JPH02199064A - 高熱伝導性炭化珪素焼結体及びその製造方法 - Google Patents

高熱伝導性炭化珪素焼結体及びその製造方法

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JPH02199064A
JPH02199064A JP1020571A JP2057189A JPH02199064A JP H02199064 A JPH02199064 A JP H02199064A JP 1020571 A JP1020571 A JP 1020571A JP 2057189 A JP2057189 A JP 2057189A JP H02199064 A JPH02199064 A JP H02199064A
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木島 弌倫
Hideki Arai
英樹 荒井
Yoichi Miyazawa
宮沢 陽一
Mikiro Konishi
幹郎 小西
Ken Kato
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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】 「産業上の利用分野」 本発明は、各種構造材料や精密金型部材、さらには高熱
伝導性が要求されるヒートシンク部品、熱交換器部品、
各種金型あるいは電極等にも好適に用いられる炭化珪素
焼結体とその製造方法(こ関し、特に炭化珪素焼結体の
本来の特性が損なわれることなく、熱伝導率が150 
W/m−に以上の優れた特性を有する高熱伝導性炭化珪
素焼結体とその製造方法に関するものである。
「従来技術とその課題」 炭化珪素焼結体は常温及び高温で化学的に極めて安定な
もので、高温における機械的強度にも優れているため、
ガスタービン部品、自動車部品、熱交換器部品、バーナ
ーノズル等の構造材料として期待されている。またこの
ような炭化珪素焼結体は、表面平滑性、高熱伝導性、耐
摩耗性等も良好であることから、光ディスク、非球面レ
ンズ等の精密金型部材としても有望なものとされてL)
る。
その他、半導体分野においても加熱処理の高温化に伴い
、耐熱性、耐クリープ性に優れた高純度の炭化珪素焼結
体がボートやプロセスチューブに利用されるようになっ
てきている。
ところで、炭化珪素は共有結合体の強い難焼結性物質で
あることから、高密度となるまで焼結して緻密化するに
は従来硼素、炭素、アルミニウム、ベリリュウム等の元
素や、これらの化合物の1種類あるいは2種類以上を焼
結助剤として炭化珪素粉末に数重量%添加する必要があ
る。したがって得られた炭化珪素焼結体は、焼結助剤の
種類やその量などにより、その熱伝導率が大幅に変化す
るものとなる。例えば従来使用されている硼素系焼結助
剤を添加したものでは熱伝導率80〜150W/m・K
程度であり、またアルミニウム系焼結助剤を添加したも
のでは50〜80W/−・Kであり、共に十分高い熱伝
導率が得られるまでには至っていない。これは、焼結助
剤として添加された硼素やアルミニウムが炭化珪素中に
固溶し、粒内の不純物濃度が高くなるため、熱伝導媒体
であるフォノンが散乱するためと考えられる。一方、こ
れらの焼結助剤の添加量を少なくすると、炭化珪素粒内
への固溶量は減少するが、焼結体密度が低下するため生
じたボアによりフォノンが散乱され、高熱伝導性が得ら
れないばかりか、炭化珪素が本来有している特性までも
劣化してしまうという問題がある。
すなわち、セラミックスの熱伝導媒体はフォノンが主体
であるが、フォノンは一種のイオンや原子の格子振動で
ある。したがって、原子間の結合が強く、単純な結晶構
造を有し、構成するイオンや原子の原子量が近く、また
原子量が低く、格子振動の対称性が高い物質は調和振動
し易く、熱伝導率が高くなる。例えば、第2図はG、A
、51ackがJ 、Phys、Chem、5olid
、 1973.Vol、34.pp321〜335に報
告した図を加筆したもので、Adao+ant ine
構造を有する単結晶の理論伝導率Leibfried−
3chomannパラメーターMδθo3の関係を示し
たものである。ここで、Mは単位格子の平均分子量、δ
は単位格子中の1原子当たりの占有体積の立方根、θD
はデバイ温度である。第2図から分かるように、炭化珪
素は本来ダイヤモンド、窒化硼素に次ぐ高熱伝導性物質
である。実際に、α型炭化珪素単結晶の常温での熱伝導
率は最大460W/a+−Kが報告されている。
しかしながら多結晶の場合、すなわち焼結体での熱伝導
率は、上述したようにかなり低い値となっている。これ
は、上述した熱伝導媒体であるフォノンが種々の要因で
散乱されているためと考えられる。
フォノンを散乱させる要因は大別すると、(イ)焼結体
中の不純物 (ロ)焼結体の微細構造欠陥 (ハ)結晶欠陥 が考えられ、(イ)の場合、結晶粒内への不純物の固溶
、粒内への第2相析出、不純物の粒界偏析等があり、(
ロ)の場合、クラック、ボア、グレインサイズ等があり
、(ハ)の場合、結晶中の転移、格子欠陥、歪み等があ
る。
一方、特開昭57−166368に開示さ、れている方
法では、焼結助剤としてベリリアを使用し、焼結体中の
アルミニウム、硼素及び遊離炭素量を減少させることに
より、170W/ll1−に以上の高い熱伝導率が得ら
れるとされているが、焼結助剤として添加したベリリア
が毒性物質であることから各製造工程で特に安全に注意
を要するといった問題がある。また、上記焼結体は電気
絶縁性が高いため放電加工が不可能であるため、焼結体
への形状賦与性が劣り、これによって上述の利用分野へ
の応用が困難である。
本発明はこのような技術背景に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、炭化珪素本来の特性が損なわ
れることなく、熱伝導率が150W / ta・K以上
を示す高熱伝導性炭化珪素焼結体を提供することにある
「課題を解決するための手段」 本発明者らは、前記目的を達成すべく上述した(イ)、
(ロ)の要因をできるだけ除去する手段として焼結助剤
を添加せず、しかも高密度焼結体が得られるよう鋭意研
究を重ねた結果、平均粒子径が0.1−10μ面の第1
の炭化珪素粉末と、非酸化性雰囲気のプラズマ中にシラ
ン化合物またはハロゲン化珪素と炭化水素とからなる原
料ガスを導入し、反応系の圧力を1気圧未満から0 、
1 torrの範囲で制御しつつ気相反応させることに
よって合成された平均粒子径が0.1μ園以下の第1の
炭化珪素粉末とを混合し、これを加熱し焼結することに
より、炭化珪素が本来有している高硬度、高耐蝕性、高
強度、高表面平滑性等の特性を損なうことなく、熱伝導
率がl50W/Il−に以上である高熱伝導性炭化珪素
焼結体が得られることを究明し、上記課題を解決した。
以下、本発明をその製造方法に基づいて詳しく説明する
まず、平均粒子径が0.1−10μmの第1の炭化珪素
粉末と、平均粒子径が0.1um以下の第2の炭化珪素
粉末とを用意する。ここで第1の炭化珪素粉末としては
、一般に使用されるものでよく、例えば以下に述べる方
法などによって製造されたものを用いることができる。
(A)黒鉛と珪素を1150℃以上で反応させる方法。
(B)黒鉛と二酸化珪素を1475℃以上で反応させる
方法。
(C)珪砂、コークス、のこくず、塩を電気炉中にて2
200〜2500℃で反応させる方法。
また、このようにして製造されて用いられる炭化珪素の
結晶相としては、非晶質、α型、もしくはβ型であるか
、あるいはこれらの混合相であってもよい。さらに、そ
の平均粒子径としては0.1〜10μm1好ましくは0
.1−1μ惰とされる。これは、粒子径が大きいと表面
応力が小さくなり、焼結駆動力が減少して高密度焼結体
が得られにくくなるからである。
また、第2の炭化珪素粉末としては、非酸化性雰囲気の
プラズマ中にシラン化合物またはハロゲン化珪素と炭化
水素の原料ガスを導入し、反応系の圧力を1気圧未満〜
0 、1 torrの範囲で制御しつつ気相反応させる
ことによって得られたものを使用する。例えば、四塩化
珪素とエチレンとからなる原料ガスを高周波により励起
されたアルゴンプラズマ中に導いて合成すると、平均粒
子径が0゜01〜0.03μm程度でアイペクト比の小
さい非晶質超微粉末が得られる。また、原料ガスとして
モノシランとエチレンとからものを用いて同様に合成す
ると、平均粒子径が0.005〜0.03μm程度でア
イペクト比の小さいβ型超微粉末が得られ、合成条件に
よってはα型とβ型の混合相が得られる。このようにし
て得られた超微粉末では、焼結性が非常に優れているた
め、上記第1の炭化珪素粉末と混合するのみで焼結助剤
を添加することなく高密度焼結体を得ることができるも
のとなる。
次いで、上記第1の炭化珪素と第2の炭化珪素とを混合
して混合物とする。ここで第1の炭化珪素粉末と第2の
炭化珪素粉末とを混合するにあたっては、第2の炭化珪
素粉末の配合量を0.5〜50重量%の範囲とするのが
好適とされる。すなわち、第2の炭化珪素粉末の配合量
を05重量%未満とすると、この炭化珪素粉末を混合し
た効果が十分発揮されず、また50重量%以上とすると
、第2の炭化珪素粉末がプラズマCVD法により気相合
成することからコストが高く、よって得られた製品が高
価となり、また焼結密度を上げるための効果もこれ以上
ではほぼ横這いに達するからである。そして、特に焼結
体を3.OOg/cm’以上の高密度のものとするため
には、超微粉末、すなわち第2の炭化珪素粉末の混合量
を3重量%以上にすることが望ましい。
その後、上記混合物を加熱しさらに焼結して高熱伝導性
炭化珪素焼結体を得る。ここで加熱温度としては、18
00℃から2400℃とするのが好ましい。また焼結方
法としては、常圧焼結、雰囲気加圧焼結、ホットプレス
焼結、あるいは熱間静水圧焼結(HIP)等の従来の方
法で行うことが可能であるが、より高密度で熱伝導性に
優れた炭化珪素焼結を得るためにはホットプレス等の加
圧焼結法を使用することが望ましく、特に焼結雰囲気を
真空雰囲気、不活性雰囲気もしくは還元ガス雰囲気とす
るのが好ましい。
本発明によって得られる炭化珪素焼結体の高熱伝導機構
は十分解明されていないが、上述したように焼結助剤が
無添加であり、粒界に存在する不純物が少なく、しかも
焼結体密度の高い炭化珪素焼結体が得られることにより
、フォノンの散乱が減少したためと考察される。第1図
は本発明品である炭化珪素焼結体の密度と熱伝導率との
関係を示したもので、焼結体密度か高くなるにつれて熱
伝導率も高くなることが分かる。第1図より、熱伝導率
を150W/nt・K以上の値とするためには、焼結体
密度を3.00g7cm3以上とするのが望ましいこと
が分かる。なお、本発明においては炭化珪素焼結体の熱
伝導率を、通常のレーザーフラッシュ法によって測定し
た熱拡散率及び比熱と、別に測定した密度とから計算に
よって求めた。
また、本発明によって得られた炭化珪素焼結体は、グレ
インサイズが2〜3μ傳と小さく均一な微細組織を有し
、電気比抵抗値が0,1Ω・cm以下と小さいことから
、従来にない良好な放電加工性が得られた。例えば、ワ
イヤー放電加工や型彫放電加工において、その仕上げ放
電面の表面粗さ(Rmax)が1μm以下となり、非常
に良好な加工面となった。したがって、球面加工や三次
元加工を自由に行うことができることから、任意の複雑
形状部品が高精度で得られるという効果を奏する。
さらに、本発明によって得られた炭化珪素焼結体は、従
来の炭化珪素焼結体より耐蝕性に優れ、常温及び高温[
1500℃〕における3点曲げ強度が各々65 kg/
 am”、 80 kg/ am’と高く、またビッカ
ース硬度も2500以上と高い値が得られることから、
炭化珪素が本来有している高硬度、高強度、高耐蝕性、
高表面平滑性等の特性を満足するものとなり、種々の分
野での利用が期待できるものとなる。
「作用」 本発明によれば、平均粒子径が0.1−10μmの第1
の炭化珪素粉末と、非酸化性雰囲気のプラズマ中にシラ
ン化合物またはハロゲン化珪素と炭化水素とからなる原
料ガスを導入し、反応系の圧力を1気圧未満から0 、
 l torrの範囲で制御しつつ気相反応させること
によって合成された平均粒子径が0,1μm以下の第2
の炭化珪素粉末とを混合し、これを加熱し焼結すること
によって熱伝導率が150W/ll−に以上の高熱伝導
性炭化珪素焼結体を得るものであるから、焼結助剤を添
加することなく高密度焼結体が得られ、よって粒内や粒
界に焼結助剤が存在せず、しかも微細で均一な組織が得
られ、これにより炭化珪素が本来有している特性を損な
うことなく高熱伝導性の炭化珪素焼結体が得られる。さ
らに、得られた高熱伝導性炭化珪素焼結体は電気比抵抗
値が低く、高密度のものであるから、良好な放電加工性
も得られる。
「実施例」 以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
(実施例1) 平均粒子径0.33μm、比表面積12m″/gのβ型
炭化珪素粉末(第1の炭化珪素粉末)に、四塩化珪素と
エチレンとを原料としてプラズマCVD法により気相合
成して得た平均粒子粒0.0.2μm、比表面積L50
Im’/gの非晶質炭化珪素超微粉末(第2の炭化珪素
粉末)を1−10重量%添加し、これをメタノール中に
て分散せしめ、さらに遊星、ミルで12時間混合した。
次に、通常の一軸プレス機により直径40IIII+の
円板形状に成形した。次いで、この成形体をホットプレ
ス装置にて真空中で1400℃まで加熱し、その後アル
ゴン雰囲気下で押圧力400kg/c議鵞、焼結温度2
150℃の条件で45分間焼結した。
得られた炭化珪素焼結体の焼結体密度、常温における3
点曲げ強度、熱伝導率をそれぞれ調べ、その結果を第1
表に示す。
以下余白 第1表に示した結果より、この実施例の炭化珪素焼結体
では非晶質炭化珪素超微粉末を添加した場合、得られた
焼結体の熱伝導率が170W/Il・K以上となり、高
い熱伝導性を有していることが確認された。また、実験
No、3で得られた焼結体は、そのグレインサイズが2
〜3μmでありかつ組織も均一であり、1500℃にお
ける3点曲げ強度が80kg/lll5′、常温におけ
る電気比抵抗値が0.03Ω・C−と優れた焼結体特性
を示した。
(実施例2) 実施例1と同一の炭化珪素粉末(第1の炭化珪素粉末)
に、モノシランとエチレンとを原料としてプラズマCV
D法により気相合成した平均粒子粒0.017μ日、比
表面積145m’/gのβ型炭化珪素超微粉末(第2の
炭化珪素粉末)を3〜10重量%添加し、実施例1と同
一の条件で焼結して炭化珪素焼結体を製造した。
得られた炭化珪素焼結体の焼結体密度、常温における3
点曲げ強度、熱伝導率をそれぞれ・調べ、その結果を第
1表に示す。
この結果より、炭化珪素超微粉末の結晶形がβ型のもの
であっても、本発明の効果が十分得られることが確認さ
れた。特に、N016の炭化珪素焼結体では熱伝導率が
212W/m−Kを示し、優れた熱伝導特性を有してい
ることが判明した。
(実施例3) 平均粒子粒0,07μm、比表面積15m″/gのα型
炭化珪素粉末に、第2の炭化珪素粉末として実施例!で
使用した非晶質炭化珪素超微粉末と実施例2で使用した
β型炭化珪素超微粉末とをそれぞれ別に10重量%ずつ
配合し、実施例1と同一の条件で焼結して炭化珪素焼結
体を製造した。
得られた炭化珪素焼結体の焼結体密度、常温における3
点曲げ強度、熱伝導率をそれぞれ調べ、その結果を第1
表に示す。
この結果より、第1の炭化珪素粉末としてα型のものを
使用しても、本発明の効果が得られることが確認された
(比較例1) 実施例1で使用したβ型炭化珪素粉末を用い、これを実
施例1と同一の条件で焼結して炭化珪素焼結体を製造し
た。得られた焼結体の密度を調べ、比較として第1表に
示す。
第1表に示した結果より、比較例1のものは焼結体密度
が2.50g/cm’と低く、ま−た3点曲げ強度がl
 Okg/ 1111”、熱伝導率が35W/1Il−
にであり、いずれも本発明の実施例のものに比較して劣
っていた。
(比較例2) 実施例!で使用したβ型炭化珪素粉末(第1の炭化珪素
粉末)に、平均粒子粒0.5μlの硼素を0.3重量%
添加し、さらに熱分解残留炭素が3重1%になるように
ノボラック型フェノール樹脂を添加し、実施例1と同一
の条件で焼結して炭化珪素焼結を製造した。
得られた焼結体を調べたところ、グレインサイズは4〜
5μmであり、また熱伝導率は105W/m・Kと実施
例の高熱伝導性炭化珪素焼結体に比較して低い値であっ
た。
(比較例3) 実施例3で使用したα型炭化珪素粉末(第1の炭化珪素
粉末)に、平均粒子径0.5μmの硼素を0.3重量%
添加し、さらに熱分解残留炭素が3重量%になるように
ノボラック型フェノール樹脂を添加し、実施例1と同一
の条件で焼結して炭化珪素焼結を製造した。
得られた焼結体を調べたところ、グレインサイズは5〜
6μ量であり、また熱伝導率は95 W / Ll・K
と実施例の高熱伝導性炭化珪素焼結体に比較して低い値
であった。
(比較例4) 実施例3で使用したα型炭化珪素粉末(第1の炭化珪素
粉末)にアルミナを3重量%添加し、実験例3と同一の
条件で焼結して炭化珪素焼結を製造した。ただし、焼結
温度を2000℃、焼結時間を30分とした。
得られた焼結体を調べたところ、3点曲げ強度は75 
kg/ nun″と高い値が得られたが、熱伝導率は4
5W/m・Kと実施例の高熱伝導性炭化珪素焼結体に比
較してはるかに低い値であった。
(試験例) 実施例1で得られた実験No、2の高熱伝導性炭化珪素
焼結体(直径40mm、厚さ30mm)を、トランジス
タパルス回路方式の放電加工機によってワイヤー放電加
工のテストを行った;放電用ワイヤーには外径が2II
Ilの黄銅のワイヤーを用い、試験条件としては加工電
圧を50V、パルス幅を1゜2μsec、休止時間を2
0μsecとした。
このようにしてワイヤー放電加工を行ったところ、安定
した放電加工ができた。また、このときの放電加工速度
は150 Inm”/ ll1inであり、放電加工面
の表面粗さはRmax、2.5μ糟程度であることから
、放電加工性が良好であることが確認された。
さらに、上記放電面に仕上げ放電加工を施したところ、
表面粗さがRmax、0.9μm以下となり非常に良好
な平滑面を得ることができた。またこの放電加工面を走
査型電子顕微鏡により観察したところ、クラック等の欠
陥が全く見られなかった。
「発明の効果」 以上説明したように本発明の高熱伝導性炭化珪素焼結体
は、平均粒子径が0.1〜10μmの第1の炭化珪素粉
末と、プラズマCVD法により気相合成された平均粒子
径が0.1μm以下の第2の炭化珪素粉末とを混合し、
これを加熱し焼結することによって得られた熱伝導率が
150W/n+・K以上のものであるから、焼結助剤を
添加することなく高密度焼結体となり、よって粒内や粒
界に焼結助剤が存在せず、微細で均一な組織を有するも
のとなることから、炭化珪素が本来有している特性が損
なわれることなく高熱伝導性を有した炭化珪素焼結体と
なる。したがって、従来の構造用セラミックスとしての
利用ばかりでなく、特に熱伝導性が要求されるヒートシ
ンク部品、熱交換器部品、各種金型、電極等にも用いる
ことができるなど応用範囲が非常に広いものとなる。ま
た、この高熱伝導性炭化珪素焼結体は優れた放電加工性
を有しているので、これを用いることにより三次元複雑
形状部品などをも十分精度良く製造することができ、し
たがって材料としての自由度が高く、多くの分野での利
用が期待でき、これにより産業上多大な効果を奏するも
のとなる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明に係わる図であって、第1
図は本発明の製造方法によって得られた炭化珪素焼結体
の焼結体密度と熱伝導率との関係を示すグラフ、第2図
はAdmant ine構造を有する単結晶の300K
における熱伝導率と、LeibfriedSchlom
annパラメーターMδθD3との関係を示したグラフ
である。 第1図

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)平均粒子径が0.1〜10μmの第1の炭化珪素
    粉末と、非酸化性雰囲気のプラズマ中にシラン化合物ま
    たはハロゲン化珪素と炭化水素とからなる原料ガスを導
    入し、反応系の圧力を1気圧未満から0.1torrの
    範囲で制御しつつ気相反応させることによって合成され
    た平均粒子径が0.1μm以下の第2の炭化珪素粉末と
    を混合し、これを加熱し焼結することによって得られた
    熱伝導率が150W/m・K以上である高熱伝導性炭化
    珪素焼結体。
  2. (2)平均粒子径が0.1〜10μmの第1の炭化珪素
    粉末と、非酸化性雰囲気のプラズマ中にシラン化合物ま
    たはハロゲン化珪素と炭化水素とからなる原料ガスを導
    入し、反応系の圧力を1気圧未満から0.1torrの
    範囲で制御しつつ気相反応させることによって合成され
    た平均粒子径が0.1μm以下の第2の炭化珪素粉末と
    を混合し、これを加熱し焼結して熱伝導率が150W/
    m・K以上の焼結体を得る高熱伝導性炭化珪素焼結体の
    製造方法。
  3. (3)請求項1に記載した高熱伝導性炭化珪素焼結体に
    おいて、第2の炭化珪素粉末の配合量が0.5〜50重
    量%である高熱伝導性炭化珪素焼結体。
  4. (4)請求項2に記載した高熱伝導性炭化珪素焼結体の
    製造方法において、第2の炭化珪素粉末の配合量が0.
    5〜50重量%である高熱伝導性炭化珪素焼結体の製造
    方法。
  5. (5)請求項1に記載した高熱伝導性炭化珪素焼結体に
    おいて、第2の炭化珪素粉末の結晶相が非晶質、α型、
    もしくはβ型であるか、あるいは、それらの混合相であ
    る高熱伝導性炭化珪素焼結体。
  6. (6)請求項2に記載した高熱伝導性炭化珪素焼結体の
    製造方法において、第2の炭化珪素粉末の結晶相が非晶
    質、α型、もしくはβ型であるか、あるいは、それらの
    混合相である高熱伝導性炭化珪素焼結体の製造方法。
  7. (7)請求項1に記載した高熱伝導性炭化珪素焼結体に
    おいて、焼結雰囲気が、真空雰囲気、不活性雰囲気もし
    くは還元ガス雰囲気である高熱伝導性炭化珪素焼結体。
  8. (8)請求項2に記載した高熱伝導性炭化珪素焼結体の
    製造方法において、焼結雰囲気が、真空雰囲気、不活性
    雰囲気もしくは還元ガス雰囲気である高熱伝導性炭化珪
    素焼結体の製造方法。
  9. (9)請求項1に記載した高熱伝導性炭化珪素焼結体に
    おいて、加熱焼結の温度が1800℃から2400℃で
    ある高熱伝導性炭化珪素焼結体。
  10. (10)請求項2に記載した高熱伝導性炭化珪素焼結体
    の製造方法において、加熱焼結の温度が1800℃から
    2400℃である高熱伝導性炭化珪素焼結体の製造方法
  11. (11)請求項1に記載した高熱伝導性炭化珪素焼結体
    において、焼結体の密度が3.00g/cm^3以上で
    ある高熱伝導性炭化珪素焼結体。
JP1020571A 1989-01-30 1989-01-30 高熱伝導性炭化珪素焼結体及びその製造方法 Expired - Lifetime JP2726692B2 (ja)

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