(57)【要約】【課題】  ライフの長い反応装置を提供する。【解決手段】  酸化物系セラミックを含む原料粉を加熱する黒鉛基材からなる反応装置であって、上記黒鉛基材の表面にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜が形成され原料粉と接する収容部と、上記黒鉛基材の表面に熱分解炭素被膜が形成された本体部と、からなることを特徴とする反応装置。【選択図】      図１
2020026370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物系セラミックを含む原料粉を加熱する黒鉛基材からなる反応装置であって、
前記黒鉛基材の表面にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜が形成され原料粉と接する収容部と、前記黒鉛基材の表面に熱分解炭素被膜が形成された本体部と、からなることを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜及び前記熱分解炭素被膜が同一の黒鉛基材に形成されており、
前記収容部及び前記本体部が一体化している請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜及び前記熱分解炭素被膜が異なる黒鉛素材に形成されており、
前記収容部及び前記本体部が一体化していない請求項１に記載の反応装置。
【請求項４】
前記収容部及び前記本体部は連結部材により連結されており、
前記収容部及び前記本体部は、それぞれ前記連結部材に接合されている請求項３に記載の反応装置。
【請求項５】
前記連結部材は、反応装置の外側に配置される当て板と、反応装置の内側から挿入されるネジとからなる請求項４に記載の反応装置。
【請求項６】
前記連結部材は、Ｃ／Ｃ複合材からなる請求項５に記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
黒鉛は、高い耐熱性と、化学的安定性を備えているので、高温で使用する様々な反応装置に使用されている。
【０００３】
特許文献１には、単結晶ＳｉＣを液相で育成するための装置が記載されている。
具体的には、少なくとも炭素（Ｃ）原子を含む坩堝内の底部に種結晶となる炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶基板を配置し、このＳｉＣ単結晶基板の上面を覆うように坩堝内に二酸化珪素（ＳｉＯ２）粉末を充填するとともに、さらにその上部にＳｉＯ２粉末とＳｉＣ粉末の混合粉末を充填した状態で、底部側が低温となるように上下の温度差を保ちながら不活性雰囲気中で加熱して両粉末を溶解させ、その融液中に上記ＳｉＣ単結晶基板を所定時間に亘り浸漬保持させることにより、ＳｉＣ単結晶基板の表面に単結晶を育成させる。
ここで、上記坩堝として、黒鉛製坩堝あるいはその内面にＳｉＣもしくは焼結ＳｉＣのコーティング層を施した坩堝が望ましいことが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、ＳｉＯガスの発生源を加熱する方法として黒鉛ルツボを用いることが記載されている。ＳｉＯガスは、Ｓｉ粉とＳｉＯ２粉との混合体、またはＳｉＣ粉とＳｉＯ２粉との混合体、あるいは炭素粉とＳｉＯ２粉との混合体、その他ケイ素化合物を１２００〜２３００℃に加熱することにより発生させることができることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２５６０９１号公報
【特許文献２】特開平１−１０４８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記に記載された発明では、黒鉛あるいは、ＳｉＣを被覆した黒鉛のルツボを用いて反応を行っているが、黒鉛は、Ｓｉ、ＳｉＯ２及びこれらを加熱することにより発生する酸化性ガスとの反応性が高く、ＳｉＣの被覆は、わずかな酸素が存在する場合に酸化する。このため、Ｓｉ、ケイ素化合物などの反応に使用するルツボは、ライフが短く頻繁に交換しなければならない。本発明は、上記課題を鑑み、ライフの長い反応装置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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の反応装置は、酸化物系セラミックを含む原料粉を加熱する黒鉛基材からなる反応装置であって、上記黒鉛基材の表面にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜が形成され原料粉と接する収容部と、上記黒鉛基材の表面に熱分解炭素被膜が形成された本体部と、からなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の反応装置では、原料粉と接触する収容部では、黒鉛基材の表面にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜が形成されている。ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜は緻密である上に酸化性ガスの濃度が高い場合に酸化性ガスとの反応性が低いため、黒鉛基材を十分に保護し侵食を防止することができる。
一方、本体部では、黒鉛基材の表面にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜に代わって熱分解炭素被膜が形成されている。原料粉を加熱することにより発生した酸化性ガスが雰囲気ガスにより希釈されると、ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜が消耗しやすい環境となるが、本体部には、酸化性ガスの希薄な環境下において酸化性ガスとの反応性が低い熱分解炭素被膜が形成されているため、黒鉛基材を反応性ガスから充分に保護し、侵食を防止することができる。
すなわち、本発明の反応装置では、濃度が高い酸化性ガスと接触する収容部と濃度の低い酸化性ガスと接触する本体部の両方に、それぞれ最適な被膜が形成されているため、収容部及び本体部のいずれにおいても酸化性ガスとの反応による摩耗が進行しにくく、ライフが長い。
【０００９】
本発明の反応装置は、次の態様であることが好ましい。
【００１０】
（１）上記ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜及び上記熱分解炭素被膜が同一の黒鉛基材に形成されており、上記収容部及び上記本体部が一体化している。
【００１１】
（２）上記ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜及び上記熱分解炭素被膜が異なる黒鉛素材に形成されており、上記収容部及び上記本体部が一体化していない。
【００１２】
（３）上記収容部及び上記本体部は連結部材により連結されており、上記収容部及び上記本体部は、それぞれ上記連結部材に接合されている。
【００１３】
（４）上記連結部材は、反応装置の外側に配置される当て板と、反応装置の内側から挿入されるネジとからなる。
【００１４】
（５）上記連結部材は、Ｃ／Ｃ複合材からなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ライフの長い反応装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の反応装置の第一実施形態の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の反応装置の第二実施形態の一例を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の反応装置の第三実施形態の一例を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の反応装置の第四実施形態の一例を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の反応装置の第五実施形態の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は、加熱試験前の製造例１に係る試験片の断面偏光顕微鏡（ＰＯＭともいう）画像であり、図６（ｂ）は、加熱試験後の製造例１に係る試験片の断面ＰＯＭ画像である。
【図７】図７（ａ）は、加熱試験前の製造例２に係る試験片の断面ＰＯＭ画像であり、図７（ｂ）は、加熱試験後の製造例２に係る試験片の断面ＰＯＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の反応装置は、酸化物系セラミックを含む原料粉を加熱する黒鉛基材からなる反応装置であって、上記黒鉛基材の表面にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜が形成され原料粉と接する収容部と、上記黒鉛基材の表面に熱分解炭素被膜が形成された本体部と、からなることを特徴とする。
【００１８】
本発明の反応装置が加熱の対象とする酸化物系セラミックとしては、例えば、フェライト、シリカ、Ｓｉ、ＳｉＣ等が挙げられる。フェライトやシリカに対してＳｉやＳｉＣを混合し加熱することで、酸化性ガスが発生し、黒鉛基材との反応を起こしやすい。
酸化物系セラミックの加熱により発生した酸化性ガスは、発生源である酸化物系セラミックの周囲（すなわち収容部）で濃度が高く、それ以外の部分では、雰囲気ガスに希釈されて濃度が低下する。
例えば、シリカを炭素、ＳｉＣ又はＳｉと混合した混合体（原料粉）を加熱すると、下記式（１）〜（３）に示すように、シリカが還元されてＳｉＯ、Ｏ２、ＣＯ等の酸化性ガスが生成し、保護膜がなければ、多孔質である黒鉛基材の内面を少しずつ侵食する。
ＳｉＯ２＋Ｓｉ→２ＳｉＯ      （１）
ＳｉＯ２＋Ｃ→ＳｉＣ＋Ｏ２      （２）
２ＳｉＯ２＋ＳｉＣ→３ＳｉＯ＋ＣＯ      （３）
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜は、酸化性ガスの濃度が高い場合、表面にＳｉＯ２の薄い被膜を形成し、黒鉛基材の侵食を防止することができる。しかしながら、酸化性ガスの濃度が低くなると表面にＳｉＯ２の被膜を形成することができず、消耗するようになる。
一方、熱分解炭素被膜は、酸化性ガスの希薄な環境下で酸化性ガスとの反応性が低いため、黒鉛基材の侵食を防止することができる。
すなわち、本発明の反応装置では、濃度が高い酸化性ガスと接触する収容部と濃度の低い酸化性ガスと接触する本体部の両方に、それぞれ最適な被膜が形成されているため、収容部及び本体部のいずれにおいても酸化性ガスとの反応による摩耗が進行しにくく、ライフが長い。
【００１９】
本発明の反応装置の構成について、図１を参照しながら説明する。
図１は、本発明の反応装置の第一実施形態の一例を模式的に示す断面図である。
図１に示すように、反応装置１は、原料粉（図示しない）と接する収容部１０と、本体部２０とからなり、収容部１０が本体部２０の内部に収容されている。
収容部１０では、黒鉛基材１００の内側にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜１１が形成されている。また、黒鉛基材１００の外側には熱分解炭素被膜２１が形成されている。
本体部２０では、黒鉛基材１０１の内側に熱分解炭素被膜２１が形成されている。
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜１１が形成されている黒鉛基材１００と熱分解炭素被膜２１が形成されている黒鉛基材１０１は異なるため、収容部１０と本体部２０は一体化していない。
【００２０】
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜及び熱分解炭素被膜は、同一の黒鉛基材に形成されていてもよく、異なる黒鉛基材に形成されていてもよい。
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜及び熱分解炭素被膜が同一の黒鉛基材に形成されていると、収容部及び本体部が一体化することとなる。一方、ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜及び熱分解炭素被膜が異なる黒鉛基材に形成されていると、収容部及び本体部が一体化していない反応装置となる。
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜及び熱分解炭素被膜は、同一の黒鉛基材に形成されていると、収容部と本体部との間に隙間が存在しないため、隙間から反応装置の外側に漏れた酸化性ガスによって、反応装置の外面が侵食されることを抑制することができる。
【００２１】
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜及び熱分解炭素被膜が異なる黒鉛基材に形成されている場合、収容部となる黒鉛基材の上部に本体部となる黒鉛基材を組み合わせてもよいし、本体部となる黒鉛基材の内部に収容部となる黒鉛基材を収容してもよい。
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜及び熱分解炭素被膜が異なる黒鉛基材に形成されていると、本体部又は収容部のいずれか一方だけが破損した場合であっても、全体が破損することがない。
【００２２】
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜及び熱分解炭素被膜が異なる黒鉛基材に形成されている場合、収容部となる黒鉛基材と本体部となる黒鉛基材を、連結部材により連結してもよい。
連結部材の形状及び構成は特に限定されないが、収容部及び本体部がそれぞれ連結部材と接合していることが好ましく、例えば、反応装置の外側に配置される当て板と、反応装置の内側に配置されるネジからなる連結部材が挙げられる。
反応装置の外側に配置される当て板と反応装置の内側に配置されるネジとが、収容部又は本体部を介して螺合することによって、収容部と連結部材、又は、本体部と連結部材とを接合することができる。
また、連結部材の主要部品である当て板が反応装置の外側に配置されているので、本体部、収容部が一様に酸化性ガスと反応し、不均一な侵食を原因とする内部応力の発生を防止することができる。このためライフを長くすることができる。
【００２３】
連結部材を構成する材料は特に限定されないが、Ｃ／Ｃ複合材（炭素繊維強化炭素複合材料ともいう）であることが好ましい。
Ｃ／Ｃ複合材は破壊が一気に起こらないので、連結部材の侵食の状況を確認し、必要なタイミングで交換を実施することができる。
【００２４】
連結部材のうち、原料粉と接触する部分にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜を形成してもよい。
また、連結部材のうち、原料粉と接触しない部分に熱分解炭素被膜を形成してもよい。
【００２５】
収容部を構成する黒鉛基材と本体部を構成する黒鉛基材との連結部は、平面状であってもよいが、段差を有していてもよい。連結部に段差を設けることにより、原料粉より発生する酸化性ガスが連結部から漏れることを抑制することができる。
【００２６】
収容部となる黒鉛基材、及び、本体部となる黒鉛基材はそれぞれ、２つ以上の黒鉛基材で構成されていてもよい。
【００２７】
本発明の反応装置において、収容部に形成されるＣＶＤ−ＳｉＣ被膜の厚さは特に限定されないが、２０〜１００μｍであることが好ましい。
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜の厚さが２０μｍ以上の場合、黒鉛基材に気孔があっても周囲に充分な厚さのＣＶＤ−ＳｉＣ被膜を形成することができる。一方、ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜の厚さが１００μｍ以下の場合、黒鉛基材との熱膨張差による変形やクラックの影響を受けにくくすることができる。
【００２８】
本発明の反応装置において、本体部に形成される熱分解炭素被膜の厚さは特に限定されないが、２０〜１００μｍであることが好ましい。
熱分解炭素被膜の厚さが２０μｍ以上の場合、黒鉛基材に気孔があっても周囲に十分な厚さの熱分解被膜を形成することができる。一方、熱分解炭素被膜の厚さが１００μｍ以下の場合、熱分解炭素被膜の層間剥離が起こりにくい。
黒鉛基材に熱分解炭素被膜を形成する方法としては、炭化水素ガスを原料としたＣＶＤ法等が挙げられる。
【００２９】
本発明の反応装置において、黒鉛基材の表面にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜と熱分解炭素被膜の両方が形成されていてもよい。
ただし、最表面にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜が形成されている部分を収容部とし、最表面に熱分解炭素被膜が形成されている部分を本体部とする。
【００３０】
本発明の反応装置のその他の実施形態についても説明する。
【００３１】
図２は、本発明の反応装置の第二実施形態の一例を模式的に示す断面図である。
図２に示すように、反応装置２は、原料粉（図示しない）と接する収容部１０と、本体部２０とからなり、収容部１０が本体部２０の内部に収容されている。
収容部１０では、黒鉛基材１００の表面全体にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜１１が形成されている。
本体部２０では、黒鉛基材１０１の内側に熱分解炭素被膜２１が形成されている。
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜１１が形成される黒鉛基材１００と熱分解炭素被膜２１が形成される黒鉛基材１０１は異なる黒鉛素材であるため、収容部１０と本体部２０は一体化していない。
【００３２】
図３は、本発明の反応装置の第三実施形態の一例を模式的に示す断面図である。
図３に示すように、反応装置３は、原料粉（図示しない）と接する収容部１０と、本体部２０とからなり、反応装置３の下部が収容部１０、上部が本体部２０となっている。
反応装置３では、収容部１０を構成する黒鉛基材１０１と本体部２０を構成する黒鉛基材１０１は同一である。黒鉛基材１０１の内側全体に熱分解炭素被膜２１が形成されており、さらに、黒鉛基材１０１の下部（図３中の破線よりも下側の部分）の内側（熱分解炭素被膜２１の表面）にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜１１が形成されている。このことから、図３に示す反応装置では、黒鉛基材１０１の上部（図３中の破線よりも上側の部分）が本体部２０を構成しており、黒鉛基材１０１の下部（図３中の破線よりも下側の部分）が収容部１０を構成している。
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜１１が形成される黒鉛基材１０１と熱分解炭素被膜２１が形成される黒鉛基材１０１は同一であり、収容部１０と本体部２０は一体化している。
なお、反応装置の外側は、過酷な環境に曝されるわけではないので、黒鉛基材が露出していてもよく、ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜や熱分解炭素被膜が形成されていてもよい。
【００３３】
図４は、本発明の反応装置の第四実施形態の一例を模式的に示す断面図である。
図４に示すように、反応装置４は、原料粉（図示しない）と接する収容部１０と、本体部２０とからなり、反応装置４の下部が収容部１０、上部が本体部２０となっている。
収容部１０では、黒鉛基材１０２の内側にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜１１が形成されている。
本体部２０では、黒鉛基材１０３の内側に熱分解炭素被膜２１が形成されている。
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜１１が形成される黒鉛基材１０２と熱分解炭素被膜２１が形成される黒鉛基材１０３は異なるため、収容部１０と本体部２０は一体化していない。さらに、黒鉛基材１０２と黒鉛基材１０３の境界には段差が設けられている。
なお、反応装置の外側及び段差部は、過酷な環境に曝されるわけではないので、黒鉛基材が露出していてもよく、ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜や熱分解炭素被膜が形成されていてもよい。
【００３４】
図５は、本発明の反応装置の第五実施形態の一例を模式的に示す断面図である。
図５に示すように、反応装置５は、原料粉（図示しない）と接する収容部１０と、本体部２０とからなり、反応装置５の下部が収容部１０、上部が本体部２０となっている。
収容部１０では、黒鉛基材１０２の表面にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜１１が形成されている。
本体部２０では、黒鉛基材１０３の表面に熱分解炭素被膜２１が形成されている。
ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜１１が形成される黒鉛基材１０２と熱分解炭素被膜２１が形成される黒鉛基材１０３は異なる黒鉛素材であるため、収容部１０と本体部２０は一体化していない。
収容部１０を構成する黒鉛基材１０２と本体部２０を構成する黒鉛基材１０３は、連結部材２００により連結されており、連結部材２００は、反応装置５の外側に配置される当て板２１０と、反応装置５の内側に配置されるネジ２２０からなる。さらに、連結部には段差が設けられている。
具体的には、反応装置の外側に配置される当て板２１０と反応装置の内側に配置されるネジ２２０とが、収容部１０を介して螺合することにより、収容部１０が連結部材２００に接合されており、当て板２１０と反応装置の内側に配置されるネジ２２０とが、本体部２０を介して螺合することにより、本体部２０が連結部材２００に接合されている。
なお、反応装置の外側及び段差部は、過酷な環境に曝されるわけではないので、黒鉛基材が露出していてもよく、ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜や熱分解炭素被膜が形成されていてもよい。
【００３５】
（実施例）
以下、本発明をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
【００３６】
（製造例１〜２）
［試験片の作製］
黒鉛基材（縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ×厚さ５ｍｍ）の表面に熱分解炭素被膜を形成して、本体部を模した試験片を作製した（製造例１）。
製造例１と同じ黒鉛基材の表面にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜を形成して、収容部を模した試験片を作製した（製造例２）。
【００３７】
［酸化性ガスに対する耐食性の評価］
製造例１〜２に係る試験片を酸化性ガス発生源となるＳｉ及びＳｉＯ２の混合体の上部に配置し、焼成炉を用いてアルゴン雰囲気下、１６００℃で３時間加熱し、発生する酸化性ガスに暴露する加熱試験を行った。
加熱試験前後の熱分解炭素被膜及びＣＶＤ−ＳｉＣ被膜の膜厚を、偏光顕微鏡を用いて１０箇所で観察し、平均値を求めた。結果を表１、並びに、図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す。図６（ａ）は、加熱試験前の製造例１に係る試験片の断面ＰＯＭ画像であり、図６（ｂ）は、加熱試験後の製造例１に係る試験片の断面ＰＯＭ画像であり、図７（ａ）は、加熱試験前の製造例２に係る試験片の断面ＰＯＭ画像であり、図７（ｂ）は、加熱試験後の製造例２に係る試験片の断面ＰＯＭ画像である。
【００３８】
【表１】
2020026370.tif 000003
【００３９】
表１並びに図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）及び図７（ｂ）の結果より、熱分解炭素被膜を形成した黒鉛基材は、アルゴンガス雰囲気下で発生する酸化性ガスに対する耐食性が高いことがわかった。
【００４０】
以上の結果より、濃度が高い酸化性ガスと接触する収容部にＣＶＤ−ＳｉＣ被膜が形成されており、濃度の低い酸化性ガスと接触する本体部に熱分解炭素被膜が形成されている本発明の反応装置は、酸化性ガスに対する耐食性に優れており、ライフが長いと推察される。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の反応装置は、例えば、ケイ素含有化合物を焼成する際の焼成装置や、酸化性ガスを発生させるガス発生装置として用いることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１、２、３、４、５  反応装置
１０        収容部
１１        ＣＶＤ−ＳｉＣ被膜
２０        本体部
２１        熱分解炭素被膜
１００、１０１、１０２、１０３  黒鉛基材
２００      連結部材
２１０      当て板
２２０      ネジ
【図１】
2020026370.tif 000004
【図２】
2020026370.tif 000005
【図３】
2020026370.tif 000006
【図４】
2020026370.tif 000007
【図５】
2020026370.tif 000008
【図６】
2020026370.tif 000009
【図７】
2020026370.tif 000010