JPS63303845A - セラミックス−セラミックス複合材およびその製造法 - 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］ 本発明はマトリクス相となるセラミックス焼結体中に分
散相となるセラミックス焼結体を分散させたセラミック
ス−セラミックス複合材およびその製造法に関する。

［従来の技術］ 従来、セラミックス−セラミックス複合材に関する研究
開発は、主にエンジニアリングセラミックスの分野にお
いて、セラミックスの強度及び靭性の向上を目的とした
例が多かった。これらは例えば高強度、高弾性率のファ
イバーやウィスカーをマトリクスとなるセラミックスに
分散させたもの、ジルコニアの相変態機構を利用したも
の等があり、報告例としてもＳ　ｉａＮ　４　　Ｓ　ｉ
Ｃウィスカー系の複合材がある。

しかしながら、これらセラミックス−セラミックス複合
材の製法としては、焼結工程をホットプレス法あるいは
熱間静水圧成形法（ＨＩ　Ｐ法）を用いており、単純形
状品しか得られず生産性が悪くさらには高価な設備を必
要とする等の欠点がある。

また、近年材料に対する要求特性の多様化がら、材料の
強度の向上のみならず他の機械的物性の向上や、さらに
は熱的ある°いは電気的物性の向上を要求されることが
多く、これらの要求を満たすためには分散相となるセラ
ミックスもマトリク′ス相と共に常圧で焼結することの
できる簡便な手法のＰ発が待たれていた。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明はセラミックス−セラミックス複合材の前記のご
とき問題点に鑑みてなされたものであって、セラミック
スの焼結技術としてごく一般的な常圧焼結法を用いて、
マトリクス相および分散相が双方共高密度に焼結された
セラミックス−セラミックス複合材およびその製造法を
提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者等はセラミックスの焼結の際におけるメカニズ
ムについて鋭意研究を重ね、その結果マトリクス相の焼
結時の収縮応力を、分散相に及ぼせば、分散相にホット
プレスと同様の効果を与えることができるとの新たな着
想を得て、本発明を完成するに至った。

本発明のセラミックス−セラミックス複合材はマトリク
ス相焼結体の中に分散相焼結体を分散させたことを要旨
とする。

本発明のセラミックス−セラミックス複合材の製造法は
、マトリクス相を形成するマトリクス造粒粉と、分散相
を形成し前記マトリクス造粒粉よりも焼結時の収縮率の
小さい分散相造粒粉とを混合し、圧縮成形した後常圧に
て焼結する際にマトリクス相の収縮による圧力を分散相
へ及ぼしてマトリクス相と分散相を同時に焼結すること
を要旨とする。

［作用］ 本発明のセラミックス−セラミックス複合材はマトリク
ス相に分散相が単に結晶や粉粒として分散しているので
はなく、分散相自体も高密度の焼結体としてマトリクス
焼結体中に分散するので、機械的物性のみならず熱的あ
るいは電気的にも優れた物性の複合材が期待できる。

本発明のセラミックス−セラミックス複合材の製造法に
ついて、第１図の製造工程を示す模式図に従って説明す
る。

第１図（Ａ）は造粒および混合工程を示す、マトリクス
相となるセラミックス粉末は焼結助剤およびバインダを
混合した後造粒される。造粒はスプレー・ドライヤや粉
砕などの常法にしたがって造粒分級せしめられ、所定の
粒径の造粒粉１０とする。このマトリクスとなるセラミ
ックス粉末の造粒は後に分散相となるセラミックスと混
合された時、個々のマトリクスセラミックス粉末と分散
剤セラミックス微粉との接触が断たれるので、マトリク
ス相の焼結が阻害されずに進行する。

分散剤となるセラミックス粉末は所定の範囲の粒径に造
粒される。造粒は焼結助剤およびバインダを混合して造
粒する。この分散剤となるセラミックス造粒粉１２の焼
結時の収縮率は、バインダ量によって左右されるので、
マトリクス相のセラミックス造粒粉の焼結時の収縮率よ
り小さくなるようにバインダ量を規制する。造粒時に添
加されるバインダの結合力によって、分散相セラミック
ス造粒粉１２が後にマトリクス相造粒粉１０と混合され
た時に、分散相のセラミックス微粉末がマトリクス相と
なるセラミックスに取り込まれるのを防止し得るため、
マトリクス相の焼結が阻害されない、また、造粒時にマ
トリクス相との適合性を考慮して焼結助剤を添加するこ
とができるので、分散相とマトリクス相との親和力を高
め、分散相の保持力を強化すると共に、高密度および高
強度を実現することができる。この分散相を形成する造
粒粉１２はマトリクス相を形成する造粒粉１０と混合さ
れて成形用粉体となる。

成形用粉体の成形は常法に従って行なわれるが、例えば
金型成形法にて予備成形した後冷間静水圧成形法によっ
て本成形する。第１図（Ｂ）は成形工程を示す、成形体
１４の成形時の圧縮応力はマトリクス相１６および分散
相１８にも働くが、分散相１８を形成する造粒粉は、バ
インダの作用によって容易に変形するので、圧縮応力を
緩和しマトリクス相１６のクラックの発生を防止する。

次に成形体１４は第１図（Ｃ）に示す脱脂工程で、加熱
されて成形体１４中のマトリクス相１６および分散相１
８に含まれる有機バインダが加熱分解されて除去される
。

成形体１４の焼結は、マトリクス相に応じて焼結温度お
よび雰囲気が厳密に制御されて行なわれる。焼結時にお
ける成形体１４の挙動を、第１図（Ｄ）によって説明す
ると、焼結によってマトリクス相１６も分散相１８も共
に収縮する。しかるに、収縮率はマトリクス相１６の方
が大きいので、゛圧力効果、すなわち収縮による圧縮圧
力２０が分散相１８に集中される効果が生ずる。このた
め分散相１８は、焼結による温度と圧縮による圧力によ
って、ホットプレスと同じ条件が発生し、分散相１８の
焼結が進行する。

焼結が完了すると、第１図（Ｅ）に示すように、マトリ
クス相１６および分散相１８が共に荒結し、高密度の焼
結体２２となる。

本発明方法を実現するためには、本発明方法に適したマ
トリクス相および分散相を形成するセラミックス材料を
選定することが重要となる０例えば、マトリクス相とし
て使用されるセラミックス材料が選択されたら、分散相
を形成するセラミックス材料に要求される条件は、 ａ）　マトリクス相を形成するセラミックスの何等かの
物性値を向上するものであること。

ｂ）マトリクス相を形成するセラミックスの常温焼結温
度Ｔｍにおいてマトリクス相と著しい反応を起こすこと
なく、焼結時の雰囲気によって変化せず安定に存在でき
ること。

Ｃ）前記焼結温度Ｔ精以下の温度で圧力効果を伴わない
限り焼結が完了しないこと。

ｄ）熱膨張係数が焼結終了後の冷却過程においてマトリ
クス相にクラックを生じさせない程度に適合しているこ
と。

等が挙げられる。

例えば、これらの条件を満たすマトリクス相および分散
相の組み合わせとしては、Ｓ　ｉ　３　Ｎ　Ｊ　　Ａ　
ＩＮ系がある。一般的に５ｉｚＮ−セラミックスは高強
度の構造材として優れた位置づけにあるが、熱伝導度が
０．０５　ｃａｌ／　ｃｍ、ｓｅｅ、”ｃ程度と小さい
。

これに対しＡＩＮセラミックスは強度的にはＳｉ３Ｎ、
に劣るがその高い熱伝導率０　、４２　ｃａｌ／　ｃｍ
、ｓｅｃ、”ｃを特徴とした材料である。そこでＳ　ｉ
、Ｎ　、をマトリクスとして選びＡＩＮを分散相とする
ことで、Ｓ　ｉ、Ｎ　、のもつ高強度とＡＩＮの高熱伝
導率を兼備した複合材の製作が可能となる。

ここでＡＩＮは分散相としての条件ａ）は上記のごとく
十分に満たし、ｂ）およびＣ）については、焼結温度、
雰囲気は、５ｉ３Ｎ１、ＡＩＮ共に１７００〜１７５０
℃、Ｎ２雰囲気と同じ条件を用いることができる。そし
て、５ｉｓＮ＊相、ＡＩＮ相各々焼結助剤を適当に選ぶ
ことによって、Ｓ　ｉ　３　Ｎ　＜とＡＩＮの境界層に
第三層として、例えばサイアロン組成を形成することも
可能となる。

ｄ）については、５ｉｓＮ、、ＡＩＮの熱膨張係数が各
々３．３〜３．５Ｘ　１０−’／’Ｃおよび４．５〜５
゜７　Ｘ　１０”’／’Ｃであり、冷却時にＳ　ｉ３Ｎ
　、相での熱膨張係数の不適合によるクラックの発生は
無いものと考えられる。

こうして得られる複合体は、第１図（Ｄ）の焼結工程に
おけるマトリクス相および分散相の相対密度を、造粒粉
形成時のバインダ添加量で制御することによって、分散
相のマトリクス相から受ける圧力効果の大きさと温度域
の制御が可能となり、常圧焼結で得られる５ｉａＮ＊マ
トリクス相とホットプレスで得られるＡＩＮ分散相を持
った高密度複合体となる。

次の例として、我々はマトリクス相にＳｉＣ１分散相に
コークスを用いた複合体を実施例に基づいて説明する。

ＳｉＣは高強度でしかも硬度が高く耐摩耗性に優れ熱伝
導率も大きい材料である。

このＳｉＣに固体潤滑剤を分散してやることによって、
自己潤滑性を付加してやることを目的として複合化を行
った。

ここで分散相としての条件は、＆）については分散相が
コークスの形で存在すれば潤滑効果は期待できないが、
ピッチコークスに８４Ｃ、ＬａＢ　ｓ等のホウ素化合物
を１０ｗｔ％程度添加し、２０００℃、１時間、２００
ｋｇ／ｃ論２、Ａ「雰囲気下でホットプレスを行えば、
コークスにグラファイト化が起こりしかも焼結が進行す
るという報告（九工試「コークスの焼結と黒鉛化に及ぼ
すホウ化物添加の効果ｊ萩尾剛・宮崎憲治・小林和夫、
窯業協会誌８７［８］１９７９）があるので、コークス
のグラファイト化が期待さる。

ｂ）およびＣ）は、ＳｉＣとコークス＋ホウ化物の境界
で反応は起こるが、それは境界での整合性を高める程度
で、複合体中で得られるグラファイト焼結体の潤滑効果
を阻害するものではない、そして本発明の手法を用いた
ときに得られる圧力効果なしでは、この複合体の分散相
においてコークスのグラファイト焼結体化は起こり得な
いので、逆に必要不可欠の条件となる。ｄ）については
グラファイトの熱膨張率はＳｉＣに比べ非常に大きく問
題にならない、こうした背景のもとに、複合体の試作を
行った。

［実施例］ マトリクス相となるＳｉＣは、イビデン製β−３ｉＣを
用い、焼結助剤としてフェノール樹脂および８４Ｃを使
用し、一般的なスプレードライヤを用い、球形造粒した
ものを用いた。

分散相としてピッチコークスにＢ、Ｃを１０重量％添加
し、溶剤と共にバインダを添加したものを、自動乳鉢に
て粉砕・均一混合し微粉砕した後、これを加圧処理した
後租粉砕し、転勤造粒し球形化した。なお、バインダの
量については、分散相造粒粉はＳｉＣの焼結収縮率を１
５％とし、最終複合材の焼結体中でのグラファイト焼結
体密度を市販の等方性黒鉛焼結体密度１　、７６　ｇ／
　ｃｖａ”になると仮定し、分散相のバインダが熱分解
した後の密度が１．１０ｇ／ａｍ’となるように（つま
り収縮率が約１４％となるように）バインダ量を決めた
。

マトリクス形成造粒粉と分散相造粒粉を乾式混合し成形
用粉体を調製した。この成形用粉体を冷間静水圧成形法
にて成形した後、Ａｒガス雰囲気中常圧において２１８
０℃で１時間焼結し、複合材の焼結体を得た。こうして
得られた５ｉＣ−グラファイト系複合材は、マトリクス
のＳｉＣ相の密度が約３．０ｇ／ｃ論コ、グラファイト
部分の密度が約１．８ｇ／ａｍ’と、共に高密度の複合
体となった。

次に得られた複合体に混合したピッチコークスがグラフ
ァイト化したかどうかを確認するため、Ｘ線回折により
他の試料と比較した。比較のため用いた試料は、■分散
相形成粉のみをホットプレスを用いた方法で焼結した焼
結体、■市販等方性黒鉛焼結体、■原料コークス粉末、
■グラファイト粉末である。Ｘ線回折は面間隔ｄ（ＯＯ
２）の数値を用いて行った。得られた結果は密度と共に
、第１表に示す。

第　　　　　１　　　　　表 第１表の結果より、本実施例で作成した複合材中の分散
相として混合したピッチコークス粉は、焼結によって完
全にグラファイト化していることが確認された。

［発明の効果］ 本発明のセラミックス−セラミックス複合材は以上説明
したように、マトリクス相焼結体の中に分散相焼結体を
分散させたものであって、分散相自体も高密度の焼結体
としてマトリクス焼結体中に分散するので、機械的物性
のみならず熱的あるいは電気的にも優れた物性の複合材
として極めて有用である。

また、本発明のセラミックス−セラミックス複合材の製
造法は、マトリクス相を形成するセラミ７クスに対して
、所定の条件を満たす分散相となるセラミックスを選択
し、マトリクス相となるセラミックスを造粒する一方、
分散相となるセラミ７クスを造粒するに際して焼結時の
収縮率を制御するものであって、その後の焼結工程にお
いてマトリクス相の焼結による収縮圧力を分散相に集中
し、ホットプレスと同様の圧力効果を分散相に及ぼして
焼結するので、マトリクス相および分散相が双方共に高
密度に焼結された複合材な製造することができるという
優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造工程を示す模式図である。 １０・・・マトリクス相造粒粉、１２・・・分散相造粒
粉、１４・・・成形体、１６・・・マトリクス相、１８
・・・分散相、２０・・・圧縮圧力、２２・・・焼結体
。 特許出願人　ブラザー工業株式会社 第１図 （造粒粉）　（混合）　　（成形） （Ａ）　　　　　　　ＣＢ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）マトリクス相焼結体の中に分散相焼結体を分散さ
   せたことを特徴とするセラミックス−セラミックス複合
   材。
2. （２）マトリクス相を形成するマトリクス造粒粉と、分
   散相を形成し前記マトリクス造粒粉よりも焼結時の収縮
   率の小さい分散相造粒粉とを混合し、圧縮成形した後常
   圧にて焼結する際にマトリクス相の収縮による圧力を分
   散相へ及ぼしてマトリクス相と分散相を同時に焼結する
   ことを特徴とするセラミックス−セラミックス複合材の
   製造法。