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導電性高強度高硬度コンポジットセラミックス及びその作製法 UPDATE コモンズ

国内特許コード P160013511
整理番号 DP1685
掲載日 2016年11月25日
出願番号 特願2015-025381
公開番号 特開2016-147780
出願日 平成27年2月12日(2015.2.12)
公開日 平成28年8月18日(2016.8.18)
発明者
  • 廣田 健
  • 加藤 将樹
  • 笠原 孝太
出願人
  • 学校法人同志社
発明の名称 導電性高強度高硬度コンポジットセラミックス及びその作製法 UPDATE コモンズ
発明の概要 【課題】導電性を有した高強度高硬度コンポジットセラミックスの作製法の提供。
【解決手段】アルミナ(Al2O3)粉体とカーボンナノファイバー(CNF)を、Al2O3:CNFが体積比で97~95:3~5となるように混合し、混合粉を調製する工程A、前記工程Aで得られた混合粉と窒化チタン(TiN)微粒子を、混合粉:TiNが体積比で96~93:4~7となるようにして湿式混合を行い、乾燥を行ってAl2O3-CNF-TiN粉体を調製する工程B、及び、前記工程Bで得られたAl2O3-CNF-TiN粉体を成形し、更に冷間静水圧プレスにて成形した後、パルス通電加圧焼結法で不活性ガス雰囲気下、昇温速度50℃/min以上、圧力30~60 MPa、1300~1400℃で3~30分の条件にて焼結する工程C、を含む製法である導電性高強度高硬質{(Al)/CNF/TiN}コンポジットセラミックス。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


エンジニアリングセラミックスの1種である酸化アルミニウム(Al2O3)は、金属材料に比較して、軽量(密度D:3.987Mg/m3)で化学的安定性が高く、電気絶緑性(抵抗率ρ:1016Ω・m)で、高ビッカース硬度(Hv:18~20GPa)並びに高い弾性率(E:380GPa)等を有する優れた素材である。しかしながら、Al2O3は脆性であり高硬度であるために、精密加工が困難であり、その応用範囲が限定されている。このセラミックスに、機械的特性を維持または向上させながら、高電気伝導性(低電気抵抗)を付与することができれば放電加工が可能となり、精密加工を行うことが可能となる。
一方、窒化チタン(TiN)は、高融点(Tm:2950℃)、高硬度(ビッカース硬度Hv:20 GPa)、高電気伝導率(σe:3.0x108 S・m-1)を有するが、難焼結性であり、緻密なバルク体を得ることは難しいという問題点がある。



これまでに、Al2O3系セラミックスに導電性を付与させる方法として、例えば下記の特許文献1には、TiN超微粒子が均一に被着した実質的に球状のAl2O3粒子を加圧成形、焼結することにより、Al2O3微粒子間に、TiN超微粒子の連続した相が存在する導電性アルミナ系複合セラミックスが開示されている。
しかしながら、この特許文献1に開示されている複合セラミックスの比抵抗は10-1Ω・mオーダーの値であるので導電性が十分とは言えず、又、導電性を付与させるために一定量以上のTiN超微粒子を被着させる必要があるので、90重量%を超えるAl2O3含有率とすることが難しく、これにより曲げ強度400MPa以上のものを製造することは困難であった。



また、下記の非特許文献1には、TiH2粉末(粒子径6.5μm)とAl2O3微粒子(粒子径0.1μm)とカーボンナノファイバー(CNF: carbon nanofiber、直径150nm、長さ6μm)の混合物を脱水素した後、カプセルフリーN2-HIP(1200℃/20MPa/1h)にて窒化し、その後、得られた粉体を一軸加圧成形し、パルス通電加圧焼結(1500℃/50MPa/10min/Ar)を行うことによって(Al2O3/CNF)/TiNコンポジットを製造することが開示されているが、この方法で得られるコンポジットの曲げ強度σbは400MPa、ビッカース硬度Hvは17.4GPaで、破壊靭性値KICは4.99MPa・m1/2であり、機械的強度が充分ではなかった。
このように、高強度かつ電気導電性を持つセラミックスの作製法は提案されていないのが現状である。

産業上の利用分野


本発明は、導電性高強度高硬度コンポジットセラミックス及び当該コンポジットセラミックスを作製するための方法に関し、特に酸化アルミニウム系コンポジットセラミックス(Al2O3/CNF/TiNコンポジットセラミックス)及びその作製法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
導電性を有した高強度高硬度Al2O3/CNF/TiNコンポジットセラミックスを作製するための方法であって、当該方法が、
工程A:アルミナ(Al2O3)粉体とカーボンナノファイバー(CNF)を、Al2O3:CNFが体積比で97~95:3~5となるように混合し、混合粉を調製する工程、
工程B:前記工程Aで得られた混合粉と窒化チタン(TiN)微粒子を、混合粉:TiNが体積比で96~93:4~7となるようにして湿式混合を行い、乾燥を行ってAl2O3-CNF-TiN粉体を調製する工程、及び
工程C:前記工程Bで得られた Al2O3-CNF-TiN粉体を成形し、更に冷間静水圧プレスにて成形した後、パルス通電加圧焼結法で不活性ガス雰囲気下、昇温速度50℃/min以上、圧力30~60 MPa、1300~1400℃で3~30分の条件にて焼結する工程
を含むことを特徴とする導電性高強度高硬度Al2O3/CNF/TiNコンポジットセラミックスの作製法。

【請求項2】
前記請求項1記載の作製法を用いて作製されたAl2O3/CNF/TiNコンポジットセラミックスであって、電気抵抗率が10-2~10-4Ω・m、曲げ強度が500MPa以上、ビッカース硬度が19GPa以上、破壊靱性値が6.0MPa・m1/2以上、相対密度が98%以上であることを特徴とする導電性高強度高硬度Al2O3/CNF/TiNコンポジットセラミックス。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2015025381thum.jpg
出願権利状態 公開
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