JP5090025B2 - 複合粉末および複合材料ならびにそれらの製造方法、 - Google Patents
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Description
本発明は、複合粉末および複合材料ならびにそれらの製造方法に関するものである。詳細には、炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合粉末および炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合材料ならびにそれらの製造方法に関するものである。
炭化ケイ素は耐熱性、耐酸化性、化学的安定性が高いという優れた性質を有している。このような性質ゆえに、炭化ケイ素は、メカニカルシール、ベアリング、バーナーノズル等の高温にさらされる構造物の材料として利用されている。しかしながら炭化ケイ素自体は耐熱衝撃性に乏しいという性質もあり、そのため、炭化ケイ素を材料とした構造物の耐久性は高くない。また炭化ケイ素は快削性に乏しいため、炭化ケイ素を材料とした構造物の製造コストが高いという欠点が存在していた。
そのような炭化ケイ素の低耐熱衝撃性および低快削性という性質を改善するため、炭化ケイ素に種々の材料、例えば窒化ホウ素を複合させる研究が行われている（例えば特許文献１参照）。窒化ホウ素は耐熱衝撃性および快削性に優れており、そのため、窒化ホウ素と炭化ケイ素の複合材料の耐熱衝撃性および快削性は若干改善された。しかしながら、窒化ホウ素は強度が低く、かつヤング率が低いため、窒化ホウ素と炭化ケイ素の複合材料の強度が大幅に低下することが報告されている。さらに、前記複合材料は、炭化ケイ素粉末とミクロンサイズの窒化ホウ素とをボールミル法などにより機械的に混合して製造されているため、前記複合材料中に前記窒化ホウ素を均一に分散させることが困難であった。また、均一に分散させることが困難であるため、前記窒化ホウ素の凝集体が前記複合材料中で生じ、そのため、前記複合材料の強度が著しく低下することが報告されている。
前記窒化ホウ素と炭化ケイ素の複合材料における問題点を解決する製造方法が報告されている（例えば特許文献２参照）。この方法は、炭化ケイ素粉末、尿素粉末およびホウ酸粉末を混合し、この混合粉末を水素雰囲気中で還元処理し、この還元処理した粉末を不活性ガス雰囲気中で高温加熱処理し、この高温加熱処理した混合粉末を焼結する方法である。この方法では、炭化ケイ素粉末、尿素粉末およびホウ酸粉末を混合することにより、炭化ケイ素粉末の表面に窒化ホウ素源となる尿素とホウ酸を被覆させることを特徴としている。
しかしながら、この製造方法においては、前記複合材料中の窒化ホウ素の含有量が高い場合、炭化ケイ素粉末の表面に被覆される尿素とホウ酸の被覆の厚みがかなり厚くなり、その結果、得られる複合材料中の窒化ホウ素の粒径が大きくなるという欠点があった。また、この製造方法においては水素ガスを用いる必要があり、かつ、窒化ホウ素の生成過程においてアンモニアガスが発生する。このように、この製造方法は危険な工程を含み、その結果、工業化が困難であることも予想される。
特開平９−６９５７５号公報
特開２０００−２６４７４１号公報
そこで、本発明は、窒化ホウ素と炭化ケイ素の複合材料であって、より微細な窒化ホウ素が前記複合材料中に均一に分散している複合材料、およびそのような複合材料の原料である窒化ホウ素と炭化ケイ素の複合粉末の提供を目的とする。また、本発明は、前記複合材料および前記複合粉末のより安全な製造方法の提供も目的とする。
本発明は、炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合粉末であって、
前記複合粉末が、下記式（Ｉ）を満たす複合粉末である。
６２．１＜Ｘ＋０．１０１×Ｙ （Ｉ）
前記式中、
Ｘは前記複合粉末の比表面積（ｍ2／ｇ）であり、
Ｙは、前記複合粉末を焼結した後に得られる複合材料のヤング率（ＧＰａ）である。
前記複合粉末が、下記式（Ｉ）を満たす複合粉末である。
６２．１＜Ｘ＋０．１０１×Ｙ （Ｉ）
前記式中、
Ｘは前記複合粉末の比表面積（ｍ2／ｇ）であり、
Ｙは、前記複合粉末を焼結した後に得られる複合材料のヤング率（ＧＰａ）である。
また、本発明は、炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合材料であって、
前記複合材料が、本発明の複合粉末を焼結して得られた複合材料であり、
前記複合材料が、下記式（ＩＩ）を満たす複合材料である。
Ｓ＞５．５６Ｙ−６７０ （ＩＩ）
前記式中、
Ｙ≦２８０、
Ｙは前記複合材料のヤング率（ＧＰａ）であり、
Ｓは前記複合材料の曲げ強度（ＭＰａ）である。
前記複合材料が、本発明の複合粉末を焼結して得られた複合材料であり、
前記複合材料が、下記式（ＩＩ）を満たす複合材料である。
Ｓ＞５．５６Ｙ−６７０ （ＩＩ）
前記式中、
Ｙ≦２８０、
Ｙは前記複合材料のヤング率（ＧＰａ）であり、
Ｓは前記複合材料の曲げ強度（ＭＰａ）である。
また本発明は、炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合粉末の製造方法であって、
前記製造方法が、
シリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を、前記ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させて第１の分散液を調製する工程と、
前記第１の分散液を乾燥させてシリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を含む第１の混合物を得る工程と、
前記第１の混合物を８００〜１４００℃で加熱してホウケイ酸ガラスとカーボン粉末との第２の混合物を得る工程と、
前記第２の混合物を１５００〜１７００℃で窒素雰囲気中に加熱して前記複合粉末を得る工程を含むことを特徴とする。
前記製造方法が、
シリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を、前記ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させて第１の分散液を調製する工程と、
前記第１の分散液を乾燥させてシリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を含む第１の混合物を得る工程と、
前記第１の混合物を８００〜１４００℃で加熱してホウケイ酸ガラスとカーボン粉末との第２の混合物を得る工程と、
前記第２の混合物を１５００〜１７００℃で窒素雰囲気中に加熱して前記複合粉末を得る工程を含むことを特徴とする。
また、本発明は、炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合粉末の製造方法であって、
前記製造方法が、
シリカおよびホウ素化合物を、前記ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させて第２の分散液を調製する工程と、
前記第２の分散液を乾燥させてシリカとホウ素化合物を含む第３の混合物を得る工程と、
前記第３の混合物とカーボン粉末を乾式混合して第４の混合物を得る工程と、
前記第４の混合物を８００〜１４００℃で加熱してホウケイ酸ガラスとカーボン粉末との第５の混合物を得る工程と、
前記第５の混合物を１５００〜１７００℃で窒素雰囲気中に加熱して前記複合粉末を得る工程を含むことを特徴とする。
前記製造方法が、
シリカおよびホウ素化合物を、前記ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させて第２の分散液を調製する工程と、
前記第２の分散液を乾燥させてシリカとホウ素化合物を含む第３の混合物を得る工程と、
前記第３の混合物とカーボン粉末を乾式混合して第４の混合物を得る工程と、
前記第４の混合物を８００〜１４００℃で加熱してホウケイ酸ガラスとカーボン粉末との第５の混合物を得る工程と、
前記第５の混合物を１５００〜１７００℃で窒素雰囲気中に加熱して前記複合粉末を得る工程を含むことを特徴とする。
さらに本発明は、炭化ケイ素と窒化ホウ素とを含む複合材料の製造方法であって、前記製造方法が、複合粉末を焼結する工程を含み、前記複合粉末が、本発明の炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合粉末の製造方法により得られた複合粉末であることを特徴とする。
本発明の複合粉末は、より微細な窒化ホウ素が前記複合材料中に均一に分散している、窒化ホウ素と炭化ケイ素の複合材料の原料として有用であるという利点がある。また、本発明の複合材料は、より微細な窒化ホウ素が前記複合材料中に均一に分散しているため、複合材料の強度が保たれ、かつ、耐熱衝撃性および快削性が改善するという利点がある。さらに本発明の複合粉末の製造方法は、特殊な気体雰囲気中で行う必要がなく、さらに方法中で気体発生が必須ではないので、より安全な方法である。
本発明において、窒化ホウ素と炭化ケイ素の複合粉末（以下、「ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末」と呼ぶ）は、窒化ホウ素と炭化ケイ素の複合材料の原料である。すなわち、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を焼結することにより、前記複合材料を得ることができる。
本発明において、窒化ホウ素と炭化ケイ素の複合材料（以下、「ＳｉＣ／ＢＮ複合材料」と呼ぶ）は、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を焼結することにより得られる焼結体である。また、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料において、炭化ケイ素粒子から構成されるマトリックス中に、窒化ホウ素粒子が分散されている。例えば、前記窒化ホウ素粒子は、炭化ケイ素粒子の間隙に存在していてもよく、また、炭化ケイ素粒子の内部に存在した状態でもよい。
本発明は、前記のとおり、炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合粉末であって、
前記複合粉末が、下記式（Ｉ）を満たす複合粉末である。
６２．１＜Ｘ＋０．１０１×Ｙ （Ｉ）
前記式中、
Ｘは前記複合粉末の比表面積（ｍ2／ｇ）であり、
Ｙは、前記複合粉末を焼結した後に得られる複合材料のヤング率（ＧＰａ）である。
前記複合粉末が、下記式（Ｉ）を満たす複合粉末である。
６２．１＜Ｘ＋０．１０１×Ｙ （Ｉ）
前記式中、
Ｘは前記複合粉末の比表面積（ｍ2／ｇ）であり、
Ｙは、前記複合粉末を焼結した後に得られる複合材料のヤング率（ＧＰａ）である。
前記式（Ｉ）は、好ましくは
６６＜Ｘ＋０．１０１×Ｙ （Ｉ−１）
であり、より好ましくは
７０＜Ｘ＋０．１０１×Ｙ （Ｉ−２）
であり、さらに好ましくは
８０＜Ｘ＋０．１０１×Ｙ （Ｉ−３）
である。なお、複合粉末が前記式（Ｉ）を満たすことは、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中に含有される窒化ホウ素の粒子が微細であることを意味する。ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中に含有される窒化ホウ素の粒子が微細であることは、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を焼結して得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料の快削性が向上することを意味する。
６６＜Ｘ＋０．１０１×Ｙ （Ｉ−１）
であり、より好ましくは
７０＜Ｘ＋０．１０１×Ｙ （Ｉ−２）
であり、さらに好ましくは
８０＜Ｘ＋０．１０１×Ｙ （Ｉ−３）
である。なお、複合粉末が前記式（Ｉ）を満たすことは、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中に含有される窒化ホウ素の粒子が微細であることを意味する。ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中に含有される窒化ホウ素の粒子が微細であることは、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を焼結して得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料の快削性が向上することを意味する。
前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を焼結した後に得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料のヤング率は、一般的にＳｉＣ／ＢＮ複合材料中の炭化ケイ素と窒化ホウ素との組成比に強く依存することが知られている。すなわち、原料であるＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中の窒化ホウ素の含有量が増加するほど、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料のヤング率は低下する傾向にある。このため、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料のヤング率を評価することで、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中の炭化ケイ素と窒化ホウ素の組成比を推測することができる。なお、ＳｉＣの密度が３．２１ｇ／ｃｍ3、ＢＮの密度が２．２９３１９ｇ／ｃｍ3であることから考慮すれば、ＢＮの重量比を用いてＢＮの体積比に算出することが可能である。
例えば、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末１００重量部に対して７．７重量部のＡｌ2Ｏ3と２．２重量部のＹ2Ｏ3を焼結助剤として加えた焼結体（ＳｉＣ／ＢＮ複合材料）のヤング率とＳｉＣおよびＢＮの組成比との間には、下記式（ＩＩＩ）の様な直線関係が成立する。
Ｚ＝５０．７−０．１２２×Ｙ （ＩＩＩ）
前記式中、
ＺはＳｉＣ／ＢＮ複合材料中のＢＮの重量比
ＹはＳｉＣ／ＢＮ複合材料のヤング率である。
Ｚ＝５０．７−０．１２２×Ｙ （ＩＩＩ）
前記式中、
ＺはＳｉＣ／ＢＮ複合材料中のＢＮの重量比
ＹはＳｉＣ／ＢＮ複合材料のヤング率である。
式（ＩＩＩ）とＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の比表面積の関係をまとめると、式（Ｉ）のような関係が成立する。なお、本発明において、ヤング率は曲げ共振法（ＪＩＳ Ｒ １６０２）により測定される。
本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末に含まれるＢＮ（窒化ホウ素）粒子は微細であるのが好ましい。従って、「Ｘ＋０．１０１×Ｙ」の上限値は限定されないが、例えば６６であってもよく、好ましくは７０であり、より好ましくは８０である。
前記本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末において、前記窒化ホウ素は、乱層構造窒化ホウ素（ｔ−ＢＮ）であるのが好ましい。
また、本発明は、前記のとおり、炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合材料であって、
前記複合材料が、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を焼結して得られた複合材料であり、
前記複合材料が、下記式（ＩＩ）を満たす複合材料である。
Ｓ＞５．５６Ｙ−６７０ （ＩＩ）
前記式中、
Ｙ≦２８０、
Ｙは前記複合材料のヤング率（ＧＰａ）であり、
Ｓは前記複合材料の曲げ強度（ＭＰａ）である。
前記複合材料が、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を焼結して得られた複合材料であり、
前記複合材料が、下記式（ＩＩ）を満たす複合材料である。
Ｓ＞５．５６Ｙ−６７０ （ＩＩ）
前記式中、
Ｙ≦２８０、
Ｙは前記複合材料のヤング率（ＧＰａ）であり、
Ｓは前記複合材料の曲げ強度（ＭＰａ）である。
前記式（ＩＩ）は、好ましくは
Ｓ＞４．９Ｙ−４８１ （ＩＩ−１）
であり、より好ましくは
Ｓ＞４．３Ｙ−３２７ （ＩＩ−２）
であり、さらに好ましくは
Ｓ＞３．７Ｙ−１７３ （ＩＩ−３）
である。
Ｓ＞４．９Ｙ−４８１ （ＩＩ−１）
であり、より好ましくは
Ｓ＞４．３Ｙ−３２７ （ＩＩ−２）
であり、さらに好ましくは
Ｓ＞３．７Ｙ−１７３ （ＩＩ−３）
である。
前記本発明のＳｉＣ／ＢＮ複合材料において、前記窒化ホウ素は、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）であるのが好ましい。
本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末において、窒化ホウ素は、炭化ケイ素マトリックス中で分散されている。なお、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末における窒化ホウ素の分散状態を直接的に評価することは困難であるが、窒化ホウ素の分散状態が、最終的に得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ強度に大きな影響を与えるため、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ強度を評価することで、間接的にＳｉＣ−ＢＮ複合粉末における窒化ホウ素の分散状態を評価することができる。すなわち、窒化ホウ素の分散状態が均一に近づくほど、ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ強度が高くなる。一方、窒化ホウ素の分散状態が凝集に近づくほど、ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ強度は小さくなる。なお、本発明において、曲げ強度は、三点曲げ試験（ＪＩＳ Ｒ １６０１ ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法）によって測定される。
また、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末において窒化ホウ素は均一に分散しているほうが好ましい。従って、ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ強度は高いほど好ましい。このため、ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ強度の上限値は限定されないが、例えば５．５６Ｙ−６７０（但しＹは前記複合粉末を焼結した後に得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料のヤング率であり、２８０以下）であってもよく、好ましくは４．９Ｙ−４８１（但しＹは前記複合粉末を焼結した後に得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料のヤング率であり、２８０以下）であり、より好ましくは３．７Ｙ−１７３（但しＹは前記複合粉末を焼結した後に得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料のヤング率であり、２８０以下）である。
なお、本発明において、比表面積は、ＢＥＴ法を用いて測定される。本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の比表面積は、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中の窒化ホウ素の含有量に応じ相違するが、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中の窒化ホウ素の含有量が２０体積％である場合、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の比表面積は、例えば３３ｍ2／ｇ以上１５０ｍ2／ｇ以下、好ましくは４０ｍ2／ｇ以上１３０ｍ2／ｇ以下、より好ましくは６０ｍ2／ｇ以上１３０ｍ2／ｇ以下である。また、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中の窒化ホウ素の含有量が３０体積％である場合、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の比表面積は例えば３９〜２００ｍ2／ｇ、好ましくは７３〜１８０ｍ2／ｇ、より好ましくは８５〜１８０ｍ2／ｇである。前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中の窒化ホウ素の含有量が２０体積％である場合、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の比表面積は３３ｍ2／ｇ以上１５０ｍ2／ｇ以下であれば、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中に含有される窒化ホウ素の粒子が微細であることを意味し、そのことは、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を焼結して得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料の強度および快削性が向上することを意味するので好ましい。なお、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末において窒化ホウ素は微細な粒子として含まれている。従って、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の比表面積は大きくなる傾向にある。これは、窒化ホウ素の粒子が微細になるほどその表面積が大きくなり、その結果、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の表面積も大きくなるからである。または、表面積が大きい窒化ホウ素の配合量が大きいと、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の表面積も大きくなるからである。
また、本発明のＳｉＣ／ＢＮ複合材料の比表面積は、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料中の窒化ホウ素の含有量に応じ相違するが、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料中の窒化ホウ素の含有量が１０体積％である場合、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の比表面積は、例えば２７〜１２０ｍ2／ｇ、好ましくは３９〜１００ｍ2／ｇ、より好ましくは４２〜１００ｍ2／ｇである。また、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料中の窒化ホウ素の含有量が２５体積％である場合、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の比表面積は、例えば３５〜１７０ｍ2／ｇ、好ましくは６５〜１５０ｍ2／ｇ、より好ましくは７２〜１５０ｍ2／ｇである。
また、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の曲げ強度は、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中の窒化ホウ素の含有量に応じ相違するが、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中の窒化ホウ素の含有量が１０体積％である場合、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の曲げ強度は、例えば８５０ＭＰａ以上２０００ＭＰａ以下であり、好ましくは９０５ＭＰａ以上１８００ＭＰａ以下であり、より好ましくは９３０ＭＰａ以上１８００ＭＰａ以下である。また、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中の窒化ホウ素の含有量が２０体積％である場合、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の曲げ強度は、例えば８００ＭＰａ以上２０００ＭＰａ以下であり、好ましくは８３５ＭＰａ以上１８００ＭＰａ以下であり、より好ましくは８５０ＭＰａ以上１８００ＭＰａ以下である。
また、本発明のＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ強度は、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料中の窒化ホウ素の含有量に応じ相違するが、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料中の窒化ホウ素の含有量が３０体積％である場合、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ強度は、例えば５８０ＭＰａ以上２０００ＭＰａ以下であり、好ましくは６３０ＭＰａ以上１８００ＭＰａ以下であり、より好ましくは７００ＭＰａ以上１８００ＭＰａ以下である。
また、前記本発明のＳｉＣ／ＢＮ複合材料中に含有される窒化ホウ素の一次粒径は、例えば２０〜２０００ｎｍであり、好ましくは２０〜１０００ｎｍであり、より好ましくは２０〜５００ｎｍである。本発明のＳｉＣ／ＢＮ複合材料中に含有される窒化ホウ素の一次粒径が２０〜２０００ｎｍであると、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を焼結して得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料の強度および快削性が向上するので好ましい。
なお、本発明において、一次粒径は、透過型電子顕微鏡を用い、目的とする粒子を写真撮影し、寸法を測定する。
本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末における炭化ケイ素は、その一次粒径が例えば５０〜３００ｎｍ、好ましくは５０〜２００ｎｍ、より好ましくは５０〜１００ｎｍである。本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末における炭化ケイ素は、一次粒径が５０〜３００ｎｍであると、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の酸化を抑制でき、かつ、焼結して得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料の強度が向上するので好ましい。
本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末における炭化ケイ素と窒化ホウ素の混合比は、炭化ケイ素／窒化ホウ素（体積比）が例えば９７／３〜６０／４０であり、好ましくは９５／５〜７０／３０であり、より好ましくは９０／１０〜８０／２０である。前記炭化ケイ素／窒化ホウ素（体積比）が９７／３〜６０／４０であると、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を焼結して得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料の強度が向上するので好ましい。
本発明のＳｉＣ／ＢＮ複合材料における炭化ケイ素と窒化ホウ素の混合比は、炭化ケイ素／窒化ホウ素（体積比）が例えば９７／３〜６０／４０であり、好ましくは９０／１０〜６０／４０であり、より好ましくは８０／２０〜６０／４０である。前記炭化ケイ素／窒化ホウ素（体積比）が９７／３〜６０／４０であると、ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の快削性が向上し、かつ強度が高くなるので好ましい。
本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末における炭化ケイ素と窒化ホウ素の混合比は、後述のように製造時に用いる材料の仕込み比を調整することにより制御することができる。
次に、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の製造方法の一例について説明する。
本発明は、炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合粉末（ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末）の製造方法（以下、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法と呼ぶ）であって、
前記製造方法が、
シリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を、前記ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させて第１の分散液を調製する工程と、
前記第１の分散液を乾燥させてシリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を含む第１の混合物を得る工程と、
前記第１の混合物を８００〜１４００℃で加熱してホウケイ酸ガラスとカーボン粉末との第２の混合物を得る工程と、
前記第２の混合物を１５００〜１７００℃で窒素雰囲気中に加熱して前記複合粉末を得る工程を含むことを特徴とする。
前記製造方法が、
シリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を、前記ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させて第１の分散液を調製する工程と、
前記第１の分散液を乾燥させてシリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を含む第１の混合物を得る工程と、
前記第１の混合物を８００〜１４００℃で加熱してホウケイ酸ガラスとカーボン粉末との第２の混合物を得る工程と、
前記第２の混合物を１５００〜１７００℃で窒素雰囲気中に加熱して前記複合粉末を得る工程を含むことを特徴とする。
また、本発明は、炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合粉末（ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末）の製造方法（以下、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第２の製造方法と呼ぶ）であって、
前記製造方法が、
シリカおよびホウ素化合物を、前記ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させて第２の分散液を調製する工程と、
前記第２の分散液を乾燥させてシリカとホウ素化合物を含む第３の混合物を得る工程と、
前記第３の混合物とカーボン粉末を乾式混合して第４の混合物を得る工程と、
前記第４の混合物を８００〜１４００℃で加熱してホウケイ酸ガラスとカーボン粉末との第５の混合物を得る工程と、
前記第５の混合物を１５００〜１７００℃で窒素雰囲気中に加熱して前記複合粉末を得る工程を含むことを特徴とする。
前記製造方法が、
シリカおよびホウ素化合物を、前記ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させて第２の分散液を調製する工程と、
前記第２の分散液を乾燥させてシリカとホウ素化合物を含む第３の混合物を得る工程と、
前記第３の混合物とカーボン粉末を乾式混合して第４の混合物を得る工程と、
前記第４の混合物を８００〜１４００℃で加熱してホウケイ酸ガラスとカーボン粉末との第５の混合物を得る工程と、
前記第５の混合物を１５００〜１７００℃で窒素雰囲気中に加熱して前記複合粉末を得る工程を含むことを特徴とする。
前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法および第２の製造方法において、原料であるシリカの一次粒径は、例えば０．０３〜１．５μｍであり、好ましくは０．０３〜１．２μｍであり、より好ましくは０．０３〜１μｍである。前記シリカの一次粒径が０．０３〜１．５μｍであると、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を焼結して得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料が酸化されるのを抑制でき、かつ、均一なＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を得ることができるので好ましい。
前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法および第２の製造方法において、前記ホウ素化合物としては、ホウ素が含有されていること以外は限定されないが、例えば、ホウ酸、酸化ホウ素、ホウ酸アンモニウム、ホウ酸エトキシドなどが挙げられ、中でもホウ酸、酸化ホウ素、ホウ酸エトキシドが好ましい。
前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法および第２の製造方法において、前記カーボン粉末の一次粒径は、例えば３０〜１００μｍであり、好ましくは３０〜８０μｍであり、より好ましくは３０〜５０μｍである。前記カーボン粉末の一次粒径が３０〜１００μｍであると、前記第１の製造方法および第２の製造方法において得られるホウケイ酸ガラス粒子より粒径が小さくなる。その結果、ホウケイ酸ガラス粒子とカーボン粉末との第２の混合物、およびホウケイ酸ガラス粒子とカーボン粉末との第５の混合物を加熱して複合粉末を得る際、前記カーボン粉末がホウケイ酸ガラス粒子とよりよく接触し、反応が均一に進行するので好ましい。
前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法および第２の製造方法において、前記ホウ素化合物を可溶な溶媒としては、前記ホウ素化合物を溶解、分散（すなわちホウ素化合物の一部はそこへ溶解する）等する溶媒であれば限定されない。前記溶媒としては、例えば、水、アルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等）などが挙げられ、単独または混合して用いてもよい。前記溶媒としては、水、および水とアルコールの混合物が好ましい。前記水とアルコールの混合物の場合、水とアルコールの混合比は、アルコール：水（体積比）が例えば０〜５０：１００〜５０である。
シリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末の配合比は、目的とするＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の組成に応じて調整することができる。例えば、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法においては、前記第１の分散液を調製する工程において、シリカおよびホウ素化合物が、シリカに含まれるケイ素原子：ホウ素化合物に含まれるホウ素原子の比が、例えば９４．３：５．７〜５６．６：４３．４、好ましくは８８．６：１１．４〜５６．５：４３．５、より好ましくは８８．６：１１．４〜６６．９：３３．１になるように配合される。前記配合比を、シリカに含まれるケイ素原子：ホウ素化合物に含まれるホウ素原子の比が、例えば９４．３：５．７〜５６．６：４３．４になるようなシリカおよびホウ素化合物の配合比に調整すると、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末における前記炭化ケイ素／窒化ホウ素（体積比）を９７／３〜６０／４０に制御することができるので好ましい。
また、例えば、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第２の製造方法においては、前記第２の分散液を調製する工程および前記乾燥粉末とカーボン粉末とを混合して第１の混合物を得る工程において、シリカおよびホウ素化合物が、シリカに含まれるケイ素原子：ホウ素化合物に含まれるホウ素原子の比が、例えば９４．３：５．７〜５６．６：４３．４、好ましくは８８．６：１１．４〜５６．５：４３．５、より好ましくは８８．６：１１．４〜６６．９：３３．１になるように配合される。前記配合比を、シリカに含まれるケイ素原子：ホウ素化合物に含まれるホウ素原子の比が、例えば９４．３：５．７〜５６．６：４３．４になるようなシリカおよびホウ素化合物の配合比に調整すると、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末における前記炭化ケイ素／窒化ホウ素（体積比）を９７／３〜６０／４０に制御することができるので好ましい。
前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法において、シリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を、ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させる工程は、例えば、シリカとホウ素化合物とカーボン粉末とを、ホウ素化合物を可溶な溶媒に加えて、例えばボールミルを用いた混合、超音波を用いた混合等することができる。
前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第２の製造方法において、シリカおよびホウ素化合物を、ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させる工程は、例えば、シリカとホウ素化合物とを、ホウ素化合物を可溶な溶媒に加えて、例えばボールミルを用いた混合、超音波を用いた混合等することができる。
前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法において、シリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を、ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させる工程は、例えば１０〜９５℃、好ましくは２０〜７０℃、より好ましくは２５〜５０℃で行うことができる。
前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第２の製造方法において、シリカおよびホウ素化合物を、ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させる工程は、例えば１０〜９５℃、好ましくは２０〜７０℃、より好ましくは２５〜５０℃で行うことができる。
次に、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法において、得られた分散液を乾燥させてシリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を含む第１の混合物を得る。前記乾燥工程は、例えば５〜８０℃、好ましくは２０〜６０℃、より好ましくは２０〜５０℃で行うことができる。
前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第２の製造方法において、得られた第２の分散液を乾燥させてシリカとホウ素化合物を含む第３の混合物を得る。前記乾燥工程は、例えば５〜８０℃、好ましくは２０〜６０℃、より好ましくは２０〜５０℃で行うことができる。
前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法においては、前記シリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末の第１の混合物においては、前記シリカが前記ホウ素化合物により被覆されているのが好ましい。このように前記シリカが前記ホウ素化合物により被覆されていると、前記乾燥粉末を加熱して得られるホウケイ酸ガラスの粒子が微細になるため、好ましい。
前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第２の製造方法においては、前記シリカおよびホウ素化合物の第３の混合物においては、前記シリカが前記ホウ素化合物により被覆されているのが好ましい。このように前記シリカが前記ホウ素化合物により被覆されていると、前記乾燥粉末を加熱して得られるホウケイ酸ガラスの粒子が微細になるため、好ましい。
次に、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第２の製造方法においては、シリカおよびホウ素化合物の第３の混合物と、カーボン粉末とを乾式混合して第４の混合物を得る。前記乾式混合は、ボールミルを用いた方法を用いて行うことができる。また、前記乾式混合は、例えば２０〜３０℃で行うことができる。
次に、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法においては、第１の混合物を８００〜１４００℃、好ましくは９００〜１３５０℃、より好ましくは９００〜１３００℃で加熱してホウケイ酸ガラスとカーボン粉末との第２の混合物を得る。前記加熱時間は特に限定されないが、例えば１分〜１０時間、好ましくは１分〜５時間より好ましくは１分〜１時間である。前記ホウケイ酸ガラスには、ホウ素とケイ素の原子が均一に配列されているため、前記第１の製造方法において製造されるＳｉＣ−ＢＮ複合粉末は炭化ケイ素と窒化ホウ素が均一に複合されることが可能である。
また、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第２の製造方法においては、第４の混合物を８００〜１４００℃、好ましくは９００〜１３５０℃、より好ましくは９００〜１３００℃で加熱してホウケイ酸ガラスとカーボン粉末との第５の混合物を得る。前記加熱時間は特に限定されないが、例えば１分〜１０時間、好ましくは１分〜５時間より好ましくは１分〜１時間である。前記ホウケイ酸ガラスには、ホウ素とケイ素の原子が均一に配列されているため、前記第２の製造方法において製造されるＳｉＣ−ＢＮ複合粉末は炭化ケイ素と窒化ホウ素が均一に複合されることが可能である。
次に、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法においては、第２の混合物を窒素雰囲気下で、１５００〜１７００℃、好ましくは１５００〜１６５０℃、より好ましくは１５５０〜１６５０℃で加熱してＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を得る。前記第１の製造方法は、前記のように水素等の特殊は気体雰囲気を使用する必要がないので、安全な製造方法である。また、前記第１の製造方法で得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末は、より微細なＢＮが前記複合材料中で分散された複合材料である。
また、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第２の製造方法においては、第５の混合物を窒素雰囲気下で、１５００〜１７００℃、好ましくは１５００〜１６５０℃、より好ましくは１５５０〜１６５０℃で加熱してＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を得る。前記第２の製造方法は、前記のように水素等の特殊は気体雰囲気を使用する必要がないので、安全な製造方法である。また、前記第２の製造方法で得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末は、より微細なＢＮが前記複合材料中で分散された複合材料である。
また、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１の製造方法は、例えば６００〜７００℃で、好ましくは６００〜６６０℃で、より好ましくは６４０〜６６０℃で、露点−１００〜−５５℃、好ましくは−１００〜−６５℃、より好ましくは−１００〜−８０℃の乾燥空気中で加熱して過剰なカーボン粉末を除去する工程を含んでもよい。このような工程を含む場合、例えば１５００〜１７００℃で、好ましくは１５００〜１６５０℃で、より好ましくは１５５０ 〜１６５０℃で、窒素雰囲気下に加熱する工程をさらに含んでもよい。後者の加熱工程は、前者の工程によりＳｉＣ−ＢＮ複合粉末が酸化された場合、酸素含有量を調整するためである。
また、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第２の製造方法は、例えば６００〜７００℃で、好ましくは６００〜６６０℃で、より好ましくは６４０〜６６０℃で、露点−１００〜−５５℃、好ましくは−１００〜−６５℃、より好ましくは−１００〜−８０℃の乾燥空気中で加熱して過剰なカーボン粉末を除去する工程を含んでもよい。このような工程を含む場合、例えば１５００〜１７００℃で、好ましくは１５００〜１６５０℃で、より好ましくは１５５０ 〜１６５０℃で、窒素雰囲気下に加熱する工程をさらに含んでもよい。後者の加熱工程は、前者の工程によりＳｉＣ−ＢＮ複合粉末が酸化された場合、酸素含有量を調整するためである。
また、本発明は、炭化ケイ素と窒化ホウ素とを含む複合材料（ＳｉＣ／ＢＮ複合材料）の製造方法であって、
前記製造方法が、複合粉末を焼結する工程を含み、
前記複合粉末が、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１または第２の製造方法により得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末であることを特徴とする。前記複合粉末が、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１または第２の製造方法により得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末であれば、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粒子中では、ＳｉＣとＢＮが均一に複合化されているので、焼結して得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料中のＢＮが前記複合材料中に微細に分散される。その結果、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の強度および快削性が向上するので好ましい。
前記製造方法が、複合粉末を焼結する工程を含み、
前記複合粉末が、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１または第２の製造方法により得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末であることを特徴とする。前記複合粉末が、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の第１または第２の製造方法により得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末であれば、前記ＳｉＣ−ＢＮ複合粒子中では、ＳｉＣとＢＮが均一に複合化されているので、焼結して得られるＳｉＣ／ＢＮ複合材料中のＢＮが前記複合材料中に微細に分散される。その結果、前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の強度および快削性が向上するので好ましい。
前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の製造方法においては、前記焼結工程において、前記複合粉末に焼結助剤を添加するのが好ましい。前記焼結助剤としては、例えば、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、Ｂ、Ｃが挙げられる。前記焼結助剤は１種類を単独用いても、２種類以上を混合して用いてもよい。前記焼結助剤としては、Ｙ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3の混合物が好ましい。前記焼結助剤を添加すると、炭化ケイ素が柱状または板状に成長するため、通常用いられるホウ素−炭素系焼結助剤よりも強度と靱性の高い焼結体が得られ、かつ液相が低温で生成するため、常圧焼結も可能になるので好ましい。前記焼結助剤の添加量としては、前記複合粉末（１００重量）に対し、例えば５．５〜３１．９、好ましくは６．６〜２８．６、より好ましくは７．４〜２６．８である。焼結剤としてＹ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3の混合物を用いる場合、Ａｌ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3（重量比）が、例えば３〜９：２〜２０、好ましくは４〜８：２〜１８、より好ましくは４．５〜７．７：２．２〜１６．７である。
前記ＳｉＣ／ＢＮ複合材料の製造方法においては、前記焼結工程が、例えば１６５０〜２０００℃、好ましくは１７００〜２０００℃、より好ましくは１７５０〜２０００℃で行われる。
球状シリカ（１３５ｇ、２．２５モル、平均粒径０．３μｍ、アドマファインＳＯ−Ｅ１、信越石英株式会社）、ホウ酸（４０．０３ｇ、０．６５モル、試薬特級、和光純薬株式会社）およびカーボン粉末（１１８．０１ｇ、９．８３モル、平均粒径３０ｎｍ、＃３０、三菱化学株式会社）と、水（３００ｍｌ）とエタノール（３００ｍｌ）とをボールミルを用いて混合した。得られた混合物（８９３ｇ）を５０℃で３６時間乾燥して粉末（２９３ｇ）を得た（図１中、［Ａ］参照）。この乾燥粉末（９０ｇ）を窒素雰囲気中で８００℃で５時間熱処理した。この加熱処理により、シリカとホウ酸からホウケイ酸ガラスが生成し、ホウケイ酸ガラスとカーボン粉末の混合物（７８ｇ）を得た（図１中、［Ｂ］参照）。前記ホウケイ酸ガラスとカーボン粉末の混合物を窒素雰囲気中で１５５０℃で１０時間、続いて１６５０℃で１時間熱処理してＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（２９ｇ）を得た。得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末中、窒化ホウ素の含有量は２０体積％であった。なお、熱処理後、過剰なカーボン粉末は、露点−７０℃以下の乾燥空気中で、６５０℃で５時間熱処理を行い、脱炭素処理して除去した。さらに、脱炭素処理後に複合粉末が若干酸化されているため、１５５０℃５時間窒素雰囲気中で熱処理を行うことにより酸素含有量０．２５重量％のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を得た。得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末のＴＥＭによる微細組織観察を図２（ａ）および（ｂ）に、ＸＲＤプロファイルを図１［Ｃ］に示す。また、得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末のＢＥＴ法による比表面積を表１に示す。
（参考例１）
特開２０００−２６４７４１号公報に記載の製造方法により、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（窒化ホウ素の含有量は２０体積％）を得た。具体的には、β−ＳｉＣ粉末（平均粒径２７０ｎｍ、１００ｇ ウルトラファイン イビデン株式会社）、ホウ酸粉末（４４．４４ｇ、０．７２モル、高純度化学研究所製）、および尿素粉末（１２９．３４ｇ、２．０９モル、前記ホウ酸粉末の３倍のモル量、和光純薬工業社製）を加えて均一に混合した。この混合粉末とエタノール（分散溶媒）とをボールミルを用いて２４時間湿式混合した。その後、得られた混合物に水を加え、次にエバポレーターを用い減圧下７０℃で２時間乾燥して粉末を得た。前記乾燥粉末を水素雰囲気中、７００℃で３時間加熱し（還元処理）、その後、水素雰囲気中で１１００℃で８時間加熱し（還元処理）、さらに、窒素雰囲気中で１５００℃で６時間加熱し、さらに真空中で１５００℃で３時間過熱した。得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（１１７ｇ）のＢＥＴ法による比表面積を表１に示す。
特開２０００−２６４７４１号公報に記載の製造方法により、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（窒化ホウ素の含有量は２０体積％）を得た。具体的には、β−ＳｉＣ粉末（平均粒径２７０ｎｍ、１００ｇ ウルトラファイン イビデン株式会社）、ホウ酸粉末（４４．４４ｇ、０．７２モル、高純度化学研究所製）、および尿素粉末（１２９．３４ｇ、２．０９モル、前記ホウ酸粉末の３倍のモル量、和光純薬工業社製）を加えて均一に混合した。この混合粉末とエタノール（分散溶媒）とをボールミルを用いて２４時間湿式混合した。その後、得られた混合物に水を加え、次にエバポレーターを用い減圧下７０℃で２時間乾燥して粉末を得た。前記乾燥粉末を水素雰囲気中、７００℃で３時間加熱し（還元処理）、その後、水素雰囲気中で１１００℃で８時間加熱し（還元処理）、さらに、窒素雰囲気中で１５００℃で６時間加熱し、さらに真空中で１５００℃で３時間過熱した。得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（１１７ｇ）のＢＥＴ法による比表面積を表１に示す。
実施例１で得たＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（２５ｇ）と焼結助剤Ａｌ2Ｏ3（１．９２ｇ、７重量％）およびＹ2Ｏ3（０．５５ｇ、２重量％）とをボールミルを用いて混合し、ホットプレス装置（富士電波工業社製）を用いて焼結した。焼結条件は、圧力３０ＭＰａ、窒素雰囲気中、１７５０℃、１時間である。得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料（２７ｇ）（窒化ホウ素の含有量は２０体積％）のＳＥＭによる微細組織観察を図３に示す。また、得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ共振法によるヤング率、三点曲げ試験による曲げ強度を表１に示す。
（参考例２）
参考例１で得たＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（２５ｇ）と焼結助剤Ａｌ2Ｏ3（１．９２ｇ、７重量％）およびＹ2Ｏ3（０．５５ｇ、２重量％）とエタノール（分散溶媒）とをボールミルを用いて７２時間湿式混合した。その後、得られた混合物をエバポレーターを用い減圧下７０℃で２時間乾燥して粉末を得た。前記乾燥粉末を黒鉛ダイズに充填して、ホットプレス装置（富士電波工業社製）を用いて焼結した。焼結条件は、圧力３０ＭＰａ、アルゴン雰囲気中、１９００℃、１時間である。得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ共振法によるヤング率、三点曲げ試験による曲げ強度を表１に示す。
参考例１で得たＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（２５ｇ）と焼結助剤Ａｌ2Ｏ3（１．９２ｇ、７重量％）およびＹ2Ｏ3（０．５５ｇ、２重量％）とエタノール（分散溶媒）とをボールミルを用いて７２時間湿式混合した。その後、得られた混合物をエバポレーターを用い減圧下７０℃で２時間乾燥して粉末を得た。前記乾燥粉末を黒鉛ダイズに充填して、ホットプレス装置（富士電波工業社製）を用いて焼結した。焼結条件は、圧力３０ＭＰａ、アルゴン雰囲気中、１９００℃、１時間である。得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ共振法によるヤング率、三点曲げ試験による曲げ強度を表１に示す。
（実施例３）
球状シリカ、ホウ酸およびカーボン粉末の量を球状シリカ（１２０ｇ、２．００モル、平均粒径０．３μｍ、アドマファインＳＯ−Ｅ１、信越石英株式会社）、ホウ酸（６０．９９ｇ、０．９９モル、試薬特級、和光純薬株式会社）およびカーボン粉末（１１８．２１ｇ、９．８５モル、平均粒径３０ｎｍ、＃３０、三菱化学株式会社）とした以外は、実施例１と同様にして行い、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（１０４ｇ）（窒化ホウ素の含有量は３０体積％）を得た。得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末のＢＥＴ法による比表面積を表１に示す。
球状シリカ、ホウ酸およびカーボン粉末の量を球状シリカ（１２０ｇ、２．００モル、平均粒径０．３μｍ、アドマファインＳＯ−Ｅ１、信越石英株式会社）、ホウ酸（６０．９９ｇ、０．９９モル、試薬特級、和光純薬株式会社）およびカーボン粉末（１１８．２１ｇ、９．８５モル、平均粒径３０ｎｍ、＃３０、三菱化学株式会社）とした以外は、実施例１と同様にして行い、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（１０４ｇ）（窒化ホウ素の含有量は３０体積％）を得た。得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末のＢＥＴ法による比表面積を表１に示す。
（実施例４）
実施例１で得たＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の代わりに、実施例３で得たＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を用いた以外は、実施例２と同様にして行った。得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ共振法によるヤング率、三点曲げ試験による曲げ強度を表１に示す。得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料（窒化ホウ素の含有量は３０体積％）のＳＥＭによる微細組織観察を図４に示す。
実施例１で得たＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の代わりに、実施例３で得たＳｉＣ−ＢＮ複合粉末を用いた以外は、実施例２と同様にして行った。得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ共振法によるヤング率、三点曲げ試験による曲げ強度を表１に示す。得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料（窒化ホウ素の含有量は３０体積％）のＳＥＭによる微細組織観察を図４に示す。
（参考例３）
β−ＳｉＣ粉末、ホウ酸粉末および尿素粉末の量をβ−ＳｉＣ粉末（平均粒径２７０ｎｍ、５０ｇ、１．２５モル、ウルトラファイン イビデン株式会社）、ホウ酸粉末（３８．０９ｇ、０．６２モル、高純度化学研究所製）、および尿素粉末（１１０．８６ｇ、１．８５モル、前記ホウ酸粉末の３倍のモル量、和光純薬工業社製）とした以外は、参考例１と同様にして行い、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（６４ｇ）（窒化ホウ素の含有量は３０体積％）を得た。得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末のＢＥＴ法による比表面積を表１に示す。
β−ＳｉＣ粉末、ホウ酸粉末および尿素粉末の量をβ−ＳｉＣ粉末（平均粒径２７０ｎｍ、５０ｇ、１．２５モル、ウルトラファイン イビデン株式会社）、ホウ酸粉末（３８．０９ｇ、０．６２モル、高純度化学研究所製）、および尿素粉末（１１０．８６ｇ、１．８５モル、前記ホウ酸粉末の３倍のモル量、和光純薬工業社製）とした以外は、参考例１と同様にして行い、ＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（６４ｇ）（窒化ホウ素の含有量は３０体積％）を得た。得られたＳｉＣ−ＢＮ複合粉末のＢＥＴ法による比表面積を表１に示す。
（参考例４）
参考例１で得たＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の代わりに参考例３で得たＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（２５ｇ）を用いた以外は参考例２と同様にして行い、ＳｉＣ／ＢＮ複合材料（２７ｇ）を得た。得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ共振法によるヤング率、三点曲げ試験による曲げ強度を表１に示す。また、得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料（窒化ホウ素の含有量は３０体積％）のＳＥＭによる微細組織観察を図５に示す。
参考例１で得たＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の代わりに参考例３で得たＳｉＣ−ＢＮ複合粉末（２５ｇ）を用いた以外は参考例２と同様にして行い、ＳｉＣ／ＢＮ複合材料（２７ｇ）を得た。得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ共振法によるヤング率、三点曲げ試験による曲げ強度を表１に示す。また、得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料（窒化ホウ素の含有量は３０体積％）のＳＥＭによる微細組織観察を図５に示す。
（参考例５）
β−ＳｉＣ粉末（１００ｇ ウルトラファイン イビデン株式会社）にｈ−ＢＮ粉末（１７．８３ｇ ＧＰグレード 電気化学工業株式会社）と焼結助剤（Ａｌ2Ｏ3（９．０６ｇ、７重量％）およびＹ2Ｏ3（２．５９ｇ、２重量％））とエタノール（２５０ｍｌ）（分散溶媒）を加え、湿式でボールミルを用いた混合を２４時間行った。混合後、エバポレーターを用い溶媒を除去し、得られた乾燥粉末を乾式でボールミルを用いた混合を行った。得られた混合粉末２５０ｇをホットプレス装置（富士電波工業株式会社製）を用いて焼結した。焼結条件は、プレス圧力３０ＭＰａ、窒素雰囲気中、１７５０℃、１時間である。得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料（窒化ホウ素の含有量は２０体積％）のＳＥＭによる微細組織観察を図６に示す。また、得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ共振法によるヤング率、三点曲げ試験による曲げ強度を表１に示す。
β−ＳｉＣ粉末（１００ｇ ウルトラファイン イビデン株式会社）にｈ−ＢＮ粉末（１７．８３ｇ ＧＰグレード 電気化学工業株式会社）と焼結助剤（Ａｌ2Ｏ3（９．０６ｇ、７重量％）およびＹ2Ｏ3（２．５９ｇ、２重量％））とエタノール（２５０ｍｌ）（分散溶媒）を加え、湿式でボールミルを用いた混合を２４時間行った。混合後、エバポレーターを用い溶媒を除去し、得られた乾燥粉末を乾式でボールミルを用いた混合を行った。得られた混合粉末２５０ｇをホットプレス装置（富士電波工業株式会社製）を用いて焼結した。焼結条件は、プレス圧力３０ＭＰａ、窒素雰囲気中、１７５０℃、１時間である。得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料（窒化ホウ素の含有量は２０体積％）のＳＥＭによる微細組織観察を図６に示す。また、得られたＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ共振法によるヤング率、三点曲げ試験による曲げ強度を表１に示す。
図１より、加熱により、シリカ、ホウ酸およびカーボン粉末の混合物のピーク（図１中［Ａ］参照）中のホウ酸のピークは消失し、代わりにホウケイ酸ガラスの生成を示すｄ＝４．０Åからのブロードなピークが確認できた（図１中［Ｂ］参照）。さらなる熱処理により、炭化ケイ素と窒化ホウ素のピークが確認できた（図１中［Ｃ］参照）。このことにより、本発明の実施例１においてＳｉＣ−ＢＮ複合粉末の生成を確認できた。
また、図２より、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末は、微細なＳｉＣ粒子の周りにナノサイズのＢＮが析出したＳｉＣ−ＢＮ複合粉末であることが確認できた。
また図３により、本発明のＳｉＣ／ＢＮ複合材料は、著しく微細なＳｉＣ粒子とＢＮ粒子とから構成されていることが確認できた。従来のＳｉＣ／ＢＮ複合材料が、ＳｉＣ粒子と平均粒径９μｍのＢＮ粒子とから構成されている（図６参照）のに比べて、本発明のＳｉＣ／ＢＮ複合材料は、著しく微細なＳｉＣ粒子とＢＮ粒子とから構成されている。
さらに表１により、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粒子の比表面積が従来のＳｉＣ−ＢＮ複合粒子より著しく大きいことが確認できた。このことは本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粒子に含まれるＢＮ粒子が著しく微細であることを意味する。また、本発明のＳｉＣ／ＢＮ複合材料の曲げ強度が従来のＳｉＣ／ＢＮ複合材料より高いことが確認できた。また、破壊源として作用するＢＮ粒子が微細であり、しかもＳｉＣマトリックス中に均一に分散しているため、本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粒子は高強度が維持されたと考えられる。さらに本製造方法を用いて製造したＳｉＣ／ＢＮ複合材料は、高強度である上、２０体積％以上窒化ホウ素を含む複合材料である。このようなＳｉＣ／ＢＮ複合材料は、良好な機械加工性を示した（図７参照）。
本発明のＳｉＣ−ＢＮ複合粉末は、高強度のセラミックス生成に適用できる。
Claims (9)
- 炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合粉末の製造方法であって、
前記製造方法が、
シリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を、前記ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させて第１の分散液を調製する工程と、
前記第１の分散液を乾燥させてシリカ、ホウ素化合物およびカーボン粉末を含む第１の混合物を得る工程と、
前記第１の混合物を８００〜１４００℃で加熱してホウケイ酸ガラスとカーボン粉末との第２の混合物を得る工程と、
前記第２の混合物を１５００〜１７００℃で窒素雰囲気中に加熱して前記複合粉末を得る工程を含む製造方法。 - 前記第１の混合物において、前記シリカが前記ホウ素化合物により被覆されている請求項１に記載の製造方法。
- 前記第１の分散液を調製する工程において、シリカおよびホウ素化合物が、シリカに含まれるケイ素原子：ホウ素化合物に含まれるホウ素原子＝９４．３：５．７〜５６．６：４３．４になるように配合される請求項１または２に記載の製造方法。
- 炭化ケイ素と窒化ホウ素とが複合化されている複合粉末の製造方法であって、
前記製造方法が、
シリカおよびホウ素化合物を、前記ホウ素化合物を可溶な溶媒に分散させて第２の分散液を調製する工程と、
前記第２の分散液を乾燥させてシリカとホウ素化合物を含む第３の混合物を得る工程と、
前記第３の混合物とカーボン粉末を乾式混合して第４の混合物を得る工程と、
前記第４の混合物を８００〜１４００℃で加熱してホウケイ酸ガラスとカーボン粉末との第５の混合物を得る工程と、
前記第５の混合物を１５００〜１７００℃で窒素雰囲気中に加熱して前記複合粉末を得る工程を含む製造方法。 - 前記第３の混合物において、前記シリカが前記ホウ素化合物により被覆されている請求項４に記載の製造方法。
- 前記第２の分散液を調製する工程において、シリカおよびホウ素化合物が、シリカに含まれるケイ素原子：ホウ素化合物に含まれるホウ素原子＝９４．３：５．７〜５６．６：４３．４になるように配合される請求項４または５に記載の製造方法。
- 炭化ケイ素と窒化ホウ素とを含む複合材料の製造方法であって、
前記製造方法が、複合粉末を焼結する工程を含み、
前記複合粉末が、請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法により得られた複合粉末である製造方法。 - 前記焼結工程において、前記複合粉末に焼結助剤を添加する請求項７に記載の製造方法。
- 前記焼結工程が、１７５０〜２０００℃で行われる請求項７または８に記載の製造方法。
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