JPH06100366A

JPH06100366A - セラミックス−炭素系複合材の製造方法

Info

Publication number: JPH06100366A
Application number: JP4277951A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Eguchi; 和成江口
Original assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Current assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Priority date: 1992-09-22
Filing date: 1992-09-22
Publication date: 1994-04-12

Abstract

(57)【要約】【目的】高密度で高強度を備える均質組織のセラミッ
クス−炭素系複合材を生産性よく得るための工業的な製
造方法を提供する。【構成】１０００℃での炭素化収率が６５％以上、キ
ノリン可溶分２〜１５％、メソフェーズ含有量４０％以
上のメソフェーズ質ピッチ粉末に炭化珪素粉末を配合
し、エタノールに分散させてスラリー化する。スラリー
を遊星ボールミルにより平均粒径５μm 以下になるまで
十分に湿式粉砕処理する。処理後のスラリーを乾燥した
のち加圧成形し、ついで非酸化性雰囲気中で８００〜２
３００℃の温度域で焼成処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭素前駆体であるメソ
フェーズ質ピッチ粉末とセラミックス粉末を原料として
高密度で高強度のセラミックス−炭素系複合材を効率よ
く得るための製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭素または黒鉛で構成される炭素質材料
は、高度の耐熱性、耐熱衝撃性、化学的安定性を有し、
熱や電気の伝導性に優れるうえに機械加工が容易である
ため、工業用の部材として広い産業分野で有用されてい
る。ところが、炭素質材料には機械的強度や耐酸化性な
どの特性が不足するという材質固有の欠点がある。この
ため、炭素質材料の材質的欠陥を補って特性を向上させ
るための研究開発が盛んに進められているが、このうち
セラミックスの複合化により組織改善を図る方法が実用
性のある手段とされている。

【０００３】従来、セラミックス−炭素系複合材の製造
例としては、例えば生コークスとセラミックス粉（とく
に炭化珪素）とをバインダーなしで加圧成形したのち焼
成する方法（特開昭56−14005 号公報) 、更にこれを改
良して高密度高強度化を図るため前記の生コークス−炭
化珪素系の粉末原料に炭化硼素を添加して磨砕したもの
をホットプレスにより加圧焼結する方法（特開昭60−11
8671号公報) が知られている。しかしながら、これら方
法で原料に用いる生コークスは難黒鉛化性である関係
で、電気抵抗その他の適正特性を付与することができな
い欠点がある。また、後者の方法は磨砕処理が機械的強
度の増大に有効に機能するものの、成形時に２tf/cm²以
上の圧力を必要とし、焼結工程も圧力下でおこなうため
大型品の製造には装置的な制約があるうえ、磨砕時間が
２０時間以上にも及ぶため不純物の混入が避けられず、
コスト面でも不利となる。

【０００４】磨砕処理を必要としない複合化手段として
は、セラミックス粉を自己焼結性をもつメソフェーズ前
駆体のタール留分中に懸濁させて不活性ガスを吹き込み
ながら熱処理（メソフェーズ化）したのち、成形および
焼成する方法（特開昭61−136906号公報) が提案されて
いる。この方法では磨砕処理に伴う上記のような不都合
はないが、セラミックス粉の均質分散段階からメソフェ
ーズ前駆体を含む成形粉を得るまでの工程が複雑化する
難点があり、工業的な生産手段としては適格性に乏し
い。このほか、適当な気孔率をもつ黒鉛素材を加熱して
上部に置いた金属珪素を溶融させ、その反応熱で黒鉛気
孔の周りを炭化珪素化させる自己燃焼方式によるセラミ
ックス−炭素系複合材の製造方法（特開昭60−118671号
公報) も提案されているが、この方法では十分均質な複
合組織を得ることはできない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来技術
では均質組織のセラミックス−炭素系複合材を単純工程
で工業生産し得る方法については開発されていない。本
発明者は、かかる課題の解決に取り組んで鋭意研究を進
めた結果、炭素系の原料として特定のメソフェーズ質ピ
ッチを用い、かつセラミックス粉末との混合粉砕化を改
良することにより従来技術に比べ短期工程で安価に高密
度、高強度のセラミックス−炭素系複合材が製造できる
ことを確認した。

【０００６】本発明は前記の知見に基づいて開発された
もので、その目的は、高密度および高強度を備える均質
組織のセラミックス−炭素系複合材を生産性よく得るこ
とができる工業的な製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるセラミックス−炭素複合材の製造方法
は、１０００℃での炭素化収率が６５％以上、キノリン
可溶分２〜１５％、メソフェーズ含有量４０％以上のメ
ソフェーズ質ピッチ粉末にセラミックス粉末を配合し、
有機溶媒に分散させてスラリー化したのち十分に湿式粉
砕処理を施し、ついで乾燥後、加圧成形した成形体を非
酸化性雰囲気中で８００〜２３００℃の温度域で焼成処
理することを構成上の特徴とする。

【０００８】本発明においては、炭素源原料として１０
００℃での炭化収率が少なくとも６５％以上、キノリン
可溶分が２〜１５％で、かつメソフェーズ含有量が４０
％以上の性状を有するメソフェーズ質ピッチ粉末が選択
的に用いられる。この原料選定は組織欠陥のない高密度
・高強度のセラミックス−炭素系複合材を得るための要
件となるもので、前記の性状ならびに組成範囲を外れる
と焼成段階で組織に亀裂や割れを生じるか、最終的に得
られる複合体の嵩密度や材質強度が著しく低いものとな
る。該メソフェーズ質ピッチ粉末は、平均粒径が１〜１
５μm になるように微粉砕して使用に供されるが、最大
粒径は１０μm 以下に抑えることが好ましい。

【０００９】セラミックス粉末については特に制約はな
く、例えば酸化物系、炭化物系、窒化物系、硼化物系、
珪化物系などのものが１種または２種以上混合して用い
られる。このうち、本発明の目的に好適なセラミックス
類として、炭化珪素および窒化珪素を挙げることができ
る。セラミックス粉末の粒度は、平均粒径として０．５
〜１０μm の範囲に調整することが好ましい。

【００１０】メソフェーズ質ピッチ粉末とセラミックス
粉末の配合比率は、複合材の目標特性に応じて適宜に設
定されるが、その範囲は概ねメソフェーズ質ピッチ粉末
１００重量部に対しセラミックス粉末５〜３００重量部
とすることが好ましい。セラミックス粉末の配合比率が
５重量部を下廻ると補強的な複合効果が得られず、逆に
３００重量％を越えると炭素質の効能付与効果が減退し
て初期の目的が達成されなくなる。

【００１１】所定の比率に配合されたメソフェーズ質ピ
ッチ粉末とセラミックス粉末は、有機溶媒に分散させて
スラリーを形成する。分散媒として有機溶媒を用いるの
は、スラリー化から湿式粉砕処理に至る過程でメソフェ
ーズ質ピッチに含まれる低沸点成分が溶媒中に抽出され
るため、焼成割れの防止に効果があるためである。有機
溶媒としては、表面張力の小さいアルコール、アセトン
等が好適に用いられ、配合原料粉末１００重量部に対し
３０〜１００重量部の範囲で撹拌混合してスラリー化す
る。

【００１２】スラリー化した混合原料は、ついで湿式粉
砕処理を施す。この処理はボールミルのような回転撹拌
装置を用いておこなわれるが、使用するボールミルは自
転式のものより遊星式ボールミルの方が均質分散ならび
に粉砕化が短時間内に進行するため効果的である。遊星
式ボールミルを用いる場合の好ましい粉砕条件は、公転
数および自転数ともに５０〜５００rpm の範囲に設定す
ることである。粉砕時間は充填した原料スラリーの量に
よって変動するが、処理後の平均粒径が５μm以下にな
るまでの時間とすることが望ましい。この湿式粉砕処理
により、原料粉末の平均粒径が５μm 以下に微粉化し、
同時に優れた分散安定性をもつ均質なスラリーとなる。

【００１３】湿式粉砕処理後のスラリーは８０〜２００
℃の温度に加熱し、分散媒成分を揮散させて乾燥したの
ち所定の形状に加圧成形する。成形手段には一軸プレス
や押出プレスによる通常の加圧成形法を適用することも
できるが、素材を等方的な緻密組織にするために冷間静
水圧プレス装置（ＣＩＰ）を用いることが好ましい。成
形時の圧力は１tf/cm²程度で足りるが、高水準の機械的
強度を付与しようとする場合には２．５tf/cm²までの成
形圧を適用することができる。

【００１４】成形体は、窒素、アルゴン等の不活性ガス
で置換された加熱炉にセットするか、周囲をコークス粉
等の炭素質パッキングで被包して焼成炉に入れ、非酸化
性雰囲気下に焼成処理してメソフェーズ質ピッチ成分を
炭素化する。焼成温度は、通常８００〜１０００℃であ
るが、必要に応じ２３００℃まで昇温して炭素質成分を
半黒鉛化状態に転化させる。しかし、これ以上の高温に
なるとセラミックス成分が分解するため２３００℃を上
限温度とする必要がある。

【００１５】

【作用】本発明によれば、炭素源原料として選択使用す
る特定範囲の組成性状を有するメソフェーズ質ピッチ粉
末が炭素化時における組織の緻密化と収縮挙動を巧みに
バランスさせ、焼成処理段階の組織損傷を生じることな
く高密度、高強度の複合組織を形成するために有効機能
する。ついで、メソフェーズ質ピッチ粉末とセラミック
ス粉末のスラリーを湿式粉砕する処理工程では、原料粉
末を５μm 以下に微細化するとともに安定した均質分散
系が形成され、これが得られる複合材質の均質組織化、
高密度および高強度特性の付与に効果的に寄与する。さ
らに、この段階ではメソフェーズ質ピッチに含有する低
沸点成分が有機溶媒中に抽出され、乾燥時に同時に揮散
除去されるため、焼成時の損傷原因が事前に除外される
という作用が営まれる。

【００１６】このような作用が相乗して、短時間の工程
を介して常に均質複合組織の高密度で高強度のセラミッ
クス−炭素系複合材を効率よく得ることが可能となる。
また製造工程が単純で大掛かりな装置を必要としないか
ら、大型材の工業生産にも極めて有利となる。

【００１７】

【実施例】

実施例１〜６、比較例１〜３組成性状の異なるメソフェーズ質ピッチ粉末〔川崎製鉄
（株）製、ＫＭＦＣシリーズ〕１００重量部に炭化珪素
粉末〔太平洋ランダム（株）製、ＧＭＦ−１５Ｓ〕９０
重量部を配合し、これを分散媒２００重量部と適度に混
合してスラリー化した。該スラリーを遊星式ボールミル
に入れ、公転数２００rpm 、自転数４００rpm の条件で
湿式粉砕処理を施した。湿式粉砕後のスラリーは、２０
０℃で８時間乾燥させて分散媒成分を除去した。

【００１８】表１に、用いたメソフェーズ質ピッチ粉末
の組成性状、セラミックス粉末の粒径、分散媒の種類、
湿式粉砕後の粒径等を示した。なお、表中の「Ｃ(%) 」
は炭素化収率(%) 、「ＱＳ(%) 」はキノリン可溶分(%)
、「ＭＰ(%) 」はメソフェーズ含有量(%) 、「Ｅt Ｏ
Ｈ」はエタノールを意味し、粒径は平均である。

【００１９】

【表１】

【００２０】ついで、乾燥した原料粉末を成形用ラバー
型に充填し、冷間静水圧プレスにセットして１tf/cm²の
静水圧をかけて直径１２０mm、長さ１２０mmの成形体を
成形した。この成形体を黒鉛坩堝に入れ、周囲をコーク
ス粉パッキングで被包して焼成電気炉にセットし、２０
℃／hrの昇温速度で１０００℃まで加熱して焼成処理を
施した。得られた炭化珪素−炭素系複合材（直径１００
mm、長さ１００mm) の焼成処理時の組織破損（焼成割
れ）の状況および嵩密度、曲げ強度を測定し、結果を表
２に示した。

【００２１】

【表２】

【００２２】表１および表２の結果から、本発明の要件
を満たす実施例によれば焼成時に損傷を生じることはな
く、得られたセラミックス−炭素系複合材はいずれも高
位の嵩密度ならびに曲げ強度を備えていることが判明す
る。また、材質の組織観察では、極めて均質な複合組織
であることが認められた。これに対し、本発明の要件を
外れる比較例では焼成割れが発生するか、得られるセラ
ミックス−炭素系複合材の密度、強度は共に著しく低い
ものであった。

【００２３】実施例７実施例３の炭化珪素粉末に代えて平均粒径７μm の窒化
珪素粉末を用い、その他は実施例３と同一条件で窒化珪
素−炭素系複合材を製造した。この場合にも焼成時に材
質損傷は発生せず、嵩密度１．９９g/cm³、曲げ強度１
６０MPa の均質な複合組織を呈していることが確認され
た。

【００２４】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば炭素源と
して特定のメソフェーズ質ピッチ粉末を用い、セラミッ
クス粉末との混合に湿式粉砕手段を適用することにより
常に高密度と高強度を兼備する均質組織のセラミックス
−炭素系複合材を安定して製造することができる。その
うえ、製造工程が簡単で大掛かりの装置設備を必要とし
ないから、例えばホットプレス用ダイスほか、耐熱衝撃
強度が要求される各種機能部材の工業的な製造手段とし
て有用である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１０００℃での炭素化収率が６５％以
上、キノリン可溶分２〜１５％、メソフェーズ含有量４
０％以上のメソフェーズ質ピッチ粉末にセラミックス粉
末を配合し、有機溶媒に分散させてスラリー化したのち
十分に湿式粉砕処理を施し、ついで乾燥後、加圧成形し
た成形体を非酸化性雰囲気中で８００〜２３００℃の温
度域で焼成処理することを特徴とするセラミックス−炭
素系複合材の製造方法。
【請求項２】処理後の平均粒径が５μm 以下になるま
で湿式粉砕処理をおこなう請求項１記載のセラミックス
−炭素系複合材の製造方法。