JPH01320268A - 緻密化窒化珪素セラミツクス及びその製造法 - Google Patents

緻密化窒化珪素セラミツクス及びその製造法

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JPH01320268A
JPH01320268A JP1114334A JP11433489A JPH01320268A JP H01320268 A JPH01320268 A JP H01320268A JP 1114334 A JP1114334 A JP 1114334A JP 11433489 A JP11433489 A JP 11433489A JP H01320268 A JPH01320268 A JP H01320268A
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preform
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weight
ammonia
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John Joseph Rogers
ジヨン・ジヨセフ・ロジヤーズ
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規なセラミック材料、及びその製造法に関す
る。更に詳細には本発明は、本発明が到達した製造法に
より、そして本発明が開発した材料を使用することによ
って、高温物性か強化された緻密化窒化珪素セラミック
ス又はその一体物を提供する。
本発明を要約すれば、窒化珪素セラミックスは結晶性窒
化珪素と非晶性Si−N、又はSi−トC1又はSi−
C相との均質混合物からなる窒化珪素子備成型物を迅速
全方向圧縮して製造する。最fqの結果を得るには、こ
の非晶相が予備成型物全体に実質的に均一に分布してい
なければならない。この非晶相が存在するために、予備
成型物は原子規模(ナノメーターの大きさ)焼結部位を
有し、完全な焼結によって圧縮成型され、900℃以−
ヒの温度に曝された時でも、望ましい強度及びクリープ
抵抗性を維持する緻密化生成物を製造することが出来る
本方法で使用する予備成型物は、窒化珪素微粉末と右機
珪素重き体セラミック前駆体結合剤、好ましくはポリカ
ルボシラン又はポリカルボシロキサン、I&も好ましく
は有機ポリシラザンとの均質l琵音物Iから製造した成
型部品を、窒素又はアンモニア中で熱分解して形成する
ことが出来る。全方向圧縮成型は、得られた予備成型物
を、超高内部圧(例えば100,000psiあるいは
それ以上)に耐えることが出来る圧力容器中の熔融ダイ
材料、好ましくはガラスの様な熔融セラミック材料内に
配置する。
それからダイ材料に急速に圧力をかけ、予備成型物の全
方向圧縮成型を行う6本方法によって製造した焼結助剤
を含まない完全に緻密な窒化珪素は2.0容量%以下の
気孔率を有し、そして最も好ましくは、この様な組成物
は、4重量%の酸化アルミニウム又は酸化イツトリウム
焼結助剤を含む完全緻密窒化珪素よりも高い、900℃
での等方性強度及びクリープ抵抗性を有する。
完全に緻密な窒化珪素は、望ましい構造材料である。こ
の材料を製造する為に、今までは窒化珪素粉末、焼結助
剤、例えば酸化アルミニウム、酸化イツトリウム等を使
用する必要があった。残念ながら得られる圧縮成型物は
、900℃以上の温度での物性が比較的劣っている[例
えばに、 Ziegleret ml、 Journa
l of Material 5cience、 19
87゜Vol、 22.30411−3086参照1.
窒化珪素粉末を圧縮するだけで、完全に緻密な窒化珪素
を製造しようとする試みは今までこの様に失敗してきた
。例えば窒化珪素粉末を、極端な高圧下、1,400℃
もの高温で迅速な全方向圧縮して完全緻密化窒化珪素を
製造しようとする試みは、失敗したと報告されている。
本発明は、完全に緻密な、あるいは実質的に完全に緻密
な、(例えば900℃以上の)高温条件下でも2各種の
望ましい高度な性質を有する圧縮成型窒化珪素材料を提
供すると言う長年の目標を、立派に達成していると信じ
られる6本発明によって、この様な高温条件下でも優れ
た酸化抵抗性、優れたクリ−1特性、そして高度な強度
特性を有する窒化珪素セラミックス又はその一体物を提
供することが出来る。
本発明の一つの実施態様において、結晶性窒化珪素と非
晶性Si−N、又はSi−N−C,又はSi−C相の均
質混り物からなる窒化珪素子備成型物を迅速全方向圧縮
処理する。非晶相が存在するので、同予備成型物は原子
レベル(ナノメートル単位)の微細な焼結部位を有し、
これが圧縮成型によって完全な焼結を起こし、900℃
以上の高温に曝されてもその望ましい強度及びクリープ
特性を保持する緻密化製品を与えることが可能である。
本発明で使用する予備成型物は、微細な窒化珪素粉末と
、微細なセラミック前駆体である有機珪素重合体結合剤
、好ましくはポリカルボシラン、又はポリカルボシロキ
サン、そして最も好ましくは有機ポリシラザンとの均質
混合物から製造した成型部品を、窒素又はアンモニア雰
囲気下に熱分解して形成することが出来る。熱分解の間
に有機珪素重合体結合剤は、その組成によってそれぞれ
非品性のSi−N、又はSi−N−C5又はSi−Cを
生成するおこの様に本発明の窒素珪素製品は、セラミッ
クス組成物を製造する際に使用する有機珪素重合体結合
剤の熱分解によって生ずる少址の珪素−窒素−炭素及び
/又は珪素−炭素セラミックスを含むことが出来るもの
と理解、認識されない。− 迅速全方向圧縮段階で使用する予備成型物は、最も好ま
しくは60〜95重量%の結晶性窒化珪素及び40〜5
重量%の非品性Si−H1又はSi−H−C2又はSi
−C相(以後、有機珪素重合体誘導非晶相と呼ぶ)を含
んでいる。Mt@の結果を得るには、同有機珪素重合体
請導非晶相は、予備成型物中に実質的に均一に分布して
いなければならない。
迅速全方向圧縮成型を行う際、予備成型物は、熔融した
ダイ材料、好ましくは熔融セラミック材料、例えば熔融
ガラスの中に置き、次いで極高内部圧に耐えることの出
来る圧力容器内に保持する。
ダイ材料に急速に圧力をかけ、それによって予備成型物
の全方向圧縮を行う。11!&誠的な、また油井、その
他による圧力によってダイ材料に少なくとも約75,0
OOpsi、 kkも好ましくは100,0OOpsi
以上の圧力をかける。同段階の圧縮時間は通常約5分間
以下である。ただ大部分の場合、100,000psi
又はそれ以上の圧力を、熔融ダイ材料に1ないし2分間
かければ十分である。熔融ダイ材料は通常1.200又
はそれ以上の温度に維持され、最も好ましくは1,40
0ないし2,000℃に維持される。圧縮操作を実施す
るのに適した装置は既に記載されており、例えば米国特
許第4,704,252号及びそこに挙げられている参
考文献を参照されたい。
本発明のもう一つの実施態様では、60〜95重呈%の
結晶性窒化珪素と、40〜・5重量%の有機珪素誘導非
晶相との均質混合物からなる窒化珪素T−備成型物を、
該予備成型物の焼結温度で迅速全方向圧縮成型を行い、
それによって該予備成型物を、焼結助剤無しで完全に緻
密な窒化珪素を形成するく即ち、本発明の製品は通常焼
結助剤として使用される金属酸化物、例えばM、0、^
1203、Y2O3等を大量には含まない)v11密化
窒化珪素セラミックスの製造法を提供する。
本発明のもう一つの実施態様では、新規な組成物、即ぢ
焼結助剤を含まない完全に緻密な窒化珪素を提供する。
ここで使用している゛′完全に緻密な″の言葉は、ヘリ
ウムビクノメトリー<heliunpycnometr
y)で測定した窒化珪素の気孔率が2,0客足%以丁、
好ましくは1.0容置%以下、最も好ましくは0.5容
量%以下であることを意味する。最も好ましい同組成物
は、酸化アルミニウム又は酸化イツトリウムの焼結助剤
を4重量%含む完全緻密窒化珪素よりも高い、 900
’Cでの等方性強度、及びクリープ抵抗を有する。
本発明の一ト記したそしてその他の態様及びi#徴は、
以下に述べる説明により更に明らかになるであろう。
本発明を実施する際に使用する予備成型物を製造するに
は、予備成型物が5〜40重量%の有機珪素重き体弁晶
相を含み、全体として実質的に結晶性窒化珪素から成る
限り、種々の方法及び/又は材f1.例えば米国特許第
4,482,669号、第4,543,344号、第4
,612.:E3号、第4,645,807号、第4,
650゜837号、第4 、659 、850号、第4
,705,837号、第4.7+9゜273号及び第4
,722,988号に記載されている方法及び/又は材
料を使用することが出来る。本発明を実施するにはしか
し、以下に述べる方法を用いるのが特に好ましい。
まず60ないし95重醍%の窒化珪素粉末と5ないし4
0重量%の有機珪素重き体セラミック前駆結合体、好ま
しくは有機ポリシラザンとの均質混合物を成型する。同
混合物は粉末化し、粒径が105μm以下の粒子にしく
即ち、粒子は105μmの篩を通過する)、得られた小
粒子を所望の形に成型する。得られた成型物は、不活性
雰囲気中か、又はアンモニア下に1.ZOOないし1,
450℃で熱分解させ、予備成型物を形成する。
本発明の方法で使用できる窒化珪素粉末は、市販されて
おり、非常に微細な粒子から比較的粗い粉末まで得るこ
とが出来る。5 lt m以下の粒径を有する粉末が好
ましく、特に0.1ないし1.(Igmの粒径を有する
粉末が好ましい。
窒化珪素粉末と混合する結合剤は、好ましくは米[N特
許第4.482,669号に記載されているポリシラザ
ン、即ち有機ジハロシランをアンモニアと反応させ、ア
ンモニア分解生成物を、S i lt基に隣あっている
NH基を脱プロトン出来る塩基性触媒で処理し、そして
得られた生成物を親電子性急冷剤と共に急冷して製造し
たポリシラザンであるにの様なポリシラザンの混合物も
使用することがて′きる。
例えば結合剤は、メチルジクロロシランとアンモニアと
を反応させ、アンモニア分解生成物を水素化カリウムで
処理し、そして得られた生成物を、沃化メチル又はジメ
チルクロロシランと共に急冷して製造した1種又は数種
のポリシラザンであることが出来る。利用出来る重合体
は、普通有機溶媒、例えば脂肪族、又は芳香族炭化水素
、あるいはジアルキル又は脂環エーテルに溶解する固体
であり、通常状態で固体状と液状の有機シリコン重き体
固体混α物も含まれ、最も好ましくはポシラザンである
7 ポリシラザンのアルカリ金属含量は約100 ppmよ
り高くてはいけない、好ましくは5 ppm以下である
。製造した同ポリマーのアルカリ金属含量が高くなる場
合は、何等か適当な標準的方法によってその不純物程度
を望ましい水準に迄下げることが出来る。
もし必要ならば、窒化珪素粉末と珪素重合体セラミック
前駆体結き剤との混り物は、随時迅速全方向圧縮成型段
1借に悪影響を及ぼさない成分を含ませて改質すること
が出来る。かくして分散剤、例えばポリイソブテニルス
クシンイミド、及び潤滑剤、例えば高級脂肪酸、そのエ
ステル、及びアミド、高級アルコール、パラフィンワッ
クス、又は低分子量ポリオレフィン類を使用することが
出来る。使用に際してはこの様な添加剤は少量、例えば
1種又はそれ以上の分散剤を、同組成物の残りの成分に
対して、5重量%以下、そして潤滑剤を約15重量%以
下用いられる。
窒化珪素粉末と重合体結合剤は、粒径105μm以下に
微粉末化し、適当な機器、例えば従来使用されている微
粉砕機等を使用して均質に混合する。
しかしこれは、結合剤の有機溶剤に溶解した溶液〈例え
ば脂肪族、又は芳香族炭化水素、例えばヘキサン又はト
ルエン、又はジアルキル又は脂環式エーテル、例えばジ
エチルエーテル又はテトラヒドロフラン)中に窒化珪素
粉末を、好ましくは室温で分散させ、溶媒を(例えばロ
ータリーエバポレーター次いで真空蒸留で)除去し、得
られた粉末/結合剤のチャンク(塊)をボールミルにか
け、そして得られた粉末を篩にかけて約10571m以
上の粒子を除いて行うのが特に便利である。
セラミックスはセラミック前駆体組成物から、その構成
成分に適した温度、圧力で、通常60ないし225℃、
圧力6.8ないし3438Paで、適当な成型法、例え
ば圧縮成型、射出成型、又はトランスファー成型、又は
押出成型で成型し、そして得られた成型組成物を不活性
雰囲気、例えば窒素又はアルゴン雰囲気中、又はアンモ
ニア雰囲気中、t、zo。
ないし1,450℃、好ましくは約1,300℃の温度
で熱分解させて製造することが出来る。熱分解に必要な
時間は最終熱分解温度によって異なるが、少なくとも約
1.300℃の好ましい熱分解温度で1時間、温度が高
くなればより短く、そして低くなれば長くなる。成型組
成物を、(1) 1,300℃迄、室温から60℃迄6
0℃/時間の割合で、60℃から260℃迄、30℃/
時間の割合で、260℃から1,260℃迄、120℃
/時間、そして1,260℃から1.300℃迄60℃
/時間の割合で加熱して、1,300℃で1時間保持、
120℃/時間の割合で900℃迄冷却、それ以降は放
冷するか、(2) 1,400℃迄、室温から60℃迄
60℃/時間の割合で、60℃から260℃迄15℃/
時間、260°Cから1,260℃迄、120℃/時間
、そして1.260℃から1,400℃迄60℃/時間
で加熱、1,400℃の温度を45分間維持、そして室
温迄冷却することによって熱分解を実施するのが特に有
用である。
本発明を実施するのに、現在考えられるM善の方法は、
以Fに説明する6段階法である。
1)ポリシラーゞンのΔ −アンモニア雰囲気中な反応
容器に、141.の無水テトラヒドロフランを充填、0
℃に冷却、次いで1,497 g (13,01mol
)のメチルジクロロシランを容器に添加、約6Orpm
で撹拌を開始する。745 g (43,7#101)
の無水アンモニアガスをゆっくりと定常的に容器中に、
反応圧が206.8 kPa又はそれ以下に、そして反
応温度が0〜10℃に維持される様な速度で導入する。
反応混合物を0℃で約3時間撹拌、その後、反応容器へ
の冷却液供給を停止、そして反応系はゆっくりと窒素を
パージさせながら、室温にまで加温、過剰アンモニアを
大部分放出する。反応塊はフラスコ中に注ぎ、ドライボ
ックス中、細孔径が4.0〜5.5μmの焼結ガラスフ
ィルターを用いてP通ずる。
2)本12う4乙り4介戒二」1r 上記第1段階から得た、透明な炉液を、あらかじめ2.
5 g (0,0B41 mol)の水素化カリウム粉
末を約1001の無水テトラヒドロフラン中に分散して
、0℃に冷却した分散液を充填した重N容器中に導入す
る。反応混き物を0℃で約8時間維持し、それからゆっ
くりと約22℃までゆっくりと暖める。
約11.9 g(0,063mol)のジメチルりロロ
シランを重合溶液に加えて反応を停止させる。重合生成
物は単離し、真空下に溶媒を蒸発して乾燥粉末とし、得
られた乾燥残渣はもう一度無水シクロヘキサンに溶解す
る。シクロヘキサン溶液を濾過、P液を真空下に蒸発、
カリウム含量が、得られる重き体基準でs pp−以下
の白色固体状ポリシラザンが得られる。
3)セラミック11駆 混入物の 人 18.2 gの上記第2段階で得たポリシラザン及び0
.3gの市販ポリイソブテニルスクシンイミド分散剤と
の混合物を、200gの無水トルエン中磁気的に約15
分間撹拌し、均一な溶液を得る。これに42 gのS 
i、N 、粉(主としてα−窒化珪素であり、平均粒径
0,8μm、そして比表面積は)ないし10−”/g)
を得られた溶液に添加する。混合物を磁気的に60分間
撹拌、超音波を約1時間かけて、窒化珪素粉末を分散、
そしてトルエンの大部分を蒸発、非流動性の灰色の残渣
を得る。残渣は高真空下に数日間92燥、乳鉢乳棒で較
く粉砕、さらさらした配合粉末を得、これを2.5バイ
ンド容量のボールミル容器に直径的0.25インチの炭
化珪素ボール約200 ccを含むボールミルで粉砕、
それからボールを除く。微粉砕粉末は細孔がlQ6zz
mである篩にかける。篩を通らなかった粉末は再びボー
ルミルにかけ、これを配合物全部が通過する迄繰り返す
4)−4=ラ一辷ムη■旧忙I銭物の形成呼称直径12
.711Imそして呼称厚さが2.54 mmの、6個
の未焼結ディスクを一枚ずつ、上記第3段瑠での配合物
から成型するにれらのディスクを製造する時は、配合物
的0.8gを、窒素グローブボックス中適当な型に充填
し、型を約133 pasca1以下に減圧1−1真空
下に封止、油圧プレスに乗せ、もう−度真空ラインと接
続、約67 pascalを越えない圧力に迄減圧、そ
の後は成型工程中ずっと同減圧を維持する。減圧にした
型をプレス定盤の間にピッタリと置き、約182℃に予
熱、10分間置く。
次いで2,268〜2,722 klrの力<175〜
210 MPaの圧力)を型にかけ、その圧力で5分間
維持する。圧縮成型後、型を真空十に封止し、グローブ
ボックスに戻し、約5分間冷却する。冷却後、成型未焼
結ディスクを型から外し、グロ−ブボックス中に保存す
る。
5)熟j乳 上記第4段階からの未焼結ディスク3枚を窒素雰囲気中
で4他の3枚をアンモニア雰囲気中で、それぞれの雰囲
気の熱分解室中で1,300℃迄、室温から60℃迄は
60°C/時間の加熱速度で、60から260℃迄は3
0℃/時間、260から1,260℃迄は120℃/時
間、そして1,260から1,300°C迄は60℃/
時間の加熱速度で加熱し、1,300°Cで1時間維持
、それから120℃/時間の割合で900℃迄冷却、そ
れから室温まで放冷する。即ち温度が900℃に到達し
たら電気炉のヒーターを切り、結果として得られる炉の
条件に、冷却速度を任せて室温まで冷却する7熱分解試
料が100°(′〕以下まで冷却し、f−ら、炉から収
り出し、直ちに乾燥窒素雰囲気中に保存する。窒素雰囲
気中に熱分解した試料は、重合体から誘導された非晶相
が、例えば約55.8重電%のSi、約27.8重量%
の窒素、約14,8重量%の炭素、そして約2.1重量
%の酸素を含むイ・偏成型物を与える。一方アンモニア
雰囲気下に熱分解した試f+は、重合体から誘導された
非晶相が、例えば約55゜8重量%のSi、約40.9
虫に%の窒素、約0.4重量%の炭素、そ1−て約2.
0重呈%の酸素を含む予備成型物を与える。
6)渇jLiか!可J貝 第5段階からの6個のセラミツクイ・偏成型物をそれぞ
れ、米国特許第4 、704 、252号に一般的に記
載されている機器を使用して、迅速全方向圧縮成型した
。それぞれの予備成型物は、セラミックダイ液状材料と
し2て熔融ガラスを使用して、その中に予備成型物を入
れ、全方向的に約100,000 psiの圧力がかけ
られた。これらの操作で1重用した条件は下記の通りで
ある。
ヂ1玖光es−一一一」il免(”C)  づn聞−伊
y窒素下熱分解     1,400    3.0ア
ンモニア上熱分解  1,400    3.0窒素上
熱分解     1..550    1.5アンモニ
ア上熱分解  1,550    1.5窒素上熱分解
     1,700    1.0アンモニア上熱分
解  1..700    1.0得られた窒化珪素圧
縮成型一体物は、完全に緻密であるか、又は実質的に完
全に緻密であり、同様に製造した、ただ焼結助剤として
4重呈%の酸化アルミニウム、又は4重量%の酸化イツ
トリウムを含んだセラミック一体物よりも滑れた強度及
びクリープ抵抗性を有していた。
本発明の特徴及び態様を要約すれば下記の通りであり、
本発明はこれらの趣旨及び範囲の中で史に広く方法を変
えて実施することが出来る。
1.結晶性窒化珪素及び非品性Si−N、又はSi−N
−C1又はSi−C相の均質混合物からなる窒化珪素子
備成型物を、迅速に全方向圧縮することを特徴とする緻
密化窒化珪素セラミックスのvJ造法。
2、微粉砕窒化珪素粉末と微粉砕有機珪素重合体セラミ
ック前駆体結合剤との均質混合物からなる成型部品を、
窒素又はアンモニア雰囲気下に熱分解して予備成型物を
形成することを特徴とする上記1の方法。
3、該結斤削がポリシラザンであることを特徴とする上
記2の方法。
4、訊有機ポリシラザンを、有機ジハロシランをアンモ
ニアと反応させ、アンモニア分解生成物を、S i I
I kに隣接するNH基から脱プロトン出来る塩基性触
媒で処理、そして得られた生成物を#I電子性急冷剤と
共に急冷して製造することを特徴とするL記3の方法。
5.60〜95重景%の重量性窒化珪素と40〜5重景
%重量晶性Si−N、 XはSi−N−C1又はSi−
C相の均質混合物からなる窒化珪素子備成型物を、該予
備成型物にとって有効な焼結温度で迅速に全方向圧縮し
、焼結助剤を含まない予備成型物から完全に緻密な窒化
珪素を成型することを特徴とする、緻密化窒化珪素セラ
ミックスの製造法。
6、微粉砕窒化珪素粉末と微粉砕有機珪素重合体セラミ
ック前駆体結合剤との均質混合物からの成型部品を、窒
素又はアンモニア雰囲気下に熱分解して予備生成物を製
造することを特徴とする上記5の方法。
7、該結合剤が有機ポリシラザンであることを特徴とす
る上記6の方法。
8、該有機ポリシラザンを、有機ジハロシランをアンモ
ニアと反応させ、アンモニア分解生成物を、SiH基に
隣接するNH基から脱プロトン出来る塩基性触媒で処理
、そして得られた生成物を親電子性急冷剤と共に急冷し
て製造することを特徴とする上記7の方法。
9、焼結助剤を含まない完全に緻密に圧縮された窒化珪
素。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.結晶性窒化珪素及び非晶性Si−N、又はSi−N
    −C、又はSi−C相の均質混合物からなる窒化珪素子
    備成型物を、迅速に全方向圧縮することを特徴とする緻
    密化窒化珪素セラミックスの製造法。
  2. 2.60〜95重量%の結晶性窒化珪素と40〜5重量
    %の非晶性Si−N、又はSi−N−C、又はSi−C
    相の均質混合物からなる窒化珪素子備成型物を、該予備
    成型物にとって有効な焼結温度で迅速に全方向圧縮し、
    焼結助剤を含まない予備成型物から完全に緻密な窒化珪
    素を成型することを特徴とする、緻密化窒化珪素セラミ
    ックスの製造法。
  3. 3.焼結助剤を含まない完全に緻密に圧縮された窒化珪
    素。
JP1114334A 1988-05-11 1989-05-09 緻密化窒化珪素セラミツクス及びその製造法 Pending JPH01320268A (ja)

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