(57)【要約】【課題】本発明は、緻密で熱による変形が小さく、熱伝導率が低いため熱の損失が小さく、さらに、塩酸やフッ酸等の薬品に曝されても分解することが無いため耐薬品性を求められる用途、例えば、薬品加熱装置の断熱シャッターやローラーハースキルン炉等において好適に用いることが可能な低熱伝導炭化珪素焼結体およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る低熱伝導炭化珪素焼結体は、密度が３．１０ｇ／ｃｍ3以上で１００Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する炭化珪素焼結体であって、前記炭化珪素焼結体は、ホウ素および窒素を含み、前記ホウ素含有量が０．７９ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下、前記窒素含有量が０．４７ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
密度が３．１０ｇ／ｃｍ3以上で１００Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する炭化珪素焼結体であって、前記炭化珪素焼結体は、ホウ素および窒素を含有し、前記ホウ素含有量が０．７９ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下、前記窒素含有量が０．４７ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であることを特徴とする低熱伝導炭化珪素焼結体。
【請求項２】
前記ホウ素および前記窒素は、前記炭化珪素焼結体に固溶していることを特徴とする請求項１に記載の低熱伝導炭化珪素焼結体。
【請求項３】
密度が３．１２ｇ／ｃｍ3以上で９８Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する炭化珪素焼結体であることを特徴とする請求項１または２記載の低熱伝導炭化珪素焼結体。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載された炭化珪素焼結体を製造する方法であって、炭化珪素原料粉末に対して、窒素源を窒素換算で１．３０ｗｔ％以上１．９８ｗｔ％以下、かつホウ素源をホウ素換算で１．００ｗｔ％以上１．５２ｗｔ％以下添加することを特徴とする低熱伝導炭化珪素焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低熱伝導炭化珪素焼結体に関する。詳しくは、低熱伝導性、高強度、耐薬品性を兼ね備えた部材であり、これらが要求される部材として好適に用いることができる部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭化珪素焼結体は、耐熱性、耐薬品性、高熱伝導率、低比重、高硬度等の優れた特性を持つことから、メカニカルシール、高温構造材、半導体製造装置部材等として幅広く実用化されている。焼結助剤を用いて炭化珪素粉末を焼結させた炭化珪素焼結体は、耐熱性、耐摩耗性、機械的強度、耐食性、熱伝導性に優れていることから、種々の用途に構造材料として使用されている。
【０００３】
特許文献１には、焼結助剤としてホウ素化合物を添加し、窒素を含む不活性ガス雰囲気下の焼結炉内で常圧で焼結させる方法が記載され、その製造方法で得られた炭化珪素焼結体の熱伝導率は、１００〜２２０Ｗ／ｍＫであることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、低熱伝導セラミックス焼結体として、窒化珪素を主成分とするセラミックス材料が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−２８８１６７号公報
【特許文献２】特開平１１−２７８９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の炭化珪素焼結体は、上述のとおり、１００〜２２０Ｗ／ｍＫの高い熱伝導率であるために熱が外部に放出され易いため、外部への熱損失が大きく、断熱効果は期待できない。さらに、窒素を添加せず、窒素含有雰囲気で焼成しているため、焼結体密度の低下の恐れや焼結体表面と内部とで特性が大きく異なる恐れがあり、断熱効果は期待できない。
【０００７】
また、特許文献２に記載の低熱伝導セラミックス焼結体は、窒化珪素を主成分としているため、塩酸やフッ酸等に曝されると分解してしまう恐れがあり、耐薬品性を求められる用途には適さない。
【０００８】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、緻密で熱による変形が小さく、熱伝導率が低いため熱の損失が小さく、さらに、塩酸やフッ酸等の薬品に曝されても分解することが無いため耐薬品性を求められる用途、例えば、薬品加熱装置の断熱シャッターやローラーハースキルン炉等において好適に用いることが可能な低熱伝導炭化珪素焼結体およびその製造方法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】
【０００９】
本発明に係る低熱伝導炭化珪素焼結体は、密度が３．１０ｇ／ｃｍ3以上で１００Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する炭化珪素焼結体であって、前記炭化珪素焼結体は、ホウ素および窒素を含有し、前記ホウ素含有量が０．７９ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下、前記窒素含有量が０．４７ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であることを特徴とする。
【００１０】
前記炭化珪素焼結体は前記ホウ素および前記窒素は、前記炭化珪素焼結体に固溶していることが好ましい。
【００１１】
さらに、前記炭化珪素焼結体は、密度が、３．１２ｇ／ｃｍ3以上で９８Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有することが好ましい。
【００１２】
本発明に係る低熱伝導炭化珪素焼結体の製造方法は、炭化珪素粉末に対して、窒素源を窒素換算で１．３０ｗｔ％以上１．９８ｗｔ％以下、かつホウ素源をホウ素換算で１．００ｗｔ％以上１．５２ｗｔ％以下添加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の低熱伝導炭化珪素焼結体およびその製造方法によれば、緻密で熱による変形が小さく、熱伝導率が低いため熱の損失が小さく、さらに塩酸やフッ酸等の薬品に曝されても薬品による分解がなく、耐薬品性を求められる用途においても好適で緻密な炭化珪素焼結体を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る低熱伝導炭化珪素焼結体およびその製造方法の実施形態について、より詳細に説明する。
【００１５】
本実施形態に係る低熱伝導炭化珪素焼結体は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ未満である。熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ未満であることにより、熱損失を小さくできるため、断熱効果を得ることができ、熱による部材の変形の発生を抑制することができる。
【００１６】
なお、本実施形態における炭化珪素焼結体の熱伝導率は、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳ  Ｒ  １６１１）によりそれぞれ熱拡散率・比熱容量を求め、比熱容量と熱拡散率と密度の積により熱伝導率を算出することができる。ここで、本実施形態における炭化珪素焼結体の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ未満とは、室温における熱伝導率である。
【００１７】
そして、本実施形態に係る低熱伝導炭化珪素焼結体は、ホウ素および窒素の両方を含有し、さらにホウ素含有量が０．７９ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下、窒素含有量が０．４７ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であることが重要である。
【００１８】
ホウ素含有量が、０．７９ｗｔ％未満である場合は、焼結性が悪くなるため、緻密な焼結体を得られない。一方、１．２ｗｔ％を超える場合は、炭化珪素焼結体の粒界にホウ素化合物が析出してしまい、焼結体密度および強度が低下する。さらに、粒界に析出したホウ素化合物が、薬品により分解する恐れがあるため、耐薬品性が求められる用途において適さない。
【００１９】
また、窒素含有量が、０．４７ｗｔ％未満である場合は、熱伝導率が低減されず、断熱効果が得られず、１．０ｗｔ％を超える場合は、炭化珪素の一部が分解して、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）が生じ、炭化珪素の緻密化が阻害されるため、充分な焼結体密度が得られない。
【００２０】
ここで、緻密な焼結体とは、焼結体密度が３．１０ｇ／ｃｍ3以上の炭化珪素焼結体である。なお、炭化珪素焼結体の密度は、アルキメデス法（ＪＩＳ  Ｒ  １６３４）により求めることができる。
【００２１】
また、炭化珪素焼結体中におけるホウ素含有量は、例えば、加圧酸分解後の試料溶液をＩＰＣ発光分光分析することで求めることができる。また、炭化珪素焼結体中における窒素含有量は、例えば、酸素‐窒素分析装置で分析することにより求めることができる。
【００２２】
ホウ素および窒素の両方を含有していることにより、１００Ｗ／ｍＫ未満の低熱伝導率を有するにもかかわらず、緻密な炭化珪素焼結体を得ることができる。
【００２３】
前記ホウ素および前記窒素は、炭化珪素焼結体に固溶していることが好ましい。
このように焼結体にホウ素および窒素が固溶していることにより、焼結体密度等の炭化珪素特性を維持しつつ、熱伝導率低減効果を最大限に得ることができる。
【００２４】
次に、本実施形態に係る低熱伝導炭化珪素焼結体の製造方法について説明する。
【００２５】
まず、ポットに溶媒、カーボンブラック及び有機バインダーを投入後、ホウ素源及び窒素源となる原料粉末を投入し、ボールミルで混練後、炭化珪素原料粉を投入し、さらにボールミルで混練してスラリーを作製し、スラリーの溶媒をロータリーエバポレーターで除去後、篩で篩分けし、造粒粉を作製する。その後、造粒粉を所定の成形ゴム型に充填し、加圧成形により成形体を作製し、その成形体を焼成し、焼結体を得る。
【００２６】
前記炭化珪素原料粉としては、純度９７％以上のα−ＳｉＣまたはβ−ＳｉＣからなる炭化珪素粉末を用いることができる。また、炭化珪素原料粉は、平均粒径１μｍ以下の粉末を用いることが好ましい。上述の原料粉を用いることにより、スラリー調製時における分散性を向上させることができる。
【００２７】
前記ホウ素源および窒素源となる原料は特に限定はない。ホウ素源としては、ホウ素化合物が挙げられ、例えば、炭化ホウ素、窒化ホウ素、リン化ホウ素、非晶質ホウ素、酸化ホウ素などである。窒素源としては、窒素化合物が挙げられ、例えば、窒化珪素、アンモニア、窒素含有樹脂などであり、それぞれ所定の添加量になるように組み合わせ、添加すればよい。
【００２８】
前記ホウ素源及び窒素源のそれぞれの添加量は、炭化珪素原料粉に対して、ホウ素源をホウ素換算で１．００ｗｔ％以上１．５２ｗｔ％以下、窒素源を窒素換算で１．３０ｗｔ％以上１．９８ｗｔ％以下に制御することが好ましい。
【００２９】
ホウ素源がホウ素換算で１．００ｗｔ％未満である場合には、十分な密度の焼結体を得ることが難しいため、好ましくない。また、１．５２ｗｔ％を超える場合には、ホウ素化合物が粒界に析出し、焼結体密度および強度が低下する。さらに、炭化珪素焼結体の粒界に析出したホウ素化合物が、薬品により分解する恐れがあるため、耐薬品性が求められる用途において適さない。
【００３０】
窒素源が窒素換算で１．３０ｗｔ％未満である場合には、熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ未満にならず、熱伝導率を低減することができないため、好ましくない。また、１．９８ｗｔ％を超える場合は、焼結性が悪くなり、十分な焼結性が得られなくなるため、好ましくない。
【００３１】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例に
より限定解釈されるものではない。
【００３２】
（実施例１）
窒化珪素３．２５ｗｔ％（窒素添加量：１．３０ｗｔ％）、炭化ホウ素１．２８ｗｔ％（ホウ素添加量：１．００ｗｔ％）、フェノール樹脂系バインダーをＣ換算で４ｗｔ％と、分散媒としてアルコールとを、樹脂製ボールミルで１時間混練後、平均粒径０．６９μｍの炭化珪素粉末原料（α−ＳｉＣ、純度９７％）を添加し、さらに１２時間混練してスラリーを作製した。スラリーの溶媒を、ロータリーエバポレーターで除去後、篩（＃６０）で篩別し、造粒した後、φ８０×５０Ｌの成形ゴム型に充填し、圧力１．５ｔｏｎ／ｃｍ2でＣＩＰ（Ｃｏｌｄ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ；冷間等方圧加工法）を行い、成形体を作製した。作製した成形体を２２２０℃で３時間、アルゴン雰囲気で焼成し、炭化珪素焼結体を作製した。
【００３３】
得られた焼結体をアルキメデス法（ＪＩＳ  Ｒ  １６３４）にて焼結体密度を測定した。また、φ１０×２ｔのサンプルを切り出し、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳ  Ｒ  １６１１）にて、熱伝導率を測定した。さらに、３×４×４０Ｌのサンプルを作製し、ファインセラミックスの酸およびアルカリ腐食試験方法（ＪＩＳ  Ｒ  １６１４）に従って、４６％のフッ酸に対する９５℃で２４時間保持した際の、サンプルの重量減少率を測定し、耐薬品性評価を行った。得られた結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
2014208566.tif 000002
【００３５】
（実施例２）
窒化ホウ素２．３ｗｔ％（窒素添加量：１．３ｗｔ％、ホウ素添加量：１．５２ｗｔ％）、フェノール樹脂系バインダーをＣ換算で４ｗｔ％と、分散媒としてアルコールとを、樹脂製ボールミルで１時間混練後、平均粒径０．６９μｍの炭化珪素粉末原料（α−ＳｉＣ、純度９９％）を添加し、さらに１２時間混練してスラリーを作製した。スラリーの溶媒を、ロータリーエバポレーターで除去後、篩（＃６０）で篩別し、造粒した後、φ８０×５０Ｌの成形ゴム型に充填し、圧力１．５ｔｏｎ／ｃｍ2でＣＩＰ（Ｃｏｌｄ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ；冷間等方圧加工法）を行い、成形体を作製した。作製した成形体を２２２０℃で３時間アルゴン雰囲気で焼成し、炭化珪素焼結体を作製した。
【００３６】
得られた焼結体は、実施例１と同様にして、焼結体密度および熱伝導率の測定、耐薬品性の評価を行った。得られた結果を表１に示す。
【００３７】
（比較例１）
窒素源およびホウ素源を添加せず、実施例１と同様にして、炭化珪素焼結体を作製し、各測定を実施した。得られた結果を表１に示す。
【００３８】
（比較例２）
窒化珪素焼結体を作製し、実施例１と同様にして、各測定を実施した。得られた結果を表１に示す。
【００３９】
（比較例３および４）
炭化珪素焼結体中のホウ素含有量を表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様にして、炭化珪素焼結体の作製を行った。しかし、比較例３では、熱伝導率が低い焼結体が得られず、比較例４では、緻密な焼結体が得られなかった。
【００４０】
（比較例５）
炭化珪素焼結体中に窒素を含有しなかった以外は、実施例１と同様にして、炭化珪素焼結体の作製を行った。
しかし、緻密で耐食性は得られたものの、熱伝導率が１７８Ｗ／ｍＫと非常に高い値になり、低熱伝導の焼結体は得られなかった。