JPH0699144B2 - ホウ素、炭素、窒素からなる塊状体およびその製造法 - Google Patents

ホウ素、炭素、窒素からなる塊状体およびその製造法

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JPH0699144B2
JPH0699144B2 JP63079089A JP7908988A JPH0699144B2 JP H0699144 B2 JPH0699144 B2 JP H0699144B2 JP 63079089 A JP63079089 A JP 63079089A JP 7908988 A JP7908988 A JP 7908988A JP H0699144 B2 JPH0699144 B2 JP H0699144B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はホウ素、炭素、窒素からなる塊状体およびその
製造法に関し、耐熱性、化学的安定性、耐熱衝撃性等に
優れた窒化ホウ素の物性とグラファイトの耐薬品性、高
導電性等の物性を併わせ持ち、高温耐食材料、導電性耐
食材料等として各種用途に供すことのできるものであ
る。
[従来技術] 窒化ホウ素は耐熱性、化学的安定性、耐熱衝撃性等には
優れているものの導電性等が劣り、用途によってはこれ
らの物性を併わせ持つものが要求されているにもかかわ
らず、満足できるものが得られていないのが現状であ
る。窒化ホウ素粉末に炭素粉末を添加混合し、焼結によ
り導電性を有する窒化ホウ素物品を得る方法も考えられ
るが、このような例は報告されたことがなく、また、窒
化ホウ素は焼結しにくい材料であり、各種の焼結助剤を
添加する必要があり、物性の低下が避けられない等の問
題がある。また、化学気相析出法(以下CVD法という)
によりホウ素、炭素、窒素からなる均一物を得る試みも
おこなわれており、例えばA.R.Badzinら(Proc.Int.Con
f.Chem.Vap.Dep.3rd.1972,747〜753)はBCl3、CCl3、N2、H
2を用い、CVD法により得ているが、生成物は粉状で得ら
れる。一般にCVD炉内では温度勾配があり、異なった生
成温度域では組成の異なった粉末が生成するため、得ら
れる粉体は組成の異なった粉の混合物となるため、均質
さが要求されるような用途には供すことができず、ま
た、これらの粉は非常に成形するのが困難であり、実用
に供すことができないものであった。
[問題点を解決するための手段] 本発明者らは、かかる従来の問題点に鑑み、鋭意検討の
結果、CVD法において、基体として特定の材料を選ぶこ
とにより、ホウ素、炭素、窒素からなる均一な塊状物を
得ることに成功し、本発明に至ったものである。
すなわち本発明は、本質的にホウ素、炭素、窒素からな
り、CuKα線によるX線回折測定による2θが20〜30°
の範囲に回折ピークを有することを特徴とする塊状体で
あり、その製造法は、ホウ素源ガス、炭素源ガス、窒素
源ガスおよびキャリャーガスからなる混合ガスを金属基
体を保持した反応容器内に導入して反応させ、基体上に
本質的にホウ素、炭素、窒素からなり、CuKα線による
X線回折測定による2θが20〜30°の範囲に回折ピーク
を有する塊状体を形成する方法である。本発明の塊状物
は窒化ホウ素と炭素の固溶体であるか、窒化ホウ素マト
リックス中に炭素が均一に分散した連続相からなるもの
であるのかは定かでないところであるが、いずれにして
も連続相となっているのが特徴であり、窒化ホウ素と炭
素との混合粉末を焼結したものとは全く異なるものであ
る。また、本発明の塊状物は本質的にホウ素、炭素、窒
素からなるものであるが、原料ガスに由来する水素が含
まれるるものとなる。ホウ素、炭素、窒素の比は原子比
でホウ素、窒素はほぼ1:1であり、残部が炭素である。
炭素量は特に制限されないが、導電性を付与するために
は実用上0.1%(重量)以上が好ましく、また、炭素含
有量があまりに大きくなりすぎると窒化ホウ素の物性が
十分に発揮されないため、80%(重量)以下が好まし
い。
かかる本発明の塊状物はCVD法において特定の基体を選
ぶことによりはじめて得られるものであり、基体として
は、金属、特に遷移金属が好ましく銅、ニッケル等およ
びこれらの合金が挙げられる。合金のうち鉄を含むもの
は塊状物形成には有効であるものの、鉄分が塊状物へ移
行する傾向があるため、鉄分の存在により悪影響を受け
るような用途の場合には使用を避けるべきである。基体
として、CVD法においてはグラファイト、石英が、用い
られるが、グラファイトの場合、得られる化合物は全く
膜状態となることがなく、粉末物質しか得られない。ま
た石英の場合には、反応の初期において、極めて薄い膜
が該基体上に生成するが、せいぜい1μm程度の厚みし
かなく、これ以上厚み方向へ成長することなく、反応生
成物は粉体として得られる。
このように従来においても石英基板を用いることによ
り、基体上に極めて薄い膜を形成することは可能であっ
たが、10μm以上もの厚みのある塊状物と呼べるものは
得られない。また、石英基体からの剥離が困難であり、
独立膜とすることができないため、この材料をさらに、
他の材料の表面に適用して、表面物性の改善を図るとい
う、この種の材料に要求される使用法が適用できないも
のであった。これに対し、本発明によれば、10μm以上
の均一連続相からなる塊状物が容易に得られるものであ
る。金属、特に銅あるいはニッケル系の材料が本発明に
おいて特異的に優れている理由は必ずしも定かではない
が、これらの材料が触媒的な作用をし、厚み方向への成
長が図られるものと考えられる。
本発明で用いる原料ガスとしては、特に限定されない
が、ホウ素源としてBCl3等のハロゲン化ホウ素、窒素源
としてはNH3等の反応性の高いガスが好ましく、炭素源
としては、炭化水素、特に不飽和結合を有するガスが好
ましく、反応性等からアセチレンが最も好ましい。ま
た、均一な膜を効率よく、且つ再現性よく得るために
は、これら原料ガスに加えてキャリャーガスの使用が好
ましく、水素ガス、アルゴン等を用いることができる。
また、これら原料ガスの量的関係については特に制限さ
れないが、ホウ素源ガスと窒素源ガスは少なくとも原子
比で、1:2以上が好ましい。これ以下ではホウ素源ガス
としてBCl3を用いた場合、膜中にC1が残る等の不都合が
ある。
また、炭素源の量は大きくすればするほど生成膜の炭素
量が増大するが、ホウ素源に対して原子比で6倍以上と
なると、粉体が生成しやすくなり、このましくない。本
発明においては大気圧下での反応が好ましい。減圧下で
は、連続状の膜が得られにくく、粉末あるいは繊維(ウ
ィスカー状)が得られるため、500mmHgより大とするこ
とが好ましい。
反応温度は特に限定的ではないが、600℃以上が好まし
い。これ以下では反応速度が極端に小さくなる。反応速
度の面からは反応温度は高い方が好ましいが、本発明に
おいては、基体として金属を用いており、この金属の耐
熱温度に依存し、1200℃程度以下での反応が推奨され
る。
本発明の塊状物は少量の炭素量で、導電性を飛躍的に向
上させることができ、例えば、窒化ホウ素単体では、そ
の比抵抗は1013Ωcm程度であるのに対して、重量基準で
1%程度炭素が存在するものでは105Ωcm程度である。
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
実施例1 内径40mm長さ1000mmの石英管からなる熱CVD装置の中央
に500mm×20mm×3mmの銅基板を設置し、BCl3、C2H2およ
びNH3を原料とし、H2をキャリャーガスとして、反応管
中央を750℃に加熱した炉内に導入した。それぞれのガ
ス流量は次のとおりである。
BCl3 15cc/min NH3 30cc/min C2H2 8cc/min H2 144cc/min 炉内圧力は大気圧でおこなった。
以上の条件で6時間反応をおこなったのち、ガス導入と
基板加熱をやめ、炉内を真空排気、冷却した。基板上に
は、全幅(20mm)にわたり、ガス導入側より約50mm、の
範囲で膜が形成された。冷却により基板上の膜は簡単に
剥離し、得られた膜は黒色〜茶かっ色であり、厚さ約0.
3mmの膜であり、自由に取り扱える程度の強度を有して
いた。この膜(生成膜)の元素分析の結果および比抵抗
の測定結果を第1表に示した。
また、生成膜を窒素ガス中2000℃で1時間熱処理し(焼
成膜)、元素分析、比抵抗の測定をおこない、結果を第
1表に示した。生成膜と焼成膜とをCuKα線によるX線
回折測定をおこない、この回折パターンを第1図(生成
膜)、第2図(焼成膜)に示した。第1図において、2
θが20〜30℃においてブロードなピークを有し、無定形
BNと無定形Cの002の回折ピークが重なりあったもので
ある。この生成膜は、結晶化度が低く、ブロードなパタ
ーンとなることが特徴であり、窒化ホウ素、炭素の粉末
由来のものと明確に区別できる。生成膜を焼成して得た
膜は第2図に示したとおり、2θが26°においてBNとC
の002の回折ピークが重なりあったピークとなるが、こ
れはh−BN、h−Cの002の回折ピーク(2θが26.5
°)よりも低角度であることが特徴であり、焼成によっ
ても回折ピークが顕著には鋭くならないものである。な
お、元素分析において、C、H、Nは燃焼法により、B
はアルカリ分解させたのちICPにより定量分析をおこな
った。
実施例2 基板として、ニッケルを用い、反応温度を800℃とした
以外は実施例1と同様にして、反応をおこなった。この
結果、淡褐色で透光性を有する約0.1mmの厚みの膜(20m
m×40mm)を得た。
実施例1と同様にして膜の元素分析、比抵抗の測定をお
こなった。この結果を第1表に示した。
なお、4000cm-1における透過率を測定したところ約50%
であった。
実施例3 基板として、ニッケルを用い、基板温度を650℃とした
以外は実施例1と同様にして、反応をおこなった。この
結果、黒色で約1mmの厚みの膜(20mm×60mm)を得た。
実施例1と同様にして元素分析、比抵抗の測定をおこな
った。この結果を第1表に示した。また、X線回折測定
をおこない、その回折パターンを第3図(生成膜)、第
4図(焼成膜)に示した。
実施例1の膜(第1図)、(第2図)と同様のことがい
え、特に焼成によっても2θが42.5°におけるBNとCの
10に相当する回折ピークはほとんどシャープにならない
ものであった。
[発明の効果] 本発明の塊状物は、耐熱性、化学的安定性、耐熱衝撃性
等に優れた窒化ホウ素の物性とグラファイトの耐薬品
性、高導電性等の物性を併わせ持つものであり、高温耐
食材料、導電性耐食材料等として各種用途に供すことの
できるものであり、CVD法により容易に得られるもので
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図、第3図および第4図は、それぞれ実施
例1の生成膜、焼成膜、実施例3の生成膜、焼成膜のX
線回折パターンを示すものである。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】本質的にホウ素、炭素、窒素からなり、Cu
    Kα線によるX線回折測定による2θが20〜30°の範囲
    に回折ピークを有することを特徴とする塊状体。
  2. 【請求項2】ホウ素源ガス、炭素源ガス、窒素源ガスお
    よびキャリャーガスからなる混合ガスを金属基体を保持
    した反応容器内に導入して反応させ、基体上に本質的に
    ホウ素、炭素、窒素からなり、CuKα線によるX線回折
    測定による2θが20〜30°の範囲に回折ピークを有する
    塊状体を形成する方法。
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US6759128B1 (en) * 2002-07-05 2004-07-06 The Regents Of The University Of California Bulk superhard B-C-N nanocomposite compact and method for preparing thereof
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