陶瓷碳復(fù)合材的特性控制方法和陶瓷碳復(fù)合材的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及作為石墨和陶瓷的復(fù)合材的陶瓷碳復(fù)合材的特性控制方法以及陶瓷 碳復(fù)合材。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，碳材為低比重，并且耐熱性、耐腐蝕性、滑動性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、加工性優(yōu) 異，在半導(dǎo)體、冶金、機(jī)械、電氣、原子能等領(lǐng)域被廣泛利用。
[0003] 但是，碳材通常存在耐氧化性和強(qiáng)度方面差的問題。為了解決該問題，對與陶瓷等 其它材料的復(fù)合化進(jìn)行了研宄。
[0004] 作為將碳材和陶瓷材復(fù)合化的例子，在石墨基材上利用氣相反應(yīng)或熔融反應(yīng)覆蓋 SiC、TaC而得到的覆蓋SiC的石墨復(fù)合材，作為由化學(xué)蒸鍍法得到的化合物半導(dǎo)體制造用 的基座而被利用。這些制品具有耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性，防止石墨顆粒的發(fā)塵，但是沒有提高 強(qiáng)度，制造成本也高，因此被限定于基座等的用途。另外，三維地均勻覆蓋復(fù)雜形狀的石墨 基材在技術(shù)上是困難的。
[0005] 另一方面，開發(fā)了使熔融硅以高溫含浸在多孔碳中，激發(fā)燃燒合成反應(yīng)，將多孔碳 的氣孔內(nèi)部SiC化而得到的SiC/碳復(fù)合材（參照專利文獻(xiàn)1)。該復(fù)合材可以以加工成螺 栓、螺母這樣的比較簡單的三維形狀的多孔碳材為基礎(chǔ)，形成為同時復(fù)合品，但含浸材特有 的致密性差，表面粗糙，成本也高，目前沒有被利用。
[0006] 另外，最近開發(fā)了混合平均粒徑10~100nm的SiC超微粉末和石墨顆粒，通過等 離子體放電燒結(jié)，致密化成高密度而得到的C 一 SiC燒結(jié)體（參照專利文獻(xiàn)2)。報告了該 復(fù)合材含有1~95重量％的SiC，相對密度為70~99. 5%，彎曲強(qiáng)度為100~350MPa這 樣的高值。但是，其是均勻混合SiC顆粒和碳顆粒而得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)，不是通過利用陶瓷分 離形成碳顆粒彼此的界面的概念而得到的材料。另外，陶瓷被限定為SiC。
[0007] 在碳復(fù)合材中，在碳纖維的織物中含浸瀝青進(jìn)行燒制得到的C/C復(fù)合物、含浸樹 脂得到的復(fù)合材被廣泛地利用，雖然強(qiáng)度優(yōu)異，但都沒有改善耐氧化性，在空氣中高溫下的 使用受到限制。另外，表面粗糙，加工也困難，制造上需要長的時間。
[0008] 因此，本申請人開發(fā)了在碳質(zhì)材料之間形成陶瓷的界面層，上述陶瓷的界面層具 有在碳質(zhì)材料之間連續(xù)的三維網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的陶瓷碳復(fù)合材（參照專利文獻(xiàn)3)。該復(fù)合材與陶 瓷相比，重量輕，且耐氧化性、耐發(fā)塵性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、強(qiáng)度、致密性等優(yōu)異，具有能夠解 決上述現(xiàn)有技術(shù)的課題的特性。但是，為了使碳質(zhì)材料和陶瓷材強(qiáng)力地接合，制造工藝的自 由度受到制限，因此難以進(jìn)行用于控制特性的作為常規(guī)方法的制造條件的調(diào)整，難以進(jìn)行 復(fù)合材的特性的控制。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0010] 專利文獻(xiàn)
[0011] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開昭60 - 25569號公報
[0012] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2004 - 339048號公報
[0013] 專利文獻(xiàn)3 :日本特開2011 - 051867號公報
【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 發(fā)明所要解決的課題
[0015] 本發(fā)明的目的在于：提供對在碳質(zhì)材料之間形成有陶瓷的界面層、上述陶瓷的界 面層具有在碳質(zhì)材料之間連續(xù)的三維網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的陶瓷碳復(fù)合材控制特性的方法和特性已 被控制的陶瓷碳復(fù)合材。
[0016] 用于解決課題的方法
[0017] 本發(fā)明的第1方面的陶瓷碳復(fù)合材的特性控制方法的特征在于，該陶瓷碳復(fù)合材 在碳質(zhì)材料之間形成有陶瓷的界面層，上述陶瓷的界面層具有在碳質(zhì)材料之間連續(xù)的三維 網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，該控制方法通過特定選擇上述碳質(zhì)材料的形狀、硬度和石墨化度中的至少1個， 來控制陶瓷碳復(fù)合材的特性。
[0018] 本發(fā)明的第2方面的陶瓷碳復(fù)合材的特征在于：在碳質(zhì)材料之間形成有陶瓷的界 面層，上述陶瓷的界面層具有在碳質(zhì)材料之間連續(xù)的三維網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，上述碳質(zhì)材料為碳纖 維。
[0019] 發(fā)明效果
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的特性控制方法，能夠不依賴制造條件的調(diào)整，通過選擇適當(dāng)?shù)奶假|(zhì) 材料，對陶瓷碳復(fù)合材的特性進(jìn)行控制。
[0021] 另外，根據(jù)本發(fā)明，通過調(diào)整碳纖維的物性、纖維長等，能夠得到容易控制特性的 陶瓷碳復(fù)合材。
【附圖說明】
[0022] 圖1為表示本發(fā)明的一個實(shí)施方式的陶瓷碳復(fù)合材的截面示意圖。
[0023] 圖2為表示本發(fā)明的實(shí)施例中的陶瓷碳復(fù)合材的截面的掃描電子顯微鏡照片。
[0024] 圖3為表示本發(fā)明的實(shí)施例中的陶瓷碳復(fù)合材的截面的掃描電子顯微鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 以下通過具體的實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行說明，但本發(fā)明不限定于以下的實(shí)施方 式。
[0026] 圖1為表示本發(fā)明的實(shí)施方式中的陶瓷碳復(fù)合材的截面示意圖。
[0027] 如圖1所示，陶瓷碳復(fù)合材1通過在石墨或含有石墨的碳顆粒2彼此之間配置陶 瓷界面層3而形成。陶瓷界面層3在碳顆粒2之間形成連續(xù)的三維網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。構(gòu)成陶瓷界 面層3的陶瓷材料的耐氧化性、耐熱性、耐磨損性、強(qiáng)度等優(yōu)異，因此陶瓷界面層3通過形成 連續(xù)的三維網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，能夠提高陶瓷碳復(fù)合材1中的這些特性。
[0028] 碳質(zhì)材料2可以適當(dāng)使用將來自石油、煤炭的生焦炭、煅燒焦炭、針狀焦炭等的焦 炭類、木炭、煙灰、玻璃狀碳之類的石墨化度比較低的碳材料形成顆粒狀而得到的物質(zhì)、或 者將由鱗狀石墨、鱗片狀石墨、土狀石墨等構(gòu)成的天然石墨、以焦炭、中間相小球體為原料 的人造石墨等石墨化度比較高的碳材料形成顆粒狀而得到的物質(zhì)等。通過使用適當(dāng)特定這 些碳質(zhì)材料的形狀、硬度和石墨化度而得到的材料，能夠控制陶瓷碳復(fù)合材1的特性。碳質(zhì) 材料2的平均顆粒徑（d50)優(yōu)選為50nm~500 y m左右，更優(yōu)選為1 y m~250 y m左右，進(jìn) 一步優(yōu)選為5 ym~100 ym左右。碳質(zhì)材料2的平均顆粒徑（d50)過小時，有凝集的可能 性，碳質(zhì)材料2過于凝集時，有時陶瓷碳復(fù)合材1不能得到碳的特性。另一方面，碳質(zhì)材料2 的平均顆粒徑（d50)過大時，有時燒制的陶瓷碳復(fù)合材1的強(qiáng)度下降。多個碳質(zhì)材料2可 以只包括1種碳質(zhì)材料2,也可以包括多種碳質(zhì)材料2。
[0029] 另外，碳質(zhì)材料2可以使用長徑比（平均長軸直徑/平均短軸直徑）為1. 5~20 的材料。在形成具有三維網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的陶瓷碳復(fù)合材1時，使用具有上述長徑比的碳質(zhì)材料2 而形成時，碳質(zhì)顆粒2在長軸的方向上取向，與陶瓷界面層3 -起產(chǎn)生各向異性，由此能夠 使陶瓷碳復(fù)合材1的特性成為各向異性。長徑比低于1. 5時，上述的各向異性難以表現(xiàn)，在 高于20時，碳質(zhì)材料2發(fā)生破損的危險性變大。
[0030] 碳質(zhì)材料的平均長軸直徑和平均短軸直徑例如可以利用電子顯微鏡進(jìn)行觀察而 測定。例如，測定100個左右的碳質(zhì)材料2的長軸直徑和短軸直徑，由這些值算出平均長軸 直徑和平均短軸直徑，可以求出長徑比。通過圖像處理可以求得平均長軸直徑和平均短軸 直徑。
[0031] 作為長徑比為1. 5~20的碳質(zhì)材料，可以列舉柱狀的物質(zhì)、纖維狀的物質(zhì)等。
[0032] 碳質(zhì)材料2可以使用粒度分布寬的顆粒狀碳。在使用粒度分布窄的碳質(zhì)材料2的 情況下，以均勻的厚度形成陶瓷界面層3,因此材料中的特性穩(wěn)定，但使用粒度分布寬的顆 粒狀碳的情況下，陶瓷界面層3的厚度也變得不均勻，因此材料中的一部分中特性不同，能 夠在使機(jī)械特性等降低的方向進(jìn)行控制。
[0033] 碳質(zhì)材料2的粒度分布（即粒徑分布）可以通過電子顯微鏡的圖像解析、激光衍 射式粒度分布測定裝置等求得。
[0034] 另外，優(yōu)選使用碳質(zhì)材料2的石墨化度為20~100%的材料，在選擇石墨化度比較 低的碳質(zhì)材料2時，能夠提高陶瓷碳復(fù)合材1的硬度、彎曲強(qiáng)度等機(jī)械特性和導(dǎo)熱率的熱特 性，通過選擇石墨化度高的碳質(zhì)材料，能夠提高陶瓷碳復(fù)合材1的導(dǎo)電率等電特性。石墨化 度低于20%時，在電特性、熱特性方面難以表現(xiàn)陶瓷碳復(fù)合材1的特征。
[0035] 碳質(zhì)材料2的石墨化度通過利用X射線衍射測定石墨結(jié)晶的（002)面間隔而求 得。
[0036] 參考文獻(xiàn)；Houska C R, Warren B E.
[0037] X-ray study of the graphitization of carbon black. J Appl Phys 1954 ； 25(12) : 1503-10.
[0038] 另外，作為碳質(zhì)材料2,使用硬度不同的碳質(zhì)材料，可以控制陶瓷碳復(fù)合材的特性。 作為硬度不同的碳質(zhì)材料，例如可以使用石墨化度不同的碳質(zhì)材料等。
[0039] 另外，作為碳質(zhì)材料2,可以使用碳纖維。碳纖維是機(jī)械特性、電特性和熱特性在纖 維長度方向極度偏向的碳材料，可以成為適于表現(xiàn)陶瓷碳復(fù)合材1的各向異性的材料。作 為碳纖維，可以選擇PAN系、瀝青系、氣相成長碳纖維等與特性對應(yīng)的適當(dāng)?shù)奶疾牧稀?br>[0040] 碳纖維的平均纖維直徑優(yōu)選為1~100 y m，在小于1 y m時，難以表現(xiàn)機(jī)械特性， 在大于100 ym時，存在難以形成陶瓷碳復(fù)合材1的危險。另外，碳纖維的平均纖維長優(yōu)選 為20~5000 ym，更優(yōu)選為20~3000 ym。在小于20 ym時，難以表現(xiàn)各向異性，在大于 5000 y m時，難以形成陶瓷碳復(fù)合材1，另外也有碳纖維在中途破斷的危險。平均纖維長優(yōu) 選為大于纖維直徑的尺寸。關(guān)于具有這些平均纖維直徑和平均纖維長的碳纖維，可以優(yōu)選 使用短切纖維、磨斷纖維。
[0041] 使用碳纖維作為碳質(zhì)材料2的陶瓷碳復(fù)合材1優(yōu)選相對密度為90%以上。目前不 存在使用具有纖維狀的形狀的碳纖維而具有三維網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的陶瓷碳復(fù)合材1，不能得到靈 活運(yùn)用了碳纖維的優(yōu)異特性的陶瓷碳復(fù)合材1，本發(fā)明通過使相對密度為90%以上、優(yōu)選 為90~99%，能夠?qū)⑻祭w維和陶瓷強(qiáng)力地一體化，能夠得到具有陶瓷的特性并且靈活運(yùn)用 了碳纖維的特性的陶瓷碳復(fù)合材1。
[0042] 另外優(yōu)選含有50體積％以上的上述碳纖維，進(jìn)一步優(yōu)選以50~80體積％的范圍 含有。碳纖維小于50體積％時，難以表現(xiàn)碳纖維的特性，另外難以得