JPS6044280B2 - 炭化けい素ウイスカ−の製造方法 - Google Patents

炭化けい素ウイスカ−の製造方法

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JPS6044280B2 JP57028146A JP2814682A JPS6044280B2 JP S6044280 B2 JPS6044280 B2 JP S6044280B2 JP 57028146 A JP57028146 A JP 57028146A JP 2814682 A JP2814682 A JP 2814682A JP S6044280 B2 JPS6044280 B2 JP S6044280B2
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
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Description

【発明の詳細な説明】 炭化けい素の単結晶を構成するウィスカーは、比強度
、比弾性率、耐熱性、化学的安定性などの特性面て卓越
した性能を有することから、金属あるいはプラスチック
スの複合強化材として有用視されている。
炭化けい素ウィスカ−の生成は、原料物質(けい素源、
炭材、第三成分)の選定、配合比率、反応時の雰囲気お
よび温度などによつて大きく支配され、これら条件因子
をいかに組合わせるかが高品位、高収率を得るための要
件となる。このため、従来から生成条件を相違させた多
様の製造技術が提案されている。 本発明は、固体状の
原料系においては多孔構造の原料物質を用いることが得
られる炭化けい素ウィスカ−の性状と収率の向上化に有
効に作用すること、また、ウィスカ−の生成機構は主に
けい素源原料の界面から成長することから、けい素源原
料に触媒成分を介在しておくことが結晶成長の促進化に
効果的であるという二面的観点に基づいて研究を重ねた
結果開発されたもので、この構成は、鉄、ニッケル、コ
バルトの水溶性化合物をけい素分に対し6.0〜25、
腫量%含有するシリカゲルに、DBP吸油量5Omι/
100 g以上の粒子凝集構造を有するフアーネスカ
ーボンブラツクを110〜400重量部の割合で混合し
、非酸化性雰囲気下で1300〜1700’Cの温度に
加熱することを特徴とする。
けい素源原料として用いられるシリカゲルは約99.
5%の5100成分を含有するけい酸て、45Orrl
/ダ以上の表面積をもつ微細多孔構造の物質てある。
該シリカゲルは天然産のものも使用できるが、けい酸ナ
トリウムに塩酸または硫酸のような無桟酸を作用させて
分解し、凝固体を水洗、乾燥して得られる合成シリカゲ
ルの方が組成に均質性があり、また純度が高い関係で好
適である。 シリカゲルは粉末形態で使用されるが、こ
れには予め鉄、ニッケル、コバルトの水溶性化合物を触
媒成分として含有さぜておく必要がある。触媒成分は、
シリカゲル中のけい素分に対し、6.0〜25、曜日%
の割合で均一に含有させる。この含有量が6.0重量%
未満のときは、結晶成長の促進化に有効作用せすに粒状
炭化けい素として残留する比率が増し、他方、25.鍾
量%を越えるとウィスカーの長さが不揃いとなつたアス
ペクト比の均一性を損ねる結果を招く。シリカゲルに触
媒成分を均一含有させるためには、合成シリカゲルを1
50メッシュ以下、望ましくは200メッシュ以下の粒
度に微粉砕し、これに鉄、ニッケル、コバルトの塩化物
もしくは硝酸塩などの水溶性化合物を水に溶解した状態
て浸透したのち乾燥する方法をとることが最も効果的で
ある。炭材には、石油系あるいは石炭系の重質炭化水素
油を熱分解して得られるフアーネスカーボンブラツクの
うちストラクチアーの指標となるDBP吸油量が50m
1/100y以上のものが選択使用される。
フアーネスカーボンブラツクは、コークス粉、黒鉛粉の
ような通常の炭材物質とは異質の表面性状と粒子構造と
有しており、それ自体炭材としての適格性を備えている
が、とくに吸油量50m1/100y以上の粒子凝集構
造をもつものは炭化けい素ウィスカーの生成に好適な多
孔性を具備しており、これがけい素源原料となるシリカ
ゲルの微細多孔構造と相俟つてウィスカーの性状ならび
に収率の向上に大きく寄与する。
フアーネスカーボンブラツク(炭材)は、シリカゲル(
けい素源原料)に対し110〜4叩重量部の配合比率で
混合する必要がある。
この配合比率は、従来技術による炭材配合量に比べて過
剰範囲に位するが、該範囲を下廻ると微粒子状の炭化け
.い素結晶が多量に生成し、実質的にウィスカー収率の
減退を招く。また、上記範囲を越える炭材の配合はウィ
スカー収率の増大化には機能せず、寧ろ残留炭材の増加
に伴う後処理を煩雑にする。触媒成分を含有するシリカ
ゲルとフアーネスカ!ーボンブラツクは十分均一に混合
する。原料系には、生成空間形成材として塩化ナトリウ
ムを共存させておくと、加熱時の沸騰作用により原料物
質内にウィスカー成長に有効な空間を形成するとともに
けい素源原料の気化を促進するフラックスと・して機能
し、生成収率と結晶の伸長を一層助長する効果を与える
。塩化ナトリウムの共存は、シリカゲルに対し80〜2
0唾量%の割合で原料物質に混合するか、原料物質の底
部に敷きつめる等の手段による。原料物質は、黒鉛のよ
うな耐熱性材料で構成された反応容器に充填したのち加
熱される。反応容器の加熱は、容器に蓋を付し周囲をコ
ークス粒などのカーボンバッキング材で被包して通電加
熱する方法を用い、非酸化性雰囲気下て1300〜17
00℃、望ましくは1500〜1650℃の温度に少く
とも2時間保持することによりおこなわれる。加熱過程
で原料物質中のけい素成分と炭素成分フは気相反応によ
り微小繊維状の炭化けい素単結晶に転化するが、この際
、けい素源原料となるシリカゲルと炭材フアーネスカー
ボンブラツクの有する特有の微細多孔構造ならびにシリ
カゲル中に含有する触媒成分に基つく結晶成長促進作用
によりjウィスカーの生長は極めて円滑迅速に進行する
一方、フアーネスカーボンブラツクの多量配合と特定量
のシリカゲル含有触媒成分による粒子状炭化けい素の生
成抑止効果および性状均一化とが複合して巧みに作用し
、格子欠陥のない高品位の炭化けい素ウィスカーが収率
よく生成する。
生成物中に残留する未反応の炭材成分は、焼却処理によ
り除去する。
焼却処理後の生成物は、極く少量の微粒子状炭化けい素
を含むほかは全て淡緑白色を呈する炭化けい素ウィスカ
ーで、原料シリカゲルに対する収率は理論収量に近似す
る。
また、ウィスカーの性状は、直径0.2〜0.5μm1
長さ200〜300μmの良好なアスペクト比をもつ格
子欠陥のないβ型単結晶である。以下、本発明を実施例
に基づいて説明する。
実施例1けい酸ナトリウム(水ガラス)を塩酸て分解し
、凝固物を水洗、乾燥して得られたシリカゲル(SlO
299.5%)を200メッシュ以下の粒度に粉砕した
粉砕後のシリカゲル微粉末を各種濃度の塩化第一鉄(F
eCl2・4H20)、硝酸ニッケル〔Ni(NO3)
2・6H20〕および塩化コバルト(COCl2・61
(20)の水溶液に浸漬し、十分に浸透したのち加熱乾
燥して各含有量の異なる触媒成分含有シリカゲルを調製
した。上記の触媒成分含有シリカゲルをけい素源原料と
し、これに炭材としてDBP吸油量130m1/100
yよう素吸着量104m9/yの特性を有するIISA
F−Hs級フアーネスカーボンブラツク〔東海カーボン
(株)製“′SEAST5H′1〕を110重量部の配
合割合で均一に混合した。ついで混合原料の各50.0
Vを内径7−、高さ150TIrInの高純度黒鉛製反
応容器に軽く充填し、反応容器の上部に黒鉛蓋を付して
アチソン型電気炉に移したのち、周囲をコークス粒バッ
キングで被包した。
炉を通電昇温し、炉内を非酸化性雰囲気に保持しながら
1600℃の温度に4時間加熱して反応を完結した。加
熱処理後、反応容器から内容物を集収し、大気中で70
0℃の温度に熱処理して残留する炭材成分を燃焼除去し
た。
得られた生成物は淡緑白色を有する藻草状のウィスカー
、X線回折をおこなつたところ、β−SiCの原子間距
離2.51A、154Aの波長位置に明確なピークが現
出したが、SiO2やCに相当する回折線は全く認めら
れなかつた。このためβ型を主体とする炭化けい素単結
晶であることが確認されたが、シリカゲル中に存在する
触媒成分の含有量により生成収率、粒子状炭化けい素の
混在量、アスペクト比、性状均質性などに相違があつた
。これらの結果を、適用した触媒成分および含有量と対
比させて下表に示した。
なお、比較のために、純粋二酸化けい素粉(けい素源原
料)に110重量部の黒鉛粉(炭材)を混合したのち、
けい素源原料に対し7.呼量%の塩化第一鉄および塩化
コバルトを各混合した原料系について、上記と同一条件
て実施した結果を比較例として表中に併載した。上記の
結果は、シリカゲル中のけい素成分に対し6.0〜25
坦重量%の触媒成分を含有させた本発明例(RLlll
NO.3〜6、10〜12、17〜20)が前記含有量
範囲を外れる例および比較例に比し生成収率、性状品質
とも優れており、とくに6.鍾量%未満の触媒含有量お
よび比較例に比べて粒状炭化けい素の混在が著るしく低
くなり、複合強化材としての適格性を示している。
なお、本発明例で得られた炭化けい素ウィスカーは、引
張り強さ2100〜2300kg/i1弾性率5000
0〜52000k9/TnlLの物性値を備え、結晶格
子欠陥は認められなかつた。
実施例2 実施例1と同様にして調製した塩化コバルト7.睡量%
(対けい素成分)を含有するシリカゲル微粉末にDBP
吸油量119mt/100y1よう素吸着量90Tn1
/yの特性をもつフアーネスカーボンブラツク〔東海カ
ーボン(株)製、゜゜SEASTKH゛〕を15鍾量部
の割合で混合してけい素源一炭材配合原料とし、更にシ
リカゲルに対し10鍾量%に相当する塩化ナトリウム粉
末を添加して十分均一に混合した。
該原料系を実施例1と同一の加熱条件により2時間処理
した。未反応炭材成分を焼却処理した生成物は、塩化ナ
トリウム未添加時に比べ嵩高いスポンジ状形態を呈して
おり、ウィスカー長が10%程度伸長する結果が認めら
れた。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 鉄、ニッケル、コバルトの水溶性化合物をけい素分
    に対し6.0〜25.0重量%含有するシリカゲルに、
    DBP吸油量50ml/100g以上の粒子凝集構造を
    有するフアーネスカーボンブラツクを110〜400重
    量部の割合で混合し、非酸化性雰囲気下で1300〜1
    700℃の温度に加熱することを特徴とする炭化けい素
    ウィスカーの製造方法。 2 けい酸ナトリウムに無機酸を作用し、水洗、乾燥後
    150メッシュ以下に粉砕した微粉末に、鉄、ニッケル
    、コバルトの塩化物もしくは硝酸塩を水溶液状態で浸透
    乾燥して得られたシリカゲルを用いる特許請求の範囲第
    1項記載の炭化けい素ウィスカーの製造方法。 3 生成空間形成材としてシリカゲルに対し80〜20
    0重量%の塩化ナトリウムを共存させる特許請求の範囲
    第1項記載の炭化けい素ウィスカーの製造方法。
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