JPH0971468A

JPH0971468A - 導電性複合セラミックス及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0971468A
Application number: JP7245216A
Authority: JP
Inventors: Fubaachieku Miran; フバーチェクミラン; Masanori Ueki; 正憲植木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度で良電導な導電性複合材料およびその
製造方法を提供する。【解決手段】二硼化チタンを５０〜７０ｗｔ％、窒化
硼素を１０〜４５ｗｔ％、窒化アルミニウムを５〜４０
ｗｔ％を含有し、残部が酸化アルミニュウム及び硼素の
酸化物からなり、且つ、残部に存在する硼素の酸化物と
してＢ₆Ｏが原子濃度比でＢ₂Ｏ₃の３．０倍以上である
導電性複合材料。二硼化チタン、窒化硼素、窒化アルミ
ニウムと、金属アルミニュウムまたは／および硼素を混
合し、冷間一軸加圧あるいは／および冷間等方圧加圧成
型し、窒素雰囲気中で焼成することを特徴とする導電性
複合材の製造方法。【効果】本発明による複合材は広範囲で制御可能な導
電度を持ち、高い機械的強度、耐火度そして測定の方向
に依存しない諸特性を持つものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属の蒸着に用い
る抵抗加熱用蒸着ボートあるいはルツボ類に用いられる
導電性セラミックス、及びそれを安価に提供する製造方
法に関するものである。

【０００２】発明の焼結体は、その最も重要な特性であ
る、電気伝導度と耐火度（室温と使用温度で測定された
機械的強度の比）が、広い範囲で制御可能であり、利用
分野は、現在あるもののみに限定されるものでなく、新
しい用途にも対応可能である。

【０００３】

【従来の技術】アルミニウム等の金属類を蒸着するため
のセラミックス製ボートは、導電性成分として二硼化チ
タン（ＴｉＢ₂）、セラミックスに加工性を付与（柔ら
かく）するため六方晶窒化硼素（ＨＢＮ）、及び電気的
特性を安定化するため窒化アルミニウム（ＡｌＮ）など
が添加された成分によって構成されている。

【０００４】それらは難焼結性のため、製造にはホット
プレスあるいは熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）等の加圧焼
結を用いるのが一般的である。その為、製品の形状選択
に自由度が奪われ、製造コストの上昇を招いている。

【０００５】また、それらの焼結体は、上述した３つの
主要成分の他に、開始粉末において既に生成し、かつ焼
結助剤として働く酸化物（殆どＢ₂Ｏ₃）をある程度含
む。

【０００６】それらの酸化物の存在は、蒸着ボートとし
ての使用性能を低下させる。つまり、酸化物の存在は焼
結体の粒成長を促進するばかりでなく、それらの酸化物
と溶融アルミニウムとの反応は、蒸着ボートの溶損・損
耗を加速する。

【０００７】また、さらに、反応生成物である揮発性酸
化物は、真空蒸着用のチャンバーを著しく汚染するなど
の問題があった。

【０００８】すなわち、蒸着用ボートのような高温度で
使用される素材の製造に用いられる化合物は、ほとんど
が高融点であり、これらの素材を焼成・製造する際に溶
融相の存在は期待できない。

【０００９】従って、通常のセラミックスのような常圧
焼成はできず、ホットプレスや熱間等方圧プレス（ＨＩ
Ｐ）のような高価な方法を使わなければ、満足のゆく機
械的性能を有する素材を得ることができない。

【００１０】この問題に加えて、その蒸着ボートの主要
成分である二硼化チタン、そして特に六方晶窒化硼素
は、結晶構造と物理的諸特性の顕著な異方性を持つ物質
である。

【００１１】これらの物質へのホットプレス圧力の一軸
作用は、焼成される素材に、圧力に強く依存する優先
（選択）方位を与え、特に、強度と導電性が加圧方向に
強く依存して変化する等の素材使用上の限定条件を生む
ことになる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】つまり、解決すべき課
題としては、まず高価なホットプレスに依らない常圧焼
成による製造方法を開発することと、素材の異方性を排
除することによる部材製造性の向上を目指すことであ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、導電
性成分（ＴｉＢ₂あるいはそれと同様な化合物）、窒化
硼素及び窒化アルミニウムと、原料粉末と混合する金属
硼素及びアルミニウムが反応により生成するＢＮとＡｌ
Ｎが混在するところの一連の（組成の）複合材に関する
ものである。

【００１４】さらに、本発明による複合材は、導電性を
持ちそして高温用途に特に適した耐火度を持つものであ
る。

【００１５】具体的には、二硼化チタン（ＴｉＢ₂）７
０重量部、窒化硼素（ＢＮ）５〜３０重量部、窒化アル
ミニウム（ＡｌＮ）５〜３０重量部と、金属アルミニュ
ウム（Ａｌ）または／および硼素（Ｂ）３〜１５重量分
を混合し、冷間で１０〜２００ＭＰａの圧力（望ましく
は、３０〜２００ＭＰａ）で一軸加圧あるいは冷間等方
圧加圧成型し、窒素雰囲気中で１５００〜２３００℃
（望ましくは、１８００〜２１００℃）で焼成すること
により製造できる。

【００１６】本発明の焼成体は、二硼化チタン（ＴｉＢ
₂）を５０〜７０ｗｔ％、窒化硼素（ＢＮ）を１０〜４
５ｗｔ％、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を５〜４０ｗｔ
％を含有し、残部が酸化アルミニュウム（Ａｌ₂Ｏ₃）及
び硼素の酸化物からなり、且つ、残部に存在する硼素の
酸化物としてＢ₆Ｏが原子濃度比でＢ₂Ｏ₃の３．０倍以
上である導電性複合材料である。

【００１７】また、このようなセラミックスの製造に
は、通常のプロセスとしてのスプレードライ、鋳込み成
形、押し出し成形あるいは射出成形等の方法も適用可能
である。

【００１８】上述した方法によると、焼結活性に乏しい
原料粉末であっても、その粉末の加圧成形体の焼成に際
して、元素状物質（金属硼素及びアルミニウム）が窒素
と反応し、ＢＮ及びＡｌＮを生成してその成形体のポア
を埋めるといった反応によって焼結が促進される。

【００１９】また、望ましくない硼酸（Ｂ₂Ｏ₃）は、Ｂ
₆Ｏなる化学式をもつ耐火度の高い酸化物に転換され
る。

【００２０】ホットプレスと異なり、焼結中に外部圧力
を加えないので、最終的な焼結体は、ホットプレス焼成
体と比して、機械的強度及び電気伝導度のようなバルク
諸特性の高い等方性を有している。

【００２１】なお、焼成体組成は、二硼化チタン（Ｔｉ
Ｂ₂）が５０ｗｔ％未満だと電気抵抗が高く、７０ｗｔ
％超だと硬く加工性が悪くなり、窒化硼素（ＢＮ）が１
０ｗｔ％未満だと加工性が悪く、４５ｗｔ％超だと強度
が低くなり、窒化アルニウム（ＡｌＮ）が５ｗｔ％未満
だと焼結性が悪く、３０ｗｔ％超だと加工性が悪くな
る。

【００２２】また、製造条件に関しても二硼化チタン
（ＴｉＢ₂）７０重量部に対し、金属アルミニュウム
（Ａｌ）または／および硼素（Ｂ）の重量分が３未満だ
と前記反応効果を充分に享受できず、１５超だと経済性
から望ましくない。

【００２３】成形圧力も、１０ＭＰａ未満だと充分な成
形が出来ず、２００ＭＰａ超だと設備が高価になり、焼
成温度も、１５００℃未満だと充分な焼成が出来ず、２
３００℃超だと設備が高価となり望ましくない。

【００２４】

【実施例】以下本発明を実施例ならびに比較例をもって
詳細に説明する。

【００２５】表１に示す原料粉末を用い、表２に示す試
作を行い、実施例１〜４に示す材料を準備し、比較例１
〜３で示す市販材と性能比較を行った。

【００２６】まず、室温曲げ強度は、本発明による材料
は、常圧焼成による市販材（比較例１及び２）よりもい
ずれも高い値を示し、中でも実施例３及び４で示す材料
は、常圧焼成にもかかわらず市販のホットプレス材より
も高い値を示している。また、高温度での強度低下も比
較的小さいことが示されている。

【００２７】導電性要素であるＴｉＢ₂の量は実施例と
比較例でほぼ同じであるにもかかわらず、比抵抗値は、
本発明による材料で低いことがわかる。

【００２８】特に、実施例４の材料のそれは、比較例３
で示す市販材の１／６の比抵抗値であった。なお、曲げ
強度測定は、ＪＩＳ．Ｒ１６０１及びＪＩＳ．Ｒ１６０
４の３点曲げテスト値であり、電気比抵抗値は、共和理
研４ピン式Ｋ―７０５ＲＤ測定装置を用いた測定値であ
る。

【００２９】次に、実施例１〜４及び比較例１〜３で示
す各材料によりルツボを作製し、その中に粉末状のアル
ミニウムを詰めＡｒガス雰囲気中で１０００℃まで加熱
し、その温度に１０ｈ保持し、冷却後固化したアルミニ
ウム小塊のルツボ接触面を調べたところ、本発明による
実施例１〜４の材料では、金属光沢が保たれた外観であ
ったが、比較例１〜３での接触面は金属光沢が失われ、
酸化アルミニウムに見られるような白濁した色調であっ
た。

【００３０】このことは、本発明における材料中の酸素
が溶融アルミニウムに攻撃されない形に安定化されてい
ることを意味している。

【００３１】上記した諸特性を達成するため、導電性複
合材の新しい製造方法の原理は、反応に促進される焼結
にある。

【００３２】つまり、ＢＮ、Ａ１Ｎ、ＴｉＢ₂（あるい
は他の導電性要素）のような化合物が金属硼素あるいは
アルミニウムのような元素状の物質と混在している。

【００３３】それらの粉末を、まず圧密し成形体を形成
する。次に、それを窒素中で焼成する時、それらの元素
状物質は、窒素と化学反応を起こし、各々相当した窒化
物に転換される。

【００３４】これらの二次窒化物（特にＢＮ）は、元々
原料として混合した化合物のそれよりかなり小さい結晶
粒のものである。

【００３５】それらの元素状の物質は、焼結体の骨格を
強化するように二次窒化物を生成することにより成形体
における気孔をさらに有効に埋め、焼結活性を与えるこ
とによってその焼結過程に寄与する。

【００３６】そして、それらの元素状物質は、それらの
元々存在する化合物結晶粒の表面を、不動態化するよう
に酸化物被膜（例えば、Ｂ₂Ｏ₃）と反応し、その酸化物
を耐火度の高いＢ₆Ｏやアルミナのようなより安定な相
へと転換している。

【００３７】実施例４及び比較例３で示したそれぞれの
材料の破面をＳＥＭ観察した組織写真を、図１及び２に
示す。

【００３８】図１では、元素状物質（硼素とアルミニウ
ム）の反応焼結効果が見られ、開始粉末の結晶粒径より
小さい二次窒化物の超微細結晶粒が生成されている。

【００３９】次に、同様な材料をＥＳＣＡで分析した。
酸素対窒素比の比較から、反応促進常圧焼成（実施例
４）によって準備した材料と市販のホットプレス材（比
較例３）と比べると、そのより高い耐火度を反映して酸
素量が低いことが判明した。

【００４０】また、そのことは、焼結中に酸化物と金属
ＢまたはＡｌが反応し揮発性酸化物が生成され、材料か
ら放出していくことを示している。

【００４１】またこのことは、硼素の結合エネルギープ
ロフィール（ｓｌＢ）を測定し、結合酸素量およびＢ₆
ＯとＢ₂Ｏ₃の比を、実施例と比較例を比較したものから
も明らかである。即ち、表３に示す如く、実施例４で示
した材料の硼酸の量は、比較例３のそれよりも低く、耐
火性酸化物Ｂ₆Ｏと硼酸Ｂ₂Ｏ₃の比も高い。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【表３】

【００４５】

【発明の効果】本発明による複合材は広範囲で制御可能
な導電度を持ち、高い機械的強度、耐火度そして測定の
方向に依存しない諸特性を持つものである。それらは、
実施例として表２に示した通りである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例４の焼成体の組織写真。

【図２】比較例３の焼成体の組織写真。

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【手続補正書】

【提出日】平成７年１２月１３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例４のセラミック材料の組織を表すＳＥＭ
写真。

【図２】比較例３のセラミック材料の組織を表すＳＥＭ
写真。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二硼化チタン（ＴｉＢ₂）を５０〜７０
ｗｔ％、窒化硼素（ＢＮ）を１０〜４５ｗｔ％、窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）を５〜４０ｗｔ％を含有し、残部
が酸化アルミニュウム（Ａｌ₂Ｏ₃）及び硼素の酸化物か
らなり、且つ、残部に存在する硼素の酸化物としてＢ₆
Ｏが原子濃度比でＢ₂Ｏ₃の３．０倍以上であることを特
徴とする導電性複合材料。
【請求項２】二硼化チタン（ＴｉＢ₂）７０重量部、
窒化硼素（ＢＮ）５〜３０重量部、窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）５〜３０重量部と、金属アルミニュウム（Ａ
ｌ）または／および硼素（Ｂ）３〜１５重量分を混合
し、冷間一軸加圧あるいは／および冷間等方圧加圧成型
し、窒素雰囲気中で焼成することを特徴とする導電性複
合材の製造方法。
【請求項３】請求項２において、加圧成形圧力が１０
〜２００ＭＰａであることを特徴とする導電性複合材の
製造方法。
【請求項４】請求項２または請求項３において、焼成
温度が１５００〜２３００℃であることを特徴とする導
電性複合材の製造方法。