JPS5940788B2

JPS5940788B2 - 複合材料

Info

Publication number: JPS5940788B2
Application number: JP52160064A
Authority: JP
Inventors: 宏彰丹治; 好雄尾形; 明宮井
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1977-12-29
Filing date: 1977-12-29
Publication date: 1984-10-02
Also published as: JPS5493011A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、窒化珪素系焼結体、特に窒化珪素、窒化硼素
、酸化マグネシウム及びランタン族元素の酸化物からな
る粉末混合物を焼結した耐熱衝撃性の優れた複合材料に
関するものである。

窒化珪素系焼結体は酸化アルミニウム等の酸化物糸セラ
ミックスに比較し、優れた耐熱衝撃性を有することから
、激しい熱衝撃を発生するガスタービン、エンジン等に
利用する提案がある。

しかし、このような構造材料用窒化珪素焼結体は、窒化
珪素が極めて焼結体の悪い材料であるため、焼結促進剤
を加えて加圧焼結する方法しか無かった。

本発明者等は、先に窒化珪素に酸化マグネシウムとラン
タン族元素酸化物を添加する方法を提案した。

これは温度５５０℃以下の焼結体を直接水中に投入して
も亀裂を発生しないという効果があるが、しかし、さら
に高温の焼結体の状態で直接水中に投入した場合には、
熱応力によって亀裂が発生し、急激に強度低下を生じ、
耐熱衝撃性に問題があることが分った。

１本発明は、これを解決するため窒化珪素を主成分
とする糸に窒化硼素を加え焼結体とすることにより、高
温の耐熱衝撃性を改善し、しかも焼結体の緻密さも保持
する優れた複合材料を提供することを目的とするもので
ある。

すなわち本発明は、体積比で、窒化珪素５０〜９９．９
％含有する窒化硼素との混合物７０〜９９．８％、ラン
タン族元糸の酸化物０．１〜２９．９％及び酸化マグネ
シウム０．１〜２９，９％からなる粉末混合物を焼結し
てなる複合材料である。

１以下、さらに本発明について詳しく説明する。

本発明品の構成成分は体積比で窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ、）５０〜９９．９％含有する窒化硼素
（ＢＮ）との混合物７０〜９９．８％に、ランタン族元
素酸化物から選ばれた１種以上を０．１〜２９．９、％
、及び酸化マグネシウム０．１〜２９．９％からなり、
本発明はこれらの粉末混合物を焼結体としたものである
。

以下これらの限定理由を順に説明する。

まず窒化珪素と窒化硼素（以下窒化物という）との粉末
混合物中の窒化硼素の割合は、窒化硼素：添加による
耐熱衝撃性向上の効果を得るためには体積比で０．１％
以上を必要とし、又、使用に耐える強度を有した焼結体
を得るためには５０％以下でなげればならない。

又、窒化物の混合物とランク／族元素酸化物と酸化マグ
ネシウムからなる焼結促進剤との配合比は、窒化珪素と
窒化硼素が本来有している耐熱性、耐熱衝撃性を保持す
るためには窒化物の混合物は体積比で７０％以上であり
、又、焼結促進剤の効果を発揮するためには９９．８％
以下でなければならない。

次にランタン族元素酸化物と酸化マグネシウムの配合比
は、焼結体の部分的な異常膨張を防ぐためにはランタン
族元素酸化物を体積比で０．１％以上、酸化マグネシウ
ムを２９．９％以下とすることが必要であり、又、窒化
珪素の昇華分解が活発化する１８００℃以下の温度で焼
結を進行させるためにはランタン族元素酸化物２９，９
％以下、酸化マグネシウム０．１％以上でなげればなら
ない。

本発明でいうランメン族元素とは原子番号５７番から７
１番までの元素を意味するが、具体的にはＬａ、Ｃｅ
１Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、
Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕである。

本発明に用いるランタン族元素酸化物はこれらの酸化物
であればよくこれらの酸化物は、一般式Ｍ２Ｏ５（但し
、ＭはＬａ１Ｎｄ、Ｐｒｎ、Ｓｍ、Ｅｕ１Ｇｄ１Ｄｙ
、Ｈｏ１Ｅｒ。

Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを表わす）の形で示される。

またこれらのランタン元素中のＣａ、Ｐｒ、、Ｔｂの酸
化物は一般式ＭＯ１，５〜２．０（但し、ＭはＣｅ、Ｐ
ｒ、Ｔｂを表わす）の形で示されるが、具体的にはＣｅ
Ｏ２、Ｐｒ６０１１、Ｔｂ、０□の化合物があげら
れる。

又、これらを還元して得られるＣｅ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３
、Ｔｂ２Ｏ３あるいは更に酸化して得られるＰｒ０２
、ＴｂＯ２を添加しても、その焼結促進効果はいずれも
変らないので、これらの中から１種以上選択して使用す
ることができる。

本発明においては、窒化物の混合物と、ランタン族元素
酸化物と酸化マグネシウムとを原料とするが、これらの
中、酸化マグネシウム及びランタン族元素酸化物は、原
料混合時から酸化物である必要はなく、焼結物に酸化物
に変化するこれらの炭酸塩を用いてもよい。

本発明品を製造するにはまず前記の原料をよく混合した
後、常法によって加圧成形する。

次いで焼結するが、焼結温度は、１６００〜１８００℃
の範囲が好ましい。

温度１６００℃未満では十分焼結されず、１８００°Ｃ
をこれると窒化珪素が昇華分解をするからである。

焼結雰囲気としては窒化珪素の酸化を防ぐため窒素やこ
れと水素との非酸化性雰囲気下で焼結すれば良い。

焼結法としては加圧焼結、常圧焼結のいずれによっても
、気孔率２〜１０％、曲げ強度１０〜５０ｋｇ／ｍａ、
臨界温度差７００〜１２００℃程度の緻密で強度の高い
焼結体である窒化珪素糸の複合材料を得ることができる
。

以下、実施例に従い本発明の詳細な説明する。

実施例１窒化珪素と窒化硼素の種々の配合比をもった窒化物の混
合物、酸化マグネシウム、酸化セリウムの配合比が体積
比で８０／１０／１０となるように各原料粉末を秤量し
、この混合粉末をｎ−ブクノール溶媒とともに、アルミ
ナポット、アルミナボールを用いて４時間混合粉砕した
。

この後、溶媒を除去乾燥して混合粉末を回収し、常法に
より加圧成形して、４０φＸ１１０ｍｍの棒状成型体と
した。

該棒状成型体を窒化珪素粉末で破覆し、黒鉛容器に入れ
、窒素雰囲気中温度１７００℃で１時間加熱焼結した。

得られた焼結体よりダイヤモンドカッターで４×３×４
０１ｎ７１Ｌの角材を切り出し、気孔率、曲げ強度、耐
熱衝撃性を測定した。

曲げ強度は、スパン３０ｍｍ、クロスヘッドスピード０
．５ｍｍ７分の条件で３点法で測定した。

又、耐熱衝撃性は、焼結体より切り出した試料を一定温
度に加熱、保持した後、該試料を約２０℃の水中に投入
急冷して熱衝撃を与えた急冷後の該試材の曲げ強度を測
定して、急激な曲げ強度の低下がおき始める臨界温度差
（△Ｔｃ）を求めることにより測定した。

第１表に、窒化物の混合物の組成と測定結果を示した。

又、比較のために、窒化硼素を添加しなかった場合、及
び窒化珪素と窒化硼素の配合比を本発明の範囲外とした
場合についても同様の試験を行った結果もあわせて示し
た。

実施例２窒化硼素と窒化珪素の配合比が体積比で１０／９０であ
る窒化物の混合物、酸化マグネシウム、ランタン族元素
酸化物の配合比が体積比で８０／１０／１０とした以外
は実施例１と同様の方法で行った。

該焼結体より４Ｘ３Ｘ４０ｍｍの角材を切り出し、気孔
率、曲げ強度、耐熱衝撃性を測定した。

結果を第２表に示す。

実施例３窒化硼素と窒化珪素の配合比が体積比で２０／８０であ
る窒化物の混合物、酸イしマグネシウム、酸化セリウム
（Ｃｅ２Ｏ３）を種々の配合比となるように原料粉末を
秤量し、実施例１と同様の方法で焼結体となし、更に同
様の寸法に切り出した角材を用いて気孔率、曲げ強度、
耐熱衝撃性を測定した。

結果を第３表に示す。

又、比較のために、焼結促進剤を酸化マグネシウムもし
くは、酸化セリウム（Ｃｅ２０３）のみとした場合の結
果もあわせて示した。

実施例４窒化硼素と窒化珪素の配合比が体積比で５／９５である
窒化物の混合物、酸化マグネシウム、酸化セリウム（Ｃ
ｅ０２）の配合比が体積比で９５／２／３となるよう・
に各原料粉末を秤量し、実施例１と同様の方法で混合し
、得られた混合粉末を内径５０φの黒鉛ダイスに充填し
て、窒素雰囲気中で、温度１６５０℃、圧力１５０ｋ
ｇ／ｉの条件で熱圧成型して、５０φ×８０ｒ／Ｌｒ／
Ｌの焼結体を得た。

実施例１と同様の寸法の角材を切り出し、気孔率、曲げ
強度、熱衝撃性を測定した。

該焼結体の気孔率は２．９％で、曲げ強度、臨界温度差
はそれぞれ３９．６ｋｇ／ｍａ、８７５℃であった。

Claims

【特許請求の範囲】

１体積比で、窒化珪素５０〜９９．９％含有する窒化
硼素との混合物７０〜９９．８％、ランタン族元素酸化
物０．１〜２９．９％及び酸化マグネシウム０．１〜２
９．９％からなる粉末混合物を焼結してなる複合材料。