(57)【要約】【課題】シリコン−炭化ケイ素複合材料を利用して複数のセラミックス部材間を連結するにあたって、連結部の強度等の機械的特性を再現性よく高めることを可能にする。【解決手段】セラミックス複合部材は、第１のセラミックス部材と第２のセラミックス部材とを、連結部４を介して一体化した構造を有する。連結部４は、平均粒径が0.1μm以上0.1mm以下の範囲の炭化ケイ素粒子５の隙間に、平均径が0.05μm以上10μm以下のシリコン相６を網目状に連続して存在させた組織を有する。【選択図】図３
2008137830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のセラミックス部材と、
第２のセラミックス部材と、
前記第１のセラミックス部材と第２のセラミックス部材とを連結する連結部であって、平均粒径が0.1μm以上0.1mm以下の範囲の炭化ケイ素粒子と、前記炭化ケイ素粒子の隙間に網目状に連続して存在し、平均径が0.05μm以上10μm以下のシリコン相とを有する組織を備える連結部と
を具備することを特徴とするセラミックス複合部材。
【請求項２】
請求項１記載のセラミックス複合部材において、
前記第１および第２のセラミックス部材は、炭化物、窒化物、酸化物、ホウ化物、ケイ化物、およびこれらの複合物から選ばれる同種または異種のセラミックス焼結体からなることを特徴とするセラミックス複合部材。
【請求項３】
請求項１記載のセラミックス複合部材において、
前記第１および第２のセラミックス部材の少なくとも一方は炭化ケイ素焼結体またはシリコン−炭化ケイ素複合焼結体からなることを特徴とするセラミックス複合部材。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のセラミックス複合部材において、
前記連結部は前記シリコン相を5質量％以上85質量％以下の範囲で含むことを特徴とするセラミックス複合部材。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載のセラミックス複合部材において、
前記連結部は平均厚さが5μm以上5mm以下の範囲であることを特徴とするセラミックス複合部材。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載のセラミックス複合部材において、
前記連結部は気孔率が5％以下であることを特徴とするセラミックス複合部材。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載のセラミックス複合部材において、
前記連結部は少なくとも炭化ケイ素粉末と有機樹脂とを含有する接着剤層に溶融シリコンを含浸させて形成した反応焼結層からなることを特徴とするセラミックス複合部材。
【請求項８】
請求項７記載のセラミックス複合部材において、
前記接着剤層はさらに炭素粉末を含有することを特徴とするセラミックス複合部材。
【請求項９】
請求項８記載のセラミックス複合部材において、
前記連結部を構成する前記炭化ケイ素粒子は、前記接着剤層に骨材として配合された前記炭化ケイ素粉末に基づく第１の炭化ケイ素粒子と、前記接着剤層に配合された前記炭素粉末および前記有機樹脂に由来する炭素と前記溶融シリコンとの反応により生成された第２の炭化ケイ素粒子とを有することを特徴とするセラミックス複合部材。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項記載のセラミックス複合部材において、
前記連結部は前記Ｓｉ相の含有量が異なる複数の層が積層された構造を有することを特徴とするセラミックス複合部材。
【請求項１１】
請求項１０記載のセラミックス複合部材において、
前記連結部は、前記第１のセラミックス部材と接する第１の側面層と、前記第２のセラミックス部材と接する第２の側面層と、前記第１の側面層と前記第２の側面層との間に配置され、前記第１および第２の側面層より前記Ｓｉ相の含有量が多い中間層とを有することを特徴とするセラミックス複合部材。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項記載のセラミックス複合部材において、
前記連結部はビッカース硬さでHv900以上Hv2200以下の硬度を有することを特徴とするセラミックス複合部材。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項記載のセラミックス複合部材において、
前記セラミックス複合部材の4点曲げ強度が250MPa以上1400MPa以下であることを特徴とするセラミックス基複合部材。
【請求項１４】
第１のセラミックス部材と第２のセラミックス部材とを、少なくとも炭化ケイ素粉末と有機樹脂とを含有する接着剤で接着する工程と、
前記接着剤による接着部に熱処理を施し、前記接着剤を炭化させる工程と、
前記接着部に溶融シリコンを含浸し、前記第１のセラミックス部材と前記第２のセラミックス部材とを、前記接着部を反応焼結させて形成した連結部を介して連結する工程と
を具備することを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４記載のセラミックス複合部材の製造方法において、
前記接着剤はさらに炭素粉末を含有することを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【請求項１６】
請求項１５記載のセラミックス複合部材の製造方法において、
前記接着剤中の前記炭化ケイ素粉末と前記炭素粉末および前記有機樹脂に由来する炭素成分との質量比が、ＳｉＣ：Ｃ＝5〜80：95〜20の範囲であることを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【請求項１７】
請求項１５または請求項１６記載のセラミックス複合部材の製造方法において、
前記連結部は、平均粒径が0.1μm以上0.1mm以下の範囲の炭化ケイ素粒子と、前記炭化ケイ素粒子の隙間に網目状に連続して存在し、平均径が0.05μm以上10μm以下のシリコン相とを有する組織を備えることを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【請求項１８】
請求項１７記載のセラミックス複合部材の製造方法において、
前記連結部を構成する前記炭化ケイ素粒子は、前記接着剤中に含有させた前記炭化ケイ素粉末に基づく第１の炭化ケイ素粒子と、前記接着剤中に含有させた前記炭素粉末および前記有機樹脂に由来する炭素と前記溶融シリコンとの反応により生成された第２の炭化ケイ素粒子とを有することを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【請求項１９】
請求項１４ないし請求項１８のいずれか１項記載のセラミックス複合部材の製造方法において、
前記第１および第２のセラミックス部材は、炭化物、窒化物、酸化物、ホウ化物、ケイ化物、およびこれらの複合物から選ばれる同種または異種のセラミックス焼結体からなることを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【請求項２０】
請求項１４ないし請求項１９のいずれか１項記載のセラミックス複合部材の製造方法において、
さらに、前記セラミックス部材の接着面にブラスト処理またはエッチング処理を施す工程を具備することを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【請求項２１】
炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含む成形体同士、もしくは前記成形体とセラミックス焼結体とを、少なくとも炭化ケイ素粉末と有機樹脂とを含有する接着剤で接着する工程と、
前記接着剤による接着部に熱処理を施し、前記接着剤を炭化させる工程と、
前記成形体と前記接着部に溶融シリコンを含浸し、前記成形体を反応焼結させてシリコン−炭化ケイ素複合焼結体とすると共に、前記シリコン−炭化ケイ素複合焼結体同士、または前記シリコン−炭化ケイ素複合焼結体と前記セラミックス焼結体とを、前記接着部を反応焼結させて形成した連結部を介して連結する工程と
を具備することを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【請求項２２】
請求項２１記載のセラミックス複合部材の製造方法において、
前記接着剤はさらに炭素粉末を含有することを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【請求項２３】
請求項２２記載のセラミックス複合部材の製造方法において、
前記接着剤中の前記炭化ケイ素粉末と前記炭素粉末および前記有機樹脂に由来する炭素成分との質量比が、ＳｉＣ：Ｃ＝5〜80：95〜20の範囲であることを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【請求項２４】
請求項２２または請求項２３記載のセラミックス複合部材の製造方法において、
前記連結部は、平均粒径が0.1μm以上0.1mm以下の範囲の炭化ケイ素粒子と、前記炭化ケイ素粒子の隙間に網目状に連続して存在し、平均径が0.05μm以上10μm以下のシリコン相とを有する組織を備えることを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【請求項２５】
請求項２４項記載のセラミックス複合部材の製造方法において、
前記連結部を構成する前記炭化ケイ素粒子は、前記接着剤中に含有させた前記炭化ケイ素粉末に基づく第１の炭化ケイ素粒子と、前記接着剤中に含有させた前記炭素粉末および前記有機樹脂に由来する炭素と前記溶融シリコンとの反応により生成された第２の炭化ケイ素粒子とを有することを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【請求項２６】
請求項２１ないし請求項２５のいずれか１項記載のセラミックス複合部材の製造方法において、
前記セラミックス焼結体は、炭化物、窒化物、酸化物、ホウ化物、ケイ化物、およびこれらの複合物から選ばれるセラミックス焼結体からなることを特徴とするセラミックス複合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセラミックス複合部材とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造用セラミックスは、耐環境性、耐熱性、耐摩耗性に優れ、さらに高剛性、低熱膨張性、低比重等の優れた特性を有することから、耐熱部材や耐摩耗性部材として使用されている。近年では、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミックス部材を中心に、半導体製造装置用治具を始めとする半導体関連部品への実用化が進められている。さらに、セラミックス部材は原子力やガスタービン等のエネルギー機器用部品、宇宙用構造部品、自動車用エンジン部品、熱交換器用部品、ポンプ部品、メカニカルシール部品、ベアリング部品、摺動部品等の産業機器への適用が進められている。
【０００３】
セラミックス部材は一般的に焼結時に20％前後の収縮を伴うことから、大型部品や複雑形状部品を作製することが困難とされている。そこで、複数のセラミックス部材を用意し、これらを連結して大型部品や複雑形状部品を作製することが試みられている。セラミックス部材同士の接合方法としては、例えば活性金属を含むろう材を用いて接合する方法、セラミックス部材の表面をメタライズした後にろう材で接合する方法が知られている。しかしながら、これらの接合方法は接合層として金属層が存在することになるため、部品の耐熱性や強度が金属層によって制限されるという難点がある。
【０００４】
ろう材を用いた接合方法に対して、炭化ケイ素の反応焼結を利用して複数のセラミックス部材間を接合する方法が知られている（特許文献１〜３参照）。特許文献１には、炭化ケイ素粒子を含む有機バインダを用いて、炭化ケイ素体と炭化ケイ素多孔体とを接合する方法が記載されている。ここでは、炭化ケイ素体と炭化ケイ素多孔体とを、炭化ケイ素粒子を含む有機バインダを介して重ね合わせた後、炭化ケイ素多孔体の上面側から溶融したシリコンを含浸している。炭化ケイ素多孔体内の空孔を介して含浸した溶融シリコンと有機バインダ中の炭素とを反応させて炭化ケイ素層（接合層）を生成することによって、炭化ケイ素体と炭化ケイ素多孔体とを接合している。
【０００５】
しかしながら、従来の炭化ケイ素の反応焼結を利用した接合方法は、溶融シリコンを炭化ケイ素多孔体内の空孔を介して含浸しているため、適用可能な部品形状が制限されるという問題を有している。さらに、接合層における炭化ケイ素の生成過程を制御することができないため、接合体の強度を十分に高めることができないという問題がある。例えば、接合層としての反応焼結層の微構造が不均一になったり、また反応焼結層に多量のポアや粗大な遊離シリコン相が生成する。これらは接合体の強度を低下させる要因となる。
【０００６】
特許文献２や特許文献３には、シリコン−炭化ケイ素複合焼結体からなる複数の部品ユニット間を、反応焼結層（シリコン−炭化ケイ素複合材料層）を介して接合する方法が記載されている。ここでは、複数のシリコン−炭化ケイ素複合焼結体（もしくは炭化ケイ素と炭素とを含む成形体）間を有機系接着剤で接着した後、有機系接着剤による接着部に溶融シリコンを含浸している。そして、有機系接着剤中の炭素と溶融シリコンとを反応させて生成した炭化ケイ素結晶粒子と、その隙間に存在する遊離シリコン相とから主として構成される接合層によって、複数の部品ユニット間を接合している。
【０００７】
有機系接着剤を用いた接合方法は、接合層を構成する炭化ケイ素結晶粒子の隙間に遊離シリコン相をネットワーク状に存在させているため、接合層の緻密性や微細構造の制御性等を高めることができる。これによって、溶融シリコンを炭化ケイ素多孔体内の空孔を介して含浸する方法に比べて、接合強度を高めることが可能となる。ただし、接合層を構成する炭化ケイ素結晶粒子を有機系接着剤中の炭素のみに基づいて生成した場合、接合強度の再現性に劣るという難点がある。
【０００８】
すなわち、有機系接着剤中の炭素は溶融シリコンと反応する際に体積膨張を伴うと共に、当初の樹脂構造に由来して生成した炭化ケイ素粒子が凝集しやすい。このため、炭化ケイ素粒子間の隙間が不均一になりやすく、これによって遊離シリコン相が偏析するおそれがある。遊離シリコン相は炭化ケイ素粒子に比べて強度が劣ることから、遊離シリコン相が偏析すると接合層の強度にばらつきが生じやすくなる。これが有機系接着剤を用いた接合方法を適用した接合部品の接合強度の再現性を低下させる要因となっている。
【特許文献１】特公平5-079630号公報
【特許文献２】国際公開第2004/007401号パンフレット
【特許文献３】特開2005-022905号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、接合層の均質化や微細化を図ることによって、強度等の機械的特性を再現性よく高めたセラミックス複合部材とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係るセラミックス複合部材は、第１のセラミックス部材と、第２のセラミックス部材と、前記第１のセラミックス部材と第２のセラミックス部材とを連結する連結部であって、平均粒径が0.1μm以上0.1mm以下の範囲の炭化ケイ素粒子と、前記炭化ケイ素粒子の隙間に網目状に連続して存在し、平均径が0.05μm以上10μm以下のシリコン相とを有する組織を備える連結部とを具備することを特徴としている。
【００１１】
本発明の一態様に係るセラミックス複合部材の製造方法は、第１のセラミックス部材と第２のセラミックス部材とを、少なくとも炭化ケイ素粉末と有機樹脂とを含有する接着剤で接着する工程と、前記接着剤による接着部に熱処理を施し、前記接着剤を炭化させる工程と、前記接着部に溶融シリコンを含浸し、前記第１のセラミックス部材と前記第２のセラミックス部材とを、前記接着部を反応焼結させて形成した連結部を介して連結する工程とを具備することを特徴としている。
【００１２】
本発明の他の態様に係るセラミックス複合部材の製造方法は、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含む成形体同士、もしくは前記成形体とセラミックス焼結体とを、少なくとも炭化ケイ素粉末と有機樹脂とを含有する接着剤で接着する工程と、前記接着剤による接着部に熱処理を施し、前記接着剤を炭化させる工程と、前記成形体と前記接着部に溶融シリコンを含浸し、前記成形体を反応焼結させてシリコン−炭化ケイ素複合焼結体とすると共に、前記シリコン−炭化ケイ素複合焼結体同士、または前記シリコン−炭化ケイ素複合焼結体と前記セラミックス焼結体とを、前記接着部を反応焼結させて形成した連結部を介して連結する工程とを具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の態様に係るセラミックス複合部材とその製造方法によれば、複数のセラミックス部材間を連結する連結部の強度を再現性よく高めることができる。従って、高強度のセラミックス複合部材を安定して提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態によるセラミックス複合部材の構成を示す斜視図、図２は一部を拡大して示す断面図である。これらの図に示すセラミックス複合部材１は、第１のセラミックス部材２と第２のセラミックス部材３とを有している。第１および第２のセラミックス部材２、３は連結部４を介して連結（接合）されている。
【００１５】
連結部４は図３の拡大図に示すように、炭化ケイ素結晶粒子（ＳｉＣ粒子）５の隙間にシリコン相（遊離Ｓｉ相）６を網目状に連続して存在させた組織を有している。ここでは2個のセラミックス部材２、３を連結した複合部材１を示しているが、セラミックス複合部材１を構成するセラミックス部材の数は2個に限られるものではない。連結するセラミックス部材の数は3個もしくはそれ以上であってもよい。
【００１６】
第１および第２のセラミックス部材２、３は特に限定されるものではなく、炭化物、窒化物、酸化物、ホウ化物、ケイ化物、およびこれらの複合物から選ばれる同種または異種のセラミックス焼結体を適用することができる。セラミックス部材の具体例としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）焼結体、シリコン−炭化ケイ素（Ｓｉ−ＳｉＣ）複合焼結体、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）焼結体、サイアロン（Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ）焼結体、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）焼結体、ジルコニア（ＺｒＯ2）焼結体、これらの複合焼結体等が挙げられる。
【００１７】
第１および第２のセラミックス部材２、３は、セラミックス複合部材１を適用する部品や用途に応じて適宜に選択することができる。特に、連結部４と同材質のシリコン−炭化ケイ素複合焼結体や炭化ケイ素焼結体を適用することによって、セラミックス複合部材１の強度を高めることができる。
【００１８】
連結部４はＳｉＣ粒子５の隙間に遊離Ｓｉ相６を網目状に連続して存在させた組織を有している。連結部４は、少なくとも炭化ケイ素粉末と有機樹脂とを含有する接着剤層に熱処理（有機樹脂を熱分解して炭素化するための熱処理）を施した後、溶融シリコン（Ｓｉ）を含浸して反応焼結させることで得ることができる。接着剤層は炭素粉末を含有していてもよい。連結部４は図３に示したように、接着剤層に配合された炭化ケイ素粉末に基づく第１のＳｉＣ粒子５ａと、接着剤層に配合された炭素粉末や有機樹脂に由来する炭素と溶融Ｓｉとを反応させて生成した第２のＳｉＣ粒子５ｂとを有している。
【００１９】
連結部４を構成するＳｉＣ粒子５は、第１および第２のＳｉＣ粒子５ａ、５ｂを含めた全体としての平均粒径が0.1μm以上0.1mm以下となるように制御される。ＳｉＣ粒子５の平均粒径が0.1mmを超えると連結部４の微構造が不均質となり、ＳｉＣ粒子５に比べて強度が低い遊離Ｓｉ相６が偏析しやすくなる。このため、連結部４の強度や靭性が低下する。従って、第１のセラミックス部材２と第２のセラミックス部材３とを連結部４を介して接合したセラミックス複合部材１の強度を十分に発現させることができない。
【００２０】
ＳｉＣ粒子５の平均粒径が0.1μm未満の場合にも、連結部４の強度が低下する。平均粒径が0.1μm未満のＳｉＣ粒子５は凝集しやすく、接着剤中に分散させにくいため、製造プロセスの観点から安定した接合層を形成しにくい。このため、セラミックス複合部材１の強度や歩留りが低下し、また信頼性や耐久性も低下する。ＳｉＣ粒子５の平均粒径は0.5〜50μmの範囲に制御することがより好ましい。なお、ＳｉＣ粒子５の平均粒径は連結部４の任意の断面を鏡面仕上げした後、光学顕微鏡（金属顕微鏡）または電子顕微鏡を用いて組織観察を行い、この拡大組織写真を画像処理することにより求めた値とする。
【００２１】
ＳｉＣ粒子５の平均粒径を0.1μm以上0.1mm以下の範囲とするにあたって、骨材として配合した第１のＳｉＣ粒子５ａと反応焼結により生成した第２のＳｉＣ粒子５ｂの形状をそれぞれ制御する。図４は溶融Ｓｉを含浸する前の接着剤層（多孔質層）の状態を示している。炭化ケイ素粉末７は溶融Ｓｉの含浸工程においてもほとんど粒成長しない。炭化ケイ素粉末７に基づく第１のＳｉＣ粒子５ａの粒径が第２のＳｉＣ粒子５ｂより小さいと、均質な複合組織（ＳｉＣ粒子５の隙間に遊離Ｓｉ相６を網目状に連続して存在させた複合組織）が得られにくい。第１のＳｉＣ粒子５ａの粒径が第２のＳｉＣ粒子５ｂより大きすぎても、遊離Ｓｉ相６の大きさが均質でなくなるため、連結部４の強度が低下する。
【００２２】
炭素粉末８や有機樹脂に由来する炭素成分９は、溶融Ｓｉと反応してＳｉＣ（第２のＳｉＣ粒子５ｂ）を生成する際に体積膨張する。従って、第１のＳｉＣ粒子５ａの粒径を考慮した上で、接着剤層中に配合する炭素粉末８の粒径や、有機樹脂に熱処理を施して形成する炭素成分９のサイズを制御することが重要となる。特に、炭素成分９のサイズを制御することが重要となる。第２のＳｉＣ粒子５ｂの粒径が第１のＳｉＣ粒子５ａより大きいと、遊離Ｓｉ相６の分布状態が不均一になる。
【００２３】
有機樹脂に由来する炭素成分９のサイズは、例えば接着剤中に適量の炭化ケイ素粉末７と炭素粉末８とを配合したり、また有機樹脂を炭素化するための熱処理条件を制御することで微細化することができる。接着剤層中に炭化ケイ素粉末７を配合することによって、それらの隙間に有機樹脂を均一かつ微細に存在させることができる。有機樹脂の分布状態は接着剤層中に炭素粉末８を配合することで、さらに均一化および微細化される。
【００２４】
このような有機樹脂に熱処理を施して炭素成分９を形成することによって、炭素成分９のサイズを微細化することができる。さらに、炭素成分９の凝集も抑制することができる。そして、このような炭素成分９と炭素粉末８と炭化ケイ素粉末７とを含む接着剤層に溶融Ｓｉを含浸して反応焼結させることによって、ＳｉＣ粒子５全体の平均粒径を0.1μm以上0.1mm以下の範囲に制御することが可能となる。
【００２５】
ＳｉＣ粒子５の隙間には、遊離Ｓｉ相６が網目状（ネットワーク状）に連続して存在している。遊離Ｓｉ相６は連続したネットワーク構造を有することが重要である。遊離Ｓｉ相６のネットワーク構造が分断されると、チョーキング現象（溶融Ｓｉの供給経路が断たれて炭素の反応が止まる現象）の発生を招き、残留炭素量が増大して連結部４の強度が低下する。言い換えると、ＳｉＣ粒子５の隙間に遊離Ｓｉ相６を連続して存在させることによって、緻密な連結部４を得ることができる。さらに、連結部４の気孔率は5％以下であることが好ましい。連結部４の気孔率が5％を超えると、連結部４ひいてはセラミックス複合部材１の強度のバラツキが大きくなる。
【００２６】
遊離Ｓｉ相６は平均径が0.05μm以上10μm以下の範囲とされている。遊離Ｓｉ相６の平均径はＳｉＣ粒子５間の平均距離に相当する。遊離Ｓｉ相６の平均径は、以下のようにして求めた値を示すものとする。まず、連結部４を有するセラミックス複合部材１を減圧下で1600℃に加熱し、連結部４中に存在する遊離Ｓｉを除去する。遊離Ｓｉ相６の平均径は、この遊離Ｓｉを除去して形成された細孔の径を、水銀圧入法を用いて円柱と仮定して求めた径の平均値を示すものとする。この値は連結部４の微構造を金属顕微鏡やＳＥＭで断面観察した結果と一致する。
【００２７】
遊離Ｓｉ相６の平均径が小さいということは、強度が低い遊離Ｓｉ相６が微細化されていることを意味する。さらに、ＳｉＣ粒子５の隙間に遊離Ｓｉ相６が均質に分布していることを意味する。ＳｉＣ粒子５の隙間は遊離Ｓｉ相６で満遍なく充填されている。遊離Ｓｉ相６の平均径を10μm以下に制御することによって、連結部４やセラミックス複合部材１の強度を再現性よく高めることが可能となる。遊離Ｓｉ相６の平均径が0.05μm未満になると、連続したネットワーク構造を維持することが困難となる。これによって、連結部４に空孔や遊離炭素が生じやすくなり、連結部４の強度にバラツキが生じる。
【００２８】
遊離Ｓｉ相６の平均径は、連結部４の形成源となる接着剤層中の炭化ケイ素粉末７や炭素粉末８の粒径や配合比を適正化することにより制御される。炭化ケイ素粉末７は溶融Ｓｉの含浸工程においてもほとんど粒成長しない。炭化ケイ素粉末７に基づく第１のＳｉＣ粒子５ａの隙間に存在する炭素粉末８や炭素成分９を溶融Ｓｉと反応させることによって、遊離Ｓｉ相６の分布状態が均一化される。さらに、遊離Ｓｉ相６の偏析が抑制される。これらによって、微細でかつ均一な遊離Ｓｉ相６を得ることが可能となる。
【００２９】
ただし、接着剤中に配合する炭化ケイ素粉末７や炭素粉末８の量が多すぎると、接着性や接着強度が低下する。このため、接着剤の主構成材料である有機樹脂に添加する炭化ケイ素粉末７および炭素粉末８の量、さらには炭化ケイ素粉末７および炭素粉末８の粒径を適宜に調整することが好ましい。これらによって、遊離Ｓｉ相６を均一に微細化した上で、遊離Ｓｉ相６の連続したネットワーク構造を安定して保つことが可能となる。
【００３０】
連結部４のＳｉＣ粒子５を有機樹脂に由来する炭素成分９の反応のみで生成した場合、当初の樹脂構造に由来して炭素成分９が凝集しやすい。このため、チョーキング現象の発生を招いたり、遊離Ｓｉ相６が不均一になって平均径が増大する。遊離Ｓｉ相６はＳｉＣ粒子５に比べて強度が劣るため、遊離Ｓｉ相６の偏析は連結部４の強度の低下やバラツキの原因となる。接着剤に炭化ケイ素粉末７や炭素粉末８を配合することで、有機樹脂に由来する炭素成分９の凝集が抑制され、微細化した遊離Ｓｉ相６を得ることができる。
【００３１】
連結部４中の遊離Ｓｉ相６の含有量は5〜85質量％の範囲とすることが好ましい。遊離Ｓｉ相６の含有量が85質量％を超えると、連結部４やセラミックス複合部材１の強度を再現性よく高めることができない。遊離Ｓｉ相６の含有量が5重量％未満であるとネットワーク構造が分断され、気孔や遊離カーボンが発生しやすくなる。この場合も連結部４の強度が低下する。遊離Ｓｉ相６の含有量は5〜75質量％の範囲、さらには10〜50質量％の範囲とすることが好ましい。遊離Ｓｉ相６の含有量は組織観察写真の画像処理結果と連結部４の密度からＳｉおよびＳｉＣの理論密度に基づいて算出することができる。
【００３２】
連結部４の厚さは、平均厚さとして5μm以上5mm以下の範囲とすることが好ましい。平均厚さが5μm未満の連結部４は製造プロセスの点で作製が困難であり、連結部４の形成が不十分な部分が欠陥となって、連結部４ひいてはセラミックス複合部材１の強度や信頼性が低下する。連結部４の平均厚さが5mmを超えると、連結部４が強度の低下要因となり、セラミックス複合部材１の強度や信頼性が低下する。連結部４の平均厚さは均一な状態が得られる範囲内で薄くすることが好ましい。連結部４の平均厚さは1mm以下とすることがより好ましく、さらに好ましくは0.5mm以下である。
【００３３】
連結部４は図５に示すような3層構造を有していることが好ましい。図５に示す連結部４は、第１および第２のセラミックス部材２、３と接する第１および第２の側面層１０、１１と、これらの間に位置する中間層１２とを具備する。中間層１２における遊離Ｓｉ相６の含有量は、第１および第２の側面層１０、１１のそれとは異なる。中間層１２は第１および第２の側面層１０、１１より遊離Ｓｉ相６の含有量が多い。中間層１２は第１および第２の側面層１０、１１より遊離Ｓｉの組成比が10〜85％の範囲内で高いことが好ましい。中央層１２の厚さは3μm以上3mm以下の範囲とすることが好ましい。
【００３４】
第１および第２の側面層１０、１１は、中間層１２より遊離Ｓｉ相６の含有量が少ない。このような側面層１０、１１を有する連結部４によれば、第１および第２のセラミックス部材２、３に対する接合強度をより一層高めることができる。従って、セラミックス複合部材１の信頼性や耐久性をさらに向上させることが可能となる。第１および第２の側面層１０、１１と中間層１２を有する連結部４は、接着剤層に対する熱処理条件等に基づいて、炭素を主体とする多孔質層の構造を制御することにより得ることができる。さらに、第１および第２のセラミックス部材２、３の接着面の表面粗さを大きくすることによっても、側面層１０、１１の密着強度を高めることができる。
【００３５】
この実施形態のセラミックス複合部材１は、第１および第２のセラミックス部材２、３間を連結する連結部４の微構造を制御している。具体的には、連結部４を構成するＳｉＣ粒子５の平均粒径、ＳｉＣ粒子５の隙間に存在する遊離Ｓｉ相６のネットワーク構造および平均径を制御している。これらによって、連結部４の強度を再現性よく高めることができる。連結部４は典型的にはビッカース硬さがHv900〜2200、4点曲げ強度が250〜1400MPaというような特性を有する。連結部４の4点曲げ強度とは、連結部４が中心となるようにして複合部材１の4点曲げ強度を測定した値を示すものである。
【００３６】
上述したような連結部４を有するセラミックス複合部材１は、強度等の機械的特性を再現性よく高めることできるため、高強度が求められる各種部材や部品に適用することが可能となる。特に、大型構造物や複雑形状部品等の高強度化に大きく寄与する。セラミックス複合部材１は、半導体製造装置用治具、半導体関連部品（ヒートシンクやダミーウエハ等）、ガスタービン用高温構造部材、宇宙および航空用構造部材、メカニカルシール部材、ブレーキ用部材、摺動部品、ミラー部品、ポンプ部品、熱交換器部品、化学プラント要素部品等、各種の装置部品や装置部材に適用することができる。特に、高強度が求められる装置部品や部材に好適に用いられるものである。
【００３７】
次に、本発明のセラミックス複合部材の製造方法の実施形態について説明する。本発明のセラミックス複合部材１の製造方法は、複数のセラミックス焼結体を接合する第１の方法と、少なくとも一方が炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含む成形体の段階で接合する第２の方法とに大別される。まず、図６を参照して第１の方法について詳述する。
【００３８】
図６（ａ）に示すように、2個もしくはそれ以上のセラミックス焼結体２１を用意する。これらセラミックス焼結体２１としては、炭化物、窒化物、酸化物、ホウ化物、ケイ化物、およびこれらの複合物から選ばれる同種または異種のセラミックス焼結体が用いられる。セラミックス焼結体２１の具体例は前述した通りである。セラミックス焼結体２１の接着面２１ａには、予めブラスト処理やエッチング処理を施して表面粗さを増大させることが好ましい。これによって、溶融Ｓｉを含浸して形成される連結部４とセラミックス焼結体２１との密着性、さらにはこれらの接合強度を高めることができる。
【００３９】
次に、図６（ｂ）に示すように、2個のセラミックス焼結体２１を炭化ケイ素粉末と有機樹脂とを含有する接着剤２２で接着する。接着剤２２はさらに炭素粉末を含有していてもよい。接着剤２２は接着剤層としてセラミックス焼結体２１間に存在する。接着剤２２の粘着成分となる有機樹脂は、フェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂であることが好ましい。これによって、溶融Ｓｉを含浸する前の接着剤２２の層形状が安定して維持され、さらに接着剤２２中の炭化ケイ素粉末や炭素粉末の充填性や分散性が向上する。
【００４０】
接着剤２２中に含有させる炭化ケイ素粉末は0.1〜100μmの範囲の平均粒径を有することが好ましい。炭化ケイ素粉末の平均粒径が0.1μm未満であると、接着剤２２に熱処理を施して形成した多孔質層（図４）中の炭化ケイ素粉末７、炭素粉末８、炭素成分９の分散状態が不均一になりやすい。これによって、多孔質層に溶融Ｓｉを含浸して形成した連結部４（図３）における第２のＳｉＣ粒子５ｂや遊離Ｓｉ相６の分布状態が不均一になる。炭化ケイ素粉末の平均粒径が100μmを超えると遊離Ｓｉ相６のサイズが大きくなり、連結部４の強度を十分に高めることができないおそれがある。
【００４１】
炭素粉末は0.08〜20μmの範囲の平均粒径を有することが好ましい。炭素粉末の平均粒径が0.08μm未満であると凝集しやすく、連結部４（図３）における第２のＳｉＣ粒子５ｂや遊離Ｓｉ相６の分布状態が不均一になる。炭素粉末の平均粒径が20μmを超えるとチョーキング現象が発生しやすくなり、連結部４の強度が低下するおそれがある。さらに、遊離Ｓｉ相６の平均径が大きくなって、連結部４の強度低下やバラツキを招く。
【００４２】
接着剤２２は炭化ケイ素粉末と炭素粉末および有機樹脂に由来する炭素成分との合計量に対して、炭化ケイ素粉末を5〜80質量％の範囲で含有することが好ましい。炭化ケイ素粉末と炭素粉末および有機樹脂に由来する炭素成分との質量比を、ＳｉＣ：Ｃ＝5〜80：95〜20の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくはＳｉＣ：Ｃ＝10〜70：90〜30の範囲である。炭化ケイ素粉末の比率が5質量％未満であると、連結部４におけるＳｉＣ粒子５や遊離Ｓｉ相６の分布状態が不均一になる。一方、炭化ケイ素粉末の比率が80質量％を超えると連結部４の気孔率が増加し、強度を十分に発現させることができない。このような接着剤２２でセラミックス焼結体２１、２２を接着する。
【００４３】
次いで、図６（Ｃ）に示すように、接着剤層２２に熱処理を施して炭化し、これに基づいて接着剤層２２を多孔質層２３とする。すなわち、有機樹脂を熱分解して炭素化すると共に、接着剤層２２を多孔質化する。多孔質層２３は予備連結部として機能するものである。接着剤層２２を多孔質化するための熱処理は、真空中または不活性ガス雰囲気中にて400〜2000℃の範囲の温度で実施することが好ましい。
【００４４】
多孔質層２３の気孔率は20〜80％の範囲とすることが好ましい。多孔質層２３の気孔率が20％未満であると溶融Ｓｉの供給経路が断たれてチョーキング現象が発生し、連結部４の残留炭素量が増大したり、また炭素から炭化ケイ素を生成する際の体積膨張で割れが発生しやすくなる。多孔質層２３の気孔率が80％を超えると遊離Ｓｉ相の量が増大する。これらはいずれも連結部４の強度の低下要因となる。さらに、気孔率が高すぎると溶融Ｓｉを含浸する前の予備連結部（多孔質層）２３に割れ等が生じやすくなり、セラミックス複合部材１の製造歩留りや強度が低下する。
【００４５】
次に、予備連結部としての多孔質層２３をＳｉの融点以上の温度に加熱し、この加熱状態の多孔質層２３に対して溶融Ｓｉを含浸する。溶融Ｓｉの含浸工程は、予備連結部としての多孔質層２３を例えば1400℃以上の温度に加熱し、真空中または不活性雰囲気中で溶融Ｓｉを含浸する。このような溶融Ｓｉの含浸工程によって、予備連結部としての多孔質層２３を反応焼結させて連結部４を形成する。すなわち、図６（ｄ）に示すように、多孔質層２３を反応焼結させて形成した連結部４で2個のセラミックス焼結体２１を連結することによって、セラミックス複合部材１を作製する。
【００４６】
多孔質層２３内に存在する有機樹脂に由来する炭素成分や炭素粉末は、高温下で溶融Ｓｉと接触して反応し、炭化ケイ素（第２のＳｉＣ粒子５ｂ）を生成する。接着剤２２中に配合した炭化ケイ素粉末は、ほとんど粒成長しないで第１のＳｉＣ粒子５ａとなる。反応焼結により生成された第２のＳｉＣ粒子５ｂは、接着剤２２中に骨材として配合して炭化ケイ素粉末に基づく第１のＳｉＣ粒子５ａより平均粒径が小さい第２のＳｉＣ粒子５ｂとなる。さらに、これら第１および第２のＳｉＣ粒子５ａ、５ｂの隙間には、反応に関与しなかったＳｉが遊離Ｓｉ相６としてネットワーク状に連続して存在する。
【００４７】
上述したような接合工程を適用することによって、平均粒径が0.1μm以上0.1mm以下のＳｉＣ粒子５と、その隙間に網目状に連続して存在し、かつ平均径が0.05μm以上10μm以下の遊離Ｓｉ相とを備えるシリコン−炭化ケイ素複合材料からなる連結部４で、2個のセラミックス焼結体２１間を連結することができる。連結部４を構成するシリコン−炭化ケイ素複合材料は前述したように、第１のＳｉＣ粒子５ａと第２のＳｉＣ粒子５ｂとこれらＳｉＣ粒子５ａ、５ｂの隙間に網目状に連続して存在する遊離Ｓｉ相６とで構成された組織を有するものである。
【００４８】
連結部４はセラミックス焼結体２１への接合強度に優れるだけでなく、それ自体の強度やその再現性に優れる。従って、2個のセラミックス焼結体２１を高強度に接合することができると共に、接合後のセラミックス複合部材１の強度を再現性よく高めることができる。さらに、接合に要するコストを削減することができる。従って、複雑形状や大型のセラミックス部材に好適なセラミックス複合部材１を低コストで高強度化することが可能となる。セラミックス複合部材１は、各種の部品や部材として適用することができる。
【００４９】
次に、第２の連結方法（接合方法）について、図７を参照して詳述する。図７（ａ）に示すように、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含む成形体２４を用意する。成形体２４は2個の被接合部材（セラミックス部材２、３）のそれぞれに適用してもよいし、一方は第１の方法と同様にセラミックス焼結体２１であってもよい。
【００５０】
図７は2個の被接合部材のそれぞれに成形体２４を適用した例を示している。成形体２４は反応焼結によりシリコン−炭化ケイ素複合焼結体となるものである。一方の被接合部材にセラミックス焼結体を適用する場合、その種類は特に限定されるものではない。セラミックス焼結体は炭化ケイ素焼結体やシリコン−炭化ケイ素複合焼結体に限らず、窒化物系や酸化物系等のセラミックス焼結体であってもよい。
【００５１】
成形体２４は例えば以下のようにして作製される。まず、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを所定の比率で混合する。炭化ケイ素粉末と炭素粉末との配合比は、質量比で10：1〜10：10の範囲とすることが好ましい。この範囲より炭素粉末の量が少ないとＳｉＣの生成量が減少して遊離Ｓｉ相のサイズが大きくなり、シリコン−炭化ケイ素複合焼結体の強度が低下するおそれがある。一方、炭素粉末の量が多すぎると反応焼結時の体積膨張量が大きくなり、局部的にクラックが発生しやすくなる。この場合にも、強度が低下するおそれがある。混合粉末には必要に応じて公知の有機バインダを添加してもよい。
【００５２】
次に、炭化ケイ素粉末と炭素粉末との混合粉末を、所望形状の成形体に加圧成形する。加圧成形法としては、粉体加圧成形や圧力鋳込み成形等を適用することができる。粉体加圧成形を適用する場合の圧力は0.5〜2MPaの範囲とすることが好ましい。粉体の加圧成形には金型プレス、ラバープレス、冷間等方圧プレス等が適用される。圧力鋳込み成形を適用する場合には、混合粉末を水または有機溶媒中に分散させてスラリーを作製し、このスラリーを0.5〜10MPaの圧力下で鋳込み成形することが好ましい。このような加圧成形を適用することによって、適度な密度（粉体の充填状態）を有する成形体が得られる。
【００５３】
このようにして、被接合部材として2個の成形体２４を用意する。あるいは、2個の被接合部材の一方として成形体２４を用意する。この場合、他方としてはセラミックス焼結体を用意する。そして、図７（ａ）に示したように、2個の成形体２４（あるいは成形体２４とセラミックス焼結体２１）を、炭化ケイ素粉末と有機樹脂とを含有する接着剤２２、さらに炭素粉末を含有する接着剤２２で接着する。接着剤２２の構成は第１の方法と同様とすることが好ましい。接着面も第１の方法と同様に処理することが好ましい。
【００５４】
接着剤層２２は図７（ｂ）に示すように、第１の方法と同様に熱処理を施して多孔質層２３とする。このようにして、2個の成形体２４を多孔質層２３で仮に繋げた予備連結部材２５を作製する。そして、図７（ｃ）に示すように、予備連結部材２５をＳｉの融点以上の温度に加熱し、この加熱状態の予備連結部材２５全体に溶融Ｓｉを含浸する。一方の被接合部材がセラミックス焼結体である場合には、成形体２４と多孔質層２３に対して溶融Ｓｉを含浸する。溶融Ｓｉの含浸工程は、前述した第１の方法と同様にして実施する。
【００５５】
このような溶融Ｓｉの含浸工程において、2個の成形体２４をそれぞれ反応焼結させてシリコン−炭化ケイ素複合焼結体２６とすると共に、多孔質層２３も反応焼結させて連結部４を形成する。すなわち、図７（ｄ）に示すように、反応焼結させた2個のシリコン−炭化ケイ素複合焼結体２６を、これらと同時に反応焼結させた連結部４で一体化したセラミックス複合部材１を作製する。
【００５６】
成形体２４内に存在する炭素粉末は、高温下で溶融Ｓｉと反応して炭化ケイ素を生成する。同時に、多孔質層２３内に存在する炭素粉末や有機樹脂に由来する炭素成分も、高温下で溶融Ｓｉと反応して炭化ケイ素を生成する。さらに、シリコン−炭化ケイ素複合焼結体２６および連結部４においては、炭化ケイ素粒子間に遊離Ｓｉ相がネットワーク状に連続して存在する構造が得られる。このような連結部４の形成と同時に、2個のシリコン−炭化ケイ素複合焼結体２６が高強度に接合される。
【００５７】
このようにして、平均粒径が0.1μm以上0.1mm以下の範囲のＳｉＣ粒子の隙間に平均径が0.05μm以上10μm以下の遊離Ｓｉ相を網目状に連続して存在させた連結部４で、2個のシリコン−炭化ケイ素複合焼結体２６（あるいはシリコン−炭化ケイ素複合焼結体２６と他のセラミックス焼結体２１）を連結したセラミックス複合部材１が得られる。連結部４は前述したように、接着剤２２に配合された炭化ケイ素粉末に基づく第１のＳｉＣ粒子５ａと、接着剤２２に配合された炭素粉末や有機樹脂に由来する炭素と溶融Ｓｉとを反応させて生成した第２のＳｉＣ粒子５ｂと、これらＳｉＣ粒子５ａ、５ｂの隙間に網目状に連続して存在させた遊離Ｓｉ相６とで構成された組織を有する。
【００５８】
連結部４はシリコン−炭化ケイ素複合焼結体２６に対する接合強度に優れるだけでなく、それ自体の強度やその再現性に優れるものである。さらに、シリコン−炭化ケイ素複合焼結体２６と連結部４との接合強度は、同時に反応焼結させることでより一層向上する。従って、2個のセラミックス部材２、３を高強度に接合することができると共に、接合後のセラミックス複合部材１の強度を再現性よく向上させることが可能となる。さらに、接合に要するコストを削減することができる。従って、複雑形状や大型のセラミックス部材に好適なセラミックス複合部材１を低コストで高強度化することが可能となる。セラミックス複合部材１は、各種の部品や部材として適用することができる。
【実施例】
【００５９】
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。
【００６０】
実施例１
平均粒径が0.5μmの炭化ケイ素粉末と、平均粒径が0.01μmの炭素粉末（カーボンブラック）とを、質量比で10：3（＝ＳｉＣ：Ｃ）となるように混合した。さらに、この混合粉末を適当量の有機バインダと共に混合した後、溶媒中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを圧力鋳込み成形機を用いて成形型内に1MPaの圧力で加圧しながら充填した。このようにして、所定の成形体密度を有する板状成形体を2個作製した。
【００６１】
次に、上記した2個の板状成形体を自然乾燥させた後に接着剤で接着した。接着剤としては、フェノール樹脂に平均粒径が0.1μmの炭化ケイ素粉末と平均粒径が0.08μmの炭素粉末（カーボンブラック）とを添加、混合したものを使用した。炭化ケイ素粉末と炭素粉末およびフェノール樹脂に由来する炭素成分との比率は、ＳｉＣ：Ｃ＝25：75とした。この接着物を不活性ガス雰囲気中にて500℃の温度に加熱・保持し、接着剤層を多孔質層とした。この多孔質層で2個の板状成形体を繋げた予備連結部材を、減圧下または不活性ガス雰囲気中にて1400℃以上の温度に加熱し、この加熱状態を維持した成形体および多孔質層に溶融したシリコンを含浸した。
【００６２】
溶融シリコンの含浸工程において、2個の板状成形体をそれぞれ反応焼結させてＳｉ−ＳｉＣ複合焼結体とすると共に、これらを反応焼結により形成した連結部で連結したセラミックス複合部材を得た。連結部は厚さが約5μm、気孔率が1％未満であった。さらに、連結部の表面を研磨加工した後、微構造を電子顕微鏡で観察した。その結果、連結部はＳｉＣ粒子の隙間に遊離Ｓｉ相が網目状に連続して存在する組織を有していることが確認された。連結部は単層構造であった。ＳｉＣ粒子の平均粒径は0.1μmであった。遊離Ｓｉ相の平均径は0.05μmであり、その含有量（組成比）は10質量％であった。このようなセラミックス複合部材を後述する特性評価に供した。
【００６３】
実施例２
上記した実施例１と同様に作製した2個の成形体を、不活性ガス雰囲気中にて600℃の温度で加熱・保持し、有機バインダを除去（脱脂）した。この脱脂後の成形体を、減圧下または不活性ガス雰囲気中にて1400℃以上の温度に加熱し、この加熱状態を維持した成形体に溶融したシリコンを含浸させた。この溶融シリコンの含浸工程で成形体を反応焼結させることによって、2個のＳｉ−ＳｉＣ複合焼結体を得た。
【００６４】
次いで、2個のＳｉＣ基反応焼結体の接着面にブラスト処理を施した後に接着剤で接着した。接着剤としては、フェノール樹脂に平均粒径が1μmの炭化ケイ素粉末と平均粒径が0.8μmの炭素粉末（カーボンブラック）とを添加、混合したものを使用した。炭化ケイ素粉末と炭素粉末およびフェノール樹脂に由来する炭素成分との比率は、ＳｉＣ：Ｃ＝30：70とした。この接着物を不活性ガス雰囲気中にて500℃の温度に加熱・保持し、接着剤層を多孔質層とした。この多孔質層で2個の焼結体を繋げた予備連結部材を、減圧下または不活性ガス雰囲気中にて1400℃以上の温度に加熱し、この加熱状態を維持した多孔質層に溶融したシリコンを含浸した。
【００６５】
この溶融シリコンの含浸工程において、2個のＳｉ−ＳｉＣ複合焼結体を反応焼結により形成した連結部で連結したセラミックス複合部材を得た。連結部は厚さが約20μm、気孔率が3％であった。さらに、連結部の表面を研磨加工した後、微構造を電子顕微鏡で観察した。その結果、連結部はＳｉＣ粒子の隙間に遊離Ｓｉ相が網目状に連続して存在する組織を有していることが確認された。連結部は単層構造であった。ＳｉＣ粒子の平均粒径は10μmであった。遊離Ｓｉ相の平均径は0.1μmであり、その含有量（組成比）は30質量％であった。このようなセラミックス複合部材を後述する特性評価に供した。
【００６６】
実施例３〜１０
被接合部材としてＳｉ−ＳｉＣ複合焼結体、Ｓｉ−ＳｉＣ複合体用成形体、通常のＳｉＣ焼結体、Ｓｉ3Ｎ4焼結体、ＺｒＯ2焼結体、ＳｉＣ−長繊維複合材料を用意した。これらを表１に示す組合せに基づいて連結してセラミックス複合部材を作製した。連結工程は実施例１、２と同様にして実施した。連結に使用した接着剤の組成は表１に示す通りである。表１に連結部の特性を併せて示す。各セラミックス複合部材の連結部はいずれもＳｉＣ粒子の隙間に遊離Ｓｉ相が網目状に連続して存在する組織を有しており、構造的には単層であった。このような各セラミックス複合部材を後述する特性評価に供した。
【００６７】
比較例１
実施例１と同様に作製した2個の成形体を、シリコンシートを挟んで接着して予備連結部材とした。この予備連結部材に実施例１と同一条件で溶融したシリコンを含浸した。このようにして得たセラミックス複合部材を後述する特性評価に供した。
【００６８】
比較例２
実施例１と同様に作製した2個の成形体を、ポリカルボシランで接着して予備連結部材とした。この予備連結部材に実施例１と同一条件で溶融したシリコンを含浸した。このようにして得たセラミックス複合部材を後述する特性評価に供した。
【００６９】
比較例３
実施例１と同様に作製した2個の成形体を、炭化ケイ素粉末と炭素粉末を溶媒中に分散させたスラリーを用いて接着して予備連結部材とした。この予備連結部材に実施例１と同一条件で溶融したシリコンを含浸した。このようにして得たセラミックス複合部材を後述する特性評価に供した。
【００７０】
【表１】
2008137830.tif 000003
【００７１】
上述した実施例１〜１０および比較例１〜３による各セラミックス複合部材の機械的特性および熱的特性を以下のようにして測定した。まず、連結部を鏡面加工して微構造を観察した試験片を用いて、連結部のビッカース硬さを測定した。その結果を表２に示す。なお、ビッカース硬さは各例の平均値である。
【００７２】
次に、各セラミックス複合部材から幅4mm×厚さ3mm×長さ40mmの曲げ試験片を機械加工により作製した。この際、連結部が試験片の長手方向に対して垂直方向になると共に、連結部が試験片の中央に位置するようにした。このような曲げ試験片を用いて、スパン30mm、ヘッドスピード0.5mm／minの条件下で4点曲げ試験（室温）で行った。その結果を表２に示す。なお、曲げ試験の測定結果は各例の平均値である。
【００７３】
さらに、各セラミックス複合部材から直径10mm×厚さ2mmの熱伝導率測定用試験片を機械加工により作製した。この際、連結部が直径10mmの面と平行になると共に、連結部が試験片の中央に位置するようにした。このような熱伝導率測定用試験片を用いて、ファインセラミックスのレーザフラッシュ法による熱拡散率・比熱容量・熱伝導率試験方法（JIS R 1611）に準拠して、熱伝導率を室温で測定した。これと同時に、各基材の熱伝導率も同様に測定した。これらの結果から、連結部自体の熱伝導率を計算により求めた。その結果を表２に示す。
【００７４】
【表２】
2008137830.tif 000004
【００７５】
表２から明らかなように、実施例１〜１０のセラミックス複合部材は、ビッカース硬さがHV900〜2200、4点曲げ強度が350〜1400MPa、熱伝導率が90〜150W/mKであった。実施例１〜１０のセラミックス複合部材は比較例１〜３と比べて、連結部の機械的特性および熱的特性がいずれも優れていることが分かる。連結部の微構造をＳｉＣ粒子間に遊離Ｓｉ相を網目状に連続して存在させた組織とすると共に、ＳｉＣ粒子の平均粒径を0.1〜100μmの範囲、遊離Ｓｉ相の平均径を0.05〜10μmの範囲とすることによって、優れた強度と熱伝導率を示す連結部を有するセラミックス複合部材が得られる。
【００７６】
実施例１１〜１８
平均粒径が0.5μmの炭化ケイ素粉末と、平均粒径が0.01μmの炭素粉末（カーボンブラック）とを、質量比で10：3（＝ＳｉＣ：Ｃ）となるように混合した。さらに、この混合粉末を適当量の有機バインダと共に混合した後、溶媒中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを圧力鋳込み成形機を用いて成形型内に1MPaの圧力で加圧しながら充填した。このようにして、所定の成形体密度を有する板状成形体を1個作製した。
【００７７】
次に、上記した板状成形体に接合する部材として、Ｓｉ−ＳｉＣ複合焼結体、ＳｉＣ−長繊維複合材料、通常のＳｉＣ焼結体、Ｓｉ3Ｎ4焼結体、ＺｒＯ2焼結体を用意した。これら各被接合部材の接着面にブラスト処理、もしくは薬品によるエッチング処理を施した。各接着面の表面粗さ（Ｒa）は1〜10μmの範囲であった。次いで、表３に示す接着剤を用いて、被接合部材間をそれぞれ接着した。このような接着物を不活性ガス雰囲気中にて100〜700℃の温度に加熱・保持し、接着剤層を多孔質層とした。多孔質層の気孔率は30〜60％であった。
【００７８】
上述した多孔質層で被接合部材間を繋げた予備連結部材を、減圧下または不活性ガス雰囲気中にて1400℃以上の温度に加熱した。この加熱状態を維持した成形体および多孔質層内に溶融したシリコンを含浸した。このようにして得た各セラミックス複合部材の連結部は、いずれもＳｉＣ粒子の隙間に遊離Ｓｉ相が網目状に連続して存在する組織を有していた。連結部はＳｉ相の含有量が異なる積層構造を有していた。このような連結部の特性を表４に示す。さらに、各セラミックス複合部材の機械的特性および熱的特性を実施例１と同様にして測定した。その結果を表５に示す。
【００７９】
【表３】
2008137830.tif 000005
【００８０】
【表４】
2008137830.tif 000006
【００８１】
【表５】
2008137830.tif 000007
【００８２】
表４および表５から明らかなように、連結部をＳｉ組成比が高い中間層を有する積層構造とすると共に、そのときの中間層の厚さとＳｉ組成比を制御することによって、セラミックス複合部材の機械的特性と熱的特性をさらに向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の実施形態によるセラミックス複合部材を示す斜視図である。
【図２】図１に示すセラミックス複合部材の構成を拡大して示す断面図である。
【図３】図１に示すセラミックス複合部材の連結部の微構造を拡大して示す断面図である。
【図４】図３に示す連結部の溶融Ｓｉの含浸工程前の状態を示す断面図である。
【図５】図１に示すセラミックス複合部材の連結部を拡大して示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態によるセラミックス複合部材の要部製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態によるセラミックス複合部材の要部製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８４】
１…セラミックス複合部材、２，３…セラミックス部材、４…連結部、５…ＳｉＣ粒子、５ａ…第１のＳｉＣ粒子、５ｂ…第２のＳｉＣ粒子、６…遊離Ｓｉ相、７…炭化ケイ素粉末、８…炭素粉末、９…有機樹脂に由来する炭素成分、１０，１１…側面層、１２…中間層、２１…セラミックス焼結体、２２…接着剤、２３…多孔質層、２４…成形体、２６…シリコン−炭化ケイ素複合焼結体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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