(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径１０μｍ未満のＳｉＣ微粒３０〜４０重量％と、粒径１０μｍ以上４３μｍ未満のＳｉＣ粗粒６０〜７０重量％との割合で粒度配合された原料粉末を焼成して得られた気孔率２０〜６０％の多孔質ＳｉＣ焼結体を母材とし、該母材の気孔にＭｏＳｉ２が溶浸された複合組織からなり、６００℃から１６００℃の高温域において正の抵抗温度係数を有することを特徴とするＳｉＣ−ＭｏＳｉ２複合材ヒータ。
【請求項２】
粒径１０μｍ未満のＳｉＣ微粒５０〜７０重量％と、粒径４３μｍ以上１１８０μｍ未満のＳｉＣ粗粒３０〜５０重量％との割合で粒度配合された原料粉末を焼成して得られた気孔率２０〜６０％の多孔質ＳｉＣ焼結体を母材とし、該母材の気孔にＭｏＳｉ２が溶浸された複合組織からなり、６００℃から１６００℃の高温域において正の抵抗温度係数を有することを特徴とするＳｉＣ−ＭｏＳｉ２複合材ヒータ。
【請求項３】
粒径１０μｍ未満のＳｉＣ微粒６０〜８０重量％と、粒径１１８０μｍ以上のＳｉＣ粗粒２０〜４０重量％との割合で粒度配合された原料粉末を焼成して得られた気孔率２０〜６０％の多孔質ＳｉＣ焼結体を母材とし、該母材の気孔にＭｏＳｉ２が溶浸された複合組織からなり、６００℃から１６００℃の高温域において正の抵抗温度係数を有することを特徴とするＳｉＣ−ＭｏＳｉ２複合材ヒータ。
【請求項４】
粒径１０μｍ未満のＳｉＣ微粒からなる原料粉末を焼成して得られた気孔率２０〜６０％の多孔質ＳｉＣ焼結体を母材とし、該母材の気孔にＭｏＳｉ２が溶浸された複合組織からなり、６００℃から１６００℃の高温域において正の抵抗温度係数を有することを特徴とするＳｉＣ−ＭｏＳｉ２複合材ヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温域において軟化せず、優れた耐酸化性を有し、長期間に亘って安定使用することができ、正の抵抗温度係数を有するＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣは、半導体的性質を示す電導性物質であり、優れた耐熱性および化学的安定性を備えているので、従来から通電発熱型のヒータとして有用されている。しかしながら、ＳｉＣヒータはＳｉＣの半導体的性質からも明らかなように抵抗の温度変化が、ある温度を堺にして減少から上昇へと急変する。
【０００３】
すなわち、ＳｉＣヒータの発熱温度と抵抗の関係は、図１に示すように室温から約８００℃までは温度の上昇とともに抵抗は減少するが、約８００℃を越える温度域では温度の上昇とともに抵抗が増大する。このように、ＳｉＣヒータは室温から約８００℃までの温度域では負の抵抗温度係数（負特性）を示し、約８００℃を越える温度域では逆に正の抵抗温度係数（正特性）を示す。この負特性から正特性に変換する温度はＳｉＣ焼結体の製造条件や添加物によって変わるが、負特性の温度域では発熱時に電流が急増して熱（温度）暴走を招く危険があり、また定電圧負荷による温度制御が極めて困難となる欠点がある。そのためＳｉＣヒータは通常、正特性を示す８００℃以上の高温域で使用されている。
【０００４】
そこで、ＳｉＣヒータの負特性を減少させる、すなわち抵抗温度係数の負の値を小さくする目的で従来から種々の提案がなされている。例えば特公昭５１−４５３３９号公報にはＳｉＣ焼結体を珪石、炭素、窒化珪素を含む混合粉末で包み二次焼成する方法が、特公昭６１−５６１８７号公報にはＳｉＣ粉末にホウ素と炭素などを添加し真空中で一次焼成したのち１〜２００気圧の窒素雰囲気中で二次焼結する方法が開示されている。また、特開昭５８−２０９０８４号公報には炭化珪素に炭化ジルコニウムや硼化ジルコニウムを添加して焼結した抵抗温度係数が正の直線型ヒータ材が、特開昭５９−１１１２８９号公報には炭化珪素ウイスカとモリブデン粉末および炭素粉末を混合し焼結した所望の固有抵抗をもつ発熱体が提案されている。
【０００５】
また、ＭｏＳｉ2 も高温での耐酸化性に優れており、融点も高いので従来からヒータとして用いられている。しかしながら、ＭｏＳｉ2 は１４００℃以上の温度で軟化し、スポーリング強度や機械的強度も充分でないという難点があるために、他の材料と複合化、特に濡れ性の良好なＳｉＣと複合化したＭｏＳｉ2 −ＳｉＣ系発熱体が開発されている。ＭｏＳｉ2 とＳｉＣを複合化したヒータの抵抗温度係数は、ＭｏＳｉ2 とＳｉＣの合成された抵抗変化を示し、例えば抵抗の温度変化は図２に例示（窯業工学ハンドブック、1789頁、窯業協会編、技報堂出版株式会社）したように複雑に変化する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、ＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 系複合材ヒータの抵抗温度変化を温度の上昇とともに増大する、すなわち正特性のヒータについて鋭意研究を進めた結果、原料ＳｉＣの粒径と配合比を調整して作製した多孔質ＳｉＣ焼結体を母材として、この母材の気孔中にＭｏＳｉ2 の融液を溶浸してＭｏＳｉ2 を充填したヒータは複雑な抵抗温度変化を示さずに正の抵抗温度係数を示すことを見出した。
【０００７】
本発明は上記の知見に基づいて開発されたものであり、その目的は、正の抵抗温度係数を有する、特に６００℃〜１６００℃の温度域において正の抵抗温度係数を備えたＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 系の複合材ヒータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１に係るＳｉＣ−ＭｏＳｉ２複合材ヒータは、粒径１０μｍ未満のＳｉＣ微粒３０〜４０重量％と、粒径１０μｍ以上４３μｍ未満のＳｉＣ粗粒６０〜７０重量％との粒度配合された原料粉末を焼成して得られた気孔率２０〜６０％の多孔質ＳｉＣ焼結体を母材とし、該母材の気孔にＭｏＳｉ２が溶浸された複合組織からなり、６００℃から１６００℃の高温域において正の抵抗温度係数を有することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に係るＳｉＣ−ＭｏＳｉ２複合材ヒータは、粒径１０μｍ未満のＳｉＣ微粒５０〜７０重量％と、粒径４３μｍ以上１１８０μｍ未満のＳｉＣ粗粒３０〜５０重量％との粒度配合された原料粉末を焼成して得られた気孔率２０〜６０％の多孔質ＳｉＣ焼結体を母材とし、該母材の気孔にＭｏＳｉ２が溶浸された複合組織からなり、６００℃から１６００℃の高温域において正の抵抗温度係数を有することを特徴とし、請求項３に係るＳｉＣ−ＭｏＳｉ２複合材ヒータは、粒径１０μｍ未満のＳｉＣ微粒６０〜８０重量％と、粒径１１８０μｍ以上のＳｉＣ粗粒２０〜４０重量％との粒度配合された原料粉末を焼成して得られた気孔率２０〜６０％の多孔質ＳｉＣ焼結体を母材とし、該母材の気孔にＭｏＳｉ２が溶浸された複合組織からなり、６００℃から１６００℃の高温域において正の抵抗温度係数を有することを特徴とし、請求項４に係るＳｉＣ−ＭｏＳｉ２複合材ヒータは、粒径１０μｍ未満のＳｉＣ微粒からなる原料粉末を焼成して得られた気孔率２０〜６０％の多孔質ＳｉＣ焼結体を母材とし、該母材の気孔にＭｏＳｉ２が溶浸された複合組織からなり、６００℃から１６００℃の高温域において正の抵抗温度係数を有することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータの母材となる多孔質ＳｉＣ焼結体は特定の粒径範囲に調整したＳｉＣ粉体を特定の割合で粒度配合した原料を用いて製造されたものが使用される。すなわち、ＳｉＣの原料粉体のうち粒径１０μm 未満の粉体をＳｉＣ微粒とし、粒径が１０μm 以上の粉体をＳｉＣ粗粒として、ＳｉＣ微粒と所定粒径範囲のＳｉＣ粗粒とを特定の割合で粒度配合した原料粉体が用いられる。
【００１１】
本発明のＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータは母材となる多孔質ＳｉＣ焼結体を作製する原料粉体として、
▲１▼粒径１０μm 未満のＳｉＣ微粒を３０重量％以上、と、粒径１０μm 以上で４３μm 未満のＳｉＣ粗粒を７０重量％以下、との割合で粒度配合したもの、
又は、
▲２▼粒径１０μm 未満のＳｉＣ微粒を５０重量％以上、と、粒径４３μm 以上で１１８０μm 未満のＳｉＣ粗粒を５０重量％以下、との割合で粒度配合したもの、
又は、
▲３▼粒径１０μm 未満のＳｉＣ微粒を６０重量％以上、と、粒径１１８０μm 以上のＳｉＣ粗粒を４０重量％以下、との割合で粒度配合したもの、
又は、
▲４▼粒径１０μm 未満のＳｉＣ微粒のみ
をそれぞれ用いることが必要である。
【００１２】
このような割合で粒度配合されたＳｉＣ原料粉体は均一に混合後、メチルセルロースやポリビニルアルコールなどのバインダーおよび水を加えて混練し、押出し成形法や鋳込み成形法などにより成形し、成形体を非酸化性雰囲気中で１９００℃〜２２００℃の温度に加熱して焼成することにより母材となる多孔質ＳｉＣ焼結体が得られる。多孔質ＳｉＣ焼結体の気孔率は概ね２０％〜６０％であることが好ましい。すなわち、気孔率が２０％未満であるとＭｏＳｉ2 が充分に溶浸されないので高温での耐酸化性が低下し、また６０％を越えるとＭｏＳｉ2 を溶浸してもそれほど強度向上が認められないためである。
【００１３】
多孔質ＳｉＣ焼結体の気孔にＭｏＳｉ2 を溶浸させる操作は、黒鉛坩堝などの容器にＭｏＳｉ2 を入れ非酸化性雰囲気下で１９５０℃〜２２００℃の温度に加熱してＭｏＳｉ2 を溶融し、この融液に多孔質ＳｉＣ焼結体を接触させる方法で行うことができる。ＭｏＳｉ2 とＳｉＣは濡れ性が良好なので、ＭｏＳｉ2 の融液は毛細管現象によりＳｉＣの気孔中に円滑に溶浸する。
【００１４】
このように本発明のＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータは多孔質ＳｉＣ焼結体の気孔内部にＭｏＳｉ2 が均等に溶浸しており、ＳｉＣの材質特性により優れた耐酸化性および耐熱性を有し、また、溶浸したＭｏＳｉ2 との相互作用によりＳｉＣの電気的性質が抑えられるため６００℃から１６００℃の高温域において抵抗温度係数が正の発熱特性を具備させることができる。６００℃以下の低温域ではＭｏＳｉ2 の特性が優先するので正特性を示し、１６００℃以下の温度領域における抵抗の温度変化が温度の上昇とともに増大する正特性のＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータとすることが可能となる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明する。
【００１６】
実施例１〜１０、比較例１〜３
ＳｉＣ微粒には最大粒径１０μm 、平均粒径２μm のＳｉＣ粉末〔太平洋ランダム（株）製、GMF-6S〕を用い、ＳｉＣ粗粒としては各種粒径のＳｉＣ粉末を使用してＳｉＣ微粒に異なる量比で配合し、原料粉体を調製した。この原料粉体１００重量部に４重量部のメチルセルロース粉末を加えて充分に混合した後、水を加えて品川式万能撹拌機で混練後、三本ロールミルで捏合し、捏合物を押出し成形法により直径６mm、長さ２３０mmの棒状成形体に成形した。この成形体を１２０℃で乾燥後、窒素ガス雰囲気中で２１００℃の温度に加熱焼成して多孔質ＳｉＣ焼結体を作製し、母材とした。
【００１７】
ＭｏＳｉ2 粉末を黒鉛坩堝に入れ、窒素ガス雰囲気下に２１００℃の温度に加熱してＭｏＳｉ2 を融解した。このＭｏＳｉ2 融液に上記の母材を接触させて、多孔質ＳｉＣ焼結体の気孔中にＭｏＳｉ2 融液を溶浸し、ＳｉＣとＭｏＳｉ2 との複合組織からなるＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータを製造した。適用した各条件を対比して表１に示した。なお、多孔質ＳｉＣ焼結体およびＭｏＳｉ2 を溶浸後の気孔率をアルキメデス法で測定し、その結果も表１に併載した。
【００１８】
【表１】
0003918019.tif 000002
【００１９】
これらのＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータに通電発熱させて、抵抗の温度変化を測定した。測定はＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータを電気炉にセットしてヒータ周囲を断熱材で覆い、ヒータ両端部にアルミニウムの網線を巻いて通電した。温度は放射温度計により、抵抗は印加電圧と電流値を測定して算出した。このようにして得られた抵抗の温度変化を、温度に対する抵抗の増加率（％）として、図３〜図６に示した。
【００２０】
表１および図３〜図６の結果から、粒径１０μm 未満のＳｉＣ粉体をＳｉＣ微粒とし、粒径が１０μm 以上のＳｉＣ粉体をＳｉＣ粗粒として、ＳｉＣ微粒と所定粒径範囲のＳｉＣ粗粒とを特定の割合で粒度配合した原料粉体、あるいはＳｉＣ微粒のみの原料粉体を焼成して得られた多孔質ＳｉＣ焼結体を母材とし、該母材の気孔にＭｏＳｉ2 を溶浸した複合組織からなる実施例のＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータは６００℃以上の温度域において、いずれも温度の上昇とともに抵抗が増大する、すなわち正の抵抗温度係数を示すことが判明する。これに対して比較例のＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータでは、例えば比較例１は１１００℃、比較例２は１２００℃、比較例３は１４００℃近辺の温度で抵抗の温度係数が正から負に変化していることが判る。
【００２１】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータによれば、ＳｉＣ微粒と所定粒径範囲のＳｉＣ粗粒とを特定割合で粒度配合した原料粉体を焼成した多孔質ＳｉＣ焼結体を母材とし、該母材の気孔内部にＭｏＳｉ2 が均等に溶浸されており、ＳｉＣと溶浸したＭｏＳｉ2 との相互作用によりＳｉＣの電気的性質が抑えられるため、６００℃から１６００℃の高温域において抵抗温度係数が正の発熱特性を付与させることができる。したがって、温度制御が容易であり、耐酸化性や耐熱性に優れたヒータとして極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳｉＣヒータの温度と抵抗の関係を示したグラフである。
【図２】従来のＭｏＳｉ2 とＳｉＣを複合化したヒータの温度と抵抗の関係を示したグラフである。
【図３】本発明のＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータについて、温度に対する抵抗の増加率（％）の関係を、実施例と比較例とを対比して示したグラフである。
【図４】本発明のＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータについて、温度に対する抵抗の増加率（％）の関係を、別の実施例と比較例とを対比して示したグラフである。
【図５】本発明のＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータについて、温度に対する抵抗の増加率（％）の関係を、更に他の実施例と比較例とを対比して示したグラフである。
【図６】本発明のＳｉＣ−ＭｏＳｉ2 複合材ヒータの他の実施例について、温度に対する抵抗の増加率（％）の関係を示したグラフである。
【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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