TW201400435A - 碳－碳化矽複合材料 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種加工性優異且強度高之碳-碳化矽複合材料。本發明之具有碳粒子彼此透過碳化矽而接合之構造的碳-碳化矽複合材料，其特徵係：彎曲強度為50MPa以上、蕭氏硬度為HSD50以下。

Description

碳-碳化矽複合材料

本發明係關於碳與碳化矽複合之碳-碳化矽複合材料。

對於碳與碳化矽複合之碳-碳化矽複合材料已有各種檢討。

例如專利文獻1中揭示：將微粉化之碳化矽粒子及碳粒子混合並在高溫高壓下燒結為所求之形狀，藉此而製造碳-碳化矽複合材料之方法。

此外，專利文獻2中揭示：將加壓成形之碳纖維的成形體融熔含浸於矽，藉此而製造碳-碳化矽複合體之方法。

碳-碳化矽複合材料因含有碳化矽故硬度高，而有難以加工為所求形狀之問題。若為了改善加工性而降低硬度，則會有彎曲強度等機械強度降低之問題。

因此，良好之加工性與高的強度為相反之性質，一直以來難以獲得加工性優異且強度高之碳-碳化矽複合材料。

專利文獻3揭示：藉由將基材之碳與矽成分反應，而在碳粒子表面具有形成碳化矽之碳化矽被覆層，並藉由燒結該碳粒子而製造碳-碳化矽複合材料之方法。但是有關於加工性優異且強度高之碳-碳化矽複合材料係未有任何揭示與暗示。

[先前技術文獻] (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2004-339048號公報

專利文獻2：日本特開2006-290670號公報

專利文獻3：日本特開2011-51866號公報

本發明之目的係提供加工性優異且強度高之碳-碳化矽複合材料。

本發明之碳-碳化矽複合材料係具有碳粒子彼此透過碳化矽層而接合之構造的碳-碳化矽複合材料，其彎曲強度為50MPa以上、蕭氏硬度為HSD50以下。

本發明之碳-碳化矽複合材料中，碳化矽層的比例較佳為20至70重量%之範圍

此外，表觀密度較佳為1.90g/cm³以上。

碳化矽層的厚度較佳為在100nm至20μm之範圍。

本發明之碳-碳化矽複合材料較佳為藉由燒結具有碳化矽被覆層之碳粒子所獲得者。

具有碳化矽被覆層之碳粒子的平均粒徑較佳為在50nm至500μm之範圍。

碳化矽被覆層的厚度較佳為在50nm至10μm之範圍。

根據本發明可得加工性優異且強度高之碳-碳化矽複合材料。

第1圖係概略表示根據本發明之一實施型態中之碳- 碳化矽複合材料的截面圖。如第1圖所示般，本發明之碳-碳化矽複合材料1係具有下述構造：在碳粒子2的周圍具有碳化矽層3，且碳粒子2彼此透過碳化矽層3而接合。碳化矽層3係三維網狀連續並設置於碳-碳化矽複合材料1內。設置在碳粒子2周圍之碳化矽層3係連續且以均一厚度而形成。

再者，本發明之碳-碳化矽複合材料係具有碳粒子2彼此透過碳化矽層3而接合之構造，故具有高的彎曲強度，另一方面可具有低的蕭氏硬度。如上述般，一般若彎曲強度高則蕭氏硬度也會上升，但本發明之碳-碳化矽複合材料中可使高的彎曲強度與低的蕭氏硬度併存。

本發明之碳-碳化矽複合材料的彎曲強度為50MPa以上、蕭氏硬度為HSD50以下。藉由具有如此之彎曲強度及蕭氏硬度，而可作成具有高強度同時加工性亦優異之碳-碳化矽複合材料。

本發明中之彎曲強度為50MPa以上。若彎曲強度未達50MPa，則碳-碳化矽複合材料之機械強度不足。彎曲強度較佳為在50至300MPa之範圍，更佳為在60至250MPa之範圍。

本發明之碳-碳化矽複合材料的蕭氏硬度為HSD50以下。若蕭氏硬度超過50，則無法獲得良好的加工性。蕭氏硬度較佳為在HSD20至50之範圍，更佳為在HSD25至45之範圍。

本發明之碳-碳化矽複合材料因具有上述之彎曲強度 及蕭氏硬度，故加工性優異，且在加工後也難以產生破裂。 因此可作成加工性及強度優異之構造材料。

此外，本發明之碳-碳化矽複合材料係具有碳粒子彼此透過碳化矽層而接合之構造，故藉由切削加工等而形生之新的表面也幾乎為均一，因此物性上不會有嚴重不一致之情形。因此，即使加工也不會在表面產生性能差異。

本發明之碳-碳化矽複合材料，其碳化矽層的比例較佳為在20至70重量%之範圍。碳化矽層的比例若未達20重量%，則碳化矽層的強度有可能變弱，而可能使作為材料之強度也降低。

此外，若碳化矽層的比例超過70重量%，則碳本身的比例過小，故難以呈現碳的特性。

碳化矽層的比例更佳為在25至65重量%之範圍，特佳為在30至55重量%之範圍。

本發明之碳-碳化矽複合材料的表觀密度較佳為在1.90g/cm³以上。若表觀密度未達1.90g/cm³，則無法成為相對緊密堆積之構造，而有強度降低之虞。

表觀密度更佳為在1.95至2.80g/cm³之範圍，特佳為在2.05至2.70g/cm³之範圍。

本發明之碳-碳化矽複合材料中，碳化矽層的厚度較佳為在100nm至20μm之範圍。

若碳化矽層的厚度過薄，則可能使碳化矽層的強度降低。

若碳化矽層的厚度過厚，則有難以呈現碳之良好特性 之情形。

本發明之碳-碳化矽複合材料較佳為藉由燒結具有碳化矽被覆層之碳粒子而得者。使用具有碳化矽被覆層之碳粒子而燒結，藉此可獲得碳粒子周圍具有均一的碳化矽層之碳-碳化矽複合材料。因此可容易地製造加工性優異且強度高的碳-碳化矽複合材料。

第2圖係概略表示具有碳化矽被覆層之碳粒子的截面圖。如第2圖所示般，碳化矽被覆碳粒子12係在碳粒子10之表面具有碳化矽被覆層11。

例如可藉由在碳粒子10中使矽成分反應，將表面之碳碳化而形成碳化矽，藉此可製造如第2圖所示之碳化矽被覆碳粒子12。如此將藉由將基材的碳作為反應源並與矽成分反應而轉換為碳化矽之方法，係稱為CVR法。例如專利文獻3中係使用如此CVR法，而製造如第2圖所示之具有碳化矽被覆層之碳粒子。使用以專利文獻3所揭示方法而製造之具有碳化矽被覆層之碳粒子，而可形成本發明之碳-碳化矽複合材料。

上述CVR法中，例如在溫度1400℃至1600℃、壓力1至150Pa之環境中，將碳粒子表面與SiO氣體反應而可在碳粒子表面形成碳化矽被覆層。

具有碳化矽被覆層之碳粒子的平均粒徑較佳為在50nm至500μm之範圍，更佳為在1μm至250μm之範圍，特佳為在5μm至100μm之範圍。

若平均粒徑過小則可能無法成為具有充分碳化矽層之 碳粒子。因此導致碳化矽層的強度降低，並無法獲得碳-碳化矽複合材料之強度。

若平均粒徑過大則在燒結時無法獲得充分密度，會有使燒成之碳-碳化矽複合材料之強度降低的情形。

碳化矽被覆層之厚度較佳為在50nm至10μm之範圍，更佳為在200nm至10μm之範圍，特佳為在500nm至5μm之範圍。若碳化矽被覆層之厚度過薄則會使碳粒子-碳粒子間的接合強度變小，有可能使材料整體之強度降低，若碳化矽被覆層之厚度過厚，則有可能無法獲得相對密度高且緻密之碳-碳化矽複合材料。

第3圖係概略以CVR法製造具有碳化矽被覆層之碳粒子的坩鍋內之配置狀態的截面圖。如第3圖所示般，在石墨製坩鍋21內配置碳薄片22，並在其上配置作為SiO源之SiO粉末23。在SiO粉末23上配置碳氈24，並在碳氈24上配置碳粒子25。在碳粒子25上配置碳氈26，並在其上配置碳薄片27。

可使用鋁製坩鍋取代石墨製坩鍋。

將如第3圖所配置之石墨製坩鍋21配置於燒成爐內，將燒成爐內進行排氣並加熱，藉此加熱及排氣而使石墨製坩鍋21內為預定溫度及預定壓力。

藉由將石墨製坩鍋21排氣至預定壓力並加熱至預定溫度，而由SiO粉末產生SiO氣體，並使該SiO氣體與碳粒子表面反應，藉此而使碳粒子表面轉換為碳化矽，並可藉由CVR法而製造具有碳化矽被覆層之碳粒子。

本發明之具有碳化矽被覆層之碳粒子並不限定於藉由上述CVR法所製造者，亦可以以其他方法製造。例如可藉由以下方法製造：藉由氣相法、液相法、機械混合法或組合該等之方法，而在碳粒子表面形成碳化矽層。例如可藉由將碳粒子添加於碳化矽粒子之漿液中，使碳粒子表面附著碳化矽粒子並形成碳化矽層。

(實施例)

以下藉由實施例更具體說明本發明，但本發明並不限定於以下實施例。

[具有碳化矽被覆層之碳粒子的製造]

使用第3圖所示之石墨製坩鍋21，如上述般在石墨製坩鍋21內配置SiO粉末23及碳粒子25，並以表1所示之原料加入量及反應條件，而藉由CVR法製造具有碳化矽層之碳粒子(以下稱為「碳化矽被覆碳粒子」)。SiO粉末係使用平均粒徑2至6μm之SiO顆粒。碳粒子係使用平均粒徑20μm之球狀石墨粒子。

表1所示反應條件之環境中的「Vac.」是指減壓環境，具體來說係使用真空泵而減壓至30Pa以下。此外，「Ar」是指氬氣環境。此外，原料加入量中的「C量」及「SiO量」是表示石墨粒子之C的mol量及SiO粉末中之Si的mol量。

以表1所示條件獲得原料1至原料5之碳化矽被覆碳粒子。

碳化矽被覆碳粒子的平均粒徑在原料1至5皆為20μm。

此外，碳化矽被覆碳粒子中，原料1之碳化矽被覆層的厚度為600nm，原料2之碳化矽被覆層的厚度為1.5μm，原料3之碳化矽被覆層的厚度為2.5μm，原料4之碳化矽被覆層的厚度為150nm，原料5之碳化矽被覆層的厚度為7μm。

第4至8圖係表示如上述般所得原料1至原料5之X射線繞射圖案。第4圖表示原料1、第5圖表示原料2、第6圖表示原料3、第7圖表示原料4、第8圖表示原料5。另外，各圖中之縱軸表示波峰強度，為任意單位。

表1所示「SiC被覆量」係表示碳化矽被覆碳粒子中之碳化矽被覆層的被覆比例。SiC被覆量為由X射線繞射之標準曲線所求的值。

[碳-碳化矽複合材料之製造]

使用上述原料1至原料5之碳化矽被覆碳粒子，而以以下方式製造碳-碳化矽複合材料。

使用大電流放電接合裝置(住友石碳工業公司製「SPS-1050」)將碳化矽被覆碳粒子加熱燒結，藉此而製造碳-碳化矽複合材料。藉由使用該裝置，而能以放電電漿燒結(脈衝通電燒結)使其燒結。放電電漿燒結係藉由電流而直接加熱，並藉由脈衝通電而產生電流衝擊，可在低於一般溫度的低溫下使粉體燒結。

在此，在30MPa加壓之狀態下，藉由以2000℃之溫度保持加熱5分鐘而燒結。

實施例1係使用原料1、實施例2係使用原料2、實施例3係使用原料3、比較例1係使用原料4、比較例2係使用原料5而製造燒結體。

比較例3係不使用碳化矽被覆碳粒子，而將原本之碳粒子與碳化矽粉末(平均粒徑600nm)以使碳化矽含量成為55重量%之方式混合成混合粉末，並使用該粉末製作燒結體。

以如下方式測定所得燒結體之表觀密度、彎曲強度及蕭氏硬度。

另外，所得燒結體係如第1圖所示般，具有碳粒子彼此透過碳化矽層而接合之構造，碳化矽層之厚度在實施例1為1200nm、實施例2為3.0μm、實施例3為5.0μm、比較例1為300nm、比較例2為14μm。

另外，比較例3中無法確認到如第1圖所示般之構造， 也無法觀察到三維網狀連續之碳化矽層。

[表觀密度之測定]

藉由阿基米德法測定表觀密度。具體來說係根據JIS A1509-3而測定。

[彎曲強度之測定]

測定燒結體3點之彎曲強度。將所得燒結體加工為厚度約2mm×寬約3mm×長度約20mm並作為試驗片。使用桌上小型泛用試驗機(島津製作所製「EZ-Test Type L」)而以荷重速度0.1mm/秒，測定試驗片破裂時之彎曲強度。

[蕭氏硬度之測定]

使用硬度試驗機蕭氏D型(仲井精機製作所製，型號20309)而測定所得燒結體之蕭氏硬度。對1片試驗片進行5點測定，並將除去最大值與最小值之三點平均而作為蕭氏硬度。

測定結果表示於表2。

使用原料1至3之實施例1至3中，可得彎曲強度為 50MPa以上、蕭氏硬度為HSD50以下之碳-碳化矽複合材料。

比較例1中之蕭氏硬度為HSD50以下，但彎曲硬度未達50MPa。此外，比較例2中之蕭氏硬度為高於HSD50之值。

比較例3係碳粒子無法順利燒結，為非常脆性之碳-碳化矽複合材料，故無法製作為試驗片而無法測定。

此外，以專利文獻3之實施例所揭示之條件製作燒結體而作為參考例。具體來說，係在40MPa加壓之狀態下，以2000℃之溫度加壓20分鐘而製作燒結體時，蕭氏硬度為HSD59，為高於50的值。

因此可知本發明之碳-碳化矽複合材料之蕭氏硬度，例如可藉由縮短燒結時間，而可控制蕭氏硬度在HSD50以下。

[加工性之評價]

以如下方式而評價實施例1至3及比較例1至2之碳-碳化矽複合材料之加工性。

於所得碳-碳化矽複合材料形成具有0.5mm寬螺紋的孔。實施例1至3中可使用切削工具形成螺紋而且不會破裂，且以螺絲鎖合於螺孔中時，可不損壞螺紋而重複鎖合螺絲。對此，比較例1中螺紋會破裂，為加工性不佳且欠缺實用性者，復所形成之螺孔在以螺絲鎖合時螺紋會損壞，為強度弱且欠缺實用性者。此外，比較例2係過硬，故無法以上述一般切削工具加工。

1‧‧‧碳-碳化矽複合材料

2、10、25‧‧‧碳粒子

3‧‧‧碳化矽層

11‧‧‧碳化矽被覆層

12‧‧‧碳化矽被覆碳粒子

21‧‧‧石墨製坩鍋

22、27‧‧‧碳薄片

23‧‧‧SiO粉末

24、26‧‧‧碳氈

第1圖係概略表示根據本發明之一實施型態中之碳- 碳化矽複合材料的截面圖。

第2圖係概略表示具有碳化矽被覆層之碳粒子的截面圖。

第3圖係概略表示根據本發明之實施例中，用以製造具有碳化矽被覆層之碳粒子的坩鍋內之配置狀態的截面圖。

第4圖係表示根據本發明之實施例1所使用之原料1的X射線繞射圖案。

第5圖係表示根據本發明之實施例2所使用之原料2的X射線繞射圖案。

第6圖係表示根據本發明之實施例3所使用之原料3的X射線繞射圖案。

第7圖係表示比較例1所使用之原料4的X射線繞射圖案。

第8圖係表示比較例2所使用之原料5的X射線繞射圖案。

1‧‧‧碳-碳化矽複合材料

2‧‧‧碳粒子

3‧‧‧碳化矽層

Claims (7)

1. 一種碳-碳化矽複合材料，係具有碳粒子彼此透過碳化矽層而接合之構造者，其彎曲強度為50MPa以上、蕭氏硬度為HSD50以下。
2. 如申請專利範圍第1項所述之碳-碳化矽複合材料，其中，前述碳化矽層的比例為在20至70重量%之範圍。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之碳-碳化矽複合材料，其中，表觀密度為1.90g/cm³以上。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之碳-碳化矽複合材料，其中，前述碳化矽層的厚度為在100nm至20μm之範圍。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之碳-碳化矽複合材料，其係藉由燒結具有碳化矽被覆層之碳粒子所獲得者。
6. 如申請專利範圍第5項所述之碳-碳化矽複合材料，其中，前述具有碳化矽被覆層之碳粒子的平均粒徑為在50nm至500μm之範圍。
7. 如申請專利範圍第5項或第6項所述之碳-碳化矽複合材料，其中，前述碳化矽被覆層的厚度為在50nm至10μm之範圍。