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研究紹介
Al4SiC4の高温反応におよぼす粒子形態および雰囲気の影響
1 緒 言

２．３．高温反応後の鉱物相の変化ならびに粒子観察のための高温雰囲気ガス処理（管状炉）

アルミニウムとケイ素の複合炭化物のひとつである
Al4SiC4は、炭素含有耐火物の新たな機能性添加剤とし

Al4SiC4を窒素（99.9999%）および大気（24℃〜26℃、1-3)て一般的な認知が進みつつある化合物である 。最近、RH55〜65%） の 雰 囲 気 下 の600 ℃，800 ℃，1000 ℃，

このAl4SiC4の量産化に関する報告4)がなされ、耐火物に1200℃，1400℃および1500℃（昇温および降温速度を使用できる原料としてさらに利用が促進され始めていそれぞれ5℃ min-1 とし、 各最高温度での保持なし）る。耐火物原料としてAl4SiC4の利用展開するにあたっでそれぞれ加熱した。各温度、 各雰囲気で加熱処理て、前述した使用環境におけるAl4SiC4の反応性およびしたAl4SiC4 の鉱物組成はCuKα線で2θ=5-70°の範囲挙動を把握することがより重要となると考えている。とをスキャンスピード2°min-1で測定した粉末X線回折

くに高温下の雰囲気に対するAl4SiC4の変化を検討し、（UltimaIV, Rigaku Corp.）から評価した。また、同様その知見を広く共有することは大切である。のAl4SiC4粒子の形態は加速電圧15kVの走査電子顕微鏡

Al4SiC4粉体の大気中（酸素）における耐酸化性は過（JSM-6490, JEOL, Ltd.）で観察した。

去に報告してきた5)。その一方で、大気中の主要成分で3 結 果ある窒素ガスによる高温下の反応性ならびに粒子形態の変化については実験的な検討がまだ行われておらず、窒

図1（a-c）に窒素（99.9999%）、大気（24℃〜26℃,素ガスによる反応生成物およびその粒子形態への影響がRH55〜65%の大気）およびアルゴン（99.9999%）の各課題として残っていた。窒素ガスは一般的な観点として雰囲気下でのAl4SiC4の熱重量示差熱分析を示す。図1

アルゴンガスと同様に不活性ガスとして認知されてい（a）に示すように主な温度における重量増加率は約2.5%る。しかしながら、耐火物の使用環境下においては添加（800℃）、約10.5%（1000℃）および約28.7%（1300℃）剤（アルミニウムやシリコンなど）を高温下では窒化さであった。重量増加が生じたことで1200℃以上の高温のせる反応性ガスであることが知られている。そこで、本窒素ガス雰囲気下でもAl4SiC4が反応することがわかっ研究ではAl4SiC4粒子を窒素ガス気流中で焼成し、高温た。図1（b）に示すように窒素ガスの高温反応とは異反応後の粒子形態を観察することで窒素ガスによる影響なり、大気による変化は大差が生じた。大気には窒素を検討した。また、耐火物の原料としてAl4SiC4を活用するための知見として粒度を調製した粒子を大気雰囲気での反応挙動も併せて検討したので報告する。

2 実験方法２．
１．Al4SiC4の合成
アルミニウム粉末（99.3%、-45μm）、 シリコン粉末（98%、-45μm）および鱗状黒鉛（98%、-75μm）をAl：Si：C＝4：1：4のモル理論組成比で配合しボールミルで5時間混合した。混合物をカーボンるつぼに装填し、アルゴン気流中の1700℃（昇温速度10℃ min-1）で5時間加熱した6)。
２．２．熱重量示差熱分析（TG-DTA）

Fig.1 Thermo-gravimetric and differential thermal
analyses of Al4SiC4 particles under eachgas flow of N2 (a), air (b) and Ar (c).

窒 素（99.9999%）、 ア ル ゴ ン（99.9999%） お よ び 大気（24 ℃ 〜26 ℃、RH55〜65%） の 高 温 雰 囲 気 下 で のAl4SiC4（粒度：-45μm）の反応は200ml min-1の各種雰囲
気ガスを流通させながら5℃ min-1で1300℃まで実施しガスが約80%占めているが雰囲気ガスが大気の場合、た。高温反応性評価は、熱重量示差熱分析計（EXSTAR

Al4SiC4の高温反応はその第二成分である酸素による影

TG/DTA6000, Seiko Instruments Inc.）をもちいて響が著しく表れることがわかった。1000℃から1050℃の行った。

範囲における発熱ピークは酸化皮膜が破られたことで酸素ガスによるAl4SiC4の酸化が進行したことを示唆して

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おり、1100℃から1150℃の範囲の発熱ピークも同様の挙動であることが考えられる。さらに1200℃を超えると急峻な増加を示した。紙面上割愛するが、アルゴンとは重量変化がほとんど起きず、Al4SiC4の反応には不活性であった。

Fig.3 Scanning microscopic images of Al 4SiC 4particles after heating at 600℃, 800℃,1000℃, 1200℃, 1400℃ and 1500℃ underair flow.

4 まとめFig.2 Scanning microscopic images of Al4SiC4particles after heating at 600℃, 800℃,1000℃, 1200℃, 1400℃ and 1500℃ underN2 flow.

Al4SiC4を耐火物原料として利用促進を目指し、各種高温雰囲気における反応および粒子形態の影響を評価した。Al4SiC4 粒子は窒素雰囲気の1000℃からAlNある
いはAlONウィスカーを生成する、大気雰囲気において図2に窒素雰囲気下の各温度で焼成したAl4SiC4 粒

Al4SiC4は1200℃以上でAl2O3およびムライトへ変化する。

子の10000倍の電子顕微鏡像を示す。（a）600℃および（b）800℃で焼成した粒子の外観はほとんど変化して文献いなかったのに対して、（c）1000℃から（e）1400℃の

1)“炭素含有耐火物”，岡山セラミックス技術振興財団，(2006)pp.72.

範囲で粒子表面からウィスカーが生成していることがわ

2)星山泰宏，高長茂幸:セラミックスデータブック

かった。TG-DTAおよびX線回折では1000℃における反2015/2016，43，119-122(2015).

応物の生成を示唆していないが、粒子表面ではすでに反

3)“耐火物手帳−第12版”， 耐火物技術協会，(2015)

応が進んでいることがわかった。窒素雰囲気におけるAl4SiC4からのウィスカーの生成は添加剤としての新た

pp.332.

な機能性であり、耐火物のマトリックス中に発生すれば

4)星山泰宏，西川智洋，高長茂幸，北垣昌規，小西武:機械強度あるいは耐磨耗性が向上する特性である。

耐火物，70[1]42-44(2018).

図3に大気雰囲気下の各温度で焼成したAl4SiC4粒子

5)西川智洋，前田朋之，星山泰宏，高長茂幸:日本セの10000倍の電子顕微鏡像を示す。（a）600℃および（b）

ラミックス協会第27回秋季シンポジウム講演予稿

800℃で焼成した粒子の表面はまだ滑らかな部分を維持

集，1L26，(2014).

しており、表面には酸化皮膜が形成されていると思われ

6)西川智洋，前田朋之，星山泰宏，山口明良:第72回る。このような外観に対して、（c）1000℃焼成では表原料専門委員会講演要旨集，pp.75，(2014).

面が凹凸に変化し、（d）1200℃焼成では網目形状の物質に覆われた。これは酸化皮膜が破られたことで生成したと考えられる。（e）1400℃焼成では粒子表面に孔が生成して崩壊が始まっていた。
（f）1500℃焼成ではこの崩壊がさらに進んでいることが観察された。
（主任研究員3
CERAMICSOKAYAMA西川智洋）