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発表・掲載日:2013/11/25

約2400 ℃まで熱膨張を正確に計測できる装置を開発

-接触法および非接触法を同時に用い、超高温域にも対応する熱膨張計測技術-

ポイント

  • 人造グラファイトなど工業用カーボン材料の熱膨張を2400 ℃まで正確に計測
  • 高密度等方性グラファイトを用いた接触法にレーザーマイクロゲージを用いた非接触法を加えて同時に計測することで信頼性を向上
  • パワー半導体材料など超高温条件を必要とする製造技術の高度化へ貢献

概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)計測フロンティア研究部門【研究部門長 山内 幸彦】構造物画像診断グループ 津田 浩 研究グループ長、岩下 哲雄 上級主任研究員は、2400 ℃までの超高温域で人造グラファイトなど工業用カーボン材料の熱膨張を計測できる装置を開発した。

 この装置では熱膨張による試験片の寸法変化を、高密度等方性グラファイト参照物質とした接触法レーザーマイクロゲージ(LMG)を利用した非接触法の二つの方法で同時に計測し、互いに補完させることで、2400 ℃の高温領域での線熱膨張率および熱膨張係数を正確に計測できる。人造グラファイトを発熱体などに利用する製鋼や精錬、半導体製造などの技術の高度化への貢献が期待される。なお、この技術の詳細は、平成25年12月3日~5日に京都教育文化センター(京都市)で開催される第40回炭素材料学会年会で発表する。

2400 ℃での計測の様子の写真との開発した装置から得られた等方性グラファイト材料の線熱膨張率と熱膨張係数の温度依存性の図
(左)2400 ℃での計測の様子(レーザーマイクロゲージの受光部)
(右)開発した装置から得られた等方性グラファイト材料の線熱膨張率と熱膨張係数の温度依存性

開発の社会的背景

 人造グラファイト材料は、シリコン半導体製造電炉製鋼アルミニウム精錬など、高温に耐え、導電性を持つ材料を必要とする製造業に必要不可欠である。近年、これらの製造業の製造工程は大型化され、人造グラファイト材料による温度制御の重要性は増している。さらに、SiC単結晶などパワー半導体材料の製造には2000 ℃を超える高温での結晶成長プロセスが必要とされるため、超高温域での物性評価が非常に重要となってきている。しかし、人造グラファイト材料の高温での電気抵抗、熱伝導性、機械的強度などの物性は、原料や製造方法の影響を強く受けるため一様でなく、材料ごとに、物性の温度依存性を測定することが求められている。

研究の経緯

 これまで産総研では、2000 ℃を超える高温下での機械的強度や電気抵抗などの物理特性を計測する装置を開発し、さまざまな人造グラファイト材料の高温での温度依存性を評価してきたが、今回、高温での熱膨張を接触法と非接触法により同時に測定できる装置の開発に取り組んだ。

 なお、この成果の一部は、戦略的基盤技術高度化支援事業「工業用カーボン高温物性の計測評価による製造・製品高度化の研究」による。

研究の内容

 材料を高温製造プロセスで利用するためには、材料自体の耐火・耐熱などの耐熱衝撃性が求められる。一般に、材料は温度変化で体積が変わるので、1 ℃の温度変化に対する寸法変化率、すなわち、熱膨張係数が耐熱衝撃性評価の指標となる。高温での耐火物などの熱膨張を試験する方法は、JIS R2207「耐火物の熱膨張の試験方法」で規格化されている。しかし、接触法による線熱膨張率の測定において参照物質として従来用いられてきた高純度アルミナ焼結体は、2000 ℃を超える高温では使用できず、より耐熱温度の高いグラファイトを使用するしかない。他方、LMGをはじめとするレーザー光走査型寸法測定器を用いた非接触法の熱膨張率の測定は、超高温では電気炉からの放射光が強烈で受光部に散乱光が入り込むため、これまでは1800 ℃程度までの温度が上限であった。

 今回、発熱体および計測ジグだけでなく、参照物質にも高密度等方性グラファイトを用いて超高温用の熱膨張計測装置を開発した。接触法による測定では、高密度等方性グラファイトの耐熱温度である3000 ℃付近まで計測できるが、超高温領域では、炉内温度と炉外に設置した差動トランス(伸び計)の温度差が大きく、測定誤差が大きくなる。そこで、LMGを導入して、接触法と非接触法による計測を互いに比較できるようにした。非接触法による測定については、電気炉からの散乱光がLMGの受光部に入りにくいようにした。これらにより、2400 ℃まで両方法による線熱膨張率の同時計測が可能になった。図1に開発した装置の概念図を示す。試験片と計測ジグをセットできるように、高密度等方性グラファイトの発熱体を電気炉の前後面に配置した。なお、前面の発熱体は、電気炉のドアの内側に取り付けてある。左右面にはLMGによる計測ができるように光路を確保した。試験片と接触法による計測用の検出棒と差動トランスは電気炉の上下方向に配置した。また、この装置の試験片サイズは、直径20 mm×長さ100 mmの丸棒とした。これは、工業用カーボン材料の物理特性測定方法のJIS規格(JIS R7222)に準拠したサイズである。

超高温熱膨張計測装置概念図
図1 超高温熱膨張計測装置の概念図
(左)上からの投影図、(右)正面からの投影図
Lは試験片の長さ。温度を変えてLの変化を測定することで線熱膨張率を計測する。

 開発した装置による計測結果を図2に示す。図2左は、参照物質である高密度等方性グラファイトの熱膨張による伸び量を、LMGを用いて計測した結果である。1400 ℃までの結果は、従来法によって計測された熱膨張率から計算した伸び量とよく一致していた。また、1400 ℃以上の高温領域のデータは、今回初めて得られた計測結果であり、新規な参照データとなる。昇温過程と冷却過程のデータには、ほとんど差異がなかった。

今回開発した装置による計測結果の図
図2 今回開発した装置による計測結果
(左)高密度等方性グラファイト(参照物質)の熱膨張による伸び量のLMGによる計測結果と計算値の比較
(右)グラファイト素材の黒鉛化処理における線熱膨張率(接触法と非接触法)と熱膨張係数の計測結果

 人造グラファイトの製造工程の一つに「黒鉛化」という超高温熱処理があり、その際に熱収縮現象が起こる。今回開発した装置を用いて、2400 ℃といった超高温領域まで試験片の寸法変化を計測したところ、この熱収縮現象を“その場観察”できた。図2右では、今回の試験片である一次焼成されたグラファイト素材の評価結果を示している。1000 ℃までは熱膨張を示したが、1000 ℃以上になると結晶化に伴う急激な熱収縮が始まった。そして、熱収縮の挙動が1600 ℃付近で変化することが今回初めて見いだされた。熱収縮による歩留まりの低下を改善する基礎データとなる。また、LMGによる非接触法と接触法による熱膨張率の計測値には、ほとんど差がなく互いの方法が補完され、正確に計測できていることが確かめられた。

 SiCのようなパワー半導体材料の製造では、大きな単結晶を作るために、超高温領域で熱膨張係数の小さいグラファイト材料が望まれている。今回開発した装置を用いたLMGによる非接触法では、マイクロメートルオーダーの精度で計測できるので、パワー半導体製造の高度化に貢献できると期待される。

今後の予定

 今後は、種々の工業用カーボン材料の線熱膨張率や熱膨張係数の測定を行い、データを蓄積するとともに、出発原料、製造条件や結晶構造などが熱膨張係数に与える影響を調べていく。数年後にはこの計測技術を外部に技術移転することも検討していく。


用語の説明

◆人造グラファイト
カーボン材料(炭素材料)の一種。主に高温を必要とする工業に用いられる。3000 ℃までの超高温度でグラファイト結晶を成長させる黒鉛化という処理をするので人造グラファイトと呼ばれる。高温でも機械的強度が比較的高い導電材料として電炉用アーク放電電極や製錬用電極に使用されている。シリコン半導体製造では金属不純物の混入を避けるために主に発熱体として用いられる。応用の目的に応じて出発原料、調製方法が異なる多様な材料が存在する。[参照元へ戻る]
◆工業用カーボン材料
工業製品を製造するために使用されるカーボン材料。石油・石炭などの残りかすから得られる素材や樹脂などの有機物を固めて加熱処理(炭素化)して製造されている。ここで挙げた応用の他には、放電加工用の電極やシリコン半導体製造ラインのダミーウエハーなどがある。[参照元へ戻る]
◆高密度等方性グラファイト
グラファイト素材を冷間等方圧成形法によって成形したグラファイトで、比重が1.75以上のもの。各種の物理特性の異方比が1.0~1.1のものを等方性としている。半導体工業をはじめ冶金工業、セラミック工業、機械工業、原子力開発、宇宙開発などに幅広く応用されている。[参照元へ戻る]
◆参照物質
線熱膨張率が既知の物質。JIS R2207-3においては、大気雰囲気での測定用として高純度アルミナ焼結体または石英ガラスを用いる。不活性雰囲気では、高純度のアルミナ焼結体または高純度のグラファイト焼結体を用いる。計測ジグである支持台および検出棒も同じ材質のものを用いる。[参照元へ戻る]
◆接触法
試験片を加熱炉に設置し、一定速度で加熱しながら、炉外から試験片の両端の位置を非接触計測器によって連続または一定温度間隔で計測し、試験片の長さを測定する方法。JIS R2207-1法。[参照元へ戻る]
◆レーザーマイクロゲージ(LMG)
レーザー光を利用して非接触で寸法や隙間を測定する装置。[参照元へ戻る]
◆非接触法
試験片を加熱炉に設置し、一定速度で加熱しながら、炉外から試験片の両端の位置を非接触計測器によって連続または一定温度間隔で計測し、試験片の長さを測定する方法。JIS R2207-1法。[参照元へ戻る]
線熱膨張率
温度の上昇によって変化した試験片の伸びを元の長さで割って百分率で表したもの。[参照元へ戻る]
◆熱膨張係数
温度の上昇によって試験片の長さ・体積が膨張する割合(膨張率)を、1 ℃あたりで示したもの。温度変化による材料の寸法変化率の指標。[参照元へ戻る]
◆シリコン半導体製造
チョクラルスキー法と呼ばれる高純度のシリコン単結晶を成長させる方法を意味する。種結晶をるつぼ内で溶融状態のシリコンに接触させてゆっくりと回転させながら引き上げる。この時、温度制御を厳密に行う必要がある。シリコンを溶融させる発熱体には高密度等方性グラファイト材料が用いられる。[参照元へ戻る]
◆電炉製鋼
アーク放電と呼ばれる雷に似た放電を人工的に発生させ、その放電熱によって鉄を融解し製鋼を行う。高炉とは異なり、主にスクラップ鉄が原料となる。この放電熱は超高温に達するため、この温度に十分耐えうるように陰極部に人造グラファイト電極を用いる。[参照元へ戻る]
◆アルミニウム製錬
アルミニウム原料を塩に溶融し、電気分解して金属アルミニウムを取り出すプロセス。人造グラファイト電極が陰極(カソード)として用いられる。金属マグネシウムも同様な方法で得られる。[参照元へ戻る]
◆耐熱衝撃性
急激な温度変化にどの程度耐えられるかという性質。[参照元へ戻る]
◆高純度アルミナ焼結体
高純度の酸化アルミニウム粉末を焼き固めたもの。ファインセラミックスの代表的な材料の一つ。[参照元へ戻る]
◆計測ジグ
ここでは、接触法における検出棒および支持管を意味する。[参照元へ戻る]


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