ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料
【課題】導電性と高い熱伝導率を有すると共に、高剛性で耐摩耗性に優れたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を提供する。
【解決手段】ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣ粒子の間にＳｉが充填された構造を有し、ＳｉＣの充填率ξが８６〜９４体積％であり、断面組織におけるＳｉスポットの最近接重心間距離が１０〜８０μｍである。そして、断面組織におけるＳｉスポットの平均直径が１〜２０μｍである。
【解決手段】ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣ粒子の間にＳｉが充填された構造を有し、ＳｉＣの充填率ξが８６〜９４体積％であり、断面組織におけるＳｉスポットの最近接重心間距離が１０〜８０μｍである。そして、断面組織におけるＳｉスポットの平均直径が１〜２０μｍである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料、特に、耐磨耗性に優れたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ／Ｓｉ（炭化ケイ素／シリコン）複合材料は、軽量で剛性が高く熱膨張が小さいという優れた特性を有し、液晶製造装置や半導体製造装置などの構成部材を形成する材料として広く使用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、曲げ強度が５００ＭＰａ以上と高強度のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料が記載されている。このＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣが大小二種類の結晶粒度分布を有しており、ＳｉがＳｉＣ結晶粒の隙間に満遍なく充填されている。結晶粒度分布が大きいほうのＳｉＣの平均結晶粒径は０．１〜１０μｍであり、結晶粒度分布が小さいほうのＳｉＣの平均結晶粒径は０．０１〜１μｍである。
【０００４】
ところで、現在、ブラスト装置のブラスト用ノズルなどの構造部材を形成するに適した材料が求められている。
【０００５】
例えば、特許文献２には、ショットブラスト装置の耐磨耗プレートをＳｉＣから形成すすることが記載されている。ＳｉＣは、耐磨耗性、耐消耗性、機械的強度、断熱性に優れた特性を有している。なお、特許文献３には、ブラスト装置における静電気除去装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２２９１４号公報
【特許文献２】特開２００５−２３０９９６号公報
【特許文献３】特許３９２４３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＳｉＣは導電性に劣るため、特許文献２に記載のようにブラスト装置のブラスト用ノズルなどの構造部材をＳｉＣで形成した場合、特許文献３に記載のような静電気除去装置を設ける必要が生じ、コスト高となっていた。
【０００８】
一方、特許文献１に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料でブラスト装置のブラスト用ノズルなどの構造部材を形成した場合、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は導電性に優れるため静電気除去装置を設ける必要はない。しかし、特許文献１に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、熱伝導が低く耐摩耗性に劣るため、ブラスト装置の構造部材を形成するに適した材料ではない。
【０００９】
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、導電性と高い熱伝導率を有すると共に、高剛性で耐摩耗性に優れたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣ粒子の間にＳｉが充填された構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料であって、ＳｉＣの充填率が８６〜９４体積％であり、断面組織におけるＳｉスポットの最近接重心間距離が１０〜８０μｍであることを特徴とする。そして、断面組織におけるＳｉスポットの平均直径が１〜２０μｍであることが好ましい。
【００１１】
これによれば、導電性と高い熱伝導率を有すると共に、耐摩耗性に優れたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料となる。これにより、ブラスト装置のブラスト用ノズルなどの構造部材を形成するに適した材料となる。
【００１２】
ＳｉＣの充填率が８６体積％に満たない場合には、硬度が低いＳｉの領域が広がるため、剛性及び耐磨耗性が低下する。一方、ＳｉＣの充填率が９４体積％を超える場合には、Ｓｉの含浸時にＳｉの未含浸部分が発生して、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料中にポアや未反応Ｃ（炭素）が存在することになり、熱伝導率が低下する。
【００１３】
Ｓｉスポットの最近接重心間距離が１０μｍに満たない場合には、硬度が低いＳｉの領域が均等に分散しないため、耐磨耗性が劣る。一方、Ｓｉスポットの最近接重心間距離が８０μｍを超える場合には、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を製造する際に多量のＣ源を添加する必要があり、Ｓｉ含浸工程でＣとＳｉとの結合により生成するβ−ＳｉＣはＣの約２倍の体積を有するため、生成したβ−ＳｉＣによりＳｉの含浸経路が閉塞され、Ｓｉの未含浸部分が発生する可能性がある。そして、Ｓｉの未含浸部分が発生した場合、ポアや未反応Ｃが残留して、剛性や耐磨耗性が低下するおそれがある。
【００１４】
Ｓｉスポットの平均直径は、Ｓｉ含浸経路の断面の平均直径に相当する。Ｓｉスポットの平均直径が１μｍ未満の場合には、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を製造する際のＳｉ含浸工程でＣとＳｉとの結合により生成するβ−ＳｉＣはＣの約２倍の体積を有するため、生成したβ−ＳｉＣによりＳｉの含浸経路が閉塞され、Ｓｉの未含浸部分が発生するので好ましくない。また、Ｓｉスポットの平均直径が２０μｍを超える場合には、耐摩耗性が低下する。
【００１５】
さらに、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、優れた導電性を有するＳｉを含有しているので、十分な導電性も確保されている。
【００１６】
本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ヤング率が３８０〜４１０ＧＰａ、且つ熱伝導率が２００〜２３０Ｗ／ｍ・Ｋとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の一実施例を撮影した走査型電子顕微鏡写真。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣ粒子の間にＳｉが充填された構造を有する。そして、ＳｉＣの充填率ξは８６〜９４体積％であり、断面組織におけるＳｉスポットの最近接重心間距離は１０〜８０μｍ、Ｓｉスポットの平均直径は１〜２０μｍである。これにより、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、３８０〜４１０ＧＰａのヤング率、２００〜２３０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率とすることも可能である。
【００１９】
また、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、α−ＳｉＣと、その表面に形成されたβ−ＳｉＣと、ＳｉＣの隙間を充填するＳｉとから構成され、α−ＳｉＣの平均粒径は１０〜１００μｍ、より好ましくは１８〜４０μｍである。
【００２０】
また、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、プリフォームの素材として、α−ＳｉＣと熱硬化性樹脂を適切な比率で配合した混合物が用いられ、プリフォームに対する溶融Ｓｉの含浸時に熱硬化性樹脂由来のＣと溶融Ｓｉが反応してβ−ＳｉＣが生成される。そして、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、その一実施例を撮影した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である図１から分かるように、β−ＳｉＣがα−ＳｉＣ粒子の表面に生成し、ＳｉＣの間にＳｉが充填されている。
【００２１】
上記特許文献１に記載のようなＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、Ｓｉ中にＳｉＣ粒子が点在した構造を有する粒子分散型であり、ＳｉＣ粒子とＳｉとの界面で熱抵抗が発生するため、熱伝導性に劣る。また、バインダーでＳｉＣ粒子を結合した構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料では、ＳｉＣ粒子とバインダーとの界面で熱抵抗が発生するため、熱伝導性に劣る。
【００２２】
一方、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣ粒子の間にＳｉが充填された構造を有しており、熱硬化性樹脂由来のＣと溶融Ｓｉが反応して生成されたβ−ＳｉＣを介してα−ＳｉＣ粒子が結合されている。そのため、高熱伝導性のＳｉＣ同士が三次元網目状に直接結合されており、その界面で熱抵抗がほとんど発生せず、熱伝導性に優れている。
【００２３】
また、反応生成β−ＳｉＣを介してα−ＳｉＣ粒子が三次元網目状に結合されているため、硬度が低いＳｉの占める領域面積が小さく且つＳｉが均等に分散している。よって、硬度が高いＳｉＣの占める領域が広く均等に分布しており、耐摩耗性に優れる。また、優れた導電性を有するＳｉを含有しているため、十分な導電性も確保されている。
【００２４】
本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料においては、ＳｉＣの充填率ξは８６〜９４体積％である。ＳｉＣの充填率ξが８６体積％に満たない場合には、硬度が低いＳｉの領域が広がるため、剛性及び耐磨耗性が低下する。一方、ＳｉＣの充填率が９４体積％を超える場合には、Ｓｉの含浸時に生じたＳｉの未含浸部分が発生し、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料中にポアや未反応Ｃ（炭素）が存在することになり、熱伝導率が低下する。
【００２５】
本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料においては、任意の断面組織におけるＳｉスポットの最近接重心間距離は１０〜８０μｍである。Ｓｉスポットの最近接重心間距離は、電子顕微鏡で観察した断面組織像から画像処理ソフトでＳｉスポットの重心を算出し、直近のＳｉスポットの重心との距離を測定した値として算出することができる。
【００２６】
Ｓｉスポットの最近接重心間距離が１０μｍに満たない場合には、熱伝導率及び硬度が低いＳｉの領域が均等に分散しないので、熱伝導率が低下し、耐磨耗性が劣る。一方、Ｓｉスポットの最近接重心間距離が８０μｍを超える場合には、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を製造する際に多量のＣ源を添加する必要があり、Ｓｉ含浸工程で熱硬化性樹脂由来のＣと溶融Ｓｉとの結合により生成するβ−ＳｉＣはＣの約２倍の体積を有するため、生成したβ−ＳｉＣによりＳｉの含浸経路が閉塞され、Ｓｉの未含浸部分が発生する可能性がある。Ｓｉの未含浸部分が発生した場合、ポアや未反応Ｃが残留して、剛性や耐磨耗性が低下するおそれがある。
【００２７】
本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料においては、任意の断面組織におけるＳｉスポットの平均直径は１〜２０μｍである。Ｓｉスポットの平均直径は電子顕微鏡で観察した断面組織像から画像処理ソフトでＳｉスポットの面積を読み取り、等価な円の直径に換算した値として算出することができる。Ｓｉスポットの平均直径が１μｍ未満の場合には、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を製造する際のＳｉ含浸工程でＣとＳｉとの結合により生成するβ−ＳｉＣはＣの約２倍の体積を有するため、生成したβ−ＳｉＣによりＳｉの含浸経路が閉塞され、Ｓｉの未含浸部分が発生するので好ましくない。また、Ｓｉスポットの平均直径が２０μｍを超える場合には、耐摩耗性が低下する。
【００２８】
以上のように、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、導電性と高い熱伝導率を有すると共に、高剛性で耐摩耗性に優れており、ブラスト装置のブラスト用ノズルなどの構造部材などを形成するに適した材料である。
【００２９】
以下、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の製造方法について説明する。
【００３０】
まず、ＳｉＣ粉末と熱硬化性樹脂とを含む混合物を成形し、多孔質ＳｉＣ成形体であるプリフォームを得る。次に、このプリフォームを所定雰囲気下で脱脂した後、Ｓｉを含浸させることによりＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得る。
【００３１】
ここで、ＳｉＣ粉末の平均粒径は１０〜１００μｍが好ましく、より好ましくは１８〜４０μｍである。また、粒度分布は小さいほうが好ましい。粒度分布は、ＳｉＣの平均粒径±８０％の範囲に調整することが好ましく、平均粒径±５０％の範囲に調整することがより好ましい。粒度分布が小さく、適度な粒径のＳｉＣ粉末を使用することにより、Ｓｉスポットを小さく、且つ均質に分散させることができる。
【００３２】
熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、アミノ樹脂、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ポリウレタン、ジアリルフタレ−ト樹脂、ケイ素樹脂などを用いることができる。フェノール樹脂は、脱脂後の残炭素率が高いので好ましい。熱硬化性樹脂は、粉末状であることが好ましく、例えば平均粒径１〜１００μｍの粉末であることが好ましい。
【００３３】
熱硬化性樹脂の添加量は、予め測定したＳｉＣ粉末の充填率から求めた気孔率に応じて適正量に調整する。例えば、予めＳｉＣ粉末単体でのタップ密度を測定し、タップ密度から求めた気孔率（（１−タップ密度／ＳｉＣの密度）×１００）に対して、気孔を充填する熱硬化性樹脂の体積を計算することにより、プリフォームの開気孔率を２〜２５％に調整することができる。
【００３４】
ＳｉＣ粉末と熱硬化性樹脂との混合は、乾式、湿式を問わず、種々の方法を採用することができる。十分に混合することにより、両者が分散して、均質なプリフォームを得ることができる。
【００３５】
ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の高剛性化を図るために、Ｓｉ含浸時の反応β−ＳｉＣの生成量をさらに増加させたい場合には、混合物にカ−ボン粉末を添加することもできる。カーボン粉末として、カーボンブラック、カーボンビーズ、コークス粉などを用いることができる。
【００３６】
カーボン粉末の形態は、無定形、針状、球状など任意であるが、高充填が可能となるので特に球状が好ましい。カーボン粉末の平均粒径は、２〜２０μｍが好ましい。２μｍ未満である場合には、プリフォーム作製時にα−ＳｉＣの充填が阻害される。２０μｍを超える場合には、ＣとＳｉが反応してβ−ＳｉＣが生成する際の発熱により、プリフォームに割れが発生するおそれがある。
【００３７】
混合物の成形方法としては、プレス成形、ＣＩＰ成形、湿式成形など任意の成形方法を採用することができる。特に、加熱しながら圧力を加える熱プレス法による成形（以下、「熱プレス成形」という）が好ましい。熱プレス機を用いた熱プレス成形では、溶融した熱硬化性樹脂がプレス圧力によりα−ＳｉＣ粒子の隙間に充填される。そして、硬化温度まで達すると熱硬化性樹脂は硬化し、プリフォームを保形するのに十分な強度が発現する。熱プレス成形は、熱硬化樹脂の硬化温度以上で、０．５〜３０ＭＰａの圧力で、１〜１２時間プレスすることが好ましい。
【００３８】
また、熱硬化樹脂の硬化反応により生成する縮合水の蒸気の抜けを妨げないように、α−ＳｉＣと熱硬化性樹脂の配合比及びプレス圧力を制御することにより、プリフォームの開気孔率が２％以上となるように調整することが好ましい。また、上記圧力でプレスを加えた後に、又はプレスを加えながら加熱することが好ましい。このように熱プレス成形の条件を制御することにより、高充填が可能となる。
【００３９】
上記のようにして得たプリフォームについて、有機バインダーを脱脂する。脱脂工程の雰囲気は、非酸化雰囲気が好ましく、例えば、真空中、アルゴン若しくは窒素雰囲気中、又は減圧下でのアルゴン若しくは窒素のパーシャル圧気流中である。特に、真空雰囲気中又は減圧下でのアルゴンガスのパーシャル圧気流中が好ましい。真空圧は１〜１００Ｐａ、パーシャル圧は１０〜１０００Ｐａとすることが好ましい。脱脂温度は８００〜１６００℃が好ましい。また、脱脂工程中の昇温速度は３０℃／ｈｒ以下が好ましい。
【００４０】
プリフォ−ムにＳｉを浸透（含浸）させる方法として、例えば、融点以上の温度に加熱され溶融したＳｉをプリフォームと接触させる方法を採用することができる。溶融Ｓｉとプリフォーム中のＣが反応してβ−ＳｉＣを生成する。
【００４１】
浸透工程の雰囲気は、非酸化雰囲気が好ましく、例えば、真空雰囲気又はアルゴン雰囲気である。真空雰囲気の場合、圧力は１〜１００Ｐａが好ましい。浸透温度は１４５０〜１６００℃とすることが好ましい。この温度範囲であれば、Ｓｉが十分に溶融するので、浸透が進行し、Ｓｉの揮発による不良も生じ難い。
【００４２】
以上に説明した製造方法により、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得ることができる。プリフォームを形成するために必要なＳｉＣ粉末、熱硬化性樹脂、カーボン粉末、プレス圧などは適宜選択される。
【００４３】
例えば、ＳｉＣ粉末として平均粒径が１８μｍのものを用い、熱硬化性樹脂として所定量のフェノール樹脂を用い、３ＭＰａのプレス圧を付加し、１５０℃で３時間熱プレス成形することで、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得るに適したプリフォームを形成することができる。
【実施例】
【００４４】
以下、本発明の実施例及び比較例を具体的に挙げ、本発明を詳細に説明する。
【００４５】
［実施例１］
平均粒径が１８μｍのα−ＳｉＣ粉末に対して、脱脂後の不揮発分が５０％であるフェノール樹脂を、フェノール樹脂の含有量が２０重量％となるように混合し、原料粉末を作製した。
【００４６】
使用した原料粉末におけるα−ＳｉＣの粒径と、フェノール樹脂の添加量を、表１における実施例１の「α−ＳｉＣ粒径」、「フェノール樹脂添加量」の欄に示す。
【００４７】
次に、この原料粉末に熱プレス成形を施して多孔質ＳｉＣ成形体としてのプリフォームを得た。熱プレス成形は、原料粉末を金型に充填し、１５０℃に加熱しながら３ＭＰａのプレス圧を付加して３時間行った。アルキメデス法で測定したプリフォームの開気孔率を表１における実施例１の「開気孔率」の欄に示す。
【００４８】
次に、得られたプリフォ−ムについて、１０Ｐａの真空雰囲気中で１０００℃の温度で脱脂し、その後、１０Ｐａの真空雰囲気中で１６００℃の温度で３時間保持してＳｉを含侵させることにより、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得た。そして、得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料について、アルキメデス法で密度及び開気孔率を測定した。この結果を表１における実施例１の「密度」及び「開気孔率」の欄に示す。
【００４９】
次に、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料におけるＳｉＣの充填率ξを、次式により求めた。
ξ＝｛（ａ−ｂ）／（ｃ−ｂ）｝／（１−ｄ）×１００
【００５０】
ただし、式中のａはＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の密度、ｂはＳｉＣ／Ｓｉ複合材料におけるＳｉの密度、ｃはＳｉＣ／Ｓｉ複合材料におけるＳｉＣの密度、ｄはＳｉＣ／Ｓｉ複合材料における開気孔度である。なお、密度の値は、ＳｉＣは３．２ｇ／ｃｍ３、Ｓｉは２．３ｇ／ｃｍ３とした。この結果を、表１における実施例１の「ＳｉＣ充填率ξ」の欄に示す。
【００５１】
次に、得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料について、Ｓｉスポットの最近接重心間距離、Ｓｉスポットの平均直径、ヤング率、熱伝導率及び体積抵抗を測定した。この結果を表１における実施例１の「Ｓｉ最近接重心間距離」、「Ｓｉ平均直径」、「ヤング率」、「熱伝導率」及び「体積抵抗率」の欄に示す。
【００５２】
さらに、得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料について、耐磨耗試験を行った。この耐磨耗試験では、株式会社不二製作所製のエアブラスト装置（ＰＮＥＵＭＡ ＢＬＡＳＴＥＲ（ＳＣＭ−５ＡＤＣ−ＮＨ−５０２））を用いた。１辺１００ｍｍ厚さ１０ｍｍの正方形板状に加工したＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の表面とノズル先端との距離が５０ｍｍとなるように装置を設置して、信濃電気精錬株式会社製のＳｉＣ砥粒（ＧＣ＃２４０）を噴出圧力４ＭＰａで、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の表面に直角に１５０秒間吹き付けた。耐磨耗試験前後におけるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の重量減を測定した。
【００５３】
そして、重量減から、磨耗体積量と磨耗速度を算出した。この結果を表１における実施例１の「重量減」、「磨耗体積」及び「磨耗速度」の欄に示す。
【００５４】
［実施例２、３］
原料粉末におけるα−ＳｉＣの粒径と、フェノール樹脂添加量をそれぞれ、表１の実施例２、３の各欄に示した値とした以外は、実施例１の場合と同様にして、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得た。そして、このＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の密度、開気孔率、Ｓｉ最近接重心間距離、Ｓｉ平均直径、ヤング率、熱伝導率及び体積抵抗率を測定した。また、実施例１の場合と同様にして、ＳｉＣ充填率ξを算出した。そして、実施例１の場合と同様にして耐磨耗試験を行い、重量減を測定し、磨耗体積量及び磨耗速度を算出した。これらの結果を、実施例１の場合と同様にして、表１の実施例２、３の欄に示す。
【００５５】
［比較例１〜３］
原料粉末におけるα−ＳｉＣの粒径と、フェノール樹脂添加量をそれぞれ、表１の比較例１〜３の各欄に示した値とした以外は、実施例１の場合と同様にして、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得た。そして、このＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の密度、開気孔率、Ｓｉ最近接重心間距離、Ｓｉ平均直径、ヤング率、熱伝導率及び体積抵抗率を測定した。また、実施例１の場合と同様にして、ＳｉＣ充填率ξを算出した。そして、実施例１の場合と同様にして耐磨耗試験を行い、重量減を測定し、磨耗体積量及び磨耗速度を算出した。これらの結果を、実施例１の場合と同様にして、表１の比較例１〜３の欄に示す。
【００５６】
［比較例４］
平均粒径０．７μｍのＳｉＣ粉末に焼結助剤としてホウ素を０．３重量％添加した。そして、このＳｉＣ粉末に対し黒鉛換算で３重量％のカーボンブラック粉末を水及び乳化剤とともに混合することにより黒鉛エマルジョン液を作製した。この液に前述のＳｉＣ原料粉末を添加し、混合した後に乾燥、成形し、アルゴン雰囲気中２１００℃の温度で焼結してＳｉＣ焼結体を得た。
【００５７】
次に、実施例１の場合と同様にして、このＳｉＣ焼結体の密度、ヤング率、熱伝導率及び体積抵抗を測定した。そして、実施例１の場合と同様にして耐磨耗試験を行い、重量減を測定し、磨耗体積量及び磨耗速度を算出した。これらの結果を、実施例１の場合と同様にして、表１の比較例４の欄に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
表１から、実施例１〜３のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣの充填率ξが８８体積％（実施例１）、９１体積％（実施例２）、９３体積％（実施例３）と８６〜９４体積％であり、且つ、Ｓｉスポットの最近接重心間距離が１０μｍ（実施例１）、１９μｍ（実施例２）、８０μｍ（実施例３）と１０〜８０μｍであった。そして、ヤング率が３９１ＧＰａ（実施例１）、４００ＧＰａ（実施例２）、４０９ＧＰａ（実施例３）と３８０〜４１０ＧＰａであり、熱伝導率が２１０Ｗ／ｍ・Ｋ（実施例１）、２０５Ｗ／ｍ・Ｋ（実施例２）、２２９Ｗ／ｍ・Ｋ（実施例２）と２００〜２３０Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００６０】
比較例１のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣの充填率ξが６１体積％と８６体積％未満であり、ヤング率は２８６ＧＰａと３８０ＧＰａ未満、熱伝導率は１７５Ｗ／ｍ・Ｋと２００Ｗ／ｍ・Ｋ未満であった。
【００６１】
また、比較例２のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料には未含浸部分が発生した。比較例３のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣの充填率ξが８５体積％と８６体積％未満であり、ヤング率は３７７ＧＰａと３８０ＧＰａ未満、熱伝導率は１９８Ｗ／ｍ・Ｋと２００Ｗ／ｍ・Ｋ未満であった。
【００６２】
また、実施例１〜３のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、比較例４のＳｉＣ焼結体とは異なり、体積抵抗率が非常に低く、優れた導電性を有していることが分かった。
【００６３】
さらに、実施例１〜３のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、比較例４のＳｉＣ焼結体とヤング率及び磨耗速度が同等であり、ＳｉＣ焼結体と同等に高剛性で耐磨耗性が優れていることが分かった。
【００６４】
以上のように、実施例１〜３のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、導電性と高い熱伝導率を有すると共に、ＳｉＣ焼結体と同等に高剛性で耐摩耗性が優れていることが分かった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料、特に、耐磨耗性に優れたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ／Ｓｉ（炭化ケイ素／シリコン）複合材料は、軽量で剛性が高く熱膨張が小さいという優れた特性を有し、液晶製造装置や半導体製造装置などの構成部材を形成する材料として広く使用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、曲げ強度が５００ＭＰａ以上と高強度のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料が記載されている。このＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣが大小二種類の結晶粒度分布を有しており、ＳｉがＳｉＣ結晶粒の隙間に満遍なく充填されている。結晶粒度分布が大きいほうのＳｉＣの平均結晶粒径は０．１〜１０μｍであり、結晶粒度分布が小さいほうのＳｉＣの平均結晶粒径は０．０１〜１μｍである。
【０００４】
ところで、現在、ブラスト装置のブラスト用ノズルなどの構造部材を形成するに適した材料が求められている。
【０００５】
例えば、特許文献２には、ショットブラスト装置の耐磨耗プレートをＳｉＣから形成すすることが記載されている。ＳｉＣは、耐磨耗性、耐消耗性、機械的強度、断熱性に優れた特性を有している。なお、特許文献３には、ブラスト装置における静電気除去装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２２９１４号公報
【特許文献２】特開２００５−２３０９９６号公報
【特許文献３】特許３９２４３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＳｉＣは導電性に劣るため、特許文献２に記載のようにブラスト装置のブラスト用ノズルなどの構造部材をＳｉＣで形成した場合、特許文献３に記載のような静電気除去装置を設ける必要が生じ、コスト高となっていた。
【０００８】
一方、特許文献１に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料でブラスト装置のブラスト用ノズルなどの構造部材を形成した場合、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は導電性に優れるため静電気除去装置を設ける必要はない。しかし、特許文献１に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、熱伝導が低く耐摩耗性に劣るため、ブラスト装置の構造部材を形成するに適した材料ではない。
【０００９】
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、導電性と高い熱伝導率を有すると共に、高剛性で耐摩耗性に優れたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣ粒子の間にＳｉが充填された構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料であって、ＳｉＣの充填率が８６〜９４体積％であり、断面組織におけるＳｉスポットの最近接重心間距離が１０〜８０μｍであることを特徴とする。そして、断面組織におけるＳｉスポットの平均直径が１〜２０μｍであることが好ましい。
【００１１】
これによれば、導電性と高い熱伝導率を有すると共に、耐摩耗性に優れたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料となる。これにより、ブラスト装置のブラスト用ノズルなどの構造部材を形成するに適した材料となる。
【００１２】
ＳｉＣの充填率が８６体積％に満たない場合には、硬度が低いＳｉの領域が広がるため、剛性及び耐磨耗性が低下する。一方、ＳｉＣの充填率が９４体積％を超える場合には、Ｓｉの含浸時にＳｉの未含浸部分が発生して、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料中にポアや未反応Ｃ（炭素）が存在することになり、熱伝導率が低下する。
【００１３】
Ｓｉスポットの最近接重心間距離が１０μｍに満たない場合には、硬度が低いＳｉの領域が均等に分散しないため、耐磨耗性が劣る。一方、Ｓｉスポットの最近接重心間距離が８０μｍを超える場合には、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を製造する際に多量のＣ源を添加する必要があり、Ｓｉ含浸工程でＣとＳｉとの結合により生成するβ−ＳｉＣはＣの約２倍の体積を有するため、生成したβ−ＳｉＣによりＳｉの含浸経路が閉塞され、Ｓｉの未含浸部分が発生する可能性がある。そして、Ｓｉの未含浸部分が発生した場合、ポアや未反応Ｃが残留して、剛性や耐磨耗性が低下するおそれがある。
【００１４】
Ｓｉスポットの平均直径は、Ｓｉ含浸経路の断面の平均直径に相当する。Ｓｉスポットの平均直径が１μｍ未満の場合には、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を製造する際のＳｉ含浸工程でＣとＳｉとの結合により生成するβ−ＳｉＣはＣの約２倍の体積を有するため、生成したβ−ＳｉＣによりＳｉの含浸経路が閉塞され、Ｓｉの未含浸部分が発生するので好ましくない。また、Ｓｉスポットの平均直径が２０μｍを超える場合には、耐摩耗性が低下する。
【００１５】
さらに、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、優れた導電性を有するＳｉを含有しているので、十分な導電性も確保されている。
【００１６】
本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ヤング率が３８０〜４１０ＧＰａ、且つ熱伝導率が２００〜２３０Ｗ／ｍ・Ｋとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の一実施例を撮影した走査型電子顕微鏡写真。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣ粒子の間にＳｉが充填された構造を有する。そして、ＳｉＣの充填率ξは８６〜９４体積％であり、断面組織におけるＳｉスポットの最近接重心間距離は１０〜８０μｍ、Ｓｉスポットの平均直径は１〜２０μｍである。これにより、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、３８０〜４１０ＧＰａのヤング率、２００〜２３０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率とすることも可能である。
【００１９】
また、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、α−ＳｉＣと、その表面に形成されたβ−ＳｉＣと、ＳｉＣの隙間を充填するＳｉとから構成され、α−ＳｉＣの平均粒径は１０〜１００μｍ、より好ましくは１８〜４０μｍである。
【００２０】
また、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、プリフォームの素材として、α−ＳｉＣと熱硬化性樹脂を適切な比率で配合した混合物が用いられ、プリフォームに対する溶融Ｓｉの含浸時に熱硬化性樹脂由来のＣと溶融Ｓｉが反応してβ−ＳｉＣが生成される。そして、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、その一実施例を撮影した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である図１から分かるように、β−ＳｉＣがα−ＳｉＣ粒子の表面に生成し、ＳｉＣの間にＳｉが充填されている。
【００２１】
上記特許文献１に記載のようなＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、Ｓｉ中にＳｉＣ粒子が点在した構造を有する粒子分散型であり、ＳｉＣ粒子とＳｉとの界面で熱抵抗が発生するため、熱伝導性に劣る。また、バインダーでＳｉＣ粒子を結合した構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料では、ＳｉＣ粒子とバインダーとの界面で熱抵抗が発生するため、熱伝導性に劣る。
【００２２】
一方、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣ粒子の間にＳｉが充填された構造を有しており、熱硬化性樹脂由来のＣと溶融Ｓｉが反応して生成されたβ−ＳｉＣを介してα−ＳｉＣ粒子が結合されている。そのため、高熱伝導性のＳｉＣ同士が三次元網目状に直接結合されており、その界面で熱抵抗がほとんど発生せず、熱伝導性に優れている。
【００２３】
また、反応生成β−ＳｉＣを介してα−ＳｉＣ粒子が三次元網目状に結合されているため、硬度が低いＳｉの占める領域面積が小さく且つＳｉが均等に分散している。よって、硬度が高いＳｉＣの占める領域が広く均等に分布しており、耐摩耗性に優れる。また、優れた導電性を有するＳｉを含有しているため、十分な導電性も確保されている。
【００２４】
本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料においては、ＳｉＣの充填率ξは８６〜９４体積％である。ＳｉＣの充填率ξが８６体積％に満たない場合には、硬度が低いＳｉの領域が広がるため、剛性及び耐磨耗性が低下する。一方、ＳｉＣの充填率が９４体積％を超える場合には、Ｓｉの含浸時に生じたＳｉの未含浸部分が発生し、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料中にポアや未反応Ｃ（炭素）が存在することになり、熱伝導率が低下する。
【００２５】
本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料においては、任意の断面組織におけるＳｉスポットの最近接重心間距離は１０〜８０μｍである。Ｓｉスポットの最近接重心間距離は、電子顕微鏡で観察した断面組織像から画像処理ソフトでＳｉスポットの重心を算出し、直近のＳｉスポットの重心との距離を測定した値として算出することができる。
【００２６】
Ｓｉスポットの最近接重心間距離が１０μｍに満たない場合には、熱伝導率及び硬度が低いＳｉの領域が均等に分散しないので、熱伝導率が低下し、耐磨耗性が劣る。一方、Ｓｉスポットの最近接重心間距離が８０μｍを超える場合には、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を製造する際に多量のＣ源を添加する必要があり、Ｓｉ含浸工程で熱硬化性樹脂由来のＣと溶融Ｓｉとの結合により生成するβ−ＳｉＣはＣの約２倍の体積を有するため、生成したβ−ＳｉＣによりＳｉの含浸経路が閉塞され、Ｓｉの未含浸部分が発生する可能性がある。Ｓｉの未含浸部分が発生した場合、ポアや未反応Ｃが残留して、剛性や耐磨耗性が低下するおそれがある。
【００２７】
本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料においては、任意の断面組織におけるＳｉスポットの平均直径は１〜２０μｍである。Ｓｉスポットの平均直径は電子顕微鏡で観察した断面組織像から画像処理ソフトでＳｉスポットの面積を読み取り、等価な円の直径に換算した値として算出することができる。Ｓｉスポットの平均直径が１μｍ未満の場合には、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を製造する際のＳｉ含浸工程でＣとＳｉとの結合により生成するβ−ＳｉＣはＣの約２倍の体積を有するため、生成したβ−ＳｉＣによりＳｉの含浸経路が閉塞され、Ｓｉの未含浸部分が発生するので好ましくない。また、Ｓｉスポットの平均直径が２０μｍを超える場合には、耐摩耗性が低下する。
【００２８】
以上のように、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、導電性と高い熱伝導率を有すると共に、高剛性で耐摩耗性に優れており、ブラスト装置のブラスト用ノズルなどの構造部材などを形成するに適した材料である。
【００２９】
以下、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の製造方法について説明する。
【００３０】
まず、ＳｉＣ粉末と熱硬化性樹脂とを含む混合物を成形し、多孔質ＳｉＣ成形体であるプリフォームを得る。次に、このプリフォームを所定雰囲気下で脱脂した後、Ｓｉを含浸させることによりＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得る。
【００３１】
ここで、ＳｉＣ粉末の平均粒径は１０〜１００μｍが好ましく、より好ましくは１８〜４０μｍである。また、粒度分布は小さいほうが好ましい。粒度分布は、ＳｉＣの平均粒径±８０％の範囲に調整することが好ましく、平均粒径±５０％の範囲に調整することがより好ましい。粒度分布が小さく、適度な粒径のＳｉＣ粉末を使用することにより、Ｓｉスポットを小さく、且つ均質に分散させることができる。
【００３２】
熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、アミノ樹脂、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ポリウレタン、ジアリルフタレ−ト樹脂、ケイ素樹脂などを用いることができる。フェノール樹脂は、脱脂後の残炭素率が高いので好ましい。熱硬化性樹脂は、粉末状であることが好ましく、例えば平均粒径１〜１００μｍの粉末であることが好ましい。
【００３３】
熱硬化性樹脂の添加量は、予め測定したＳｉＣ粉末の充填率から求めた気孔率に応じて適正量に調整する。例えば、予めＳｉＣ粉末単体でのタップ密度を測定し、タップ密度から求めた気孔率（（１−タップ密度／ＳｉＣの密度）×１００）に対して、気孔を充填する熱硬化性樹脂の体積を計算することにより、プリフォームの開気孔率を２〜２５％に調整することができる。
【００３４】
ＳｉＣ粉末と熱硬化性樹脂との混合は、乾式、湿式を問わず、種々の方法を採用することができる。十分に混合することにより、両者が分散して、均質なプリフォームを得ることができる。
【００３５】
ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の高剛性化を図るために、Ｓｉ含浸時の反応β−ＳｉＣの生成量をさらに増加させたい場合には、混合物にカ−ボン粉末を添加することもできる。カーボン粉末として、カーボンブラック、カーボンビーズ、コークス粉などを用いることができる。
【００３６】
カーボン粉末の形態は、無定形、針状、球状など任意であるが、高充填が可能となるので特に球状が好ましい。カーボン粉末の平均粒径は、２〜２０μｍが好ましい。２μｍ未満である場合には、プリフォーム作製時にα−ＳｉＣの充填が阻害される。２０μｍを超える場合には、ＣとＳｉが反応してβ−ＳｉＣが生成する際の発熱により、プリフォームに割れが発生するおそれがある。
【００３７】
混合物の成形方法としては、プレス成形、ＣＩＰ成形、湿式成形など任意の成形方法を採用することができる。特に、加熱しながら圧力を加える熱プレス法による成形（以下、「熱プレス成形」という）が好ましい。熱プレス機を用いた熱プレス成形では、溶融した熱硬化性樹脂がプレス圧力によりα−ＳｉＣ粒子の隙間に充填される。そして、硬化温度まで達すると熱硬化性樹脂は硬化し、プリフォームを保形するのに十分な強度が発現する。熱プレス成形は、熱硬化樹脂の硬化温度以上で、０．５〜３０ＭＰａの圧力で、１〜１２時間プレスすることが好ましい。
【００３８】
また、熱硬化樹脂の硬化反応により生成する縮合水の蒸気の抜けを妨げないように、α−ＳｉＣと熱硬化性樹脂の配合比及びプレス圧力を制御することにより、プリフォームの開気孔率が２％以上となるように調整することが好ましい。また、上記圧力でプレスを加えた後に、又はプレスを加えながら加熱することが好ましい。このように熱プレス成形の条件を制御することにより、高充填が可能となる。
【００３９】
上記のようにして得たプリフォームについて、有機バインダーを脱脂する。脱脂工程の雰囲気は、非酸化雰囲気が好ましく、例えば、真空中、アルゴン若しくは窒素雰囲気中、又は減圧下でのアルゴン若しくは窒素のパーシャル圧気流中である。特に、真空雰囲気中又は減圧下でのアルゴンガスのパーシャル圧気流中が好ましい。真空圧は１〜１００Ｐａ、パーシャル圧は１０〜１０００Ｐａとすることが好ましい。脱脂温度は８００〜１６００℃が好ましい。また、脱脂工程中の昇温速度は３０℃／ｈｒ以下が好ましい。
【００４０】
プリフォ−ムにＳｉを浸透（含浸）させる方法として、例えば、融点以上の温度に加熱され溶融したＳｉをプリフォームと接触させる方法を採用することができる。溶融Ｓｉとプリフォーム中のＣが反応してβ−ＳｉＣを生成する。
【００４１】
浸透工程の雰囲気は、非酸化雰囲気が好ましく、例えば、真空雰囲気又はアルゴン雰囲気である。真空雰囲気の場合、圧力は１〜１００Ｐａが好ましい。浸透温度は１４５０〜１６００℃とすることが好ましい。この温度範囲であれば、Ｓｉが十分に溶融するので、浸透が進行し、Ｓｉの揮発による不良も生じ難い。
【００４２】
以上に説明した製造方法により、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得ることができる。プリフォームを形成するために必要なＳｉＣ粉末、熱硬化性樹脂、カーボン粉末、プレス圧などは適宜選択される。
【００４３】
例えば、ＳｉＣ粉末として平均粒径が１８μｍのものを用い、熱硬化性樹脂として所定量のフェノール樹脂を用い、３ＭＰａのプレス圧を付加し、１５０℃で３時間熱プレス成形することで、本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得るに適したプリフォームを形成することができる。
【実施例】
【００４４】
以下、本発明の実施例及び比較例を具体的に挙げ、本発明を詳細に説明する。
【００４５】
［実施例１］
平均粒径が１８μｍのα−ＳｉＣ粉末に対して、脱脂後の不揮発分が５０％であるフェノール樹脂を、フェノール樹脂の含有量が２０重量％となるように混合し、原料粉末を作製した。
【００４６】
使用した原料粉末におけるα−ＳｉＣの粒径と、フェノール樹脂の添加量を、表１における実施例１の「α−ＳｉＣ粒径」、「フェノール樹脂添加量」の欄に示す。
【００４７】
次に、この原料粉末に熱プレス成形を施して多孔質ＳｉＣ成形体としてのプリフォームを得た。熱プレス成形は、原料粉末を金型に充填し、１５０℃に加熱しながら３ＭＰａのプレス圧を付加して３時間行った。アルキメデス法で測定したプリフォームの開気孔率を表１における実施例１の「開気孔率」の欄に示す。
【００４８】
次に、得られたプリフォ−ムについて、１０Ｐａの真空雰囲気中で１０００℃の温度で脱脂し、その後、１０Ｐａの真空雰囲気中で１６００℃の温度で３時間保持してＳｉを含侵させることにより、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得た。そして、得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料について、アルキメデス法で密度及び開気孔率を測定した。この結果を表１における実施例１の「密度」及び「開気孔率」の欄に示す。
【００４９】
次に、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料におけるＳｉＣの充填率ξを、次式により求めた。
ξ＝｛（ａ−ｂ）／（ｃ−ｂ）｝／（１−ｄ）×１００
【００５０】
ただし、式中のａはＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の密度、ｂはＳｉＣ／Ｓｉ複合材料におけるＳｉの密度、ｃはＳｉＣ／Ｓｉ複合材料におけるＳｉＣの密度、ｄはＳｉＣ／Ｓｉ複合材料における開気孔度である。なお、密度の値は、ＳｉＣは３．２ｇ／ｃｍ３、Ｓｉは２．３ｇ／ｃｍ３とした。この結果を、表１における実施例１の「ＳｉＣ充填率ξ」の欄に示す。
【００５１】
次に、得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料について、Ｓｉスポットの最近接重心間距離、Ｓｉスポットの平均直径、ヤング率、熱伝導率及び体積抵抗を測定した。この結果を表１における実施例１の「Ｓｉ最近接重心間距離」、「Ｓｉ平均直径」、「ヤング率」、「熱伝導率」及び「体積抵抗率」の欄に示す。
【００５２】
さらに、得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料について、耐磨耗試験を行った。この耐磨耗試験では、株式会社不二製作所製のエアブラスト装置（ＰＮＥＵＭＡ ＢＬＡＳＴＥＲ（ＳＣＭ−５ＡＤＣ−ＮＨ−５０２））を用いた。１辺１００ｍｍ厚さ１０ｍｍの正方形板状に加工したＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の表面とノズル先端との距離が５０ｍｍとなるように装置を設置して、信濃電気精錬株式会社製のＳｉＣ砥粒（ＧＣ＃２４０）を噴出圧力４ＭＰａで、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の表面に直角に１５０秒間吹き付けた。耐磨耗試験前後におけるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の重量減を測定した。
【００５３】
そして、重量減から、磨耗体積量と磨耗速度を算出した。この結果を表１における実施例１の「重量減」、「磨耗体積」及び「磨耗速度」の欄に示す。
【００５４】
［実施例２、３］
原料粉末におけるα−ＳｉＣの粒径と、フェノール樹脂添加量をそれぞれ、表１の実施例２、３の各欄に示した値とした以外は、実施例１の場合と同様にして、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得た。そして、このＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の密度、開気孔率、Ｓｉ最近接重心間距離、Ｓｉ平均直径、ヤング率、熱伝導率及び体積抵抗率を測定した。また、実施例１の場合と同様にして、ＳｉＣ充填率ξを算出した。そして、実施例１の場合と同様にして耐磨耗試験を行い、重量減を測定し、磨耗体積量及び磨耗速度を算出した。これらの結果を、実施例１の場合と同様にして、表１の実施例２、３の欄に示す。
【００５５】
［比較例１〜３］
原料粉末におけるα−ＳｉＣの粒径と、フェノール樹脂添加量をそれぞれ、表１の比較例１〜３の各欄に示した値とした以外は、実施例１の場合と同様にして、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得た。そして、このＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の密度、開気孔率、Ｓｉ最近接重心間距離、Ｓｉ平均直径、ヤング率、熱伝導率及び体積抵抗率を測定した。また、実施例１の場合と同様にして、ＳｉＣ充填率ξを算出した。そして、実施例１の場合と同様にして耐磨耗試験を行い、重量減を測定し、磨耗体積量及び磨耗速度を算出した。これらの結果を、実施例１の場合と同様にして、表１の比較例１〜３の欄に示す。
【００５６】
［比較例４］
平均粒径０．７μｍのＳｉＣ粉末に焼結助剤としてホウ素を０．３重量％添加した。そして、このＳｉＣ粉末に対し黒鉛換算で３重量％のカーボンブラック粉末を水及び乳化剤とともに混合することにより黒鉛エマルジョン液を作製した。この液に前述のＳｉＣ原料粉末を添加し、混合した後に乾燥、成形し、アルゴン雰囲気中２１００℃の温度で焼結してＳｉＣ焼結体を得た。
【００５７】
次に、実施例１の場合と同様にして、このＳｉＣ焼結体の密度、ヤング率、熱伝導率及び体積抵抗を測定した。そして、実施例１の場合と同様にして耐磨耗試験を行い、重量減を測定し、磨耗体積量及び磨耗速度を算出した。これらの結果を、実施例１の場合と同様にして、表１の比較例４の欄に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
表１から、実施例１〜３のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣの充填率ξが８８体積％（実施例１）、９１体積％（実施例２）、９３体積％（実施例３）と８６〜９４体積％であり、且つ、Ｓｉスポットの最近接重心間距離が１０μｍ（実施例１）、１９μｍ（実施例２）、８０μｍ（実施例３）と１０〜８０μｍであった。そして、ヤング率が３９１ＧＰａ（実施例１）、４００ＧＰａ（実施例２）、４０９ＧＰａ（実施例３）と３８０〜４１０ＧＰａであり、熱伝導率が２１０Ｗ／ｍ・Ｋ（実施例１）、２０５Ｗ／ｍ・Ｋ（実施例２）、２２９Ｗ／ｍ・Ｋ（実施例２）と２００〜２３０Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００６０】
比較例１のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣの充填率ξが６１体積％と８６体積％未満であり、ヤング率は２８６ＧＰａと３８０ＧＰａ未満、熱伝導率は１７５Ｗ／ｍ・Ｋと２００Ｗ／ｍ・Ｋ未満であった。
【００６１】
また、比較例２のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料には未含浸部分が発生した。比較例３のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、ＳｉＣの充填率ξが８５体積％と８６体積％未満であり、ヤング率は３７７ＧＰａと３８０ＧＰａ未満、熱伝導率は１９８Ｗ／ｍ・Ｋと２００Ｗ／ｍ・Ｋ未満であった。
【００６２】
また、実施例１〜３のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、比較例４のＳｉＣ焼結体とは異なり、体積抵抗率が非常に低く、優れた導電性を有していることが分かった。
【００６３】
さらに、実施例１〜３のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、比較例４のＳｉＣ焼結体とヤング率及び磨耗速度が同等であり、ＳｉＣ焼結体と同等に高剛性で耐磨耗性が優れていることが分かった。
【００６４】
以上のように、実施例１〜３のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、導電性と高い熱伝導率を有すると共に、ＳｉＣ焼結体と同等に高剛性で耐摩耗性が優れていることが分かった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ粒子の間にＳｉが充填された構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料であって、
ＳｉＣの充填率が８６〜９４体積％であり、断面組織におけるＳｉスポットの最近接重心間距離が１０〜８０μｍであることを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料。
【請求項２】
請求項１記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料において、断面組織におけるＳｉスポットの平均直径が１〜２０μｍであることを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料。
【請求項３】
ヤング率が３８０〜４１０ＧＰａであり、且つ熱伝導率が２００〜２３０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料。
【請求項１】
ＳｉＣ粒子の間にＳｉが充填された構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料であって、
ＳｉＣの充填率が８６〜９４体積％であり、断面組織におけるＳｉスポットの最近接重心間距離が１０〜８０μｍであることを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料。
【請求項２】
請求項１記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料において、断面組織におけるＳｉスポットの平均直径が１〜２０μｍであることを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料。
【請求項３】
ヤング率が３８０〜４１０ＧＰａであり、且つ熱伝導率が２００〜２３０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−２２４５２３（Ｐ２０１２−２２４５２３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９５１１２（Ｐ２０１１−９５１１２）
【出願日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【出願人】（３９１００５８２４）株式会社日本セラテック (200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【出願人】（３９１００５８２４）株式会社日本セラテック (200)
【Ｆターム（参考）】
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