JP2000233979A - 窒化珪素焼結体及びその製造方法 - Google Patents
窒化珪素焼結体及びその製造方法Info
- Publication number
- JP2000233979A JP2000233979A JP11037948A JP3794899A JP2000233979A JP 2000233979 A JP2000233979 A JP 2000233979A JP 11037948 A JP11037948 A JP 11037948A JP 3794899 A JP3794899 A JP 3794899A JP 2000233979 A JP2000233979 A JP 2000233979A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- silicon nitride
- molded body
- layer
- solvent
- formed body
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 58
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 58
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 47
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000002904 solvent Substances 0.000 abstract description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 18
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 abstract description 6
- 238000000935 solvent evaporation Methods 0.000 abstract 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 10
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 8
- 238000009694 cold isostatic pressing Methods 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 6
- 239000012752 auxiliary agent Substances 0.000 description 5
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 239000003125 aqueous solvent Substances 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 2
- 150000003949 imides Chemical class 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 2
- -1 Also Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000003915 air pollution Methods 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000003925 fat Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 1
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 125000005462 imide group Chemical group 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000013001 point bending Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000001694 spray drying Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
- C04B2111/00612—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as one or more layers of a layered structure
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Porous Artificial Stone Or Porous Ceramic Products (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 断熱化が必要な部位に採用できる高温構造材
料としての窒化珪素焼結体及びその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 多孔質層である表層と、該表層に比較し
て多孔率が低い緻密質層である内層と、これらの表層と
内層との間に形成された中間層とを有し、該中間層の組
成を、内層側から表層側に向かうにつれてその多孔率が
連続的に大きくなるように構成した窒化珪素焼結体、及
び、窒化珪素粉末に焼結助剤と溶媒を混合したのち溶媒
を蒸発させるか、または成型してから溶媒を蒸発させて
成型して第１成型体を作製し、窒化珪素粉末に溶媒を混
合したのち溶媒を蒸発させるか、または成型してから溶
媒を蒸発させて成型して第２成型体を作製し、次いで、
上記第１成型体に上記第２成型体を接触させ、この状態
でこれらの第１成型体と第２成型体とを焼成することを
含む窒化珪素焼結体の製造方法である。
料としての窒化珪素焼結体及びその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 多孔質層である表層と、該表層に比較し
て多孔率が低い緻密質層である内層と、これらの表層と
内層との間に形成された中間層とを有し、該中間層の組
成を、内層側から表層側に向かうにつれてその多孔率が
連続的に大きくなるように構成した窒化珪素焼結体、及
び、窒化珪素粉末に焼結助剤と溶媒を混合したのち溶媒
を蒸発させるか、または成型してから溶媒を蒸発させて
成型して第１成型体を作製し、窒化珪素粉末に溶媒を混
合したのち溶媒を蒸発させるか、または成型してから溶
媒を蒸発させて成型して第２成型体を作製し、次いで、
上記第１成型体に上記第２成型体を接触させ、この状態
でこれらの第１成型体と第２成型体とを焼成することを
含む窒化珪素焼結体の製造方法である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、表面近傍のみを多
孔質化して断熱化した高温構造材料用窒化珪素焼結体及
びその製造方法に関する。
孔質化して断熱化した高温構造材料用窒化珪素焼結体及
びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、内燃機関等において、熱効率
を上げるための一つの手段として断熱化が検討されてい
る。このような高温の部位に用いられる材料には、高い
機械的特性と低い熱伝導率を有することが必要であり、
これら双方の特性を併せ持つことが望ましい。ここで、
材料の熱伝導率を低下させる方法として、比熱の大きな
空気を多く含ませる多孔質化が最も有効であるが、多孔
質化した材料は一般に強度が低いため、強度を必要とす
る部位には適用できない。したがって、高強度の材料を
下地とし、この下地材料の上に溶射等によって多孔質化
した膜を形成し断熱化する方法が広く行われている。し
かし、この方法では、下地材料と膜との熱膨張差や熱伝
導差などにより、材料内部に応力が発生して膜の剥離が
発生するおそれがあった。
を上げるための一つの手段として断熱化が検討されてい
る。このような高温の部位に用いられる材料には、高い
機械的特性と低い熱伝導率を有することが必要であり、
これら双方の特性を併せ持つことが望ましい。ここで、
材料の熱伝導率を低下させる方法として、比熱の大きな
空気を多く含ませる多孔質化が最も有効であるが、多孔
質化した材料は一般に強度が低いため、強度を必要とす
る部位には適用できない。したがって、高強度の材料を
下地とし、この下地材料の上に溶射等によって多孔質化
した膜を形成し断熱化する方法が広く行われている。し
かし、この方法では、下地材料と膜との熱膨張差や熱伝
導差などにより、材料内部に応力が発生して膜の剥離が
発生するおそれがあった。
【０００３】一方、高温構造材料には、強度や靱性等の
機械的特性が高い窒化珪素焼結体があるが、該窒化珪素
焼結体は、熱伝導率が比較的高いため、一般的には断熱
化には適さない。さらに、断熱化するために多孔質化し
ようとすると、工業的に有利な溶射等は、窒化珪素が分
解されるために採用することができなかった。したがっ
て、強度や靱性の機械的特性に対して最も優れたセラミ
ックスである窒化珪素セラミックスは、熱伝導率が比較
的高いために断熱化が必要な部材の高温構造材料として
採用できなかった。
機械的特性が高い窒化珪素焼結体があるが、該窒化珪素
焼結体は、熱伝導率が比較的高いため、一般的には断熱
化には適さない。さらに、断熱化するために多孔質化し
ようとすると、工業的に有利な溶射等は、窒化珪素が分
解されるために採用することができなかった。したがっ
て、強度や靱性の機械的特性に対して最も優れたセラミ
ックスである窒化珪素セラミックスは、熱伝導率が比較
的高いために断熱化が必要な部材の高温構造材料として
採用できなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記課題を
解決し、断熱化が必要な部位に採用できる高温構造材料
としての窒化珪素焼結体及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。
解決し、断熱化が必要な部位に採用できる高温構造材料
としての窒化珪素焼結体及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に係る窒化珪素焼
結体は、上記目的を達成するため、多孔質層である表層
と、該表層に比較して多孔率が低い緻密質層である内層
と、これらの表層と内層との間に形成された中間層とを
有し、該中間層の組成を、内層側から表層側に向かうに
つれてその多孔率が連続的に大きくなるように構成して
いる。上記表層の多孔率は、２％〜１０％であり、内層
の多孔率は０％〜２％である。また、本発明に係る窒化
珪素焼結体の製造方法は、窒化珪素粉末に焼結助剤と溶
媒を混合したのち溶媒を蒸発させるか、または成型して
から溶媒を蒸発させて成型して第１成型体を作製し、窒
化珪素粉末に溶媒を混合したのち溶媒を蒸発させるか、
または成型してから溶媒を蒸発させて成型して第２成型
体を作製し、次いで、上記第１成型体の表面側に上記第
２成型体を接触させ、この状態でこれらの第１成型体と
第２成型体とを焼成することにより、上記第１成型体の
表面側に多孔質層を形成するものである。
結体は、上記目的を達成するため、多孔質層である表層
と、該表層に比較して多孔率が低い緻密質層である内層
と、これらの表層と内層との間に形成された中間層とを
有し、該中間層の組成を、内層側から表層側に向かうに
つれてその多孔率が連続的に大きくなるように構成して
いる。上記表層の多孔率は、２％〜１０％であり、内層
の多孔率は０％〜２％である。また、本発明に係る窒化
珪素焼結体の製造方法は、窒化珪素粉末に焼結助剤と溶
媒を混合したのち溶媒を蒸発させるか、または成型して
から溶媒を蒸発させて成型して第１成型体を作製し、窒
化珪素粉末に溶媒を混合したのち溶媒を蒸発させるか、
または成型してから溶媒を蒸発させて成型して第２成型
体を作製し、次いで、上記第１成型体の表面側に上記第
２成型体を接触させ、この状態でこれらの第１成型体と
第２成型体とを焼成することにより、上記第１成型体の
表面側に多孔質層を形成するものである。
【０００６】上記溶媒としては、水、エタノール等のア
ルコール類、トルエン等の非水溶媒系などを用いること
ができるが、このうち安全性やコストの点からは水が最
も好ましい。上記第１及び第２成型体の製造において、
窒化珪素粉末、焼結助剤及び溶媒の混合割合は、第１成
型体では、窒化珪素が８５〜９２重量％で、焼結助剤が
１５〜８重量％が好ましい。第２成型体は、焼結助剤を
含まない窒化珪素が１００重量％のものを用いる。ま
た、ＣＩＰ成型の場合は、冷間静水圧を５０〜３００ｋ
ｇｆ／ｍｍ ２ とするのが好ましく、このうち特に１００
〜２００ｋｇｆ／ｍｍ ２ が好ましい。上記第１成型体と
第２成型体とを焼成する場合において、焼成温度と焼成
時間の好ましい範囲は、窒素雰囲気中、焼成温度１６０
０〜２０００℃、焼成時間１０分〜１０時間である。上
記方法によって焼結した焼結体は、緻密質層である内層
と多孔質層である表層との界面は、主剤は同じ窒化珪素
であるために機械的強度が高くなるだけでなく、内層の
熱伝導率が比較的高いことから、界面に発生する熱応力
の低下も期待でき、形成された膜の剥離等の問題を解決
することができる。
ルコール類、トルエン等の非水溶媒系などを用いること
ができるが、このうち安全性やコストの点からは水が最
も好ましい。上記第１及び第２成型体の製造において、
窒化珪素粉末、焼結助剤及び溶媒の混合割合は、第１成
型体では、窒化珪素が８５〜９２重量％で、焼結助剤が
１５〜８重量％が好ましい。第２成型体は、焼結助剤を
含まない窒化珪素が１００重量％のものを用いる。ま
た、ＣＩＰ成型の場合は、冷間静水圧を５０〜３００ｋ
ｇｆ／ｍｍ ２ とするのが好ましく、このうち特に１００
〜２００ｋｇｆ／ｍｍ ２ が好ましい。上記第１成型体と
第２成型体とを焼成する場合において、焼成温度と焼成
時間の好ましい範囲は、窒素雰囲気中、焼成温度１６０
０〜２０００℃、焼成時間１０分〜１０時間である。上
記方法によって焼結した焼結体は、緻密質層である内層
と多孔質層である表層との界面は、主剤は同じ窒化珪素
であるために機械的強度が高くなるだけでなく、内層の
熱伝導率が比較的高いことから、界面に発生する熱応力
の低下も期待でき、形成された膜の剥離等の問題を解決
することができる。
【０００７】さらに、本発明に係る窒化珪素焼結体の製
造方法の別の態様は、窒化珪素粉末に焼結助剤と溶媒を
混合したのち溶媒を蒸発させるか、または成型してから
溶媒を蒸発させて第１成型体を作製し、次いで焼結助剤
を添加していない窒化珪素粉末を上記第１成型体の表面
側に接触させ、この状態で、これらの焼結助剤を添加し
ていない窒化珪素粉末と上記第１成型体とを焼成するこ
とにより、上記第１成型体の表面側に多孔質層を形成す
るものである。なお、上記窒化珪素焼結体は、焼成後の
状態では、第１成型体と第２成型体、又は第１成型体と
焼結助剤を添加していない窒化珪素粉末とがその界面近
傍部において条件によっては接合される場合もある。こ
の場合には、窒化珪素焼結体を実際の製品等に採用する
場合は、上記第２成型体や結助剤を添加していない窒化
珪素粉末を除去して、第１成型体のみを用いる。
造方法の別の態様は、窒化珪素粉末に焼結助剤と溶媒を
混合したのち溶媒を蒸発させるか、または成型してから
溶媒を蒸発させて第１成型体を作製し、次いで焼結助剤
を添加していない窒化珪素粉末を上記第１成型体の表面
側に接触させ、この状態で、これらの焼結助剤を添加し
ていない窒化珪素粉末と上記第１成型体とを焼成するこ
とにより、上記第１成型体の表面側に多孔質層を形成す
るものである。なお、上記窒化珪素焼結体は、焼成後の
状態では、第１成型体と第２成型体、又は第１成型体と
焼結助剤を添加していない窒化珪素粉末とがその界面近
傍部において条件によっては接合される場合もある。こ
の場合には、窒化珪素焼結体を実際の製品等に採用する
場合は、上記第２成型体や結助剤を添加していない窒化
珪素粉末を除去して、第１成型体のみを用いる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明者らは、高温構造材料とし
て有利な特性をもつ窒化珪素焼結体における熱伝導率を
下げるための多孔質化手段として、成膜による方法では
なく、焼結体を製造する過程において焼結体の表面近傍
部のみを多孔質層とする方法を見出し、本発明に至っ
た。具体的には、焼結助剤を添加して成型した窒化珪素
成型体（以下、第１成型体という）において多孔質化し
たい部分を、助剤を添加していない窒化珪素成型体（以
下、第２成型体という）又は助剤無添加の窒化珪素粉末
（以下、無添加粉末という）に接触させた状態で焼成
し、窒化珪素焼結体を作製する。
て有利な特性をもつ窒化珪素焼結体における熱伝導率を
下げるための多孔質化手段として、成膜による方法では
なく、焼結体を製造する過程において焼結体の表面近傍
部のみを多孔質層とする方法を見出し、本発明に至っ
た。具体的には、焼結助剤を添加して成型した窒化珪素
成型体（以下、第１成型体という）において多孔質化し
たい部分を、助剤を添加していない窒化珪素成型体（以
下、第２成型体という）又は助剤無添加の窒化珪素粉末
（以下、無添加粉末という）に接触させた状態で焼成
し、窒化珪素焼結体を作製する。
【０００９】以下に、本発明に係る窒化珪素焼結体と製
造方法の実施形態について、詳細に説明する。 [窒化珪素焼結体の作製]第１成型体の作製 窒化珪素粉末に焼結助剤と溶媒を添加し、混合し造粒し
て造粒粉を作製する。この造粒粉を金型に投入し、圧力
をかけて押し固めることによって、第１成型体を作製す
る。上記圧力は等方的であることが望ましく、常温で静
水圧力をかけて成形する冷間静水圧成形が最も好まし
い。これは、冷間等方圧成形、又はＣＩＰ(Cold Isosta
tic Pressing)とも呼ばれる成形方法である。この冷間
静水圧成形では、成型体密度を高くするために、通常
は、成型体密度を高める作用を持つバインダーとよばれ
る油脂分を造粒粉に混入させるが、本願では、このバイ
ンダーを入れずに、且つ、静水圧を５０〜３００ｋｇｆ
／ｍｍ ２ 、好ましくは１００〜２００ｋｇｆ／ｍｍ ２ で
成形する。静水圧が５０ｋｇｆ／ｍｍ ２ 以下では形状が
保持できず、３００ｋｇｆ／ｍｍ ２ 以上では緻密化して
しまうためである。また、多孔質化をするためには、成
形体密度は極力低い方が良く、形状を保持できる範囲内
で最も低くする必要がある。
造方法の実施形態について、詳細に説明する。 [窒化珪素焼結体の作製]第１成型体の作製 窒化珪素粉末に焼結助剤と溶媒を添加し、混合し造粒し
て造粒粉を作製する。この造粒粉を金型に投入し、圧力
をかけて押し固めることによって、第１成型体を作製す
る。上記圧力は等方的であることが望ましく、常温で静
水圧力をかけて成形する冷間静水圧成形が最も好まし
い。これは、冷間等方圧成形、又はＣＩＰ(Cold Isosta
tic Pressing)とも呼ばれる成形方法である。この冷間
静水圧成形では、成型体密度を高くするために、通常
は、成型体密度を高める作用を持つバインダーとよばれ
る油脂分を造粒粉に混入させるが、本願では、このバイ
ンダーを入れずに、且つ、静水圧を５０〜３００ｋｇｆ
／ｍｍ ２ 、好ましくは１００〜２００ｋｇｆ／ｍｍ ２ で
成形する。静水圧が５０ｋｇｆ／ｍｍ ２ 以下では形状が
保持できず、３００ｋｇｆ／ｍｍ ２ 以上では緻密化して
しまうためである。また、多孔質化をするためには、成
形体密度は極力低い方が良く、形状を保持できる範囲内
で最も低くする必要がある。
【００１０】第２成型体の作製 第２成型体については、焼結助剤を添加せず、その他の
点については、上記第１成型体と同一手順で作製する。窒化珪素焼結体の作製 上記第１成型体の表面に第２成型体を当接させ、この状
態で、これらの第１成型体の表面と第２成型体を焼成し
て窒化珪素焼結体が得られる。これによって、第１成型
体の表層、つまり、第２成型体との接触部が多孔質化す
る。この表層の多孔率は、２％〜１０％であり、多孔質
化の影響を受けていない内層の多孔率は、０％〜２％で
ある。これらの表層と内層との間には中間層が形成さ
れ、表層側から内層側にいくにつれて、多孔率が連続的
に減少している。 [溶媒]溶媒には、水、エタノール等のアルコール類、ト
ルエン等の非水溶媒系などを用いることができるが、こ
のうち、水が最も好ましい。 [焼結助剤]焼結助剤とは、焼成において昇温中に反応し
融解して窒化珪素粒子を相互に接合する作用を有する。
窒化珪素は難焼結性を有するため、焼結助剤を添加する
が、上記焼成プロセスにおいて、助剤のない部位を作れ
ば、焼結が進みにくいためにその部位は多孔質化する。
窒化珪素焼結体の内層は、その組成が緻密質である必要
があるが、焼結体全体の成形体密度が低いため、内層部
は、助剤量を多くすることによって緻密化させる。通常
は、焼結助剤の全添加量は５〜８ｗｔ％程度であるが、
本発明の場合には、８〜１５ｗｔ％程度の多量の助剤を
添加する。添加量が、８ｗｔ％よりも少ないと成形体密
度が低いので全体的な強度が保てず、１５ｗｔ％以上で
あると、表面近傍の多孔質化が進まない。なお、助剤の
種類は特に問わないが、焼成時に粘性が低くなるものの
方が多孔質化の効果が大きく好ましい。
点については、上記第１成型体と同一手順で作製する。窒化珪素焼結体の作製 上記第１成型体の表面に第２成型体を当接させ、この状
態で、これらの第１成型体の表面と第２成型体を焼成し
て窒化珪素焼結体が得られる。これによって、第１成型
体の表層、つまり、第２成型体との接触部が多孔質化す
る。この表層の多孔率は、２％〜１０％であり、多孔質
化の影響を受けていない内層の多孔率は、０％〜２％で
ある。これらの表層と内層との間には中間層が形成さ
れ、表層側から内層側にいくにつれて、多孔率が連続的
に減少している。 [溶媒]溶媒には、水、エタノール等のアルコール類、ト
ルエン等の非水溶媒系などを用いることができるが、こ
のうち、水が最も好ましい。 [焼結助剤]焼結助剤とは、焼成において昇温中に反応し
融解して窒化珪素粒子を相互に接合する作用を有する。
窒化珪素は難焼結性を有するため、焼結助剤を添加する
が、上記焼成プロセスにおいて、助剤のない部位を作れ
ば、焼結が進みにくいためにその部位は多孔質化する。
窒化珪素焼結体の内層は、その組成が緻密質である必要
があるが、焼結体全体の成形体密度が低いため、内層部
は、助剤量を多くすることによって緻密化させる。通常
は、焼結助剤の全添加量は５〜８ｗｔ％程度であるが、
本発明の場合には、８〜１５ｗｔ％程度の多量の助剤を
添加する。添加量が、８ｗｔ％よりも少ないと成形体密
度が低いので全体的な強度が保てず、１５ｗｔ％以上で
あると、表面近傍の多孔質化が進まない。なお、助剤の
種類は特に問わないが、焼成時に粘性が低くなるものの
方が多孔質化の効果が大きく好ましい。
【００１１】[多孔質化の原理（作用）]上記第１成型体
のうち、第２成型体又は無添加粉末と当接した表層部に
おいて、焼成中に助剤が反応し融解すると、第１成型体
から、上記無添加粉末又は第２成型体へ助剤成分が吸い
込まれるように拡散し、物質移動する。この助剤成分移
動後の第１成型体には、焼結に寄与する駆動力が減少し
ているので、内層部が緻密化する温度に達しても、表層
部は成型体作製時の密度とほとんど違いが無いため、第
１成型体の表層部は、内層部に比較して多孔質化する。
のうち、第２成型体又は無添加粉末と当接した表層部に
おいて、焼成中に助剤が反応し融解すると、第１成型体
から、上記無添加粉末又は第２成型体へ助剤成分が吸い
込まれるように拡散し、物質移動する。この助剤成分移
動後の第１成型体には、焼結に寄与する駆動力が減少し
ているので、内層部が緻密化する温度に達しても、表層
部は成型体作製時の密度とほとんど違いが無いため、第
１成型体の表層部は、内層部に比較して多孔質化する。
【００１２】
【実施例】次いで、窒化珪素焼結体の製造方法について
の実施例を説明する。第１成型体の作製 （原料粉末）原材粉末としての窒化珪素粉末は、イミド
合成粉を使用した。ただし、このイミド合成粉の代わり
に、直接窒化法などの他の製造方法で製造した粉末でも
同様である。焼結助剤は、窒化珪素を焼結する場合に一
般的に用いる、Ａｌ ２ Ｏ ３ を５ｗｔ％、Ｙ ２ Ｏ ３ を５ｗ
ｔ％混合したものを用いた。 （製造工程）上記原料粉末と焼結助剤を、水を溶媒とし
て混合して分散処理を行い、スプレードライを用いて造
粒した。この造粒粉を直径６０ｍｍ、厚みが約１０ｍｍ
に金型を用いて１次成型し、次に静水圧を２００ｋｇｆ
／ｃｍ ２ かけて冷間静水圧成形をして第１成型体を作製
した。
の実施例を説明する。第１成型体の作製 （原料粉末）原材粉末としての窒化珪素粉末は、イミド
合成粉を使用した。ただし、このイミド合成粉の代わり
に、直接窒化法などの他の製造方法で製造した粉末でも
同様である。焼結助剤は、窒化珪素を焼結する場合に一
般的に用いる、Ａｌ ２ Ｏ ３ を５ｗｔ％、Ｙ ２ Ｏ ３ を５ｗ
ｔ％混合したものを用いた。 （製造工程）上記原料粉末と焼結助剤を、水を溶媒とし
て混合して分散処理を行い、スプレードライを用いて造
粒した。この造粒粉を直径６０ｍｍ、厚みが約１０ｍｍ
に金型を用いて１次成型し、次に静水圧を２００ｋｇｆ
／ｃｍ ２ かけて冷間静水圧成形をして第１成型体を作製
した。
【００１３】第２成型体の作製 原料粉末は、上記第１成型体と同様のイミド合成粉を用
い、焼結助剤を添加せずに水を媒体として混合して分散
処理を行い、スプレードライを用いて造粒した。この造
粒粉を直径６０ｍｍ、厚みが約１０ｍｍに金型を用いて
１次成型し、次に静水圧を２００ｋｇｆ／ｃｍ ２ かけて
冷間静水圧成形したものを２枚作製し、第２成型体とし
た。窒化珪素焼結体の作製 上記第２成型体で第１成型体を上下から挟み込んだ状態
で焼成炉内に配置し、最高圧力が９．５ｋｇｆ／ｃｍ
２ 、温度が１８００℃の窒素雰囲気中で焼成を２時間行
って、窒化珪素焼結体を作製した。
い、焼結助剤を添加せずに水を媒体として混合して分散
処理を行い、スプレードライを用いて造粒した。この造
粒粉を直径６０ｍｍ、厚みが約１０ｍｍに金型を用いて
１次成型し、次に静水圧を２００ｋｇｆ／ｃｍ ２ かけて
冷間静水圧成形したものを２枚作製し、第２成型体とし
た。窒化珪素焼結体の作製 上記第２成型体で第１成型体を上下から挟み込んだ状態
で焼成炉内に配置し、最高圧力が９．５ｋｇｆ／ｃｍ
２ 、温度が１８００℃の窒素雰囲気中で焼成を２時間行
って、窒化珪素焼結体を作製した。
【００１４】窒化珪素焼結体の検査 上記によって得られた窒化珪素焼結体のうち、中心部に
配置された第１成型体を取り出して切断、研磨して内部
が判るようにし、工学顕微鏡を用いて気孔の状況を確認
した。また、第１成型体の一部をＪＩＳ試験片サイズに
切り出して、インストロン型の試験機を用いて、下スパ
ン間距離が３０ｍｍ、上スパン間距離が１０ｍｍである
４点曲げ試験による強度測定を行った。
配置された第１成型体を取り出して切断、研磨して内部
が判るようにし、工学顕微鏡を用いて気孔の状況を確認
した。また、第１成型体の一部をＪＩＳ試験片サイズに
切り出して、インストロン型の試験機を用いて、下スパ
ン間距離が３０ｍｍ、上スパン間距離が１０ｍｍである
４点曲げ試験による強度測定を行った。
【００１５】（組織検査の評価）図１は、上記実施例に
よって得られた窒化珪素焼結体の組織を示す図である。
この図１のうち、（ｂ）に示すように、第１成型体のう
ち、第２成型体と接していた界面から深さ約２ｍｍ迄の
部分は気孔が多く、多孔質層が形成されたことが判る。
また、（ｂ）（ｃ）などに示すように、界面から約２．
７ｍｍ以上深い部位に気孔はほとんどなく、緻密質層が
形成されたことが判る。そして、これらの多孔質層と緻
密質層との間、つまり、界面から深さが２ｍｍ〜２．７
ｍｍの間は、気孔の数が徐々に変化する中間層であるこ
とが判る。また、表１に示すように、表面側の多孔質層
における強度は、内部側の緻密質部分と比較して１６．
４％ほど低いが、ばらつきを示す標準偏差はほとんど同
じであり、強度特性の低下は最低限に抑制できる。な
お、表１の強度低下率は、緻密質部分における平均曲げ
強さ（９７．０ｋｇｆ／ｍｍ ２ ）と多孔質層における平
均曲げ強さ（８１．１ｋｇｆ／ｍｍ ２ ）の差を、緻密質
部分における平均曲げ強さ（９７．０ｋｇｆ／ｍｍ ２ ）
で割った割合である。
よって得られた窒化珪素焼結体の組織を示す図である。
この図１のうち、（ｂ）に示すように、第１成型体のう
ち、第２成型体と接していた界面から深さ約２ｍｍ迄の
部分は気孔が多く、多孔質層が形成されたことが判る。
また、（ｂ）（ｃ）などに示すように、界面から約２．
７ｍｍ以上深い部位に気孔はほとんどなく、緻密質層が
形成されたことが判る。そして、これらの多孔質層と緻
密質層との間、つまり、界面から深さが２ｍｍ〜２．７
ｍｍの間は、気孔の数が徐々に変化する中間層であるこ
とが判る。また、表１に示すように、表面側の多孔質層
における強度は、内部側の緻密質部分と比較して１６．
４％ほど低いが、ばらつきを示す標準偏差はほとんど同
じであり、強度特性の低下は最低限に抑制できる。な
お、表１の強度低下率は、緻密質部分における平均曲げ
強さ（９７．０ｋｇｆ／ｍｍ ２ ）と多孔質層における平
均曲げ強さ（８１．１ｋｇｆ／ｍｍ ２ ）の差を、緻密質
部分における平均曲げ強さ（９７．０ｋｇｆ／ｍｍ ２ ）
で割った割合である。
【００１６】
【発明の効果】本発明によれば、特別なプロセスなし
に、断熱化を必要とする部分に助剤なしの窒化珪素と接
するだけで、通常の焼結プロセス中に自然に表面の多孔
質化が達成できる。なお、本発明に係る窒化珪素焼結体
は、以下に説明するように、多岐に亘る分野において適
用できる。
に、断熱化を必要とする部分に助剤なしの窒化珪素と接
するだけで、通常の焼結プロセス中に自然に表面の多孔
質化が達成できる。なお、本発明に係る窒化珪素焼結体
は、以下に説明するように、多岐に亘る分野において適
用できる。
【００１７】熱流束が問題となる分野 本発明は、例えば、小型レシプロエンジン、発電用ガス
タービン構成部品などに適用できる。小型レシプロエン
ジンは、熱効率が特に低いので、効率を上げることが大
気汚染抑制の対策となる。熱効率を上げるには、エネル
ギーを廃棄することと等価な冷却系の廃止による無冷却
化と、エンジン全体の断熱化が有効な対処法である。無
冷却化には、高温に耐えうる材料を適用すれば良いが、
レシプロエンジンに特有な間欠燃焼によるパルス的熱流
束による熱応力が発生するので、熱膨張係数が小さい
か、又は熱伝導率が高い特性を併せ持つことが必要であ
る。一般的な窒化珪素セラミックスの場合、熱膨張係数
は普通であるが、熱伝導率が高いので、この点では有利
である。
タービン構成部品などに適用できる。小型レシプロエン
ジンは、熱効率が特に低いので、効率を上げることが大
気汚染抑制の対策となる。熱効率を上げるには、エネル
ギーを廃棄することと等価な冷却系の廃止による無冷却
化と、エンジン全体の断熱化が有効な対処法である。無
冷却化には、高温に耐えうる材料を適用すれば良いが、
レシプロエンジンに特有な間欠燃焼によるパルス的熱流
束による熱応力が発生するので、熱膨張係数が小さい
か、又は熱伝導率が高い特性を併せ持つことが必要であ
る。一般的な窒化珪素セラミックスの場合、熱膨張係数
は普通であるが、熱伝導率が高いので、この点では有利
である。
【００１８】しかし、断熱化には、熱伝導率の高い特性
は不利である。この矛盾する両特性を併せ持つ材料とし
て、本発明に係る窒化珪素焼結体が適用できる。この場
合において、緻密な面をシリンダーなどの直接熱応力を
受ける内側面にし、多孔質化した断熱性をもつ面を外側
面にする。これによって、シリンダー部構成材料として
の構造用材料の機能はもとより、熱の流入流出、断熱に
ついての機能性材料の機能をも有する。このようにし
て、エンジンの熱効率向上に必須な無冷却、断熱化が可
能となる。
は不利である。この矛盾する両特性を併せ持つ材料とし
て、本発明に係る窒化珪素焼結体が適用できる。この場
合において、緻密な面をシリンダーなどの直接熱応力を
受ける内側面にし、多孔質化した断熱性をもつ面を外側
面にする。これによって、シリンダー部構成材料として
の構造用材料の機能はもとより、熱の流入流出、断熱に
ついての機能性材料の機能をも有する。このようにし
て、エンジンの熱効率向上に必須な無冷却、断熱化が可
能となる。
【００１９】２）更なる軽量化が必要な分野 本発明に係る窒化珪素焼結体は、例えば、航空機用ガス
タービン、宇宙往還機用エンジン部品などに適用するこ
とができる。窒化珪素の比強度が高い特徴をさらに生か
すには、多孔質化が有利となるが、本発明に係る焼結体
では、多孔質化しても強度低下が最低限に抑制できるの
で、産業上の利用価値が大きい。
タービン、宇宙往還機用エンジン部品などに適用するこ
とができる。窒化珪素の比強度が高い特徴をさらに生か
すには、多孔質化が有利となるが、本発明に係る焼結体
では、多孔質化しても強度低下が最低限に抑制できるの
で、産業上の利用価値が大きい。
【図１】本図のうち、（ａ）は本発明に係る方法によっ
て作製した窒化珪素焼結体の模式図、（ｂ）は第１成型
体の表面側の組織を示す図、（ｃ）は第１成型体の中心
部の組織を示す図、（ｄ）は第１成型体の裏面側の組織
を示す図、（ｅ）は（ｂ）の多孔質層の組織を示す図、
（ｆ）は（ｂ）（ｃ）（ｄ）の内層の組織を示す図、
（ｇ）は（ｄ）の多孔質層の組織を示す図である。
て作製した窒化珪素焼結体の模式図、（ｂ）は第１成型
体の表面側の組織を示す図、（ｃ）は第１成型体の中心
部の組織を示す図、（ｄ）は第１成型体の裏面側の組織
を示す図、（ｅ）は（ｂ）の多孔質層の組織を示す図、
（ｆ）は（ｂ）（ｃ）（ｄ）の内層の組織を示す図、
（ｇ）は（ｄ）の多孔質層の組織を示す図である。
Claims (2)
- 【請求項１】 多孔質層である表層と、該表層に比較し
て多孔率が低い緻密質層である内層と、これらの表層と
内層との間に形成された中間層とを有し、該中間層の組
成を、内層側から表層側に向かうにつれてその多孔率が
連続的に大きくなるように構成したことを特徴とする窒
化珪素焼結体。 - 【請求項２】 窒化珪素と焼結助剤とからなる第１成型
体に、窒化珪素からなる第２成型体を接触させ、この状
態でこれらの第１成型体と第２成型体とを焼成すること
により、上記第１成型体のうち、第２成型体との界面近
傍部に多孔質層を形成することを特徴とする窒化珪素焼
結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11037948A JP2000233979A (ja) | 1999-02-17 | 1999-02-17 | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11037948A JP2000233979A (ja) | 1999-02-17 | 1999-02-17 | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000233979A true JP2000233979A (ja) | 2000-08-29 |
Family
ID=12511785
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11037948A Withdrawn JP2000233979A (ja) | 1999-02-17 | 1999-02-17 | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000233979A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003031023A1 (en) * | 2001-10-09 | 2003-04-17 | Ngk Insulators,Ltd. | Honeycomb filter |
| CN109293385A (zh) * | 2018-11-08 | 2019-02-01 | 航天材料及工艺研究所 | 一种纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法 |
| WO2019188752A1 (ja) * | 2018-03-29 | 2019-10-03 | 京セラ株式会社 | セラミック構造体 |
| TWI706930B (zh) * | 2019-07-24 | 2020-10-11 | 日商京瓷股份有限公司 | 陶瓷構造體 |
-
1999
- 1999-02-17 JP JP11037948A patent/JP2000233979A/ja not_active Withdrawn
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003031023A1 (en) * | 2001-10-09 | 2003-04-17 | Ngk Insulators,Ltd. | Honeycomb filter |
| US7179516B2 (en) | 2001-10-09 | 2007-02-20 | Ngk Insulators, Ltd. | Honeycomb filter |
| WO2019188752A1 (ja) * | 2018-03-29 | 2019-10-03 | 京セラ株式会社 | セラミック構造体 |
| JPWO2019188752A1 (ja) * | 2018-03-29 | 2021-03-11 | 京セラ株式会社 | セラミック構造体 |
| JP7022817B2 (ja) | 2018-03-29 | 2022-02-18 | 京セラ株式会社 | セラミック構造体 |
| CN109293385A (zh) * | 2018-11-08 | 2019-02-01 | 航天材料及工艺研究所 | 一种纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法 |
| CN109293385B (zh) * | 2018-11-08 | 2021-09-07 | 航天材料及工艺研究所 | 一种纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法 |
| TWI706930B (zh) * | 2019-07-24 | 2020-10-11 | 日商京瓷股份有限公司 | 陶瓷構造體 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2000233979A (ja) | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 | |
| KR20120064164A (ko) | 3차원 구조의 성형 및 소결체를 제조하는 핫 프레스 소결 장치와 이를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법 | |
| CN109336562B (zh) | 一种氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法 | |
| KR20040007437A (ko) | 필터요소 및 그 제조방법 | |
| Stuecker et al. | Oxidation protection of carbon-carbon composites by sol-gel ceramic coatings | |
| JP4018488B2 (ja) | 無機物多孔質体及びこれを利用した無機物体及びポンプの羽根車，ケーシング又はライナーリング | |
| JP2987867B2 (ja) | セラミック組成物及び該組成物によるセラミック部材の製造方法 | |
| JP3033324B2 (ja) | 断熱ピストン | |
| JP2543408B2 (ja) | セラミックス製断熱部材及びその製造方法 | |
| JPH10253259A (ja) | ローラハース炉用ローラ材及びその製造方法 | |
| JP2678775B2 (ja) | 高密度窒化珪素焼結体の製造方法 | |
| EP4603678A1 (en) | Thermal barrier structure for coating a substrate | |
| JP2012087347A (ja) | 多孔質材 | |
| JPH03150276A (ja) | セラミックス多層体及びその製造方法 | |
| Khattab et al. | A review on ceramic forming and shaping: Recent advances in near-net shaping and emerging applications | |
| JPS59116178A (ja) | 高密度セラミツク焼結体の製造法 | |
| JP2876521B2 (ja) | 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 | |
| JPH10157014A (ja) | 積層セラミックス及びその製造方法 | |
| JPH04347329A (ja) | ディーゼルエンジン用セラミックス副燃焼室およびその製 造方法 | |
| JPH04342478A (ja) | セラミックスピストンヘッドおよびその製造方法 | |
| JPS60141682A (ja) | 多孔質成形体の製造方法 | |
| US20030176271A1 (en) | Porous molded bodies from polycrystalline silicon nitride and method for producing the same | |
| JPS6374962A (ja) | 多孔質反応焼結Ｓｉ↓３Ｎ↓４−ＳｉＣ系複合セラミツクス材料並びにその製造方法及び接合方法 | |
| JPS6359993B2 (ja) | ||
| JP2709738B2 (ja) | 断熱ピストン及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060509 |