JPH0328171A - セラミック複合材料 - 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複合材料に関し、特にエレクトロニ
クス用の進行波管支持体材料に用いられるセラミック複
合材料に関するものである。

［従来の技術］ エレクトロニクスにおける構造体としての用途である進
行波管におけるＷやＭＯの金属らせんの支持体（サポー
トロツド）としては、従来の技術として、石英、ステア
タイト、ザファイヤ、へりリアが検討ざれてきたく丸善
（株〉出版の日本電信電話公社電気通信研究所編で小山
次郎著「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ｂロ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、サファイア、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が困難
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ざれつつある
。

［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、層内のａ軸方向が共有結合性であり
、積層面に垂直なＣ軸方向はフ７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６２　Ｗ／ｍ−Ｋであり、Ｃ軸方向
テハ３．５．！＝２Ｗ／ｍ−Ｋとの報告がある。

また現在、進行波管支持体材料として、例えば気相戒長
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ＢＯＲＡＬＬＯＹが検討ざれ、一部実用化もされてい
る。しかしながらＢＯＲＡＬＬＯＹは、黒鉛などの基板
上に気相戒長法により或膜するため配向性が高く、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できない。

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
−Ｋと従来の石英、ステアタイト、リファイヤ、ベリリ
アよりもかなり小さく、熱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ＢＯＲＡＬＬＯＹ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Ｃ軸の異方性を有す
る配向構造のため、層閤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。

ざらに熱分解窒化ホウ素は気相戒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意研究を進めた結
果、六方晶窒化ホウ素と酸化ケイ素から構戒されたセラ
ミック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。

［８！題を解決するための手段］ 本発明は、六方晶窒化ホウ素と酸化ケイ素とを主戒分と
して構成されてなることを特徴とするセラミック複合材
料である。

以下、本発明をさらに詳しく説明する。

本発明のセラミック複合材料は六方晶窒化ホウ素と酸化
ケイ素を主戒分とするもので、酸化ケイ素マトリックス
中に六方晶窒化ホウ素粉末が均一に分散された複合構造
、もしくは多孔質窒化ホウ素セラミックスに酸化ケイ素
が充填ざれた複合構造を特徴としている。

第１図は、このうち前者の酸化ケイ素マトリックス２中
に六方晶窒化ホウ素粉末３が均一分散ざれた複合構造を
有ずる本発明のセラミック複合材料１を模式的に示す断
面図であり、第２図は後者の多孔質窒化ホウ素セラミッ
クス３に酸化ケイ素２が充填ざれた複合構造を有する本
発明のセラミック複合材料１を模式的に示す断面図であ
る。

本発明の六方晶窒化ホウ素と酸化ケイ素から構成ざれる
セラミック複合材料は、最大５０％程度の気孔を含有す
ることも誘電率を低下させるために有効である。しかし
ながら、気孔率が５０％以上になると、進行波管支持体
等の構造体的利用において機械的強度が不十分となる問
題がある。

また、セラミック複合材料の純度は、六方晶窒化ホウ素
と酸化ケイ素の合計として９８％以上のものが好ましい
が、９５〜９８％のものも可能でアル。不純物としては
、Ｃａ，Ｍｇ，Ａｈ　Ｓｉ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｃｕ，”ｌｎ
等が含まれるが、これらの不純物量が多くなると誘電率
が増大したり、熱伝導率が低下するなどの問題が生ずる
。

本発明のセラミック複合材料での六方晶窒化ホウ素の配
合量は５〜９９重量％、好ましくは１０〜９５重量％で
あることが誘電率や熱伝導率の改善に有効である。

また酸化ケイ素としては、石英ガラスが誘電率を小さく
するために有効であるが、β−クリストバライト，β一
トリジマイト，β一石英，α−クルストバライト，α一
石英．α一トリジマイトの結晶構造の酸化ケイ素も有効
である。

本発明のセラミック複合材料は、例えば次のような方法
によって製造できる。

第１図に示す酸化ケイ素マトリックス中に六方晶窒化ホ
ウ素粉末が均一分敗された複合構造のセラミック複合体
の場合、所定組戊比に配合ざれた酸化ケイ素粉末と窒化
ホウ素粉末をボールミル等で混合し、戊形した後、ｉｏ
ｏｏ〜２０００℃程度の常圧または加圧の非酸化性雰囲
気で加熱処理することにより製造することができる。

この場合、窒化ホウ素粉末の配合量は５〜６０重量％程
度が酸化ケイ素マトリックス中に窒化ホウ素粉末を均一
に分散させるのに適している。熱処理のための非酸化性
雰囲気としては、窒素ガス、アルゴンガス、真空雰囲気
などが便利である。また前述の製造工程において、酸化
ケイ素粉末の代わりに有機金属化合物であるアルキルシ
リケート（例えばエチルシリケート等〉を原料とするこ
ともできる。

第２図に示す多孔質窒化ホウ素セラミックスに酸化ケイ
素が充填ざれた複合構造を有するセラミック複合体の場
合、窒化ホウ素粉末を６０〜９５重量％配合された酸化
ケイ素粉末と窒化ホウ素粉末を前述の製造方法と同様に
混合、戊形、加熱処理して製造することが可能である。

また窒化ホウ素粉末のみを戒型、加熱処理して多孔貿の
窒化ホウ素セラミックスを作製した後、溶融した酸化ケ
イ素融体を注入する方法や、溶媒に溶かした有機金属化
合物であるアルキルシリケート（例えばエチルシリケー
ト等）を含浸し、乾燥、熱分解、加熱処理するなどの方
法も利用することができる。

本発明の六方晶窒化ホウ素と酸化ケイ素から構或される
セラミック複合体は、室温での誘電率が２．５〜５（周
波数ＩＭＨＺ）で、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ−Ｋ以上であ
るという優れた特性以外に、従来の進行波管支持体材料
である熱分解窒化ホウ素（ＰＡＮ＞より優れた圧縮強度
等の機械的特性も有する。すなわち、ＰＢＮの室温での
圧縮強度が２３４０　Ｋｌ／Ｃｍ２であるのに対して、
本発明のセラミック複合体は３０００　〜１００００Ｎ
ｇ／ｃｍ２の優れた圧縮強度を有する。このため、ＰＢ
Ｎのように剥離および亀裂を生ずるなどの問題もない。

また窒化ホウ素の含有量が１０〜９９％の場合、普通工
具で切削加工できる長所もある。さらに常圧焼結法で製
造した場合、大型で厚い製品を低コストで製造できるな
どの数多くの利点がある。

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
説明するが、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 平均粒径５μｓ、純度９９％の窒化ホウ素粉末６０重量
％と平均粒径０．２ｌｌＩｎ、純度９９％の石英ガラス
粉末４０重量％とを配合した粉末を用い、エタノールを
液体分敗媒としてボールミルで混合した。この混合粉末
を１０００　Ｋｙ／ｃｍ２の圧力でプレス成形した後、
１５００℃、常圧窒素ガス雰囲気、１時間の条件で加熱
処理した。得られたセラミック複合体の気孔率は１０％
であり、室温での誘電率は３．５（周波数ＩＭＨＺ）、
熱伝導率は２０Ｗ／ｍ−Ｋ，圧縮強度は８０００　Ｎｙ
／ｃｍ２であり、進行波管支持体材料として優れた特性
を有していた。

このセラミック複合体を切断加工後、０．２５　ｘＯ，
５Ｘ　１００ｍｍ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３図（ａ）はその断面図
、第３図（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ一による断面図
である。タングステンコイル６は３本の支持体５で３方
向からステンレス保護管９により圧縮保持ざれている。

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
ら圧縮およびせ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 平均粒径１０ｔｌＩｎ，純度９９．５％の窒化ホウ素粉
末と平均粒径ｏ．　ｉ仰、純度９９，５％の石英ガラス
粉末を第１表に示す割合で配合して実施例１と同様に混
合、プレス成型した。このプレス混合粉体を第１表に示
す条件で加熱処理したところ、低誘電率と高熱伝導率が
共に実現された。これらの特性は進行波管の支持体材料
として良好な値を有するものであった。

（以下余白〉 実施例３ 平均粒径２珈、純度９８％の窒化ホウ素粉末を２０００
　Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で冷間等方加圧戒形した後、常圧
窒素ガス雰囲気下で１９００℃、２時間の条件で焼結し
て気孔率２５％の多孔質窒化ホウ素セラミックを作製し
た。この多孔質窒化ホウ素セラミックを市販のエチルシ
リケート（　Ｓｉ（ＯＥｔ）４）、エタノール、希塩酸
を含む水溶液に含浸した後、乾燥して１２００℃、窒素
中で１時間加熱処理してセラミック複合体を得た。この
セラミック複合体の気孔率は１５％であり、室温での誘
−電率は３．０〈周波数ＩＭＨＺ）、熱伝導率は７０　
Ｗ／ｍ−Ｋ、圧縮強度は５０００　Ｎｇ／Ｃｍ２である
などの進行波管支持体材料として優れた特性を有してい
た。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明のセラミック複合材料は、
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７イヤ、ベリリア、熱分解窒化ホウ素
よりも優れた低誘電率と高熱伝導率を兼ね備えた材料で
あり、熱分解窒化ホウ素のような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。また窒化
ホウ素の量を１０〜９９重量％にすることにより、普通
工具で切削加工できる長所も存在する。さらに熱分解窒
化ホウ素では困難な、大型で厚い製品を多量に低コスト
で製造することが可能であるなど、工業的に多くの利点
を有するものである。

また本発明のセラミック複合材料は、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図および第２図はそれぞれ本発明の一実施例の複合
構造を模型的に示す断面図、第３図は進行波管の断面図
（ａ）および（ａ）のＡ−Ａ一線による断面図（ｂ）で
ある。 １・・・セラミック複合材料 ２・・・酸化ケイ素 ３・・・六方晶窒化ホウ素 ４・・・気孔 ５・・・支持体 ６・・・タングステンコイル ７・・・カソード ８・・・コレクター ９・・・ステンレス保護管

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）六方晶窒化ホウ素と酸化ケイ素とを主成分として
   構成されてなることを特徴とするセラミツク複合材料。