JPS59147000A - β型窒化けい素ウイスカ−の製造方法 - Google Patents

β型窒化けい素ウイスカ−の製造方法

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JPS59147000A
JPS59147000A JP58016257A JP1625783A JPS59147000A JP S59147000 A JPS59147000 A JP S59147000A JP 58016257 A JP58016257 A JP 58016257A JP 1625783 A JP1625783 A JP 1625783A JP S59147000 A JPS59147000 A JP S59147000A
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silicon nitride
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gas
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Hajime Saito
肇 斎藤
Tetsuro Urakawa
浦川 哲朗
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Coorstek KK
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Toshiba Ceramics Co Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/005Growth of whiskers or needles
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/38Nitrides

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、β型窒化けい素ウィスカーの製造方法に係り
、特に1250〜1450°Cというような1比較的低
温で、繊維長の長いよく発達したβ型窒化けい素ウィス
カーが容易に得られるβ型窒化けい素ウィスカーの製造
方法に関するものである。
一般に、β型窒化けい素ウィスカーは、窒化けい素のも
つ優れた一高温強度と耐熱衝撃性とにより鵠・・複合材
料用繊維強化材としてその応用が大いに期待されている
本発明に関連する従来技術としては次のようなものがあ
るけれども、以下説明するごとく本発明とは全く異なる
ものであり、これらから容易に類推しうるものではない
。本発明はβ型窒化けい素ウィスカーを得′るもので工
業的′に有利なすぐれた方法である。
■特公昭5l−1232Or窒化けい素の製造方法」シ
リカとカーボンの混合物にフッ化物を添加。
する点や、その組成などは本発明と似ているが、フッ化
物添加の方法が異なり、シリカ:カーボン:氷晶石のモ
ル比については全く記載されておらず、また、ウィスカ
ーの結晶型についても何ら言及していない。
■特公昭50−21160 「繊維状窒化けい素結晶の
製造方法」 窒化けい素のSi源としてけい素を使用している点が本
発明と全く異なる。
■特公昭5O−448(l 「窒化けい素繊維の製造法
」これは窒化反応の際の触媒として用いる金属添加物を
用いるものであり、本発明とは全く異なるものである。
また生成ウィスカーの結晶型については全く言及してい
ない。
■特公昭49−27755 r窒化けい素ウィスカーの
製造法」 これはN2雰囲気中にat主成分添加するものであり、
本発明と全く異なる。また生成ウィスカーの結晶型につ
いては全く言及していない。
つまり、簡単にいえば、従来の窒化けい素ウィスカーの
製造方法としては次のものが知られている。すなわち、 1)金属けい素粉末の直接窒化法、 2)ハロゲン化けい素とアンモニアとを接触反応1゛さ
せる方法、 8)シリカ還元法にフッ化物や塩素成分を添加してN、
ガスを反応させる方法、 などがあるが、前記1) 、 lの方法では何れも粉末
状で繊維長の短いウィスカーしか得られない。又、前記
の8)の方法では、繊維長のやや長し)ウィスカーは得
られるが、その構造は、1300〜1400°Cの比較
的低い処理温度ではα型が主要組成であった。
かくして従来技術における問題点として、5i8N。
ウィスカーを、5i8N、粉末に混合し、5i8N、焼
結体の補強材として使用した場合、Si、N、の相転移
カ問題となる。Si、N、には、六方晶系に属するα型
、β型の2つの結晶相が存在し、両者の結晶格子の大き
さは、α型がa。==’y、’ye人、co=5.a2
人、β型がa。=7.61人、0o=2.91人であり
、C軸方向の結晶格子の大きさが異なる。β型が高温相
であり、約1400〜1600℃でα型からβ型への相
転移が生ずるとされている。Si、N、焼結体の原料に
は、高純度の焼結性の良いα型5i8N、粉末が良く、
焼結中にα型からβ型への相転移が起こり、高強度化に
つながっていると考えられている。このようなα型51
8N、粉末中に、α型の多いSi、N。
ウィスカーを混合し焼結した場合、焼結時にウィスカー
゛自体も相転移を起こし、マトリックスとの間に歪を生
じ強度低下を招くことが報告されている。このような5
i8N、ウィスカーの相転移の影響は、518N4以外
の焼結体の補強に際しても同様であると考えられ、β型
を主成分とする5i8N、ウィスカーの製造方法を開発
することが急務となっていた。
本発明は上記の点に鑑み、本発明者等が鋭意研究の結果
達成させたものであり、例えば、1250〜1450°
Cのような比較的低温で、繊維長の長いよく発達したβ
型Si8N4ウィスカーの製造を目的としたものである
すなわち本発明のβ型窒化けい素ウィスカーの製造方法
は、シリカとカーボンと氷晶石とのモル比が1:(2〜
10 ) ’ (’/12〜1/4)である混合物を、
NH,をN2に対しモル比でス以下添加した(N、十N
K、)の混合雰囲気中の比較的低温で温度1250〜1
450°Cに加熱反応させることを特徴とする。
シリカ還元法によりN、ガスを用いた窒化けい素5i8
N、ウィスカーの生成反応は次の2式で示される。
Sin、(固体)+C(固体)→5in(気体) + 
Co (気体用・・(1)s sio (気体)+2N
2(気体)+aco(気体)→5i8N4(固1体)+
8C○、(気体) ・・・・・・・・・・・・・・・(
2)本発明者らはシリカとカーボンとを氷晶石の存在下
に窒素雰囲気中に微量のNH8を添加して反応させるこ
とによってβ型5i8N、ウィスカーを比較的低温で製
造しうることを見出した。
上記(1)式の反応は5in2とCとの固体間反応であ
るためその反応速度は遅いが5in2とCの反応に於い
て氷晶石を存在させると、このフラックスの作用により
S 102はけい酢塩融体となり、液体と固体のCとの
反応となり次式(3)の反応になる。
5io2(液体)+C(固体)→SiO(気体) + 
co (気体)・・・(3)この反応は従来の固体間反
応よりその反応速度が著しく促進されSiOの生成が促
進される。
一方、反応雰囲気中にNH8を添加するとNI(8の熱
分解により生成するH2ガスの強力な還元作用で上記(
3)式で生成した気体のSiOは次式(4)の如く反応
する。
5in(気体)十H2(気体)→Si(気体) + H
20(気体)・・・(4)かくして生成したSi(気体
)はN2と反応して次式、の反応によってβ型S iB
 N4結晶核を生成する。
8Si(気体)+2N2(気体)→s ia N 4 
(固体)・・・・川・・(5)一旦生成したβ−8i8
N、結晶核の成長は(2)の反応によるα型生成条件下
においてもβ型となることは一般的結晶成長論に合致す
るものである。
したがってβ型ウィスカーは、(4) l (5) +
 (2)の反応により進行するものである。こ\で問題
となるのはSi単結晶を加熱して蒸気也しN2ガスと反
応させたときはα型を生成するがこの場合何故に(5)
の反応によりβ型となるがという点である。このことは
SiOが加熱下に還元されてえられたSi蒸気はSi単
結晶を加熱してえられたSi蒸気とは物性が異なること
によるものである。このことは他の例として溶融体から
単結晶を合成する場合に、Fe■を原料とした融体がら
はFe■を含む単結晶かえられないにもかかわらずFe
  を原料として高温でFe  に還元した融体がらは
Fe■を含む単結晶かえられ、それは両Fe  の物性
が異なることで説明されているが、これと類似の現象に
より説明できる。それは活性度とイオン半径の差異が原
因であ、・・、す、この場合は結晶歪を少なくするため
coの値のよ小手さいβ型を生成するものである。さら
にこの場合(2)の反応も条件如何によっては単独にお
こりα型を同時に生成することもある。
本発明において、シリカとカーボンの混合比は、モル比
でSiO2:Cが1:2〜l:10であり、さらに好ま
しくはSiO2:C−1=4付近である。カーボンのモ
ル比が上記範囲より少ないと、(1)式の反応が進行し
難くなり、逆に上記範囲より多くなると、未反応で残渣
となるカーボン量が増加し、効率が悪くなり好ましくな
い。
次にシリカと氷晶石との混合比は、氷晶石自体と、窒素
雰囲気中に添加するNH8との相乗効果が著しいため、
−概には決定できないが、モル比でSin□: Na3
AlF6が1 : H2〜1 : 1/4程度が好まし
く、混合雰囲気(N’2+ NH8)におけるN2: 
NH8がモル比で24=1の時には、SiO2: Na
8A7F6が1=1/10 ” 1 : 1/、、がよ
り好ましい。氷晶石の量が上記範囲より多くなると、反
応時に生成するけい酸塩融体の量が多くなり過ぎ、N2
やSiOガスの移・動が妨げられ、(4) + (5)
式の反応が進行し難くなり、・残渣中GこSiOが生成
し好ましくない。逆に、上記範囲より少なくなると、(
3)式の反応が遅くなり、残渣中に未反応のS io 
2が生成し好ましくない。
NH8の混合比は、N2に対しモル比で14以下が好ま
しく、さら(こ好ましくは1/12以下である。混合比
が]/15を越えると、雰囲気中のN9分圧を下げ過ぎ
、残渣中に多量のSiOが生成し易くなるので好ましく
ない。又、N2ガス単独の場合にはα型5i8N、ウィ
スカーが生成−し易くなりβ型5i8N、ウィスカーが
得られない。
上述の如く、適量のNH8と氷晶石の存在は本発明にお
いて不可欠の要件である。・ 反応湿度は1250〜1450℃で、1250℃より下
では反応が進行しにくくなり極端に収率を1・悪くする
。一方1450°Cを越えると窒化けい素が生成せず、
炭化けい素を生成する。好ましくは1300〜1400
℃である。
以下さらに本発明を実施例につき比較例と対比して説明
する。
それぞれ、試料原料5として、100 meshを通過
する無水けい酸(シリカ)、活性炭(カーボン)及び氷
晶石の粉末を次表にてモル比で示すように、乾式混合す
る。この混合した試料原料5を、それぞれ19をカーボ
ン製の試料容器4に第1図に示すように充填し、ムライ
ト製の保護管8内に入れ、これをさらにムライトチュー
ブを炉芯管2に用いた電気炉1内に装入する。モル比で
N、:NH8が次表に示すような混合雰囲気6を炉芯管
2内に図中矢印で示すように流入せしめながら、この(
N十NH8)雰囲気中で、温度1350℃で24時間加
熱反応させた。一方、排出ガス7として図。
中矢印で示すように排出させ、この場合の前記流入混合
雰囲気ガス6の流量は50 Cc//minであり、炉
芯管2内部は略々常圧で反応させた。その結果保護管3
内面に生成した窒化けい素ウィスカーをX線回折により
判断し、α相とβ相の含有率(重量%)を次表にそれぞ
れ併記した。
表から明らかなようにζ比較例1及び比較例5は、試料
原料5中の氷晶石が本発明方法の範囲外であり、α型窒
化けい素ウィスカーの含有率が大きかったり、β′−サ
イアロン(Si6−Z”ZOZN8−Z ’1≦2≦4
)や、SiCが生成し良好ではない。
比較例2〜比較例4は、混合雰囲気ガス6のN2+NH
3のモル比が本発明方法の範囲外であり、α型窒化けい
一素ウイスカーの含有率が大きかったり、β′−サイア
ロンやSiOが生成し良好ではない。
本発明方法の実施例1〜実施例5では、何れもβ型窒化
けい素ウィスカーの含有率が80%以上であり、これら
のウィスカーは径が0.2〜1.5μ、長さが平均5 
mm程度の純粋で良く成長したβ型窒化けい素ウィスカ
ーが得られた。すなわち、これら実施例において本発明
の顕著な効果が認められた。
以上詳述した如く、本発明によれば、比較的低温で繊維
長の長い柔軟なよく発達したβ型窒化けい素ウィスカー
を容易に製造し得る方法を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例にて用いた装置を示す断面略
図である。 l・・・電気炉      2・・・炉芯管3・・・保
護管      4・・・試料容器5・・・試料原料 
    6・・・流入混合雰・囲気(N2+NH8)7
・・・排出ガス 特ン出−願人    東芝セラミックス株式会社第1図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 シリカとカーボンと氷晶石とからなる混合ル比が、
    l:(2〜lo):(しi〜1/4)である混合物を、
    NE(8をN2に対しモル比で14以下添加した(N2
    +NH8) の混合雰囲気中で温度1250〜1450
    °Cに加熱反応させることを 、特徴とするβ型窒化け
    い累ウィスカーの製造方法。
JP58016257A 1983-02-04 1983-02-04 β型窒化けい素ウイスカ−の製造方法 Granted JPS59147000A (ja)

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JPS6348840B2 JPS6348840B2 (ja) 1988-09-30

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62256798A (ja) * 1986-04-30 1987-11-09 Toshiba Ceramics Co Ltd 繊維状窒化珪素の製造方法
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