第27回無機高分子研究討論会
27回無機高分子研究討論会 2008.11.7

ポリカルボシランから作製したマイクロセラミックス構造体の機械的特性評価
兵庫県立大学 石 川 知 寛,生津資大,井上尚三
アート科学 長谷川良雄

University of Hyogo

Dept.
Dept. of Mechanical & System Engineering

Materials & Intelligent Design Laboratory発表内容

研究背景と目的
SiCセラミックス作製工程
曲げ試験の方法とその結果
破面観察結果
まとめ

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Materials & Intelligent Design Laboratory

研究背景
MEMS

プリンターヘッド，プリンターヘッド，圧力センサ
圧力センサ，センサ，加速度センサー
加速度センサー，センサー，ジャイロスコープ，ジャイロスコープ， etc…

Power MEMS

マイクロエンジン，マイクロタービン，マイクロスラスター，マイクロエンジン，マイクロタービン，マイクロスラスター，etc…

(Power Micro Electro Mechanical Systems)

動力や動力やエネルギーをエネルギーを発生させる発生させるシステム
させるシステム

超高温下での超高温下での使用での使用優れた耐熱性
れた耐熱性・耐熱性・機械特性・機械特性・耐腐食性・マイクロ成形性
マイクロ成形性が成形性が要求

Si ~MEMS~

耐熱セラミックス
耐熱セラミックス○ マイクロ加工性，量産性○ 耐熱性，耐酸化性，高硬度

× 耐熱性

× 被加工性

耐熱セラミックス
耐熱セラミックスでセラミックスでマイクロ構造体マイクロ構造体を構造体を作製する作製する新技術
する新技術の新技術の開発が開発が要求
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研究目的
目的
高分子材料を高分子材料を用いた，
いた，SiCセラミックスマイクロパーツ
製作技術の製作技術の開発とその開発とその機械的特性評価とその機械的特性評価

How
高分子を用いた前駆体ポリマー法
高分子の熱分解

セラミックス化

ナノパウダーの利用

マイクロ成形

セラミックス化
マイクロ成形成形のセラミックス化とマイクロ成形の同時進行
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SiCセラミックスの原料
SiC前駆体
前駆体ポリマー
前駆体ポリマー

超高分子量ポリカルボシラン
超高分子量ポリカルボシラン(PCS)
ポリカルボシラン
超高分子量ポリカ
超高分子量ポリカ
ルボシラン(PCS)
ルボシラン(PCS)＋SiCPCS微粉末

SiCPCS微粉末

Heattreatment

1000℃,Ar
Si-C
Ceramics
Polycarbosilane

ポリカルボシラン： Si，C，H原子から構成される超高分子量SiC前駆体ポリマーで，アルゴンガス雰囲気，1000℃熱分解されることにより，セラミック収率の高いSiCを作製可能．
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SiCセラミックス作製工程
PCS-derived SiC 微粉末加圧(8kN)
加圧

気孔＋

超高分子量PCS 微粉末
焼成
1000℃
1000℃，Ar
PCS liquid

セラミックスプレート成型
セラミックスプレート成型

PCS含浸
含浸

含浸1回
含浸 回

焼成

PCS liquid

含浸2回
含浸 回

3mm1mm
焼成

PCS liquid

含浸12回
含浸 回

焼成

t=0.5mm
緻密化した
緻密化したSiC
した
セラミックス

ダイシング

試験片完成

含浸，焼成を繰り返し，SiCセラミックスを緻密化
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Materials & Intelligent Design Laboratory含浸回数と気孔率
300.3Porosity(%)

0.25
25
20
0.2
150.15100.1

7.5%

50.0500

0246810
Count of impregnations

1214含浸回数と気孔率の関係

含浸回数増加University of Hyogo

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気孔率の低下Materials & Intelligent Design Laboratory含浸回数と気孔率300.30回

12回

Porosity(%)

0.2525200.2
150.15×80×80

100.1

7.5%

50.05
00

02

46810
Count of impregnations1214

含浸回数と気孔率の関係

含浸回数増加University of Hyogo

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気孔率の低下Materials & Intelligent Design Laboratory

曲げ試験装置

Laser displacement gauge

Holding Jig of sample

Holding Jig ofsample

Supported Jig

Load Cell

Load Jig

Supported Jig

Load Jig
SamplePZT Actuator

曲げ試験装置外観と負荷機構部拡大

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曲げ試験方法
曲げ試験片の寸法

SampleType A
SiC
Type Bh (mm)
0.25
0.5
0.5

b (mm)
0.5
1.0
1L(mm)
2.4
2.4
2.4

微小試験片であるが故，試験片の設置が困難

P (N)

設置を容易に行えるような試験機システムを開発

h(mm)
L(mm)

SpecimenholderSupportLoading Jig

SpecimenSet of specimens
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Pre load start
曲げ試験の方法

Bending test start

Materials & Intelligent Design Laboratory荷重-変位線図
16Non-impregnation
14Bending force F,N2-impregnations
123-impregnations

106-impregnations

812-impregnations

642002468101214161820Displacement D,µm
荷重-変位線図

含浸３回以上は，破壊まで線形関係
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脆性破壊
Materials & Intelligent Design Laboratory気孔率とヤング率
Young’s modulus, E (GPa)807055.79GPa

60
5020倍のUP!!

403020102.55GPa

0051015202530

Porosity (%)
気孔率とヤング率の関係

気孔率の低下に伴い，ヤング率は大幅に上昇
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Materials & Intelligent Design Laboratory曲げ強度のワイブルプロット
log(log(1/(1-failure probability)))

2.0

m = 6.41m = 2.56

1.0m = 3.83
0.0-1.0
NonNon-impregnation-2.0

m = 14.13

2-impregnations
3-impregnations-3.0

6-impregnations
1212-impregnations

-4.0
0.0

1.0

m = 11.39

  1 lnln = mln x − lnα 1 − F ( x) 

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

log(Bending strength[MPa])
ワイブルプロット

線形関係を示し，２母数ワイブル分布関数でフィッティング可能
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Materials & Intelligent Design Laboratory気孔率と尺度母数及び形状母数
300

16250

14Shape parameter

200MPa以上！
以上！

12

気孔率約1%減少

20010135.8MPa

150

12回
6回

10015%

815%強度増加

6Shape parameter

Scale prameter, σ[MPa]Scale prameter

41%5029.2MPa.2MPa

3%

0回

00510152025030

Porosity (%)
気孔率と尺度母数及び形状母数との関係

気孔率を現在より約3%減少
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強度200MPaも可能？？
Materials & Intelligent Design Laboratory破面観察
Non-impregnation

Crack initiate

Fracture surface

Fracture surface

6 impregnations

12 impregnations

3 impregnations

Force

Force

Force

Crackinitiate
Fracture surface

Crack initiate
Fracture surface

含浸回数の多いサンプル：明瞭なリバーパターンを観察
最大引張応力が生じる部分から破壊
含浸回数の少ないサンプル：リバーパタンが見れられず，破壊起点が想定しにくい．
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Materials & Intelligent Design Laboratory破面観察
Non-impregnation

3 impregnations

Crack initiate

Fracture surface

Fracture surface

6 impregnations

気孔率 Force
大気孔率Fracture surface

高12 impregnations

Force

Force

応力集中部が多く存在
最大応力部
Crack initiate

Crackinitiate

Fracture surface

気孔ばらつき 大
強度のばらつき大小低表面
含浸回数の多いサンプル：明瞭なリバーパターンを観察
最大引張応力が生じる部分から破壊
含浸回数の少ないサンプル：明瞭なリバーパタンは見れられない
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Materials & Intelligent Design Laboratoryまとめと今後
液体PCSの含浸回数と気孔率には相関関係があり，含浸回数を増加させることで気孔率を低減することができた．
現在より気孔率を3％低下させることができれば，200MPa以上の強度を得られる可能性がある．
含浸の際に，加圧や昇温などを，細孔にPCSが入りやすくする工夫をすることで，気孔率の低減が図れる．
基礎実験
高分子材料よりSiCセラミックス曲げ試験作製
機械的特性の評価
これまでに蓄積した技術を応用

目標

SiCセラミックスのセラミックスのマイクロパーツ作製
マイクロパーツ作製Thank you for your attention
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