · K and having a value of thermal conductivity within ± 10 W / m · K in the X, Y, and Z directions.
【請求項2】 窒化ケイ素ウイスカーのうち、直径が3
μm以上であるウイスカーの占める割合が10〜65面
積%であることを特徴とする請求項1に記載の高熱伝導
性窒化ケイ素焼結体。
2. A silicon nitride whisker having a diameter of 3
The high thermal conductive silicon nitride sintered body according to claim 1, wherein the proportion of the whiskers having a size of at least μm is 10 to 65 area%.
【請求項3】 焼結助剤を1〜7重量%含有した窒化ケ
イ素粉末に、窒化ケイ素ウイスカーを0.5〜8.5重
量%添加した混合粉末を焼結して、互いに直交するX,
Y,Z方向での熱伝導率の平均値が90W/m・K以上
であると共に前記X,Y,Z方向における熱伝導率の値
が±10W/m・K以内である窒化ケイ素焼結体を得る
ことを特徴とする高熱伝導性窒化ケイ素焼結体の製造方
法。
3. A mixed powder in which 0.5 to 8.5% by weight of silicon nitride whiskers are added to silicon nitride powder containing 1 to 7% by weight of a sintering aid, and X, X
A silicon nitride sintered body having an average value of thermal conductivity in the Y, Z directions of 90 W / m · K or more and a value of thermal conductivity in the X, Y, Z directions within ± 10 W / m · K. A method for producing a silicon nitride sintered body having high thermal conductivity, characterized by obtaining:
【請求項4】 添加する窒化ケイ素ウイスカーがβ型窒
化ケイ素であり、直径が2〜5μm、長さが20〜50
μmであるものとすることを特徴とする請求項3に記載
の高熱伝導性窒化ケイ素焼結体の製造方法。
4. The silicon nitride whisker to be added is β-type silicon nitride, having a diameter of 2 to 5 μm and a length of 20 to 50.
The method for producing a highly thermally conductive silicon nitride sintered body according to claim 3, wherein the thickness is set to be μm.
【請求項5】 添加する窒化ケイ素ウイスカーを110
〜140℃で水熱処理することを特徴とする請求項3ま
たは4に記載の高熱伝導性窒化ケイ素焼結体の製造方
法。
5. The silicon nitride whisker to be added is 110
The method for producing a highly thermally conductive silicon nitride sintered body according to claim 3, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 140 ° C. to 140 ° C. 6.
【請求項6】 窒化ケイ素粉末に含まれる焼結助剤は、
酸化イットリウム,酸化ネオジム、酸化ランタン,酸化
イッテルビウムのうちから選ばれる1種以上の希土類酸
化物と、酸化シリコン,酸化マグネシウムのうちから選
ばれる1種以上の非希土類酸化物のうちから選ばれる1
種または2種以上であることを特徴とする請求項3ない
し5のいずれかに記載の高熱伝導性窒化ケイ素焼結体の
製造方法。
6. The sintering aid contained in the silicon nitride powder,
One or more rare earth oxides selected from yttrium oxide, neodymium oxide, lanthanum oxide, ytterbium oxide, and one or more non-rare earth oxides selected from silicon oxide and magnesium oxide
The method for producing a highly thermally conductive silicon nitride sintered body according to any one of claims 3 to 5, wherein the method is one or more kinds.
【請求項7】 焼結助剤を含有した窒化ケイ素粉末と窒
化ケイ素ウイスカーとの混合粉末を1950〜2100
℃の温度でかつ窒素分圧を0.2〜1MPaとした窒素
ガス中でガス圧焼結することを特徴とする請求項3ない
し6のいずれかに記載の高熱伝導性窒化ケイ素焼結体の
製造方法。
7. A mixed powder of a silicon nitride powder and a silicon nitride whisker containing a sintering aid is mixed with 1950-2100
7. The high thermal conductive silicon nitride sintered body according to claim 3, wherein gas-pressure sintering is performed in a nitrogen gas at a temperature of ℃ and a nitrogen partial pressure of 0.2 to 1 MPa. Production method.
【請求項8】 焼結助剤を含有した窒化ケイ素粉末と窒
化ケイ素ウイスカーとの混合粉末を1950〜2100
℃の温度でかつ窒素分圧を0.2〜1MPaとした窒素
ガス中でガス圧焼結した後、2100〜2200℃の温
度で30〜200MPaの窒素雰囲気下で熱間静水圧焼
結することを特徴とする請求項3ないし7のいずれかに
記載の高熱伝導性窒化ケイ素焼結体の製造方法。
8. A mixed powder of a silicon nitride powder containing a sintering aid and a silicon nitride whisker,
Gas pressure sintering in nitrogen gas at a temperature of 200 ° C. and a nitrogen partial pressure of 0.2 to 1 MPa, and then hot isostatic sintering at a temperature of 2100 to 2200 ° C. in a nitrogen atmosphere of 30 to 200 MPa. The method for producing a silicon nitride sintered body having high thermal conductivity according to any one of claims 3 to 7, characterized in that:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110423122A (en) * 2019-08-06 2019-11-08 中国科学院上海硅酸盐研究所 A kind of low-loss, high thermal conductivity silicon nitride ceramics preparation method

Cited By (2)

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