JP5863447B2 - ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の製造方法及びＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体 - Google Patents

Description

本発明は、中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を製造する方法、及び中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体に関する。

ＳｉＣ／Ｓｉ（炭化ケイ素／シリコン）複合材料からなるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体は、軽量で剛性が高く熱膨張が小さいという優れた特性を有し、半導体製造装置や液晶製造装置など精密機器の構成品に使用されている。

中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を作製する場合には、接合面に溝を形成した部材を接合する必要がある。従来、接合面に溝を形成したＳｉＣ多孔質体を有機バインダで接着し、これに溶融Ｓｉを含浸させる方法（例えば、特許文献１参照）、金属箔等のろう材を使用して接合面に溝を形成したＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を接合する方法などによって、中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得ていた。

特開２００８−５０１８１号公報

しかしながら、有機バインダで接着したＳｉＣ多孔質体に金属Ｓｉを含浸させる方法では、溶融Ｓｉは凝固すると膨張するため、降温時にＳｉＣ多孔質体から金属Ｓｉが染み出し、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の内部空間が閉塞される可能性がある。

一方、ろう材を使用して接合する方法では、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体とろう材との熱膨張差が大きく濡れ性も良好ではないので、接合強度が著しく低下するという問題がある。

本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、内部空間が閉塞する可能性がなく、有機バインダで接着した場合と接合強度が同程度である、中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得ることが可能なＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の製造方法、及びＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を提供することを目的とする。

本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の製造方法は、ＳｉＣ多孔質体の接着面に形成した溝に、内部空間を有し、前記ＳｉＣ多孔質体より気孔率が低いＳｉＣ体を埋め込み、前記ＳｉＣ多孔質体同士を接着させた後、溶融Ｓｉを含浸させて中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得ることを特徴とする。

本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の製造方法によれば、内部空間を有するＳｉＣ体を埋め込んだＳｉＣ多孔質体を接着させた後、溶融Ｓｉを含浸させるので、ＳｉＣ体が埋め込まれて中空構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得ることができる。

ＳｉＣ体はＳｉＣ多孔質体より気孔率が低いため、Ｓｉ含浸時に、ＳｉＣ体の内部空間にＳｉＣ体を介して溶融Ｓｉが浸入し難いので、ＳｉＣ体の内部空間が閉塞される可能性が少ない。なお、ＳｉＣ体の気孔率が５％を超えると、ＳｉＣ体の気孔に含浸した溶融Ｓｉが凝固する際に膨張してＳｉＣ体の内部空間を閉塞する可能性がある。よって、ＳｉＣ体の気孔率は５％以下であることが好ましい。

さらに、ＳｉＣとＳｉとは濡れ性が良好であるので、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体とＳｉＣ体との界面の接合は強固である。さらに、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料とＳｉＣの熱膨張係数は同程度であるので、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体とＳｉＣ体との界面に熱膨張差によるクラックが発生しない。さらに、ろう材を使用して接合されたものと比較して接合強度は優れている。

また、本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の製造方法において、前記ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体のＳｉＣ充填率は３０体積％〜９５体積％である。

ＳｉＣ充填率が３０体積％未満では、熱膨張係数が小さく、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体とＳｉＣ体との界面に熱膨張差によるクラックが生じる。一方、ＳｉＣ充填率が９５％体積を超えると、溶融ＳｉがＳｉＣ多孔質体の空隙全体に染み込まず、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の主に中心部に空隙が残存するので、良好なＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を製造すること自体が困難である。

本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体は、内部空間を有するＳｉＣ体が内部に埋め込まれ、ＳｉＣ充填率が３０体積％〜９５体積％であり、前記ＳｉＣ体の空孔及びＳｉが占める体積割合と比べて空孔及びＳｉが占める体積割合が高いことを特徴とする。

本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体によれば、ＳｉＣとＳｉとは濡れ性が良好であるので、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体とＳｉＣ体との界面の接合は強固である。さらに、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料とＳｉＣの熱膨張係数は同程度であるので、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体とＳｉＣ体との界面に熱膨張差によるクラックが発生しない。

（ａ）は接着前のプリフォーム、（ｂ）は接着後のプリフォーム、（ｃ）はＳｉ含浸後のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体のそれぞれの断面を概略的に示す説明図。

本発明は、図１（ａ）から図１（ｃ）に示すように、プリフォーム（ＳｉＣ多孔質体）１１，１２の接着面にＳｉＣチューブ１３の外形に合せて形成した溝１１ａにＳｉＣチューブ１３を埋め込み、接着剤１４によるプリフォーム１１，１２同士の接着を行った後、溶融Ｓｉを含浸させることによって、中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体１５を製造する方法、及びこれにより得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体１５に関する。

まず、複数のプリフォーム１１，１２を準備する。プリフォーム１１，１２の原料は、ＳｉＣ粉末と有機バインダとからなる。なお、原料にカーボン（Ｃ）を添加してもよい。これらの原料を、ボールミル、ヘンシェルミキサー等を用いて乾式混合する。そして、得られた混合物を熱プレス成形して有機バインダを熱硬化させ、プリフォーム１１，１２を作製する。

なお、原材料の配合は、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体１５のＳｉＣ充填率が３０体積％〜９５体積％となるように調整する。なお、ＳｉＣ充填率とは、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料中のＳｉＣの占有率を意味する。

ＳｉＣ充填率が３０体積％未満では、熱膨張係数が小さく、ＳｉＣチューブ１３とＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体１５との界面に熱膨張差によるクラックが生じる。一方、ＳｉＣ充填率が９５％体積を超えると、溶融Ｓｉがプリフォーム１１，１２の空隙全体に行き渡らず、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体１５の主に中心部に空隙が生じるので、良好なＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体１５を製造すること自体が困難である。

ただし、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体１５のＳｉＣ充填率は５０体積％〜９５体積％である。ＳｉＣ充填率が５０体積％以上であれば、熱膨張差によるクラックがより生じ難くなる共に、高剛性となり精密機器の構成品として使用することが可能となる。

次に、プリフォーム１１，１２に適宜な形状に研削、切断加工を施す。このとき、プリフォーム１１の接着面側にＳｉＣチューブ１３が埋め込み可能な溝１１ａを切削加工などによって形成する。

図１（ａ）では、下方のプリフォーム１１にのみ溝１１ａを形成しているが、これに限定されず、上方のプリフォーム１２のみに溝を形成しても、上方のプリフォーム１１にＳｉＣチューブ１３の上側が埋め込み可能な溝を形成すると共に、下方のプリフォーム１１にＳｉＣチューブ１３の下側が埋め込み可能な溝を形成してもよい。

ＳｉＣチューブ１３の気孔率はプリフォーム１１，１２の気孔率より低い。これにより、Ｓｉ含浸時にＳｉＣチューブ１３の内部空間内に溶融Ｓｉが侵入し難くなる。ただし、より好ましくは、ＳｉＣチューブ１３の気孔率は５％以下である。ＳｉＣチューブ１３の気孔率が５％を超えると、気孔に含浸した溶融Ｓｉが凝固する際に膨張し内部空間を塞ぐ可能性がある。

ＳｉＣチューブ１３は、コバレントマテリアル株式会社製のＣＥＲＡＳＩＣ（登録商標）などの市販品からなるものであっても、適宜な形状に加工したＳｉＣ成形体を焼結したものであってもよい。

なお、ＳｉＣチューブ１３のような管状のものに限定されず、内部空間を有しＳｉＣからなる任意形状のＳｉＣ体をプリフォームに埋め込むことができる。ＳｉＣ体の内部空間は、ＳｉＣ体の内部で閉じていても、外部と連通していてもよい。さらに、２枚のプリフォーム間に複数のＳｉＣ体を埋め込んでもよく、３枚以上のプリフォームを積層して、それぞれのプリフォーム間にＳｉＣ体を埋め込んでもよい。

プリフォーム１１の溝１１ａにＳｉＣチューブ１３を埋め込んだ後、図１（ｂ）に示すように、接着剤１４を接着面に塗布して、プリフォーム１１，１２の同士を張り合わせる。なお、接着剤１４は、液体フェノールなどの有機バインダにＳｉＣ粉末を添加して調製したものからなる。その後、張り合わせたプリフォーム１１，１２を１５０℃に加熱した状態で１〜２０時間程度保持し、有機バインダを硬化させ、プリフォーム接着体を得る。

次に、このプリフォーム接着体にＳｉ含浸を行う。具体的には、プリフォーム接着体と高純度Ｓｉ塊を入れた炉内を６５０℃〜１４００℃に加熱してプリフォーム接着体の有機バインダを脱脂する。その後、１５５０℃に加熱した真空雰囲気下で１時間〜１０時間保持してプリフォーム接着体中の空孔に溶融Ｓｉを毛細管現象により含浸させる。次に、雰囲気を不活性ガス雰囲気とし１６４５℃で２４時間〜４８時間保持し、ＳｉとＣを反応させる。その後、炉内でゆっくり冷却（炉冷）して降温させる。

これにより、中空構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体１５を得る。なお、非加圧浸透法の代わりに加圧浸透法等によってＳｉ含浸を行ってもよい。

ＳｉＣチューブ１３の気孔率はプリフォーム１１，１２の気孔率より低いので、Ｓｉ含浸時に、ＳｉＣチューブ１３の内部空間にＳｉＣチューブ１３を介して溶融Ｓｉが浸入し難く、ＳｉＣチューブ１３の内部空間が閉塞される可能性が少ない。なお、Ｓｉ含浸時に、ＳｉＣチューブ１３の両端面から溶融ＳｉがＳｉＣチューブ１３の内部空間内に侵入するが、さほどの量ではなく、問題はない。好ましくは、ＳｉＣチューブ１３の両端面をＳｉＣ製の部材で閉塞しておけばよい。

以上のように、プリフォーム１１にＳｉＣチューブ１３を埋め込み、プリフォーム１１，１２同士を接着した後、Ｓｉ含浸を行うことで、ＳｉＣチューブ１３が埋め込まれて中空構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体１５を得ることができる。

そして、プリフォーム１１，１２同士を接着剤１４で接着した後にＳｉ含浸しているので、接合強度は優れている。また、ＳｉＣとＳｉとは濡れ性が良好であるので、ＳｉＣチューブ１３とＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体１５との界面の接合は強固である。また、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料とＳｉＣの熱膨張係数は同程度であるので、ＳｉＣチューブ１３とＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体１５との界面に熱膨張差によるクラックが発生しない。

以下、本発明の実施例及び比較例を具体的に挙げ、本発明を詳細に説明する。

〔実施例１〕
ＳｉＣ粉末（信濃電気製錬株式会社製のＧＰ＃５００、 平均粒径３０μｍ）１００質量％に有機バインダとしてフェノール樹脂粉末（ＤＩＣ株式会社製のＯＩ−３０５Ａ）を１５質量％添加し、ヘンシェルミキサーを毎分１５００回転で４分間運転させて混合した。

次に、この混合物を成形型に充填して、１５０℃に加熱してプレス圧力３０ｋｇ／ｃｍ^２を印加した状態を１時間保持して熱プレス成形を行った。これにより、２００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの長方形板状のプリフォーム（ＳｉＣ多孔質体）を２枚作製した。プリフォームの気孔率は２０％であった。

次に、外形長さ１７０ｍｍ、外形幅２０ｍｍ、外形高さ１０ｍｍ、肉厚３ｍｍの矩形管状で気孔率０．１％のＳｉＣチューブを準備した。そして、一方のプリフォームの接着面にこのＳｉＣチューブの外形に合せた溝を加工し、この溝にＳｉＣチューブを埋め込んだ。

他方のプリフォームの接着面には、液体フェノールにＳｉＣ粉末（信濃電気製錬株式会社製のＧＰ＃５００、 平均粒径３０μｍ）を添加して調製した接着剤を適量塗布した。そして、２枚のプリフォームを接着面で張り合わせ、１５０℃に加熱した状態を１２時間保持して接着剤を熱硬化させ、ＳｉＣチューブが内部に埋め込まれたプリフォーム接着体を得た。

次に、このプリフォーム接着体を金属Ｓｉ塊（日本電工株式会社製）とともに炉内に設置し、６５０℃で有機バインダを脱脂して炭化させた後、炉内を真空雰囲気で１５５０℃に加熱した状態を３時間保持することにより、プリフォーム接着体の空隙に溶融Ｓｉを含浸させた。次に、炉内の雰囲気を不活性ガス雰囲気とし１６４５℃で２４時間保持し、ＳｉとＣとを反応させた。その後、炉冷した。

これにより、ＳｉＣチューブが埋め込まれた中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得た。このＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体は、ＳｉＣ充填率が５５体積％であり、熱膨張係数が室温から２００℃までの測定値で２．８５ ×１０^−６[１／Ｋ]であった。

〔比較例１〕
比較例１として、フェノール樹脂粉末の添加量を変更してＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体のＳｉＣ充填率を２５体積％とした以外は実施例と同様にして、中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の作製を試みた。しかし、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体とＳｉＣチューブとの界面にクラックが発生した。なお、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の熱膨張係数は２．４３×１０^−６[１／Ｋ]であった。

〔比較例２〕
比較例２として、ＳｉＣチューブを埋め込まなかったこと以外は実施例と同様にして、中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の作製を試みた。しかし、溶融Ｓｉの浸入によって、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の中空部が閉塞した。

１１，１２…プリフォーム（ＳｉＣ多孔質体）、 １３…ＳｉＣチューブ（ＳｉＣ体）、 １４…接着剤、 １５…ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体。

Claims (3)

1. ＳｉＣ多孔質体の接着面に形成した溝に、内部空間を有し、前記ＳｉＣ多孔質体より気孔率が低いＳｉＣ体を埋め込み、前記ＳｉＣ多孔質体同士を接着させた後、金属Ｓｉを含浸させてＳｉＣ充填率が３０体積％〜９５体積％である中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得ることを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の製造方法。
2. 前記ＳｉＣ体の気孔率は５％以下であることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の製造方法。
3. 内部空間を有するＳｉＣ体が内部に埋め込まれ、ＳｉＣ充填率が３０体積％〜９５体積％であり、前記ＳｉＣ体の空孔及びＳｉが占める体積割合と比べて空孔及びＳｉが占める体積割合が高いことを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体。

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