JPS6110068A - 炭化ケイ素よりなる多孔質成形体の製造方法 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は・、耐熱材、断熱材、耐薬品材あるいは触媒等
の相体等として各種の産業分野において利用され得る、
空隙の形状および大きさを任意に調整できるようにした
炭化ケイ素よりなる多孔質成形体の製造方法に関するも
のである。

（ロ）従来の技術 一般に、セラミック多孔質材料としては、気泡コンクリ
ート、各種のバルーン（中空球）、あるいは、軟質ウレ
タンフオームで作った骨格に原料の泥しようを含浸させ
た後、焼成してウレタンを気化すると同時にセラミック
部分を焼結して多孔質としたもの等があり、耐熱材、遮
音材、複合材料の原料、触媒担体、ろ過材等として利用
がなされている。しかし、これらはセメント質、ガラス
質、アルミナ、シリカ、ジルコニア、マグネシア、コ〒
ジェ°ライトなどから出来ており、非酸化物系で高温強
度や耐薬品性に優れた炭化ケイ素よりなる多孔質成形体
としては軟質ウレタンフォームを利用した方法が試作さ
れているだけである。

そこで、最近本発明者らはこれら従来技術と発想を異に
して、主に炭化ケイ素よりなる多孔質成形体を得るため
の新しい製造方法を開発し、提案している（特願昭５８
−１９３０００号）、すなわち、この方法は、あらかじ
め所望の形状に成形した炭素成形体を舎ケイ素材ととも
に、該含ケイ素材の融点以上の高温における酸素の影響
を受けない雰囲気中に配置し、前記含ケイ素材を前記炭
素成形体に浸透反応させて該炭素成形体と略同形状の炭
化ケイ素および未反応炭素よりなる成形体を得、該成形
体を酸素を含む雰囲気中で、炭化ケイ素が著しく酸化あ
るいは分解する温度以下で加熱し未反応炭素を燃焼させ
て、最初の成形体と略同形状の主に炭化ケイ素が三次元
網目状につながった多孔質成形体を得るようにしたもの
であって、比較的簡単な設備で主に炭化ケイ素よりなる
多孔質成形体が容易に得られる特徴を有し、この種多孔
質成形体の製造方法として好適のものを提供することが
できたものである。

しかして、本発明者はこの新しい製造方法についてさら
に研究を重ねた結果、次のような更に克服すべき問題点
を認識するに至った。すなわち、上記の製造方法により
得られる多孔質成形体にあっては、その内部に現出され
る微小な空隙の形状および大きさを調整出来ないこと並
びに成形体中には不純物としてケイ素が残存することの
不都合があることである。上記の方法によると、高温で
溶融した含ケイ素材が炭素成形体の空隙中に浸透してゆ
き、そこで炭素成形体を構成する炭素粒子の表面と反応
して炭化ケイ素を生成するのであるが、１つ１つの炭素
粒子についてみると、その表面層は炭化ケイ素化してい
るが内部は未反応炭素のままである。そして、この反応
後成形体中の未反応炭素を酸化させると、その部分が空
隙となった主に炭化ケイ素が三次元網目状につながった
多孔質成形体が得られることになる。しかし、前記炭素
粒子の形状および大きさにバラつきがあるので不可避に
多孔質成形体の空隙の形状および大きさもバラついてし
まい調整することができない。また、高温で溶融した含
ケイ素材は大部分が炭素と反応して炭化ケイ素となるが
、その一部はケイ素として成形体中に残存してしまうこ
とも避けられない。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 本発明は、かかる問題点に着目してなされたものであっ
て、その目的とするところは、先の本発明者らの提案に
係る主に炭化ケイ素よりなる多孔質成形体の製造方法を
改良して、この種製造方法が固有にもつ特徴を具備しつ
つ、特に得られる多孔質成形体の空隙の形状および大き
さを任意に調整できるようにすることにある。

（ニ）問題点を解決するための手段 本発明は、前記目的を実現するために、形状および大き
さを調整した炭素粒子よりなる炭素材料を所望形状の炭
素成形体に成形した後、この炭素成形体をケイ素ととも
に該ケイ素の融点以上の高温における酸素の影響をうけ
ない雰囲気中に配置し、前記ケイ素を前記炭素成形体に
浸透反応させて該成形体と略同形状の炭化ケイ素および
未反応炭素等よりなる成形体を得、該成形体を酸素を含
む雰囲気中で、炭化ケイ素が著しく酸化あるいは分解す
る温度以下で加熱し未反応炭素を酸化（燃焼）させて、
最初の成形体と略同形状でかつ前記炭素粒子の形状およ
び大きさと略等しく調整された空隙を有する炭化ケイ素
よりなる多孔質成形体を得、しかる後、該多孔質成形体
中に残存するケイ素をアルカリ水溶液で溶解除去するよ
うにしたちのである。

（ホ）構成および作用 本発明において、炭素成形体を構成する炭素材料には、
その構成炭素粒子の形状および大きさを最終的に得よう
とする多孔質成形体、の空隙の形状および大きさに予め
略等しく調整したものを使用する。一方、ケイ素として
は、粉末状あるいは小塊状の金属ケイ素を使用する。こ
のケイ素を炭素成形体に浸透反応させるにあたっては、
例えば、粉末状のケイ素を適当なバインダあるいは液体
に分散させたものを前記炭素成形体の表面層こ浸漬付着
させ、あるいは塗り付けておく、また、炭素成形体が比
較的小さなものである場合は、小塊状のケイ素を炭素成
形体上に載せておくだけでもよい、このようにケイ素の
炭素成形体に対する初期の接触様態は、炭素成形体の形
状や大きさに合わせて、適宜選択する。一方、前述した
浸透反応を行なわせるための雰囲気作りには、通常の高
温加熱装置を用いればよい、すなわち、かかる加熱装置
としては、炉内の雰囲気を酸素の影響をうけない不活性
な状態（例えば、アルゴン、ヘリウム等）に保ちかつ前
記炭素成形体を均一に加熱して前記ケイ素を溶融状態に
維持できるものでありさえすればどのようなものを使用
してもよい。

このようにして、ケイ素を接触させた炭素成形体を前述
した雰囲気中で所定時間加熱すると、溶融したケイ素が
炭素成形体中に浸透し、全体が炭化ケイ素および未反応
炭素等よりなる成形体が得られる。すなわち、このよう
にして反応させると溶融ケイ素が炭素成形体中に存在す
る三次元網目状の空隙中に浸透して炭化ケイ素を生成す
ることになるのであるが、この際、炭化ケイ素は構成炭
素粒子の表面部にのみ生成されるのであって、このこと
が多孔質成形体の空隙の形状および大きさを調整する上
で重要である。

次に、得られた成形体を酸素を含む雰囲気中（一般には
空気中でよい）で、炭化ケイ素が著しく醸化あるいは分
解する温度以下で加熱すると。

未反応炭素が酸化燃焼し、最初の形状を保ったままで炭
化ケイ素が三次元網目状につながった内部構造を有する
とともに、その空隙の形状および大きさが任意に調整さ
れた多孔質成形体が得られる。すなわち、こうして得ら
れた炭化ケイ素よりなる多孔質成形体は、元の炭素成形
体を構成する炭素粒子の形状および大きさと略対応して
、その空隙の形状および大きさが決定されることになる
のである。これは、構成炭素粒子に対するケイ素の浸透
反応がその表面部分に留まり表面部分のみが炭化ケイ素
化されるので、次の酸化燃焼工程で未反応炭素を除くよ
うにすると、構成炭素粒子の未反応炭素部分と対応する
ようにして空隙が形成されることになるためである。し
たがって、予め原料材料として用いる炭素成形体の構成
炭素粒子の形状および大きさを適当に調整しておけば、
これに対応して型造される多孔質成形体の空隙の形状お
よび大きさを任意に調整することが可能となる。

ところで、上記の各工程を経て得られた多孔質成形体は
、不純物としてケイ素を残存していることが多い、この
ケイ素は、得られた多孔質成形体をアルカリ水溶液（一
般的には、３〜１０規定程度の水酸化ナトリウム溶液）
に浸漬すれば、これを溶解除去することができる。

（へ）実施例 以下に実施例を示して本発明を具体的に説明する。

１０１０Ｘ４０Ｘ５の炭素成形体の表面に、小塊状の金
属ケイ素を重量比でＳｉ／　Ｃ＝　０．８５だけ載せ、
高温加熱装置によりアルゴン気流中で、１８００℃の温
度で加熱した０反応後の成形体は元の形状を保ったまま
で、Ｘ線回折法によれば、その構成物質は主にβ−炭化
ケイ素と炭素であった。第１図と第２図に反応後の成形
体の破断面の電子顕微鏡写真と、同視野中のケイ素の分
布の様子を示す、このように、原料の炭素成形体の空隙
に沿って、溶融したケイ素が浸透し、炭素成形体を構成
する炭素粒子の表面と反応してβ−炭化ケイ素を生成し
ていることがわかった０次に、このようにして得られた
成形体を、空気中で５００℃以上の温度で加熱すると未
反応の炭素部分が酸化（燃焼）され、元の形状を保った
まま主にβ−炭化ケイ素よりなる多孔質成形体が得られ
た。第３図にその電子顕微鏡写真を示す、このように、
構成炭素粒子の表面部分にのみ炭化ケイ素層が残り、炭
素部分が空隙となっているのがよくわかる。そこで、第
４図に示すように、構成炭素粒子が粒径５００〜６００
　ｕＬｍの球状粒子である炭素成形体に、Ｓｔ／　ｃ　
＝　０．３のケイ素を−Ｅ記と同じ条件で反応させた。

第５図と第６図に反応成形体の電子顕微鏡写真と同視野
中のケイ素の分布の様子を丞オ、これにより、反応が球
状の炭素粒子の表面層に留まっているのが確認される０
次に得られた成形体を７空気中で５００℃以上の温度で
加熱すると、未反応の炭素部分が酸化され、元の形状を
保ったまま多孔化された。その様子を第７図に示す、こ
の多孔質成形体の粉末Ｘ線回折を測定すると、その構成
物質は、β−炭化ケイ素と少量のケイ素であった０次に
、この多孔質成形体を約７規定の水酸化ナトリウム水溶
液に浸漬すると、水素を発生してケイ素が水溶液に溶解
した。このことは１、処理後の成形体の粉末Ｘ線回折測
定によって、成形体がβ−炭化ケイ素のみから成ってい
ることにより確認された。

（ト）発明の効果 以−Ｈのように、本発明の製造方法では、炭素成形体に
ケイ素を浸透反応させるにあたり、予め炭素成形体を構
成する炭素粒子の形状および大きさを調整するようにし
たものであるから、本発明者らが先に提案した製造方法
における問題点の１つであったその空隙の形状等を調整
できない点を的確に解決して、得られる多孔質成形体に
元の炭素粒子のそれに対応する任意の形状と大きさの空
隙を有するものを製造することが可能とされた０才た、
もう１つの問題点であった多孔質成形体中にケイ素が不
純物として残存する点については、得られた多孔質成形
体をアルカリ水溶液で処理してケイ素を除去することに
より、やはり的確に解決することができ、これにより不
純物を含まずしかもその空隙の形状と大きさを任意に調
整できるようにしたこの種多孔質成形体の製造方法を確
立することが可使となった。

本発明の製造方法により提供される多孔質成形体では、
その空隙の形状と大きさが適宜のものに調整できるので
、例えば触媒や薬品の担体として利用する際には、流通
させる液体や気体の粘度等に応じて適当な空隙をもつも
のを選らべること、さらに空隙表面に担持させた触媒や
薬品の触媒作用や化学反応を考えれば、反応に寄与する
面積を調節できるため、これら触媒作用や化学反応の調
整も可能となることの特徴を具備している。モして又、
不純物である残留ケイ素も完全に除去しであるので、多
孔質成形体は化学的に安定な炭化ケイ素のみからなり、
担持させる触媒や薬品、あるいは流通される液体や気体
との反応が殆どないこと、また高温下で耐熱材や断熱材
として利用する際には、融点の低いケイ素（約１４００
℃）による雰囲気の汚染がない等の有利性も備えている
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係るＳｉ／ｃ＝０゜６５
の条件でケイ素を浸透反応させた成形体の破断面を示す
電子ｓｅａ鏡写真（倍率５００倍）であり、第２図は同
視野中のケイ素の分＊（白い部分）を示すＸ線分析図で
ある。第３図は反応成形体から未反応炭素を酸化除去し
た後の破断面を示す電子ｗＩ微鏡写真（倍率２００倍）
である、第４図は、本発明の一実施例で使用した構成炭
素粒子が球状である炭素材料の電子類＊鏡写真（倍率３
５倍）である、第５図は、１４図の炭素材料を用　−い
た反応成形体の破断面を示す電子顕微鏡写真（倍率２０
０倍）であり、第６図は同視野中のケイ素の分布（白い
部分）を示すＸ線分析図である。第７図は、第５図の反
応成形体から未反応炭素を酸化除去した後の破断面を示
す電子顕微鏡写真（倍率５０倍）である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所望の形状および大きさに調整した炭素粒子よりなる炭
   素材料を所望形状の炭素成形体に成形した後、この成形
   体をケイ素とともに該ケイ素の融点以上の高温における
   酸素の影響をうけない雰囲気中に配置し、前記ケイ素を
   前記炭素成形体に浸透反応させて該成形体と略同形状の
   炭化ケイ素および未反応炭素等よりなる成形体を得、該
   成形体を酸素を含む雰囲気中で、炭化ケイ素が著しく酸
   化あるいは分解する温度以下で加熱し未反応炭素を酸化
   させて、最初の成形体と略同形状でかつ前記炭素粒子の
   形状および大きさに略等しく調整された空隙を有する炭
   化ケイ素よりなる多孔質成形体を得、しかる後、該多孔
   質成形体中に残存するケイ素をアルカリ水溶液で溶解除
   去することを特徴とする炭化ケイ素よりなる多孔質成形
   体の製造方法。