(57)【要約】【課題】より嵩密度の高いセラミックス成形体を製造することができるセラミックス成形体の製造方法を提供する。【解決手段】セラミックス粉末及び熱硬化性樹脂系のバインダ、又はさらに炭素粉末を混合して得られる混合物（試料２１）を、成形型２２に充填し、熱プレス機２３によりバインダの硬化開始温度以上まで昇温させながら加圧成形することによりセラミックス成形体（プリフォーム２５）を製造するに際し、混合物の昇温過程で、混合物の温度を一旦、全体的にバインダの融点以上かつ硬化開始温度未満の温度とし、その後バインダの硬化開始温度以上まで昇温させながら加圧成形する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス粉末及び熱硬化性樹脂系のバインダ、又はさらに炭素粉末を混合して得られる混合物を、該バインダの硬化開始温度以上まで昇温させながら加圧成形するセラミックス成形体の製造方法において、前記混合物の昇温に際し、該混合物の温度を一旦、全体的に前記バインダの融点以上かつ硬化開始温度未満の温度とすることを特徴とするセラミックス成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス粉末に熱硬化性樹脂系のバインダ等を添加した混合物を昇温させながら加圧成形するセラミックス成形体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶製造装置や半導体製造装置におけるステージやチャック等の構成部材として、軽量で剛性の高いＳｉＣ−Ｓｉ（炭化ケイ素−シリコン）複合材が好ましく用いられている。ＳｉＣ−Ｓｉ複合材は、所定のセラミックスプリフォームから得られるＳｉＣ多孔体にＳｉを含浸させることによって得ることができる。
【０００３】
上記セラミックスプリフォームは、従来、ＳｉＣ粉末に熱硬化性樹脂系のバインダを添加し、又はさらに炭素粉末を加えた混合物を成形することによって得ることができる（たとえば、特許文献１参照）。混合物の成形には、混合物を加熱してバインダを熱硬化させながら加圧成形する熱プレス法が用いられる。その際、混合物は、バインダの硬化開始温度以上まで加熱される。
【０００４】
上述のＳｉＣ−Ｓｉ複合体を得るためには、まず、このようなセラミックスプリフォームを加熱処理してバインダを炭化させ、ＳｉＣとカーボンの多孔質複合体とする。そして、この多孔質複合体にＳｉを含浸させることにより、ＳｉＣ−Ｓｉ複合体を得ることができる。
【０００５】
このようなＳｉＣ−Ｓｉ複合体に要求される性質は、基本的には剛性の高さ、充填率（嵩密度）の高さである。したがって、ＳｉＣ−Ｓｉ複合体の製造に使用されるセラミックスプリフォームとしても、ＳｉＣの充填率の高いものが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３３６０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述従来の熱プレス法によるセラミックスプリフォームの成形方法によれば、小型のセラミックスプリフォームを成形する場合には問題はないが、厚さが１０ｍｍ以上のものを成形する場合には、成形されたセラミックスプリフォームの嵩密度が、小型品に比較して低下するという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、より嵩密度の高いセラミックス成形体を製造することができるセラミックス成形体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】
【０００９】
本発明者らは、この目的を達成すべく鋭意研究した結果、セラミックス粉末及び熱硬化性樹脂系のバインダを含む混合物を昇温させながら加圧成形してセラミックス成形体を製造する際に、従来は、混合物を充填した成形型を、バインダの硬化開始温度以上まで直線的に昇温させるようにしていたため、厚いセラミックス成形体を製造する場合には、混合物内部のバインダが溶融する前に表面のバインダが硬化して内部に圧力が伝わらなくなり、セラミックス成形体の嵩密度を十分高めることができていないとの知見を得、本発明をなすに至った。
【００１０】
すなわち、本発明のセラミックス成形体の製造方法は、セラミックス粉末及び熱硬化性樹脂系のバインダ、又はさらに炭素粉末を混合して得られる混合物を、該バインダの硬化開始温度以上まで昇温させながら加圧成形するセラミックス成形体の製造方法において、前記混合物の昇温に際し、該混合物の温度を一旦、全体的に前記バインダの融点以上かつ硬化開始温度未満の温度とすることを特徴とする。
【００１１】
この構成において、混合物の温度が、全体的にバインダの融点以上でかつ硬化開始温度未満の温度とされたとき、バインダの融解が混合物全体で生じる。このとき、並行して行われる加圧による圧力が混合物全体に伝達し、全体的に溶融状態となっているバインダが潤滑剤の役割を果たすので、セラミックス粉末が効率良く充填される。したがって、本発明によれば、厚いセラミックス成形体を製造する場合でも、セラミックス成形体の嵩密度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に従ってセラミックス成形体が製造される様子を示す模式図である。
【図２】従来法によりセラミックス成形体が製造される様子を示す模式図である。
【図３】セラミックス成形体の嵩密度について評価を行うための試験片を作製する方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明のセラミック成形体の製造方法においては、セラミックス粉末及び熱硬化性樹脂系のバインダ、又はこれらに炭素粉末を混合して得られた混合物が用いられる。
【００１４】
セラミックス粉末としては、たとえばＳｉＣ粉末、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）粉末、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）粉末、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）粉末等を用いることができる。セラミックス粉末は、加圧したときに充填率が極力高くなるように粒度配合されたものが好ましい。
【００１５】
熱硬化性樹脂系のバインダとしては、たとえばフェノール樹脂やエポキシ樹脂が用いられる。バインダの添加量は、セラミックス粉末をタップした際に生じる空隙の容積の３０〜１００ｖｏｌ％が好ましい。３０ｖｏｌ％未満では、バインダ量が不足し、セラミックス粉末の流動性が低くなるので、セラミックス粉末を十分に充填することはできない。
【００１６】
また、バインダの添加量が１００ｖｏｌ％を超える場合には、セラミックス粉末の初期充填が良好に行われないため、得られるセラミックス成形体の嵩密度が低下する。さらにこの場合、セラミックス成形体の開気孔率が低下するので、硬化時にバインダの縮重合反応により発生する縮重合水の抜け道が減少する。このため、得られたセラミックス成形体について脱バインダ処理を行うに際し、セラミックス成形体中の縮重合水が急激に体積膨張することによってクラックが生じるおそれがある。
【００１７】
セラミックス粉末及びバインダ、又はこれらに炭素粉末を加えたものの混合は、ボールミル等を用いて行うことができる。
【００１８】
本発明においては、上述の混合物を、バインダの硬化開始温度以上まで昇温させながら加圧成形することにより、セラミックス成形体が製造される。その昇温に際し、混合物の温度が一旦、全体的にバインダの融点以上かつ硬化開始温度未満の温度とされる。
【００１９】
このとき、混合物内の温度の分布は、加熱箇所、加熱速度、混合物の寸法等の可変要素に左右されるので、混合物の温度を一旦、全体的にバインダの融点以上かつ硬化開始温度未満の温度となるようにするためには、これらの可変要素を調整する必要がある。単に、バインダの融点近傍に達したときに、加熱速度を遅くするだけでもよい。
【００２０】
このように、混合物の温度を一旦、全体的にバインダの融点以上かつ硬化開始温度未満の温度とすることにより、バインダが一旦、混合物の全体にわたって溶融状態となる。これにより、溶融状態のバインダが、混合物の全体にわたって支障なく潤滑剤としての役割を果たす。この結果、セラミックス粉末が効率よく充填されることになる。したがってその後、バインダの硬化開始温度以上まで昇温させ、所定時間保持することにより、従来よりも高密度のセラミックス成形体を得ることができる。
【００２１】
図１は、本発明の方法に従って比較的厚みのあるセラミックス成形体を製造する様子を示す。図２は、従来法により同様のセラミックス成形体を製造する様子を示す。これらの図に示すように、本発明の方法及び従来法のいずれの場合においても、セラミックス粉末に熱硬化性樹脂系のバインダを添加し、又はさらに炭素粉末を加えた混合物２１を成形型２２に充填し、熱プレス機２３で混合物２１を加圧しながら加熱することにより、セラミックス成形体が製造される。
【００２２】
しかし、従来法の場合には、混合物２１を加圧しながらバインダの硬化開始温度以上まで、昇温速度を緩めることなく直線的に昇温させることによってセラミックス成形体２４を得るようにしている。このため、混合物２１内部のバインダが溶融する前に、混合物２１の表面近傍部分のバインダが硬化し始める。
【００２３】
すなわち、その後、バインダの熔融が進み、図２（ａ）のように、混合物２１の内部がバインダの熔融した部分２１ｂとなったときには、表面近傍のバインダが硬化した部分２１ａにより、バインダの熔融した部分２１ｂに圧力が加わり難い状態となっている。このため、従来法によれば、セラミックス粉末を、混合物２１の全体にわたって偏りなく十分に充填することはできない。したがって、得られるセラミックス成形体２４の嵩密度を十分高めることはできない。
【００２４】
これに対し、本発明の方法によれば、混合物２１を昇温させる際に一旦、混合物２１の温度が全体的に、バインダの融点以上でかつ硬化開始温度未満の温度となるようにしている。このため、図１（ａ）に示すように、混合物２１の全体において一旦、バインダが熔融した部分２１ｂとなる。このとき、熔融したバインダは、混合物２１の全体にわたって支障なく潤滑剤の役割を果たす。
【００２５】
この結果、図１（ｂ）に示すように、混合物２１において、セラミックス粉末が効率よく充填されることになる。その後、混合物２１をバインダの硬化開始温度以上まで昇温させ、この温度で所定時間保持することにより、図１（ｃ）に示すように、従来よりも嵩密度の高いセラミック成形体２５を得ることができる。
【００２６】
なお、混合物２１をバインダの硬化開始温度以上まで昇温させ、所定時間保持する工程を省いた場合には、混合物２１内のバインダが硬化しないため、混合物２１の保形性を得ることはできない。
【００２７】
図３はこのようなセラミックス成形体として製造されるセラミックスプリフォームについて、嵩密度の評価を行うための試験片を作製する方法を示す。なお、このセラミックスプリフォームは、ＳｉＣ−Ｓｉ複合体を得るためのプリフォームであり、嵩密度が高いことが望まれる。
【００２８】
同図（ａ）に示すように、評価対象となるセラミックスプリフォームは、幅×長さ×高さが３００×４００×５０ｍｍの直方体のプリフォーム１０であるものとする。試験片の作製に際しては、まず、同図（ａ）のように、プリフォーム１０を、長さ方向及び幅方向に切断して４等分し、幅×長さ×高さが１５０×２００×５０ｍｍの分割されたプリフォームを得る。
【００２９】
次に、４分割されたうちの１つのプリフォーム１１について、同図（ｂ）のように、両側の長さ面１１ａから幅方向に所定距離離れた２箇所から、長さ面１１ａに平行に切断することにより、幅×長さ×高さが５０×２００×１０ｍｍの２つの小片１２及び１３を得る。
【００３０】
そして、各小片１２及び１３について、それぞれの両側の幅面１２ａ及び１３ａから長さ方向に所定距離離れた２箇所において、幅方向に位置が異なる３箇所から、１０ｍｍ角で所定の長さの角棒状の試験片を切り出す。このようにして切り出された１２個の試験片１ａ〜１ｃ、２ａ〜２ｃ、３ａ〜３ｃ、及び４ａ〜４ｃのプリフォーム１０における水平方向位置は、試験片１ａ〜１ｃがプリフォーム１０の中心に最も近い。
【００３１】
試験片２ａ〜２ｃは、試験片１ａ〜１ｃに対し幅方向位置が同じで、その外側に位置する。試験片３ａ〜３ｃは、試験片１ａ〜１ｃに対し長さ方向位置が同じで、その外側に位置する。試験片４ａ〜４ｃはプリフォーム１０の中心から最も遠い位置に位置する。プリフォーム１０における各試験片の高さ方向位置は、試験片１ａ〜４ａが最も高く、試験片１ｃ〜４ｃが最も低く、試験片１ｂ〜４ｂがこれらの中間の高さに位置する。
【００３２】
なお、嵩密度の評価は、各試験片１ａ〜１ｃ、２ａ〜２ｃ、３ａ〜３ｃ、及び４ａ〜４ｃの嵩密度を、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＲ１６３４）に示されるアルキメデス法などにより測定し、測定結果の平均値及び標準偏差を求めることにより行うことができる。
【００３３】
次に、実施例及び比較例について説明する。
［実施例］
粒度範囲が１２５〜２５０μｍのものと、１２〜４６μｍのものとを６０対４０の比率で粒度配合したＳｉＣ粉末（Ｆ９０／＃８００＝６０／４０）に対し、融点が８０℃で熱硬化開始温度が１１０℃のフェノール樹脂を、該ＳｉＣ粉末をタップした際に生じる空隙の容積の５０ｖｏｌ％添加し、ボールミルで混合し、造粒粉を作製した。
【００３４】
次に、作製した造粒粉を試料として成形型に充填し、成形型を熱プレス機に設置し、熱プレス機により、プレス圧力を加えながら、試料の中心部が８０℃、試料の表面部が１００℃となるように、試料を昇温させ、試料全体のバインダを溶融状態とした。この加圧及び溶融状態を１時間保持した後、同様にプレス圧力を加えながら、試料を１５０℃まで昇温させ、１時間保持することにより、３００×４００×５０ｍｍのセラミックスプリフォームを得た。
【００３５】
次に、得られたセラミックスプリフォームについて、図３の方法に従い、試験片１ａ〜１ｃ、２ａ〜２ｃ、３ａ〜３ｃ、及び４ａ〜４ｃを作製した。そして、各試験片の嵩密度を、ＪＩＳＲ１６３４のアルキメデス法により測定し、測定値の平均値及び標準偏差σを求めることにより、嵩密度の評価を行った。この結果を表１の「実施例」の欄に示す。
［比較例１]
試料の中心部を８０℃、試料の表面部を１００℃とすることなく、成形型の温度を１５０℃まで直線的に昇温させた以外は実施例の場合と同様にして、３００×４００×５０ｍｍのセラミックスプリフォームを得た。なお、試料の昇温に際し、試料の中心部の温度が６０℃のとき、試料の表面部分の温度は１２０℃であった。
【００３６】
次に、得られたセラミックスプリフォームについて、上述実施例の場合と同様にして、嵩密度の評価を行った。この結果を表１の「比較例１」の欄に示す。
［比較例２］
試料の中心部を８０℃、試料の表面部を１００℃とすることなく、成形型の温度を１５０℃まで直線的に昇温させた以外は実施例の場合と同様にして、３００×４００×５０ｍｍのセラミックスプリフォームを得た。ただし、試料の昇温は、試料の中心部の温度が８５℃のとき、試料の表面部分の温度が１２０℃となるように行った。
【００３７】
次に、得られたセラミックスプリフォームについて、上述実施例の場合と同様にして、嵩密度の評価を行った。この結果を表１の「比較例２」の欄に示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表１から、実施例で作製したセラミックスプリフォームの嵩密度の平均値は、比較例１及び２のいずれの場合よりも有意に大きいことがわかる。また、標準偏差σの値から、実施例の場合は比較例１及び２のいずれの場合よりも、嵩密度のばらつきが少ないことがわかる。
【符号の説明】
【００４０】
１０…セラミックスプリフォーム、２１…混合物、２２…成形型、２３…熱プレス機、２４，２５…セラミックス成形体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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