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炭化ホウ素セラミックスおよびその製造方法 外国出願あり

国内特許コード P09A014523
整理番号 DP1302
掲載日 2009年5月29日
出願番号 特願2007-239028
公開番号 特開2009-067642
登録番号 特許第5057327号
出願日 平成19年9月14日(2007.9.14)
公開日 平成21年4月2日(2009.4.2)
登録日 平成24年8月10日(2012.8.10)
発明者
  • 廣田 健
  • 中山 賀博
  • 中根 慎護
出願人
  • 学校法人同志社
発明の名称 炭化ホウ素セラミックスおよびその製造方法 外国出願あり
発明の概要

【課題】より生産性が高く、かつ、機械的特性に優れた炭化ホウ素セラミックスおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】炭化ホウ素セラミックスであって、非晶質Bと、非晶質Cと、焼結助剤であるAl2O3粉体からなる出発原料より構成され、さらに、前記出発原料に対してカーボンナノファイバーを略均質に分散させた状態で含み、焼結体の炭化ホウ素セラミックスとしての略相対密度が99%以上であるものとする。カーボンナノファイバーは、3~15vol.%、炭化ホウ素に対して内割りで含むことがより好ましい。上記炭化ホウ素セラミックスは、上記出発原料とカーボンナノファイバーとの混合粉体を、放電プラズマ焼結法を用いて合成同時焼結することにより調製されることが好ましい。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


炭化ホウ素セラミックスは、軽量,高強度(一例によれば曲げ強度323-430MPa),高硬度(一例によればビッカース硬度27.4-34.3GPa),高融点(一例によれば2400°C),高弾性率(一例によればヤング率455 GPa),耐食性等の秀れた特性を備えているほか、化学的に安定であり、熱伝導性、電気伝導性が良好なセラミックス材料である。図10に示すのは、この炭素-ホウ素(以下、炭素系を「C」、ホウ素系を「B」とそれぞれ称することとする。)系の相図であり、縦軸は温度(℃)を、横軸はBに対するCの含有比率を示している。
それゆえ、炭化ホウ素セラミックスは、例えばエンジン部品等の高温構造材料として現在注目されているセラミックス材料であり、これまでにも、数々の研究が進められて来ている(非特許文献1等)。



ところで、これまでに得られてきたセラミックスは、金属材料などに比べて耐熱性、耐摩耗性、耐食性などに優れているが、「脆さ」という欠点があり、主として強度面における信頼性に問題を残していた。
そのため、セラミックスの実用化に当たっては、より生産性が高く、更に常温および高温環境下における機械的特性に優れた焼結体およびその製造方法を確立することが切望されている。
現在までに研究されている脆性の改善方法としては、セラミックス自身の焼結密度を製造工程の改善により向上させる外に、i)金属との複合化、ii)粒子分散、iii)繊維との複合化(強化)、等がある。
i)の方法は、複合化した金属の延性すなわち塑性変形を利用して高靭性化するもので、高温構造材料には不適当であり、
ii)の方法は、セラミックスマトリックス中に異種の粒子を分散させるものであり、
iii)は、各種の繊維をセラミックスマトリックスに複合化して高靭化しようとするもので、とりわけ軽量化に有効であって、
複合化する物質の選択の多様さおよび有効性の点からii)およびiii)の研究が現在盛んとなってきている。



これらの内、主相(マトリックス。母相とも言う。)および繊維を構成要素とする、iii)に係る繊維強化型セラミックスは、構成要素であるマトリックスおよび繊維を適当に組み合わせることによって、目的の性能をもつ複合セラミックスを創製することが可能なものであり、近年、特に注目されている。
なお、繊維強化セラミックスに使われる繊維は、耐熱性、高温強度およびマトリックスとの適合性などの条件を満たさなければならないとされる。

【非特許文献1】Boron-doped carbon nano tube prepared throug a substituition reaction Weiqiang Han, Yoshito Bando, Keiji Kurashima, Tadao Sato Chemical Physics Letters 299 (1999) 368-373.

【非特許文献2】B4C分散SiC系複合材料の微細組織と機械的性質、中平敦、 吉田剛, 木島著、 「材料」 (J.Soc.Mat.Sci.,Japan), Vol.47, No.6, pp.571-575, June 1998.

【非特許文献3】Development of functionally graded A1/A1203-B4C by pressure assisted FACS process C. W. WON, J. J. AHN, J. H. LEE JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE LETTERS 21, 2002, 1407-1409.

【非特許文献4】Densification and Mechanical Properties of B4C with A1203 as a Sintering Aid Hae-Won Kim, Young-Hag Koh, and Hyoun-Ec Kim J. Am. Soc., 83 [11] 2863-65(2000).

【非特許文献5】B4C/(W, Mo)B2系硬質材料の機械的性質に及ぼすB添加の影響、横内正洋著、 Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy Vol.48, No.7. 660-664. 2001.

【非特許文献6】SiC-B4C composites for synergistic enhancement of thermoelectoric property Masato Uehara, Ryousuke Shiraishi, Atsushi Nogami, Naoya Enomoto, Junichi Hojo Journal of the European Ceramic Society, 24 (2004) 409-412.

【非特許文献7】Processing and properties of zirconium diboride-based composites F.Monteverde, A.Be11iosi, S.Guicciardi Journal of the European Ceramic Society, 22 (2002) 279-288.

【非特許文献8】B4C-CrB2 composites with improved mechanical properties Suzuya Yamada, Kiyoshi Hirano, Yukihiko Yamauchi, Shuzo Kanzaki Journal of the European Ceramic Society, 23 (2003) 561-565.

【非特許文献9】Densification and mechanical properties of mu11ite / Ti02-coated B4C composites Hailei Zhao, Keisuke Hiragushi, Yasuo Mizota Journal of the European Ceramic Society, 23 (2003) 1485-1490.

【非特許文献10】Microstructure and interface characteristics of B4C, SiC and A1203 reinforced Al matrix composites: a comparative Study K. M. Shorowordi, T.Laoui, A. S. M. A. Haseeb, J. P. Celis, Li Froyen Journal of Materials Processing Technology 142 (2003) 738-743.

産業上の利用分野


本発明は、高温構造材料として有効に使用される炭化ホウ素セラミックスおよびその製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
相対密度が99%以上である炭化ホウ素セラミックスを製造するための方法であって、
非晶質ホウ素(boron)Bと、非晶質炭素(carbon)Cと、焼結助剤である酸化アルミニウムAl2O3粉体からなる出発原料を秤量して準備する工程と、
さらに、炭化ホウ素に対して内割りで3~15vol.%のカーボンナノファイバーを、水またはメタノール中にて分散処理を行った後、前記出発原料に添加する工程と、
前記出発原料及び前記カーボンナノファイバーを水またはアルコール中に分散させて湿式混合を行ったのち乾燥することにより混合粉を得る工程と、
さらに、前記混合粉を放電プラズマ焼結法により加圧しながら加熱昇温し、前記混合粉から直接炭化ホウ素セラミックスを合成同時焼結することによって所望の炭化ホウ素セラミックスを得る工程、
を含むことを特徴とする炭化ホウ素セラミックスの製造方法。

【請求項2】
前記放電プラズマ焼結法による加圧および加熱が、前記混合粉を、10Pa以下の略真空中で、10~100MPaの圧力で加圧しながら、1500~1900℃の温度、および1~60分の条件で加熱する工程からなることを特徴とする請求項1に記載の炭化ホウ素セラミックスの製造方法。
産業区分
  • 窯業
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2007239028thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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