JPS638263A

JPS638263A - ＳｉＣ超微粉焼結体の製造法

Info

Publication number: JPS638263A
Application number: JP61150091A
Authority: JP
Inventors: 高橋　重敏; 澄男飯島
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1986-06-26
Filing date: 1986-06-26
Publication date: 1988-01-14

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】（技術の分野）この発明は、構造用あるいは機能性の新素材として期待
されている５ｉＣ（炭化けい素）の焼結体の製造法に関
するものである。ざらに詳しくは、ＳｊＣの超微粉を焼
結し、高温での強度および靭［生に優れたＳｉＣ焼結体
を製造する方法に関するものである。

（技術の背景）新素材として注目されているファインセラミックスは、
一般に、高温での耐熱性は極めて優れているものの、強
度および靭性に乏しいという欠点がある。このため、５
ｉＣ（炭化けい素）、Ｓｉ３Ｎ４　（窒化けい素）、Ｂ
Ｎ（窒化はう素）などのファインセラミックスについて
、その組成、焼結、成形などの様々な観点から、高温で
の強度と靭性とを向上すべく、研究開発が精力的に進め
られている。

すでにこれまでの検討から、強度および靭ｉ生を向上さ
せるためには、焼結体の粒度が微細で、焼結粒子の粒界
に主原料とは異なる物質からなる不純物が存在しないこ
とが必要であることが判明している。このため、セラミ
ックスの原料粉末を微細化することや、この微細化した
粉末を用いて焼結することなどが検討されてきており、
すてにいくつかの改良方法も提案されている。

しかしながら、依然としてセラミックスの有する欠点が
克服されるには至っていないのが現状である。特に、フ
ァインセラミックスとしての期待の大きなＳｉＣの焼結
体については、原料のＳｉＣ微粉末も平均粒径が約２〜
５μｍ程度にとどまっており、さらに一層微粉化するた
めの方法は見出されていない。また、その焼結において
も、ＳｉＣ微粉末のみでは結合することができない状況
におる。ＳｉＣ焼結体を製造するためには、現状におい
ては、粘結剤としての炭素またはほう素などを混合せざ
るを得ない。その混合の割合は通常数％程度のわずかな
ものであるが、これら添加剤の一部は焼結後も粒界に沿
って残存し、焼結体の強度および靭性の低下の重大な要
因になっている。

（発明の目的）この発明は、このような事情を鑑みてなされたものであ
り、高温度での強度および靭性に医れたＳｉＣ焼結体の
製造方法を提供することを目的としている。また、この
発明は、このような優れた物性を有するＳｉＣ焼結体を
効率的に、かつ経済的に製造するための製造法を提供す
ることを目的としている。

（発明の構成）この発明の製造法は、上記の目的を実現するために、Ｓ
ｉＣの超微粉、特に高純度のＳｉＣ超微粉を用い、炭素
、はう素等の添加剤を混入することなしに焼結すること
を特徴としている。

原料として用いるＳｉＣの高純度超微粉は、その平均粒
径は１μｍ以下のものが好適に用いられる。特に好まし
くは、平均粒径が０．１μｍ以下のＳｉＣ超微粉を用い
る。

このようなＳｉＣ超微粉を用い、しかも添加剤を混入す
ることのないこの発明の焼結体の製造法は、たとえば、
次のような手順によって行う。

１＞ｓ；ｃ超微粉の生成超微粉の生成法は、この発明においては限定的なもので
はない。１μｍ以下、さらに好ましくは０．１μ７ｎ以
下の平均粒径のｓｒｃ、超微粉をｊｑることができれば
、その製造法は適宜なものであってよい。

たとえば、高純度の超微粉を生成することのできるガス
中蒸発法によって製造することができる。

この方法の場合では、製造装置内で、アルゴン（Ａｒ　
）ガスと少量のメタン（ＣＨ４）ガスを混合した雰囲気
中で、１鬼状の３ｉとＳｉＣを電器として両者の間に直
流アーク放電を発生する。

ＳｉＣは融解しないが、３ｉは融解して蒸発し、３ｉＣ
（７）超微粉を生成づる。この場合、溶融３ｉの飛散は
認められない。このため、従来のＳｉＣ微粉末にみられ
るような大きな粒子の混入のないＳｉＣ超微粉が得られ
る。この超微扮の純度は曝めて高いものであり、超微細
なほぼ均一粒径のＳｉＣが得られる。

２）加熱生成後に回収したＳｉＣ超微粉は、高真空中で高温加熱
するのが好ましい。この処理によって、ＳｉＣ超微粉中
の過剰な炭素（Ｃ）は、ＳｉＣ超微粉の粒子表面の３ｉ
０２と反応し、炭酸ガスとして処理至外に排出され、組
成比のそろったＳｉＣの超微粉粒子の集合体となる。

３）予備成形加熱連理後のＳｉＣ超微粉はふわふわした状態で、それ
自身のかぎ密度は極めて小ざい（０，２’；ｊ　／　ｃ
ｎｉ以下）ので、単一工程での金型内プレスでは、この
ふわふわした状態を形成している気体の排除が十分に行
えない。粒子間に有効な力が７ＪＯえられず、目的とす
る高密度成形はなかなか難しい。

そこで、高圧加圧の前に予備的に成形を行うのが好まし
い。この場合には、添加剤は使用しない。

たとえば約１↑／ｃ〃１程度の加圧で金型内において小
さなペレットを形成する。

もらろん、この予備成形によって得られる成形体の密度
は小ざい（たとえば、１．Ｅ！？／ｃｍ３）。

また機械的な特注も不十分て必る。しかし、この程度の
ものでも、予備成形を行うことによって、以後の焼結は
一層効果的に行うことが可能となる。

４）高温・高圧焼結焼結は、高温、高圧の条件下で行う。

３〜８ＧＰａ程度の加圧下、１４００〜１９００°Ｃ程
度に加熱して、５〜２０分間保持して焼結体を製造する
。

焼結装置に格別の限定はない。高温、高圧プレス焼結装
置か用いられる。

添加剤を用いないこの発明の焼結により得られるＳｉＣ
焼結体は、従来法によるＳｉＣ焼結体に比べて、高密度
で、機械的性質に優れたものである。

以下、実施例により、この発明の構成および効果をさら
に詳細に説明する。もらろん、この発明は、この実施例
に限定されるものではない。

実施例１）超微粉の生成ＳｉＣ超微粉を生成づるために、第１図に示したガス中
蒸発法による生成装置を用いた。

上下の電極（１）（２＞にブロック状の３ｉ（３）を取
りつけている。このうちの下部型（※面には、３ｉブロ
ツクの上に５ｉＣ（ブロック（４）を置いている。生成
至（５）内は、１Ｘ１０’Ｔ　ｏｒｒ以下の高真空に一
度排気した後、アルゴンガス３９５　　Ｔｏｒｒ、メタ
ンガス５　１’−ｏｒｒ、合計で４００　　Ｔｏｒｒの
ガス圧とする。電極は直流アーク溶接用電源と接続され
ており、両電極間に４００Ｈ２の高周波を印加する。ア
ーク放電が開始する。

その後、３０〜４０Ａに電流を増加すると、上下の電極
の３ｉは加熱され、融解して蒸発をはじめる。

蒸発後の３ｉ蒸気は周辺のガス分子と衝突して微粒子化
するが、その際に、ガス中に混入しているメタンガスと
反応し、ＳｉＣ超微粒子か生成する。

下部電極上のＳｉＣは放電中融解することがなく、その
形状を保持し、固定電極として安定な放電の持続の役目
をする。安定な放電で溶融３ｉの飛散が発生ぜず、その
ため、生成した超微粉のなかに大きな粒子が混入するこ
とはない。

生成したＳｉＣ超微粉の比表面積は４９９／尻で、平均
粒径として０．０３８μｍに相当する。

２）加熱ＳｉＣ超微粉を高真空加熱炉内で加熱処理する。その条
件は、圧力１Ｘ１０−４Ｔｏｒｒ以下で、１２００’Ｃ
の温度、１時間の加熱である。

余剰の炭素分は、この１×１Ｏ−４Ｔｏｒｒ以下の高真
空中での１２００°Ｃの温度での７Ｊｌ熱によりＳｉＣ
超微粉粒子の表面の８１０２と反応し、炭酸ガスとなっ
て系外に放出される。この反応に要する時間は、およそ
１時間以内である。

加熱処理後のＳｉＣ超微粉の比表面積は２８ｍ／９であ
った。平均粒径０．０６７μ７ｎに相当する。

３）予備成形上述の処理により１ｑられたＳｉＣ超微粉を内径３ｍＩ
ｎ、有効高さ３０順の金型内に手こめて８〜１２回圧入
する。３８ｍ５を充填する。金型内充填高さは１８＃、
また手こめ状態でのかぎ密度は約０．３ｇ／ｃｍ３　（
密度比約６％）である。この状態で金型の上下パンチに
７０に３の力を加える。金型内のＳｉＣ超微粉はｉｔ／
ｃｒｉの力で加圧する。

厚ざ３＃ｎのペレット状の圧粉体に成形する。見掛密度
は１．８９／ｃｄで、密度比は６０％に向上する。

４）高温・高圧焼結焼結には、第２図に示した方法を採用する。

パイロフェライト（滑石）製の正８面体（９）の任意に
向きあった２面の中心に、而に直角に直径４ｍｍの孔（
１０）をあける。直径３　ｍｍ、高さ３履のＳｉＣ超微
粉成形体は、窒化はう素（ＢＮ）製の外径４順、内径３
ｍｌで高さ３ｒｎｍの円筒内に装入し、上述のパイロフ
ェライト８面体の４　ｍ、ｒｒｒの孔に挿入する。８面
体パイロフェライトにＢ　Ｎ　％’Ｊの円筒の挿入され
ている２面には、カーボン電極を接続し、第３図に示し
たタングステン・カーバイト（ＷＣ）製のブロック（１
１）８個で、８面体に接触させる。各々のタングステン
・カーバイ１へ製ブロックは、そのすき間を厚さ３　ｍ
ｍのパイロフェライトで絶縁し、８個のブロックはガラ
ス、繊維の入ったエポキシ樹脂の板で固定する。

次いて、マス型高圧発生装置を用いて加圧するが、この
時、カーボン電極と接触している２個のタングステン・
カーバイト製ブロックの間に３ＯＡの電流を流し、加圧
中に抵抗加熱による加熱を行う。その温度は、別にパイ
ロフェライト製ブロックを通して挿入している熱電対で
測定する。

６ＧＰａのｈ０圧下で、約１７００’Ｃの温度ニ１０分
間保持する。

加圧および加熱の経過は第３図に示したとおりである。

以上の１）〜４）のプロセスによって製造したＳｉＣ超
微粉焼結体の性質は、次の表に示したとおりのものでお
った。従来法によって製造したＳｉＣ微扮微結焼結体質
との比較から明らかなように、この発明によるＳｉＣ焼
結体はその性質がはるかに優れたものである。

（表＞Ｓ：Ｃ焼結体の性質の比較（発明の効果）この発明の製造法は、以上のとあり、従来の方法に比へ
てはるかに優れた物性のＳｉＣ焼結体の製造を実現する
ものである。従来法で用いている炭素、はう素等の添加
剤を用いることのない、ＳｉＣ超微粉を焼結するこの発
明の製造法は、これまでに知られている技術からは、そ
の構成および効果は全く予測しえないものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ＳｉＣ超微粉を製造するための装置の一例を
示している。第２図は、焼結方法の概要を示している。第３図は、焼結時のン晶度、圧力の経、緯を示している
。図中の番号は次のものを示している。１．２　電極３　　　ブロック状３ｉ４　　　ブロック状５ｉＣ５生成室６　　　回収系７　　　アーク電源８　　　真空排気系９　　　パイロフェライト正８面体１０孔１１　　　　ＷＣ製ブロック代理人　　弁理士　　西　澤　刊　夫第１図第　　２　　図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＳｉＣ超微粉を用い、添加剤を混入することなし
に焼結することを特徴とするＳｉＣ焼結体の製造法。
（２）ＳｉＣ超微粉の平均粒径が１μｍ以下である特許
請求の範囲第１項記載のＳｉＣ焼結体の製造法。
（３）ＳｉＣ超微粒子の平均粒径が０．１μｍ以下であ
る特許請求の範囲第２項記載のＳｉＣ焼結体の製造法。
（４）ガス中蒸発法により生成させたＳｉＣ超微粒子を
用いる特許請求の範囲第１項ないし第３項記載のＳｉＣ
焼結体の製造法。
（５）ＳｉＣ超微粉の予備成形を行う特許請求の範囲第
１項ないし第４項記載のＳｉＣ焼結体の製造法。