JPS63270362A - 複合セラミツクス焼結体とその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ＡＲＮをマトリックスとし、これにＳｉＣ粒
子、ウィスカ、ファイバの少なくとも一種を複合した構
造材料や摺動部材などに好適な窩熱伝導強靭性複合セラ
ミックスに関する。

〔従来の技術〕

セラミックスを構造用部品として実用化して行くには、
より高い靭性２強度が要求され、近年、材料の信頼性向
上の要求とともに、セラミックスの靭性向上が大きな課
題としてクローズアップされてきている。

セラミックスの靭性を向上させるには、材料の破壊エネ
ルギを大きくすることが必要で、このための方法として
、マトリックスとは物理的性質のことなる粒子を分散し
たり、ファイバやウィスカを複合化する研究が数多くな
されている。これらの材料では、複合化のために添加し
た材料によって、クラックの進路が折れ曲がったり、ク
ラックの進展が阻止されるため、通常の単体のセラミッ
クスに比べて破壊に要するエネルギが大きくなる。

また、ファイバやウィスカなどの繊維状の材料を複合化
したセラミックスでは、上記と同様な機構に加えて、さ
らに、破壊の際にファイバやウィスカがマトリックスか
ら引き抜けることによる破壊エネルギの吸収機構も作用
すると考えられる。このような種々の方法で材料の破壊
に要するエネルギを大きくすることによって、セラミッ
クスの高靭化が可能となる。

セラミックスの靭性を大きくする方法には、この他にも
種々の方法がある。

例えば、Ｚｒ０ｚの相転移を利用した強靭性セラミック
スは、Ｚｒ０ｚの相転移温度より高い温度（例えば２１
０００℃）では、その強靭性機構が失われ、靭性は低下
してしまう。

また、金属やそれらの炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ
化物を複合化材料として添加して靭性を向上させる場合
にも、複合材の耐熱性、耐酸化性がマトリックス単体よ
り劣化してしまうことが殆どである。

従って、少なくともマトリックス及び複合添加する材料
は、共に単体では耐熱性、耐酸化性に優れたものである
ことが必須で、さらに、それらの材料の中から強靭化す
る組合せを選択することが必要となる。ところが、例え
ば、耐熱性、耐酸化性に最も優れた窒化珪素及び炭化珪
素の組合せを選ぶと、これらは互いに物理的性質が近い
ために、内部歪を蓄えることによる強靭化機構などは有
効に利用できず、従って、炭化珪素粒子分散窒化珪素複
合焼結体では靭性を飛踊的に向上させることはできない
。

これに対して、繊維強化法は複合添加する材料の繊維形
状及び弛度が、その強靭化に大きな効果を発揮するもの
で、特に、耐熱性、耐酸化性の要求と相まって、炭化珪
素ファイバや炭化珪素ウィスカを強化繊維とする複合セ
ラミックスの研究が注目されている。この中でマトリッ
クス材に窒化珪素を選んだ炭化珪素ウィスカ強化窒化珪
素複合焼結体が、耐熱性、耐酸化性に優れる組合せとし
て最も有望で、例えば、Ｐ、Ｄ、５ｈａｌｅｋ、　Ｊ、
Ｊ。

Ｐｅｔｒｏｖｉｃらは、ウィスカ１０〜３０ｖｏ１％添
加で破壊靭性値Ｋｘｃ＝　１０〜１０　、５　Ｍｌ’ａ
ｍ’／２の複合焼粘体が得られることを報告している（
Ａｍ。

Ｃｅｒａｍ　、Ｓｏｃ、Ｂｕｌｌ、　、６５，３５１（
１９８６）。

一方、セラミックスを耐熱構造材として使用する場合、
熱伝導率が大きいことが重要なポイン１〜の一つである
。例えば、摺動材の場合、材料同士の摩擦によって発生
した熱は、熱伝導率が大きい場合には素早く除去される
のに対し、熱伝導率が小さい場合には発生した熱が放散
されない。

従って、熱伝導率が大きい材料は、摺動材として好適で
ある。

しかし、これまでに開発されているいずれの複合材も熱
伝導率の面から見ると、必ずしも高い値を示すとはいえ
ない。

このため、より熱伝導率が大きく、しかも耐熱性及び靭
性の大きい材料の開発が望まれた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように従来技術では、未だ耐熱性、熱伝導性を十分
に満足し、かつ、靭性の十分大きな材料は得られておら
ず、高温構造材料などに適用する上では、種々の問題が
残されていた。

本発明の目的は、ＳｉＣ及びＡ　Ｑ　Ｎより成る耐熱性
、熱伝導性に優れ、かつ、靭性９強度の大きな新規な複
合材料を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、母材を熱伝導性の良いＡｌ２Ｎとし、これ
に熱伝導性の良いＳｉＣ粒子及びＳｉＣウィスカ、また
は、ファイバの少なくとも一種を組合せ複合化すること
により達成される。

〔作用〕

熱伝導性の面では、母材であるＡｌＮの結晶構造はダイ
ヤモンドに良く似ており、純粋で結晶性が良い単結晶は
比較的熱伝導率がよいことが知られている。また、強化
材に用いる粒子及び繊維はＳｉＣであり、ＳｉＣもその
結晶構造がダイヤモンドに良く似ており、純粋で結晶性
が良い単結晶は極めて大きな熱伝導率を持っている。

従って、熱伝導性の大きな結晶構造を持つＡｌ２ＮとＳ
ｉＣ系粒子及び繊維を組合せることによって、極めて熱
伝導率の大きい複合材が得られる。

一方、靭性の面では、本発明でＡｌＮマトリックスに対
して複合添加するＳｉＣ粒子は、ＡｌＮマトリックス中
に分散し、クラック先端が粒子に衝突する際、その進展
を阻止したり、クラックの屈曲や分岐を起こして、クラ
ック先端のエネルギを分散、吸収する役目を果たす。一
方、ＳｉＣ系のウィスカやファイバは、クラック先端が
衝突する際、粒子と同様にその進展を阻止したり、屈曲
させるだけでなく、クラック先端がウィスカやファイバ
を通過した後も、ウィスカやファイバが破面を橋かけし
、その後、破面からウィスカやファイバが引き抜けるこ
とよって、クラック進展の工・ネルギを吸収し、複合焼
結体の靭性を向上させる。

しかし、ＳｉＣ粒子のみを複合した焼結体では、繊維（
ウィスカ・ファイバ）強化でみられるようなウィスカ・
ファイバの橋かけ、引き抜は効果が期待できないため、
この分、靭性向上の効果は小さい。一方、ウィスカやフ
ァイバのみを複合化した場合には、このような種々の靭
性向上効果が期待できるが、実際には、ウィスカの場合
、直径が小さいため、クラック衝突時の進展阻止力が小
さいこと、及び、速いクラックの進展に対しては、ウィ
スカの橋かけ、引き抜けが十分に起こらず、一部のウィ
スカでは、ウィスカを破壊してクラックが進展してしま
い、添加したウィスカの引き抜け、橋かけによる靭性向
上効果が、十分有効に発揮されない。

本発明のＳｉＣ粒子及びウィスカ又はファイバの少なく
とも一種を添加する方法によれば、これらの問題点を解
決し１両者の効果を十分に引き出すことができる。つま
り、速いクラックの進展に対して、粒径の大きいＳｉＣ
粒子が抵抗（障害物）となり、一時的にその進展を阻止
したり、進展速度を遅くする。このようにして速度の低
下したクラ角りの近傍にあるＳｉＣ系のウィスカ、又は
、ファイバは、その橋かけ、引き抜は効果を十分に発揮
することができるようになるので、クラックのエネルギ
を有効に吸収できる。この理由により、本複合焼結体は
靭性が、飛范的に向上する。

〔実施例〕

〈実施例１〉 市販のＳｉＣウィスカ（平均直径約０．５〜１．０μｍ
、アスペクト比５０）をウィスカの塊りや粒子形状の不
純物を取り除く処理を行ったのち、残ったウィスカより
２０ｗｔ％分秤量し、それを溶媒中に超音波により分散
させた。これに平均粒径１μｍのＡｌＮ粉末と焼結助剤
としてＹｚＯａを粉末を５ｗｔ％分と平均粒径１〜８０
μｍの５ｉｃｌｉ子２０ｗｔ％分投入し、ウィスカと混
合し、さらに、溶媒を揮散させて均一な粉末混合物を得
た。次いで、粉末混合物を黒鉛型中で１７００℃で一時
間保持し、加圧力を５０　Ｍ　Ｐ　ａとし、Ｎ２雰囲気
中でホットプレス焼結した。

第１表に得られた焼結体の特性を示す。

第１表 第１表から明らかな通り、平均粒径５〜６０μｍのＳｉ
Ｃ粒子を添加した焼結体において、破壊靭性値に！ｃ＝
１０ＭＰａｍ’／ｚ以上と強靭化する。

また、この粒径以外の粒子を添加した焼結体は、破壊靭
性値が低下することがわかった。また、得られた焼結体
の組織及び破面をＳＥＭで観察したところ、ＳｉＣウィ
スカの固りがなく、ＳｉＣ粒子も均一に分散しているこ
とが確認できた。

〈実施例２〉 ＳｉＣウィスカを２０ｗｔ％、平均粒径４０μｍのＳｉ
Ｃ粒子を０〜４０ｗｔ％添加して、他は実施例１と同様
にして複合焼結体を製造した。

得られた焼結体の特性を第２表に示す。

、　第２表から明らかな通り、得られた焼結体の密度は
全て３．１　　ｋｇ／ｃｏ（以上であり、ＳｉＣ粒子１
〜３０ｗｔ％添加の範囲で、室温の破壊靭性値に！ｃ＝
１０ＭＰａｍ”／２以上と靭性の大きな焼結体が得られ
た。

〈実施例３〉 平均粒径２０μｍのＳｉＣ粒子を２０ｗ’ｔ％、ＳｉＣ
ウィスカを０〜４０ｗｔ％添加して、他は実施例１と同
様にして複合焼結体を製造した。得られた焼結体の特性
を第３表に示す。

第３表から明らかな通り、ＳｉＣウィスカ１〜３０ｗｔ
％の範囲で、室温での破壊靭性値Ｋｒｃ＝１０ＭＰａｍ
”／ｘ以上と靭性の大きいことがわがつた。

〈実施例４〉 平均粒径２０μのＳｉＣ粒を２０ｗｔ％、ＳｉＣファイ
バ（直径約１０μｍ、アクペクト比１０）を０〜４０ｗ
ｔ％添加して、他は実施例１と同様にして複合焼結体を
製造した。得られた焼結体の特性を第４表に示す。

第４表 第４表から明らかな通り、ＳｉＣファイバ１〜３０ｗｔ
％添加の範囲で室温の破壊靭性値Ｋｗｃ＝１０ＭＰａｍ
”／ｚ以上の値を示すことがわかった。

〈実施例５〉 平均粒径４０μｍのＳｉＣ粒子を２０ｗｔ％、ＳｉＣウ
ィスカ（直径約０．５〜１．０μｍ、アスペクト比５０
）２０ｗｔ％種々の焼結助剤を加えて、実施例１と同様
にして複合焼結体を製造した。

得られた焼結体の特性を第５表に示す。

第５表から明らかな通り、どの焼結助剤を使用しても靭
性の大きな、そして、熱伝導率の良い焼結体が得られる
。

〈実施例６〉 ＳｉＣウィスカ（直径約１μｍ、アスペクト比５０）２
０ｗｔ％、平均粒径４０μｍのＳｉＣ粒子１０ｗｔ％を
添加し、以下は実施例１と同様にして粉末混合物を得た
。次いで、この粉末混合物を黒鉛型の中に充てんし炉内
にセットした。

炉はＮ２雰囲気にし、５０　Ｍ　Ｐ　ａの荷重を加えな
がら昇温し、゛ホットプレスして焼結体を得た。

本実施例ではホットプレス焼結時の温度を種々に変えて
焼結体を得て、焼結時間は一時間とした。

得られた焼結体の特性を第６表に示す。

第　　６　　表 第６表から明らかな通り、ホットプレス温度が１６００
℃以上であれば焼結体は密度３．１　　ｇ／ｄ以上にち
密化する。また、１６０Ｏ〜１８００℃の範囲であれば
、室温での破壊靭性値Ｋｒｃ＝１０　ＭＰａ　ｍ、　”
／ｚ以上の特性を示した。

また、２０℃における熱伝導率も８ｏｗ／ｍ−に以上の
特性を示すことが判る。

〈実施例７〉 ＳｉＣウィスカ２０ｗｔ％、平均粒径４０μｍのＳｉＣ
粒子１０ｗｔ％を添加し、以下は実施例１と同様にして
粉末混合物を得た。次いで、この粉末混合物を黒鉛型の
中に入れて炉内にセットした。炉はＮｚ′７ｉ！囲気に
し、黒鉛型中の粉末混合物に種々の荷重を加えて昇温１
７００’Ｃで一時間ホットプレスして焼結体を得た。

第７表は得られた焼結体の特性である。

第　　７　　表 第７表から明らかな通り、ホットプレス荷重が２０　Ｍ
　Ｐ　ａ以上であれば焼結体は密度３．１　　ｇ／ｄ以
上にち密化する。また、室温での破壊靭性値及び四点曲
げ強度ともに向上することがわかる。

一方、熱伝導率も、２０℃における測定の結果、８０　
ｗ　／　ｍ−に以上の特性を示す。

〈実施例８〉 ＳｉＣウィスカ２０ｗし％、平均粒径４０μｍのＳｉＣ
粒子１０ｗｔ％を添加し、以下は実施例１と同様にして
粉末混合物を得た。次いで、この粉末混合物を黒鉛型の
中に入れて炉内にセットした。炉をＮ２雰囲気にし、黒
鉛型中の粉末混合物に５０　Ｍ　Ｐ　ａの荷重を加えて
昇温し、ホットプレスして焼結体を得た０本実施例では
ホットプレスの温度と時間を種々変えて焼結体を得た。

第８表は得られた焼結体の特性を示す。

第８表 第８表からホットプレス温度が１６００℃以下の場合は
ホットプレス時間を長くしてもち密な焼結体が得られず
、ホットプレス温度が１８００℃と高い場合にはあまり
ホットプレス時間を長くすると焼結体の特性が低下する
ことかわかる。さらに、ホットプレス温度が１８００℃
を超えるとホットプレス時間が短くても焼結体の靭性が
低下することがわかる。

〈実施例９〉 ＳｉＣウィスカ２０ｗｔ％、平均粒径４０μｍのＳｉＣ
粒子２０ｗｔ％、焼結体剤として平均粒径１μｍのＹ　
２０　ａ粉末１０ｗｔ％を、実施例１に記載したものと
同様にして成形体を得た。次いで、成形体は黒鉛製のル
ツボの中に入れ、炉内にセットした。炉内を窒素雰囲気
にしたのち昇温し、１８００℃で工時間保持して焼結体
を得た。

得られた焼結体の特性は、第１表のＮα５と同様であっ
た。

〈実施例１０＞ 実施例７及び実施例９で得られた焼結体を、黒鉛容器の
中に入れた。次いで、黒鉛容器をＨＩＰ法により加熱加
圧した。雰囲気ガスにはＡｒを使用し、ガス圧力を１０
０ＭＰａ、１８００℃で二時間保持した。

第９表に特性を示す。

第９表から明らかなように、密度及び他の特性ともにＨ
ＩＰ処理前にくらべ、向上していることがわかる。

〈実施例１１〉 直径約０．５〜１．０μｍアスペクト比５０のＳｉＣウ
ィスカ２０ｗｔ％、平均粒径４０μｍのＳｉＣ粒子１０
ｗｔ％、直径約１０μｍアスペクト比１０（７）ＳｉＣ
７フィバ１０ｗｔ％１粒径１μｍのＹ２Ｏ３粉末５ｗｔ
％を実−施例１に記載する方法により、焼結体を製造し
た。得られた焼結体の特性を評価したところ、密度３．
１　　ｇ／ａ＆とち密化しており、室温で破壊靭性値Ｋ
ｒｃ＝１２．５ＭＰａｍ”／ｚ　＋四点曲げ強度６５０
　Ｍ　Ｐ　ａと強靭化している。また、２０℃における
熱伝導率が１００ｗ／ｍ−ｋ　　を示した。

以上のことから、強化材を三種類添加しても。

強靭性で、かつ、熱伝導率の良いものが得られることが
わかった。

〈実施例１２〉 ＳｉＣウィスカ（直径約０．５〜１．０μｍ、アスペク
ト比５０）２０ｗｔ％、平均粒径４０μｍのＳｉＣ粒子
１０ｗｔ％、平均粒径１μｍのＡｌＮ粉末、焼結助剤と
してＹ２Ｏ３粉末５ｗｔ％を実施例１に記載する方法に
より焼結体を製造した。

さらに、第１図に示すＸ線管用回転陽極ターゲットを製
作した。本発明の材料は、従来のＸ線ターゲットに用い
られていた黒鉛に比べて、強度・靭性ともに優れている
ことから、第１図と同一の形状の黒鉛のみで製作したも
のと比較すると、１．２〜１．５倍の回転破壊強度をも
つことがわかった。

また、２０℃における熱伝導率を測定したところ１００
ｗ／ｍ−にの値を示した。

以上の結果から１本発明をＸ線ターゲットに用いること
により、優れた特性を発揮することがわかる。

〈実施例１３〉 直径約０．５〜１．０μｍ、アスペクト比５０のＳｉＣ
ウィスカ２０ｗｔ％、平均粒径４０μｍのＳｉＣ粒子２
０ｗｔ％、焼結助剤として、平均粒径１μｍのＹｚＯａ
粉末５ｗｔ％を、粒径の異なるＡｌＮ扮末にそれぞれ添
加し、実施例１に記載する方法により焼結体を製造した
。

得られた焼結体の特性を第１０表に示す。

第１０表 す。第１０表から明らかな通り、ＡΩＮ粉末の粒径が５
μｍ以上の時、靭性の低下が見られた。

〈実施例１４〉 直径約Ｏ０５〜】、０μｍ、アスペクト比のＳｉＣウィ
スカ２０ｗｔ％、平均粒径４’ＯμｍのＳｉＣ粒子２．
０ｗｔ％、焼結助剤として平均粒径約１μｍのＣａ　Ｏ
２粉末を、平均粒径１μｍのＡｌＮ粉末に添加し、以下
実施例１に記載する方法により焼結体を得た。本実施例
は、焼結助剤の添加量を変えて焼結体を得た。

第１１表に得られた焼結体特性を示す。

第１１表 第１１表から明らかな通り、焼結助剤の添加量が１〜１
０ｗｔ％の範囲であれば、破壊靭性値１０ＭＰａｍ’／
ｚ以上、２０℃における熱伝４率８０ｗ／ｍ−に以上と
いう特性を示した。

同様にして、他の焼結助剤についても検討した結果、は
ぼ同等の特性を示すことがわかった。

〈実施例１５〉 ＡｌＮ粉末と、実施例１に記載した前処理を行ったＳｉ
Ｃファイバ１０ｗｔ％及びＳｉＣウィスカ２０ｗｔ％、
さらに、平均粒径４０μｍのＳｉＣ粒子１０ｗｔ％を混
合した。本実施例では。

直径及びアスペクト比の異なるＳｉＣファイバ及びＳｉ
Ｃウィスカを使用した。

混合した粉末は、実施例１に記載した方法と同様にして
焼結体を製造した。

直径が０．１μｍ以下で、アスペクト比が５以下の場合
、破壊靭性値が６　、０　ＭＰａｍ　”／２と低い値を
示す。

一方、直径が０．１μｍ以上、アスペクト比が５以上の
場合、破壊靭性値が１０　、０　ＭＰａｍ’／ｚ以上の
大きな値を示すことがわかった。

〈実施例１６〉 本発明の焼結体と、窒化珪素焼結体について、摩耗試験
を行い、摩擦係数及び摺動距離を比較した。試験は、大
気中、面圧１　ｋｇ　ｆ　ｌｃｄ、周速１．１９ｍ／ｓ
で行った。

本発明の焼結体は、窒化珪素と比較して、摩擦係数が約
１／３．摺動距離で約二倍の値を示すことがわかった。

〔発明の効果〕

本発明によれば破壊靭性値が１０　ＭＰａｍ　”／Ｚ以
上、曲げ強度５００ＭＰａ以上の焼結体が得られる。

しかも、本焼結体は、熱伝導性に優れ、高強度。

強靭性である。

【図面の簡単な説明】

蓬１図は本発明の一実施例のＸ線管用回転陽極ターゲッ
トの断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主としてＡｌＮから成る母材中に、ＳｉＣ粒子及び
   ＳｉＣウィスカ・ＳｉＣファイバのうちの少なくとも一
   種を分散含有したことを特徴とする複合セラミックス焼
   結体。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記ＳｉＣ粒子の含有量が１〜３０ｗｔ％、ＳｉＣウィ
   スカ又はＳｉＣファイバの少なくとも一種の含有量が１
   〜３０ｗｔ％であることを特徴とする複合セラミックス
   焼結体。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項において、添加
   する前記ＳｉＣ粒子の平均粒径が５〜 ６０μｍであることを特徴とする複合セラミックス焼結
   体。 ４、特許請求の範囲第１項または第２項において、添加
   するＳｉＣウィスカ及びＳｉＣファイバの直径は、０．
   １μｍ以上で、アスペクト比が５以上であることを特徴
   とする複合セラミックス焼結体。 ５、特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかにお
   いて、 焼結助剤として、Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ、Ａｌ系列の元素又は
   これら元素の化合物から選ばれた一種以上を１〜１０ｗ
   ｔ％含有することを特徴とする複合セラミックス。 ６、ＡｌＮをマトリックスとして、これに焼結助剤と、
   ＳｉＣのウィスカ、又は、ファイバを１〜３０ｗｔ％、
   ＳｉＣ粒子を１〜３０ｗｔ％を複合した焼結体において
   、 ＡｌＮの粒径が５μｍ以下、ＳｉＣウィスカ又のファイ
   バの直径が０．１μｍ以上、アスペクト比５以上、Ｓｉ
   Ｃ粒子の平均粒径が１〜６０μｍの材料を均一な混合粉
   となし、それらを成形し、その成形体を非酸化性雰囲気
   中において焼結温度を１６００〜１８００℃、加圧力を
   ２０ＭＰａ以上、保持時間を１分〜３時間の条件でホッ
   トプレスを行うことを特徴とする複合セラミックス焼結
   体の製造方法。 ７、特許請求の範囲第６項において、 非酸化性雰囲気として、真空中、あるいは、Ｎ＿２又は
   Ａｒガス雰囲気で行い、その時のガス圧を０．１〜１０
   ｋｇ／ｃｍ＾２とすることを特徴とする複合セラミック
   ス焼結体の製造方法。 ８、特許請求の範囲第６項または第７項において、前記
   焼結体をさらに１６００〜１８００℃、ＡｒまたはＮ＿
   ２などの非酸化性雰囲気中で、雰囲気圧力を５０ＭＰａ
   以上でＨＩＰを行うことを特徴とする複合セラミックス
   焼結体の製造方法。 ９、特許請求の範囲第６項、第７項または第８項におい
   て、 得られた前記焼結体又は前記成形体を非酸化性の雰囲気
   中で、１６００〜１８００℃の範囲で無加圧焼結するこ
   とを特徴とする複合セラミックス焼結体の製造方法。