JPH03183662A - セラミックス複合材料の製造方法 - Google Patents

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１ 本発明はセラミックス複合材料の１方法に関し、特にエ
レン１〜ロニクス用の進行波管支持体材料に用いられる
セラミックス複合材料の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ エレクトロニクスにあける構造体としての用途である進
行波管のＷやＭＯの金属らせんの支持体（サポートロッ
ド）としては、従来の技術として石英、ステアタイト、
サファイヤ、へりリアが検討されてきたく丸善（株〉出
版の日本電信電話公社電気通信研究新編で小山次部著「
進行波管」２０７ページ〉。

一方、近年では通信衛星や放送衛星用の進行波管におい
て、高周波数化のため支持体に対して従来材料よりも優
れた高周波特性としての低誘電率が重要になってきた。

ざらに電子ビームの流入や加熱による高周波損失を防ぐ
ためには、支持体には熱放散のために高熱伝導性も要求
される。従来の支持体材料である石英ガラス、石英、ス
テアタイト、サフアイヤ、ベリリアでは各々の室温の誘
電率はそれぞれ３．６．　４．３．　６．０．　９．６
．　６．９であり、また各々の熱伝導率は２，７，３．
４０゜２６０Ｗ／　ｍ−Ｋであって、低誘電率を実現し
つつ高熱伝導性を保持することか困難であった。一方、
最近では六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）が低誘電率と高熱
伝導率を兼ね備えた材料として注目されつつある。

［発明が解決しようとする課題］ 六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ＞は、黒鉛と同じく六角網面
の積層構造を有し、届内のａｌＮ１方向が共有結合性で
あり、積層面に垂直なＣ軸方向はファンデエアワールス
結合による結晶構造のため誘電率や熱伝導率に顕著な異
方性を示す。すなわち、ｈＢＮのａ軸方向の誘電率と熱
伝導率は各々５．１と６２Ｗ／ｍ−にてあり、Ｃ軸方向
では３．５と２Ｗ／ｍ−にとの報告がある。

また現在、進行波管支持体材料として、例えば気相成長
法による熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）であるユニオン・
カーバイド（Ｕｎｉｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ）社の商品名
ＢＯＲ＾Ｌｌ−ＯＹが検討され、一部実用もされている
。しかしながらＢＯｆ？ＡＬＬＯＹは、黒鉛などの基板
上に気相成長法により成膜するため配向性か高く、材料
の面内方向と厚み方向では前述したように誘電率や熱伝
導率が顕著に異なる高異方性を示すため、低誘電率と高
熱伝導率を同時に発揮てきない。すなわち、低誘電率（
３，５）を利用するためにＣ軸方向を支持体の使用方向
とした場合には熱伝導率は約２Ｗ／ｍ−にと従来の石英
、ステアタイト、サフアイヤ、へりリアよりもかなり小
さく、放熱性に問題があった。また熱敢敗のため熱伝導
性の良いａ軸方向（６２Ｗ／　ｍ−Ｋ　）を支持体の使
用方向とした場合には、誘電率が５．１と高周波化のた
めの低誘電率の要求としては十分ではなかった。またＢ
ＯＲＡＬＬＯＹは六方晶窒化ホウ素の本質的な性質であ
る積層構造に基づいたａ軸とａ軸の異方性を有する配向
構造のため、層間でしばしば剥離および亀裂を生ずるな
ど構造体としての信頼性にも問題が多くあった。さらに
熱分解窒化ホウ素は気相成長法による製造方法で作られ
ているため、大型で厚い製品が多量に生産できないうえ
、コストが高いなどの工業的問題点も存在していた。

本発明者はこのような点に対処して鋭Ｍ、（＋ＪＩ究を
進めた結果、六方晶窒化ホウ素と窒化アルミニウムから
構成されたセラミックス複合材料が低誘電率と高熱伝導
率を兼ね備え、構造上の信頼性にも優れるため進行波管
の支持体として最適であることを見い出し、本発明を完
成するに至った。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、多孔質六方晶窒化ホウ素焼結体に、窒化アル
ミニウム前駆体であるアルミニウムアルコキシドおよび
炭素を含む混合溶液を加水分解後含浸させるか、あるい
は含浸漬加水分解し、次いて該焼結体を乾燥させた後、
窒素またはアンモニアを含む不活性ガス雰囲気下で加熱
処理することを特徴とするセラミックス複合材料の製造
方法である。

本発明の方法によって得られるセラミックス複合ｖｊ利
は、多孔質六方晶窒化ホウ素焼結体の窒化ホウ素粒子表
面および／または該焼結体粒界部に窒化アルミニウムが
存在する構造を備えている。

以下、本発明をさらに詳しく説明する。

本発明の方法によるセラミックス複合材料は、六方晶窒
化ホウ素（ｈＢＮ＞と窒化アルミニウム（ＡｆＮ＞を主
成分とするもので、Ａｆ！Ｎは前駆体であるアルミニウ
ムアルコキシドおよび炭素を含む混合溶液を多孔質ｈＢ
Ｎ焼結体内部に加水分解後含浸させるか、あるいは含浸
漬加水分解し、次いて乾燥させた後、窒素またはアンモ
ニアを含む不活性ガス雰囲気下で加熱処理してへｌＮ相
を生成させるという製造工程上の特徴を有する。その結
果、多孔質ｈＢＮ焼結体内部において、ｈ　［３Ｎ粒子
の表面や粒界部にＡＩＮ相が生成した複合構造を有する
。第１図は本発明のセラミックス複合材料１の構造を模
式的に表す断面図であり、１１ＢＮ２の表面およびその
粒界部にＡＩ！、Ｎ３か存在している。

さらに本発明のセラミックス複合材料１では、ｈＢＮ２
やＡｆ！Ｎ３以外に、第１図に示すように最大５０％程
度の気孔４を含有することも誘電率を低下させるために
有効である。しかしなから気孔率が５０％を超えると、
進行波管支持体等の構造的利用において機械的強度が不
十分となる問題がある。

本発明のセラミックス複合材料中の窒化ホウ素の含有量
は特に限定されないか、窒化ホウ素量を５０〜９９重量
％にすると、酋通工具で切削加工できるという利点かあ
る。

次に、本発明のヒラミックス複合ｖＪ利の製造方法につ
いて説明する。

多孔貿六方品窒化ホウ素（ｈ　Ｂ　Ｎ　’）焼結体は、
常圧焼結法やホットプレス法で作製されたもので、純度
としては９８％以上のものか好ましいか、９５〜９８％
程度のものも使用可能である。気孔率はＡＩ！Ｎ前駆体
であるアルミニウムアルコキシド、１５よび炭素を含む
混合溶液またはその加水分解溶液か含浸過程てｈＢＮ焼
結体内部に均一に浸透していくためには５％以上である
ことが必要であり、十分な機械的強度を得るためには５
０％以下であることが望ましい。

アルミニウムアルコキシドとしては、アルミウムエヂレ
ート（Ａｉ２　［ＯＣ２＋１５　］　３　）　、アルミ
ニウムイソプロビレ−１へＣＭ　［０Ｃ３Ｈ７］　３　
）　、アルミニウムブヂレート（Ｍ［０Ｃ４）＋９　］
　３　）　、ブトキシアルミニウムジイソプロビレ−１
〜、エチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピ
レート、アルミニウムトリス（エチルアセ１〜アセテー
ト〉、アルキルアセトアセテートアルミニウムジイソプ
ロピレート等の数多くの種類が利用可能である。

一方、炭素としては、一般的なカーボンブラック、黒鉛
の粉末以外に、加熱処理過程で炭素を生成する物質であ
るフェノール樹脂、スチレン樹脂、ナイロン樹脂、アク
リル樹脂等の炭素源物質も有効である。

これらのアルミニウムアルコキシドと炭素を適当な溶媒
に溶解あるいは分数混合する。得られる混合溶液をｐＨ
調整を行いながら加水分解し、次いで加水分解後の溶液
中に多孔質ｈＢＮ焼結体を入れ、含浸を行うか、あるい
はまず混合溶液を多孔質ｈＢＮ焼結体に含浸させ、しか
る後に加水分解を行う。いずれの方法においても、含浸
の際には混合溶液の浸透性を良くし、しかも均一に分散
および添加するため、減圧雰囲気下で注入することか有
効である。

その後、この多孔質ｈＢＮ焼結体を乾燥した後、窒素ま
たはアンモニアを含む不活性）ｊス奪回気下て１４００
〜１６００°Ｃまで１〜２０　’Ｃ／ｍｉｎの昇温速度
でｔｔｎ熱した後、１〜１０時間ｈｎ熱処理を行う。

この紘果、アルミニウム化合物の還元、窒化反応により
多孔冒ｈ　Ｂ　Ｎ焼結体内部の窒化ホウ素粒子表面Ｊｌ
、；Ｊ、び／または該焼結体粒界部に窒化アルミラムｈ
く存在づる構造を備えたセラミックス複合材料か１１１
られる。

本弁明のセラミックス複合材料でのＡ２Ｎ相の含イーＴ
尾を多くづるには、含浸ｄ３よび加熱処理の工程を繰り
返し行うことによってコントロールすることか可能であ
る。また１４００〜１６００　’Ｃにおける１ノ１１熱
処理に１Ｊ−３いて生成したＡｆ！Ｎは微細な粉末秋態
であるため、最初の多孔質ｈＢＮ焼結体に比べて熱伝導
率の向上は著しく現われない。そこでこれを１６００〜
２０００°Ｃの窒素等の不活性ガス雰囲気下でさらに７
ＩＯ熱処理することにより、ｈＢＮ粒子の表面や粒界部
において熱分解で生成したＡｆ！Ｎ粉末の焼結か生じる
ため熱伝導率が著しくｊ省人する。

本発明を更に具体的に説明するため次に実施例を挙げて
説明するか、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではない。

［実施例］ 実施例１ ホットプレス法による純度９９．５％（不純物酸素０．
４％）、平均粒径５μｓ、気孔率２０％の六方晶窒化ホ
ウ素焼結体を機械加工により１１０Ｘ　ｌｌＯｘ５ｍｍ
に作製した。この窒化ホウ素焼結体の室温での訊電率は
３．４で、熱伝導率は５５Ｗ／ｍ−にであった。

アルミニウムイソプロピレート（Ｍ［０−Ｃ３Ｈ７］３
　）　　１００９およびカーボンブラック（平均粒径２
０ＯＡ＞９ｇを８０°Ｃのイソブチルアルコル１１を含
むビーカー中に加え、３時間加熱して均一な溶液とした
。次に室温に冷却後、３００９の蒸溜水を滴下し、さら
に濃度２０％のアンモニア水８０３を加えて室温で１０
時間保持した。その後、加水分解を完結させるために８
０℃で５時間保持した。この溶液中に上述の窒化ホウ素
焼結体を入れ、減圧雰囲気下でアルミニウムゾルおよび
カーボンブラックを窒化ホウ素焼結体内部に均一に真空
含浸した。

その後、この含浸された窒化ホウ素焼結体を５０’Ｃで
乾燥した後、窒素ガス雰囲気で１５００℃まで５°Ｃ／
ｍｉｎの昇温速度で加熱して１５００℃で５時間保持し
た。この過程で生成した粉末状のＡｉ’Ｎの焼結を行う
ため、この六方晶窒化ホウ素と窒化アルミニウムからな
るセラミックス複合材料を窒素雰囲気下で２０℃／ｍｉ
ｎの昇温速度で１９００　’Ｃまでｈ０熱して２時間保
持した。その結果、気孔率１５％に小さくなり、室温で
の誘電率３．６、熱伝導率１２０Ｗ／…・Ｋの六方晶窒
化ホウ素と窒化アルミニウムから構成されたヒラミック
ス複合材料が得られた。

このセラミックス複合材料をＦＪ）断加工後、０．２５
　Ｘ　Ｏ，５Ｘ　１００　ｍｍの長い直方体状の進行波
管支持体を作製して進行波管に実装した。

第２図（ａ）はその断面図、第２図（ｂ）は（ａ）にお
けるＡ−Ａ−線による断面図である。タングステンコイ
ル６は３本の支持体５て３方向からステンレス保護管９
により圧縮保持されている。７はカソード、８はコレク
ターである。支持体５はタングステンコイル６とステン
レス保護管９の内壁の３点から圧縮およびぜん断の応力
を受けているが、熱分解窒化ホウ素で生じる剥離や亀裂
は発生しなかった。

実施例２ 実施例１における窒化ホウ素焼結体へのアルミニウムゾ
ルおよびカーボンブラックを含む溶液の含浸および乾燥
を３回繰り返して行い、実施例１と同様に１５００　’
Ｃまで加熱して５時間、窒素雰囲気中で保持した。その
後、１９００　’Ｃ，４時間、窒素雰囲気中で加熱処理
した。その結果、気孔率１０％に小さくなり、室温での
誘電率３，７、熱伝導率１５０Ｗ／　ｍ−にの六方晶窒
化ホウ素と窒化アルミニウムから構成されたセラミック
ス複合材料か得られた。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の方法によって製造される
六方晶窒化ホウ素と窒化アルミニウムから構成されるセ
ラミックス複合材料は、進行波管支持体として従来の支
持体材料である石英、ステアタイト、サファイヤ、へり
リア、熱分解窒化ホウ素より優れた低誘電率と高熱伝導
率を兼ね備えた材料であり、熱分解窒化ホウ素での特性
の異方性も少なく、しかも剥離や亀裂などの発生の問題
もない。ざらに熱分解窒化ホウ素では困難な、大型で厚
い製品を多量に低コストで製造可能であることなど、工
業的に多くの利点を有するものである。

また本発明の方法によるセラミックス複合材料は、進行
波管の支持体以外の用途である電子部品、絶縁基板、高
温炉治具などにも利用できる効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法によって得られるセラミックス複
合材料の構造を模式的に示す断面図、第２図は進行波管
の断面図（ａ）および（ａ）Ａ′線による断面図（ｂ）
である。 １・・・セラミックス複合材料 ２・・・六方晶窒化ホウ素 ３・・・窒化アルミニウム ４・・・気孔 ５・・・支持体 ６・・・タングステンコイル ７・・・カソード ８・・・］コレク タ・・・ステンレス保護管 のＡ−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）多孔質六方晶窒化ホウ素焼結体に、窒化アルミニ
   ウム前駆体であるアルミニウムアルコキシドおよび炭素
   を含む混合溶液を加水分解後含浸させるか、あるいは含
   浸後加水分解し、次いで該焼結体を乾燥させた後、窒素
   またはアンモニアを含む不活性ガス雰囲気下で加熱処理
   することを特徴とするセラミックス複合材料の製造方法
   。