特許 5809089 ＳｉＣ材料の評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5809089

(24)【登録日】2015年9月18日

(45)【発行日】2015年11月10日

(54)【発明の名称】ＳｉＣ材料の評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 25/72 20060101AFI20151021BHJP

【ＦＩ】

   G01N25/72 K

【請求項の数】5

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2012-62151(P2012-62151)

(22)【出願日】2012年3月19日

(65)【公開番号】特開2013-195207(P2013-195207A)

(43)【公開日】2013年9月30日

【審査請求日】2014年11月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088616

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 一平

(74)【代理人】

【識別番号】100089347

【弁理士】

【氏名又は名称】木川 幸治

(74)【代理人】

【識別番号】100154379

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 博幸

(74)【代理人】

【識別番号】100154829

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 成

(72)【発明者】

【氏名】半澤 茂

【審査官】 黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−２８７４４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２８９０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２３１６５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０８５８１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２５／００−７２

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＳｉＣ材料の熱放射率を測定し、７．６９〜９．２３μｍの波長域における熱放射率の変動から、前記ＳｉＣ材料の品質を判定するＳｉＣ材料の品質評価方法。

【請求項2】

前記ＳｉＣ材料について、９μｍの波長における熱放射率を測定する請求項１に記載のＳｉＣ材料の品質評価方法。

【請求項3】

前記ＳｉＣ材料は粉末である請求項１又は２に記載のＳｉＣ材料の品質評価方法。

【請求項4】

前記ＳｉＣ材料について、９７３Ｋの温度下にて熱放射率を測定する請求項１〜３のいずれか一項に記載のＳｉＣ材料の品質評価方法。

【請求項5】

前記ＳｉＣ材料について、９μｍの波長における熱放射率が０．６５を下回る場合に、結晶性の劣化が生じているものと判断する請求項１〜４のいずれか一項に記載のＳｉＣ材料の品質評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＳｉＣ材料の評価方法に関する。より詳しくは、粉末のＳｉＣ材料について、放射光の波長９μｍ近辺における熱放射率に基づいて結晶性劣化の有無を判定するＳｉＣ材料の評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

各種セラミック製品の材料として、ＳｉＣ材料が知られている。またＳｉＣ材料は、高い熱放射率を有することが知見として得られており、セラミックス製品を構成する材料としてだけでなく、セラミックスの焼成工程において、炉内の製品加熱効率を向上させる目的で用いられることもある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

このように、その熱放射率の高さから、様々な用途に有用なＳｉＣ材料であるが、これまでその品質を評価する方法は、純度や粒度等の物理的な条件を除いては確立されていなかった。即ち、これまでは、ＳｉＣ材料の熱放射性の劣化を判断する術が無かったため、特にＳｉＣを含む再生原料の使用に当たっては、その品質が不確かなまま使用せざるを得ないという現状があった。このように、ＳｉＣの熱放射機能を工業的に活用するためには、材料の熱放射性の劣化に関する情報整理が不可欠であり、非破壊且つ簡便にＳｉＣの品質を評価する方法が求められていた。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の発明者は、上記課題に鑑み、ＳｉＣ材料について鋭意実験及び検討を行った結果、放射光の波長９μｍ近辺における熱放射率を測定することによって、ＳｉＣ材料の結晶性の劣化の有無を判定可能であることを見出した。即ち、本発明によれば、以下のＳｉＣ材料の品質評価方法が提供される。

【0005】

［１］ ＳｉＣ材料の熱放射率を測定し、７．６９〜９．２３μｍの波長域における熱放射率の変動から、前記ＳｉＣ材料の品質を判定するＳｉＣ材料の品質評価方法。

【0007】

［２］ 前記ＳｉＣ材料について、９μｍの波長における熱放射率を測定する前記［１］に記載のＳｉＣ材料の品質評価方法。

【0008】

［３］ 前記ＳｉＣ材料は粉末である前記［１］又は［２］に記載のＳｉＣ材料の品質評価方法。

【0009】

［４］ 前記ＳｉＣ材料について、９７３Ｋの温度下にて熱放射率を測定する前記［１］〜［３］のいずれかに記載のＳｉＣ材料の品質評価方法。

【0010】

［５］ 前記ＳｉＣ材料について、９μｍの波長における熱放射率が０．６５を下回る場合に、結晶性の劣化が生じているものと判断する前記［１］〜［４］のいずれかに記載のＳｉＣ材料の品質評価方法。

【発明の効果】

【0011】

本願発明のＳｉＣ材料の品質評価方法によれば、非破壊で、且つ簡便にＳｉＣ材料の結晶性劣化の有無を判定することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】１７００Ｋの暴露０時間のＳｉＣ材料の熱放射率を示すグラフである。

【図2】１７００Ｋで５００時間及び１０００時間暴露させたＳｉＣ材料の熱放射率を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

【0014】

本発明のＳｉＣ材料の評価方法においては、例えば、上下に１８０度回転する放物面鏡を中心に置き、放物面鏡の上側に位置する黒体炉と、放物面鏡の下側に位置しＳｉＣ材料を加熱するための試料加熱炉とを有する熱放射測定装置を用い、黒体炉及びＳｉＣ材料を設置した試料加熱炉を所定温度に保持しながら、黒体炉から放射される放射光、及び試料加熱炉内に設置されたＳｉＣ材料の表面から放射される放射光の分光スペクトルを測定する。波長７．６９〜９．２３μｍ域におけるＳｉＣ材料の熱放射率の変動によって、高温熱暴露による影響を判断する。更に、波長９μｍにおける熱放射率の値から実用波長域における熱放射率を予測し、当該ＳｉＣ粉末材料が使用目的に適した品質を有しているかどうかを判断する。ここで実用波長域とは、１．５〜３．５μｍの範囲を指す。セラミックス焼成温度域（１０００〜２０００Ｋ）での放射エネルギーの８０％以上は、波長１〜１１μｍ間で放射されるが、放射エネルギーのピークは１．５〜３．５μｍの間にあることが、プランクの法則から計算できる。よって、ＳｉＣ粉末材料の熱放射機能を活用する際には、そのＳｉＣ粉末材料の１．５〜３．５μｍにおける熱放射率を目安とすると良い。

【実施例】

【0015】

以下、本発明を実験例に基づいてさらに詳細に説明する。

【0016】

ＳｉＣの形態（焼結体／粉末）と酸化時間（１７００Ｋで０／５００／１０００時間保持）をパラメータに、波長１〜１１μｍ域における熱放射率の変動を調査した。波長域を１〜１１μｍとしたのは、上述の通り、セラミックス焼成温度域（１０００〜２０００Ｋ）での放射エネルギーの８０％以上がこの範囲内で放射されるためである。

【0017】

測定試料として、ＳｉＣ焼結体である実験例１及びＳｉＣ粉末コートＡｌ_２Ｏ_３試料である実験例２〜４の、４種類のＳｉＣ材料を準備した。具体的には、実験例１として、コバレントマテリアル（株）製の緻密なＳｉＣ焼結体を、実験例２として、Ａｌ_２Ｏ_３焼結体にＥＳＫ−ＳｉＣ ＧｍｂＨ社製のＳｉＣ粉末（粒径１２０μｍ）をコートしたものを、実験例３として、Ａｌ_２Ｏ_３焼結体にＥＳＫ−ＳｉＣ ＧｍｂＨ社製のＳｉＣ粉末（粒径５０μｍ）をコートしたものを、実験例４として、Ａｌ_２Ｏ_３焼結体に（株）信濃電気精錬製のＳｉＣ粉末（粒径０．６μｍ）をコートしたものを、それぞれ用いた。

【0018】

測定試料は何れも直径３０ｍｍ高さ１０ｍｍの円盤型で、測定試料の側面中央には熱電対取付け用の直径１ｍｍ深さ２ｍｍの凹部を設けた。ここで測定試料の側面とは、円盤型の測定試料の高さ方向に平行な湾曲面を指し、該側面から続く円形の上面を測定面とする。なお、実験例１では、直径３０ｍｍの測定面は８００＃研磨で平滑面としたが、実験例２〜４では、直径３０ｍｍの測定面にはＳｉＣ粉末の粒径に応じた凹凸が存在した。

【0019】

実験例１〜３の熱放射率測定は、１７００Ｋで０時間、５００時間、及び１０００時間保持した試料で行った。また、実験例４の熱放射測定は、１７００Ｋで０時間保持の試料のみとした。実験例４の試料は粒径が０．６μｍと小さく、１７００Ｋで０時間保持した際の熱放射率が、例えば波長３．５μｍにおいてＡｌ_２Ｏ_３の熱放射率と同程度に低く、ＳｉＣ粉末の熱放射による伝熱量増加効果が望めないことから、１７００Ｋで５００時間及び１０００時間保持の暴露評価は行わなかった。

【0020】

なお、実験例２〜４において１７００Ｋで０時間保持するとは、ＳｉＣ粉末をＡｌ_２Ｏ_３焼結体にコートした後、大気中１００℃で２時間乾燥させ、６．５時間で１６００Ｋまで昇温させ、次に１時間で１７００Ｋまで昇温させた後に、直ぐに冷却することを指す。また、実験例１〜３において１７００Ｋで５００時間及び１０００時間保持するとは、６．５時間で１６００Ｋまで昇温させ、次いで１時間で１７００Ｋまで昇温させ、更に１７００Ｋで１００時間保持した後に自然冷却する操作を繰り返し、１７００Ｋ保持を合計で所定時間（５００時間及び１０００時間）に到達させることを指す。所定時間に到達した時点で熱放射率を測定し、その操作を繰り返すことで、同一試料の熱放射率の変動を測定した。

【0021】

熱放射率測定は、（株）超高温材料研究所の装置を用いて行った。この装置は、上下に１８０度回転する放物面鏡を中心に、その上側には黒体炉を、下側にはサンプルのコート面を上面にして加熱する試料加熱炉が設置されている。双方の炉を９７３Ｋに加熱し、黒体炉及び試料加熱炉の試料表面の双方から放射される放射光を、（株）パーキンエルマージャパン製の赤外線分光器ＳＰＥＣＴＲＵＭ ＧＸ ＦＴ−ＩＲに導いて分光スペクトルを測定した。

【0022】

図１に、１７００Ｋの暴露０時間の実験例１〜４の、波長１〜１１μｍにおける熱放射率を示した。また、図２には、１７００Ｋで５００時間及び１０００時間暴露させた後の実験例１〜３の、波長１〜１１μｍにおける熱放射率を示した。いずれの図においても、１〜１１μｍの波長を横軸、熱放射率を縦軸とし、その相関をプロットした。なお図１には、参考例として、９９．０〜９９．５％Ａｌ_２Ｏ_３試料の７８２℃における熱放射率を折れ線にて示した。また、各図中の記号と実験例との関係は、表１に示す通りである。なお、本実験においては、１．５〜３．５μｍの実用波長域のうち、波長３．５μｍ位置における熱放射率の値をもって、ＳｉＣ材料の実用の適否を判断する基準とした。

【0023】

【表1】

【0024】

図２より、実験例１のＳｉＣ焼結体は、１７００Ｋで５００及び１０００時間暴露後であっても、波長３．５μｍ位置において高い熱放射率を維持することが分かった。一方、図２より、実験例２及び３のＳｉＣ粉末コート試料は、５００時間暴露後までは、波長３．５μｍ位置において熱放射率０．６を維持するが、１０００時間暴露に達すると、波長３．５μｍ位置における熱放射率は、Ａｌ_２Ｏ_３試料の熱放射率に近い０．４〜０．４５まで低下し、ＳｉＣが当初保有していた高い熱放射性は消失することが分かった。即ち、ＳｉＣ粉末コート試料の場合、５００時間を越える高温熱暴露によって、ＳｉＣの特性である高熱放射性が失われ、原料として適さない状態になることが分かった。

【0025】

図１及び図２に記した各実験例の熱放射率を比較すると、波長７．６９〜９．２３μｍ域に特徴的な二種類の波形が認められた。波長７．６９〜９．２３μｍ域における熱放射率が右上がりのものをＲ型波形（Ｒｉｓｅ ｓｈａｐｅ）、右下がりのものをＤ型波形（Ｄｏｗｎ ｓｈａｐｅ）として、それぞれ図中に併記した。有機物におけるＣ−Ｏ単結体（アルコール、エーテル、カルボン酸、エステル）の赤外吸収振動域が７．６９〜９．２３μｍに存在することは周知であり、熱放射率の上昇は赤外線吸収率の減少を示し、熱放射率の下降は赤外吸収率の増加を示す。即ち、１７００Ｋ保持前のＳｉＣ焼結体／粉末の熱放射率がＲ型波形を示し、１７００Ｋで保持したＳｉＣ焼結体／粉末の熱放射率がＤ型波形を示すということから、高温熱暴露を受けたＳｉＣと該ＳｉＣの表面に形成された酸化膜の界面には、高温保持時間に依存して有機物のＣ−Ｏ単結合に類似する結合状態が存在し、高温熱暴露を受けていないＳｉＣと該ＳｉＣの表面に形成された酸化膜（粉砕や機械加工で生成）との界面には、前記の結合状態の発生が無い、ということが推定される。このようなＣ−Ｏ単結合に類似する結合状態が発生するということは、ＳｉＣが酸化状態にあるものと考えられ、品質管理上、熱放射特性のみならず強度等の観点からも有益な判断基準と言える。上記の通り、あるＳｉＣ材料について、波長７．６９〜９．２３μｍ域における熱放射率の変動を測定することによって、その波形より高温熱暴露の履歴を判断可能であることが分かった。

【0026】

更に、図２より、ＳｉＣ焼結体／粉末に関わらず、１７００Ｋでの保持長期化に伴い、波長７．６９〜９．２３μｍ域におけるＤ型波形の勾配が大きくなり、同時に波長９μｍ位置での熱放射率は５００時間保持後には０．６５に収束し、１０００時間保持後には０．４５に収束することが分かった。即ち、あるＳｉＣ材料について、波長９μｍ位置での熱放射率が低いほど、その結晶構造に大きな変化を受けているものと推定される。また、図２より、波長９μｍ位置での熱放射率が０．６５を下回る場合には、波長３．５μｍ位置での熱放射率が０．６を下回っていることが読み取れる。よって、波長９μｍ位置での熱放射率の値から、実用波長域における熱放射率を予測し、当該ＳｉＣ粉末材料が使用目的に適した品質を有しているかどうかの判断に役立てることができる。

【0027】

上記の結果より、ＳｉＣ材料の波長７．６９〜９．２３μｍ域における熱放射率の変動を測定すること、更に波長９μｍ位置での熱放射率を測定することによって、当該ＳｉＣ材料の結晶状態を推定し、品質管理に繋げることが可能であることが分かった。

【産業上の利用可能性】

【0028】

本発明のＳｉＣ材料の品質評価方法は、ＳｉＣ粉末原料、特に再生原料の品質判断に有用であり、産業上の利用可能性は大なるものである。

【図1】

【図2】