JP3607939B2 - 炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料の反応合成 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、その場化学反応により得られる、炭化ケイ素−窒化ホウ素又は炭化ケイ素−窒化ケイ素−窒化ホウ素からなる炭化ケイ素−窒化ホウ素系複合材料及びその製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応を利用して、非常に微細な窒化ホウ素粒子を炭化ケイ素のマトリックスに均一に分散した炭化ケイ素−窒化ホウ素系複合材料等を製造し、提供することに関するものである。
本発明は、強度、耐腐蝕性に優れ、弾性率の低い、新規な材料に関するものであり、耐熱衝撃材料、耐機械衝撃材料、耐熱材料、耐腐蝕性材料等として多くの用途に使用できる材料を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化ケイ素は、耐酸化性、耐熱性に優れるため、窒化ケイ素、窒化アルミ、窒化ホウ素やホウ化チタン等を添加剤とした焼結材料が、例えば、米国特許４３０４８７０等で知られている。
【０００３】
これらの材料は、耐酸化性と耐腐蝕性に優れるため、大気炉用耐熱材料等として使用されており、さらに性質を改善すれば、使用範囲が広がると期待される。特に、窒化ホウ素を添加する場合、得られた複合材料の耐熱衝撃性が大幅に改善でき、航空機関連部材、ガスタービン部材の分野などへの応用が期待される。
【０００４】
元来、炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料は、既に合成した炭化ケイ素と窒化ホウ素の粉末を機械的方法で混合して、ホットプレス等により製造されている。しかし、この方法では、窒化ホウ素粉末が粗大であれば、得られる複合材料の窒化ホウ素粒子が粗大となる。窒化ホウ素は、熱膨張異方性が大きく、界面でき裂が発生しやすいので、粒子が粗大となると、得られる複合材料の強度が低下する。したがって、窒化ホウ素粉末は、微粒であることが好ましいが、そのような粉末は高価格であり、また、粗い粉末を完全に除去することは困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記方法の問題点を解消することが可能な新しい複合材料及びその製造方法の開発を目標として、その場化学反応によるセラミックス複合材料の製造について鋭意研究を積み重ねた結果、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応を利用して、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素の混合粉末を、昇温速度を制御したホットプレスで処理することにより、炭化ケイ素−窒化ホウ素系複合材料を製造することができることを見出した。さらにアルミナ、イットリア等の焼結助剤を添加することにより、気孔のない、より緻密な材料を製造することができることを見出し、これらの知見に基づいて、本発明を完成するに至った。
本発明は、その場化学反応により、非常に微細な窒化ホウ素粒子を均一に炭化ケイ素のマトリックスに分散した、炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を製造し、提供することを目的とするものである。
また、本発明は、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応を利用して、炭化ケイ素−窒化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を製造し、提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応の化学反応式；
Ｓｉ₃ Ｎ＋Ｂ₄ Ｃ＋２Ｃ＝３ＳｉＣ＋４ＢＮ
に基づいて、微細な窒化ホウ素粒子を炭化ケイ素のマトリックスに均一に分散した炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を製造する方法であって、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応に必要とされる各成分を混合した粉末を、昇温速度を制御したホットプレスで処理して、成形、焼結することにより上記化学反応の生成物を得ることを特徴とする炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料の製造方法。
（２）少なくとも窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応の化学反応式；
Ｓｉ₃ Ｎ＋Ｂ₄ Ｃ＋２Ｃ＝３ＳｉＣ＋４ＢＮ
に基づいて、微細な窒化ホウ素粒子を炭化ケイ素のマトリックスに均一に分散した炭化ケイ素−窒化ホウ素系複合材料を製造する方法であって、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応に必要とされる各成分を混合した粉末に、さらに炭化ケイ素、窒化ホウ素、あるいは窒化ケイ素のうちから選択される１種以上の成分を添加した粉末を、昇温速度を制御したホットプレスで処理して、成形、焼結することにより上記化学反応の生成物を得ることを特徴とする、相組成を任意に調整した炭化ケイ素−窒化ホウ素又は炭化ケイ素−窒化ケイ素−窒化ホウ素からなる炭化ケイ素−窒化ホウ素系複合材料の製造方法。
（３）窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応に必要とされる各成分を混合した粉末に、さらに炭化ケイ素、又は窒化ホウ素の粉末を添加した粉末を、成形、焼結することにより相組成を任意に調整した炭化ケイ素−窒化ホウ素を得る、前記（２）記載の炭化ケイ素−窒化ホウ素系複合材料の製造方法。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明は、上述のように、窒化ケイ素、炭化ケイ素及び炭素のその場化学反応に基づいて、非常に微細な窒化ホウ素粒子を均一に炭化ケイ素のマトリックスに分散した、炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を製造し、提供するものである。
すなわち、本発明は、微細な窒化ホウ素粒子をその場化学反応で均一に分散させることにより、得られる炭化ケイ素−室化ホウ素複合材料の強度を低下させることなく、破壊靱性を向上させるとともに、弾性率を大幅に低下させることを実現したものである。
【０００８】
さらに詳細に説明すると、本発明は、次の化学反応：
Ｓｉ_３ Ｎ_４ ＋Ｂ_４ Ｃ＋２Ｃ＝３ＳｉＣ＋４ＢＮ
に基づいて、炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を製造するものである。
本発明において、窒化ケイ素、炭化ケイ素及び炭素のその場化学反応に基づいて合成される複合材料とは、上記化学反応に基づいて合成される複合材料を意味するものとして定義されるものである。
この化学反応により得られる相組成は、炭化ケイ素４６．２９ｖｏｌ％、窒化ホウ素５３．７１ｖｏｌ％である。この場合、窒化ケイ素の添加量を、この化学量論組成より多めに、すなわち、過剰に添加すると、炭化ケイ素−窒化ケイ素−窒化ホウ素の複合材料となる。本発明では、窒化ケイ素の添加量を、上記化学反応の化学量論組成より過剰に添加することにより、炭化ケイ素−窒化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を作製することができる。
【０００９】
上記化学反応の各成分の混合粉末に、さらに炭化ケイ素、あるいは窒化ホウ素の粉末を添加することにより、相組成を任意に調整した炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を製造することができる。また、炭化ケイ素粉末、あるいは窒化ホウ素、あるいは窒化ケイ素粉末を添加することにより、任意な相組成を有する炭化ケイ素−窒化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を製造することができる。
【００１０】
本発明では、基本的には、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応に必要とされる各成分を混合し、これを成形、焼結するが、この場合、必要により、各成分の混合粉末に、さらに炭化ケイ素、窒化ホウ素、あるいは窒化ケイ素のうちから選択される１種以上の成分を添加した粉末を、成形、焼結することにより、相組成を任意に調整した炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料、又は炭化ケイ素−窒化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を製造することができる。
【００１１】
本発明において、好適には、材料の窒化ケイ素として、例えば、平均粒径０．５μｍのα型窒化ケイ素粉末が使用でき、炭化ホウ素として、例えば、平均粒径１μｍの炭化ホウ素粉末が使用でき、炭化ケイ素として、例えば、平均粒径０．６μｍのα型炭化ケイ素粉末が使用でき、炭素として、例えば、平均粒径０．０１μｍの炭素粉末が使用できるが、これらに制限されるものではない。これらの材料は、ボールミルにより混合し、混合粉末とする。この混合粉末をホットプレスすることにより、適宜の形状に成形、焼結する。このホットプレスは、好適には、例えば、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応を利用して、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気において、１０〜５０ＭＰａの圧力で行うのが好ましい。
【００１２】
この場合、好適には、さらにアルミナ、イットリア、マグネシア、イッテルビア、ジルコニア、シリカ、ルテチア、セリア、スカンジアなどの焼結助剤を添加することができ、これにより、気孔のない、緻密な複合材料が得られる。
本発明では、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応を利用して、各成分の混合粉末を成形、焼結することにより、炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を合成するので、簡単な操作で、非常に微細な窒化ホウ素粒子を均一に炭化ケイ素のマトリックスに分散した炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を製造することができる。
【００１３】
【作用】
従来、炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料は、既に合成した炭化ケイ素と窒化ホウ素の粉末を機械的方法で混合して、ホットプレス等により処理して製造されているが、窒化ホウ素粉末が粗大であれば、得られる複合材料の窒化ホウ素粒子が粗大となり、複合材料の強度が低下する。しかし、微粒な窒化ホウ素粉末は高コストであり、また、粗い粉末を完全に除去することは技術的に難しい。
本発明の、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応を利用した方法によれば、非常に微細な窒化ホウ素粒子を炭化ケイ素のマトリックスに均一に分散した炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を簡単な操作で製造することができるので、炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料の強度を低下させることなく、破壊靱性の向上と弾性率の大幅な低下を達成することができる。これにより、高い性能を有する炭化ケイ素−窒化ホウ素系複合体を低コストで製造することができる。
【００１４】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例により何ら限定されるものではない。
実施例
（１）原料組成
本実施例では、表１に示す原料組成の各成分粉末を用いて、試験を行った。
（２）方法
本発明及び比較例の材料としては、前記の原料組成の各成分粉末を混合し、ホットプレス等のこれまで知られている成形、焼結法で製造した。例えば、表１のＢ５５では、約６０ｗｔ％の窒化ケイ素、２４ｗｔ％の炭化ホウ素、１０ｗｔ％の炭素、４ｗｔ％のアルミナと２ｗｔ％のイットリアを混合し、２０００℃、１時間でホットプレスを行い、気孔のない、緻密な材料を得た。
（３）結果
その強度、弾性率、破壊靱性値を、それぞれＪＩＳ Ｒ１６０１に定める３点曲げ強さ試験方法、ＪＩＳ Ｒ１６０２に定める超音波パルス法、ＪＩＳ Ｒ１６０７に定めるＩＦ法で測定した結果、３点曲げ強さ約３５０ＭＰａ、弾性率１０７ＧＰａ、破壊靱性値６．７ＭＰａｍ^１／２ の値を得た。この実施例を表１のＢ５５に、また、上記方法と同様に試験したその他の実施例を表１に示す。
【００１５】
【表１】

【００１６】
比較例
比較例として、表１にＢ０、炭素５５及び炭素２５の例を示す。これらのうち、炭化ケイ素と窒化ホウ素の混合粉末のホットプレス焼結体は、３点曲げ強さ約２５０ＭＰａ、破壊靱性５ＭＰａｍ^１／２ であり、各実施例の値と比較して著しく低いことがわかる。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応に基づいて、各成分の混合粉末を、成形、焼結することにより得られる炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料、及びその製造方法に係るものであり、本発明によれば、１）非常に微細な窒化ホウ素粒子を炭化ケイ素のマトリックスに均一に分散した炭化ケイ素−窒化ホウ素系複合材料を製造し、提供することができる、２）窒素ケイ素、炭化ホウ素と炭素のその場反応を利用して、各成分粉末を混合後、ホットプレスを行うことにより、簡単な工程で、室温で高強度、低弾性率で、高い破壊靱性を有する炭化ケイ素−窒化ホウ素系複合材料を得ることができる、３）高い性能を有する窒化ケイ素−窒化ホウ素系複合材料を低コストで製造することができる、という格別の効果が奏される。

Claims (3)

1. 窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応の化学反応式；
   Ｓｉ₃ Ｎ＋Ｂ₄ Ｃ＋２Ｃ＝３ＳｉＣ＋４ＢＮ
   に基づいて、微細な窒化ホウ素粒子を炭化ケイ素のマトリックスに均一に分散した炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料を製造する方法であって、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応に必要とされる各成分を混合した粉末を、昇温速度を制御したホットプレスで処理して、成形、焼結することにより上記化学反応の生成物を得ることを特徴とする炭化ケイ素−窒化ホウ素複合材料の製造方法。
2. 少なくとも窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応の化学反応式；
   Ｓｉ₃ Ｎ＋Ｂ₄ Ｃ＋２Ｃ＝３ＳｉＣ＋４ＢＮ
   に基づいて、微細な窒化ホウ素粒子を炭化ケイ素のマトリックスに均一に分散した炭化ケイ素−窒化ホウ素系複合材料を製造する方法であって、窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応に必要とされる各成分を混合した粉末に、さらに炭化ケイ素、窒化ホウ素、あるいは窒化ケイ素のうちから選択される１種以上の成分を添加した粉末を、昇温速度を制御したホットプレスで処理して、成形、焼結することにより上記化学反応の生成物を得ることを特徴とする、相組成を任意に調整した炭化ケイ素−窒化ホウ素又は炭化ケイ素−窒化ケイ素−窒化ホウ素からなる炭化ケイ素−窒化ホウ素系複合材料の製造方法。
3. 窒化ケイ素、炭化ホウ素及び炭素のその場化学反応に必要とされる各成分を混合した粉末に、さらに炭化ケイ素、又は窒化ホウ素の粉末を添加した粉末を、成形、焼結することにより相組成を任意に調整した炭化ケイ素−窒化ホウ素を得る、請求項２記載の炭化ケイ素−窒化ホウ素系複合材料の製造方法。