WO2004011388A1 - 炭化ケイ素系耐熱多孔質構造材及びその製造方法 - Google Patents

炭化ケイ素系耐熱多孔質構造材及びその製造方法 Download PDF

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    • C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient
    • C04B2235/9615—Linear firing shrinkage

Definitions

  • the present invention provides a two-stage reaction sintering that combines reaction sintering of silicon and carbon and melt impregnation of silicon using a porous structure made of carbon powder formed into a honeycomb shape or the like using carbon powder, or
  • the present invention relates to a silicon carbide heat-resistant porous structural material formed by simple melt impregnation of silicon and a method for producing the same, and more specifically, to a high-temperature structural member, a heat exchanger, a high-temperature catalyst carrier,
  • the present invention relates to a heat-resistant porous structural material suitable for many uses such as a high-temperature filter, a molten metal filter material, and a furnace inner member, and a method for producing the same.
  • Silicon carbide ceramics are lightweight and have excellent heat resistance, abrasion resistance, corrosion resistance, etc.
  • high-temperature corrosion-resistant materials, heater materials, heat exchangers, wear-resistant materials, and even grinding It is widely used for applications such as materials and whetstones.
  • this silicon carbide is mainly manufactured by sintering technology, a sintering aid is required.Furthermore, it is used in a dense lump and has a complicated shape such as a filter and a honeycomb shape. It has not been put to practical use as a lightweight porous structural material.
  • Extrusion molding is also used to produce hard-shaped silicon carbide ceramics, but the molding machine and its mold are expensive, and the shape is determined by the mold. Problem.
  • paper cardboard has a dimensional shrinkage of 10 to 20% during firing, and its surface is not flat but wavy. Furthermore, the amount of carbon remaining on paper is only about 10 wt% of the cardboard weight, and the carbon yield from resin is at most 60 wt%. Therefore, the strength as a structural material is not high.
  • paper-made corrugated balls are made of waste paper, they contain oxides such as calcium carbonate and titanium oxide in an amount of about 10 wt% of the corrugated ball weight. becomes impurities and reduces heat resistance.
  • the present inventor has found that in the study of fiber reinforced silicon carbide composite material, the reaction of the formation of silicon carbide between carbon and silicon powder from the resin is accompanied by a decrease in volume, and the adhesion to fibers is good ( Patent No. 2045825).
  • a porous material such as cardboard or sponge is impregnated with a slurry of phenolic resin and silicon powder, and is melt-impregnated with silicon after reaction sintering, so that the skeleton part is dense and the specific surface area is small. It has been found that a lightweight lightweight porous structural material can be produced (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-226174).
  • An object of the present invention is to provide a silicon carbide-based heat-resistant porous structure material and a method for producing the same in a low-cost process that has been made possible.
  • a mixed slurry of silicon powder and resin is added to the tangible skeleton of a carbon powder porous structure such as a corrugated cardboard. Impregnated and fired in a vacuum or inert atmosphere, it has the strength to retain its shape even after carbonization at 100 ° C, and almost no dimensional shrinkage of about 3%. At 0 degrees or more, it was confirmed that a porous silicon carbide was generated on the surface by a silicon carbide generation reaction accompanied by a volume reduction with carbon from the silicon powder and the resin.
  • this porous silicon carbide has good wettability with the molten silicon, easily reacts with the molten silicon, and contains the carbon powder porous structure inside the porous silicon carbide. Have been found to produce dense silicon carbide, and have completed the present invention. Furthermore, it was confirmed that dense silicon carbide can be produced even if the resin slurry is impregnated and applied to the tangible skeleton of the porous structure made of carbon powder, carbonized, and then melt-impregnated with silicon. Disclosure of the invention
  • the first silicon carbide-based heat-resistant porous structural material of the present invention completed on the basis of the above contains porous silicon carbide due to wettability with molten silicon, and also has open pores caused by a volume reduction reaction. Dissolves silicon in the carbonized porous structure A slurry in which the carbonized porous structure is melt-impregnated, and the carbonized porous structure is formed from a carbon powder and has a tangible skeleton formed of a carbon powder, and a resin containing a resin as a carbon source and silicon powder. It is characterized by being formed by reaction sintering after carbonization by impregnating and coating.
  • the second silicon carbide heat-resistant porous structural material of the present invention contains carbon powder while having wettability with molten silicon, and at the same time, forms carbon from resin on the surface to form even after carbonization. Is obtained by melting and impregnating silicon into a carbonized porous structure capable of retaining a carbon material, and the carbonized porous structure has a tangible skeleton made of carbon powder. Further, a slurry containing a resin as a carbon source is impregnated and applied to form a carbon, thereby forming a carbon.
  • porous structure made of carbon powder that forms the tangible skeleton a carbon product formed by adding a binder to carbon powder and forming it into a honeycomb shape, a cardboard shape, or a cardboard shape is generally used.
  • the silicon carbide heat-resistant porous structural material of the present invention covers the tangible skeleton of the porous structure made of carbon powder with a resin! /, And retains its shape after carbonization.
  • the silicon powder is mixed with the resin as needed, and the amorphous carbon from the resin and the silicon powder by the reaction sintering form silicon carbide with good wettability with molten silicon and open pores caused by the volume reduction reaction. It is formed on the surface of the skeleton by melt impregnation with silicon.
  • Amorphous carbon obtained by carbonizing resin hardly reacts with molten silicon when it is in a dense state.
  • the porous structure made of carbon powder is porous carbon that easily reacts with molten silicon, silicon powder is mixed with resin. Melt impregnation of silicon is possible without the reaction sintering when the amount of amorphous carbon from the resin is small.
  • the tangible skeleton of the carbon powder porous structure is made of carbon, there is almost no shrinkage after firing, and the yield strength is low, and the carbon itself is used as a raw material instead of paper.
  • the amount of silicon carbide generated by the reaction of carbon with silicon is large, and the strength is high.
  • the method for producing the first silicon carbide-based heat-resistant porous structure material of the present invention is characterized in that a carbon powder-based porous structure having a tangible skeleton molded using carbon powder is provided with a resin as a carbon source. And carbonization at 900 to 130 ° C under vacuum or inert atmosphere, and then 130 ° C under vacuum or inert atmosphere. Reaction sintering at a temperature of 0 ° C or higher produces porous silicon carbide with good wettability with molten silicon and, at the same time, carbonized porosity that generates open pores due to the volume reduction reaction The carbonized porous structure is melt-impregnated with silicon at a temperature of 130 to 180 ° C. in a vacuum or an inert atmosphere. .
  • the method for producing the second heat-resistant porous silicon carbide material of the present invention is characterized in that the porous structure made of carbon powder having a tangible skeleton formed by using carbon powder is added to a resin as a carbon source. Impregnated with a slurry containing carbon and carbonized at 900 to 130 ° C in a vacuum or inert atmosphere to obtain wettability with molten silicon and carbon powder. At the same time as a carbonized porous structure in which carbon from the resin is formed on the surface, and the carbonized porous structure is placed in a vacuum or an inert atmosphere at 130 to 180 It is characterized by melting and impregnating silicon at a temperature of ° C. According to the method of the present invention, even a large-sized structure having a complicated shape can be easily manufactured, and the processing of the porous structure can be easily performed if it is performed after carbonization because it has strength enough to withstand the processing. be able to.
  • a structure capable of holding the above slurry on the surface is desirable.
  • a honeycomb shape obtained by adding a binder to carbon powder is used. It is suitable to use a carbon product formed by extrusion molding into a paper or by adding a binder to carbon powder to make paper to form a cardboard or cardboard shape.
  • the carbon source as a carbon source for impregnating the tangible skeleton of the porous structure in the above method, a phenol resin, a furan resin, polycarbosilane, an organic metal polymer, or the like, or a pitch is preferable. These resins may be used alone or in a combination of two or more.
  • At least one of carbon powder, graphite powder and carbon black is added as an additive to the slurry for impregnating the tangible skeleton of the carbon powder porous structure, or as an aggregate or an antioxidant.
  • At least one selected from the group consisting of silicon carbide, silicon nitride, titanium, and di-; recoure, zircon, alumina, silica, mullite, molybdenum dicarbide, boron carbide, boron, and silicon powder may be added.
  • Examples of the silicon powder or silicon for melt impregnation to be contained in the slurry used in the above method include magnesium, aluminum, titanium, chromium, manganese, iron, cono-noreto, nickel, copper, zinc, zirconium, and diobium. At least one silicon alloy selected from the group consisting of silicon, molybdenum, and tungsten, or a mixture of these with silicon powder may be used.
  • a silicon carbide-based heat-resistant porous structural material of the present invention described above and the method for producing the same a silicon carbide-based heat-resistant lightweight porous composite material that maintains the shape of the first porous structure can be easily prepared. It can be manufactured, and it can be easily manufactured even with complicated shapes. It can be used for many purposes.
  • a slurry obtained by mixing a silicon powder with a phenol resin or the like as a dissolved carbon source is made of a carbon powder having a tangible skeleton.
  • the coating is sufficiently applied to the porous structure, or the slurry is impregnated with a porous structure made of carbon powder, and then dried.
  • a slurry containing a phenolic resin or the like as a carbon source is similarly used to form a carbon powder having a tangible skeleton. Fully impregnate and coat the porous structure and dry it.
  • the above drying is performed at about 70 ° C. for about 12 hours.
  • the binder is added to the carbon powder and extruded into a honeycomb shape, or the binder is added to the carbon powder to form a honeycomb.
  • a carbon product formed into a corrugated cardboard shape or a cardboard shape by forming it into a paper shape can be used as it is or by being joined to an appropriate shape with an adhesive or the like.
  • the above resins to be impregnated in the tangible skeleton of the porous structure at least one selected from phenolic resins, furan resins, polycarbosilanes, organometallic polymers, and pitches can be used. If necessary, the above-mentioned additives and the like can be added.
  • a fine powder is suitable, and in particular, a fine powder having an average particle diameter of 30 m or less is suitable. If the particle size is large, it can be pulverized with a ball mill or the like and pulverized.
  • the porous structure made of carbon powder thus obtained is carbonized at a temperature of about 900 to 130 ° C. in a vacuum or an inert atmosphere.
  • silicon powder is added to the slurry to produce the first silicon carbide-based heat-resistant porous structure material
  • the carbonized porous structure obtained thereby has a skeleton portion of carbon.
  • an amorphous carbon portion formed by carbonization of the phenol resin and a silicon powder are mixed on the surface portion, and the carbon powder skeleton is covered.
  • the shape of the tangible skeleton is almost the same as the original shape without being deformed or shrunk.
  • the carbonized porous structure has a processable strength.
  • the carbonized porous structure becomes 130 to 140 in a vacuum or an inert atmosphere after the carbonization.
  • the amorphous carbon from the phenolic resin reacts with the silicon to form porous silicon carbide on the tangible skeleton. This results in the formation of porous silicon carbide due to wettability with molten silicon.
  • this reaction is a volume reduction reaction, so that open pores are generated on the surface due to the volume reduction reaction. As a result, a porous structure having a surface portion formed of porous silicon carbide is obtained.
  • the carbonized porous structure is placed under a vacuum or an inert atmosphere.
  • the silicon carbide-based heat-resistant porous structural material of the present invention is obtained by melting and impregnating silicon at a temperature of 130 to 180 ° C.
  • the second porous structural material corresponds to this case, and includes a molten silicon and a carbon powder having good wettability, and at the same time, a siliconized porous structure having carbon formed on the surface of the resin. Will be impregnated by melting.
  • the mixing ratio of phenol resin and silicon powder is set to the ratio of carbon to silicon by carbonization of phenol resin to be 2: 3, and the phenol resin is dissolved with ethyl alcohol to prepare a slurry. Then, they were mixed in a ball mill for one day to reduce the particle size of silicon, impregnated in a laminated corrugated cardboard air conditioner filter made of activated carbon powder, and dried.
  • this air conditioner filter was calcined at 1000 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere to be carbonized.
  • the obtained porous carbonaceous material had sufficient strength to be processed, and shrinkage was extremely small at about 3%.
  • This carbonaceous porous body was subjected to reactive sintering and melt impregnation of silicon at 1450 ° C. for 1 hour under vacuum to obtain a corrugated cardboard-shaped heat-resistant porous silicon carbide composite material.
  • the obtained heat-resistant porous silicon carbide-based structural material had the same structure as the corrugated cardboard as the raw material, the same dimensions as those after carbonization, and the surface was flat.
  • the skeleton made of silicon carbide was different from that made of cardboard made of paper, and was thick and excellent in strength.
  • a slurry was prepared by dissolving the phenol resin in ethyl alcohol, and impregnated in a laminated cardboard air conditioner filter made of activated carbon powder, followed by drying. Next, this air conditioner filter was calcined at 1000 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere to be carbonized. The obtained carbonaceous porous material has sufficient strength for processing. And the shrinkage was extremely small at about 3%.
  • This carbonaceous porous body was melt-impregnated with silicon at 144 ° C. for one hour under vacuum to obtain a corrugated cardboard silicon carbide heat-resistant porous composite material.
  • the obtained silicon carbide heat-resistant porous structural material had the same structure as the corrugated cardboard as the raw material, the same dimensions as those after carbonization, and the surface was flat.
  • the skeleton made of silicon carbide was different from that made of cardboard made of paper, and was thick and excellent in strength.
  • An air-conditioning filter in the form of a laminated corrugated cardboard made of activated carbon powder was calcined at 1000 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere to be carbonized.
  • the obtained porous carbon material became powdery when touched, and did not retain its shape.

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Abstract

炭素粉末を用いて成形した有形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体に、炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリーを含浸塗布し、真空或いは不活性雰囲気下において９００～１３００℃で炭素化した後に、真空或いは不活性雰囲気下において、１３００℃以上の温度で反応焼結させる。これにより、溶融シリコンと濡れ性のよい多孔質炭化ケイ素を生成させると同時に、体積減少反応に起因する開気孔を生成させた炭素化多孔質構造体が得られるので、この炭素化多孔質構造体に、真空或いは不活性雰囲気下において、１３００～１８００℃の温度でシリコンを溶融含浸させる。

Description

明 細 炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材及ぴその製造方法 技術分野
本発明は、炭素粉末を用いてハニカム形状等に成形.した炭素粉末製多孔質 構造体を用い、シリコンと炭素との反応焼結とシリコンの溶融含浸を組み合わ せた二段反応焼結、或いは単なるシリコンの溶融含浸により形成される炭化ケ ィ素系耐熱多孔質構造材及びそれを製造する方法に関するものであり、更に具 体的には、 高温構造部材、 熱交換器、 高温用触媒担体、 高温用フィルター、 溶 融金属濾過材、炉内部材等の多くの用途に適する耐熱多孔質構造材及ぴその製 造方法に関するものである。
炭化ケィ素系セラミックスは軽量で、耐熱性、耐磨耗性、耐食性などに優 れていることから、 近年、 例えば、 高温耐食部材、 ヒーター材、 熱交換器、 耐 磨耗部材や、 さらには研削材、砥石などの用途に幅広く用いられている。 この 炭化ケィ素は、主に焼結技術により製造されているため、焼結助剤が必要であ り、 また、 緻密な塊状で使われていて、複雑形状を有するフィルター、 ハニカ ム形状等の軽量多孔質構造材としての実用化までには至っていない。
押し出し成形でハ-カム状の炭化ケィ素系セラミックスも作製されてい るが、成形機及ぴその金型が高価であり、形状もその金型により決まってしま うという問題がある。
また、焼結助剤を用いるために耐熱性が低く、焼結による大きい寸法収縮があ る。
また、紙製の段ボールに樹脂及ぴシリコン粉末を含んだスラリ一を含浸後、 炭素化して反応焼結とシリコンの溶融含浸をして、ハニカム状の炭化ケィ素系 セラミックスを作製する方法も、特開 2001-226174号公報によって 開示されているが、紙製の段ボールでは、焼成時に 10〜20%の寸法収縮が あり、表面も平面にならずに波打ったものとなる。更に、紙の炭素残存量も段 ボール重量の 10 w t %程度しかなく、榭脂からの炭素収率も高々 60 w t % であるので炭素量が少なく、シリコンと反応して炭化ケィ素になる量も少ない ので構造材としての強度は高くないという問題点がある。また、紙製の段ボー ルは古紙を原料とするため、炭酸カルシウム、酸化チタン等の酸化物が段ボー ル重量の 10 w t %程度含まれており、構造材料としてはこれらの酸ィ匕物が不 純物となつて耐熱性を低下させる。
本発明者は、 ϋ維強化炭化ケィ素複合材の研究において、樹脂からの炭素 とシリコン粉末との炭化ケィ素生成の反応が体積減少を伴い、繊維との密着性 がよいことを見出した （特許第 2045825号） 。 また、 段ボールやスポン ジ等の多孔性材料にフエノール樹脂とシリコン粉末のスラリーを含浸させ、反 応焼結後にシリコンを溶融含浸させることにより、骨格部分が緻密で比表面積 の小さい炭化ケィ素系耐熱性軽量多孔質構造材が作製できることを見出した (特開 2001— 226174号） 。
本発明は、このような知見に基づいて、従来の炭化ケィ素系多孔質構造材 及びその製造方法における各種欠点を克服し、多孔質構造体の有形骨格に成形 したままの形状をほとんど収縮なく保持させて、骨格部分が緻密で強固であり、 複雑な形状のものでも容易に製造可能にした低価格プロセスでの炭化ケィ素 系耐熱多孔質構造材及びその製造方法を提供するものである。
すなわち、本発明者は、炭化ケィ素系耐熱軽量多孔質構造材について鋭意 研究を重ねた結果、 段ボール形状等の炭素粉末製多孔質構造体の有形骨格に、 シリコン粉末と樹脂類の混合スラリ一を含浸塗布し、真空或いは不活性雰囲気 中で焼成すると、 1 0 0 o °cでの炭素化後でも形状を保持する強度があり、 し かも寸法収縮も 3 %程度と殆どなく、 1 3 0 0度以上ではシリコン粉末及び榭 脂類からの炭素との体積減少を伴った炭化ケィ素生成反応により、ポーラスな 炭化ケィ素を表面に生成することを確かめた。
また、 シリコン融点以上の温度でのシリコンの溶融含浸においては、 この ポーラスな炭化ケィ素は溶融シリコンとの濡れ性がよく、容易に溶融シリコン と反応し、その内部の炭素粉末製多孔質構造体とも反応し、緻密な炭化ケィ素 を生成することを見出し、本発明を完成するに至った。更に、炭素粉末製多孔 質構造体有形骨格に樹脂スラリーを含浸塗布後、炭素化し、それにシリコンを 溶融含浸しても緻密な炭化ケィ素を生成できることも確かめた。 発明の開示
上記に基づいて完成した本発明の第 1の炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材 は、溶融シリコンと濡れ性のよレ、多孔質炭化ケィ素を含むと同時に、体積減少 反応に起因する開気孔を表面に生成した炭素化多孔質構造体にシリコンを溶 融含浸させてなり、上記炭素化多孔質構造体が、炭素粉末を用いて成形した有 形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体に、炭素源としての榭脂類及びシリコン 粉末を含んだスラリーを含浸塗布して炭素化した後に、反応焼結により形成し たことを特徴とするものである。
また、本発明の第 2の炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材は、溶融シリコンと 濡れ性のよレ、炭素粉末を含むと同時に、樹脂からの炭素を表面に生成して炭素 化後も形状を保持できるようにした炭素化多孔質構造体にシリコンを溶融含 浸させてなり、上記炭素化多孔質構造体が、炭素粉末を用いて成形した有形骨 格をなす炭素粉末製多孔質構造体に、炭素源としての樹脂類を含んだスラリ一 を含浸塗布して炭素化することにより形成したことを特徴とするものである。
上記有形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体としては、一般的には、炭素 粉末に結合材を添カ卩してハニカム形状、段ボール形状または厚紙形状に成形し てなる炭素製品が用いられる。
更に具体的に説明すると、本発明の炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材は、炭 素粉末製多孔質構造体有形骨格を樹脂で覆!/、、炭素化後もその形状を保持させ、 し力も、必要に応じて樹脂中にシリコン粉末を混合して、反応焼結で樹脂から のアモルファス炭素とシリコン粉末から溶融シリコンと濡れ性のよい炭化ケ ィ素と体積減少反応に起因する開気孔を骨格表面部分に生成させた後、シリコ ンの溶融含浸により形成したものである。
樹脂を炭素化して得られるアモルファス炭素は、緻密な状態であると、溶 融シリコンとはほとんど反応しない。 しかし、炭素粉末製多孔質構造体が溶融 シリコンと反応しやすい多孔質炭素であるので、シリコン粉末を樹脂に混合し て反応焼結しなくとも、樹脂からのアモルファス炭素量が少ない場合には、シ リコンの溶融含浸は可能である。そして、炭素粉末製多孔質構造体の有形骨格 が炭素で形成されているため、焼成後の収縮が殆どなく、 し力も、炭素収率の 低レ、紙ではなく炭素そのものを原料にしているため、炭素がシリコンと反応し て生成する炭化ケィ素量も多く、 高強度となる。
また、本発明の上記第 1の炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材を製造する方法 は、炭素粉末を用いて成形した有形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体に、炭 素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリーを含浸塗布して、真空 或いは不活性雰囲気下において 9 0 0〜1 3 0 0 °Cで炭素化した後に、真空或 いは不活性雰囲気下において、 1 3 0 0 °C以上の温度で反応焼結させることに より、 溶融シリコンと濡れ性のよレ、多孔質炭化ケィ素を生成させると同時に、 体積減少反応に起因する開気孔を生成させた炭素化多孔質構造体とし、この炭 素化多孔質構造体に、真空或いは不活性雰囲気下において、 1 3 0 0〜1 8 0 0 °cの温度でシリコンを溶融含浸させることを特徴とするものである。
更に、本発明の上記第 2の炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材を製造する方法 は、炭素粉末を用いて成形した有形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体に、炭 素源としての樹脂類を含んだスラリ一を含浸塗布して、真空或いは不活性雰囲 気下において 9 0 0〜1 3 0 0 °Cで炭素化することにより、溶融シリコンと濡 れ性のよレ、炭素粉末を含むと同時に、樹脂からの炭素を表面に生成した炭素化 多孔質構造体とし、この炭素化多孔質構造体に、真空或いは不活性雰囲気下に おいて、 1 3 0 0〜1 8 0 0 °Cの温度でシリコンを溶融含浸させることを特徴 とするものである。 このような本発明の方法によれば、複雑形状の大型構造体でも容易に製造 できるし、多孔質構造体の加工も、炭素化後に行えば、加工に耐える強度を備 えているので容易に行うことができる。
上記方法において用レ、る有形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体として は、 上記スラリーを表面に保持できる構造体が望ましく、具体的には、炭素粉 末に結合材を添加してハニカム形状に押出成形し、或いは、炭素粉末に結合材 を添加して製紙することにより段ボール形状または厚紙形状に成形してなる 炭素製品が適している。
また、上記方法において多孔質構造体の有形骨格に含浸させる炭素源とし ての樹脂類には、 フヱノール樹脂、 フラン樹脂、 ポリカルボシラン、 有機金属 ポリマー等、 あるいは、 ピッチが好ましいものとして挙げられる。 これらの樹 脂類はその 1種を用いてもよいし、 2種以上を組み合わせて用いてもよい。
さらに、炭素粉末製多孔質構造体の有形骨格に含浸させるスラリ一に、添 加剤として、炭素粉末、黒鉛粉末、カーボンブラックの少なくとも 1種を添加 し、 または、 骨材或いは酸化防止剤として、 炭化ケィ素、 窒化ケィ素、 チタ二 ァ、 ジ_；レコユア、 ジルコン、 アルミナ、 シリカ、 ムライト、 二ケィ化モリプデ ン、炭化ホウ素、ホウ素、シリコン粉末等の少なくとも 1種を添加してもよい。
上記方法において用いるスラリーに含ませるシリコン粉末或 、は溶融含 浸用のシリコンとしては、 マグネシウム、 アルミニウム、 チタニウム、 クロミ ゥム、 マンガン、 鉄、 コノ ノレト、 ニッケル、 銅、 亜鉛、 ジルコニウム、 二オビ ゥム、モリブデン、或いはタングステンから選ばれた少なくとも 1種のシリコ ン合金、 またはそれらとシリコン粉末との混合物でもよい。 以上に述べた本発明の炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材及ぴその製造方法 によれば、最初の多孔質構造体の形状を保つた炭化ケィ素系耐熱性軽量多孔質 複合材を容易に製造することができるとともに、複雑な形状のものでも容易に 製造することができ、 高温用フィルター、 高温構造部材、 断熱材、溶融金属濾 過材、バーナープレート、 ヒーター材、高温用消音材等の多くの用途に利用す ることができる。 発明を実施するための最良の形態
次に、 本発明方法の好適な実施形態について説明する。
本発明に係る第 1の炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材を製造するに際しては、 まず、溶解した炭素源としてのフヱノール樹脂等とシリコン粉末とを混合した スラリーを、有形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体に十分に塗布し、あるい はそのスラリ一に炭素粉末製多孔質構造体を浸して含浸させた後、 乾燥する。
また、本発明に係る第 2の炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材を製造するに際 しては、炭素源としてのフエノール樹脂等を含んだスラリーを、同様にして有 形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体に十分に含浸塗布し、 乾燥する。
上記乾燥は、 いずれも約 7 0 °Cで 1 2時間程度行うのが望まれる。
上記有形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体としては、 前述したように、 炭素粉末に結合材を添カ卩してハニカム形状に押出成形し、或いは、炭素粉末に 結合材を添カロして紙状に成形することにより段ボール形状または厚紙形状に 成形してなる炭素製品を、そのままで、あるいは接着剤等で適宜形状に接合し て用いることができる。 また、多孔質構造体の有形骨格に含浸させる上記樹脂類としては、フエノ ール樹脂、 フラン樹脂、 ポリカルボシラン、 有機金属ポリマー等、 あるいは、 ピッチから選ばれた少なくとも 1種を用いることができ、必要に応じて前記添 加剤等を添加することができる。
さらに、炭化ケィ素の生成に用いるシリコン粉末としては、微粉末が適し ており、特に平均粒径が 3 0 m以下の微粉末が好適である。粒径が大きなも のは、 ボールミル等により粉碎して微粉化すればよレ、。
次に、 このようにして得られた炭素粉末製多孔質構造体は、真空あるいは 不活性雰囲気下で 9 0 0〜1 3 0 0 °C程度の温度において炭素化する。上記第 1の炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材を製造するためにスラリ一にシリコン粉 末を添加した場合には、これによつて得られる炭素化多孔質構造体は、骨格部 分が炭素粉末で、その表面部分にフエノール樹脂の炭素化によるアモルファス 炭素部分と、シリコン粉末が混在して、 この炭素粉末骨格を覆っている状態に なる。
そして、 上記第 1及び第 2の多孔質構造材のいずれを製造する場合にも、 有形骨格の形状は変形したり収縮したりすることなく、元の形状とほぼ同じで ある。 また、 炭素化した多孔質構造体は加工可能な強度がある。
上記スラリ一にシリコン粉末を添カ卩した場合には、この炭素化した多孔質 構造体は、その炭素化後に、真空或いは不活性雰囲気下において 1 3 0 0〜1 4 2 0。C程度の温度で焼成処理し、フエノール樹脂からのァモルファス炭素と シリコンとを反応させて、 ポーラスな炭化ケィ素を有形骨格上に形成させる。 これにより溶融シリコンと濡れ性のよレ、多孔質炭化ケィ素が生成されると同 時に、 この反応が体積減少反応であるため、その体積減少反応に起因する開気 孔が表面に生成される。その結果、表面部が、気孔を有する炭化ケィ素により 形成された多孔質構造体を得る。
次に、 この炭素化多孔質構造体に、 真空或いは不活性雰囲気下において、
1 3 0 0〜 1 8 0 0 °Cの温度でシリコンを溶融含浸させることにより、本発明 の炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材を得る。
なお、上記本発明の方法において用いるシリコン粉末と樹脂からの炭素と の混合の割合は、シリコンと炭素との原子比が S i /C = 0〜5になるように 選ぶのが望ましい。
前述したように、シリコン粉末をスラリーにおける樹脂に混合して反応焼 結しなくとも、樹脂からのアモルファス炭素量が少ない場合には、炭素化後の シリコンの溶融含浸は可能である。上記第 2の多孔質構造材はこの場合に該当 するものであり、溶融シリコンと濡れ性のよい炭素粉末を含むと同時に、樹脂 力 らの炭素を表面に生成した炭素化多孔質構造体にシリコンを溶融含浸させ ることになる。 したがって、有形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体に炭素源 としての樹脂類を含んだスラリ一を含浸塗布して炭素化することにより、溶融 シリコンと濡れ性のよい炭素粉末を含むと同時に、樹脂からの炭素を表面に生 成した炭素化多孔質構造体とし、この炭素化多孔質構造体にシリコンを溶融含 浸させることになる。その他の製造条件は上述したところと変わるところがな い。 実施例 次に、実施例により本発明の方法をさらに詳細に説明する力 本発明はこれ らの例によってなんら限定されるものではない。
[実施例 1 ]
フエノール樹脂の炭素化による炭素とシリコンとの原子比が 2： 3になる 割合にフエノ^"ル樹脂とシリコン粉末との混合量を設定し、エチルアルコール でフエノール樹脂を溶解してスラリ一を調製し、シリコンの粒径を小さくする ために 1日間ボールミル混合し、それらを活性炭素粉末製の積層状段ボール形 状のエアコンフィルターに含浸した後、 乾燥させた。
次に、 このエアコンフィルターをアルゴン雰囲気下で 1 0 0 0 °C、 1時間 焼成して炭素化した。得られた炭素質多孔体は、加工が十分可能な程度の強度 があり、収縮も 3 %程度と極めて小さかった。 この炭素質多孔体を、真空下で 1 4 5 0 °C、 1時間で反応焼結とシリコンの溶融含浸を行い、段ボール形状の 炭化ケィ素系耐熱多孔質複合材を得た。
得られた炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材は、原料の段ボール形状と同じ構 造で、炭素化後のものと同じ寸法であり、表面も平坦であった。 また、 炭化ケ ィ素製骨格も紙製段ボールからのものと異なり、厚みがあり、強度的にも優れ ていた。
[実施例 2 ]
エチルアルコールでフエノール榭脂を溶解してスラリ一を調整し、活性炭 素粉末製の積層状段ボール形状のエアコンフィルターに含浸した後、乾燥させ た。次に、 このエアコンフィルターをアルゴン雰囲気下で 1 0 0 0 °C、 1時間 焼成して炭素化した。得られた炭素質多孔体は、加工が十分可能な程度の強度 があり、収縮も 3 %程度と極めて小さかった。 この炭素質多孔体を、真空下で 1 4 5 0 °C、 1時間でシリコン溶融含浸を行い、段ボール形状の炭化ケィ素系 耐熱多孔質複合材を得た。
得られた炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材は、原料の段ボール形状と同じ構 造で、 炭素化後のものと同じ寸法であり、表面も平坦であった。 また、 炭化ケ ィ素製骨格も紙製段ボールからのものと異なり、厚みがあり、強度的にも優れ ていた。
[比較例 1 ]
活性炭素粉末製の積層状段ボール形状のエアコンフィルターをアルゴン 雰囲気下で 1 0 0 0 °C、 1時間焼成して炭素化した。 得られた炭素多孔体は、 触れると粉末状になり、 形状を留めなかった。

Claims

請 求 の 範 囲 .溶融シリコンと濡れ性のよい多孔質炭化ケィ素を含むと同時に、体積減少 反応に起因する開気孔を表面に生成した炭素化多孔質構造体にシリコンを 溶融含浸させてなり、
上記炭素化多孔質構造体が、炭素粉末を用いて成形した有形骨格をなす炭素 粉末製多孔質構造体に、 炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだ スラリ一を含浸塗布して炭素化した後に、反応焼結により形成したものであ る、
ことを特徴とする炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材。
.溶融シリコンと濡れ性のよレ、炭素粉末を含むと同時に、樹脂からの炭素を 表面に生成した炭素化多孔質構造体にシリコンを溶融含浸させてなり、 上記炭素化多孔質構造体が、炭素粉末を用レ、て成形した有形骨格をなす炭 素粉末製多孔質構造体に、炭素源としての樹脂類を含んだスラリ一を含浸塗 布して炭素化することにより形成したものである、
ことを特徴とする炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材。
. 有形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体として、
炭素粉末に結合材を添加してハニカム形状、段ボール形状または厚紙形状に 成形してなる炭素製品を用いた、
ことを特徴とする請求項 1または 2に記載の炭化ケィ素系耐熱多孔質構造 材。
.炭素粉末を用いて成形した有形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体に、炭 素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリ一を含浸塗布して、真 空或いは不活性雰囲気下において 9 0 0〜1 3 0 0 °Cで炭素化した後に、真 空或いは不活性雰囲気下において、 1 3 0 0 °C以上の温度で反応焼結させる ことにより、溶融シリコンと濡れ性のよ 、多孔質炭化ケィ素を生成させると 同時に、体積減少反応に起因する開気孔を生成させた炭素化多孔質構造体と し、 この炭素化多孔質構造体に、真空或いは不活性雰囲気下において、 1 3 0 0〜1 8 0 0 °Cの温度でシリコンを溶融含浸させる、
ことを特徴とする炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材の製造方法。
5 . 炭素粉末を用いて成形した有形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体に、 炭素源としての樹脂類を含んだスラリーを含浸塗布して、真空或いは不活性 雰囲気下において 9 0 0〜1 3 0 0 °Cで炭素化することにより、溶融シリコ ンと濡れ性のよ 、炭素粉末を含むと同時に、樹脂からの炭素を表面に生成し た炭素化多孔質構造体とし、
この炭素化多孔質構造体に、真空或いは不活性雰囲気下において、 1 3 0 0 〜 1 8 0 0 °Cの温度でシリコンを溶融含浸させる、
ことを特徴とする炭化ケィ素系耐熱多孔質構造材の製造方法。
6 .有形骨格をなす炭素粉末製多孔質構造体を、炭素粉末に結合材を添加し てハニカム形状に押出成形し、或いは炭素粉末に結合材を添加して製紙する ことにより段ボール形状または厚紙形状に成形してなる炭素製品を用レヽる、 ことを特徴とする特許請求の範囲第 4項または第 5項に記載の炭化ケィ素 系耐熱多孔質構造体の製造方法。
7 .炭素粉末製多孔質構造体の有形骨格に含浸塗布する樹脂類として、フエ ノール樹脂、フラン樹脂、ポリカルボシラン、有機金属ポリマー、あるいは、 ピッチから選ばれた少なくとも 1種を用いる、
ことを特徴とする特許請求の範囲第 4項または第 5項に記載の炭化ケィ素 系耐熱多孔質構造材の製造方法。
8 .炭素粉末製多孔質構造体の有形骨格に含浸させるスラリ一に、添加剤と して、炭素粉末、黒鉛粉末、 カーボンブラックから選ばれた少なくとも 1種 を加える、
ことを特徴とする特許請求の範囲第 4項または第 5項に記載の炭化ケィ素 系耐熱多孔質構造材の製造方法。
9 .炭素粉末製多孔質構造体の有形骨格に含浸させるスラリ一に、骨材或い は酸化防止剤として、炭化ケィ素、 窒化ケィ素、 チタ二了、 ジルコユア、 ジ ルコン、 アルミナ、 シリカ、 ムライト、 二ケィ化モリプデン、 炭化ホウ素、 ホウ素、 シリコン粉末から選ばれた少なくとも 1種を添加する、
ことを特徴とする特許請求の範囲第 4項まだは第 5項に記載の炭化ケィ素 系耐熱多孔質構造材の製造方法。
1 0 .スラリーに含ませるシリコン粉末或いは溶融含浸用のシリコンとして、 マグネシウム、 ァノレミ-ゥム、 チタニウム、 クロミゥム、 マンガン、 鉄、 コ ノ ルト、 -ッケル、 銅、 亜鉛、 ジルコ-ゥム、 二オビゥム、 モリブデン、 或 いはタングステンから選ばれた少なくとも 1種のシリコン合金、またはそれ らとシリコン粉末の混合物を用いる、
ことを特徴とする特許請求の範囲第 4項または第 5項に記載の炭化ケィ素 系耐熱多孔質構造材の製造方法。
1 1 .炭素粉末製多孔質構造体の有形骨格に含浸塗布するスラリ一の樹脂類 として、 フエノール樹脂、 フラン樹脂、 ポリカルボシラン、 有機金属ポリマ 一等、 あるいは、 ピッチから選ばれた少なくとも 1種を用レ、、上記スラリー の添加剤として、炭素粉末、黒鉛粉末、 カーボンブラックから選ばれた少な くとも 1種をカロえる、
ことを特徴とする特許請求の範囲第 4項または第 5項に記載の炭化ケィ素 系耐熱多孔質構造材の製造方法。
1 2 .炭素粉末製多孔質構造体の有形骨格に含浸させるスラリーに、骨材或 いは酸化防止剤として、 炭化ケィ素、 窒化ケィ素、 チタニア、 ジルコニァ、 ジルコン、ァノレミナ、シリカ、ムライ ト、二ケィ化モリプデン、炭化ホウ素、 ホウ素、 シリコン粉末から選ばれた少なくとも 1種を添加し、
上記スラリーに含ませるシリコン粉末或いは溶融含浸用のシリコンとして、 マグネシウム、 ァノレミニゥム、 チタニウム、 クロミゥム、 マンガン、 鉄、 コ バルト、 ニッケル、 銅、 亜鉛、 ジルコニウム、 二オビゥム、 モリブデン、 或 いはタングステンから選ばれた少なくとも 1種のシリコン合金、またはそれ らとシリコン粉末の混合物を用いる、
ことを特徴とする特許請求の範囲第 4項または第 5項に記載の炭化ケィ素 系耐熱多孔質構造材の製造方法。
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