(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径０．２〜９μｍの炭化ケイ素から成る強化素材と、
この強化素材に溶浸されたシリコンマトリックスとからなり、
分散粒子である前記炭化ケイ素の含有量を６５〜９５重量％とした粒子分散シリコン材料であって、
その粒子間の平均距離が２μｍであり、
その室温における３点曲げ強度が７５０〜１０００ＭＰａを有し、
その室温における熱伝導率が１３０〜１７０Ｗ／ｍ・Ｋである、
ことを特徴とする粒子分散シリコン材料。
【請求項２】
請求項１に記載の粒子分散シリコン材料であって、その破壊靭性値が３〜４ＭＰａｍ１／２であることを特徴とする粒子分散シリコン材料。
【請求項３】
請求項１に記載の粒子分散シリコン材料であって、そのビッカース硬さ（Ｈｖ）が１７００〜２０００であることを特徴とする粒子分散シリコン材料。
【請求項４】
平均粒径０．１〜１０μｍの炭化ケイ素粉末と平均粒径０．０３〜３μｍのカーボン粉末とを水または有機溶媒に分散することにより低粘度のスラリーを得る第一工程と、このスラリーを０．１〜１０ＭＰａの圧力で加圧して成形型に充填した後に乾燥させる第二工程と、ここで乾燥した成形体を６００〜８００℃の不活性な雰囲気中で一定時間保持して脱脂する第三工程と、ここで脱脂した成形体を減圧下または不活性な雰囲気中で１４００℃以上に加熱して、これにシリコンを溶浸させる第四工程とを備えたことを特徴とする粒子分散シリコン材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコン材料の機械的特性である強度、靭性を向上する材料に係り、特に、高温域で用いられるガスタービンの構造部品、あるいは、半導体部品に適用される粒子分散シリコン材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にセラミックスの一つであるシリコン材料は、金属材料に比べて、強度および靭性等の機械的特性が低く、破壊しやすいことから耐久性の面で問題がある。そのため、上述の技術分野等の製品歩留まりの向上、高信頼性が要求される部品や製品へのシリコン材料の適用を可能にするため、高強度化および高靭性化を図ったシリコン材料が求められている。この材料として、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、特に高温域で使用されるガスタービンの構造部材である燃焼器や、半導体部品やその関連製品であるヒートシンク、製造治具、ダミーウエハへの適用が期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機械的特性の低い既存のセラミックスやＭＭＣによる材料を適用した場合は強度を確保することで部品が大きな形状となり、また、耐久性が低いためコスト高となる。コスト減の観点から、機器およびシステム全体をコンパクトにするため、機器を構成する部品等の材料特性の見直しが要請されているのが最近の傾向でもある。
【０００４】
本発明の目的は、セラミックスやＭＭＣの機械的特性を向上することにより、信頼性と耐久性を確保したシリコン材料を得ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の粒子分散シリコン材料は、平均粒径０．２〜９μｍの炭化ケイ素から成る強化素材と、この強化素材に溶浸されたシリコンマトリックスとからなり、分散粒子である前記炭化ケイ素の含有量を６５〜９５重量％とした粒子分散シリコン材料であって、その粒子間の平均距離が２μｍであり、その室温における３点曲げ強度が７５０〜１０００ＭＰａを有し、その室温における熱伝導率が１３０〜１７０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする。
【０００６】
本発明の粒子分散シリコン材料の製造方法は、平均粒径０．１〜１０μｍの炭化ケイ素粉末と平均粒径０．０３〜３μｍのカーボン粉末とを水または有機溶媒に分散することにより低粘度のスラリーを得る第一工程と、このスラリーを０．１〜１０ＭＰａの圧力で加圧して成形型に充填した後に乾燥させる第二工程と、ここで乾燥した成形体を６００〜８００℃の不活性な雰囲気中で一定時間保持して脱脂する第三工程と、ここで脱脂した成形体を減圧下または不活性な雰囲気中で１４００℃以上に加熱して、これにシリコンを溶浸させる第四工程とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の粒子分散シリコン材料は、上述の製法により作製された粒子分散シリコン材料であって、分散粒子である炭化ケイ素の含有量を６５〜９５重量％としたことを特徴とする。
【０００８】
まず、第二工程でスラリーを０．１〜１０ＭＰａの圧力で加圧するのは大きく複雑な形状のものまで均質に高速に成形するためでである。そして、脱脂した成形体の加熱温度を１４００℃以上としたのは、シリコンが溶融し成形体に均質に溶浸できるためである。
【０００９】
次に、分散粒子である炭化ケイ素の含有量が６５重量％未満である場合は、十分な機械的特性が得られず、逆に、９５重量％を超える場合は機械的特性が向上する反面、製造プロセス上、粒子の適正な分散が望めないことから所定の値の範囲にしている。この範囲とすることで、粒子間の平均距離が２μｍという概ね均質に分散したシリコン材料を得ることができる。
【００１０】
一方、分散粒子の平均粒径が０．１μｍ未満である場合は、製造プロセスにおいて、分散粒子が凝集し易いため適正な分散が望めず、逆に、１０μｍを超えると機械的特性である強度、靭性の向上が十分に発現しないことから所定の値の範囲にしている。この範囲とすることで、粒子間の平均距離が２μｍという概ね均質に分散したシリコン材料を得ることができる。
【００１１】
また、本発明による粒子分散シリコン材料は、シリコンおよび炭化ケイ素に含有する不純物の量を０．００１〜２重量％以下の範囲とする。これは、不純物の含有量が０．００１重量％未満である場合、分散粒子である炭化ケイ素とマトリックスのシリコンとのぬれ性が向上し、安定した機械的特性が得られる。逆に、２重量％を超えると機械的特性等の低下をきたす。
【００１２】
さらにまた、本発明による粒子分散シリコン材料は、開気孔率を３％以下とする。これは、開気孔率が３％を超えると、強度のバラツキが生じるためであり、３％以下とすることで、強度低下の原因となる欠陥の数や大きさを減らすことで、所望の機械的特性を備えたシリコン材料を得ることができる。
【００１３】
ここで、分散粒子間の平均距離の測定は以下のように行う。得られたシリコン材料を減圧下１８７３Ｋに加熱してシリコンを除去した後、水銀圧入法を用いて気孔径を測定し、平均気孔径を分散粒子間の平均距離とした。気孔径（Ｄ）は、気孔に水銀を圧入する圧力Ｐ、水銀と試料の接触角（θ）を１３０゜、水銀の表面張力（γ）を０．４８Ｎ／ｍとして式（１）を用いて計算した。
【００１４】
〔数１〕
Ｄ＝−４・γ・ｃｏｓθ／Ｐ                (１)
そして、全気孔体積のｄ５０値の気孔径を平均気孔径とした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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は本発明に係る粒子分散シリコン材料１の組成を拡大して示す断面図である。表１に、以下に示す実施例および比較例の一覧を示す。
【００１６】
［実施例１〜３］および[参考例１]
平均粒径１〜３μｍの炭化ケイ素粉末１００重量部（昭和電工（株）製グリーンデンシックＧＣ粉末）とカーボン粉末１０〜５０重量部（三菱化成（株）製カーボンブラック）を、溶媒中に分散して、低粘度のスラリーを作製した。次に、このスラリーを圧力鋳込み成形機を用いて、成形型に加圧しながら充填した。成形圧力を０.１〜１０ＭＰａの間で変化させて、成形体密度の異なる４種類の成形体を作製した。さらに自然乾燥した後に、不活性な雰囲気である窒素ガス中、温度６００〜８００℃で２時間保持し、成形助剤として添加した有機物を脱脂した後に、減圧下または不活性雰囲気中において温度１４００℃以上に加熱し、成形体中にシリコンを溶浸させた。こうして得られた焼結体は表面加工を施して、それぞれ実施例１〜３および参考例１として粒子分散強化シリコン材料１を製造した。この実施例１〜３および参考例１の材料組成比（シリコン：分散粒子）は、参考例１が４５：５５〜５０：５０、実施例１が３０：７０〜３５：６５、実施例２が１５：８５〜２０：８０、実施例３は５：９５〜１０：９０である。この材料組成比は、出発原料に添加するカーボン粉末の量と、スラリーから作製した成形体密度によって、調整可能である。
【００１７】
［実施例４〜５］
平均粒径０.２〜０.５μｍ、または６〜９μｍの炭化ケイ素粉末１００重量部（昭和電工（株）製グリーンデンシックＧＣ粉末）とカーボン粉末１０〜５０重量部（三菱化成（株）製カーボンブラック）を、溶媒中に分散して、低粘度のスラリーを作製した。次に、このスラリーを圧力鋳込み成形機を用いて、成形型に加圧しながら充填した。成形圧力を０.１〜１０ＭＰａの間で変化させて、成形体密度の異なる２種類の成形体を作製した。さらに自然乾燥した後に、窒素ガス雰囲気中温度６００〜８００℃で２時間保持し、成形助剤として添加した有機物を脱脂した後に、減圧下または不活性雰囲気中において温度１４００℃以上に加熱し、成形体中にシリコンを溶浸させた。こうして得られた焼結体は表面加工を施し、それぞれ実施例４〜５として粒子分散シリコン材料１を製造した。
【００１８】
［実施例６］
平均粒径１〜３μｍの炭化ケイ素粉末１００重量部（昭和電工（株）製グリーンデンシックＧＣ粉末）とカーボン粉末１０〜５０重量部（三菱化成（株）製カーボンブラック）を酸洗いによる純化処理をした後、溶媒中に分散して、低粘度のスラリーを作製した。次に、このスラリーを圧力鋳込み成形機を用いて、成形型に加圧しながら充填した。成形圧力は０.１〜１０ＭＰａの間で、成形体を作製した。さらに自然乾燥した後に、窒素ガス雰囲気中温度６００〜８００℃で２時間保持し、成形助剤として添加した有機物を脱脂した後に、塩素ガス雰囲気で加熱処理による純化処理を施した。そして、減圧下または不活性雰囲気中において温度１４００℃以上に加熱し、成形体中にシリコンを溶浸させた。こうして得られた焼結体は表面加工を施し、実施例６として粒子分散シリコン材料１を製造した。
【００１９】
［実施例７］
平均粒径１〜３μｍの炭化ケイ素粉末１００重量部（昭和電工（株）製グリーンデンシックＧＣ粉末）とカーボン粉末１０〜５０重量部（三菱化成（株）製カーボンブラック）後、溶媒中に分散して、低粘度のスラリーを作製した。次に、このスラリーを圧力鋳込み成形機を用いて、成形型に加圧しながら充填した。成形圧力は０.１〜１０ＭＰａの間で、成形体を作製した。さらに自然乾燥した後に、窒素ガス雰囲気中温度６００〜８００℃で２時間保持し、成形助剤として添加した有機物を脱脂した後に、減圧下または不活性雰囲気中において温度１４００℃以上に加熱し、成形体中にシリコン（実施例１〜４に用いたものより若干純度の低いもの）を溶浸させた。こうして得られた焼結体は表面加工を施し、実施例７として粒子分散シリコン材料１を製造した。
【００２０】
［比較例１〜２］
平均粒径１〜３μｍの炭化ケイ素粉末１００重量部（昭和電工（株）製グリーンデンシックＧＣ粉末）とカーボン粉末１０〜５０重量部（三菱化成（株）製カーボンブラック）を、溶媒中に分散して、低粘度のスラリーを作製した。次に、このスラリーを圧力鋳込み成形機を用いて、成形型に加圧しながら充填した。成形圧力を０.１〜１０ＭＰａの間で変化させて、成形体密度の異なる２種類の成形体を作製した。さらに自然乾燥した後に、窒素ガス雰囲気中温度６００〜８００℃で２時間保持し、成形助剤として添加した有機物を脱脂した後に、減圧下または不活性雰囲気中において温度１４００℃以上に加熱し、成形体中に溶融したシリコンを含浸させた。こうして得られた焼結体は表面加工を施し、それぞれ比較例１〜２として粒子分散シリコン材料を製造した。比較例１〜２の材料組成比（シリコン：分散粒子）は、比較例１が５０：５０〜６０：４０、比較例２が＜５：＞９５である。この材料組成比は、出発原料に添加するカーボン粉末の量と、スラリーから作製した成形体密度によって、調整可能である。特に、比較例２は出発原料として添加したカーボン粉末が分散粒子へ転化せずにそのままの状態で残る場合がある。
【００２１】
［比較例３〜４］
平均粒径２０μｍ、または４０μｍの炭化ケイ素粉末１００重量部（昭和電工（株）製グリーンデンシックＧＣ粉末）とカーボン粉末１０〜５０重量部（三菱化成（株）製カーボンブラック）を、溶媒中に分散して、低粘度のスラリーを作製した。次に、このスラリーを圧力鋳込み成形機を用いて、成形型に加圧しながら充填した。成形圧力を０.１〜１０ＭＰａの間で変化させて、成形体密度の異なる２種類の成形体を作製した。さらに自然乾燥した後に、窒素ガス雰囲気中温度６００〜８００℃で２時間保持し、成形助剤として添加した有機物を脱脂した後に、減圧下または不活性雰囲気中において温度１４００℃以上に加熱し、成形体中にシリコンを溶浸させた。こうして得られた焼結体は表面加工を施し、それぞれ比較例３〜４として粒子分散シリコン材料を製造した。
【００２２】
［比較例５］
平均粒径１〜３μｍの炭化ケイ素粉末１００重量部（昭和電工（株）製グリーンデンシックＧＣ粉末）とカーボン粉末１０〜５０重量部（三菱化成（株）製カーボンブラック）を、溶媒中に分散して、低粘度のスラリーを作製した。次に、このスラリーを圧力鋳込み成形機を用いて、成形型に加圧しながら充填した。成形圧力は０.１〜１０ＭＰａの間で、成形体を作製した。さらに自然乾燥した後に、窒素ガス雰囲気中温度６００〜８００℃で２時間保持し、成形助剤として添加した有機物を脱脂した後に、減圧下または不活性雰囲気中において温度１４００℃以上に加熱し、成形体中にシリコン（実施例８で用いたシリコンよりさらに純度の低いもの）を溶浸させた。こうして得られた焼結体は表面加工を施し、比較例５として粒子分散シリコン材料を製造した。
【００２４】
【表１】
0003830733.tif 000002
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコンマトリックスに炭化ケイ素を適正に分散させ、セラミックスやＭＭＣの機械的特性を向上することにより、信頼性と耐久性を確保した粒子分散シリコン材料が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る粒子分散シリコン材料１の組成を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１…粒子分散シリコン材料、２…シリコン、３…炭化ケイ素強化素材。
【図１】
0003830733.tif 000003