JPS5838386B2 - 炭素−セラミツクス複合材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炭素とセラミックス粉末とをバインダーなしで
成形して、機械的強度の大きい炭素一セラミックス複合
材を製造する方法に関するものである。

炭素材料は優れた耐熱性、耐蝕性を有する反面、機械的
強度が弱く、関連業界では高密度高強度炭素材料の新し
い製造方法が切望されてきた。

一方、一般炭素材料の強度強化法として、ピッチ、樹脂
、金属等の含浸法も行われているが、これらの方法は、
複雑な工程あるいは炭素材の特徴である耐熱性が損われ
るなどの難点がある。

そこで、機械的強度と耐熱性を兼ね備えた炭素とセラミ
ックスとの複合化が最近注目され、現在コークス粉末と
セラミックス粉末をピッチあるいは粘土などの粘結材と
ともに混練し、或形、焼或する方法、また、炭化ホウ素
あるいはその他のセラミックス粉末とコークス粉末をホ
ットプレスする方法が行われている。

しかしながら、これらの製造方法は、工程が複雑でしか
も高密度の製品が得られないとか、あるいは製品の形状
、寸法に制限がありコストも高くつくなどの難点がある
。

本発明者らは、さきに新しい高密度炭素材料を開発する
目的で研究を進めた結果、６００℃以下で製造された易
黒鉛化性コークスを、摩砕処理すると、その焼結性が飛
躍的に向上し、これを原料にすると、粘結材を用いなく
ても、成形後、焼或するだけで容易に高密度硬質炭素材
が製造できることを見出した（特開昭５４−６４０９６
号公報）。

本発明者らは、さらに研究を進め、上記の摩砕処理技術
を応用した従来にない高品質、かつ簡便な炭素一セラミ
ックス複合材の製造方法を発明するに至ったものである
。

本発明は、コークスとセラミックス粉末を混合したのち
、摩砕処理した混合粉末をそのまま加圧戒形し焼戊する
ことを特徴とするもので、コークスの摩砕処理によるメ
カノケミカル効果を効果的に利用することによって、従
来の製造方法の難点であった粘結材あるいはホットプレ
ス法を使用しなくても、焼結、ち密化が可能となり容易
に高品質の炭素一セラミックス複合材を製造することが
可能となった。

原料とするコークスは残留揮発分を有するいわゆる半或
コークスである。

本発明者らの実験によると、残留揮発分が多いコークス
を用いるはど摩砕処理によるメカノケミカル効果がより
顕著であり、よりち密な製品が得られることがわかった
。

特に高強度の製品を得るには４重量φ以上の残留揮発分
が必要である。

原料セラミックスは炭化物、ホウ化物、酸化物、窒化物
その他が使用可能である。

コークスに対するセラミックスの配合割合は９０重量φ
まで可能であり、１種または数種のセラミックスを配合
することも可能である。

本発明においては、コークスとセラミックス粉末とを混
合したのち、摩砕処理することが重要であって、このよ
うな処理によって、炭素とセラミックスとの分散状態を
良くするとともに、メカノケミカル効果をより短時間に
、かつ高度に発現させることができる。

摩砕雰囲気は空気中、不活性雰囲気中、いずれも可能で
ある。

摩砕方式は、湿式、乾式いずれも可能であるが、完全に
乾燥した状態よりも、数重量多以上の水分あるいはその
他の揮発性液体を含むほうがより効果的である。

摩砕処理装置は、らい潰機等のいわゆるすりつぶし型、
あるいはボールミル等の衝撃粉砕型、いずれも可能であ
る。

ただし、振動ボールミルのような高速機種の場合は、粉
砕中に発熱することがあり、この場合、コークスの変質
を避けるため水冷等により冷却する必要がある。

摩砕処理時間は、機種及びセラミックスの配合割合によ
って異なる。

らい潰機等のいわゆるすりつぶし型の機器を用いた場合
、摩砕時間が長くなるほど焼結性は良くなり、粉体の成
形性も良い。

また、ボールミルの如き衝撃粉砕型の機器を用した場合
は、ある時間までは摩砕時間が長いほど焼結性が良くな
るが、一定時間以上摩砕すると摩砕時間とともに焼結性
は悪くなる。

以上のようにして調製した処理粉末は、ピッチあるいは
粘土などの粘結材を使用することなく、金型加圧或形、
あるいはラバープレス等の等方加圧或形により所定形状
に成形する。

摩砕処理中に水分を存在させた場合は、摩砕処理後、水
分が１０φ以下になるように乾燥処理を行うと、成形が
より容易になる。

また、アルコール等の有機溶媒を使用した場合は完全に
乾燥処理を行う必要がある。

或形圧力は高いほどより高密度の製品が得られるが、金
型による常温或形の場合、４０００ｋｇ／ｃｙ？ｉ以上
の圧力では、圧力がそれ以上に増えても密度に対する効
果はわずかであり、通常２０００〜３０００ｋｇ／一で
充分である。

また、金型を３００℃以下程度に加熱しておけばよりち
密に戒形できる。

所定形状に或形した或形体は、コークスとセラミックス
の反応温度以下で焼成する。

焼成中のコークスの酸化を防ぐために、窒素、アルゴン
、真空等の不活性雰囲気が必要である。

本発明方法では粘結材を使用しないために、焼或中の揮
発分量は比較的少く、このため１０℃，Ａｎｉｎ程度の
速い昇温も可能である。

本発明方法は粘結材を使用しないので、粘結材との混練
操作は不必要であり、従来法に比較して製造工程はより
簡単である。

また粘結材を使用しないため、速い昇温でも製品のひず
みやクラツクが発生せず、よりち密な製品が得られる。

さらにホットプレスを使用しないことから、得られる製
品の寸法、形状は比較的任意であり、かつコストもより
安価となる。

本発明方法によって得られた炭素−セラミックス複合材
は、従来の炭素材料あるいは従来法による炭素一セラミ
ックス複合材にない高い機械的強度を有している。

すなわち、一般の炭素材料の曲げ強度は１００〜６００
ｋｇ／ｆｆｌであり、また、従来の粘結材を使用した複
合材では数百ｋｇ／Ｃ１１ｌの曲げ強度、またホットプ
レス法による複合材では、例えば、炭素７０φ一炭化ホ
ウ素３０φの２００００Ｃ焼戒体で１６００ｋｇ／一の
曲げ強度であるのに対して、本発明方法によるこれと同
じ組戊の１０００°Ｃ焼或体は２０００ゆ／ｄのより高
い曲げ強度を有している。

本発明方法による炭素一セラミックス複合材は，そのす
ぐれた特性により、従来の炭素材料および炭素一セラミ
ックス複合材の用途である各種機械部品材料、窯業用材
料、化学工業用耐食材料、電気・電子部品材料その他に
使用できるとともに、従来の炭素材料及び炭素一セラミ
ックス複合材では使用不可能であった強度を必要とする
機械田治具、特殊耐火物、シーリング材、バルブ、パイ
プなどの化学工業用耐食材料などの使用も可能である。

また、最近注目されている生体用材料としても使用可能
であり、広い有用性を有する。

以下に本発明の実施例を示す。

実施例 １ 摩砕処理に使用した機器は水平振動を行う振動ボールミ
ルである。

これは衝撃粉砕を行う機器で通常のボールミルに較べて
１０数倍の粉砕能力を有している。

ポットの内部形状は９０ｒ／ＬＴ／ＬφＸ９０ｍｍで、
１回の処理量は７０ｇとした。

摩砕処理の際、ポットを水冷した。

用いたコークスは残留揮発分８〜９重量係を有する石油
性生コークスである。

このコークス粉末とセラミックス粉末とを次表に示す配
合比で混合したのち１時間摩砕処理した。

試料粉末には５重量φの水分を存在させた。

＊＊ 摩砕処理した粉末は内径
２０ｍｍの金型により２５０°Ｃで２ ０ ０ ０ｋｇ
／ｃｉの加圧力により成形し、さらに不活性ガス中１０
００゜Ｃで１時間焼或した。

このときの昇温速度は５℃／分とした。

このようにして３種の炭素−セラミックス複合材を製造
した。

比較のために、従来法によるピッチ、フェノール樹脂を
バインダーとして用いた複合材を製造し、これら複合材
の諸性質を測定して、結果を第１表にまとめて示した。

実施例 ２ 生コークス粉末（揮発分約８重量係含有）６３重量φと
炭化ケイ素粉末３７重量φを混合し、この粉末混合物を
実施例１と同様に振動ボールミルを用いて約１時間摩砕
処理した。

これを実施例１と同様にして加圧或形し、１０００℃及
び２００００Ｃの温度でそれぞれ１時間焼戒した場合の
それぞれの焼結複合材のかさ密度及び曲げ強度を測定し
た。

一方、比較のために、両原料粉末を混合することなく、
生コークス粉末のみを同様に摩砕処理し、これと炭化ケ
イ素粉末を混合して、同様の加圧或形、焼或を行ったも
のについて物性を測定した。

これらの測定結果を第２表に示す。

この表より、コークスのみを摩砕処理してセラミックス
と混合し或形焼威した複合材は従来法によるよりも向上
した物性を有するが、コークスとセラミックスの粉末混
合物を摩砕処理したものは、さらに高い密度及び強度を
有する優れた複合材を提供することがわかる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 残留揮発分４重量φ以上を有するゴークスとセラミ
   ックス粉末を混合したのち、摩砕処理した混合粉末をそ
   のまま加圧或形し、焼或することを特徴とする炭素一セ
   ラミックス複合材の製造方法。 ２ 摩砕処理の際に、揮発性液体を存在させる特許請求
   の範囲第１項記載の製造方法。