JP2001114564A

JP2001114564A - 高強度低熱伝導材料及びその製造方法

Info

Publication number: JP2001114564A
Application number: JP29435199A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Terada; 好晴寺田
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 1999-10-15
Filing date: 1999-10-15
Publication date: 2001-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】常温において高い強度と低い熱伝導率を有する
と共に、高温での強度が低下しにくい高強度低熱伝導セ
ラミックス材料及びその製造方法を提供する。【解決手段】窒化ケイ素粉末６０重量部とポリシラザン
３０重量部とＡｌ₂Ｏ₃５重量部とＹ ₂Ｏ₃５重量部とを含
有するスラリーを、窒化ケイ素系セラミック長繊維の束
に含浸させたものをドラムに巻き付け、乾燥させて得ら
れた成形体を１３５０℃２時間熱処理することにより、
粒状のアモルファスセラミックスが複数の窒化ケイ素結
晶間に分散して成り前記長繊維を有する、常温曲げ強度
２４０ＭＰａ、１０００℃の曲げ強度が２３１ＭＰａ、
熱伝導率４．６Ｗ／ｍＫ、破壊靭性値１０．８ＭＰａｍ
^1/2のセラミックス材料を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高強度低熱伝導セ
ラミックス材料及びその製造方法に関する。前記セラミ
ックス材料は、例えば、ガスタービン、エンジン、ボイ
ラー等の熱機関の遮熱部品として用いることにより、装
置の高温燃焼化、及び断熱性能を向上させ、エネルギー
の効率的な利用を可能とする。

【０００２】

【従来の技術】窒化ケイ素を始めとする非酸化物セラミ
ックスは、金属と同等な強度を有すとともに、一般的に
用いられるスチール等の金属に比べて軽量で且つ耐熱
性、耐熱衝撃性に優れたセラミックスとして知られてお
り、エンジン等の熱機関に用いる構造材料としての期待
が大きい材料である。

【０００３】このような用途では、一部で金属シリコン
の直接窒化による窒化ケイ素を用いた断熱材や、特開平
５−１３９８２３号公報、特開平５−３３０９０７号公
報、特開平９−３０１７７２号公報等に記載のセラミッ
クス材料及びその製造方法が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記一部で金
属シリコンの直接窒化による窒化ケイ素を用いた材料
は、気孔率が２０％程度と高く強度が弱いと共に、熱伝
導率が８〜１０Ｗ／ｍＫであり、なお不十分である。

【０００５】また、特開平９−３０１７７２号公報に
は、低熱伝導であることで知られるコーディエライトを
窒化ケイ素に添加している例もみられるが、この公報に
記載のセラミック材料は、常温と比較して高温での強度
がかなり低下するので、高温となる熱機関に用いるには
信頼性に欠けるという問題点を有する。この公報に記載
のセラミック材料は、例えば、８００℃を越える高温、
特に１０００℃以上の高温ではクリープ変形してしま
う。

【０００６】本発明の第１の目的は、常温において高い
強度と低い熱伝導率を有すると共に、高温での強度が低
下しにくい高強度低熱伝導セラミックス材料を提供する
ことである。また、本発明の第２の目的は、常温におい
て高い強度と低い熱伝導率を有すると共に、高温での強
度が低下しにくい高強度低熱伝導セラミックス材料の製
造方法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、窒化ケイ素
粉末と有効量の粒状アモルファスセラミックスフィラー
とアモルファスセラミックス繊維と有効量の焼結助剤を
少なくとも含有する成形体を１２００℃以上で熱処理し
て得られたセラミックスは、複数の窒化ケイ素結晶及び
前記結晶の粒界を含む母相と、前記母相に分散する有効
量の粒状アモルファスセラミックス相とアモルファスセ
ラミックス繊維を有するという従来のものとは全く異な
る構成を有するにも拘わらず、常温において高い強度と
低い熱伝導率を有すると共に、高温での強度が低下しに
くいという優れた特性を併せ持つだけでなく、さらにア
モルファスセラミックス繊維の含有量の変更により破壊
靭性値を調節することができるということを見出し、本
発明を完成するに至った。

【０００８】即ち、本発明によれば、第１の視点におい
て、複数の窒化ケイ素結晶及び前記結晶の粒界を含む母
相と、前記母相に分散する有効量の粒状アモルファスセ
ラミックス相と、アモルファスセラミックス繊維を少な
くとも有する高強度低熱伝導セラミックス材料により、
上記第１の目的を達成することができる。

【０００９】本発明のセラミックス材料において、前記
アモルファスセラミックス相の一部ないし全部をアモル
ファス窒化ケイ素及びアモルファス炭化ケイ素のうちの
１種以上にすることができ、窒化ケイ素結晶の主体をα
−窒化ケイ素結晶にすることができる。

【００１０】また、本発明によれば、第２の視点におい
て、窒化ケイ素粉末と有効量の粒状アモルファスセラミ
ックスフィラーとアモルファスセラミックス繊維と有効
量の焼結助剤を少なくとも含有する成形体を１２００℃
以上で熱処理する熱処理工程を少なくとも有する高強度
低熱伝導セラミックス材料の製造方法により、上記第２
の目的を達成することができる。なお、本願明細書にお
いて「焼結助剤」とは、特にことわらないかぎり、少な
くとも窒化ケイ素に対して有効な焼結助剤のことであ
る。

【００１１】本発明のセラミックス材料の製造方法で
は、前記アモルファスセラミックスフィラーの一部ない
し全部として、アモルファス窒化ケイ素及びアモルファ
ス炭化ケイ素のうちの１種以上を含有する粒状アモルフ
ァスセラミックスフィラーを用いることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】〔セラミックス材料〕本発明のセ
ラミックス材料は、上述の構成を有するものであり、例
えば、α−炭化ケイ素等の炭化ケイ素結晶等を本発明の
効果を損なわない範囲で含有することができる。炭化ケ
イ素結晶を含有させた場合には、熱伝導率をより一層低
下させることができる。

【００１３】本発明のセラミックス材料は、好ましく
は、アモルファスセラミックス繊維が配向したものにす
る。例えば、前記繊維のうちの好ましくは半数以上（よ
り好ましくは７０％以上、さらに好ましくは８０％以
上、特に好ましくは９０％以上、最も好ましくは全て）
の軸がほぼ同じ方向に向いたものにすることができる。
本発明のセラミックス材料において、アモルファスセラ
ミックス繊維は、好ましくは本発明で特定する母相と結
合して前記母相と一体化している。

【００１４】本発明のセラミックス材料の好適な形態と
しては、有するアモルファスセラミックス繊維のうちの
半数以上（好ましくは７０％以上、より好ましくは８０
％以上、さらに好ましくは９０％以上、特に好ましくは
９５〜１００％）の軸がほぼ同一方向に向いたアモルフ
ァスセラミックス繊維の束における繊維の間の隙間（特
に、繊維の外周間の隙間）に、本発明で特定する母相が
充填されて、アモルファスセラミックス繊維同士が前記
母相により接合されて成るものがある。

【００１５】また、本発明のセラミックス材料の他の好
適な形態としては、本発明で特定する母相にアモルファ
スセラミックス繊維が分散して成るものがある。例え
ば、前記母相の寸法よりも寸法が十分小さいアモルファ
スセラミックス繊維が前記母相に分散して成るものがあ
る。なお、この形態のセラミックス材料においては、有
するアモルファスセラミックス繊維のうちの半数以上
（好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上、
さらに好ましくは９０％以上、特に好ましくは９５〜１
００％）の軸をほぼ同一方向に向くようにしてもよい。

【００１６】本発明のセラミックス材料における窒化ケ
イ素結晶の全重量Ａｗと粒状アモルファスセラミックス
相の全重量Ｂｗの重量比Ａｗ：Ｂｗは、好ましくは６０
〜３０：２５〜６５（より好ましくは６０〜３０：３０
〜６０、さらに好ましくは６０〜５０：３０〜４０）で
あり、７０〜６０：３０〜４０にすることができる。

【００１７】本発明のセラミックス材料は、母相と粒状
アモルファスセラミックス相とアモルファスセラミック
ス繊維の合計の体積１００体積部に対して、アモルファ
スセラミックス繊維を例えば０．１体積部以上含有させ
ることができ、好ましくは０．５〜７０体積部（より好
ましくは１〜６５体積部、さらに好ましくは５〜６０体
積部、特に好ましくは１０〜６０体積部、最も好ましく
は３０〜５５体積部）含有する。

【００１８】本発明のセラミックス材料は、前記アモル
ファスセラミックス繊維を例えば０．１体積％以上含有
させることができ、好ましくは０．５〜７０体積％（よ
り好ましくは１〜６５体積％、さらに好ましくは５〜６
０体積％、特に好ましくは１０〜６０体積％、最も好ま
しくは３０〜５５体積％）含有する。

【００１９】本発明のセラミックス材料の密度は、好ま
しくは２．４〜３．３（より好ましくは２．５〜３．
２、さらに好ましくは２．６〜３．１）である。また、
本発明のセラミックス材料は、強度を低下させない範囲
で気孔を含有することができるが、気孔率を好ましくは
１０体積％以下（より好ましくは５体積％以下、さらに
好ましくは２体積％以下）にする。本発明のセラミック
ス材料は、気孔率が低くても熱伝導率が小さい。

【００２０】本発明のセラミックス材料は、好ましく
は、窒化ケイ素粉末と有効量の粒状アモルファスセラミ
ックスフィラーとアモルファスセラミックス繊維と有効
量の焼結助剤を少なくとも含有する成形体を１２００℃
以上（好ましくは１２００〜１４５０℃、より好ましく
は１３５０〜１４５０℃）で熱処理（焼成）して成ると
いう構成要件を具備するものにすることができる。

【００２１】また、本発明のセラミックス材料は、窒化
ケイ素粉末（好ましくは、α−窒化ケイ素粉末）と有効
量の粒状アモルファスセラミックスフィラー（好ましく
は、アモルファス窒化ケイ素及びアモルファス炭化ケイ
素のうちの１種以上を含有する粒状アモルファスセラミ
ックスフィラー）とアモルファスセラミックス繊維が有
効量の焼結助剤粉末（好ましくは、イットリア及びアル
ミナのうちの１種以上を含有する焼結助剤粉末）の存在
下において反応して得られた反応生成物を含有すること
ができる。前記反応生成物としては、例えば、アモルフ
ァス窒化ケイ素、α−窒化ケイ素、β−窒化ケイ素等が
ある。

【００２２】本発明のセラミックス材料は、好ましく
は、窒化ケイ素粉末と有効量の粒状アモルファスセラミ
ックスフィラーとアモルファスセラミックス繊維の混合
物ないしその成形体（より好ましくは、さらに有効量の
焼結助剤を含有する混合物ないしその成形体）を焼成し
て緻密化させて、１２００℃以上（より好ましくは１２
００〜１４５０℃、さらに好ましくは１３５０〜１４５
０℃）で熱処理することにより得られる反応生成物を含
有することができる。前記反応生成物としては、例え
ば、アモルファス窒化ケイ素、α−窒化ケイ素、β−窒
化ケイ素等がある。

【００２３】本発明のセラミックス材料の常温における
３点曲げ強度（ＪＩＳＲ１６０１）は、好ましくは
２００ＭＰａ以上（より好ましくは２２０ＭＰａ以上、
さらに好ましくは２５０ＭＰａ以上）であり、１０００
℃における３点曲げ強度（ＪＩＳＲ１６０４）は好
ましくは１８５ＭＰａ以上（より好ましくは１９０ＭＰ
ａ以上、さらに好ましくは１９５ＭＰａ以上）である。
また、本発明のセラミックス材料の熱伝導率（ＪＩＳ
Ｒ１６１１）は、好ましくは６Ｗ／ｍＫ以下（より好
ましくは５Ｗ／ｍＫ以下、さらに好ましくは４Ｗ／ｍＫ
以下、特に好ましくは３Ｗ／ｍＫ以下、最も好ましくは
２Ｗ／ｍＫ以下）である。

【００２４】本発明のセラミックス材料は、一般的に、
アモルファスセラミックス繊維の含有量を増加させるこ
とにより破壊靭性値を増加させることができるという傾
向があり、破壊靭性値（ＪＩＳＲ１６０７）（ＳＥ
ＰＢ法）が５ＭＰａｍ^1/2以上（好ましくは１０ＭＰａ
ｍ^1/2以上、より好ましくは１５ＭＰａｍ^1/2以上、さら
に好ましくは２０ＭＰａｍ^1/2以上）のものは好適であ
る。

【００２５】［母相］本発明のセラミックス材料におけ
る母相は、複数の窒化ケイ素結晶及び前記結晶の粒界を
含む。なお、前記アモルファスセラミックス相及びアモ
ルファスセラミックス繊維は、前記粒界には含まれない
ものとする。

【００２６】〈窒化ケイ素結晶〉前記窒化ケイ素結晶
は、α−窒化ケイ素結晶でよいが、α−窒化ケイ素結晶
とβ−窒化ケイ素結晶の双方を含有することができる。
本発明のセラミックス材料が含有する窒化ケイ素結晶の
主体は、好ましくはα−窒化ケイ素結晶であり、これ以
外にβ−窒化ケイ素結晶を含有することができる。即
ち、本発明のセラミックス材料が含有する窒化ケイ素結
晶の全重量及び全体積のうちの少なくとも一方に占める
α−窒化ケイ素結晶の含有率がβ−窒化ケイ素結晶の含
有率よりも高くすることができる。

【００２７】本発明のセラミックス材料では、例えば、
α−窒化ケイ素結晶１００重量部に対してβ−窒化ケイ
素結晶を０〜１１重量部含有することができる。また、
本発明のセラミックス材料が含有する窒化ケイ素結晶の
全重量のうちの９０重量％以上をα−窒化ケイ素結晶に
すると共に、１０重量％程度までをβ−窒化ケイ素結晶
にすることができる。

【００２８】〈窒化ケイ素結晶の粒界〉窒化ケイ素結晶
の粒界は、好ましくは、焼結助剤として用いることがで
きる成分（例えば、アルミナ、イットリア、マグネシア
等のうちの１種以上）及びその反応生成物（これら物質
の混合物のガラス、例えば、アルミナ−イットリア−シ
リカ系ガラス等）のうちの１種以上を含有することがで
きる。前記焼結助剤として用いることができる成分及び
その反応生成物のうちの１種以上はガラス相の形態で粒
界の一部ないし主要部さらには全部として存在すること
ができる。

【００２９】［粒状アモルファスセラミックス相］粒状
アモルファスセラミックス相の一部ないし全部は、好ま
しくは、アモルファス窒化ケイ素及びアモルファス炭化
ケイ素のうちの１種以上から成る。例えば、粒状アモル
ファスセラミックス相群の一部ないし全部は、粒状アモ
ルファス窒化ケイ素相及び粒状アモルファス炭化ケイ素
相のうちの１種以上にすることができる。また、粒状ア
モルファスセラミックス相群のうちの一つの独立した相
は、アモルファス窒化ケイ素及びアモルファス炭化ケイ
素のうちの１種以上を含有する相にすることができる。

【００３０】［アモルファスセラミックス繊維］アモル
ファスセラミックス繊維は、好ましくは炭化物系（例え
ば、ＳｉＣ系、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ系、Ｓｉ−Ｃ−Ｏ
系）、酸化物系（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化物系（例え
ば、ＳｉＮ系）のセラミックス繊維を用いる。アモルフ
ァスセラミックス繊維（特に長繊維）としては、好まし
くは、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸炭化チタン、酸炭化
ケイ素のうちの１種以上である。具体的な商品名として
は、ニカロン（Ｓｉ−Ｃ−Ｏ系）、ハイニカロン（Ｓｉ
−Ｃ系）、チラノ繊維（Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ系）等があ
る。

【００３１】アモルファスセラミックス繊維の径（太
さ）は、好ましくは２５μｍ以下（より好ましくは１５
μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下）である。な
お、本発明で特定する母相にアモルファスセラミックス
繊維を分散させた状態で、アモルファスセラミックス繊
維を有することができる。この場合において、好適には
次のとおりである。アモルファスセラミックス繊維の径
（太さ）は、好ましくは２５μｍ以下（より好ましくは
１５μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下）であ
る。アモルファスセラミックス繊維の長さＦｎと径Ｆｄ
のアスペクト比Ｆｎ／Ｆｄは、好ましくは５以上にする
ことができる。アモルファスセラミックス繊維として
は、前記Ｆｎ／Ｆｄが５〜１０のもの、１０〜１００の
ウィスカー状のもの、１００以上の連続繊維状のもの等
がある。

【００３２】〔セラミックス材料の製造方法〕本発明の
セラミックス材料の製造方法は、窒化ケイ素粉末と有効
量の粒状アモルファスセラミックスフィラーとアモルフ
ァスセラミックス繊維と有効量の焼結助剤を少なくとも
含有する成形体を１２００℃以上で熱処理する熱処理工
程を少なくとも有するものであり、前記熱処理工程の前
には、前記成形体の製造工程を設けることができる。ア
モルファスセラミックス繊維としては、上述のものを用
いることができる。

【００３３】［成形体の製造工程］前記成形体は、例え
ば、窒化ケイ素粉末と有効量のアモルファスセラミック
スフィラー（好ましくは粒状アモルファスセラミックス
フィラー）又は前記アモルファスセラミックスフィラー
の前駆体と有効量の焼結助剤を少なくとも含むスラリー
を製造し、このスラリーをアモルファスセラミックス繊
維の束に含浸させて含浸体として得ることができる。こ
の場合のアモルファスセラミックス繊維の長さは、前記
繊維を束にして軸を同じ向きにそろえる（配向させる）
ことができる程度の長さにする。

【００３４】さらに、前記含浸体は、例えばドラム形
（円筒形、円柱形）等の型に巻き付け必要であれば切断
して所望の寸法の成形体にすることができる。前記含浸
体は、含有する溶媒を蒸発させて乾燥した成形体にする
ことができる。なお、成形体がアモルファスセラミック
スフィラーの前駆体を含有する場合には、成形体を好ま
しくは２５０℃以上で加熱して前記前駆体を硬化（セラ
ミック化）させ、成形体が樹脂を含有する場合には、好
ましくは前記成形体を例えば６００℃程度の窒素雰囲気
中で加熱して脱樹脂する。

【００３５】また、前記成形体は、例えば、窒化ケイ素
粉末と有効量のアモルファスセラミックスフィラー（好
ましくは粒状アモルファスセラミックスフィラー）とア
モルファスセラミックス繊維と有効量の焼結助剤を少な
くとも含むスラリーを製造し、前記スラリーを型中で乾
燥して得ることができ、また、前記スラリーの乾燥体を
前記繊維が破壊されない程度の圧力（例えば５０〜２０
０ＭＰａ）で加圧して得ることができる。前記スラリー
の乾燥体は、前記繊維が破壊されない程度の圧力（例え
ば１〜１０ＭＰａ）で予備成形した後に、前記繊維が破
壊されない程度の圧力（例えば５０〜２００ＭＰａ）で
最終的な加圧を行って成形体とすることができる。前記
スラリーには、分散媒（水及び有機溶媒のうちの１種以
上）の他に、必要に応じて各種の添加剤（例えば、分散
剤等）を含有させることができる。前記スラリーの乾燥
体は、加圧する前に必要に応じて乾式粉砕することがで
きる。

【００３６】なお、前記成形体を成形するための坏土な
いしその原料としては、例えば、焼結助剤を含むマトリ
ックス窒化ケイ素原料粉末（本発明のセラミックス材料
における母相の原料）に、アモルファスセラミックスフ
ィラーをその前駆体の形態で展開して（例えば、混合、
分散させて）熱処理することによりセラミック化した
（アモルファスセラミックスフィラーにした）ものを用
いてもよい。

【００３７】例えば、アモルファスセラミックスフィラ
ーに変化することができる前駆体を窒素及びアンモニア
のうちの１種以上の雰囲気中で２５０℃以上２８０℃以
下（好ましくは２５０〜２６０℃）で熱処理しアモルフ
ァスセラミックスフィラーにしたものを原料の一種とし
て用いてもよい。さらに、ここで得られた熱処理物を１
０００〜１２００℃（例えば１０００℃）で窒素及び不
活性ガス（特に、ケイ素を酸化させない不活性ガス）の
うちの１種以上の雰囲気中で焼成し、得られた焼成体を
粉砕して粉砕物を得て、焼結助剤を含むマトリックス窒
化ケイ素原料粉末（本発明のセラミックス材料における
母相の原料）に前記粉砕物を添加し、得られた粉末（必
要であれば、添加した後にさらに粉砕して得られたも
の）を、本発明の製造方法における成形体を製造するた
めの原料とすることができる。上述のようなアモルファ
スセラミックスフィラーの前駆体としては、例えば、ポ
リシラザン、ポリシラン、ポリカルボシラン等のケイ素
ポリマーのうちの１種以上があり、ケイ素ポリマーは有
機ケイ素ポリマーでも無機ケイ素ポリマーでもよい。

【００３８】アモルファスセラミックスフィラーは、成
形体において粒状であればよく、成形体を製造する前の
段階の製造原料としては必ずしも粒状である必要はな
い。即ち、成形体の製造原料として非粒状（例えば、繊
維状、棒状等）のアモルファスセラミックスフィラーを
用いた場合でも、成形体の製造過程において、例えば、
成形体を得るための原材料の混合ないし粉砕時等に粒状
アモルファスセラミックスフィラーに変化し、成形体に
おいて粒状アモルファスセラミックスフィラーとして含
有していればよい。

【００３９】〈窒化ケイ素粉末原料〉成形体の製造原料
として用いる窒化ケイ素粉末原料としては、好ましく
は、α−窒化ケイ素粉末単独、又は、α−窒化ケイ素と
β−窒化ケイ素との混合物の粉末（粉末の一粒子がα−
窒化ケイ素とβ−窒化ケイ素の双方を含む粉末でもよ
い）を用いることができる。窒化ケイ素粉末原料におけ
るα−窒化ケイ素とβ−窒化ケイ素の組成比は任意でよ
いが、窒化ケイ素粉末原料がα−窒化ケイ素とβ−窒化
ケイ素の双方を含有する場合、好ましくは、α−窒化ケ
イ素９０重量部に対してβ−窒化ケイ素を１０重量部程
度まで含有させた窒化ケイ素粉末原料を用いる。

【００４０】成形体の製造原料として用いる窒化ケイ素
粉末の平均粒径は、好ましくは２μｍ以下（より好まし
くは０．３〜１．２μｍ、さらに好ましくは０．３〜１
μｍ）にする。

【００４１】成形体の製造原料として用いる窒化ケイ素
粉末としては、一般に市販されている各種のものが使用
可能であり、例えば、金属シリコン直接窒化法により得
られたもの、イミド分解法により得られたもの、あるい
はシリカ還元法により得られたものなど、各種の窒化ケ
イ素粉末の製造方法で得られたものを用いることができ
る。また、製造方法が異なる２種以上の窒化ケイ素粉末
を成形体の製造原料として用いることができる。なお、
窒化ケイ素粉末としては、好ましくは、純度が９０％以
上のものを用いる。

【００４２】成形体の製造原料として用いる窒化ケイ素
粉末には、炭化ケイ素粉末を含有させることができる。
例えば、窒化ケイ素粉末と炭化ケイ素粉末の混合物１０
０重量部に対して１０重量部程度までの炭化ケイ素粉末
を含有させることができる。このような炭化ケイ素粉末
についても窒化ケイ素粉末と同様に市販されている各種
のものを用いることができ、各種の炭化ケイ素粉末の製
造方法で得られたものを用いることができる。また、製
造方法が異なる２種以上の炭化ケイ素粉末を窒化ケイ素
粉末に混合した混合粉末を製造原料として用いることが
できる。なお、炭化ケイ素粉末としては、好ましくは、
純度が９０％以上のものを用いる。

【００４３】〈アモルファスセラミックスフィラー〉成
形体の製造原料として用いるアモルファスセラミックス
フィラーとして、好ましくは、ケイ素を含有するポリマ
ーを熱処理して得たアモルファスセラミックスフィラー
を用いる。前記ケイ素を含有するポリマーとしては、有
機のポリマーでも無機のポリマーでもよく、有機のポリ
マー及び無機のポリマーのうちの１種以上を用いること
ができる。

【００４４】成形体の製造原料として用いるアモルファ
スセラミックスフィラーとして、より好ましくは、ポリ
シラザン、ポリシラン及びポリカルボシランのうちの１
種以上を熱処理して得たアモルファスセラミックスフィ
ラーを用いる。このアモルファスセラミックスフィラー
は、高純度である。

【００４５】ポリシラザン系ケイ素ポリマーを熱処理し
て得られるアモルファスセラミックスフィラーには、例
えば、アモルファス窒化ケイ素及びアモルファス炭化ケ
イ素のうちのいずれか１種以上を含有するものや、さら
にはα−窒化ケイ素等の窒化ケイ素結晶及びα−炭化ケ
イ素等の炭化ケイ素のうちの１種以上を含有するものが
あり、成形体の製造原料として好適に用いることができ
る。

【００４６】成形体の製造原料として用いるアモルファ
スセラミックスの一部ないし全部として、好ましくは、
アモルファス窒化ケイ素及びアモルファス炭化ケイ素の
うちの１種以上を含有するアモルファスセラミックスを
用いる。例えば、アモルファスセラミックスの一部ない
し全部は、アモルファス窒化ケイ素（好ましくは、粒状
アモルファス窒化ケイ素）及びアモルファス炭化ケイ素
（好ましくは、粒状アモルファス炭化ケイ素）のうちの
１種以上にすることができる。また、アモルファスセラ
ミックスのうちの独立した一次粒子は、アモルファス窒
化ケイ素及びアモルファス炭化ケイ素のうちの１種以上
を含有する粒子にすることができる。なお、成形体の製
造原料として用いるアモルファスセラミックスフィラー
が窒化ケイ素系である場合、α−窒化ケイ素及びα−炭
化ケイ素のうちの１種以上の微結晶（結晶粒径は好まし
くは１０μｍ以下）を含有することができる。

【００４７】〈焼結助剤〉成形体の製造原料として用い
る焼結助剤は、本発明の製造方法で得られるセラミック
ス材料の緻密化を促進剤する緻密化促進剤として加えら
れるものであり、好ましくはこのような緻密化の促進に
十分有効である程度の量を成形体に含有させる。より好
ましくは、前記成形体において、窒化ケイ素３０〜６０
重量部に対して前記焼結助剤が１０重量部以下（より好
ましくは０．３〜９重量部、さらに好ましくは０．５〜
６重量部）になるように、前記成形体の製造の際に窒化
ケイ素粉末と焼結助剤を配合する。前記焼結助剤として
は、好ましくは、アルミナ、イットリア及びマグネシア
のうちの１種以上を用いる。製造原料として用いる焼結
助剤の平均粒径は、好ましくは１０μｍ以下にする。

【００４８】［熱処理工程］本発明の製造方法における
熱処理工程は、窒化ケイ素粉末と有効量の粒状アモルフ
ァスセラミックスフィラーとアモルファスセラミックス
繊維と有効量の焼結助剤を少なくとも含有する成形体を
１２００℃以上で熱処理する工程である。

【００４９】前記成形体（但し、アモルファスセラミッ
クス繊維を除く）１００重量部に対して、粒状アモルフ
ァスセラミックスフィラーを好ましくは２５〜６５重量
部（より好ましくは３０〜６０重量部）含有させ、焼結
助剤を好ましくは０．１〜１０重量部（より好ましくは
０．３〜９重量部、さらに好ましくは０．５〜６重量
部）含有させる。

【００５０】前記成形体には、目的とする破壊靭性値に
応じた適宜の量のアモルファスセラミックス繊維を含有
させる。また、前記成形体において、窒化ケイ素粉末６
０〜３０重量部に対して、粒状アモルファスセラミック
スフィラーを好ましくは２５〜６５重量部（より好まし
くは３０〜６０重量部）含有させ、焼結助剤を好ましく
は０．１〜１０重量部（より好ましくは０．３〜９重量
部、さらに好ましくは０．５〜６重量部）含有させる。
上記各々の構成により常温曲げ強度がより大きく、少な
くとも１０００℃程度までの高温での曲げ強度がより低
下しにくいと共に、熱伝導率がより低いセラミックス材
料を製造することができる。

【００５１】成形体の好適な形態としては、含有するア
モルファスセラミックス繊維のうちの半数以上（好まし
くは７０％以上、より好ましくは８０％以上、さらに好
ましくは９０％以上、特に好ましくは９５〜１００％）
の軸がほぼ同一方向に向いたアモルファスセラミックス
繊維の束における繊維の間の隙間（特に、繊維の外周間
の隙間）に、本発明のセラミックス材料で特定する母相
の前駆体（窒化ケイ素粉末と、粒状アモルファスセラミ
ックスフィラー又はその前駆体と、焼結助剤）が充填さ
れているものがある。

【００５２】また、成形体の他の好適な形態としては、
本発明のセラミックス材料で特定する母相の前駆体（窒
化ケイ素粉末と、粒状アモルファスセラミックスフィラ
ー又はその前駆体と、焼結助剤）にアモルファスセラミ
ックス繊維が分散して成るものがある。例えば、前記母
相の前駆体の寸法よりも寸法が十分小さいアモルファス
セラミックス繊維が前記母相の前駆体に分散して成るも
のがある。なお、この形態のセラミックス材料において
は、含有するアモルファスセラミックス繊維のうちの半
数以上（好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％
以上、さらに好ましくは９０％以上、特に好ましくは９
５〜１００％）の軸をほぼ同一方向に向くようにしても
よい。

【００５３】成形体は、好ましくは、含有する粒状アモ
ルファスセラミックスフィラー及びアモルファスセラミ
ックス繊維のそれぞれの一部ないし全部が結晶化せずに
残存するように、条件（例えば、温度と時間）を設定し
て熱処理（焼成）し、前記成形体（窒化ケイ素粉末粒
子）を焼結する。

【００５４】成形体は、含有する窒化ケイ素粒子が焼結
する温度で熱処理することができ、好ましくは１２００
〜１５００℃（より好ましくは１２００〜１４５０℃、
さらに好ましくは１２５０〜１４５０℃、特に好ましく
は１３００〜１４５０℃、最も好ましくは１３５０〜１
４５０℃）で熱処理する。前記成形体を１２００〜１５
００℃で熱処理することにより、割れや亀裂のないセラ
ミックス材料を製造することができる。また、成形体の
熱処理温度は、含有する粒状アモルファスセラミックス
フィラーやアモルファスセラミックス繊維が結晶化しな
い範囲が好ましく、そのような温度範囲は粒状アモルフ
ァスセラミックスフィラーやアモルファスセラミックス
繊維の種類に応じて適宜設定する。なお、成形体は、よ
り好ましくは、有効量の粒状アモルファスセラミックス
相が分散残留して焼結される条件下に、熱処理（焼結）
する。

【００５５】熱処理工程では、好ましくは、前記成形体
に含まれるケイ素、特に前記成形体に含まれるケイ素化
合物におけるケイ素等を酸化させない雰囲気中で前記成
形体を熱処理する。このような雰囲気としては、例え
ば、窒素、アルゴン等がある。

【００５６】前記成形体に含有させる粒状アモルファス
セラミックスフィラーの粒径は、製造しようとする本発
明のセラミックス材料における粒状アモルファスセラミ
ックス相の寸法に応じて適宜設定する。また、本発明の
製造方法における熱処理工程における熱処理時間は、前
記成形体の寸法に応じて適宜設定することができ、例え
ば１時間以上にすることができ、好ましくは２〜６時間
（より好ましくは３〜４時間）にすることができる。

【００５７】

【実施例】［実施例１〜１４］窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）
粉末（平均粒径０．６μｍ）と、焼結助剤（平均粒径
０．５μｍのＡｌ₂Ｏ₃及び平均粒径０．５μｍのＹ
₂Ｏ₃）と、有機ケイ素ポリマーであるポリシラザン（分
子量２０００）とを配合した原料粉末１００重量部に対
して、分散媒としてトルエン９０重量部を混合し、アル
ミナ玉石と共に１６時間混合し、セラミックスラリーと
した。

【００５８】このスラリーにアモルファス窒化ケイ素系
セラミック長繊維の束を浸して前記セラミック長繊維の
束にスラリーを含浸させ、ドラム（径１５ｃｍ、幅１０
ｃｍ）に巻き付け、その後この巻き付けたものを切断し
乾燥させて、乾燥した成形体を得る。この成形体を加圧
硬化炉中、６００℃以上、１０時間熱処理してマトリッ
クス（母相の前駆体）に添加したセラミック前駆体をセ
ラミック化（粒状アモルファスセラミック化）して、縦
およそ１５ｃｍ、横およそ１０ｃｍ、厚みおよそ１．５
ｃｍの寸法のシート状の成形体を得る。

【００５９】使用したアモルファス窒化ケイ素系セラミ
ック長繊維は、軸方向に連続した長尺繊維であり、径の
平均太さが１５μｍであり、アモルファス窒化ケイ素か
ら成る。

【００６０】上述のようにして得られたシート状の成形
体を、黒鉛目砂、黒鉛型等を用い、ホットプレス（およ
そ３０ＭＰａの成形圧力）で熱処理してシート状の本発
明のセラミックス材料を得た。なお、前記ホットプレス
は、成形圧力を好ましくは５〜３０ＭＰａにして行うこ
とができる。

【００６１】表１に、窒化ケイ素粉末、焼結助剤（Ａｌ
₂Ｏ₃及びＹ₂Ｏ₃）と、有機ケイ素ポリマーであるポリシ
ラザン（アモルファスセラミックスフィラーの原料であ
るセラミック前駆体）の配合比、及び成形体の焼成条件
を示す。

【００６２】表１に、得られたセラミックス材料の室温
及び高温（１２７３Ｋ）のそれぞれの曲げ強度（ＭＰ
ａ）、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、破壊靭性値（ＭＰａｍ
^1/2）、気孔率（％）を示す。なお、破壊靭性値は、得
られたセラミックス材料における繊維の配向方向（繊維
の長手方向）に対して直角方向の値である。その結果、
本発明の製造方法で製造したものは、熱伝導率が低くか
つ室温及び高温の双方において十分な曲げ強度が得られ
た。そして、セラミックスの欠点である脆さも高い破壊
靭性によって克服された。

【００６３】［比較例１］窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末
（平均粒径０．６μｍ）と、焼結助剤（平均粒径０．５
μｍのＡｌ₂Ｏ₃及び平均粒径０．５μｍのＹ₂Ｏ₃）と、
有機ケイ素ポリマーであるポリシラザン（分子量２００
０）とを表１の比較例１の欄の原料配合比に示す割合で
配合した原料粉末１００重量部に対して、分散媒として
トルエン９０重量部を混合し、アルミナ玉石と共に１６
時間混合し、セラミックスラリーとした。

【００６４】このスラリーを２４時間乾燥（１００℃）
後、乾式粉砕し、原料粉末とする。この粉末をプレス装
置によって縦１５ｃｍ、横１０ｃｍ、厚み１ｃｍに一軸
加圧成形し、シート（平板）状の成形体を得る。

【００６５】上述のようにして得られたシート状の成形
体を、黒鉛目砂、黒鉛型等を用い、ホットプレスで熱処
理してシート状の比較例１のセラミックス材料を得た。
得られた比較例１のセラミックス材料の常温曲げ強度
と、高温曲げ強度と、熱伝導率と、破壊靭性値と、気孔
率を表１に示した。

【００６６】［比較例２〜３］窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）
粉末（平均粒径０．６μｍ）と、焼結助剤（平均粒径
０．５μｍのＡｌ₂Ｏ₃及び平均粒径０．５μｍのＹ
₂Ｏ₃）とを表１の比較例２〜３のそれぞれの欄の原料配
合比に示す割合で配合した原料粉末１００重量部に対し
て、分散媒としてトルエン９０重量部を混合し、アルミ
ナ玉石と共に１６時間混合し、セラミックスラリーとし
た。

【００６７】このスラリーを２４時間乾燥（１００℃）
後、乾式粉砕し、原料粉末とする。この粉末をプレス装
置によって縦１５ｃｍ、横１０ｃｍ、厚み１ｃｍに一軸
加圧成形し、シート（平板）状の成形体を得る。

【００６８】上述のようにして得られたシート状の成形
体を、黒鉛目砂、黒鉛型等を用い、ホットプレスで熱処
理してシート状の比較例２〜３のセラミックス材料を得
た。得られた比較例２〜３のセラミックス材料の常温曲
げ強度と、高温曲げ強度と、熱伝導率と、破壊靭性値
と、気孔率を表１に示した。

【００６９】表１の常温曲げ強度は、ＪＩＳＲ１６
０１に基づくものである。また、高温曲げ強度は、ＪＩ
ＳＲ１６０４に基づくものであり、１０００℃にお
ける曲げ強度である。熱伝導率は、ＪＩＳＲ１６１
１に基づくものである。

【００７０】

【表１】

【００７１】表１の結果によれば、上記実施例の製造方
法により製造した本発明のセラミックス材料は、常温に
おいて十分な曲げ強度と低い熱伝導率を有すると共に、
高温でも曲げ強度があまり低下しておらず十分な曲げ強
度を有しているということがわかる。また、前記繊維の
含有率が増加するにつれて破壊靭性値が増加する傾向が
あるということがわかる。なお、本発明のセラミックス
材料は、密度が３．０ｇ／ｃｍ³以下であり、軽量であ
った。

【００７２】

【発明の効果】本発明の高強度低熱伝導セラミックス材
料は、複数の窒化ケイ素結晶及び前記結晶の粒界を含む
母相と、前記母相に分散する有効量の粒状アモルファス
セラミックス相と、アモルファスセラミックス繊維を少
なくとも有するので、次のような効果を奏することがで
きる。常温において高い強度と低い熱伝導率を有すると
共に、高温での強度が低下しにくい。また、アモルファ
スセラミックス繊維の含有量の変更により破壊靭性値を
調節することができる。特に、本発明の高強度低熱伝導
セラミックス材料は、アモルファスセラミックス繊維の
含有量を増加させることにより破壊靭性値をより大きく
し、セラミックス材料に特有の脆さを改善することがで
きる。

【００７３】本発明の高強度低熱伝導セラミックス材料
の製造方法は、窒化ケイ素粉末と有効量の粒状アモルフ
ァスセラミックスフィラーとアモルファスセラミックス
繊維と有効量の焼結助剤を少なくとも含有する成形体を
１２００℃以上で熱処理する熱処理工程を少なくとも有
するので、次のような効果を奏することができる。常温
において高い強度と低い熱伝導率を有すると共に、高温
での強度が低下しにくいという優れた特性を併せ持つセ
ラミックス材料を簡単に製造することができる。また、
成形体におけるアモルファスセラミックス繊維の含有量
を変更することにより破壊靭性値を調節してセラミック
ス材料を製造することができる。特に、本発明の高強度
低熱伝導セラミックス材料の製造方法は、成形体におけ
るアモルファスセラミックス繊維の含有量を増加させる
ことにより、破壊靭性値をより大きくし、セラミックス
材料に特有の脆さを改善したセラミックス材料を製造す
ることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の窒化ケイ素結晶及び前記結晶の粒界
を含む母相と、前記母相に分散する有効量の粒状アモル
ファスセラミックス相と、アモルファスセラミックス繊
維を少なくとも有することを特徴とする高強度低熱伝導
セラミックス材料。
【請求項２】前記アモルファスセラミックス相の一部な
いし全部は、アモルファス窒化ケイ素及びアモルファス
炭化ケイ素のうちの１種以上であることを特徴とする請
求項１に記載の高強度低熱伝導セラミックス材料。
【請求項３】前記窒化ケイ素結晶の主体は、α−窒化ケ
イ素結晶であることを特徴とする請求項１〜２のいずれ
か一に記載の高強度低熱伝導セラミックス材料。
【請求項４】窒化ケイ素粉末と有効量の粒状アモルファ
スセラミックスフィラーとアモルファスセラミックス繊
維と有効量の焼結助剤を少なくとも含有する成形体を１
２００℃以上で熱処理する熱処理工程を少なくとも有す
ることを特徴とする高強度低熱伝導セラミックス材料の
製造方法。
【請求項５】前記アモルファスセラミックスフィラーの
一部ないし全部として、アモルファス窒化ケイ素及びア
モルファス炭化ケイ素のうちの１種以上を含有する粒状
アモルファスセラミックスフィラーを用いることを特徴
とする請求項４に記載の高強度低熱伝導セラミックス材
料の製造方法。