JP6695436B2 - 炭化ケイ素複合焼結体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
《態様1》
第1の炭素系材料である炭素繊維を含む、炭化ケイ素複合焼結体。
《態様2》
前記第1の炭素系材料が、分散した短繊維の形態であるか、又は織布若しくは不織布の形態である、態様1に記載の炭化ケイ素複合焼結体。
《態様3》
1GHz以上150GHz以下の周波数領域における少なくとも一つの周波数において、複素比誘電率の実部が5以上、200以下であり、複素比誘電率の虚部が1以上、150以下である、態様1又は2に記載の炭化ケイ素複合焼結体。
《態様4》
前記第1の炭素系材料の体積抵抗率が、1×10−6Ω・cm以上、1×103Ω・cm以下である、態様1〜3のいずれか一項に記載の炭化ケイ素複合焼結体。
《態様5》
態様1〜4のいずれか一項に記載の炭化ケイ素複合焼結体を含んで成る、電磁波吸収体。
《態様6》
第1の炭素系材料である炭素繊維と、シリコンナノ粒子及び第2の炭素系材料を少なくとも含有する焼結用組成物とを焼結することを含む、態様1〜4のいずれか一項に記載の炭化ケイ素複合焼結体の製造方法。
《態様7》
前記焼結を、前記焼結用組成物と前記第1の炭素系材料とを加圧成形しながら行う、態様6に記載の製造方法。
《態様8》
前記焼結を、1400℃以上で行う、態様6又は7に記載の製造方法。
《態様9》
前記シリコンナノ粒子の平均粒径が、200nm未満である、態様6〜8のいずれか一項に記載の製造方法。
《態様10》
前記第2の炭素系材料が、直径100nm以上900nm以下のカーボンナノファイバーである、態様6〜9のいずれか一項に記載の製造方法。
《態様11》
前記1の炭素系材料が、短繊維の形態の炭素繊維であるか、又は織布若しくは不織布の形態の炭素繊維である、態様6〜10のいずれか一項に記載の製造方法。
本発明の炭化ケイ素複合焼結体は、第1の炭素系材料である炭素繊維を含む。例えば、本発明の炭化ケイ素複合焼結体は、炭素繊維が層状に存在した炭素繊維層を含んでいてもよい。また、炭素繊維が焼結体全体に分散されていてもよく、この場合、炭素繊維は短繊維の形態であってもよい。炭素繊維が層状に存在した炭素繊維層を含む場合、炭素繊維層は、炭化ケイ素にサンドイッチされていてもよく、炭素繊維層中の繊維間に炭化ケイ素が入り込んでいる形態で存在していてもよい。この場合、炭素繊維が、炭化ケイ素中に分散して存在しているのではなく、炭素繊維が織布又は不織布の形態で存在していることが好ましい。また、炭素繊維が焼結体全体に分散されている場合、炭素繊維の存在比が異なる複数の層が存在していてもよく、焼結体の中で炭素繊維の比率が、焼結体中の位置によって異なっていてもよい。
本発明の炭化ケイ素複合焼結体の製造方法は、1つの態様において、第1の炭素系材料である炭素繊維と、平均粒径が200nm未満であるシリコンナノ粒子及び第2の炭素系材料である炭素系材料を少なくとも含有する焼結用組成物とを焼結することによって、炭化ケイ素複合焼結体を得る。
本発明の製造方法は、焼結用組成物と第1の炭素系材料とを焼結することを含む。この焼結工程では、焼結用組成物及び第1の炭素系材料以外の第3の成分を一緒に焼結してもよい。
本発明の製造方法は、焼結用組成物と第1の炭素系材料とを所定の形状に加圧成形する工程をさらに含んでいてもよい。加圧成形手段としては、焼結用組成物及び第1の炭素系材料を金型に投入し、これを加圧成形する一軸加圧成形法、ホットプレス法、冷間等圧加圧法(CIP法)等を挙げられる。
焼結用組成物は、シリコンナノ粒子と第2の炭素系材料とを少なくとも含有する。この焼結用組成物は、シリコンナノ粒子と第2の炭炭素系材料との粉体状であってもよく、ペースト状であってもよく、分散液の状態であってもよい。
シリコンナノ粒子を用いることで、比較的低い焼結温度で炭化ケイ素焼結体を得ることができる。理論に限定されないが、低い焼結温度で炭化ケイ素が得られる理由は、平均粒径が小さなシリコンナノ粒子を用いる、第2の炭素系材料との反応サイトが増大し、それにより反応が進行しやすいためと考えられる。
焼結用組成物は、焼結工程においてシリコンナノ粒子に由来するシリコンと反応して炭化ケイ素を生成させることを目的として、第2の炭素系材料を含む。第2の炭素系材料としては、焼結されることでシリコンと反応して炭化ケイ素を生成する材料であれば特に限定されない。そのような第2の炭素系材料としては、例えば有機系ポリマー、カーボンブラック、グラフェン、活性炭、黒鉛、アセチレンブラック、炭素繊維等を挙げることができる。また、この中でも特に、炭素繊維、カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーを挙げることができる。カーボンナノファイバーとしては、特開2010−013742号公報に記載の繊維を挙げることができる。この文献は、参照により本明細書に取り込まれる。
焼結用組成物は、本発明の炭化ケイ素複合焼結体に所望の物性を付与することを目的として第1の炭素系材料以外の第3の成分を含むことができる。第3の成分は、単一の材料を選択して用いてもよいし、2つ以上の複数の材料を選択し用いてもよい。この組成物に含まれる第3の成分としては、本発明の炭化ケイ素複合焼結体に所望の物性を付与することを目的とした材質を選択することができる。したがって、第3の成分としては、例えば、導電性材料、絶縁性材料、結着剤等が挙げられる。
《製造例》
〈実施例1〉
Nanogram(商標)のホウ素ドープSiナノ粒子含有ペースト(ホウ素ドーパント、平均粒径20nm、品番:nSol−3202)10g(0.0427mol)に、第2の炭素系材料であるカーボンナノファイバー(CNF、平均直径250nm)を、Si:C=50:50(モル比)となるように添加し、第1の混合物を得た。
第1の炭素系材料である炭素繊維の不織布を使用しなかったこと以外は、実施例1と同様にして、炭化ケイ素複合焼結体を得た。
第2の炭素系材料であるカーボンナノファイバーを、炭素繊維(東邦テナックス製、繊維長6mm、体積抵抗率1.6×10−3Ω・cm、直径7μm)に変更したこと以外は、実施例1と同様にして炭化ケイ素の複合焼結体を得た。
実施例1の第1の混合物に、さらにα-SiC粒子(屋久島電工株式会社製、OY−12)を添加し、焼結用組成物の固形分量のうちα-SiC粒子が占める割合を80重量%となるように、第2の混合物を得た。実施例1と同様の手法で、撹拌、脱泡、及び溶媒の留去を実施して焼結用組成物を調製し、そしてこれを焼結することによって、実施例3の炭化ケイ素の複合焼結体を得た。
実施例1の第1の混合物の固形分100質量部に対して、11.1質量部の短繊維の形態の炭素繊維(東邦テナックス製、繊維長6mm)を第1の炭素系材料の一部として添加し、第2の混合物を得た。実施例1と同様の手法で、撹拌、脱泡、及び溶媒の留去を実施して焼結用組成物を調製し、そしてこれを焼結することによって、実施例4の炭化ケイ素の複合焼結体を得た。
炭素繊維不織布を使用しなかったこと、すなわち第1の炭素系材料として短繊維の形態の炭素繊維のみを使用したこと以外は、実施例4と同様にして炭化ケイ素の複合焼結体を得た。
第2の炭素系材料であるカーボンナノファイバーを、炭素繊維(日本グラファイトファイバー株式会社製、XN100−2M、繊維長250μm、熱伝導率900W/(m・K)、体積抵抗率1.5×10−6Ω・cm、直径10μm)に変更したこと以外は、実施例5と同様にして炭化ケイ素の複合焼結体を得た。
実施例1の第1の混合物に、α-SiC粒子(屋久島電工株式会社製、OY−12)を添加し、焼結用組成物の固形分量のうちα-SiC粒子が占める割合が80重量%となるように焼結用組成物を得た。さらに、実施例1の第1の混合物の固形分100質量部に対して11.1質量部の短繊維の形態の炭素繊維(日本グラファイトファイバー株式会社製、XN100−2M、繊維長200μm)を第1の炭素系材料として添加し、第2の混合物を得た。実施例1と同様の手法で、撹拌、脱泡、及び溶媒の留去を実施して焼結用組成物を調製し、そしてこれを焼結することによって、実施例7の炭化ケイ素の複合焼結体を得た。
実施例1の第1の混合物の固形分100質量部に対して第1の炭素系材料として25.0質量部の炭素繊維を添加したこと以外は、実施例7と同様にして、実施例8の炭化ケイ素の複合焼結体を得た。
実施例1の第1の混合物の固形分100質量部に対して第1の炭素系材料として42.9質量部の炭素繊維を添加したこと以外は、実施例7と同様にして、実施例9の炭化ケイ素の複合焼結体を得た。
実施例1〜9並びに比較例1及び2で得た炭化ケイ素複合焼結体の複素誘電率を、同軸管法によって測定したSパラメータを用いて、ニコルソンロス法により算出した。Sパラメータの評価では、ネットワークアナライザ(E8363B、アジレントテクノロジー社製)により、0.5GHz−18GHzの周波数帯域の測定を行った。
実施例1〜9の炭化ケイ素複合焼結体は、複素比誘電率の実部と虚部の値が比較的高い一方、比較例1及び2の炭化ケイ素複合焼結体は複素比誘電率の実部と虚部の値が比較的低いことから、炭化ケイ素複合焼結体が、炭素繊維を含むことにより、高周波数領域における電磁波吸収体として好適に用いることができることが理解できる。
実施例1〜9の複合焼結体は、複素比誘電率の実部と虚部の値が比較的高く、高周波数領域における電磁波吸収体として好適に用いることができることが理解できる。
《評価》
実施例1及び実施例2で得た炭化ケイ素複合焼結体の伝送減衰率をネットワークアナライザ(E8363B、アジレントテクノロジー社製)より、マイクロストリップライン上で測定周波数帯域は10MHz−6GHzで測定した。
実施例1及び実施例2の複合焼結体は、少なくとも2.5GHzから6GHzにわたって、10dB以上の伝送減衰を示し、高い電磁波吸収特性を有することが確認できた。一方で、比較例1では、2.5GHzから6GHzの領域において、あまり伝送減衰率を示さず、高周波の電磁波吸収特性を有するが、実施例1及び2に比べて低くなった。
《製造例》
〈参考例1〉
この例では、シリコン(Si)ナノ粒子とカーボンブラック(CB)を用いてSiCを製造した。Siナノ粒子としては、Nanogram(商標)Siナノ粒子(ドーパントなし、平均粒径20nm、品番:nSol−3002)含有インクを用いた。このSiナノ粒子含有インクに、Siと炭素とのモル比が50:50となるように、カーボンブラック(電気化学工業製、デンカブラック 75%プレス品)を添加して、Si/CB混合インクを得た。熱重量測定−示差熱分析装置(TG−DTA、NETZSCH製 仕様:STA 449F1 Jupiter)用のアルミナ坩堝に、このSi/CB混合インクを添加し、溶媒を乾燥させてSi/CB粉末を得た。
Siナノ粒子の代わりに、粉砕法によって得られたミクロンオーダーのSi粒子(日新化成製 粒径0.3〜3.0μm)を用いたこと以外は、参考例1と同様にしてβ−SiCを得た。
Nanogram(商標) ホウ素ドープSiナノ粒子含有ペースト(ホウ素ドーパント、平均粒径20nm、品番:nSol−3202)10g(0.0427mol)に、カーボンナノファイバー(CNF、平均粒径250nm)を、Si:C=50:50(モル比)となるように添加し、混合物を得た。
Si:Cのモル比を、75:25に変更したこと以外は、参考例2と同様にしてβ−SiCを得た。
Si:Cのモル比を、25:75に変更したこと以外は、参考例2と同様にしてβ−SiCを得た。
カーボンナノファイバーを、カーボンブラック(電気化学工業製、デンカブラック 75%プレス品)に変更したこと以外は、参考例2と同様にしてβ−SiCを得た。
カーボンナノファイバーを、カーボンブラック(電気化学工業製、デンカブラック 75%プレス品)に変更したこと以外は、参考例3と同様にしてβ−SiCを得た。
カーボンナノファイバーを、カーボンブラック(電気化学工業製、デンカブラック 75%プレス品)に変更したこと以外は、参考例4と同様にしてβ−SiCを得た。
Nanogram(商標) ホウ素ドープSiナノ粒子含有ペーストを、Nanogram(商標)Siナノ粒子(ドーパントなし、平均粒径20nm、品番:nSol−3002)含有インクに変更したこと以外は、参考例2と同様にしてβ−SiCを得た。
参考例1及び比較参考例1については、DTA曲線で吸熱ピークが観測される温度、すなわちSiナノ粒子とCBとが反応する温度を確認した。
上記の評価結果を、表1に示す。
Claims (11)
- 第1の炭素系材料である炭素繊維を含む炭化ケイ素複合焼結体を含んで成る、電磁波吸収体。
- 前記第1の炭素系材料が、分散した短繊維の形態であるか、又は織布若しくは不織布の形態である、請求項1に記載の電磁波吸収体。
- 1GHz以上150GHz以下の周波数領域における少なくとも一つの周波数において、複素比誘電率の実部が5以上、200以下であり、複素比誘電率の虚部が1以上、150以下である、請求項1又は2に記載の電磁波吸収体。
- 前記第1の炭素系材料の体積抵抗率が、1×10−6Ω・cm以上、1×103Ω・cm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電磁波吸収体。
- 第1の炭素系材料である炭素繊維と、シリコンナノ粒子及び第2の炭素系材料を少なくとも含有する焼結用組成物とを焼結して炭化ケイ素複合焼結体を製造することを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電磁波吸収体の製造方法。
- 前記焼結を、前記焼結用組成物と前記第1の炭素系材料とを加圧成形しながら行う、請求項5に記載の製造方法。
- 第1の炭素系材料である炭素繊維と、シリコンナノ粒子及び第2の炭素系材料を少なくとも含有する焼結用組成物とを焼結して炭化ケイ素複合焼結体を製造することを含み、前記焼結を、前記焼結用組成物と前記第1の炭素系材料とを加圧成形しながら行う、電磁波吸収体の製造方法。
- 第1の炭素系材料である炭素繊維と、シリコンナノ粒子及び第2の炭素系材料を少なくとも含有する焼結用組成物とを焼結して炭化ケイ素複合焼結体を製造することを含み、前記第1の炭素系材料が、短繊維の形態の炭素繊維であるか、又は織布若しくは不織布の形態の炭素繊維である、電磁波吸収体の製造方法。
- 前記焼結を、1400℃以上で行う、請求項5〜8のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記シリコンナノ粒子の平均粒径が、200nm未満である、請求項5〜9のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記第2の炭素系材料が、直径100nm以上900nm以下のカーボンナノファイバーである、請求項5〜10のいずれか一項に記載の製造方法。
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