JPH11147768A - 含窒素セラミック複合材料及びその製造方法 - Google Patents
含窒素セラミック複合材料及びその製造方法Info
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- JPH11147768A JPH11147768A JP9315006A JP31500697A JPH11147768A JP H11147768 A JPH11147768 A JP H11147768A JP 9315006 A JP9315006 A JP 9315006A JP 31500697 A JP31500697 A JP 31500697A JP H11147768 A JPH11147768 A JP H11147768A
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Abstract
性に優れ、破壊強度及び高温強度が高い、含窒素セラミ
ック複合材料を得る。 【解決手段】 微細な六方晶窒化硼素が、窒化アルミニ
ウムマトリックスの少なくとも結晶粒内に5〜40体積
%、窒化珪素マトリックスの少なくとも結晶粒内に25
〜45体積%、サイアロンマトリックスの少なくとも結
晶粒内に20〜45体積%でそれぞれ均一に分散した含
窒素セラミック複合材料である。窒化アルミニウム粉末
とその14〜52重量%の尿素と7〜27重量%の硼酸
とを混合し、水素雰囲気中、700〜1100℃で還元
処理した混合粉末を窒素雰囲気中、1400〜1550
℃で高温熱処理し、熱処理した混合粉末に焼結助剤をこ
の混合粉末の2〜7重量%添加した後、この混合粉末を
窒素雰囲気中、1650℃以上で焼結して窒化アルミニ
ウム複合材料を得る。
Description
ム、窒化珪素又はサイアロンをそれぞれマトリックスと
し、この結晶粒内又は結晶粒内及び結晶粒界に六方晶窒
化硼素が所定の体積割合で均一に分散した含窒素セラミ
ック複合材料及びその製造方法に関するものである。
求されるセラミック基板などの基板材料として、従来の
ベリウムやアルミナなどに代って用いられている。しか
し、セラミックスの高温での強度及び破壊靭性は、主に
粒界相に依存しており、構造材料分野への応用は、現在
の窒化アルミニウムの破壊靭性、破壊強度、信頼性のレ
ベルでは、未だ十分でなく、更なる高靭化、高強度化、
高信頼化などの特性向上が必要である。窒化アルミニウ
ムは、常圧(無加圧下)で焼結させる時、Y2O3が焼結
助剤として用いられる。窒化アルミニウム粉末は、その
表面が酸化しているために、Y2O3を添加した系では、
実質的にAlN−Al2O3−Y2O3系となる。この系の
高温強度は、600〜800℃では常温に比べ表面近傍
に存在するアルミナ粒子の生成により冷却時に残留圧縮
応力が発生し、強度は酸化により少し向上するが、10
00℃を超えると粒界の剥離、脱落が顕著となり強度は
低下する。また焼結助剤としてY化合物とCa化合物を
同時に混合添加するより、それぞれ単独で添加するより
低温で焼結できることは既知である。更に、B(硼素)
元素(B化合物として)を添加して、粒界相の融点降下
により、低温焼結性を向上させる研究が試みられてい
る。
性、耐食性や機械的特性に優れることから、構造材料と
して、幅広い分野で利用されている。しかし、自動車用
部材などの構造材料分野への応用は、現在の窒化珪素の
破壊靭性、破壊強度、信頼性のレベルでは、未だ十分で
なく、更なる高靭化、高強度化、高信頼化などの特性向
上が必要である。その解決法として、セラミックスの複
合化が多くの分野で試みられている。この複合化は、マ
トリックス中にさまざまな第二相を分散させ、微細組織
を不均質化することによって、特性向上を試みるもの
で、その主たる目的は高靭化である。しかし、このよう
な複合化では、相補的な効果の付与が主流であり、線形
的に予測できる範囲の複合化しか期待されない。従っ
て、特性向上のためには、今までの複合化とは異なる材
料設計の考えが必要になる。
(六方晶窒化硼素)を複合化し、快削性、耐熱衝撃性を
改善する研究が行われている。しかし、これらの研究で
は、複合材料の合成にBN源として市販のBN粉末を使
用しており、より微細にそして均一に第二相を分散させ
るという点においては問題があり、破壊強度、耐熱衝撃
性などが不十分である。このような非線形の効果を具現
するための手段として、本発明者らは窒化珪素マトリッ
クスの結晶粒子に微細なh−BNを1〜25体積%均一
に分散させた窒化珪素基複合材料及びその製造方法を特
許出願した(特開平9−169575)。この複合材料
によれば、窒化珪素中にh−BNを分散複合化すること
により、従来の窒化珪素複合材料に比べ、破壊強度、耐
熱衝撃性などの特性が大幅に改善された。
ウム粉末にY2O3粉末を添加することにより、又はY化
合物とCa化合物を同時に混合添加するより、或いはB
元素(B化合物として)を添加して粒界相の融点降下を
起させることにより、窒化アルミニウムをより低温で焼
結するという考えでは、窒化アルミニウムの焼結性は改
善されるが、構造材料としての室温及び高温での機械的
特性の改善は不十分である。従って、機械的特性の向上
のためには、今までとは異なる材料設計と製造方法の考
えが必要になる。そこで、本発明者らは窒化アルミニウ
ムに第二相としてh−BNを複合化し、機械的特性など
を改善する研究を試みた。しかし、これらの研究では、
複合材料の合成にBN源として市販のBN粉末を使用し
たために、より微細にそして均一に第二相を分散させる
ことができず、窒化アルミニウムの破壊強度などは向上
しなかった。
した方法で製造した窒化珪素基複合材料は、BNの含有
量が20体積%のときにt−BN中の残留酸化物の影響
により生じたSi2ON2ガラスの回折ピークが認めら
れ、強度も低下した。この傾向は、BNの含有量が20
体積%を超えるとより顕著であった。このため、室温で
機械的加工性が優れ、高温で強く、更に溶融金属に対す
る腐食性に優れた窒化珪素基複合材料を作製する観点に
立つと、上記製造方法では25体積%を超えてBNを含
有させることができない問題点があった。
及び溶融金属の腐食性に優れ、破壊強度及び高温強度が
高い、含窒素セラミック複合材料及びその製造方法を提
供することにある。
窒化アルミニウムマトリックスの結晶粒内又は結晶粒内
及び結晶粒界に粒径が80nm以下のh−BN(六方晶
窒化硼素)が5体積%以上40体積%以下で均一に分散
したことを特徴とする含窒素セラミック複合材料であ
る。請求項2に係る発明は、窒化珪素マトリックスの結
晶粒内又は結晶粒内及び結晶粒界に粒径が80nm以下
のh−BNが25体積%を超え45体積%以下で均一に
分散したことを特徴とする含窒素セラミック複合材料で
ある。請求項3に係る発明は、サイアロンマトリックス
の結晶粒内又は結晶粒内及び結晶粒界に粒径が80nm
以下のh−BNが20体積%以上45体積%以下で均一
に分散したことを特徴とする含窒素セラミック複合材料
である。請求項1ないし3に係る発明において、上記所
定の体積%で微細なh−BNを窒化アルミニウム、窒化
珪素又はサイアロンのマトリックスの結晶粒内又は結晶
粒内及び結晶粒界に分散させると、得られた複合材料
は、機械加工性、耐熱衝撃性及び溶融金属の腐食性に優
れ、破壊強度及び高温強度が高くなる。
粉末とこの窒化アルミニウム粉末に対して14〜52重
量%の尿素粉末と7〜27重量%の硼酸粉末とを混合
し、この混合粉末を水素雰囲気中、700〜1100℃
で還元処理し、この還元処理した混合粉末を窒素雰囲気
中、1400〜1550℃で高温熱処理し、この熱処理
した混合粉末に焼結助剤をこの混合粉末に対して2〜7
重量%添加し、この焼結助剤を添加した混合粉末を窒素
雰囲気中、1650℃以上の温度で焼結して窒化アルミ
ニウム複合材料を得る製造方法である。請求項5に係る
発明は、窒化珪素粉末とこの窒化珪素粉末に対して9〜
54重量%の尿素粉末と4〜28重量%の硼酸粉末とを
混合し、この混合粉末を水素雰囲気中、700〜110
0℃で還元処理し、この還元処理した混合粉末を窒素雰
囲気中、1400〜1550℃で高温熱処理し、この熱
処理した混合粉末に焼結助剤をこの混合粉末に対して5
〜15重量%添加し、この焼結助剤を添加した混合粉末
を窒素雰囲気中、1650℃以上の温度で焼結して窒化
珪素複合材料を得る製造方法である。請求項6に係る発
明は、窒化珪素粉末とアルミナ粉末と窒化アルミニウム
粉末と二酸化珪素粉末とを所定の重量%で配合し、この
配合した粉末総量に対して9〜54重量%の尿素粉末と
4〜28重量%の硼酸粉末とを混合し、この混合粉末を
水素雰囲気中、700〜1100℃で還元処理し、この
還元処理した混合粉末を窒素雰囲気中、1400〜15
50℃で高温熱処理し、この熱処理した混合粉末に焼結
助剤をこの混合粉末に対して5〜15重量%添加し、こ
の焼結助剤を添加した混合粉末を窒素雰囲気中、165
0℃以上の温度で焼結してサイアロンを得る製造方法で
ある。
BN源として市販のBN粉末を用いると前述したよう
に、窒化アルミニウム、窒化珪素やサイアロン等のマト
リックス結晶粒子内での窒化硼素の分散性に問題が生じ
る。このため、請求項4ないし6に係る発明では、窒化
アルミニウム、窒化珪素、又は窒化珪素とアルミナと窒
化アルミニウムの粉末に、所定量の尿素と硼酸の粉末を
混合した後、水素雰囲気の還元処理と窒素雰囲気の熱処
理と、所定量の焼結助剤を添加して焼結を行う工程を経
ることにより、BN源である尿素と硼酸を溶液に溶か
し、乾燥以降の工程でマトリックス結晶粒子の表面にh
−BNの形態で第二相として析出させる。具体的には、
h−BNは尿素と硼酸を還元雰囲気中で加熱することに
より得られ、マトリックスの結晶粒内又は結晶粒内及び
結晶粒界にh−BNを均一に分散させることができ、機
械加工性、耐熱衝撃性及び溶融金属の腐食性に優れ、破
壊強度及び高温強度の高い複合材料が得られる。出発原
料の尿素も硼酸もともにあらゆる溶媒に可溶である。即
ち、本発明では、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪
素(Si3N4)又はサイアロン(Si-Al-O-N)の
マトリックス中に分散させるBN粒子の出発原料に尿素
と硼酸を用い、乾燥工程での還元処理でマトリックス表
面に乱層構造のt−BNを析出させ、このt−BNから
焼結時に生成するh−BN粒子に以下のような役割を与
えることにより、構造材料としての問題点を克服するも
のである。 (1) 窒化アルミニウム、窒化珪素又は窒化珪素とアルミ
ナと窒化アルミニウムの粉末に、尿素と硼酸を混合した
粉末は、水素雰囲気中で乾燥処理、更に窒素雰囲気で高
温熱処理することにより、尿素と硼酸の還元により乱層
構造のt−BNが生成する。この混合粉末では、第二相
のt−BNがAlN、Si3N4又はSi-Al-O-Nの
周りを取り囲んでいる。 (2) この粉末に焼結助剤を添加し、混合・乾燥した混合
粉末を焼結すると、AlN、Si3N4又はSi-Al-O
-Nの粒子内に分散したBN粒子は、AlN、α−Si3
N4又はSi-Al-O-Nが焼結助剤に起因して生成する
粒界相に融解し、そこから析出するときの成長核の役割
を果たす。特にα−Si3N4はβ−Si3N4として析出
するときの成長核の役割を果たし、柱状のβ−Si3N4
の成長を促進する。このAlN、β−Si3N4又はSi
-Al-O-Nは、ナノサイズの分散粒子を核にして成長
するために、AlN、β−Si3N4又はSi-Al-O-
Nのマトリックス結晶粒子の粒径が良好に制御される。
そのために、上記粒子が成長しても破壊源は増大しない
ので、本発明の含窒素セラミック複合材料の破壊強度が
向上し、特性のばらつきも少なくなる。
クス結晶粒子の結晶粒内のBNと同様に結晶粒界のBN
でもその界面に不純物の生成は認められず、界面の整合
性は良い。また、熱膨張差により冷却過程に生じる劈開
も、BN−AlN粒界、BN−Si3N4粒界又はBN−
Si-Al-O-N粒界よりもBN粒内であることから、
強い界面を実現する。BNを多量添加することにより、
粒界にも微細な粒子を分散することができ、温度が上昇
しても、粒界は安定なBN粒子により部分的に結合して
いるために、高温での強度低下が抑えられる。 (4) BN含有量を所定の体積%以上にすると、溶融金属
に対する腐食性が改善される。特にBN粒子がナノ分散
しているので、BN粒子間の間隔がかなり短くなるた
め、マトリックスの受けるダメージも小さくなる。ま
た、h−BNはグラファイトと同じ積層構造をとり、そ
の層間は弱いファンデルワールスカで結合しているた
め、多量添加により機械加工時に劈開し、硬い材料でも
優れた快削性を示す。
又はSi-Al-O-Nのマトリックス結晶粒子の結晶粒
内又は結晶粒内及び結晶粒界に特定の割合で分散させた
h−BN粒子に以上述べた役割を与えることにより、従
来のセラミック複合材料の破壊強度、耐熱衝撃性などの
機械的特性の改善だけでなく、溶融金属に対する耐食性
と機械加工時の快削性を改善することが可能になる。そ
の結果、高強度の維持、耐熱衝撃性を要求される摺動部
材や使用環境が厳しい高温部材などの構造材料を実現す
ることができる。
本発明のh−BN(六方晶窒化硼素)のマトリックス結
晶粒子の結晶粒内又は結晶粒内及び結晶粒界における含
有量は、窒化アルミニウム複合材料が5体積%以上40
体積%以下、好ましくは10〜30体積%である。また
窒化珪素複合材料が25体積%を超え45体積%以下、
好ましくは25〜45体積%である。更にサイアロンが
20体積%以上45体積%以下である。このh−BNの
体積含有割合は、窒化珪素基複合材料の体積に対するh
−BNの体積百分率である。それぞれのh−BNは粒径
が80nm以下である。こうした微細な粒径のh−BN
を上記範囲で含有しかつ均一に分散させると、本発明の
複合材料は室温及び高温での機械的特性の向上、溶融金
属に対する耐食性と機械加工時の優れた快削性が同時に
得られる。h−BN含有量の上記上限値を超えると、複
合材料は耐食性と快削性について良好であるが、破壊強
度、破壊靭性などの機械的特性が低下する。またh−B
N含有量の上記下限値未満(窒化珪素複合材料のみ下限
値以下)では、複合材料は機械的特性は優れているが、
耐食性と快削性の改善効果が小さくなり、好ましくな
い。
通りに行う。従来の市販のBN粉末を用いた複合化で
は、微細かつ均一に第二相を分散することは難しく、B
Nの多量添加では更に難しいため、先ず窒化アルミニウ
ム、窒化珪素又は窒化珪素とアルミナと窒化アルミニウ
ムの粉末に、所定量の尿素と硼酸の粉末を加え、この混
合粉末をエタノールを分散媒として湿式混合する。この
硼酸に対する尿素の割合は、硼酸1モルに対して尿素1
〜4モルとなるようにするのが好適である。また尿素粉
末及び硼酸粉末は、最終的にマトリックス結晶粒子中に
上記体積%となるように秤量し添加混合される。そのた
めに窒化アルミニウム複合材料を製造する場合には、尿
素粉末は窒化アルミニウム粉末の14〜52重量%、硼
酸粉末は窒化アルミニウム粉末の7〜27重量%、また
窒化珪素複合材料を製造する場合には、尿素粉末は窒化
珪素粉末の9〜54重量%、硼酸粉末は窒化珪素粉末の
4〜28重量%、更にサイアロン材料を製造する場合に
は、尿素粉末は窒化珪素とアルミナと窒化アルミニウム
の合計粉末の9〜54重量%、硼酸粉末は窒化珪素とア
ルミナと窒化アルミニウムの合計粉末の4〜28重量%
混合される。
700〜1100℃、好ましくは800〜1000℃で
4〜10時間還元処理する。ここで特開平9−1695
75号公報に示された方法のように、窒化珪素、尿素、
硼酸及び焼結助剤を混合し、水素還元処理した混合粉末
を用いて焼結すると、t−BN中の残留酸化物の影響に
より生じたSi2ON2ガラス相が特性に悪影響を及ぼ
す。そのため本発明では、水素雰囲気中で還元処理した
後、続いて窒素雰囲気中、1400〜1550℃、好ま
しくは1500℃で更に4〜10時間高温熱処理し、更
に続いて熱処理した混合粉末に所定量の焼結助剤を添加
して、再びエタノールを分散媒として湿式混合し、更に
乾燥する。ここで焼結助剤及びその添加量は、窒化アル
ミニウム複合材料を製造する場合には、Y2O3、Al2
O3、Gd2O3等であって、混合粉末の2〜7重量%、
好ましくは4〜6重量%添加する。また窒化珪素複合材
料又はサイアロン材料を製造するときはいずれの場合
も、焼結助剤はY2O3、Al2O3、Gd2O3等であって、
混合粉末の5〜15重量%、好ましくは6〜10重量%
添加する。そして最終的には、上記公報に示された方法
と同様に、得られた混合粉末を成形して、窒素雰囲気
中、1650℃以上、好ましくは1700℃以上の焼結
温度で焼結する。この焼結は常圧焼結の他に、窒素など
の不活性雰囲気中で、常圧焼結とHIP処理を組合せて
行うか、或いはホットプレス焼結で行うことができる。
ホットプレス焼結の場合は、特に焼結温度1700〜1
750℃、プレス圧10〜40MPaで1〜2時間焼結
することが好ましい。
具体的に説明する。 <実施例1〜6>平均粒径が0.6μmの窒化アルミニ
ウム粉末(徳山ソーダ社製)にこの粉末に対して硼酸
(H3BO3)粉末(高純度化学研究所製)とこの硼酸の
2倍のモル量に相当する尿素粉末(和光純薬工業社製)
を表1に示す6種類の割合で加えて均一に混合した。6
種類のの混合粉末を各別にエタノールを分散媒としてボ
ールミルを用いて湿式混合した後、水を加え、更に乾燥
した。これらの粉末を水素雰囲気中、900℃で7時間
還元処理し、更に窒素雰囲気中、1500℃で7時間高
温熱処理した。得られた6種類の混合粉末にこの粉末に
対して焼結助剤としてY2O3を2重量%を加え、再びエ
タノールを分散媒としてボールミルを用いて湿式混合し
た後、乾燥させた。これらの混合粉末を黒鉛ダイスに充
填して、ホットプレス装置(富士電波工業社製)で30
MPaの圧力でプレス成形した。これらの成形体を窒素
雰囲気中、1700℃で1時間焼結して6種類の窒化ア
ルミニウム複合材料を製造した。
化アルミニウム粉末に硼酸粉末27.41重量%と尿素
粉末53.21重量%の割合で加えて均一に混合した以
外は実施例1と同様にして窒化アルミニウム複合材料を
製造した。<比較例2〜7>比較のために、BN源とし
て硼酸と尿素を用いる代わりに、市販のBN粉末(平均
粒径0.9μm)を表1に示す割合で実施例1と同一の
窒化アルミニウム粉末に加えた。それ以外は実施例1と
同様にして窒化アルミニウム複合材料を製造した。 <比較例8>窒化硼素を全く含まない、窒化アルミニウ
ム単相材料を比較例8とした。 <比較結果1> (a) BN含有量 実施例1〜6及び比較例1の窒化硼素の含有量(体積
%)を測定した結果を表1に示す。
ウム複合材料、並びに比較例8で得られた窒化アルミニ
ウム単相材料をそれぞれ研削加工して、3mm×4mm
×40mmの大きさのサンプルを作製した。これらのサ
ンプルの曲げ強度をJIS(R 1601)に準じた3
点曲げ試験法により、荷重速度0.5mm/min、ス
パン長さ30mmで測定した。また同様に作製したサン
プルでヤング率は共振法により測定した。図1と図2
に、実施例1〜6及び比較例1〜8のサンプルの3点曲
げ強度とヤング率を示す。図1及び図2から明らかなよ
うに、比較例2から比較例7になるに従って、即ちBN
の添加量の増加とともに強度は低下するが、実施例1〜
6の窒化アルミニウム複合材料では、BN含有量40体
積%(実施例6)まで高強度を維持している。しかしB
N含有量45体積%(比較例1)になると強度は著しく
低下した。ヤング率は実施例1〜6の複合材料も比較例
2〜7の複合材料も、BN含有量とともに低下するが、
実施例1〜6の複合材料は、比較例2〜7と比べて、ヤ
ング率が低下しても強度の低下の程度が小さいことか
ら、比較例2〜7より耐熱衝撃性が改善されていること
が分かる。
10体積%の窒化アルミニウム複合材料、並びに比較例
8で得られた窒化アルミニウム単相材料から上記と同じ
サンプルを作製し、これらのサンプルを窒素雰囲気中、
室温、800℃、1000℃、1200℃及び1400
℃でそれぞれ10分間保持した後、上記と同じ条件で3
点曲げ試験することにより、室温時及び高温時の強度を
測定した。その結果を図3に示す。図3から明らかなよ
うに、実施例2(ナノ複合材料)、比較例3(ミクロ複
合材料)及び比較例8(単相材料)とも800℃から1
000℃までの強度は室温時の強度とほぼ同じであった
が、1200℃以上の温度では強度の減小率は実施例2
(ナノ複合材料)の方が比較例8(単相材料)と比較例
3(ミクロ複合材料)に比べて小さく、1400℃でも
高強度を維持している。特に粒界が軟化すると言われて
いる1300℃付近で、比較例8(単相材料)や比較例
3(ミクロ複合材料)は急激に強度が低下するのに対し
て、実施例2(ナノ複合材料)はマイルドで強度低下が
抑制されている。
性、(強度)2/2×(ヤング率)など)が関係する。この機
械加工時の快削性を調べるために、第1法としてWCド
リルを用いて、3000rpmで圧搾した。また第2法
として直径1mmのドリルでHP方向にボール盤加工し
た。その結果、比較例8(単相材料)では難加工性を示
したが、BN含有量が20体積%以上の実施例4〜6
(ナノ複合材料)では良好な快削性を示した。
の窒化珪素(α−Si3N4)粉末(宇部化学社製、商品
名:SN−E10)にこの粉末に対して硼酸(H3B
O3)粉末(高純度化学研究所製)とこの硼酸の2倍の
モル量に相当する尿素粉末(和光純薬工業社製)を表2
に示す8種類の割合で加えて均一に混合した。8種類の
の混合粉末を各別にエタノールを分散媒としてボールミ
ルを用いて湿式混合した後、水を加え、更に乾燥した。
これらの粉末を水素雰囲気中、900℃で7時間還元処
理し、更に窒素雰囲気中、1500℃で7時間高温熱処
理した。得られた8種類の混合粉末にこの粉末に対して
焼結助剤としてY2O36重量%とAl2O32重量%を加
え、再びエタノールを分散媒としてボールミルを用いて
湿式混合した後、乾燥させた。これらの混合粉末を黒鉛
ダイスに充填して、ホットプレス装置(富士電波工業社
製)で30MPaの圧力でプレス成形した。これらの成
形体を窒素雰囲気中、1700℃で1時間焼結して8種
類の窒化珪素複合材料を製造した。
化珪素粉末に硼酸粉末28.92重量%と尿素粉末5
6.12重量%の割合で加えて均一に混合した以外は実
施例7と同様にして窒化珪素複合材料を製造した。 <比較例10〜16>比較のために、BN源として硼酸
と尿素を用いる代わりに、市販のBN粉末(平均粒径
0.9μm)を表2に示す割合で実施例7と同一の窒化
珪素粉末に加えた。それ以外は実施例7と同様にして窒
化珪素複合材料を製造した。 <比較例17>窒化硼素を全く含まない、窒化珪素単相
材料を比較例17とした。 <比較結果2> (e) BN含有量 実施例7〜14及び比較例9の窒化硼素の含有量(体積
%)を測定した結果を表2に示す。
3N4と硼酸と尿素の混合粉末を水素雰囲気中で還元した
後、窒素雰囲気中で熱処理したときの各粉末について、
TEM観察(透過型電子顕微鏡観察)及びEDX分析
(エネルギ分散X線分光分析)を行った。実施例7〜1
4では、乱層構造のt−BNがα−Si3N4の周りを取
り囲んでいた。この実施例13(BN含有量30体積
%)の粉末を焼結したときの複合材料のTEM写真を図
4(a)及び(b)に示す。これらの写真からSi3N4
マトリックスの結晶粒内又は結晶粒内及び結晶粒界に8
0nm以下の微細なh−BNが分散した組織を持つナノ
複合材料であることが分った。図5に実施例10のSi
3N4複合材料のTEM写真を示す。写真からSi3N4と
BNの界面の整合性が良いことが分かる。これに対して
比較例10〜16では、粉末の状態でこの粉末の粒径は
0.9μmであり、この粉末を焼結したときの窒化珪素
複合材料は、TEM観察からBN粒子が窒化珪素の粒界
に分散した組織を持つミクロ複合材料であることが分っ
た。
複合材料、並びに比較例17で得られた窒化珪素単相材
料を上述した(b)と同様の方法でそれぞれ研削加工し
て、同一の大きさのサンプルを作製した。これらのサン
プルの曲げ強度とヤング率を上述した(b)と同様の方法
で測定した。図6と図7に、実施例7〜14及び比較例
9〜17のサンプルの3点曲げ強度とヤング率を示す。
図6及び図7から明らかなように、比較例10から比較
例16になるに従って、即ちBNの添加量の増加ととも
に強度は低下するが、実施例7〜14の窒化珪素複合材
料では、BN含有量45体積%(実施例16)まで高強
度を維持している。特にBN含有量30体積%の実施例
13の複合材料では、同じ30体積%の比較例15と異
なり、SiO2N2ガラス相のX線回折ピークが観察され
ず、比較例15より高い強度を示した。しかしBN含有
量50体積%(比較例9)になると強度は著しく低下し
た。ヤング率は実施例7〜14の複合材料も比較例10
〜16の複合材料も、BN含有量とともに低下するが、
実施例7〜14の複合材料は、比較例10〜16と比べ
て、ヤング率が低下しても強度の低下の程度が小さいこ
とから、比較例10〜16より耐熱衝撃性が改善されて
いることが分かる。
複合材料及び比較例17で得られた窒化珪素単相材料か
ら上記と同じサンプルを作製し、これらのサンプルを窒
素雰囲気中、室温、1000℃、1200℃、1300
℃、1400℃、1500℃及び1600℃でそれぞれ
10分間保持した後、上記と同じ条件で3点曲げ試験す
ることにより、室温時及び高温時の強度を測定した。そ
の結果を図8に示す。図8から明らかなように、実施例
13(ナノ複合材料)及び比較例17(単相材料)とも
1000℃から1200℃までの強度は室温時の強度と
ほぼ同じであったが、1200℃以上の温度では強度の
減小率は実施例13(ナノ複合材料)の方が比較例17
(単相材料)に比べて小さく、1400℃でも高強度を
維持している。特に粒界が軟化すると言われている13
00℃付近で、比較例17(単相材料)は急激に強度が
低下するのに対して、実施例13(ナノ複合材料)はマ
イルドで強度低下が抑制されている。
性、(強度)2/2×(ヤング率)など)が関係する。この機
械加工時の快削性を調べるために、上述した(d)と同様
に、第1法としてWCドリルを用いて、3000rpm
で圧搾した。また第2法として直径1mmのドリルでH
P方向にボール盤加工した。その結果、比較例17(単
相材料)では難加工性を示したが、BN含有量が20体
積%以上の実施例11、13(ナノ複合材料)では良好
は快削性を示した。図9に窒化珪素複合材料の硬度を示
す。BN含有量15体積%の比較例12のミクロ複合材
料の硬度は、同じく20体積%の実施例11のナノ複合
材料の硬度より低いが、この20体積%のナノ複合材料
の方が良好な快削性を示した。またBN含有量30体積
%の実施例13のナノ複合材料と、同じくBN含有量3
0体積%の比較例15のミクロ複合材料とをそれぞれド
リル加工した。それぞれの孔を顕微鏡観察(図示せず)
したところ、比較例15のミクロ複合材料では粗い研削
面であるのに対して、実施例13のナノ複合材料では研
削痕が見えるほどきめ細かい研削面であった。
ニウム複合材料、窒化珪素複合材料又はサイアロンのよ
うな含窒素セラミック複合材料は、マトリックスの結晶
粒内又は結晶粒内及び結晶粒界に六方晶窒化硼素が所定
の体積%で均一に分散しているため、強度、耐熱衝撃性
に優れた特性を有する材料であり、溶融金属に対する耐
食性と機械加工時の快削性が改善され、摺動部材などの
構造材料に応用可能である。また本発明の製造方法によ
れば、分散粒子であるBN源に尿素と硼酸を用いて、水
素雰囲気での還元処理、高温熱処理した後に焼結助剤を
添加することにより、六方晶窒化硼素を比較的高い含有
量で均一にマトリックスの結晶粒内又は結晶粒内及び結
晶粒界に分散させることができる。
ウム複合又は単相材料のBN含有量と曲げ強度との関係
を示す図。
ウム複合又は単相材料のBN含有量とヤング率との関係
を示す図。
材料並びに比較例8の窒化アルミニウム単相材料の高温
時における強度を示す図。
化珪素複合材料のTEM写真図。 (b) その高分解のTEM写真図。
M写真図。
複合又は単相材料のBN含有量と曲げ強度との関係を示
す図。
複合又は単相材料のBN含有量とヤング率との関係を示
す図。
の高温時における強度を示す図。
15、17の窒化珪素複合材料の硬度を示す図。
Claims (6)
- 【請求項1】 窒化アルミニウムマトリックスの結晶粒
内又は結晶粒内及び結晶粒界に粒径が80nm以下のh
−BN(六方晶窒化硼素)が5体積%以上40体積%以
下で均一に分散したことを特徴とする含窒素セラミック
複合材料。 - 【請求項2】 窒化珪素マトリックスの結晶粒内又は結
晶粒内及び結晶粒界に粒径が80nm以下のh−BN
(六方晶窒化硼素)が25体積%を超え45体積%以下
で均一に分散したことを特徴とする含窒素セラミック複
合材料。 - 【請求項3】 サイアロンマトリックスの結晶粒内又は
結晶粒内及び結晶粒界に粒径が80nm以下のh−BN
(六方晶窒化硼素)が20体積%以上45体積%以下で
均一に分散したことを特徴とする含窒素セラミック複合
材料。 - 【請求項4】 窒化アルミニウム粉末とこの窒化アルミ
ニウム粉末に対して14〜52重量%の尿素粉末と7〜
27重量%の硼酸粉末とを混合し、 前記混合粉末を水素雰囲気中、700〜1100℃で還
元処理し、 前記還元処理した混合粉末を窒素雰囲気中、1400〜
1550℃で高温熱処理し、 前記熱処理した混合粉末に焼結助剤をこの混合粉末に対
して2〜7重量%添加し、 前記焼結助剤を添加した混合粉末を成形した後、窒素雰
囲気中、1650℃以上の温度で焼結して窒化アルミニ
ウム複合材料を得る含窒素セラミック複合材料の製造方
法。 - 【請求項5】 窒化珪素粉末とこの窒化珪素粉末に対し
て9〜54重量%の尿素粉末と4〜28重量%の硼酸粉
末とを混合し、 前記混合粉末を水素雰囲気中、700〜1100℃で還
元処理し、 前記還元処理した混合粉末を窒素雰囲気中、1400〜
1550℃で高温熱処理し、 前記熱処理した混合粉末に焼結助剤をこの混合粉末に対
して5〜15重量%添加し、 前記焼結助剤を添加した混合粉末を成形した後、窒素雰
囲気中、1650℃以上の温度で焼結して窒化珪素複合
材料を得る含窒素セラミック複合材料の製造方法。 - 【請求項6】 窒化珪素粉末とアルミナ粉末と窒化アル
ミニウム粉末と二酸化珪素粉末とを所定の重量%で配合
し、 前記配合した粉末総量に対して9〜54重量%の尿素粉
末と4〜28重量%の硼酸粉末とを混合し、 前記混合粉末を水素雰囲気中、700〜1100℃で還
元処理し、 前記還元処理した混合粉末を窒素雰囲気中、1400〜
1550℃で高温熱処理し、 前記熱処理した混合粉末に焼結助剤をこの混合粉末に対
して5〜15重量%添加し、 前記焼結助剤を添加した混合粉末を成形した後、窒素雰
囲気中、1650℃以上の温度で焼結してサイアロンを
得る含窒素セラミック複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31500697A JP3586784B2 (ja) | 1997-11-17 | 1997-11-17 | 含窒素セラミック複合材料及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31500697A JP3586784B2 (ja) | 1997-11-17 | 1997-11-17 | 含窒素セラミック複合材料及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11147768A true JPH11147768A (ja) | 1999-06-02 |
| JP3586784B2 JP3586784B2 (ja) | 2004-11-10 |
Family
ID=18060290
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31500697A Expired - Fee Related JP3586784B2 (ja) | 1997-11-17 | 1997-11-17 | 含窒素セラミック複合材料及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3586784B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001077485A (ja) * | 1999-08-31 | 2001-03-23 | Kyocera Corp | セラミック基板と金属放熱器の接合構造 |
| JP2005029421A (ja) * | 2003-07-11 | 2005-02-03 | Japan Science & Technology Agency | AlN/BN複合粉末の製造方法及びAlN/BN複合焼結材料の製造方法 |
| KR20160129458A (ko) * | 2015-04-30 | 2016-11-09 | 서울시립대학교 산학협력단 | 전기전도성 탄화규소-질화붕소 복합 소재 제조용 조성물 및 이를 이용한 전기전도성 탄화규소-질화붕소 복합 소재의 제조방법 |
| CN116589978A (zh) * | 2023-04-23 | 2023-08-15 | 哈尔滨工业大学(威海) | 一种复合电磁吸波材料的制备方法 |
-
1997
- 1997-11-17 JP JP31500697A patent/JP3586784B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001077485A (ja) * | 1999-08-31 | 2001-03-23 | Kyocera Corp | セラミック基板と金属放熱器の接合構造 |
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| KR20160129458A (ko) * | 2015-04-30 | 2016-11-09 | 서울시립대학교 산학협력단 | 전기전도성 탄화규소-질화붕소 복합 소재 제조용 조성물 및 이를 이용한 전기전도성 탄화규소-질화붕소 복합 소재의 제조방법 |
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|---|---|
| JP3586784B2 (ja) | 2004-11-10 |
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