JPS6033265A - ヒータ用セラミックス導体 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は窒化ケイ素系導電性セラミックスに関するもの
である。

〔発明の背景〕

２０００１１；以上の高温で使用できる発熱体としては
Ｍｏ、Ｗ、Ｃなどが知られているが、酸化性雰囲気では
使用できない。酸化性雰囲気で使用できる発熱体として
は炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｚ
　）＊　ＬａＣｒｏｇなどがあるが、いずれも電気抵抗
率が比較的大きく、また温度が上昇するにつれ電気抵抗
が減少するため熱暴走をひきおこしやすく温度制御がむ
ずかしい。また機械的強度も低い。

〔発明の目的〕

本発明は従来の発熱体における上記の問題点を解消する
目的で行なわれたもので、電気抵抗率が小さく、抵抗温
度係数が正で、機械的強度が大きい新規の導電性セラミ
ックスを提供するものである。

〔発明の概要〕

すなわち本発明の特徴は導電性が良好ではあるが、焼結
しにくく耐酸化性に劣るＮａ、　■＝。

■ａ族遷移元素の窒化物、炭化物の微細な粒子を、絶縁
体ではあるが機械的強度が大きく耐酸化性が良好な窒化
ケイ素（Ｓ　ｉｓ　Ｎ４）中に分散混合し緻密に焼結す
ることによシ両者の特徴を兼ねそなえた導電性セラミッ
クスを得ることにある。

本発明において導電材として用いられるｙａ＋■ａ、■
ａ族遷移元素の炭化物、窒化物は、難融性で高硬度であ
り、また金属伝導性を示し、抵抗率は〜１０−１′Ω川
と低く正の抵抗温度係数をもつため導電材として好適で
ある。導電材として窒化物、炭化物に限定した理由は酸
化物は導電性がなく、またホウ化物は５ｊ３Ｎ４　と複
合化させたい合の焼結性が良くないためである。窒化物
、炭化物の原料粉末は５ｊ３Ｎ４　中に均一に分散し導
電性を向上させるためにはできるだけ微細な粉末が良く
、好ましくは平均粒径が５μｍ以下であることが望まし
い。なお導電性化合物の混合率を３０〜７０容積部に限
定したのは、絶縁体中に導電性粒子を分散させる場合、
２０容積部前後で電気抵抗率が急減し、抵抗率の値の再
現性が著しく悪いためであり、また７０容積部以上にな
ると、マトリックスである絶縁体粒子が導電性粒子を強
固に保持することができなくなり１機械的強度が低下す
るためである。

マトリックス相としてＳ　ｊ３　Ｎ４　を選んだ理由は
機械的強度が大きく、熱膨張係数が小さく、耐熱性に優
れているためである。しかも上記化合物と複合化した場
合、高温で安定な酸化皮膜を生成し。

内部の化合物粒子が酸化するのを防止する作用を果たす
ため一層好都合である。

５ｊ３Ｎ４　は難焼結性であるため、焼結助剤としてＭ
ｇＯ，Ｙ２０３．　Ａ１２０３．　ＡｔＮ　等７ｋＳ　
１３Ｎ４重量に対して１〜ｌＯ重量部添加することが必
要である。焼結助剤量を限定したのは１重荒部以下では
焼結助剤としての効果はなく、また１０重量部以上では
粒界相が多くなシ高温強度が低下するためである。

製造方法としては、Ｓｉｓ　Ｎ４　、導電性化合物、焼
結助剤を所定ｆｌ？Ａ合して、らいかｌ、−、機または
ボールミル等による混合を行ない、さらにポリビニルア
ルコール（ＰＶＡ）等の成形バインダーを少量添加して
造粒した後、所定の形状に成形する。

これを窒素雰囲気中、１６００〜１８５０Ｇの温度でホ
ットプレス法または常圧焼結法によシ焼結する。

温度を限定したのは、１６００Ｃ以下では緻密に焼結せ
ず、１８５０Ｃ以上では８１３　Ｎ＜　の分解が激しく
なって緻密化を阻害するためである。

上記の焼結セラミックスは、室温時の電気抵抗率が１Ｏ
−２０（７）以下で、抵抗温度係数が正であることが望
ましい。

〔発明の実施例〕

次に実施例によシ本発明の詳細な説明する。

実施例１ 焼結助剤として９重量部のＹ２Ｏ３１４重量部のＡｔ２
０３を添加した平均粒径０．７　ｔｔ　ｎｌのＳｉ３Ｎ
４粉末に、種々の■ａ、■ａ、■ａ族窒化物、炭化物を
３０容積部調合し、５％ＰＶＡ溶液を１０チ加えて攪拌
らいかい機で混合した。次に温合粉末を金型に充填し、
Ｉｔ／Ｃ４の圧力で成形した。これを黒鉛ダイスに入れ
、窒素１気圧雰囲気中、温度１７５０Ｕ、圧力３００　
Ｋｙ／　ｃｒ１時間１ｈの条件下でホットプレスした。

得られた焼結体の特性を表に示す。相対密度は大半の化
合物で９７〜９８チ程度以上のものが得られている。ま
た抵抗率はｆヒ合物によシ１０１〜１０−４Ωαの幅広
い値が得られているが、抵抗温度係数はいずれも正であ
った。

曲げ強さは３５０〜５４０ＭＮ／ｍであｌ械的強度も大
きいことが確かめられた。耐酸化性はＴＩＮ、、’ｒｉ
ｃ添加などが特に良好で１１００Ｃ。

９２ｈ大気中放置後における酸化増量はそれぞれ２．８
　、３．３　ｍ　ｇ　／ｃｒ／ｌであった。

実施例２ 実施例１と同じ助剤量を添加したＳｉ３Ｎ４粉末にＴｉ
Ｎ、及びＴｉＣを混合率を変えて調会し、実施例１と同
じ条件で成形後ホットプレス焼結して８１３ＮＪ　ＴＩ
Ｎ系及び５ｆ３Ｎ４−ＴｉＣ系複合セラミックスを作製
した。相対密度はＴｉＮ系で９９俤前後、ＴｉＣ系では
ほぼ１０（ｌに達していた。電気抵抗率と化合物混合率
の関係を第１図に示す。図中、Ｏ印は５１３Ｎ４　Ｔｊ
Ｎ系を示し、Ｘ印は５ｊ３Ｎａ−ＴｉＣ系を示す。ＴＩ
ＮもＴｉＣもほぼ同様の曲線となシ、化合物量がｌＯ容
積部程度まではマ）　ＩＪラックス抵抗率とほぼ同等で
ある。これは鐙とんどすべての導電性粒子がマトリック
ス中で互に孤立しておシ導電性に寄与しないためと考え
られる。化合物混合率が増加し一部の粒子が接触し始め
る２０容積部前後になると、抵抗率は急減する。さらに
ほとんどすべての粒子が接触し導電路を形成するように
なる４０荏積部程度以上では、抵抗率の減少する割合は
小さくなる。

また第２図は２０〜６００Ｃ間における抵抗温度係数（
ＴＣＲ）と化合物混合率の関係である。第２図中、○印
は５ｉ３Ｎ４−ＴｉＮ系を、Ｘ印は５ｉａＮ４　ＴｉＣ
系を示す。測定温度は２０ｔＺ’。

６００Ｃである。化合物混合率が２０容積部以上でＴＣ
Ｒは正の値をもち、混合率の増加と共にＴＣＲは増加す
ることがわかった。

実施例３ 実施例２で作製したＳ五３Ｎ４　４０容Ｍ部ＴｉＮの組
成のものを導電材として、また絶縁体として５重量部の
Ｙ２Ｏ３を添加したＡｔＮを用いて、谷各の薄い成形体
を作成し、積層してホットプレスした後、切断加工して
第３図に示すようなヒータを作成した。室温の抵抗値は
０，１５Ωであシ、導電部の両端に直流１２Ｖの電圧を
印加した場合には、約１秒以内でヒータ先端部は約１ｏ
ｏｏｔ：’以上に昇温し、速熱性に優れる。また先端部
温度が上昇するにつれて正の抵抗温度係数を持つため電
流は減少する。これは熱暴走を防ぐ上で好ましい特性で
ある。

次に直流５ｖを４秒通電、１０秒休止する通電サイクル
試験を行った。ヒータ先端部は約１００００まで上昇す
る。、６０００回通電後、ビータ先端部がわずかに酸化
され酸化被膜が生成していたが、抵抗値の変化はほとん
ど誤差範囲程度しか認められず、断続的加熱に対して十
分な耐久性を有することが確かめられた。

〔発明の効果〕

以上、本発明によるＳｉ３Ｎ４系導電性セラミックスは
、６電性化合物の種類、混合量によって様様な抵抗率が
得られ、また抵抗温度係数が正で熱暴走をひき起こすこ
とはない。機械的強度も十分にあシ、ヒータ材としたと
きの通電耐久性もめ仝ことが確かめられた。

従ってこのような特長をもつＳｉ、Ｎ４　系導電性セラ
ミックスはグロープラグ用ヒータをはじめとして各種の
発熱体、ガス点火器、電極、抵抗器および抵抗の変化を
利用した各種センサーとして使用されることが期待でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は５ｊ３ＮＪ　ＴｊＮ系及びＳｉｓＮ４−ＴｉＣ
系における化合物混合率と電気抵抗率の関係を示す特性
図、第２図は上記セラミックスの化合物混合率と抵抗温
度係数の関係を示す特性図、第３図は試作ヒータの外観
図である。 ｌ・・・窒化ケイ素系導電性セラミックス、２・・・穿
化第１図 ３［ 化合物混合率（ＶθＡｙ、＞ 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）窒化ケイ素３０〜７０容積部、（ｂ）Ｎａ族
   、■ａ族、及び／または■ａ族遷移元素の炭化物及び／
   または窒化物３０〜７０容量部、並びに （Ｃ）酸化アルミニウム、酸化イツトリウム、酸化マグ
   ネシウム及び／または窒化アルミニウムを前記窒化ケイ
   素に対し１〜１０重量部を、混合、焼結して成る窒化ケ
   イ素系導電性セラミックス。 ２、特許請求の範囲第１項記載において、前記焼結され
   たものは室温時の電気抵抗率が１０−２Ωｍ以下で、抵
   抗温度係数が正であることを特徴とする窒化ケイ素系導
   電性セラミックス。