JPH08301663A - Si3 N4 /SiC系ナノコンポジット材の製造方法 - Google Patents
Si3 N4 /SiC系ナノコンポジット材の製造方法Info
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- JPH08301663A JPH08301663A JP7106536A JP10653695A JPH08301663A JP H08301663 A JPH08301663 A JP H08301663A JP 7106536 A JP7106536 A JP 7106536A JP 10653695 A JP10653695 A JP 10653695A JP H08301663 A JPH08301663 A JP H08301663A
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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 超微粉SiCを用いてSi3 N4 /SiC系
ナノコンポジット材を焼成する際に残留する遊離炭素を
少なくする。 【構成】 Si3 N4 粉末と、該Si3 N4 粉末に対し
て3〜45容量%の超微粉末SiCを、1388〜19
00℃の範囲内の温度でかつ反応により発生したガスの
圧力が前記温度に対応して図1の曲線上もしくは該曲線
よりその下側の状態で10分以上熱処理した後、焼成す
る。
ナノコンポジット材を焼成する際に残留する遊離炭素を
少なくする。 【構成】 Si3 N4 粉末と、該Si3 N4 粉末に対し
て3〜45容量%の超微粉末SiCを、1388〜19
00℃の範囲内の温度でかつ反応により発生したガスの
圧力が前記温度に対応して図1の曲線上もしくは該曲線
よりその下側の状態で10分以上熱処理した後、焼成す
る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超微粉SiCを複合材
とするSi3 N4 /SiC系ナノコンポジット材の製造
方法に関し、更に詳しく述べるならばプラズマCVD法
により製造されかつ遊離炭素を含有する超微粉SiCを
複合要素の原料としてSi3 N4 /SiC系ナノコンポ
ジット材を焼成により製造する方法に関する。
とするSi3 N4 /SiC系ナノコンポジット材の製造
方法に関し、更に詳しく述べるならばプラズマCVD法
により製造されかつ遊離炭素を含有する超微粉SiCを
複合要素の原料としてSi3 N4 /SiC系ナノコンポ
ジット材を焼成により製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】複合要素であるSiCがSi3 N4 粒内
に存在するSi3 N4 /SiC系ナノコンポジット材が
非常に優れた室温及び高温強度を示すことは新原等によ
り下記論文に発表されている。
に存在するSi3 N4 /SiC系ナノコンポジット材が
非常に優れた室温及び高温強度を示すことは新原等によ
り下記論文に発表されている。
【0003】1) K.Izaki et al; Ultrastructure Pro
cessing of Advanced Ceramics,ed. J.M.Mackenzie and
D.R.Ulrich, John Wiley& Sons. New York, 1988, p
p.891-900. 2) K.Niihara et al; Proc. of MRS Int. Meeting on
Advanced Materials,Tokyo, 1988, pp. 107-12. 3) K.Niihara et al; J. Jpn. Soc. Powder Powder M
etall., 36(1989)243-46. 4) K.Niihara et al; J.Mater. Sci. Lett.,9 (199
0)598-9. 5) K.Niihara et al; J.Mater. Sci. Lett.,10(199
0)112-14. 6) K.Niihara et al; J.Jpn.Soc. PowderPowder Meta
ll.,37(1990)352-53 7) K.Izaki et al; J.Jpn. Soc. Powder Powder Meta
ll.,37(1991)357-60
cessing of Advanced Ceramics,ed. J.M.Mackenzie and
D.R.Ulrich, John Wiley& Sons. New York, 1988, p
p.891-900. 2) K.Niihara et al; Proc. of MRS Int. Meeting on
Advanced Materials,Tokyo, 1988, pp. 107-12. 3) K.Niihara et al; J. Jpn. Soc. Powder Powder M
etall., 36(1989)243-46. 4) K.Niihara et al; J.Mater. Sci. Lett.,9 (199
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0)112-14. 6) K.Niihara et al; J.Jpn.Soc. PowderPowder Meta
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ll.,37(1991)357-60
【0004】これらの報告では、出発原料としての[S
i(CH3 )3 ]2 NH−NH3 −N2 系から合成して
得られるSi−C−N系アモルファス粉をSiC原料粉
として用いていた。しかし、このSiC原料粉は多量の
過剰炭素を含有するため、焼成においてSiC及びSi
3 N4 が結晶化した後も遊離炭素が残存し焼成材の緻密
化を阻害するという問題があることが本発明者の研究の
結果わかった。
i(CH3 )3 ]2 NH−NH3 −N2 系から合成して
得られるSi−C−N系アモルファス粉をSiC原料粉
として用いていた。しかし、このSiC原料粉は多量の
過剰炭素を含有するため、焼成においてSiC及びSi
3 N4 が結晶化した後も遊離炭素が残存し焼成材の緻密
化を阻害するという問題があることが本発明者の研究の
結果わかった。
【0005】一方、上記ナノコンポジット材の複合要素
としてプラズマCVD法で製造された超微粉SiCを使
用することも下記論文から公知である。この論文では、
プラズマCVD法で製造された超微粉SiCを通常のS
i3 N4 粉及び焼結助材と共に混合し、これをホットプ
レスすることにより焼結(焼成と言われることもある)
材を得ている。 8)J.Ceramic Society, Japan 101(12)1430−1431,
1993
としてプラズマCVD法で製造された超微粉SiCを使
用することも下記論文から公知である。この論文では、
プラズマCVD法で製造された超微粉SiCを通常のS
i3 N4 粉及び焼結助材と共に混合し、これをホットプ
レスすることにより焼結(焼成と言われることもある)
材を得ている。 8)J.Ceramic Society, Japan 101(12)1430−1431,
1993
【0006】したがって、8)の論文は超微粉SiCを
複合要素として使用しても、Si3N4 /SiC系ナノ
コンポジット材が製造できることを示したものである。
しかし、8)では超微粉SiC粉中に不可避的に存在す
る遊離炭素を除去する必要性及び除去方法が不明であ
る。
複合要素として使用しても、Si3N4 /SiC系ナノ
コンポジット材が製造できることを示したものである。
しかし、8)では超微粉SiC粉中に不可避的に存在す
る遊離炭素を除去する必要性及び除去方法が不明であ
る。
【0007】表1にプラズマCVD法で製造された超微
粉SiCの一般的な分析値及び物性を示すが、この表で
注目すべきは平均値として32.0%の全炭素量であ
る。微量のO,Nを除いた表1の残りの成分をSiとす
るとSiは平均値として67.55%である。そこです
べてのSi(67.55%)がSiCの形で存在すると
すると、SiCと結合するのに必要な炭素量は28.8
9%である。つまり32.0−28.89=3.11%
もの炭素は遊離炭素として原料粉中に残存していること
になる。
粉SiCの一般的な分析値及び物性を示すが、この表で
注目すべきは平均値として32.0%の全炭素量であ
る。微量のO,Nを除いた表1の残りの成分をSiとす
るとSiは平均値として67.55%である。そこです
べてのSi(67.55%)がSiCの形で存在すると
すると、SiCと結合するのに必要な炭素量は28.8
9%である。つまり32.0−28.89=3.11%
もの炭素は遊離炭素として原料粉中に残存していること
になる。
【0008】
【表1】 超微粉SiCの一般的性質 ──────────────────────────────────── 化学組成 全C (wt.%) 31.8〜32.2 全O (wt.%) 0.3〜0.6 全N (wt.%) <0.03 Na (ppm) <0.1 Mg (ppm) <0.1 Al (ppm) <0.1 Cr (ppm) <0.1 Mn (ppm) <0.1 Ni (ppm) <0.1 Cu (ppm) <0.1 Zn (ppm) <0.5 Fe (ppm) <0.2 Ca (ppm) <0.2 K (ppm) <0.2 粉末の物性 比表面積・・・・・・40〜50m2 /g 平均粒径・・・・・・0.03μm 真比重・・・・・・・3.1g/cm3 結晶構造・・・・・・3C(β 相)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
超微粉SiCに不可避的に含有される遊離炭素は、Si
3 N4 /SiC系ナノコンポジット材にも残留して緻密
性を損ない、その結果室温及び高温での強度を低下させ
ることが、本発明者の研究により明らかとなった。
超微粉SiCに不可避的に含有される遊離炭素は、Si
3 N4 /SiC系ナノコンポジット材にも残留して緻密
性を損ない、その結果室温及び高温での強度を低下させ
ることが、本発明者の研究により明らかとなった。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、このような遊
離炭素の残存による緻密化の阻害という問題点に着目し
てなされたものであり、Si3 N4 粉末と、該Si3 N
4 粉末に対して3〜45容量%の超微粉末SiCを、1
388〜1900℃の範囲の温度でかつ反応により発生
したガスの圧力が前記温度に対応して図1の曲線上もし
くは該曲線よりその下側の状態で10分以上熱処理した
後、焼成することを特徴とするSi3 N4 /SiC系ナ
ノコンポジット材の製造方法を提供する。
離炭素の残存による緻密化の阻害という問題点に着目し
てなされたものであり、Si3 N4 粉末と、該Si3 N
4 粉末に対して3〜45容量%の超微粉末SiCを、1
388〜1900℃の範囲の温度でかつ反応により発生
したガスの圧力が前記温度に対応して図1の曲線上もし
くは該曲線よりその下側の状態で10分以上熱処理した
後、焼成することを特徴とするSi3 N4 /SiC系ナ
ノコンポジット材の製造方法を提供する。
【0011】まず、本発明の熱処理法の物理化学的側面
を説明する。本発明では超微粉中SiC中の遊離炭素の
大半はコンポジット材の主材との反 応により複合要素であるSiCに変換される。 Si3 N4 +3C(遊離炭素)=3SiC+2N2 ・・・・・ この反応におけるPN2=1atmの時の反応開始温度は
次の,式より計算できる。 SiC=Si+C・・・・・ この反応の標準自由エネルギーは図4の数式(1)によ
り計算できる。 3/2Si+N2 =1/2Si3 N4 ・・・・・ この反応の標準自由エネルギーは図4の数式(2)によ
り計算できる。式の標準自由エネルギーは−3×−
2×で得られるので図の数式(3)と表される。式
のGibbs自由エネルギーはSi3 N4 、C及びSi
Cの活量(a)=1とすると、図4の数式(4)で表さ
れる。PN2(窒素ガス圧力)=1atmとするとlog
PN2=0より同じく数式(5)が式の平衡条件とな
る。数式(3)と(4)より、 数式(6):64700−2.73TlogT−30.
16T=0 が得られる。すなわち、数式(6)を満足するTが式
の平衡を与える温度である。数式(6)は代数的に解け
ないので図式的に解くと数式(6)を満足する温度はT
=1388℃である。つまりPN2=1atmの雰囲気に
おいては1388℃以上で遊離炭素はSi3N4 と反応
しSiCとなる。
を説明する。本発明では超微粉中SiC中の遊離炭素の
大半はコンポジット材の主材との反 応により複合要素であるSiCに変換される。 Si3 N4 +3C(遊離炭素)=3SiC+2N2 ・・・・・ この反応におけるPN2=1atmの時の反応開始温度は
次の,式より計算できる。 SiC=Si+C・・・・・ この反応の標準自由エネルギーは図4の数式(1)によ
り計算できる。 3/2Si+N2 =1/2Si3 N4 ・・・・・ この反応の標準自由エネルギーは図4の数式(2)によ
り計算できる。式の標準自由エネルギーは−3×−
2×で得られるので図の数式(3)と表される。式
のGibbs自由エネルギーはSi3 N4 、C及びSi
Cの活量(a)=1とすると、図4の数式(4)で表さ
れる。PN2(窒素ガス圧力)=1atmとするとlog
PN2=0より同じく数式(5)が式の平衡条件とな
る。数式(3)と(4)より、 数式(6):64700−2.73TlogT−30.
16T=0 が得られる。すなわち、数式(6)を満足するTが式
の平衡を与える温度である。数式(6)は代数的に解け
ないので図式的に解くと数式(6)を満足する温度はT
=1388℃である。つまりPN2=1atmの雰囲気に
おいては1388℃以上で遊離炭素はSi3N4 と反応
しSiCとなる。
【0012】ところで、本発明者が行った実験では、遊
離炭素は混合粉中には0.933%含まれていたので、
直径188mmのカーボンスリーブ内には450g/回
×0.933/100=4.20g/回の遊離炭素が含
有されていた。これは4.20/12=0.35mol
に相当するため、これが式により全部反応してしまう
とN2 ガスは0.35mol×2/3=0.233mo
l発生する。理想気体の状態方程式より数式(7):P
V=nRTとなるので、今カーボンスリーブ内のN2 ガ
スが占める体積(V)を原料粉の充填率40%として計
算すると、V=π(18.8/2)2 ×3×0.6×
(1/1000)=0.5(リットル)であり、P=1
atm、T=(273+1375)K=1648Kとし
て数式(7)に代入すると(ただしR=0.082(リ
ットル)・atm/deg・mol)、n=(1×0.
5)/(0.082×1648)=3.7×10-3(m
ol)が得られる。
離炭素は混合粉中には0.933%含まれていたので、
直径188mmのカーボンスリーブ内には450g/回
×0.933/100=4.20g/回の遊離炭素が含
有されていた。これは4.20/12=0.35mol
に相当するため、これが式により全部反応してしまう
とN2 ガスは0.35mol×2/3=0.233mo
l発生する。理想気体の状態方程式より数式(7):P
V=nRTとなるので、今カーボンスリーブ内のN2 ガ
スが占める体積(V)を原料粉の充填率40%として計
算すると、V=π(18.8/2)2 ×3×0.6×
(1/1000)=0.5(リットル)であり、P=1
atm、T=(273+1375)K=1648Kとし
て数式(7)に代入すると(ただしR=0.082(リ
ットル)・atm/deg・mol)、n=(1×0.
5)/(0.082×1648)=3.7×10-3(m
ol)が得られる。
【0013】ところで式の反応が起こり、反応ガスが
直径188mm×30mmのカーボンスリーブの中に全
部閉じこめられたとすると、その時の圧力増加分△Pは
数式(7)より△P・V=△nRTとなり、 数式(8):△P=(△nRT)/Vで与えられる。今
△n=0.233mol、T=1684°K、V=0.
5リットル(それぞれ前段落を参照)を数式(8)に代
入すると、 △P=0.233×0.082×1684/0.5=6
4.3atm
直径188mm×30mmのカーボンスリーブの中に全
部閉じこめられたとすると、その時の圧力増加分△Pは
数式(7)より△P・V=△nRTとなり、 数式(8):△P=(△nRT)/Vで与えられる。今
△n=0.233mol、T=1684°K、V=0.
5リットル(それぞれ前段落を参照)を数式(8)に代
入すると、 △P=0.233×0.082×1684/0.5=6
4.3atm
【0014】つまり遊離カーボンがの反応でSiCに
変化する時、もし窒素ガス圧力=1atmの条件が保れ
るならば64.3倍もの体積をもつN2 ガスが発生する
ことになる。
変化する時、もし窒素ガス圧力=1atmの条件が保れ
るならば64.3倍もの体積をもつN2 ガスが発生する
ことになる。
【0015】ここで、PN2が1atmの条件が保たれな
いでPN2が高くなった場合は、式の平衡温度が何度に
なるのかを計算する。数式(4)で表される自由エネル
ギー=0が平衡条件であるので、図4の数式(9)とな
る。数式(3)を用いて数式(9)を書き出すと、数式
(10)となる。数式(10)の温度及び圧力を満足す
る値をプロットしたグラフにすると図1のようになる。
いでPN2が高くなった場合は、式の平衡温度が何度に
なるのかを計算する。数式(4)で表される自由エネル
ギー=0が平衡条件であるので、図4の数式(9)とな
る。数式(3)を用いて数式(9)を書き出すと、数式
(10)となる。数式(10)の温度及び圧力を満足す
る値をプロットしたグラフにすると図1のようになる。
【0016】図1から次のことがわかる。 (イ)PN2=1atmで式が平衡する温度を1700
℃に保っても、反応の結果窒素ガス圧(PN2)が5at
mになれば式の反応は生じず、遊離炭素が残存する。 (ロ)窒素ガス圧(PN2)の増加に対応して温度(T)
も大きく増加する、つまり窒素ガス圧(PN2)が高くな
ると、温度(T)を非常に高くすることが式の反応が
右側に進行するために必要である。 (ハ)このことは、ダイス、容器、治具などに原料粉を
装入し、式の反応が起こる温度に保持しても、式の
反応で多量のN2 ガスが発生した時、ガス抜きが不十分
であれば窒素ガス圧(PN2)が直ちに高くなってしま
い、反応開始温度を上げてしまうため、最初に式の反
応が生じた温度では同反応は生じないこと意味する。す
なわち遊離炭素は残存する。
℃に保っても、反応の結果窒素ガス圧(PN2)が5at
mになれば式の反応は生じず、遊離炭素が残存する。 (ロ)窒素ガス圧(PN2)の増加に対応して温度(T)
も大きく増加する、つまり窒素ガス圧(PN2)が高くな
ると、温度(T)を非常に高くすることが式の反応が
右側に進行するために必要である。 (ハ)このことは、ダイス、容器、治具などに原料粉を
装入し、式の反応が起こる温度に保持しても、式の
反応で多量のN2 ガスが発生した時、ガス抜きが不十分
であれば窒素ガス圧(PN2)が直ちに高くなってしま
い、反応開始温度を上げてしまうため、最初に式の反
応が生じた温度では同反応は生じないこと意味する。す
なわち遊離炭素は残存する。
【0017】したがって、式の反応で遊離炭素をSi
Cから除去しようとする本発明においては、反応条件を
図1のSi3 N4 +3C→3SiC+2N2 の反応が生
じる領域に維持することが重要である。
Cから除去しようとする本発明においては、反応条件を
図1のSi3 N4 +3C→3SiC+2N2 の反応が生
じる領域に維持することが重要である。
【0018】以上本発明の物理化学的側面について述べ
たが、次に発明の構成要件について説明する。まず超微
粉SiCであるが、本発明における超微粉SiCとは下
記の条件(1)〜(3)を充足するものとする。 (1)平均粒径が0.1μm以下であること。 (2)アモルファス状態ではなく結晶構造を有するこ
と。 (3)金属Siが存在しないこと。
たが、次に発明の構成要件について説明する。まず超微
粉SiCであるが、本発明における超微粉SiCとは下
記の条件(1)〜(3)を充足するものとする。 (1)平均粒径が0.1μm以下であること。 (2)アモルファス状態ではなく結晶構造を有するこ
と。 (3)金属Siが存在しないこと。
【0019】以上の条件の他に通常のセラミックス原料
粉として要求される条件である (4)不純物元素が極力少ないこと (5)粒度が斉っていて粒度分布がシャープであること が充足されていることが極めて好ましい。
粉として要求される条件である (4)不純物元素が極力少ないこと (5)粒度が斉っていて粒度分布がシャープであること が充足されていることが極めて好ましい。
【0020】次にSi3 N4 粉は直接窒化法及びイミド
法の何れの方法で製造した粉でも使用可能である。但し
液相焼結を容易にするため平均粒径は1μm以下のナノ
サイズ(nm)であることが望ましく、また粒度分布も
平均値からの偏差が小さいシャープなものが望ましい。
また高温強度を劣化させないためにも、Si3 N4 粉は
高純度であることが重要であり、少なくとも金属元素及
びハロゲン元素の不純物量を各元素に対して100pp
m以下、望ましくは50ppm以下に抑えることが望ま
しい。
法の何れの方法で製造した粉でも使用可能である。但し
液相焼結を容易にするため平均粒径は1μm以下のナノ
サイズ(nm)であることが望ましく、また粒度分布も
平均値からの偏差が小さいシャープなものが望ましい。
また高温強度を劣化させないためにも、Si3 N4 粉は
高純度であることが重要であり、少なくとも金属元素及
びハロゲン元素の不純物量を各元素に対して100pp
m以下、望ましくは50ppm以下に抑えることが望ま
しい。
【0021】焼成に先立って本発明の最大の特長ある遊
離炭素をSiCへ固定をする熱処理を行う。そのために
Si3 N4 粉末と超微粉SiC粉末の混合粉(具体的混
合方法は後述する)に施す熱処理の温度は1388℃以
上1900℃以下とする。1388℃未満では式の反
応は起こらず、また1900℃以上ではSi3 N4が分
解して昇華してしまうからである。また熱処理時間は1
0分以上とする。これは式の反応は温度とN2 ガス圧
が反応開始条件を満たせば粉体中のすべての所で始まる
が、N2 ガスが粉体中及び熱処理炉外へから抜け出すた
めには実用部品として下限寸法の焼成体でも10分程度
の熱処理時間を要するためである。
離炭素をSiCへ固定をする熱処理を行う。そのために
Si3 N4 粉末と超微粉SiC粉末の混合粉(具体的混
合方法は後述する)に施す熱処理の温度は1388℃以
上1900℃以下とする。1388℃未満では式の反
応は起こらず、また1900℃以上ではSi3 N4が分
解して昇華してしまうからである。また熱処理時間は1
0分以上とする。これは式の反応は温度とN2 ガス圧
が反応開始条件を満たせば粉体中のすべての所で始まる
が、N2 ガスが粉体中及び熱処理炉外へから抜け出すた
めには実用部品として下限寸法の焼成体でも10分程度
の熱処理時間を要するためである。
【0022】また反応により発生したN2 ガスの圧力は
ほぼ1気圧に保つことが極めて好ましい。熱処理炉内の
N2 ガス圧が1気圧より著しく下がるとSi3 N4 の分
解温度が下がり熱処理温度でSi3 Nとが分解し、ま
た、1気圧より高くなると、反応開始温度が高くなるた
めに、省エネルギーの観点から好ましくない。
ほぼ1気圧に保つことが極めて好ましい。熱処理炉内の
N2 ガス圧が1気圧より著しく下がるとSi3 N4 の分
解温度が下がり熱処理温度でSi3 Nとが分解し、ま
た、1気圧より高くなると、反応開始温度が高くなるた
めに、省エネルギーの観点から好ましくない。
【0023】以下、遊離炭素をSiCへ転換する熱処理
に引き続いてナノコンポジット材を焼成する方法の具体
例を説明する。しかしこの方法に本発明は限定されず、
熱処理された混合粉末を一旦解砕し、微粉砕し、その後
必要により焼結助材を加えてさらに混合し、圧粉しそし
て焼成する方法であっても、所望の特性を有するSi3
N4 /SiC系ナノコンポジット材を製造することがで
きる。
に引き続いてナノコンポジット材を焼成する方法の具体
例を説明する。しかしこの方法に本発明は限定されず、
熱処理された混合粉末を一旦解砕し、微粉砕し、その後
必要により焼結助材を加えてさらに混合し、圧粉しそし
て焼成する方法であっても、所望の特性を有するSi3
N4 /SiC系ナノコンポジット材を製造することがで
きる。
【0024】熱処理を施される粉末混合物に添加される
こともある焼結助材はSi3 N4 と液相を生成し焼成を
促進する酸化物であれば、如何なる種類のものであって
もよい。例えば、ナノコンポジット材の高温強度を高め
るためにはY2 O3 が焼結助材として一般的であり、よ
り良い焼結性を実現するためにはAl2 O3 −Y2 O3
系が一般的である。焼結助材は平均一次粒子径は1μm
以下でかつ粒度も斉っていることが極めて好ましい。ま
た、焼結助材自身の純度が高いことが極めて望ましく、
不純物の各々100ppm以下、特に50ppm以下で
あることが極めて望ましい。
こともある焼結助材はSi3 N4 と液相を生成し焼成を
促進する酸化物であれば、如何なる種類のものであって
もよい。例えば、ナノコンポジット材の高温強度を高め
るためにはY2 O3 が焼結助材として一般的であり、よ
り良い焼結性を実現するためにはAl2 O3 −Y2 O3
系が一般的である。焼結助材は平均一次粒子径は1μm
以下でかつ粒度も斉っていることが極めて好ましい。ま
た、焼結助材自身の純度が高いことが極めて望ましく、
不純物の各々100ppm以下、特に50ppm以下で
あることが極めて望ましい。
【0025】次に超微粉SiC、Si3 N4 及び焼結助
材の配合比について説明する。まず超微粉SiCの配合
比であるが、Si3 N4 との合計量に対して3vol%
以上45vol%以下の範囲において超微粉SiCが好
ましい複合成分効果を発揮する。この配合比が3vol
%以下では超微粉SiCは複合要素としての効果が少な
く、また45vol%以上では超微粉SiCが多すぎて
ナノコンポジット材が緻密化しないからである。
材の配合比について説明する。まず超微粉SiCの配合
比であるが、Si3 N4 との合計量に対して3vol%
以上45vol%以下の範囲において超微粉SiCが好
ましい複合成分効果を発揮する。この配合比が3vol
%以下では超微粉SiCは複合要素としての効果が少な
く、また45vol%以上では超微粉SiCが多すぎて
ナノコンポジット材が緻密化しないからである。
【0026】また焼結助材の配合比について説明する
と、ナノコンポジット材の全重量に対して1wt%以上
10wt%以下が好ましい。特に望ましい焼結助材添加
範囲は3wt%以上8wt%以下である。1wt%以下
では焼成時の液相の量が少なすぎて焼結助材としての効
果が現れず、10wt%以上では液相生成により焼結に
寄与する以外の過剰量が複合要素として残存し逆に焼成
を阻害するからである。
と、ナノコンポジット材の全重量に対して1wt%以上
10wt%以下が好ましい。特に望ましい焼結助材添加
範囲は3wt%以上8wt%以下である。1wt%以下
では焼成時の液相の量が少なすぎて焼結助材としての効
果が現れず、10wt%以上では液相生成により焼結に
寄与する以外の過剰量が複合要素として残存し逆に焼成
を阻害するからである。
【0027】熱処理のためもしくは焼成のための原料粉
末を混合する混合方法は何ら制限がない。混合の経済性
を考えるならばボールミル法が一般的である。但し、ボ
ールミル法においては、ボール及びポットが原料粉を汚
染することが避けられないので、SiC、Si3 N4 又
は焼結助材で作られたボール及びポットを使用するべき
である。また混合時間はこれら3種の原料が十分に混合
される時間を確保すべきである。具体的には24時間以
上、望ましくは48時間以上とする。
末を混合する混合方法は何ら制限がない。混合の経済性
を考えるならばボールミル法が一般的である。但し、ボ
ールミル法においては、ボール及びポットが原料粉を汚
染することが避けられないので、SiC、Si3 N4 又
は焼結助材で作られたボール及びポットを使用するべき
である。また混合時間はこれら3種の原料が十分に混合
される時間を確保すべきである。具体的には24時間以
上、望ましくは48時間以上とする。
【0028】湿式混合後は混合媒体を蒸発させる必要が
あるが、あまり高温で媒体を蒸発させると混合粉が凝集
してしまい焼成の際緻密化を阻害するので、できるだけ
低温で混合媒体を蒸発させるべく混合粉の凝集を少なく
する必要がある。このためには混合スラリーを入れた容
器を真空吸引しながら混合媒体を蒸発させることが一方
法である。真空吸引を行うことにより蒸発点は下がるの
で低温で媒体を蒸発でき、結果として凝集の非常に少な
い乾燥混合粉を得ることが可能となる。
あるが、あまり高温で媒体を蒸発させると混合粉が凝集
してしまい焼成の際緻密化を阻害するので、できるだけ
低温で混合媒体を蒸発させるべく混合粉の凝集を少なく
する必要がある。このためには混合スラリーを入れた容
器を真空吸引しながら混合媒体を蒸発させることが一方
法である。真空吸引を行うことにより蒸発点は下がるの
で低温で媒体を蒸発でき、結果として凝集の非常に少な
い乾燥混合粉を得ることが可能となる。
【0029】次に熱処理を施された混合粉を用いて種々
の形状に成形する。成形法はセラミックス技術で一般的
なプレス成形、射出成形、押出し成形、テープ成形等の
何でもよいとする。その各々に用いられるバインダーも
セラミックス分野で一般的なものが使用可能である。ま
た成形後の脱バインダー法もセラミックス分野で一般的
な方法であってよい。
の形状に成形する。成形法はセラミックス技術で一般的
なプレス成形、射出成形、押出し成形、テープ成形等の
何でもよいとする。その各々に用いられるバインダーも
セラミックス分野で一般的なものが使用可能である。ま
た成形後の脱バインダー法もセラミックス分野で一般的
な方法であってよい。
【0030】焼成は常圧焼成、ガス圧焼成、ホットプレ
ス、HIP焼成の何れでもよい。熱処理後引き続いて行
う焼成工程における好ましい焼成条件は焼成方法によっ
て異なる。まず常圧及びガス圧焼成においては雰囲気ガ
スとしてSi3 N4 の昇華を防止するためN2 ガスを使
用すべきである。焼成温度は1500℃以上2100℃
以下とする。1500℃以下では緻密化せず2100℃
以上では、ガス圧焼成の実用上の最高ガス圧である約1
0kg/cm2 でSi3 N4 の昇華が生じるからであ
る。但し、N2 ガス圧がより高くなればより高いガス圧
焼成温度での焼成が可能となり緻密化に対してはより有
利になる。しかし、焼成炉の安全対策、保守・整備に多
大のコストが発生する。またHIP焼成では昇華の問題
が少ないので高温側では任意の温度での焼成が可能であ
る。
ス、HIP焼成の何れでもよい。熱処理後引き続いて行
う焼成工程における好ましい焼成条件は焼成方法によっ
て異なる。まず常圧及びガス圧焼成においては雰囲気ガ
スとしてSi3 N4 の昇華を防止するためN2 ガスを使
用すべきである。焼成温度は1500℃以上2100℃
以下とする。1500℃以下では緻密化せず2100℃
以上では、ガス圧焼成の実用上の最高ガス圧である約1
0kg/cm2 でSi3 N4 の昇華が生じるからであ
る。但し、N2 ガス圧がより高くなればより高いガス圧
焼成温度での焼成が可能となり緻密化に対してはより有
利になる。しかし、焼成炉の安全対策、保守・整備に多
大のコストが発生する。またHIP焼成では昇華の問題
が少ないので高温側では任意の温度での焼成が可能であ
る。
【0031】一方ホットプレス焼成においては黒鉛型な
どの型の中に混合粉を充填するので、そのまま充填した
のでは超微粉SiCと黒鉛とが反応を生じてしまう。こ
のため、黒鉛型の表面にBNを塗布し超微粉SiCと黒
鉛とが直接接触しないようにする必要がある。また雰囲
気ガスは混合粉の熱処理が終わった後であればArでも
N2 ガスでもよい。但し、Si3 N4 の昇華をもたらさ
ないためにはN2 ガスが望ましい。焼成温度は1500
℃以上2000℃以下とする。1500℃以下では緻密
化せず、2000℃以上では組織の粗大化、焼結助材と
SiCの反応等の強度を阻害する現象が生じるからであ
る。またホットプレス圧については50kg/cm2 以
上450kg/cm2 以下が好ましい。50kg/cm
2 以下では圧力の効果がほとんどないし、450kg/
cm2 以上では黒鉛型が圧力で破壊する可能性がある。
真密度に近いSi3 N4 /SiC系ナノコンポジット材
を得る上で望ましい圧力範囲は250kg/cm2 以上
〜400kg/cm2 以下である。
どの型の中に混合粉を充填するので、そのまま充填した
のでは超微粉SiCと黒鉛とが反応を生じてしまう。こ
のため、黒鉛型の表面にBNを塗布し超微粉SiCと黒
鉛とが直接接触しないようにする必要がある。また雰囲
気ガスは混合粉の熱処理が終わった後であればArでも
N2 ガスでもよい。但し、Si3 N4 の昇華をもたらさ
ないためにはN2 ガスが望ましい。焼成温度は1500
℃以上2000℃以下とする。1500℃以下では緻密
化せず、2000℃以上では組織の粗大化、焼結助材と
SiCの反応等の強度を阻害する現象が生じるからであ
る。またホットプレス圧については50kg/cm2 以
上450kg/cm2 以下が好ましい。50kg/cm
2 以下では圧力の効果がほとんどないし、450kg/
cm2 以上では黒鉛型が圧力で破壊する可能性がある。
真密度に近いSi3 N4 /SiC系ナノコンポジット材
を得る上で望ましい圧力範囲は250kg/cm2 以上
〜400kg/cm2 以下である。
【0032】
【作用】Si3 N4 −30wt%超微粉SiC−4wt
%Y2 O2 混合粉中に含まれる遊離炭素は1%弱であ
り、遊離炭素とSi3 N4 との反応により生ずるN2 ガ
スは1atmならばカーボンダイス空間の64倍にもな
る。式の反応はN2 ガスの圧力に非常に敏感でありP
N2が少し大きくなれば平衡温度は著しく高くなる、例え
ばPN2=5atmでは反応開始温度は1700℃(△T
=325℃)にもなる。従って図1の曲線より下側に反
応条件を保つためにガス抜けを良くする事が重要であ
る。次に具体的実施例について本発明を説明する。
%Y2 O2 混合粉中に含まれる遊離炭素は1%弱であ
り、遊離炭素とSi3 N4 との反応により生ずるN2 ガ
スは1atmならばカーボンダイス空間の64倍にもな
る。式の反応はN2 ガスの圧力に非常に敏感でありP
N2が少し大きくなれば平衡温度は著しく高くなる、例え
ばPN2=5atmでは反応開始温度は1700℃(△T
=325℃)にもなる。従って図1の曲線より下側に反
応条件を保つためにガス抜けを良くする事が重要であ
る。次に具体的実施例について本発明を説明する。
【0034】
【実施例】表2に超微粉SiC、表3にSi3 N4 、表
4に焼結助材として使用したY2O3 につき実施例で使
用した粉末データを示す。
4に焼結助材として使用したY2O3 につき実施例で使
用した粉末データを示す。
【0035】
【表2】化学分析値 炭素(wt.%) 32.2 酸素(wt.%) 0.31 窒素(wt.%) 0.012 Ca(ppm) 0.9 K(ppm) 0.1 Fe(ppm) N.D. Cr(ppm) N.D. Ni(ppm) N.D. Al(ppm) 0.3 Na(ppm) 0.1Zn(ppm) 0.1
【0036】表2において、炭素はLECO WR−1
12炭素分析装置により、酸素とH2 OはLECO T
C−436酸素・窒素分析装置により、窒素はLECO
TC−436酸素・窒素分析装置により、その他の元素
はICP発光分光分析炎光法により分析した。また、超
微粉SiCの比表面積は48.0m2 /g[BET
法]、平均粒子径は0.03μm[TEM観察]、結晶
形は主としてβ−SiC[粉末X線回折法、電子線回折
法]であった。
12炭素分析装置により、酸素とH2 OはLECO T
C−436酸素・窒素分析装置により、窒素はLECO
TC−436酸素・窒素分析装置により、その他の元素
はICP発光分光分析炎光法により分析した。また、超
微粉SiCの比表面積は48.0m2 /g[BET
法]、平均粒子径は0.03μm[TEM観察]、結晶
形は主としてβ−SiC[粉末X線回折法、電子線回折
法]であった。
【0037】
【表3】Si3 N4 粉の粉末データ N(wt%) >38.0 O(wt%) 1.48 Cl(ppm) <100 Fe(ppm) <100 Ca(ppm) <50 Al(ppm) <50 結晶化度(%) >99.5 β/(α+β)(wt%)<5比表面積(m2 /g) 11.3
【0038】
【表4】 Y2 O3 粉の粉末データ検査項目 分析値 Y2 O3 (%) >99.9 CeO2 (ppm) <10 Pr6 O11 (ppm) <10 Nd2 O3 (ppm) <10 Sm2 O3 (ppm) <30 Tb4 O7 (ppm) <50 Dy2 O3 (ppm) <50 CaO (ppm) <10 Fe2 O3 (ppm) <10 Ig loss (1000 ℃1hr)(%) 1.3 BET (m2 /g)19.3平均粒径 (μm) 0.4
【0039】超微粉SiCを60g、Si3 N4 粉を1
32g、Y2 O3 粉8gをSi3 N4 製2リットルポッ
トの中にエタノール1リットル、Si3 N4 ボール50
0ccと共に入れ48時間ボールミルで湿式混合を行っ
た。湿式混合後エバポレーター乾燥(水温は60℃)を
行い、乾燥後は60メッシュのふるいにかけ、ふるい下
だけを混合粉として使用した。混合粉をBN塗布した黒
鉛ダイスに充填し図2に示す条件で熱処理を行った。窒
素圧力(PN2)は1気圧とし、また熱処理温度は130
0、1400、1500、1600、1650、170
0℃とした。この後遊離炭素の分析を行った結果を表5
に示す。なお、比較例として混合原料粉中の遊離炭素量
の分析も同時に行った。この結果を表5に示す。
32g、Y2 O3 粉8gをSi3 N4 製2リットルポッ
トの中にエタノール1リットル、Si3 N4 ボール50
0ccと共に入れ48時間ボールミルで湿式混合を行っ
た。湿式混合後エバポレーター乾燥(水温は60℃)を
行い、乾燥後は60メッシュのふるいにかけ、ふるい下
だけを混合粉として使用した。混合粉をBN塗布した黒
鉛ダイスに充填し図2に示す条件で熱処理を行った。窒
素圧力(PN2)は1気圧とし、また熱処理温度は130
0、1400、1500、1600、1650、170
0℃とした。この後遊離炭素の分析を行った結果を表5
に示す。なお、比較例として混合原料粉中の遊離炭素量
の分析も同時に行った。この結果を表5に示す。
【0040】
【表5】 遊離炭素分析結果 熱処理条件 遊離炭素量(wt%) 備考 1300℃×60分 2.36 比較例 1400℃×60分 2.01 実施例 1500℃×60分 1.83 実施例 1600℃×60分 0.23 実施例 1650℃×60分 0.01 実施例 1700℃×60分 0.04 実施例 なし 2.40 比較例、原料粉
【0041】表5から分かるように式の反応は140
0℃付近から始まっており、図2の熱処理条件では16
50℃においてほぼ完全に遊離炭素が固定化されている
ので、混合原料粉を焼成するための温度・時間プログラ
ムは図3のようにした。図3の中には1650℃×60
分の熱処理が含まれている。得られた焼成体よりJIS
1601に示されているテストピースを切り出し室温強
度と1300℃における高温強度とを3点曲げ試験によ
り測定した。この結果は以下のとおりであった。 室温強度 125kg/mm2 (N=10) 1300℃での強度 117kg/mm2 (N=5) 以上のように室温で100kg/mm2 を越える高強度
が得られ、それが1300℃まで保持されるという驚く
べき性能が得られた。
0℃付近から始まっており、図2の熱処理条件では16
50℃においてほぼ完全に遊離炭素が固定化されている
ので、混合原料粉を焼成するための温度・時間プログラ
ムは図3のようにした。図3の中には1650℃×60
分の熱処理が含まれている。得られた焼成体よりJIS
1601に示されているテストピースを切り出し室温強
度と1300℃における高温強度とを3点曲げ試験によ
り測定した。この結果は以下のとおりであった。 室温強度 125kg/mm2 (N=10) 1300℃での強度 117kg/mm2 (N=5) 以上のように室温で100kg/mm2 を越える高強度
が得られ、それが1300℃まで保持されるという驚く
べき性能が得られた。
【0042】
【発明の効果】本発明法により製造されたナノコンポジ
ット材は高い室温強度及び高温強度を有するために、切
削工具、エンジン部品、高温治具などに適用することが
できる。
ット材は高い室温強度及び高温強度を有するために、切
削工具、エンジン部品、高温治具などに適用することが
できる。
【図1】遊離CをSiCに変換する温度・圧力条件を示
すグラフである。左側縦軸はlogPN2であり、又右側
縦軸はPN2(atm)である。
すグラフである。左側縦軸はlogPN2であり、又右側
縦軸はPN2(atm)である。
【図2】熱処理パターンを示すグラフである。
【図3】焼成パターンを示すグラフである。
【図4】数式(1)〜(5)、(9)及び(10)を示
す図表である。
す図表である。
Claims (5)
- 【請求項1】 Si3 N4 粉末と、該Si3 N4 粉末に
対して3〜45容量%の超微粉末SiCを、1388〜
1900℃の範囲内の温度でかつ反応により発生したガ
スの圧力が前記温度に対応して図1の曲線上もしくは該
曲線よりその下側の状態で10分以上熱処理した後、焼
成することを特徴とするSi3 N4 /SiN系ナノコン
ポジット材の製造方法。 - 【請求項2】 前記Si3 N4 粉末と超微粉末SiCの
合計量に対して、1〜10重量%の焼結助材を混合した
混合物を焼成することを特徴とする請求項1記載のSi
3 N4 /SiC系ナノコンポジット材の製造方法。 - 【請求項3】 焼成方法がガス圧焼成法である請求項2
記載のSi3 N4 /SiC系ナノコンポジット材の製造
方法。 - 【請求項4】 焼成方法がHIP焼成法である請求項2
記載のSi3 N4 /SiC系ナンコンポジット材の製造
方法。 - 【請求項5】 焼成方法がホットプレス法である請求項
2記載のSi3 N4/SiC系ナノコンポジット材の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7106536A JPH08301663A (ja) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | Si3 N4 /SiC系ナノコンポジット材の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7106536A JPH08301663A (ja) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | Si3 N4 /SiC系ナノコンポジット材の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08301663A true JPH08301663A (ja) | 1996-11-19 |
Family
ID=14436119
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7106536A Pending JPH08301663A (ja) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | Si3 N4 /SiC系ナノコンポジット材の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08301663A (ja) |
-
1995
- 1995-04-28 JP JP7106536A patent/JPH08301663A/ja active Pending
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