复合材料及其制造方法 技术领域 本发明的方式涉及通常以碳化硼·碳化硅·硅为主要成分的复合材料及其制造方 法, 特别涉及能以高比模量且低成本制造的复合材料及其制造方法。
背景技术 比模量是指杨氏模量除以比重 ( 相对于水的重量比 ) 的参数, 对于各种机器部件 来说, 有时需要该值高的材料。
作为其实例, 可例举作为需要高精度定位功能的移动体装置的三维测定仪、 直线 度测量仪、 用于形成平面状物体图形的曝光机等。 特别是在制造曝光机中的半导体晶片、 液 晶面板等时, 近年来, 在期望适应图形微细化要求的更高精度的定位功能的同时, 为了经济 地形成图形, 还期望使高速搭载有被曝光工件、 光罩等的流体静压轴承装置等的移动体高 速运转, 从而提高装置的生产率。
但是, 使此种移动体高速运转必然会发生振动, 这对定位精度来说是负面因素。 为 了使该振动快速衰减, 需要高比模量的材料, 且为了在一定的驱动力下使移动体高速运转, 还需要使可动部分轻量化, 此外, 因装置的挠性与定位精度降低有关, 所以需要杨氏模量大 而比重小的材料。
作为此种要求高比模量的机器部件, 以往使用铁钢等的金属系材料, 但最近开始 使用具有更高比模量的陶瓷系氧化铝。 但是, 要求更高比模量时, 需要使用的不是陶瓷系的 氧化铝等氧化物陶瓷, 而是非氧化物陶瓷, 但其中作为工业材料, 希望为具有最高比模量的 碳化硼系材料。
作为碳化硼系材料, 希望最高比模量是指几乎为纯的碳化硼烧结体, 但已知碳化 硼是难烧结体。因此, 以往的碳化硼烧结体通过热压制造。但是在热压烧结法中, 难于制造 大型复杂形状制品, 且因用于施加高温· 高压的热压装置、 模具的成本大, 所以, 不能说是现 实中制造结构材料的方法。
为解决该问题, 公开了碳化硼的浇注成型·常压烧结的方法 ( 例如参照专利文献 1、 专利文献 2、 专利文献 3、 专利文献 4、 专利文献 5、 专利文献 6。)。但是, 在该方法中, 因烧 成体具有难磨削性, 所以, 在如半导体· 液晶制造装置等要求高尺寸精度的用途上具有磨削 成本增大的问题, 和因常压烧结温度为 2200℃以上相当高的温度, 因而具有烧成成本增大 的问题。
因此, 还公开了不使碳化硼烧结, 而是在金属基体相内使碳化硼粉作为填充物分 散的材料 ( 例如参照专利文献 7。)。该材料是使碳化硼分散在铝中而形成的材料, 但因碳 化硼和铝的润湿性差, 所以热压制造碳化硼和铝的混合物时, 热压法不能形成大型复杂形 状制品且制造成本大, 所以, 不能说是现实中制造结构材料的方法。
因此, 还公开了将与碳化硼的润湿性较为优异的硅作为金属使用, 使熔融硅浸渗 到碳化硼成型体中的复合材料 ( 例如参照专利文献 8、 专利文献 9、 专利文献 10。 ), 其中, 作 为原材料也包含少量可成为碳源的材料的例子。 但是, 在该方法中, 虽说浸渗了硅但还是碳
化硼高填充的复合材料, 所以, 与仅由碳化硼形成的材料相比磨削性虽稍有改善, 但未改变 难磨削性。 此外, 因在以碳化硼为主要成分的成型体的空隙间填充了硅, 所以制成的复合材 料中含有大量的硅, 此种材料的比模量低, 未能生成碳化硼所具有的高的比模量。
此外, 还公开了作为成型体的原料使用不仅包含碳化硼还包含碳化硅的材料, 且 使熔融硅浸渗到该成型体中的复合材料 ( 例如参照专利文献 11)。其中还有作为原材料包 含少量可成为碳源的材料的例子。但是, 在该方法中, 仍然形成了碳化硼· 碳化硅高填充的 复合材料, 所以, 与单独填充碳化硼的材料相比磨削性虽稍有改良, 但还是未改变其难磨削 性。此外, 因在以碳化硼· 碳化硅为主要成分的成型体的空隙间填充了硅, 所以制成的复合 材料中含有大量的硅, 此种材料的比模量低, 未能生成碳化硼所具有的高的比模量。
先行技术文献
专利文献
专利文献 1 国隙公开第 WO 01/72659A1 号公报 ( 第 15-16 页 )
专利文献 2 日本特开 2001-342069 号公报 ( 第 3-4 页 )
专利文献 3 日本特开 2002-160975 号公报 ( 第 4-6 页 )
专利文献 4 日本特开 2002-167278 号公报 ( 第 4-6 页 )
专利文献 5 日本特开 2003-109892 号公报 ( 第 3-5 页 ) 专利文献 6 日本特开 2003-201178 号公报 ( 第 4-9 页 ) 专利文献 7 美国专利第 4104062 号说明书 (col2-5) 专利文献 8 美国专利第 3725015 号说明书 (col2-6) 专利文献 9 美国专利第 3796564 号说明书 (col2-13) 专利文献 10 美国专利第 3857744 号说明书 (col1-3) 专利文献 11 日本特表 2007-51384 号说明书 ( 第 20-22 页 )发明内容 本发明的方式用于解泱上述问题, 提供如下复合材料及其制造方法, 该复合材料 是利用了碳化硼所具有的高比模量的高比模量复合材料且磨削性优异。
根据本发明的一种方式, 提供一种复合材料, 其特征在于, 以碳化硼 X 体积份、 碳 化硅 Y 体积份、 硅 Z 体积份为主要成分, 10 < X < 60、 20 < Y < 70、 5 < Z < 30, 碳化硼和 碳化硅的 10μm 以上的粒子为 10 ~ 50 体积份。
根据本发明的方式, 可提供如下复合材料及其制造方法, 该复合材料是利用了碳 化硼所具有的高比模量的高比模量复合材料且磨削性优异。
附图说明
图 1 表示本发明的一个实施例中使用的原料的粒度分布。 图 2 表示本发明的一个实施例中使用的烧成工序的烧成曲线。 图 3 表示本发明的一个实施例中的反应烧结体的微结构。具体实施方式
本发明的一个实施方式涉及一种复合材料, 其特征在于, 以碳化硼 X 体积份、 碳化硅 Y 体积份、 硅 Z 体积份为主要成分, 10 < X < 60、 20 < Y < 70、 5 < Z < 30, 碳化硼和碳 化硅的 10μm 以上的粒子为 10 ~ 50 体积份。利用该复合材料, 可制成高比模量且磨削性 优异的产品。
此外, 本发明的优选方式是所述复合材料的比模量为 130GPa 以上。
且本发明的其他实施方式涉及一种复合材料的制造方法, 其特征在于, 具备使用 以碳化硼、 碳化硅、 碳源为主要成分的原料而形成成型体的成型工序, 和通过使熔融硅浸渗 到所述成型体中而使碳转变为碳化硅的反应烧结工序, 形成以碳化硼 X 体积份、 碳化硅 Y 体 积份、 硅 Z 体积份为主要成分, 10 < X < 60、 20 < Y < 70、 5 < Z < 30, 碳化硼和碳化硅的 10μm 以上的粒子为 10 ~ 50 体积份的复合材料。 根据该复合材料的制造方法, 可制造高比 模量且磨削性优异的复合材料。
且本发明的其他实施方式涉及一种复合材料的制造方法, 其特征在于, 具备如下 反应烧结工序, 其通过使熔融硅浸渗到使用以碳化硼、 碳化硅、 碳源为主要成分的原料而成 型的成型体中而使碳转变为碳化硅, 形成以碳化硼 X 体积份、 碳化硅 Y 体积份、 硅 Z 体积份 为主要成分, 10 < X < 60、 20 < Y < 70、 5 < Z < 30, 碳化硼和碳化硅的 10μm 以上的粒子 为 10 ~ 50 体积份的复合材料。根据该复合材料的制造方法, 可制造高比模量且磨削性优 异的复合材料。
此外, 本发明的优选方式是所述复合材料的比模量为 130GPa 以上。
此外, 本发明的优选方式是一种复合材料的制造方法, 其特征在于, 所述碳源以碳 粉为主要成分。根据该复合材料的制造方法, 可更进一步提高高比模量和磨削性。
此外, 本发明的优选方式是一种复合材料的制造方法, 其特征在于, 所述碳源的主 要成分还包含树脂成分。 根据该复合材料的制造方法, 可更进一步提高高比模量和磨削性。
此外, 本发明的优选方式是一种复合材料的制造方法, 其特征在于, 在所述成型工 序和所述反应烧结工序之间包括预烧所述成型体的工序。根据该复合材料的制造方法, 可 防止反应烧结时的缺陷的发生。
此外, 本发明的优选方式是一种复合材料的制造方法, 其特征在于, 所述成型工序 的成型方法是以水为溶剂的浇注成型。根据该复合材料的制造方法, 可制造大型复杂形状 的产品。
此外, 本发明的优选方式是一种复合材料的制造方法, 其特征在于, 所述成型工序 中的成型体的填充率为 60 ~ 80%。根据该复合材料的制造方法, 可防止成型、 烧成时的缺 陷的发生。
且本发明的其他实施方式涉及一种复合材料的制造方法, 其特征在于, 具备使用 以碳化硼·碳化硅·碳源为主要成分的原料且形成填充率为 60 ~ 80%的成型体的成型工 序, 和通过使熔融硅浸渗到所述成型体中而使碳转变为碳化硅的反应烧结工序, 形成以碳 化硼·碳化硅·硅为主要成分的复合材料。根据该复合材料的制造方法, 可制造高比模量 且磨削性优异的复合材料。
且本发明的其他实施方式涉及一种复合材料的制造方法, 其特征在于, 具备如下 反应烧结工序, 其通过使熔融硅浸渗到使用以碳化硼· 碳化硅· 碳源为主要成分的原料 且使填充率为 60 ~ 80 %而成型的成型体中, 而使碳转变为碳化硅, 形成以碳化硼· 碳化 硅·硅为主要成分的复合材料。根据该复合材料的制造方法, 可制造高比模量且磨削性优异的复合材料。
此外, 本发明的优选方式是所述复合材料的比模量为 130GPa 以上。
以下对本发明中的主要用语进行说明。
( 比模量 )
比模量是杨氏模量除以比重的值, 比重是与水的密度比, 无单位, 所以比模量的单 位与杨氏模量的单位相同。杨氏模量通过共振法测定。比重通过阿基米德法测定。
( 粒径 )
复合材料中粒子的粒径是指研磨复合材料的切断面, 用光学显微镜观察时粒子直 径中的最大径。
( 粗粒 )
指上述粒径为 10μm 以上的粒子。
( 微粒 )
指上述粒径小于 10μm 的粒子。
(F1)
指在本发明的复合材料的制造工序中采用浇注成型时, 料浆中固体成分的体积分 数。
(F3) 指本发明复合材料的制造工序中的成型体的固体成分的填充率, 通过阿基米德法测定。 (F3’ )
从本发明复合材料的制造工序中的成型体的固体成分的填充率除去挥发部分后 的部分的值, 挥发部分根据调配比计算。
本发明的一个实施方式中的复合材料得到在以碳化硼· 碳化硅为主要成分的粉体 的空隙间填充硅的结构。 形成本复合材料的碳化硼以碳化硼粉体的形式作为原材料的主要 成分在成型工序中加入。 且碳化硅由以碳化硅粉体的形式作为原材料的主要成分在成型工 序中加入 ( 以后称为初期投入碳化硅 ) 的碳化硅、 和成型体中的碳源与硅反应生成的碳化 硅 ( 以后称为反应生成碳化硅 ) 的两者组成。
本发明的一个实施方式中的复合材料的制造方法采用如下反应烧结工序, 使熔融 硅浸渗到以碳化硼、 初期投入碳化硅及碳源为主要成分的成型体中, 使碳源与硅反应而生 成反应生成碳化硅, 且浸渗硅到碳化硼、 初期投入碳化硅、 反应生成碳化硅的空隙间。且本 发明中的复合材料的特征为碳化硼和初期投入碳化硅的 10μm 以上的粒子的体积分数为 10 ~ 50 体积份, 通过采用此种结构, 可同时得到高比模量和优异的磨削性。
因此, 本发明的一个实施方式中的复合材料适合应用于需要高比模量且需要精密 磨削的产品。
以下对本发明的一个实施方式中的材料及工序的详细情况进行说明。
本发明的一个实施方式中的复合材料将全部复合材料作为 100 体积份, 以碳化硼 X 体积份、 碳化硅 Y 体积份、 硅 Z 体积份为主要成分, 10 < X < 60、 20 < Y < 70、 5 < Z < 30。 碳化硼的量为 10 体积份以下时, 复合材料不能得到充分的比模量, 而为 60 体积份以上时复 合材料的磨削性降低。且重视磨削性时, 更优选 10 < X < 50。此外, 碳化硅的量为 20 体积
份以下时, 复合材料不能得到充分的比模量, 且为 70 体积份以上时, 复合材料的磨削性降 低。且重视比模量时, 更优选 30 < Y < 70, 且重视磨削性时, 更优选 20 < Y < 65。另外, 硅的量为 5 体积份以下的复合材料在进行反应烧结工序时易产生如下缺点, 产生裂纹或产 生硅未浸渗的孔隙, 且为 30 体积份以上时, 复合材料的比模量降低。另外, 对于在产生裂纹 上必须特别加以注意的厚的大型产品等的产品更优选 10 < Z < 30。
本发明的一个实施方式中的复合材料中的碳化硼和碳化硅的 10μm 以上的粒子 的体积分数为 10 ~ 50 体积份, 小于 10 体积份时, 复合材料不能得到充分的比模量, 超过 50 体积份时, 复合材料的磨削性降低。且此处所述的 10μm 以上的粒子优选作为原料加入的 碳化硼粉末的全部、 或作为原料加入的碳化硼粉体的全部和作为原料加入的初期投入碳化 硅粉体的一部分。
作为用于制造本发明的一个实施方式中的复合材料的原料碳化硼粉体的平均粒 径优选为 10μm ~ 200μm, 更优选为 20μm ~ 100μm。碳化硼粉体的平均粒径为 10μm 以下时, 反应烧结时的烧结体易产生裂纹, 从防止该裂纹的意义上讲优选平均粒径为 20μm 以上。此外, 碳化硼的平均粒径为 200μm 以上时复合材料的磨削性变差, 从防止该磨削性 恶化的意义上讲期望平均粒径为 100μm 以下。 且作为原料使用的碳化硼粉体的粒径与复合材料中的碳化硼粉体的粒径几乎一 致。但是, 认为碳化硼与浸渗的硅在表面发生反应, 表面被其反应生成物覆盖, 而用 SEM 观 察的碳化硼粉体的表面被与对照稍有不同的层所覆盖。 本发明的一个实施方式中的关于复 合材料的碳化硼粒子及其粒径的定义, 也包含由该反应生成物形成的表面层。 另外, 使用所 述微粒的碳化硼粉体进行反应烧结时易产生裂纹的理由推测为由该表面的反应生成物形 成的层的比例相对于全部碳化硼粉体大到不可忽视的程度。
作为本发明的一个实施方式中的用于制造复合材料的原料的初期投入碳化硅的 优选粒径因碳化硼的量不同而不同。 即复合材料中的初期投入碳化硅的粒径与作为原料使 用的碳化硅粉体的粒径没有变化, 认为这是由于初期投入碳化硅粉体与硅不反应。
因此, 将优选 10μm 以上的粒子的体积分数的 10 ~ 50 体积份全部采用碳化硼时, 初期投入碳化硅仅为小于 10μm 的微粒部分即可, 另外, 其一部分采用碳化硅时, 初期投入 碳化硅需要 10μm 以上的粗粒成分和小于 10μm 的微粒成分。
作为粗粒成分优选的碳化硅的平均粒径为 20μm ~ 100μm, 大于 100μm 时, 复合 材料的磨削性恶化。 且作为微粒成分优选初期投入碳化硅的平均粒径为 0.1μm ~ 5μm, 小 于 0.1μm 时成型时难于制造高填充的成型体, 大于 5μm 时复合材料的磨削性降低。
作为本发明的一个实施方式中的用于制造复合材料的原料的碳源优选碳粉, 优选 该碳与硅反应后形成的反应成型碳化硅的粒径实质上全部小于 10μm。
作为碳粉, 虽可使用结晶度非常低的碳粉~结晶度非常高的石墨中的任一个, 但 通常被称为碳黑的结晶度并不那么高的碳粉容易获得。碳粉的优选平均粒径为 10nm ~ 1μm。
推测此种碳粉在反应烧结工序中实质上其全部量通过与硅反应已转变为反应生 成 SiC, 复合材料的观察结果中未观察到被认为未反应的碳粉。
且作为碳源不仅可使用碳粉, 还可使用有机物。 作为碳源使用有机物时, 需选定在 非氧化性气氛中的烧结工序中残碳率高的有机物, 特别是作为适合的有机物可例举酚醛树
脂、 呋喃树脂。且将此种有机物作为碳源使用时, 也能期待在成型工序中作为粘合剂的作 用、 作为增塑剂的作用、 作为用于使粉体分散的溶剂的作用。
因本发明的一个实施方式中的用于制造复合材料的原料的硅被熔融浸渗, 所以, 可使用粉体状、 颗粒状、 板状等, 不特别拘泥形状, 只要使用容易浸渗到成型体中的可配置 的形状即可。
另外, 有时硅中也包含作为杂质的硅以外的物质, 但作为还包含该杂质的硅基体 层, 本发明中的复合材料中硅的量被规定。
且作为硅中的杂质, 除了硅的制造工序上不可避免含有的杂质以外, 为了降低硅 的熔点从而降低反应烧结工序的温度, 防止与碳化硼表面的碳化硼反应, 防止在反应烧结 后温度下降时硅从反应烧结体喷出, 且控制硅的热膨胀系数, 赋予复合材料导电性等, 也可 有目的地加入 B、 C、 Al、 Ca、 Mg、 Cu、 Ba、 Sr、 Sn、 Ge、 Pb、 Ni、 Co、 Zn、 Ag、 Au、 Ti、 Y、 Zr、 V、 Cr、 Mn、 Mo 等杂质。
本发明的一个实施方式中的复合材料的制造方法具备使以碳化硼、 初期投入碳化 硅、 碳源为主要成分的原料成型而制造成型体的成型工序, 和通过浸渗硅到该成型体而使 碳转变为碳化硅, 在空隙内填入硅的反应烧结工序。 作为本发明的一个实施方式中的成型方法无特别限制, 可通过目标工件的形状、 生产量来选定干式冲压成型、 湿式冲压成型、 CIP 成型、 浇注成型、 注塑成型、 挤出成型、 可塑 性成型、 振动成型等。
其中, 特别是适合大型复杂形状制品制造的是浇注成型。
作为本发明的一个实施方式中的成型方法采用浇注成型时, 作为溶剂可使用有机 溶剂也可使用水, 考虑到工序的简单化和对地球环境的影响, 优选以水为溶剂。
以水为溶剂进行浇注成型时, 首先将作为原料的碳化硼粉体、 初期投入碳化硅粉 体、 碳源与水混合制造料浆, 但此时也可添加用于制造高浓度料浆的分散剂·抗絮凝剂、 粘 合剂、 增塑剂等的添加剂。
作为适合的添加剂, 可列举聚羧酸铵、 聚羧酸钠、 海藻酸钠、 海藻酸铵、 海藻酸三乙 醇胺、 苯乙烯·马来酸共聚物、 邻苯二甲酸二丁酯、 羧甲基纤维素、 羧甲基纤维素钠、 羧甲基 纤维素铵、 甲基纤维素、 甲基纤维素钠、 聚乙烯醇、 聚环氧乙烷、 聚丙烯酸钠盐、 丙烯酸或其 铵盐的低聚物、 单乙胺等的各种胺、 吡啶、 哌啶、 四甲基氢氧化铵、 糊精、 蛋白胨、 水溶性淀 粉、 丙烯酸乳液等的各种树脂乳液、 间苯二酚型酚醛树脂等的各种水溶性树脂、 酚醛清漆型 酚醛树脂等的各种非水溶性树脂、 水玻璃等。
且在加入非水溶性的添加物时, 适合制成乳液或在粉体表面包覆, 此外, 在作为料 浆制造工序包括粉碎工序时, 通过粉碎分解的添加剂适合在粉碎工序后添加。
另外, 浇注成型可使用利用了石膏型的毛管吸引力的石膏浇注成型和对料浆直接 施加压力的加压浇注成型的任一种。加压浇注成型的情况下, 适合的加压力为 0.1MPa ~ 5MPa。
在成型工序中, 制造高填充率的成型体很重要。这是因为要在从成型体的空隙除 去碳与硅化合后转变为碳化硅时所造成的体积膨胀部分后的部分填入硅。 即由高填充成型 体制造的反应烧结体中的硅含量变少, 硅含量少的反应烧结体可期待高比模量。
优选成型体的填充率为 60 ~ 80%, 更优选为 65 ~ 75%。
且优选填充率有下限是因为如前所述要使反应烧结体的硅含量变少, 优选填充率 有上限是因为对于过高填充率的成型体, 硅难于浸渗。但是实际上工业化制造此种高填充 率的成型体非常困难, 所以, 仅考虑下限即可。
且上述成型体的填充率是指碳化硼·碳化硅·碳的各粉体的填充率, 除去由烧成 工序中挥发的添加剂等的成分。 因此, 使用酚醛树脂等具有残碳成分的添加剂时, 将其残碳 成分作为填充率加入。有关具体的测定·表示方法, 将通过阿基米德法测定的成型体的填 充率作为 F3, 将从中除去挥发部分的填充率作为 F3’ 表示, 优选的成型体的填充率指该 F3’ 的值。
且浇注成型中料浆中的粉体的体积填充率 F1 小的料浆被模具吸入的溶剂部分变 大, 难于进行工业化生产, 所以, 优选 F1 为 40%以上。 此外, 在通常的浇注成型中, 加压浇注 成型比石膏浇注成型的 F3、 F3’ 大, 但在本发明中, 加压浇注成型和石膏浇注成型中的 F3、 F3’ 无显著差别, 所以, 可适合采用适合多品种少量生产的石膏成型。
且在本发明的一个实施方式中的复合材料的成型工序和反应烧结工序之间, 也可 设置预烧工序。
成型体为小型·单纯形状时, 也有时不需该预烧工序, 但成型体为大型复杂形状 时, 为防止成型体在操作时的破损、 反应烧结时产生裂纹, 优选设置预烧工序。
预烧温度的优选温度为 1000 ~ 2000℃, 为低于 1000℃的低温时, 无法期待预烧的 效果, 为高于 2000℃的高温时, 烧结开始后会引起工件收缩, 可能会有损作为本复合材料的 制造工序特征的烧成收缩几乎为 0 的近终形制造工艺的优点。且预烧工序中的优选烧成气 氛为非氧化性气氛。
且该预烧工序通常同时进行成型体的脱脂工序, 但在担心炉污染的情况下, 可在 进行预烧工序之前另设脱脂工序。
此外, 也可不进行预烧工序而仅设置脱脂工序。此时只要采用分解·除去粘合剂 的需要的脱脂温度即可。
之后的硅浸渗反应烧结工序中的优选反应烧结温度为从硅的熔点到 1800℃。 工件 越大、 形状越复杂, 硅的浸渗越难, 所以, 反应烧结温度高, 且需要增长保持在最高温度的时 间, 优选在碳转变为碳化硅的反应烧结完全进行且硅完全浸渗、 孔隙消失的范围内, 反应烧 结温度尽量低, 最高温度保持时间短。
且因硅的熔点为 1414℃, 所以, 通常需要 1430℃以上的反应烧结温度, 但如在硅 中加入杂质降低熔点, 也可使反应烧结温度降低到 1350℃左右。
如上所述, 本发明的一个实施方式中的复合材料使成型体中的碳分与硅反应形成 碳化硅而膨胀, 且硅填入其空隙, 所以, 通过成型体的原料的调配比和成型体的填充率 F3’ 的测定, 可使反应烧结体的组成比明确。
此外, 在观察后述实施例中显示的反应烧结体的微结构时, 在辨别填入作为构成 反应烧结体的要素的粗粒碳化硼、 粗粒碳化硅、 微粒碳化硅和这些粒子的空隙间的硅, 将其 面积比以 10 画面以上平均来求出体积比时, 发现各个成分的体积比与由调配比计算出的 值一致。
且后述微结构的照片图 3 中黑色部分为碳化硼或碳化硅粒子, 白色部分为硅, 所 以, 容易辨别粒子和硅的辨别、 粗粒和微粒。此外, 在粗粒碳化硅和粗粒碳化硼的辨别中通过 SEM·EPMA 分析可容易地辨别。
如上所述, 有关用于实现本发明的一个实施方式中的复合材料构成比的原料构成 比, 自然可根据目标复合材料的构成比和成型体的填充率来计算, 但优选各原料的调配比 相对于碳化硼 10 ~ 90 重量份、 初期投入碳化硅 90 ~ 10 重量份的计 100 重量份, 碳源为 0 ~ 45 重量份。
且在此所述的碳源是与碳换算的重量份, 是使用碳粉时调配重量本身, 利用具有 残碳成分的添加剂时是其残碳率乘以调配重量的值。
对于碳化硼·碳化硅的各成分为偏离优选组成范围时产生的不良, 与作为前述复 合材料的构成成分的碳化硼·碳化硅的各成分偏离优选范围时产生的不良同样。
碳即使为 0 重量份也无妨, 此时因不能利用碳与硅反应而膨胀的反应, 所以, 成型 体的空隙难于被硅完全填入, 具有残留孔隙的危险性。 且碳分过多时, 由其膨胀反应会使反 应烧结体有产生裂纹的危险性。
因此, 更优选相对于碳化硼和初期投入碳化硅的合计 100 重量份, 碳源的调配比 为 10 ~ 40 重量份。此外, 反应烧结中需要的优选硅量为使碳成分转变为碳化硅且进一步 完全填入空隙时所需要的硅量的 105 ~ 200%, 更优选为 110 ~ 150%, 根据成型体的大小 形状适当调节。 本发明的一个实施方式中的复合材料的优选比模量为 130GPa 以上, 更优选为 140GPa 以上。
本发明的目的之一是提供高比模量的复合材料, 所以, 比模量没有优选上限, 现实 中制造具有 200GPa 以上比模量的复合材料很困难, 且为了在维持优异磨削性的同时实现 高比模量, 170GPa 左右为其上限。
本发明的一个实施方式中的复合材料适合应用于要求高比模量且需要精密磨削 的产品和因为是大型复杂形状所以研磨成本高的产品。特别适合的产品应用例是半导 体·液晶制造装置构件。其中, 特别适合的产品应用例是曝光装置用构件, 通过作为支撑 台· 载物台等的晶片支撑构件、 光罩载物台等的光学系支撑构件使用, 可使曝光装置的定位 精度提高且可通过缩短定位时间提高装置的生产能力。
实施例
以下, 对本发明的一个实施方式参照表、 图进行说明。
表 1 是表示以下所示的实施例及比较例的一览表。
且各个调配例中的料浆浓度用表 1 的 F1 表示。此外, 各个调配例中的粘合剂的添 加量用表 1 的 F3’ 和 F3 的差表示。此外, 各个反应烧结体在除去表面剰余硅后切出试件, 将表面研磨后, 通过阿基米德法测定比重, 通过共振法测定杨氏模量, 算出比模量。
此外, 将进行表面加工后的试件设置在测力计 (Kistler 公司制型号 9256C2) 上, 用 φ10mm 的套料钻 (#60、 旭钻石工业 (Asahi Diamond Industrial Co., Ltd.) 制 )、 以转 数 100m/min(3200rpm)、 进给速度 2mm/min、 脉冲当量 0.2mm 进行深度 4mm 的孔加工, 确认加 工阻力的测定、 孔周边崩缺的状态。切削性的评价是以加工阻力的最大值为 2000N 以上时 评价为 ×, 为 1500 ~ 2000N 时评价为△, 为小于 1500N 时评价为○。
但是, 即使最大阻力值为△或 ×, 但加工阻力在短时间内降低, 在其低值稳定的情 况下用其低值评价。 此外, 即使加工阻力为○或△, 但加工时推测为因加工而产生裂纹的情
况和工具破损的情况下评价为 ×。
且崩缺状态的评价是在孔的外周的破损小于 0.3mm 时为○, 0.3mm 以上~小于 0.5mm 时为△, 0.5mm 以上时为 ×。且微结构的观察是将烧成体切出适当大小, 对表面上 1μm 的磨料进行研磨加工, 用光学显微镜设定 2800 倍进行观察。
图 1 表示本发明实施例中使用的平均粒径为 50μm 的粗粒碳化硼、 平均粒径为 65μm 的粗粒碳化硅、 平均粒径为 0.6μm 微粒碳化硅的粒度分布测定结果。粒度分布测定 用激光粒度分析仪 ( 日机装制 MT3000) 进行, 上述平均粒径指体积平均径。
如图 1 所示, 粗粒成分实质上几乎不包含 10μm 以下的粒子, 微粒成分实质上几乎 不包含 10μm 以上的粗粒成分。
图 2 是表示预烧、 反应烧结的加热曲线的图。
图 3 表示实施例 2 的反应烧结体的微结构的光学显微镜图像。 如前所述, 10μm 以 上的粗粒和 10μm 以下的微粒的辨别很容易。
( 实施例 1 ~ 3)
将平均粒径为 0.6μm 的碳化硅粉末 30 重量份和平均粒径为 50μm 的碳化硼粉末 70 重量份、 平均粒径为 55nm 的碳黑粉末 10 ~ 30 重量份加入分散于添加了相对于碳化硅 粉末、 碳化硼粉末、 碳黑粉末为 0.1 ~ 1 重量份的分散剂的纯水中, 用氨水等调节至 pH 8 ~ 9.5, 制成小于 500CP 的低粘度料浆。该料浆用罐磨机等混合数小时后, 添加相对于碳化硅 粉末、 碳化硼粉末、 碳粉为 1 ~ 2 重量份的粘合剂并混合, 其后脱气泡, 在石膏板上设置内径 80mm 的丙烯酸管 (acrylic pipe), 浇注料浆, 制成厚度为 10mm 左右的成型体。成型体进行 -4 自然干燥, 100 ~ 150℃干燥后, 在 1×10 ~ 1×10-3torr 减压下温度 600℃下保持 2h 进行 脱脂, 温度 1700℃下保持 1h 进行预烧。进行预烧后, 在温度 1470℃下加热保持 30 分钟, 通 过使熔融硅浸渗到成型体中来制造反应烧结体。且实施例 1 ~ 3 中碳粉的添加量分别为 10、 20、 30 重量份。
( 实施例 4)
将平均粒径为 0.6μm 的碳化硅粉末 20 重量份、 平均粒径为 65μm 的碳化硅粉末 30 重量份和平均粒径为 50μm 的碳化硼粉末 50 重量份、 平均粒径为 55nm 的碳黑粉末 30 重 量份加入分散于添加了相对于碳化硅粉末、 碳化硼粉末、 碳黑粉末为 0.1 ~ 1 重量份的分散 剂的纯水中, 用氨水等调节至 pH 8 ~ 9.5, 制成小于 500CP 的低粘度料浆。 该料浆用罐磨机 等混合数小时后, 添加相对于碳化硅粉末、 碳化硼粉末、 碳粉为 1 ~ 2 重量份的粘合剂并混 合, 其后脱气泡, 在石膏板上设置内径 80mm 的丙烯酸管, 浇注料浆, 制成厚度为 10mm 左右的 -4 成型体。成型体进行自然干燥, 100 ~ 150℃干燥后, 在 1×10 ~ 1×10-3torr 减压下温度 600℃下保持 2h 进行脱脂, 温度 1700℃下保持 1h 进行预烧。进行预烧后, 温度 1470℃下加 热保持 30 分钟, 通过使熔融硅浸渗到成型体中来制造反应烧结体。
( 实施例 5)
将平均粒径为 0.6μm 的碳化硅粉末 25 重量份、 平均粒径为 65μm 的碳化硅粉末 25 重量份和平均粒径为 50μm 的碳化硼粉末 50 重量份、 平均粒径为 55nm 的碳黑粉末 10 重 量份加入分散于添加了相对于碳化硅粉末、 碳化硼粉末、 碳黑粉末为 0.1 ~ 1 重量份的分散 剂的纯水中, 用氨水等调节至 pH 8 ~ 9.5, 制成小于 500CP 的低粘度料浆。 该料浆用罐磨机 等混合数小时后, 添加相对于碳化硅粉末、 碳化硼粉末、 碳粉为 1 ~ 2 重量份的粘合剂并混合, 其后脱气泡, 在石膏板上设置内径 80mm 的丙烯酸管, 浇注料浆, 制成厚度为 10mm 左右的 -4 成型体。成型体进行自然干燥, 100 ~ 150℃干燥后, 在 1×10 ~ 1×10-3torr 减压下温度 600℃下保持 2h 进行脱脂, 温度 1700℃下保持 1h 进行预烧。进行预烧后, 温度 1470℃下加 热保持 30 分钟, 通过使熔融硅浸渗到成型体中来制造反应烧结体。
( 实施例 6)
将平均粒径为 0.6μm 的碳化硅粉末 25 重量份、 平均粒径为 65μm 的碳化硅粉末 25 重量份和平均粒径为 50μm 的碳化硼粉末 50 重量份、 平均粒径为 55nm 的碳黑粉末 20 重 量份加入分散于添加了相对于碳化硅粉末、 碳化硼粉末、 碳黑粉末为 0.1 ~ 1 重量份的分散 剂的纯水中, 用氨水等调节至 pH 8 ~ 9.5, 制成小于 500CP 的低粘度料浆。 该料浆用罐磨机 等混合数小时后, 添加相对于碳化硅粉末、 碳化硼粉末、 碳粉为 1 ~ 2 重量份的粘合剂并混 合, 其后脱气泡, 在石膏板上设置内径 80mm 的丙烯酸管, 浇注料浆, 制成厚度为 10mm 左右的 -4 成型体。成型体进行自然干燥, 100 ~ 150℃干燥后, 在 1×10 ~ 1×10-3torr 减压下温度 600℃下保持 2h 进行脱脂, 温度 1700℃下保持 1h 进行预烧。进行预烧后, 温度 1470℃下加 热保持 30 分钟, 通过使熔融硅浸渗到成型体中来制造反应烧结体。
( 实施例 7) 将平均粒径为 0.6μm 的碳化硅粉末 50 重量份和平均粒径为 50μm 的碳化硼粉末 50 重量份加入分散于添加了相对于碳化硅、 碳化硼粉末为 0.1 ~ 1 重量份的分散剂的纯水 中, 用氨水等调节至 pH 8 ~ 9.5, 制成小于 500CP 的低粘度料浆。该料浆用罐磨机等混合 数小时后, 添加相对于碳化硅粉末、 碳化硼粉末、 碳粉为 1 ~ 2 重量份的粘合剂并混合, 其后 脱气泡, 在石膏板上设置内径 80mm 的丙烯酸管, 浇注料浆, 制成厚度为 10mm 左右的成型体。 -4 成型体进行自然干燥, 100 ~ 150℃干燥后, 在 1×10 ~ 1×10-3torr 减压下温度 600℃下 保持 2h 进行脱脂, 温度 1700℃下保持 1h 进行预烧。进行预烧后, 温度 1470℃下加热保持 30 分钟, 通过使熔融硅浸渗到成型体中来制造反应烧结体。
( 实施例 8)
将平均粒径为 0.6μm 的碳化硅粉末 80 重量份和平均粒径为 50μm 的碳化硼粉末 20 重量份和平均粒径为 55nm 的碳黑粉末 10 重量份加入分散于添加了相对于碳化硅粉末、 碳化硼粉末、 碳黑粉末为 0.1 ~ 1 重量份的分散剂的纯水中, 用氨水等调节至 pH 8 ~ 9.5, 制成小于 500CP 的低粘度料浆。该料浆用罐磨机等混合数小时后, 添加相对于碳化硅粉末、 碳化硼粉末、 碳粉为 1 ~ 2 重量份的粘合剂并混合, 其后脱气泡, 在石膏板上设置内径 80mm 的丙烯酸管, 浇注料浆, 制成厚度为 10mm 左右的成型体。 成型体进行自然干燥, 100 ~ 150℃ -4 -3 干燥后, 在 1×10 ~ 1×10 torr 减压下温度 600℃下保持 2h 进行脱脂, 温度 1700℃下保 持 1h 进行预烧。 进行预烧后, 温度 1470℃下加热保持 30 分钟, 通过使熔融硅浸渗到成型体 中来制造反应烧结体。
( 比较例 1)
将平均粒径为 0.6μm 的碳化硅粉末 30 重量份和平均粒径为 50μm 的碳化硼粉末 70 重量份加入分散于添加了相对于碳化硅粉末、 碳化硼粉末为 0.1 ~ 1 重量份分散剂的纯 水中, 用氨水等调节至 pH 8 ~ 9.5, 制成小于 500CP 的低粘度料浆。 该料浆用罐磨机等混合 数小时后, 添加相对于碳化硅粉末、 碳化硼粉末为 1 ~ 2 重量份的粘合剂并混合, 其后脱气 泡, 在石膏板上设置内径 80mm 的丙烯酸管, 浇注料浆, 制成厚度为 10mm 左右的成型体。成
型体进行自然干燥, 100 ~ 150℃干燥后, 在 1×10-4 ~ 1×10-3torr 减压下温度 600℃下保 持 2h 进行脱脂, 温度 1700℃下保持 1h 进行预烧。进行预烧后, 温度 1470℃下加热保持 30 分钟, 通过使熔融硅浸渗到成型体中来制造反应烧结体。
( 比较例 2)
将平均粒径为 0.6μm 的碳化硅粉末 50 重量份和平均粒径为 50μm 的碳化硼粉末 50 重量份、 平均粒径为 55nm 的碳粉 50 重量份加入分散于添加了相对于碳化硅粉末、 碳化硼 粉末、 碳黑粉末为 0.1 ~ 1 重量份的分散剂的纯水中, 用氨水等调节至 pH 8 ~ 9.5, 制成小 于 500CP 的低粘度料浆。该料浆用罐磨机等混合数小时后, 添加相对于碳化硅粉末、 碳化硼 粉末、 碳粉为 1 ~ 2 重量份的粘合剂并混合, 其后脱气泡, 在石膏板上设置内径 80mm 的丙烯 酸管, 浇注料浆, 制成厚度为 10mm 左右的成型体。成型体进行自然干燥, 100 ~ 150℃干燥 -4 -3 后, 在 1×10 ~ 1×10 torr 减压下温度 600℃下保持 2h 进行脱脂, 温度 1700℃下保持 1h 进行预烧。进行预烧后, 温度 1470℃下加热保持 30 分钟, 通过使熔融硅浸渗到成型体中来 制造反应烧结体。
( 比较例 3)
将平均粒径为 0.6μm 的碳化硅粉末 80 重量份和平均粒径为 4μm 的碳化硼粉末 20 重量份、 平均粒径为 55nm 的碳粉 50 重量份加入分散于添加了相对于碳化硅粉末、 碳化硼 粉末、 碳黑粉末为 0.1 ~ 1 重量份的分散剂的纯水中, 用氨水等调节至 pH 8 ~ 9.5, 制成小 于 500CP 的低粘度料浆。该料浆用罐磨机等混合数小时后, 添加相对于碳化硅粉末、 碳化硼 粉末、 碳粉为 1 ~ 2 重量份的粘合剂并混合, 其后脱气泡, 在石膏板上设置内径 80mm 的丙烯 酸管, 浇注料浆, 制成厚度为 10mm 左右的成型体。成型体进行自然干燥, 100 ~ 150℃干燥 -4 -3 后, 在 1×10 ~ 1×10 torr 减压下温度 600℃下保持 2h 进行脱脂, 温度 1700℃下保持 1h 进行预烧。进行预烧后, 温度 1470℃下加热保持 30 分钟, 通过使熔融硅浸渗到成型体中来 制造反应烧结体。
实施例 1 ~ 8 中, 可制造因比模量为 130GPa 以上且磨削阻力小、 难产生崩缺因而 磨削加工性优异的复合材料。
比较例 1 中, 因磨削阻力大又易产生崩缺, 所以研磨加工性恶劣。
比较例 2 中, 在复合材料产生细小裂纹、 比模量降低的同时, 磨削时也易产生崩 缺。
比较例 3 中, 复合材料的比模量小, 且磨削时因崩缺而易发生破损。
表1
根据本发明的一个实施方式, 通过提供高比模量且磨削性优异的复合材料及其制 造方法, 可应用于半导体· 液晶制造装置等需要的高比模量、 高尺寸精度且为大型复杂形状 的构件。