(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素粉末とカーボン粉末とを有機バインダとともに混合した混合粉末を、スラリーとせず、粉末のまま所定の形状の成形体に加圧成形する工程と、前記成形体を脱脂する工程と、脱脂した前記成形体をシリコンの融点以上の温度に加熱する工程と、前記シリコンの融点以上の温度に加熱されている前記成形体に溶融したシリコンを含浸させる工程とを有するシリコン／炭化ケイ素複合材料の製造方法において、
前記加圧成形する工程で使用する前記混合粉末を、前記炭化ケイ素粉末の平均粒径が０．１μｍから１０μｍ、前記カーボン粉末の平均粒径が０．００５μｍから１μｍであって、前記炭化ケイ素粉末の平均粒径が前記カーボン粉末の平均粒径よりも大きく、かつ、前記炭化ケイ素粉末と前記カーボン粉末の混合比率が重量比で１０：１〜１０の範囲のものとし、
前記加熱する工程では、前記成形体を減圧下又は不活性雰囲気下で１４００℃以上の温度に加熱して、
前記溶融したシリコンを含浸させる工程で前記成形体中に含浸したシリコンの一部を前記成形体中のカーボン粉末と反応させて、前記成形体中に、前記混合粉末における炭化ケイ素粉末の平均粒径よりも小さい平均粒径の炭化ケイ素を形成させ、含浸した残余の未反応のシリコンにより炭化ケイ素結晶粒の隙間に連続したネットワークを形成させることを特徴とする曲げ強度が４００ＭＰａ以上であるシリコン／炭化ケイ素複合材料の製造方法。
【請求項２】
成形体の成形が、前記炭化ケイ素粉末と前記カーボン粉末との混合粉末を造粒した造粒粉末を用いて行われることを特徴とする請求項１記載の曲げ強度が４００ＭＰａ以上であるシリコン／炭化ケイ素複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強度、靭性などの機械的特性が改善された、高い信頼性と耐久性を有するシリコン／炭化ケイ素複合材料に係り、特に、半導体製造治具、半導体関連部品、摺動部品、高温用構造部品、ミラー部品、ポンプ部品等の用途に適したシリコン／炭化ケイ素複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、セラミックス材料は、金属材料に比べて、強度及び靭性等の機械的特性が低いため、信頼性と耐久性の面で問題がある。このようなセラミックス材料を、高信頼性と高耐久性が要求される部品や製品へ適用できるようにするため、高強度化や高靭性化されたセラミックス材料が求められている。このような高強度化、高靭性化されたセラミックス材料としては、炭化ケイ素セラミックスや金属基複合材料（ＭＭＣ：Metal Matrix Composite）が検討されているが、特に半導体製造治具、半導体関連部品、摺動部品、高温用構造部品、ミラー部品、ポンプ部品等の用途に適した機械的特性や耐久性に優れたセラミックス材料の開発が要望されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、既存の炭化ケイ素セラミックスやＭＭＣ材料はいずれも機械的特性や耐久性が十分なものではなく、このため必要な機械的特性や耐久性を持たせるには、部品形状が大きくなってコスト高になるという問題があった。
【０００４】
特に、近年の傾向として機器及びシステム全体のコンパクト化が求められており、この点からも、より一層機械的特性や耐久性に優れた炭化ケイ素セラミックスやＭＭＣ材料の開発が望まれている。
【０００５】
本発明は、かかる従来の課題を解決すべくなされたもので、強度、靭性等の機械的特性や耐久性の改善された、高い信頼性と耐久性を有するシリコン／炭化ケイ素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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係わる曲げ強度が４００ＭＰａ以上であるシリコン／炭化ケイ素複合材料の製造方法は、炭化ケイ素粉末とカーボン粉末とを有機バインダとともに混合した混合粉末を、スラリーとせず、粉末のまま所定の形状の成形体に加圧成形する工程と、前記成形体を脱脂する工程と、脱脂した前記成形体をシリコンの融点以上の温度に加熱する工程と、前記シリコンの融点以上の温度に加熱されている前記成形体に溶融したシリコンを含浸させる工程とを有するシリコン／炭化ケイ素複合材料の製造方法において、前記加圧成形する工程で使用する前記混合粉末を、前記炭化ケイ素粉末の平均粒径が０．１μｍから１０μｍ、前記カーボン粉末の平均粒径が０．００５μｍから１μｍであって、前記炭化ケイ素粉末の平均粒径が前記カーボン粉末の平均粒径よりも大きく、かつ、前記炭化ケイ素粉末と前記カーボン粉末の混合比率が重量比で１０：１〜１０の範囲のものとし、前記加熱する工程では、前記成形体を減圧下又は不活性雰囲気下で１４００℃以上の温度に加熱して、前記溶融したシリコンを含浸させる工程で前記成形体中に含浸したシリコンの一部を前記成形体中のカーボン粉末と反応させて、前記成形体中に、前記混合粉末における炭化ケイ素粉末の平均粒径よりも小さい平均粒径の炭化ケイ素を形成させ、含浸した残余の未反応のシリコンにより炭化ケイ素結晶粒の隙間に連続したネットワークを形成させることを特徴としている。
【０００７】
本発明により得られるシリコン／炭化ケイ素複合材料は、炭化ケイ素結晶の隙間を、シリコンがネットワーク状に連続して存在する気孔のない緻密質の焼結体である。典型的な本発明のシリコン／炭化ケイ素複合材料は、曲げ強度５００ＭＰａ以上で、３ＭＰａ／ｍ1/2 以上の破壊靭性値を有し、機械的特性のバラツキが小さく、高い信頼性と耐久性を有している。
【０００８】
本発明により得られるシリコン／炭化ケイ素複合材料は、好ましくは、シリコン／炭化ケイ素複合材料を構成する炭化ケイ素が通常２種類の結晶粒径分布を有している。より高い機械的特性をもつシリコン／炭化ケイ素複合材料を得るためには、結晶粒径分布の大きい方の炭化ケイ素の平均結晶粒径が、０．１μｍから１０μｍ、好ましくは０．１μｍから５μｍ、小さい方の炭化ケイ素の平均結晶粒径が０．０１μｍから１μｍであることが望ましい。結晶粒径分布の大きい方の炭化ケイ素結晶粒は、通常、出発原料の炭化ケイ素であり、製造過程において殆ど結晶成長が認められない。結晶粒径分布の大きい方の炭化ケイ素、すなわち出発原料の炭化ケイ素の平均粒径が０．０５μｍ未満、通常は０．１μｍ未満であると製造プロセスにおいて粒子が凝集しやすくなり、均質な組織が容易に得られにくくなる
傾向が見られる。また、結晶粒径分布の大きい方の炭化ケイ素の平均粒径が３０μｍ、通常は２０μｍを越えると、他の条件によっては１０μｍを越えると機械的特性である強度、靭性が十分に発現しない傾向が見られる。小さい方の炭化ケイ素は、一般に、製造過程において、出発原料のカーボン粉末とシリコンとが反応して形成されたものである。
【０００９】
カーボン粉末は、通常、出発原料の炭化ケイ素に付着した状態で原料混合物中に分散しているため、平均粒径の小さい方の炭化ケイ素は、平均粒径の大きい炭化ケイ素の付近から成長し、平均粒径の大きい炭化ケイ素に接触したような状態でシリコン／炭化ケイ素複合材料中に存在する。
【００１０】
本発明のシリコン／炭化ケイ素複合材料を構成する炭化ケイ素は、通常、１種類または２種類の結晶相を有している。炭化ケイ素が２種類の結晶粒径分布を有する場合には、通常、大きい方の炭化ケイ素の結晶相がα相またはβ相であり、小さい方の炭化ケイ素の結晶相がβ相である。その理由は、出発原料の炭化ケイ素はα相とβ相とのものがあるのに対して、カーボン粉末と溶融シリコンとの反応ではβ相の炭化ケイ素しか生成しないためである。本発明においては、このカーボン粉末と溶融シリコンとの反応により生成したβ相の炭化ケイ素の存在より、気孔のない均質な焼結体が得られ、機械的特性にバラツキの小さい、高い信頼性と耐久性を有する材料が得られる。
【００１１】
本発明のシリコン／炭化ケイ素複合材料においてネットワークを形成しているシリコンの含有量は、通常、５重量％から５０重量％であり、好ましくは５重量％から３０重量％である。シリコンの含有量が５０重量％を超えると十分な機械的特性が得られない傾向が見られ、逆にシリコンの含有量が５重量％未満であると、シリコンがネットワークを形成できない可能性が高くなり、製造プロセス上、均質な組織の材料が得にくくなる。なお、前述した範囲内においては、分散粒子の含有量が多いほど、機械的特性である強度および靭性が向上する傾向が見られ、より高い信頼性と耐久性を有する材料が得られる。
【００１２】
また、本発明のシリコン／炭化ケイ素複合材料において、ネットワークを形成しているシリコンを除去して求めた細孔の比表面積は、好ましくは０．１平方ｍ／ｇから１０平方ｍ／ｇであり、より好ましくは０．１平方ｍ／ｇから６平方ｍ／ｇである。ネットワークを形成しているシリコンを除去して求めた細孔の比表面積は、シリコンと炭化ケイ素間の粒界面積に相当する。上記範囲内にシリコンと炭化ケイ素の粒界面積を調整した場合、シリコンが炭化ケイ素結晶粒の隙間に満遍なく充填され、したがって、カーボン粉末と溶融シリコンの反応も均一に行われて、機械的特性にすぐれた、高い信頼性と耐久性をもつ材料が得られる。
【００１３】
さらにまた、本発明のシリコン／炭化ケイ素複合材料において、ネットワークを形成しているシリコンを除去して求めた平均細孔径は、好ましくは０．０３μｍから３μｍ、より好ましくは０．０３μｍから２μｍである。この平均細孔径が、３μｍを超えると、曲げ強度が５００ＭＰａを下回るものが発現するようになり、逆に、平均細孔径が０．０３μｍを下回ると、製造プロセス上、シリコンをネットワーク状に連続して存在させることが難しくなって、機械的特性のバラツキが見られるようになる。
【００１４】
なお、このシリコンを除去して求めた平均細孔径は、シリコン／炭化ケイ素複合材料を、減圧下１６００℃で加熱して含有するシリコンを除去し、水銀圧入法を用いて細孔を円柱と仮定したときの径を求めたものである。この平均細孔径は炭化ケイ素粒子間の平均距離に相当する。
【００１５】
このシリコンを除去して求めた平均細孔径が３μｍ以下である場合、炭化ケイ素が均質分散され、安定して高強度・高靭性を示す材料が得られる。
【００１６】
本発明のシリコン／炭化ケイ素複合材料は、炭化ケイ素とカーボンからなる成形体に、溶かしたシリコンを溶浸することにより製造される。
【００１７】
上記の炭化ケイ素としては、平均粒径０．１μｍから１５μｍ、好ましくは０．１μｍから１０μｍ、より好ましくは平均粒径０．１μｍから５μｍの範囲のものである。また、カーボン粉末として平均粒径０．０１μｍから１μｍのものが好ましい。
【００１８】
炭化ケイ素とカーボンの配合比は、重量比で１０：１〜１０（１０：１〜１０：１０）が好ましく、１０：３〜５（１０：３〜１０：５）の範囲がより好ましい。１０：３〜５の範囲に入る場合、製造プロセス上大きな形状のものまで、安定して高強度、高靭性を示す材料が得られる。
【００１９】
炭化ケイ素とカーボンには、必要に応じて公知の有機バインダの適当量を添加してもよい。
【００２０】
成形体は、炭化ケイ素とカーボンの混合粉末をそのまま加圧成形することにより得られる。
【００２１】
加圧成形の場合の成形圧力は、０．５ＭＰａから２ＭＰａの範囲が望ましい。
【００２２】
本発明に係るシリコン／炭化ケイ素複合材料は、炭化ケイ素とカーボンからなる成形体の組成と、成形体の密度を調整することによって、上述した構造をもたせることが可能となる。
【００２３】
本発明に係るシリコン／炭化ケイ素複合材料は、例えば、平均粒径０．１μｍから１０μｍ炭化ケイ素と平均粒径０．００５μｍから１μｍのカーボン粉末との混合粉末を、所定の形状の成形体に加圧成形する工程と、前記成形体をシリコンの融点以上の温度に加熱する工程と、前記シリコンの融点以上の温度に加熱されている前記成形体に溶融したシリコンを含浸させる工程とからなる方法により製造される。上記の炭化ケイ素とカーボンの混合比率は、重量比で１０：１〜１０であることが望ましい。成形体は、炭化ケイ素とカーボン粉末との混合粉末を０．５ＭＰａから２ＭＰａの加圧下でプレス成形やＣＩＰ成形などの加圧成形することによっても成形することができる。成形体へのシリコンの含浸は、成形体を脱脂した後、減圧下又は不活性雰囲気下で成形体をシリコンの融点以上、例えば１４００℃以上に加熱し、この加熱した成形体に溶融したシリコンを含浸させることにより行われる。成形体の大きさにもよるが、溶融シリコンの成形体への含浸は迅速に（秒の単位）行われ、次いで溶融シリコンとカーボン粉末との反応も迅速に（分の単位）で行われる。なお、炭化ケイ素のみからなる成形体にシリコンを溶浸したのでは、上記のような優れた機械的特性を持つシリコン／炭化ケイ素複合材料は得られない。本発明のシリコン／炭化ケイ素複合材料は、炭化ケイ素とカーボンからなる成形体中に溶融したシリコンを含浸させ、成形体中のカーボンと含浸したシリコンを反応させて、出発原料の炭化ケイ素の表面にこれとは別の平均粒径の小さい炭化ケイ素を形成させたものである。このように、出発原料の炭化ケイ素の粒子間に、溶融シリコンとカーボン粉末との反応により形成された炭化ケイ素とシリコン相とを存在させることによって、優れた機械的特性と、高い信頼性と耐久性を有するシリコン／炭化ケイ素複合材料が得られる。上記の方法では、炭化ケイ素とカーボンからなる成形体を加圧成形したのちにシリコンを溶浸するため、緻密な材料が得られ、溶浸・焼結時に材料の収縮がない。また、ネットあるいはニヤネットで大型かつ複雑形状の製品を、短時間・低コストプロセスで製作することができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上の実施例からも明らかなように、本発明に係るシリコン／炭化ケイ素複合材料は、原料の炭化ケイ素結晶粒の隙間に、カーボン粉末と溶融シリコンとの反応によって生成した炭化ケイ素が存在し、かつこれらの炭化ケイ素のシリコンがネットワーク状に連続して存在するため、優れた曲げ強度を有し、高い信頼性と耐久性が要求される用途に好適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。  
図１は、本発明に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料を製造する過程を模式的に示す拡大断面図、図２は本発明に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料の組織を模式的に示す拡大断面図である。
【００２６】
本発明のシリコン／炭化ケイ素複合材料１は、図１に示すように、炭化ケイ素３とカーボン粉末４を加圧下に所定の形状に成形してなる成形体２を高温に加熱し、この高温の成形体２に溶融したシリコン５を含浸させて製作される。
【００２７】
成形体中のカーボン粉末４は、高温下で溶融シリコン５と接触して反応し、出発原料の炭化ケイ素３より平均粒径の小さい炭化ケイ素６を生成する。この反応過程で出発原料の炭化ケイ素３は殆ど粒成長をしない。このため、本発明のシリコン／炭化ケイ素複合材料は、一般に、相対的に平均粒径の大きい出発原料の炭化ケイ素３と、相対的に平均粒径の小さいカーボン粉末と溶融シリコンとの反応により生成した炭化ケイ素６と、これら炭化ケイ素３，６の間隙にマトリックス状に充填された遊離シリコン７とから構成されている。
【００４０】
［実施例1］
平均粒径０．２μｍの炭化ケイ素粉末（β−ＳｉＣ）と平均粒径０．０１μｍのカーボン粉末（カーボンブラック）とを、所定の有機バインダとともに炭化ケイ素／カーボン粉末＝１０／２の混合比率（重量）で混合して造粒粉末を作製した。次に、成形機を用いて、上記粉末を成形型に充填し、２ＭＰａの圧力で加圧して、所定の成形体密度の成形体を作製した。この成形体を、不活性ガス雰囲気中６００℃の温度で加熱・保持し、有機バインダを脱脂した後に、減圧下または不活性ガス雰囲気中において１４００℃以上の温度に加熱し、成形体に溶融したシリコンを含浸・焼結させた。得られた焼結体は、表面研磨加工を実施して、実施例1に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料を作製した。
【００４１】
得られたシリコン／炭化ケイ素複合材料は、鏡面仕上げ後電子顕微鏡を用いて組織観察を行い、観察写真画像処理により炭化ケイ素の結晶粒径を測定し、平均粒径を算出した。また、微小領域でのＸ線回折法により炭化ケイ素の結晶相の同定を行った。材料組成比は、組織観察写真による画像処理法、及び焼結体密度からシリコン、炭化ケイ素の理論密度から算出する方法により求めた。シリコンと炭化ケイ素の粒界面積は、シリコン／炭化ケイ素複合材料を減圧下１６００℃に加熱し、シリコンを除去した後、水銀圧入法により比表面積を測定し、これを粒界面積とした。また、このとき同時に測定される細孔径の平均値を、シリコンを円柱と見なした時の平均径とした。
【００４２】
実施例1に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料は、炭化ケイ素が２種類の結晶粒径分布を有しており、大きい方の炭化ケイ素の平均結晶粒径が０．２μｍ、小さい方の炭化ケイ素の平均結晶粒径が０．０２μｍであり、大きい方の炭化ケイ素の結晶相はβ相、小さい方の炭化ケイ素の結晶相もβ相であった。また、ネットワークを形成しているシリコンの含有量が３６重量％であり、シリコンと炭化ケイ素の粒界面積が２平方ｍ／ｇであり、シリコンを円柱と見なしたときの平均径が０．８μｍである。
【００４３】
得られたシリコン／炭化ケイ素複合材料から、幅４ｍｍ、厚み３ｍｍ、長さ４０ｍｍの曲げ試験片を加工し、スパン３０ｍｍ、ヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎの条件で３点曲げ試験を室温で行った。次に、ＩＦ法を用いて、シリコン／炭化ケイ素複合材料の破壊靭性値を測定した。実施例１に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料は、曲げ強度９００ＭＰａ、破壊靭性値３．２ＭＰａ／ｍ1/2 であった。
【００４４】
［実施例２］
平均粒径５μｍの炭化ケイ素粉末（β−ＳｉＣ）と平均粒径０．５μｍのカーボン粉末（カーボンブラック）とを、所定の有機バインダとともに炭化ケイ素／カーボン粉末＝１０／３の混合比率（重量）で混合して造粒粉末を作製した。次に、プレス成形機を用いて、上記粉末を成形型に充填し、１ＭＰａの圧力で加圧して、所定の成形体密度の成形体を作製した。不活性ガス雰囲気中６００℃の温度で加熱・保持し、有機バインダを脱脂した後に、減圧下または不活性ガス雰囲気中において１４００℃以上の温度に加熱し、成形体に溶融したシリコンを含浸・焼結させた。得られた焼結体は、表面研磨加工を実施して、実施例２に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料を作製した。
【００４５】
得られたシリコン／炭化ケイ素複合材料は、鏡面仕上げ後電子顕微鏡を用いて組織観察を行い、観察写真画像処理により炭化ケイ素の結晶粒径を測定し、平均粒径を算出した。また、微小領域でのＸ線回折法により炭化ケイ素の結晶相の同定を行った。材料組成比は、組織観察写真による画像処理法、及び焼結体密度からシリコン、炭化ケイ素の理論密度から算出する方法により求めた。シリコンと炭化ケイ素の粒界面積は、シリコン／炭化ケイ素複合材料を減圧下１６００℃に加熱し、シリコンを除去した後、水銀圧入法により比表面積を測定し、これを粒界面積とした。また、このとき同時に測定される細孔径の平均値を、シリコンを円柱と見なした時の平均径とした。
【００４６】
実施例２に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料は、炭化ケイ素が２種類の結晶粒径分布を有しており、大きい方の炭化ケイ素の平均結晶粒径が８μｍ、小さい方の炭化ケイ素の平均結晶粒径が０．８μｍであり、大きい方の炭化ケイ素の結晶相はβ相、小さい方の炭化ケイ素の結晶相もβ相であった。また、ネットワークを形成しているシリコンの含有量が２４重量％であり、シリコンと炭化ケイ素の粒界面積が０．３平方ｍ／ｇであり、シリコンを円柱と見なしたときの平均径が１．５μｍである。
【００４７】
得られたシリコン／炭化ケイ素複合材料から、幅４ｍｍ、厚み３ｍｍ、長さ４０ｍｍの曲げ試験片を加工し、スパン３０ｍｍ、ヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎの条件で３点曲げ試験を室温で行った。次に、ＩＦ法を用いて、シリコン／炭化ケイ素複合材料の破壊靭性値を測定した。実施例２に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料は、曲げ強度７００ＭＰａ、破壊靭性値３．４ＭＰａ／ｍ1/2 であった。
【００５８】
［実施例３］
平均粒径５μｍの炭化ケイ素粉末（β−ＳｉＣ）と平均粒径２μｍのカーボン粉末（黒鉛粉末）とを、所定の有機バインダとともに炭化ケイ素／カーボン粉末＝１０／８の混合比率（重量）で混合して造粒粉末を作製した。次に、プレス成形機を用いて、上記粉末を成形型に充填し、２ＭＰａの圧力で加圧して、所定の成形体密度の成形体を作製した。不活性ガス雰囲気中６００℃の温度で加熱・保持し、有機バインダを脱脂した後に、減圧下または不活性ガス雰囲気中において１４００℃以上の温度に加熱し、成形体に溶融したシリコンを含浸・焼結させた。得られた焼結体は、表面研磨加工を実施して、実施例３に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料を作製した。
【００５９】
得られたシリコン／炭化ケイ素複合材料は、鏡面仕上げ後電子顕微鏡を用いて組織観察を行い、観察写真画像処理により炭化ケイ素の結晶粒径を測定し、平均粒径を算出した。また、微小領域でのＸ線回折法により炭化ケイ素の結晶相の同定を実施した。材料組成比は、組織観察写真による画像処理法及び焼結体密度からシリコン、炭化ケイ素の理論密度から算出する方法により求めた。シリコンと炭化ケイ素の粒界面積は、シリコン／炭化ケイ素複合材料を減圧下１６００℃に加熱し、シリコンを除去した後、水銀圧入法により比表面積を測定し、これを粒界面積とした。また、このとき同時に測定される細孔径の平均値を、シリコンを円柱と見なした時の平均径とした。
【００６０】
実施例３に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料は、炭化ケイ素が２種類の結晶粒径分布を有しており、大きい方の炭化ケイ素の平均結晶粒径が５μｍ、小さい方の炭化ケイ素の平均結晶粒径が３μｍであり、大きい方の炭化ケイ素の結晶相はβ相、小さい方の炭化ケイ素の結晶相もβ相であった。また、ネットワークを形成しているシリコンの含有量が８重量％であり、シリコンと炭化ケイ素の粒界面積が単位重量あたり、０．２平方ｍであり、シリコンを円柱と見なしたときの平均径が５μｍである。
【００６１】
得られたシリコン／炭化ケイ素複合材料から、幅４ｍｍ、厚み３ｍｍ、長さ４０ｍｍの曲げ試験片を加工し、スパン３０ｍｍ、ヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎの条件で３点曲げ試験を室温で実施した。次に、ＩＦ法を用いて、シリコン／炭化ケイ素複合材料の破壊靭性値を測定した。実施例３に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料は、曲げ強度４００ＭＰａ、破壊靭性値３．０ＭＰａ／ｍ1/2 であった。
【００７０】
［実施例４］
平均粒径１μｍの炭化ケイ素粉末（α−ＳｉＣ）と平均粒径０．０７μｍのカーボン粉末（カーボンブラック）とを、所定の有機バインダとともに炭化ケイ素／カーボン粉末＝１０／１の混合比率（重量）で混合して造粒粉末を作製した。次に、プレス成形機を用いて、上記粉末を成形型に充填し、０．５ＭＰａの圧力で加圧して、所定の成形体密度の成形体を作製した。不活性ガス雰囲気中６００℃の温度で加熱・保持し、成形助剤を脱脂した後に、減圧下または不活性ガス雰囲気中において１４００℃以上の温度に加熱し、成形体に溶融したシリコンを含浸・焼結させた。得られた焼結体は、表面研磨加工を実施して、実施例４に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料を作製した。
【００７１】
得られたシリコン／炭化ケイ素複合材料は、鏡面仕上げ後電子顕微鏡を用いて組織観察を行い、観察写真画像処理により炭化ケイ素の結晶粒径を測定し、平均粒径を算出した。また、微小領域でのＸ線回折法により炭化ケイ素の結晶相の同定を実施した。材料組成比は、組織観察写真による画像処理法及び焼結体密度からシリコン、炭化ケイ素の理論密度から算出する方法により求めた。シリコンと炭化ケイ素の粒界面積は、シリコン／炭化ケイ素複合材料を減圧下１６００℃に加熱し、シリコンを除去した後、水銀圧入法により比表面積を測定し、これを粒界面積とした。また、このとき同時に測定される細孔径の平均値を、シリコンを円柱と見なした時の平均径とした。
【００７２】
実施例４に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料は、炭化ケイ素が２種類の結晶粒径分布を有しており、大きい方の炭化ケイ素の平均結晶粒径が１μｍ、小さい方の炭化ケイ素の平均結晶粒径が０．１μｍであり、大きい方の炭化ケイ素の結晶相はβ相、小さい方の炭化ケイ素の結晶相はβ相であった。また、ネットワークを形成しているシリコンの含有量が５５重量％であり、シリコンと炭化ケイ素の粒界面積が単位重量あたり、０．０８平方ｍであり、シリコンを円柱と見なしたときの平均径が５μｍである。
【００７３】
得られたシリコン／炭化ケイ素複合材料から、幅４ｍｍ、厚み３ｍｍ、長さ４０ｍｍの曲げ試験片を加工し、スパン３０ｍｍ、ヘッドスピード速度０．５ｍｍ／ｍｉｎの条件で３点曲げ試験を室温で実施した。次に、ＩＦ法（インデンテーション・フラクチャー法、圧子圧入法）を用いて、シリコン／炭化ケイ素複合材料の破壊靭性値を測定した。実施例１１に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料は、曲げ強度４００ＭＰａ、破壊靭性値２．０ＭＰａ／ｍ1/2 であった。
【００７４】
［比較例１］
平均粒径３０μｍの炭化ケイ素粉末（α−ＳｉＣ）と平均粒径０．０７μｍのカーボン粉末（カーボンブラック）とを、所定の有機バインダとともに炭化ケイ素／カーボン粉末＝１０／１の混合比率（重量）で混合して造粒粉末を作製した。次に、プレス成形機を用いて、上記粉末を成形型に充填し、０．５ＭＰａの圧力で加圧して、所定の成形体密度の成形体を作製した。この成形体を、不活性ガス雰囲気中６００℃の温度で加熱・保持し、有機バインダを脱脂した後に、減圧下または不活性ガス雰囲気中において１４００℃以上の温度に加熱し、この成形体に溶融したシリコンを含浸・焼結させた。得られた焼結体は、表面研磨加工を実施して、比較例１に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料を作製した。
【００７５】
得られたシリコン／炭化ケイ素複合材料は、鏡面仕上げ後電子顕微鏡を用いて組織観察を行い、観察写真画像処理により炭化ケイ素の結晶粒径を測定し、平均粒径を算出した。また、微小領域でのＸ線回折法により炭化ケイ素の結晶相の同定を行った。材料組成比は、組織観察写真による画像処理法及び焼結体密度から求めたシリコン、炭化ケイ素の理論密度から算出して求めた。シリコンと炭化ケイ素の粒界面積は、シリコン／炭化ケイ素複合材料を減圧下１６００℃に加熱し、シリコンを除去した後、水銀圧入法により比表面積を測定し、これを粒界面積とした。また、このとき同時に測定される細孔径の平均値を、シリコンを円柱と見なした時の平均径とした。
【００７６】
比較例１に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料は、炭化ケイ素が２種類の結晶粒径分布を有しており、大きい方の炭化ケイ素の平均結晶粒径が３０μｍ、小さい方の炭化ケイ素の平均結晶粒径が０．１μｍであり、大きい方の炭化ケイ素の結晶相はα相、小さい方の炭化ケイ素の結晶相はβ相であった。また、ネットワークを形成しているシリコンの含有量は４５重量％であり、シリコンと炭化ケイ素の粒界面積が０．０１平方ｍ／ｇであり、シリコンを円柱と見なしたときの平均径は１０μｍであった。
【００７７】
得られたシリコン／炭化ケイ素複合材料から、幅４ｍｍ、厚み３ｍｍ、長さ４０ｍｍの曲げ試験片を加工し、スパン３０ｍｍ、ヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎの条件で３点曲げ試験を室温で行った。次に、ＩＦ法（インデンテーション・フラクチャー法、圧子圧入法）を用いて、シリコン／炭化ケイ素複合材料の破壊靭性値を測定した。実施例１に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料は、曲げ強度２００ＭＰａ、破壊靭性値１．６ＭＰａ／ｍ1/2 であった。
【００７８】
表１に、実施例１乃至実施例４及び比較例１のシリコン／炭化ケイ素複合材料の組織と機械的特性をまとめて示す。
【００７９】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明に係るシリコン／炭化ケイ素複合材料は、半導体製造治具、半導体関連部品（ヒートシンク、ダミーウエハ）、ガスタービン高温構造部材、宇宙及び航空用構造部材、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、ポンプ部品等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料を製造する過程を模式的に示す拡大断面図である。
【図２】本発明に係わるシリコン／炭化ケイ素複合材料の組織を模式的に示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００８２】
１……シリコン／炭化ケイ素複合材料、２……炭化ケイ素とカーボン粉末からなる成形体、３……出発原料の炭化ケイ素、４……カーボン粉末、５……溶融したシリコン、６……カーボン粉末と溶融シリコンの反応により生成した炭化ケイ素、７……遊離シリコン。
【図１】
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【図２】
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