JPH0776159B2 - Method for manufacturing silicon carbide whiskers - Google Patents
Method for manufacturing silicon carbide whiskersInfo
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- JPH0776159B2 JPH0776159B2 JP26191088A JP26191088A JPH0776159B2 JP H0776159 B2 JPH0776159 B2 JP H0776159B2 JP 26191088 A JP26191088 A JP 26191088A JP 26191088 A JP26191088 A JP 26191088A JP H0776159 B2 JPH0776159 B2 JP H0776159B2
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、炭化珪素ウィスカーの製造方法、特には1μ
m以上の直径を有する太径炭化珪素ウィスカーの製造方
法に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide whisker, particularly 1 μm.
The present invention relates to a method for manufacturing a large diameter silicon carbide whisker having a diameter of m or more.
従来の技術 炭化珪素ウィスカーは、他の複合材料用繊維に比べ、強
度,弾性率,耐酸化性,耐熱性,化学的安定性に優れて
いることから、セラミックス,金属,プラスチックスな
どの複合強化材として注目を集めている。Conventional technology Silicon carbide whiskers are superior in strength, elastic modulus, oxidation resistance, heat resistance, and chemical stability compared to other composite material fibers, so that composite reinforcement of ceramics, metals, plastics, etc. Has attracted attention as a material.
この場合、金属やプラスチックスをマトリックスとする
複合材における炭化珪素ウィスカーの役割は、強度,弾
性率,耐摩耗性を向上させることであるのに対し、セラ
ミックスに対する炭化珪素ウィスカーの複合効果は、複
合材料の破壊靭性値を向上させることにあり、セラミッ
クス複合材料の破壊に対する信頼性向上を主な目的とし
ている。このようなセラミックス複合材料用のウィスカ
ーに特に要求される物性値として第一に挙げられるもの
は、複合材料中のクラックの進展に対して破壊されない
だけの強度に対応した断面径を有するウィスカーにある
ことで、ウィスカー径は太い方が破壊靭性値が向上す
る。このため、かかるセラミックス複合材料用の炭化珪
素ウィスカーとしては、特に1μm以上の直径を有する
ものが望まれている。In this case, the role of the silicon carbide whiskers in the composite material using metal or plastics as a matrix is to improve strength, elastic modulus, and wear resistance, whereas the composite effect of silicon carbide whiskers on ceramics is The purpose is to improve the fracture toughness value of the material, and the main purpose is to improve the reliability of the ceramic composite material against fracture. The first physical property value particularly required for such a whisker for a ceramic composite material is a whisker having a cross-sectional diameter corresponding to the strength that is not destroyed by the progress of cracks in the composite material. Therefore, the larger the whisker diameter, the higher the fracture toughness value. Therefore, a silicon carbide whisker for such a ceramic composite material is particularly desired to have a diameter of 1 μm or more.
従来、炭化珪素ウィスカーの製造方法は、大別して、
(A)高温高圧下で液体状炭化珪素から晶析させる方
法、(B)金属珪素の融液中に炭素を溶解し、炭化珪素
を結晶化させる方法、(C)炭化珪素粉末から炭化珪素
を高温で昇華させて結晶化させる方法、(D)珪素化合
物の熱分解反応によって生成する炭化珪素を結晶として
成長させる方法が知られている。Conventionally, the manufacturing method of the silicon carbide whiskers is roughly classified into
(A) A method of crystallizing from liquid silicon carbide under high temperature and high pressure, (B) a method of dissolving carbon in a melt of metallic silicon to crystallize silicon carbide, and (C) silicon carbide from silicon carbide powder. Known methods include sublimation at high temperature to crystallize and (D) growth of silicon carbide produced by thermal decomposition reaction of a silicon compound as crystals.
しかしながら、このうちの(A),(B)の方法は極め
て高温,高圧又は金属融液を使用するため、製造設備面
から製造に大きな困難を伴い、また(C)の方法も操作
温度が極めて高温である上、操作が容易でなく、しかも
設備が複雑で製造したウィスカーの分別採集が困難であ
り、従って(A)〜(C)の方法はいずれも工業的製法
としての致命的欠陥を持っている。However, among these methods (A) and (B), since extremely high temperature, high pressure, or a metal melt is used, there is great difficulty in production from the viewpoint of production equipment, and the method (C) has an extremely high operating temperature. Since the temperature is high, the operation is not easy, and the equipment is complicated, it is difficult to separately collect the manufactured whiskers. Therefore, all of the methods (A) to (C) have fatal defects as an industrial manufacturing method. ing.
従って、現在に至る炭化珪素の製造方法としては、前記
(D)の種々の熱分解反応によって炭化珪素を生成させ
ながらウィスカー状に析出させるという方法が主流であ
り、この方法につき更に様々な方法が提案されている。
即ち、前記(D)の方法として、(1)二酸化珪素を炭
素あるいは金属珪素と炭素で固相還元する方法、(2)
有機珪素化合物又は珪素化合物と炭素質化合物との混合
物をガス状として高温で反応させる方法、(3)含フッ
素けい酸塩との反応による気相成長法が知られている。Therefore, as a method for producing silicon carbide up to the present, the method of (D) precipitating in a whisker shape while producing silicon carbide by various thermal decomposition reactions is the mainstream, and there are various methods for this method. Proposed.
That is, as the method (D), (1) a method of solid-phase reducing silicon dioxide with carbon or metallic silicon and carbon, (2)
Known is a method of reacting an organosilicon compound or a mixture of a silicon compound and a carbonaceous compound in a gaseous state at a high temperature, and (3) a vapor phase growth method by a reaction with a fluorine-containing silicate.
このうち(2)及び(3)の気相で炭化珪素ウィスカー
を製造する方法は、その反応条件を適当に選定すること
によってウィスカーの径が1μm以上のものを製造する
ことが可能な方法である。しかしながら、これらの方法
のうち、(2)の方法は気相で反応を行なうため、反応
室の単位体積当り製造し得る炭化珪素ウィスカーの量が
極めて低く、かつ、高温反応であるため、工業的規模の
製造に際しては大容量の反応室内を高温に維持する必要
があるほか、腐食性の反応副生物が生成されるなどの問
題がある。また、(3)の方法は、含フッ素けい酸塩を
溶融し、これに添加した炭素によって還元反応を行な
い、発生する蒸気を冷却して炭化珪素ウィスカーを生成
させるもので、この(3)の方法も気相反応を利用して
いる点から前記(2)の方法と同様の問題点を抱え、更
には大量の溶融塩を取り扱う必要があり、製造設備の材
質が大きく制限されたり、製造した炭化珪素ウィスカー
にこれら溶融塩が不純物として混入するなどの問題が生
じ、炭化珪素ウィスカーの工業的製法としては好ましく
ない。Among these, the methods (2) and (3) for producing silicon carbide whiskers in the vapor phase are methods capable of producing whiskers having a diameter of 1 μm or more by appropriately selecting the reaction conditions. . However, of these methods, the method (2) performs the reaction in the gas phase, so that the amount of silicon carbide whiskers that can be produced per unit volume of the reaction chamber is extremely low and the reaction is performed at high temperature, which is an industrial problem. In the case of large-scale production, it is necessary to maintain a high temperature in a large-capacity reaction chamber, and there are problems that corrosive reaction by-products are generated. In the method (3), the fluorine-containing silicate is melted, a reduction reaction is performed by the carbon added thereto, and the generated steam is cooled to generate silicon carbide whiskers. Since the method also uses the gas phase reaction, it has the same problems as the method of the above (2), and it is necessary to handle a large amount of molten salt, which greatly limits the material of the manufacturing equipment or Problems such as the inclusion of these molten salts as impurities in the silicon carbide whiskers occur, which is not preferable as an industrial manufacturing method for the silicon carbide whiskers.
これに対し、(1)の固相還元を利用する方法は入手し
やすい二酸化珪素を始発剤とするものであって、工業的
規模の炭化珪素ウィスカーの製造も容易である。この
(1)の方法で炭化珪素ウィスカーを製造するための珪
素源原料については種々の検討がなされ、例えば(a)
稲科植物の籾殻中に存在する珪素分を原料とする方法、
(b)けい砂を原料とする方法、(c)シラスやガラス
屑を原料とする方法、(d)シリカゾル,シリカゲルな
どのような高比表面積の活性なシリカを原料とする方法
などが知られている。On the other hand, the method (1) of utilizing solid-phase reduction uses silicon dioxide, which is easily available, as a starting agent, and the production of industrial-scale silicon carbide whiskers is easy. Various studies have been conducted on the silicon source material for producing the silicon carbide whiskers by the method (1), and for example, (a)
A method of using the silicon content present in rice husks of rice plants as a raw material,
(B) A method using silica sand as a raw material, (c) a method using shirasu or glass waste as a raw material, (d) a method using active silica having a high specific surface area such as silica sol or silica gel as a raw material is known. ing.
また、L.Patricらにより、上記(1)の方法による炭化
珪素ウィスカーの製造に対し、触媒としてCr,Al,Fe,Co,
Cu,Si,Auが有効であることは知られており、これらの金
属や金属化合物、更にはNi等の遷移金属を中心とした種
々の金属及びこれらの金属化合物の添加が提案されてい
る(例えば特公昭50−18479号公報、特開昭61−22000号
公報、同63−159300号公報)。In addition, according to L. Patric et al., For the production of silicon carbide whiskers by the method of the above (1), Cr, Al, Fe, Co,
It is known that Cu, Si and Au are effective, and addition of these metals and metal compounds, and various metals centering on transition metals such as Ni and addition of these metal compounds have been proposed ( For example, JP-B-50-18479, JP-A-61-22000, and JP-A-63-159300).
しかしながら、工業的に有利な製法である上記(1)の
固相還元法では、上述のいずれの方法でも径が1μmを
超える炭化珪素ウィスカーを得ることは極めて困難であ
り、生成したとしても原料層の上部や空隙などの特定部
位にのみ若干成長することが認められた程度であった。However, it is extremely difficult to obtain a silicon carbide whisker having a diameter of more than 1 μm by any of the above-mentioned methods by the solid-phase reduction method (1) which is an industrially advantageous production method, and even if it is produced, the raw material layer It was only observed that it grew a little only in specific parts such as the upper part and the voids.
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、セラミックス
に複合してセラミックスの破壊靭性値を向上させるため
に望まれる1μm以上の直径を有し、しかも粉粒状炭化
珪素が少なく純度の高い炭化珪素ウィスカーを多量、安
価に製造できる製造方法を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and has a diameter of 1 μm or more desired to improve the fracture toughness value of a ceramic compounded with ceramics, and has a small amount of powdery silicon carbide and a high purity silicon carbide whisker. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method capable of manufacturing a large amount of lactic acid at low cost.
課題を解決するための手段及び作用 本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた
結果、前記(1)の固相還元方法をベースとする珪素源
原料と炭素原料との混合物を1400〜1800℃で反応させて
炭化珪素ウィスカーを製造する方法において、上記珪素
源原料を平均粒径50〜1000μmの粒状形とし、かつ該珪
素源原料中の珪素原子に対して鉄原子を25〜5000ppm、
コバルト原子とニッケル原子との合計を200ppm以下とな
るように上記混合物中に含有させることにより、1μm
以上の直径を有し、しかも粉粒状炭化珪素が少なく純度
の高い炭化珪素ウィスカーを多量、安価に製造できるこ
とを知見した。Means and Actions for Solving the Problems As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned object, the present inventor has found that a mixture of a silicon source raw material and a carbon raw material based on the solid-phase reduction method of the above (1) is used. In the method for producing silicon carbide whiskers by reacting at 1400 to 1800 ° C., the silicon source raw material is formed into a granular form having an average particle size of 50 to 1000 μm, and iron atoms are added to the silicon atoms in the silicon source raw material at 25 to 5000ppm,
When the total of cobalt atoms and nickel atoms is contained in the above mixture so as to be 200 ppm or less, 1 μm
It has been found that a silicon carbide whisker having the above diameter and having a small amount of powdery silicon carbide and high purity can be manufactured in large quantities at low cost.
即ち、本発明者はウィスカーが発生、成長する機構を検
討した結果、珪素源原料と炭素原料とが反応して生ずる
炭化珪素ウィスカーの生成は、珪素源原料と炭素原料と
が接触している場所が重要であり、珪素源原料,炭素原
料が反応によりガス化あるいは昇華して固相−気相又は
気相−気相反応により起こるとされ、従来は反応収率を
高めるため珪素源原料を微粒子として使用していたもの
であるが、むしろ珪素源原料の粒径を大きくすると同一
重量の微粉珪素源原料よりも表面積が小さくなるため
に、反応に供される珪素成分の放出速度が遅くなり、反
応が徐々に進行する結果、生成するウィスカーの径も一
般的に大きくなり、この珪素源原料の平均粒径を50〜10
00μmの粒状形とすることにより、効率的に1μm以上
の炭化珪素ウィスカーが得られることを知見した。That is, as a result of examining the mechanism by which whiskers are generated and grown, the present inventor found that silicon carbide whiskers produced by the reaction between a silicon source material and a carbon material are generated at a place where the silicon source material and the carbon material are in contact with each other. Is important, and it is said that the silicon source raw material and the carbon raw material are gasified or sublimated by the reaction to cause solid phase-gas phase or gas phase-gas phase reaction. However, when the particle size of the silicon source raw material is increased, the surface area becomes smaller than that of the finely divided silicon source raw material of the same weight, so the release rate of the silicon component used in the reaction becomes slower, As a result of the gradual progress of the reaction, the diameter of the generated whiskers generally becomes large, and the average particle diameter of the silicon source material is set to 50 to 10
It was found that a silicon carbide whisker having a particle size of 1 μm or more can be efficiently obtained by forming a granular shape of 00 μm.
また、本発明者は、鉄,コバルト,ニッケルを前述
(1)の反応系へ含有させるとウィスカー製造には有効
であることは知られているが、これらの元素が生成する
ウィスカーの径に与える影響について検討を行ない、鉄
はウィスカーの大径化を促進する元素である一方、逆に
コバルトとニッケルは共に大径化を阻害する元素である
ことを見い出し、更に珪素原子に対して鉄を25〜5000pp
m、コバルトとニッケルとの合計量を200ppm以下となる
ように反応系の含有量を調整することにより、上記珪素
源原料を粒状形とすることと合わせて、効率的に1μm
以上の炭化珪素ウィスカーが得られることを知見し、本
発明をなすに至った。Further, the present inventor has known that the addition of iron, cobalt, and nickel to the reaction system of the above (1) is effective in the production of whiskers, but these elements contribute to the diameter of the whiskers formed. After studying the effect, it was found that iron is an element that promotes the increase in diameter of whiskers, while cobalt and nickel are both elements that inhibit the increase in diameter. ~ 5000pp
By adjusting the content of the reaction system so that the total amount of m, cobalt, and nickel is 200 ppm or less, the silicon source raw material is made into a granular form, and the efficiency is 1 μm.
The inventors have found that the above silicon carbide whiskers can be obtained, and have completed the present invention.
以下、本発明につき更に詳しく説明する。Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
本発明方法に使用される珪素源原料としては、反応時の
1400〜1800℃という温度下で液相とならない固体物質で
あれば特に制限はなく、けい砂,シリカゲル,金属珪
素,二珪化モリブデン等が挙げられる。即ち、本発明は
珪素源原料を所定の粒径の粒状形として使用することが
1つの特徴であり、もし珪素源原料が反応温度下におい
て溶融し、固相から液相へ相変化をすれば、所定の粒径
の粒状形とした珪素源原料が融けて本発明の効果を発揮
し得ないものである。なお、珪素源原料を構成する珪
素、炭素以外の不純物が含まれると、この不純物が炭化
珪素ウィスカー中に取り込まれて純度を低下させてしま
うことがあるので、珪素源原料は純度の高い事が好まし
い。The silicon source material used in the method of the present invention is
There is no particular limitation as long as it is a solid substance that does not become a liquid phase at a temperature of 1400 to 1800 ° C, and examples thereof include silica sand, silica gel, metallic silicon, molybdenum disilicide and the like. That is, one feature of the present invention is that the silicon source material is used in a granular form having a predetermined particle size. If the silicon source material melts at the reaction temperature and undergoes a phase change from a solid phase to a liquid phase. However, the granular silicon source material having a predetermined particle size is melted and the effect of the present invention cannot be exhibited. If impurities other than silicon and carbon that constitute the silicon source material are contained, the impurities may be taken into the silicon carbide whiskers and reduce the purity. Therefore, the silicon source material may have high purity. preferable.
特に製造される炭化珪素ウィスカーの収率及び粉粒状炭
化けい素含量の抑制といった点からは一般式 RaSiCl4-a (式中Rは水素原子又は一価炭化水素基、aは0〜3の
整数) で表されるクロロシラン類及び一般式 RbSi2Cl6-b (式中Rは水素原子又は一価炭化水素基、bは1〜5の
整数) で表されるクロロジシラン類の単独又は混合物を加水分
解して得られる加水分解生成物が好ましい。なお、これ
らのクロロシラン類、ジクロロシラン類はシリコーン工
業で通常的に製造され、あるいは副生するもので安価で
あり、蒸留により容易に高純度化できる利点がある。In particular, in terms of the yield of silicon carbide whiskers to be produced and the suppression of the content of powdery silicon carbide, the general formula R a SiCl 4-a (wherein R is a hydrogen atom or a monovalent hydrocarbon group, and a is 0 to 3). And an chlorodisilane represented by the general formula R b Si 2 Cl 6-b (wherein R is a hydrogen atom or a monovalent hydrocarbon group, b is an integer of 1 to 5) A hydrolysis product obtained by hydrolyzing a single substance or a mixture is preferable. These chlorosilanes and dichlorosilanes are usually produced in the silicone industry or are by-produced, are inexpensive, and have the advantage that they can be easily purified to a high degree by distillation.
上記クロロシラン類としては、CH3SiCl3,(CH3)2SiC
l2,(CH3)3SiCl,(CH2=CH)SiCl3,C6H5SiCl3,HSiCl3,
H2SiCl2,SiCl4などが例示され、また、クロロジシラン
類としては、(CH3)Si2Cl5,(CH3)2Si2Cl4,(CH3)3S
i2Cl3,(C6H5)3Si2Cl3などが例示される。なお、この
クロロシラン類又はクロロジシラン類は上記一般式にお
けるa値が0〜3、b値が1〜5の範囲で変化したもの
が各種得られる。これらのクロロシラン類及びクロロジ
シラン類は、通常鉄,コバルト,ニッケル成分をはじめ
とする金属不純物を含有しており、珪素源原料に使用す
る場合の鉄,コバルト,ニッケル成分の濃度管理の面か
ら珪素源原料を得るための原料として使用するのに先立
ち、単蒸留又は蒸留精製法等の方法により前記金属不純
物を除去することができる。Examples of the above chlorosilanes include CH 3 SiCl 3 and (CH 3 ) 2 SiC
l 2 , (CH 3 ) 3 SiCl, (CH 2 = CH) SiCl 3 , C 6 H 5 SiCl 3 , HSiCl 3 ,
H 2 such as SiCl 2, SiCl 4 are exemplified, and as the chloro disilanes, (CH 3) Si 2 Cl 5, (CH 3) 2 Si 2 Cl 4, (CH 3) 3 S
i 2 Cl 3, is exemplified and (C 6 H 5) 3 Si 2 Cl 3. As the chlorosilanes or chlorodisilanes, various kinds of chlorosilanes or chlorodisilanes having a value of 0 to 3 and b value of 1 to 5 in the above general formula are obtained. These chlorosilanes and chlorodisilanes usually contain metallic impurities such as iron, cobalt and nickel components, and when used as a silicon source raw material, silicon is used in view of concentration control of iron, cobalt and nickel components. The metal impurities can be removed by a method such as a simple distillation method or a distillation / purification method before being used as a raw material for obtaining a source raw material.
なお、珪素源原料として使用されるシラン類の加水分解
生成物は、上記クロロシラン類、クロロジシラン類のガ
ス又は液体を直接水に接触することにより、容易に加水
分解されてその≡Si−Cl結合は≡Si−O結合に変化し、
珪素及び酸素を主成分とする加水分解生成物になる。こ
のようにして得られた加水分解生成物は必要に応じてpH
調整、乾燥処理してから次工程に送られる。The hydrolysis product of silanes used as a silicon source material is easily hydrolyzed by directly contacting the gas or liquid of the above-mentioned chlorosilanes or chlorodisilanes with water to form the ≡Si-Cl bond. Changes to ≡Si-O bond,
It becomes a hydrolysis product containing silicon and oxygen as main components. The hydrolysis product thus obtained may be
After being adjusted and dried, it is sent to the next step.
本発明に係る珪素源原料は、反応表面積を小さくするた
めに粒状形にして反応に供するものであるが、この粒状
形の平均粒径は50〜1000μmとすることが必要であり、
特に100〜500μmとすることが好ましい。平均粒径が50
μmより小さいと生成するウィスカーの径が1μm以下
となり、1000μmを超えると反応の速度が極度に低下
し、生産性、珪素の炭化珪素への転化率が低下し、いず
れも本発明の目的を達し得ない。従って、珪素源原料の
径が1000μm以上の場合は粉砕し、50μm以下であれば
造粒して50〜1000μmの粒径をもつ粒状形として反応に
供することが必要である。なお、造粒する場合、ウィス
カー生成を阻害しない程度に必要に応じて粘結剤を用い
ることは差し支えない。The silicon source material according to the present invention is used in the reaction in a granular form in order to reduce the reaction surface area, and it is necessary that the average grain size of the granular form is 50 to 1000 μm.
It is particularly preferable that the thickness is 100 to 500 μm. Average particle size is 50
If it is smaller than μm, the diameter of the whiskers to be formed becomes 1 μm or less, and if it exceeds 1000 μm, the reaction rate is extremely lowered, the productivity and the conversion rate of silicon to silicon carbide are lowered, and both reach the object of the present invention. I don't get it. Therefore, when the diameter of the silicon source material is 1000 μm or more, it is necessary to pulverize it, and when it is 50 μm or less, it is necessary to granulate and use it as a granular form having a particle size of 50 to 1000 μm for the reaction. In the case of granulating, a binder may be used if necessary so long as it does not inhibit whisker formation.
また、本発明方法に使用される炭素原料としては、アセ
チレンブラック,ファーネスブラック等のカーボンブラ
ック、活性炭,木炭などの炭素成分により構成されてい
るもの、フェノール樹脂等、加熱により容易に炭素化す
るもののいずれをも使用することができる。ここで、炭
素源原料としては反応に寄与するのが固体表面であるこ
とから粉状の炭素原料が望ましい。中でも高比表面積で
活性度の高いカーボンブラックや粉状活性炭が望まし
い。The carbon raw material used in the method of the present invention includes carbon blacks such as acetylene black and furnace black, carbonaceous components such as activated carbon and charcoal, and phenolic resins which are easily carbonized by heating. Either can be used. Here, as the carbon source material, a powdery carbon material is desirable because it is the solid surface that contributes to the reaction. Of these, carbon black and powdered activated carbon having a high specific surface area and high activity are preferable.
更に、上述した珪素源原料と炭素原料との混合物原料
は、両者をV型混合機やパドル型混合機などを使用した
公知の方法により得ることができるが、収率向上の面か
ら両者を十分均一に混合することが好ましい。Further, the above-mentioned raw material of the mixture of the silicon source raw material and the carbon raw material can be obtained by a known method using a V-type mixer or a paddle-type mixer, but both of them are sufficiently improved from the viewpoint of yield improvement. It is preferable to mix uniformly.
本発明方法は上述した珪素源原料と炭素原料よりなる混
合原料中に含まれる鉄,コバルト,ニッケルな各元素の
含有量を調整するものであり、これらは径の太い炭化珪
素ウィスカーを製造する際に強く影響を与える元素であ
る。即ち、鉄は炭化珪素ウィスカーの大径化を促進する
元素であり、鉄の含有量が原料中の珪素原子に対し25pp
m以上あればその効果を発揮し始める。しかし、鉄の含
有量が5000ppmより多いと炭化珪素ウィスカーが屈曲し
た形態となってしまうので、鉄原子の含有量は原料中の
珪素原子に対し25〜5000ppmとする必要があり、特に50
〜2000ppmが好ましい。一方逆に、コバルト,ニッケル
は共に炭化珪素ウィスカーの大径化を阻害する元素で、
コバルトとニッケル各元素の合計含有量が原料中の珪素
原子に対し200ppmを超えると炭化珪素ウィスカーの大径
化は阻害されるので、コバルトとニッケルの各元素の合
計含有量は原料中の珪素原子に対し200ppm以下である必
要があり、特に100ppm以下であることが好ましい。The method of the present invention adjusts the content of each element such as iron, cobalt, and nickel contained in the mixed raw material composed of the above-mentioned silicon source raw material and carbon raw material, and these are used for producing a silicon carbide whisker having a large diameter. Is an element that strongly affects That is, iron is an element that promotes an increase in the diameter of silicon carbide whiskers, and the iron content is 25 pp relative to the silicon atoms in the raw material.
If it is more than m, it will start to exert its effect. However, if the iron content is more than 5000 ppm, the silicon carbide whiskers will be in a bent form, so the content of iron atoms must be 25 to 5000 ppm relative to the silicon atoms in the raw material, especially 50
~ 2000 ppm is preferred. On the other hand, on the contrary, both cobalt and nickel are elements that prevent the diameter of silicon carbide whiskers from increasing.
If the total content of each element of cobalt and nickel exceeds 200 ppm with respect to the silicon atoms in the raw material, the increase in diameter of silicon carbide whiskers is hindered, so the total content of each element of cobalt and nickel is the silicon atom in the raw material. However, it is necessary to be 200 ppm or less, and particularly preferably 100 ppm or less.
従って、鉄の含有量が25ppmに達しない場合は、前記含
有量となるよう添加し、逆に鉄の含有量が5000ppm、コ
バルトとニッケルの合計含有量が200ppmを超える場合に
は、物理的又は化学的にこれら成分の一部を除去して前
記含有量範囲となるよう調整する必要がある。Therefore, when the content of iron does not reach 25 ppm, it is added so as to have the above content, on the contrary, when the content of iron is 5000 ppm, the total content of cobalt and nickel exceeds 200 ppm, the physical or It is necessary to chemically remove a part of these components to adjust the content to the above range.
この場合に外部から供給するための鉄成分としては、鉄
の金属、合金、酸化物等の各種化合物を使用することが
できるが、本発明方法においては生成する炭化珪素ウィ
スカーの収率の向上や粉粒状炭化珪素の副生を抑制する
といった点から、特に珪素源原料に対して鉄成分が均一
に分布していることが好ましい。従って、鉄成分は液状
形態で使用することが好適であり、鉄成分の溶液により
珪素源原料やこれに炭素原料を加えた混合物原料を処理
した場合には、これら原料の表面に鉄成分を均一に付着
させることができ、高収率でしかも粉粒状炭化珪素含量
のより少ない単化珪素ウィスカーを得ることができる。In this case, various compounds such as iron metals, alloys, and oxides can be used as the iron component to be supplied from the outside, but in the method of the present invention, the yield of silicon carbide whiskers to be produced is improved and From the standpoint of suppressing the by-product of powdery silicon carbide, it is particularly preferable that the iron component be evenly distributed with respect to the silicon source material. Therefore, it is preferable to use the iron component in a liquid form, and when the silicon source raw material or the mixture raw material in which the carbon raw material is added to the raw material of the silicon source raw material is treated with the iron component solution, the iron component is uniformly distributed on the surface of these raw materials. It is possible to obtain silicon monoxide whiskers having a high yield and a lower content of powdery silicon carbide.
このようにして鉄,コバルト,ニッケル成分の含有量及
び珪素源原料の粒径が調整された珪素源原料と炭素原料
との混合物原料は、加熱反応により炭化珪素ウィスカー
とされる。この場合、この反応は不活性ガスのみの雰囲
気下で行なうこともできるが、好ましくは1〜100容量
%の水素ガスと不活性ガスとのガス雰囲気下で行なうこ
とが望ましい。この水素ガスの効果は珪素源原料として
クロロシラン類,クロロジシラン類の加水分解生成物を
使用した場合に特に顕著である。なお、窒素ガスは窒化
珪素が生成する可能性があるので、雰囲気ガス中に含ま
せないようにすることが望ましい。The mixture raw material of the silicon source raw material and the carbon raw material in which the contents of the iron, cobalt, and nickel components and the particle size of the silicon source raw material are adjusted in this manner are heated to form silicon carbide whiskers. In this case, this reaction can be carried out in an atmosphere of only an inert gas, but it is preferably carried out in a gas atmosphere of 1 to 100% by volume of hydrogen gas and an inert gas. The effect of this hydrogen gas is particularly remarkable when a hydrolysis product of chlorosilanes or chlorodisilanes is used as a silicon source material. Since nitrogen gas may generate silicon nitride, it is desirable not to include it in the atmospheric gas.
上記雰囲気下で珪素源原料と炭素原料とを高温で反応さ
せて炭化珪素ウィスカーを得る場合、反応温度は1400〜
1800℃であり、特に1500〜1700℃が望ましい、1400℃よ
り低いと反応速度が遅くなりすぎ、実質的な反応が起こ
らない場合があり、1800℃を超えると粉粒状炭化珪素の
副生が著しくなる傾向がある。When the silicon source whiskers are obtained by reacting the silicon source raw material and the carbon raw material at a high temperature under the above atmosphere, the reaction temperature is 1400 to
1800 ℃, especially 1500 ~ 1700 ℃ is desirable, if it is lower than 1400 ℃, the reaction rate may be too slow, and substantial reaction may not occur. Tends to become.
なお、本発明方法は珪素源原料を上述した所定の粒径の
粒状物とするものであるが、この場合、粒径を大きくす
ると生成するウィスカー径も大きくなるという傾向があ
るが、逆に反応性は粒径が大きくなると低下し、珪素源
原料の炭化珪素への転換率が低下して未反応の珪素源原
料が残存するという傾向がある。このため要望される炭
化珪素ウィスカーの径に応じ、上述した珪素源原料の粒
径の範囲内で小さい粒径を選択することが好ましい。In the method of the present invention, the silicon source material is the above-mentioned granular material having a predetermined particle size. In this case, the larger the particle size, the larger the whisker diameter to be formed, but the reaction The property tends to decrease as the particle size increases, and the conversion rate of the silicon source material to silicon carbide decreases, leaving unreacted silicon source material. Therefore, it is preferable to select a small particle size within the range of the particle size of the silicon source material described above, depending on the desired diameter of the silicon carbide whiskers.
このようにして得られる炭化珪素ウィスカーは通常過剰
の炭素を含有したものであるので、このものは空気気流
中において600〜800℃で酸化して炭素を除去し、更に未
反応の珪素源を除去するためフッ化水素酸等で処理する
ことが好ましい。Since the silicon carbide whiskers thus obtained usually contain excess carbon, they are oxidized in an air stream at 600 to 800 ° C to remove carbon and further remove unreacted silicon source. Therefore, it is preferable to treat with hydrofluoric acid or the like.
上述した方法で得られる平均径1μm以上の炭化珪素ウ
ィスカーはアルミナや窒化珪素等のセラミックスと複合
化すると、これらのセラミックスに高い破壊靭性値を与
えることができる。When the silicon carbide whiskers having an average diameter of 1 μm or more obtained by the above method are compounded with ceramics such as alumina and silicon nitride, it is possible to give these ceramics a high fracture toughness value.
発明の効果 以上説明したように、本発明方法は、従来工業的に有利
ではあるが、1μm以下のウィスカーを得ることが実際
上困難であった固相還元法において、1μm以上、通常
1〜4μmの径を有する炭化珪素ウィスカーを選択的に
得ることができ、また粉粒状炭化水素の副性が少なく純
度の高い炭化珪素ウィスカーを得ることができるため
に、セラミックスの破壊靭性値を高めるため望まれる炭
化珪素ウィスカーを多量、安価に製造できるものであ
る。EFFECTS OF THE INVENTION As described above, the method of the present invention is industrially advantageous, but in the solid-phase reduction method in which it was practically difficult to obtain whiskers of 1 μm or less, 1 μm or more, usually 1 to 4 μm Since it is possible to selectively obtain silicon carbide whiskers having a diameter of, and to obtain silicon carbide whiskers having a high purity with a small amount of powdery granular hydrocarbon by-products, it is desired to increase the fracture toughness value of ceramics. It is possible to manufacture silicon carbide whiskers in large quantities at low cost.
以下、実施例と比較例を示し、本発明の具体的に説明す
るが、本発明は下記の実施例に制限されるものではな
い。Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
なお、以下の例において、鉄,コバルト,ニッケルの分
析はIPC発光分光法によって行ない、また、生成した炭
化珪素中のウィスカーと粉粒状物との比は目視検査によ
り第1表に示す5段階の粉粒状物含有量評価値で求め
た。In the following examples, analysis of iron, cobalt and nickel was performed by IPC emission spectroscopy, and the ratio of whiskers and powdery particles in the produced silicon carbide was visually inspected to obtain one of the five levels shown in Table 1. The content of powder and granules was evaluated by the evaluation value.
〔実施例1〕 蒸留精製した鉄,ニッケル,コバルトの含有量をそれぞ
れ5ppm以下としたメチルクロロジシラン混合物(トリメ
チルクロロジシラン〔(CH3)3Si2Cl3〕とジメチルテト
ラクロロジシラン〔(CH3)2Si2Cl4〕との1:1の混合
物)108.9gを0.054gのFeCl3・6H2Oが溶解している純水
中に投入して加水分解させ、白色のゲル状加水分解生成
物を作った後、乾燥して完全に水分を除去し、粒状の加
水分解生成物(珪素源原料)を得た。この加水分解生成
物中の珪素原子に対する鉄の濃度は391ppm、コバルト,
ニッケルはそれぞれ5ppm以下であった。 Example 1 Iron purified by distillation, nickel, methylchlorodisilanes mixture content was respectively set to 5ppm or less of cobalt (trimethylchlorosilane disilane [(CH 3) 3 Si 2 Cl 3 ] dimethyl tetrachlorodisilane [(CH 3 ) 2 Si 2 Cl 4 ]: 1: 1 mixture) 108.9g is poured into pure water in which 0.054g FeCl 3 .6H 2 O is dissolved and hydrolyzed to form a white gel-like hydrolysis product. After the product was prepared, it was dried to completely remove the water content, and a granular hydrolysis product (silicon source material) was obtained. The concentration of iron relative to silicon atoms in this hydrolysis product was 391 ppm, cobalt,
Nickel was below 5 ppm each.
次に、この粒状加水分解生成物を粉砕し、加圧成形し、
篩別するという操作を繰り返して加水分解生成物の全量
を100〜150μmに成粒し、粒状形の珪素源原料60.7gを
得た。この珪素源原料に炭素源原料としてカーボンブラ
ック36gを混合し、十分に攪拌した後に炉内に装填し、
炉内にアルゴンガスと水素の混合ガス(Ar:H2=7:3)を
流しながら炉を1600℃まで昇温し、1600℃で2時間反応
させて、炭化珪素ウィスカーを製造した。炉冷後、得ら
れた反応生成物を750℃で1時間大気中で酸化させ、次
いで50%フッ化水素酸に1時間浸漬することにより、未
反応のカーボンブラックと未反応の珪素源を除去した。Next, the granular hydrolysis product is crushed, pressure-molded,
The operation of sieving was repeated, and the total amount of the hydrolysis product was granulated to 100 to 150 μm to obtain 60.7 g of a granular silicon source raw material. 36 g of carbon black as a carbon source material was mixed with this silicon source material, sufficiently stirred and then loaded into a furnace,
While flowing a mixed gas of argon gas and hydrogen (Ar: H 2 = 7: 3) in the furnace, the temperature of the furnace was raised to 1600 ° C, and the reaction was performed at 1600 ° C for 2 hours to manufacture silicon carbide whiskers. After furnace cooling, the resulting reaction product is oxidized in the air at 750 ° C for 1 hour and then immersed in 50% hydrofluoric acid for 1 hour to remove unreacted carbon black and unreacted silicon source. did.
上記処理後の反応生成物(炭化珪素)の重量は23.6gで
あり、加水分解生成物中の珪素原子の炭化珪素への転化
率は、加水分解生成物中の珪素原子の含有率から計算し
て59%であった。生成した炭化珪素ウィスカーの径は1.
2μm、また、粉粒状物含有量評価値は1であり、従っ
て粉粒物を殆ど含まない太径の炭化珪素ウィスカーを得
ることができた。The weight of the reaction product (silicon carbide) after the above treatment was 23.6 g, and the conversion rate of silicon atoms in the hydrolysis product to silicon carbide was calculated from the content ratio of silicon atoms in the hydrolysis product. Was 59%. The diameter of the generated silicon carbide whiskers is 1.
The evaluation value of the content of powdery particles was 2 μm, and therefore a large-diameter silicon carbide whisker containing almost no particles could be obtained.
〔比較例1〕 実施例1と同じメチルクロロジシラン混合物の同量をFe
Cl3・6H2Oが0.054g、CoCl2・6H2O,NiCl2・6H2Oがそれぞ
れ0.0057g溶解している純粋中に投入して加水分解さ
せ、ゲル状加水分解生成物を作った後、乾燥して完全に
水分を除去し、粒状の加水分解生成物(珪素源原料)を
得た。この加水分解生成物中の珪素原子に対する鉄,コ
バルト,ニッケルの濃度はそれぞれ405ppm,48ppm,53ppm
であり、コバルトとニッケルとの合計濃度は101ppmであ
った。[Comparative Example 1] The same amount of the same methylchlorodisilane mixture as in Example 1 was used as Fe.
Cl 3 · 6H 2 O is 0.054g, CoCl 2 · 6H 2 O , is hydrolyzed to put into pure to NiCl 2 · 6H 2 O is 0.0057g respectively dissolved to make a gel-like hydrolysis product After that, the product was dried to completely remove water, and a granular hydrolysis product (silicon source material) was obtained. The concentrations of iron, cobalt, and nickel with respect to silicon atoms in this hydrolysis product are 405 ppm, 48 ppm, and 53 ppm, respectively.
And the total concentration of cobalt and nickel was 101 ppm.
この加水分解生成物を実施例1と同様に粉砕、加圧成
形、篩別し、全量を100〜150μmの粒状形とした後、カ
ーボンブラックと混合して加熱反応させ、反応後同様に
未反応のカーボンブラックと珪素源とを除去した。This hydrolyzed product was crushed, pressure-molded and sieved in the same manner as in Example 1 to form a total amount of 100 to 150 μm in a granular form, which was then mixed with carbon black and reacted by heating. Of carbon black and silicon source were removed.
得られた反応生成物(炭化珪素)の転化率は75%、また
粉粒状物含有量評価値は1であったが、炭化珪素ウィス
カーの平均径は0.6μmであり、その平均径は実施例1
で得られたものの約半分であった。The conversion rate of the obtained reaction product (silicon carbide) was 75%, and the evaluation value of the content of powdery particles was 1, but the silicon carbide whiskers had an average diameter of 0.6 μm, 1
It was about half of that obtained in.
〔実施例2〜9、比較例2〜6〕 実施例1と同様のメチルクロロジシラン混合物を使用
し、所定の鉄,コバルト,ニッケルが溶解している純水
で加水分解した後、乾燥して第2表に示す鉄,コバル
ト,ニッケルの含有量を有する加水分解生成物を得た。[Examples 2 to 9 and Comparative Examples 2 to 6] The same methylchlorodisilane mixture as in Example 1 was used, hydrolyzed with pure water in which predetermined iron, cobalt, and nickel were dissolved, and then dried. Hydrolysis products having the contents of iron, cobalt and nickel shown in Table 2 were obtained.
次に、実施例1と同様に所定の粒径に調整した加水分解
生成物をカーボンブラックと混合し、第2表に示す温度
で実施例1と同様に反応させ、次いで未反応のカーボン
ブラックと珪素源とを除去して、炭化珪素(炭化珪素ウ
ィスカー)を得た。Next, the hydrolysis product adjusted to a predetermined particle size as in Example 1 was mixed with carbon black and reacted at the temperature shown in Table 2 in the same manner as in Example 1, and then with unreacted carbon black. The silicon source was removed to obtain silicon carbide (silicon carbide whiskers).
得られた炭化珪素の転化率、炭化珪素ウィスカーの平均
径及び粉粒状物含有量評価値を第2表に示す。なお、第
2表には実施例1及び比較例1の結果も併記する。Table 2 shows the conversion rate of the obtained silicon carbide, the average diameter of the silicon carbide whiskers, and the evaluation value of the content of the particulate material. The results of Example 1 and Comparative Example 1 are also shown in Table 2.
フロントページの続き (72)発明者 沼波 和敏 新潟県中頚城郡頚城村大字西福島28番地の 1 信越化学工業株式会社合成技術研究所 内 (72)発明者 飯塚 隆弘 新潟県中頚城郡頚城村大字西福島28番地の 1 信越化学工業株式会社合成技術研究所 内Front page continued (72) Inventor Kazutoshi Numanami 1 in 28, Nishi-Fukushima, Chugiki-mura, Nakakubiki-gun, Niigata Prefectural Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Synthetic Technology Laboratory (72) Inventor Takahiro Iizuka, Nishikaku, Naka-kubiki-gun, Niigata Nishi 28 Fukushima No. 1 Synthetic Technology Laboratory, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.
Claims (1)
1800℃で反応させて炭化珪素ウィスカーを製造する方法
において、上記珪素源原料を平均粒径50〜1000μmの粒
状形とし、かつ該珪素源原料中の珪素原子に対して鉄原
子25〜5000ppm、コバルト原子とニッケル原子との合計
を200ppm以下となるように上記混合物中に含有させたこ
とを特徴とする炭化珪素ウィスカーの製造方法。1. A mixture of a silicon source raw material and a carbon raw material is 1400 to
In the method for producing silicon carbide whiskers by reacting at 1800 ° C., the silicon source raw material is formed into a granular form having an average particle size of 50 to 1000 μm, and iron atom is 25 to 5000 ppm, cobalt based on silicon atom in the silicon source raw material. A method for producing a silicon carbide whisker, characterized in that the total amount of atoms and nickel atoms is contained in the above mixture so as to be 200 ppm or less.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26191088A JPH0776159B2 (en) | 1988-10-18 | 1988-10-18 | Method for manufacturing silicon carbide whiskers |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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| JPH02111699A JPH02111699A (en) | 1990-04-24 |
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