JPH0692733A - 炭化珪素発熱体の製造方法 - Google Patents

炭化珪素発熱体の製造方法

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JPH0692733A
JPH0692733A JP4271181A JP27118192A JPH0692733A JP H0692733 A JPH0692733 A JP H0692733A JP 4271181 A JP4271181 A JP 4271181A JP 27118192 A JP27118192 A JP 27118192A JP H0692733 A JPH0692733 A JP H0692733A
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JP
Japan
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silicon carbide
powder
nitrogen
heating element
nitride
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JP4271181A
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English (en)
Inventor
Akira Kondo
明 近藤
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Tokai Carbon Co Ltd
Original Assignee
Tokai Carbon Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡便なプロセスにより材質強度を損なわずに
多量の窒素固溶量を確保することができ、低い比抵抗を
備える炭化珪素発熱体を効率的に製造するための方法を
提供する。 【構成】 炭化珪素原料粉に、窒化珪素粉末1〜30重
量%と前記窒化珪素粉末の5〜30重量%相当量の炭素
粉末を混合し、バインダーとともに所定形状に成形した
のち、窒素ガス雰囲気中で1900〜2400℃の温度
により焼結処理する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、窒素固溶量が多く、低
位の電気比抵抗を備える炭化珪素発熱体の製造方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】炭化珪素は、良導電性の化合物半導体で
あり、材質的に優れた熱的および化学的な安定性を具備
しているため、高温電気炉用の発熱体として古くから有
用されている。一般に、炭化珪素発熱体は炭化珪素原料
粉に有機バインダーを混合し、所定形状に成形したのち
焼結処理して組織を再結晶SiCに転化させることによ
り製造されるが、炭化珪素のバンドギャップは約3eVと
広い関係で電気抵抗を通電可能なレベルまで引き下げる
必要がある。このためには、炭化珪素中に3族元素や5
族元素を固溶させる手段が有効とされている。
【0003】炭化珪素は、3族元素を固溶させるとP型
半導体となり、また5族元素を固溶させた場合にはN型
半導体となる。このうちP型半導体のキャリアはホール
であり、N型半導体のキャリアは電子であるが、電子は
ホールに比べて一般に移動度が速いため、5族元素を固
溶させてN型半導体とした方が比抵抗を下げるためには
有効である。炭化珪素に固溶可能な5族元素としては、
窒素、リン、ヒ素、アンチモンまたはビスマスのような
窒素族が挙げられるが、この中では窒素が最も固溶し易
く、固溶限界も高い。このため、炭化珪素の電気抵抗を
下げる目的で組織中に窒素を固溶させる試みが提案され
ている。
【0004】例えば、特公昭57−18682号公報に
は炭化珪素を窒素雰囲気中で焼結する方法が示され、同
様に特開昭52−110499号公報には炭化珪素を窒
素雰囲気中でホットプレス焼結する方法が開示されてい
る。しかし、単に窒素ガス中で焼結するだけでは窒素の
固溶化は円滑に進まず、比抵抗を十分に低減させること
はできない。特公昭64−4312号公報では窒素の固
溶度合を増大させるため、炭化珪素焼結時の窒素ガス圧
を80〜500気圧まで高め、窒素を強制的に固溶させ
る方法が記載されている。この方法によれば窒素固溶量
が増大するため炭化珪素の電気比抵抗を効果的に低下さ
せることが可能となるが、前記条件の窒素ガス圧を確保
するには例えば熱間静水圧プレス(HIP)のような高
価な装置を適用しなければならず、設備やコストなどの
面で工業的手段としての難点がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は、このよう
な実情に鑑み、炭化珪素に対する窒素固溶度合を高める
ための簡便な手段について多角的な研究を進めた結果、
発熱体の製造時に炭化珪素原料粉に特定量の窒化物と炭
素の粉末を混合し、更に特定された条件で焼結処理をお
こなうと、特別な装置設備を必要とせずに窒素固溶量を
効果的に増大することができ、材質強度を損ねることな
しに炭化珪素発熱体の比抵抗低下を図ることができるこ
とを解明した。
【0006】本発明はかかる知見に基づいて開発された
もので、その目的は、簡便なプロセスにより材質強度を
損ねずに多量の窒素固溶量を確保することができる低比
抵抗性の炭化珪素発熱体を効率的に製造するための方法
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
めの本発明による炭化珪素発熱体の製造方法は、炭化珪
素原料粉に、窒化物粉末1〜30重量%と前記窒化物粉
末の5〜30重量%に相当する量の炭素質粉末を混合
し、バインダーとともに所定形状に成形したのち、窒素
ガス雰囲気中で1900〜2400℃の温度により焼結
処理することを構成上の特徴とする。
【0008】本発明の炭化珪素原料粉には、通常、炭化
珪素発熱体の製造に使用されている粒径100μm 以下
のα型結晶系微粉末が用いられる。この炭化珪素原料粉
に対しては、予め窒化物粉末と炭素粉末が添加混合され
る。窒化物粉末としては、酸窒化珪素(Si2N2O)、窒化珪
素(Si3N4) などの微細粉末が対象となるが、分解温度が
余り高いと操作が煩雑となり、円滑な窒素固溶化が困難
となる。なお、窒化物でも窒化硼素(BN)や窒化アルミニ
ウム(AlN) のように3族元素を含むものは、N型半導体
を補償するため本発明の目的には好ましくない。本発明
の目的に最も好適な窒化物粉末は、窒化珪素の粉末であ
る。この理由は、窒化珪素は分解温度(約1900℃)
が比較的低いうえ、分解時に窒素と共に生成する珪素成
分が炭素粉末と化合して炭化珪素となり、これが炭化珪
素基材の組織を緻密化する機能を営むので、窒素の固溶
化と同時に材質強化を図ることができるからである。一
方、炭素質粉末には特に限定はなく、例えばコークス
粉、炭素粉、黒鉛粉またはカーボンブラックなどが使用
される。
【0009】窒化物粉末は、炭化珪素原料粉に対し1〜
30重量%の範囲で添加される。この添加量が1重量%
未満であると分解生成する窒素の量が少なくなって比抵
抗を低めるに十分な窒素固溶量が確保できず、30重量
%を越えると逆に窒化物の分解量が多くなって材質強度
の劣化を招く。また、炭化珪素原料粉に対する炭素質粉
末の添加比率は、前記した窒化物粉末の5〜30重量%
に相当する量の範囲に設定する。これは添加量が5重量
%を下廻ると窒化物の分解によって生成した基材成分
(例えば珪素)が未反応物として残留し、30重量%を
越えると余剰の炭素質物質が残留して共に材質特性に悪
影響を与えるためである。
【0010】炭化珪素原料粉、窒化物粉末および炭素質
粉末は十分に撹拌混合したのち、ポリビニルアルコール
のような有機バインダーおよび水と混練し、押出、型込
などの手段を用いて所定の形状に成形する。
【0011】ついで、成形体を窒素ガス雰囲気に保持さ
れて加熱炉に移し、1900〜2400℃の温度で焼結
処理を施す。加熱炉の系内を窒素ガス雰囲気を保持しな
いと窒化物の分解により生成した窒素が炉内に拡散して
しまい、結果的に窒素固溶量が減退する。焼結処理温度
は1900℃未満であると窒化物の分解が起生せず、成
形体の焼結化も円滑に進行しなくなり、2400℃を越
えると炭化珪素自体が分解して焼結体にならなくなる。
【0012】
【作用】本発明による窒素固溶化の機能を、窒化物粉末
として窒化珪素を用いた場合を例にとって説明すると以
下のようになる。まず、炭化珪素原料粉に混合した窒化
珪素粉末は焼結処理工程で1900℃以上に加熱される
と式(1) の反応を起こして分解する。 Si3 4 → 3Si+4N …(1) 生成したSiは混合した炭素質粉末と反応し、式(2) に
より炭化珪素に転化する。 3Si+3C → 3SiC …(2) 上記の式(1) と式(2) をまとめると、下記の式(3) のよ
うになる。 Si3 4 +3C → 3SiC+4N …(3)
【0013】ここで分解生成した原子状の窒素は、雰囲
気系に存在する窒素(N2)とは挙動を異にし、炭化珪素原
料の焼結粒成長が進む過程や前記の反応でSiCが生成
する際に炭素質粉末と置換して極めて円滑に炭化珪素焼
結組織内に固溶する。このため、焼結処理段階の窒素ガ
ス雰囲気が常圧付近であっても、大量の窒素固溶化が可
能となる。同時に、反応生成したSiCは炭化珪素焼結
体の組織内部に分散して組織の緻密化に寄与し、材質強
度を向上させる作用を営む。
【0014】これらの作用が相乗して、高水準の材質強
度を維持しながら効率的に窒素固溶化が進行し、その結
果として得られる炭化珪素発熱体の電気比抵抗を効果的
に低下させる効果がもたらされる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。
【0016】実施例1〜3、比較例1〜4 平均粒径5μm のα型炭化珪素粉末に、窒化珪素粉末
(平均粒径0.5μm )と炭素粉末(粒径2μm)を添加
量を変えて撹拌混合し、これにポリビニルアルコールか
らなるバインダ1重量%および水20重量%を加えて十
分に混練した。この混練物を直径15mm、長さ50mmの
円柱成形体に押出し成形した。ついで、成形体を乾燥し
たのち加熱炉に入れ、系内を1.3atm の窒素ガス雰囲
気に保持しながら2100℃に昇温し、この温度で1時
間焼結処理を施した。このようにして得られた炭化珪素
焼結体の窒素固溶量、電気比抵抗(常温)および曲げ強
度等の特性を測定し、その結果を製造時の変動条件と対
比させて表1に示した。
【0017】比較例5 窒化珪素粉末および炭素粉末を混合しない外は全て実施
例2と同一条件により炭化珪素発熱体を製造した。この
焼結体の各種特性を測定し、結果を表1に併載した。
【0018】比較例6〜7 実施例2において、焼結処理温度を1800℃と250
0℃に変え、その他の条件は全て同一にして炭化珪素焼
結体を製造した。この焼結体の各種特性を測定し、結果
を表1に併載した。
【0019】比較例8 実施例2において、焼結処理時の炉内雰囲気を1.3at
m のアルゴン雰囲気に変え、その他の条件は全て同一に
して炭化珪素焼結体を製造した。この焼結体の各種特性
を測定し、結果を表1に併載した。
【0020】
【表1】
【0021】表1の結果から、実施例による各炭化珪素
焼結体は窒化珪素粉末および炭素粉末を混合しない比較
例5と比べて明らかに窒素固溶量が増え、比抵抗も低下
している。そのうえ、曲げ強度も高水準にあるから発熱
体として好適な特性が付与されている。これに対し、窒
化珪素粉末の添加量が少ない比較例1、焼結処理温度が
低い比較例6および炉内雰囲気がアルゴンである比較例
8では、窒素固溶量が少なくて比抵抗を低下させること
ができず、窒化珪素の添加量が多い比較例2では材質の
曲げ強度が極端に減退している。また、焼結処理温度が
高い比較例7では焼結体を構成する炭化珪素が形態を留
めないほど分解していた。炭素粉末の添加量が限定範囲
より少ない比較例3と多い比較例4では、焼結体の特性
データは良好な結果を示したが、前者は未反応の珪素が
残留しているため通電発熱時に珪素溶融温度域で著しい
抵抗増と強度低下の現象が認められ、後者は未反応の炭
素粉末が残留することから通電発熱時に炭素の酸化に伴
う抵抗増を生じ、いずれも発熱体としては不適格であっ
た。
【0022】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば予め炭化
珪素原料粉に特定量の窒化物粉末と炭素質粉末を添加混
合することにより簡便なプロセスを介して材質強度を高
水準に維持しながら窒素固溶量が多く、電気比抵抗の低
い炭化珪素発熱体を効率よく製造することができる。し
たがって、高性能な高温炉用炭化珪素発熱体の工業的な
製造技術として有用である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭化珪素原料粉に、窒化物粉末1〜30
    重量%と前記窒化物粉末の5〜30重量%に相当する量
    の炭素質粉末を混合し、バインダーとともに所定形状に
    成形したのち、窒素ガス雰囲気中で1900〜2400
    ℃の温度により焼結処理することを特徴とする炭化珪素
    発熱体の製造方法。
  2. 【請求項2】 窒化物が窒化珪素である請求項1記載の
    炭化珪素発熱体の製造方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3733678A1 (de) * 1986-11-04 1988-05-19 Toyota Motor Co Ltd Ansaugvorrichtung fuer eine brennkraftmaschine
JP2001130965A (ja) * 1999-10-28 2001-05-15 Bridgestone Corp 炭化ケイ素焼結体の製造方法
JP2010126427A (ja) * 2008-12-01 2010-06-10 Tokai Konetsu Kogyo Co Ltd 炭化珪素発熱体端部の製造方法および炭化珪素発熱体端部
JP2011084451A (ja) * 2009-10-19 2011-04-28 Tokyo Yogyo Co Ltd 導電性炭化珪素質多孔体の製造方法

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