DE102006000534A1

DE102006000534A1 - Verfahren zur Herstellung eines keramischen Rohmaterials und keramischer Formkörper

Info

Publication number: DE102006000534A1
Application number: DE102006000534A
Authority: DE
Inventors: Atsushi Kariya Yamada; Tomoyasu Kariya Watanabe; Akihiko Kariya Tsunekawa; Makoto Kariya Nakae
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2007-08-02
Also published as: JP2007191381A; US20070138447A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Rohmaterials weist die Schritte des Zugebens von Wasser zu keramischen Teilchen, um eine die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit herzustellen, Zugeben von Wasser zu einer Harzkomponente, um eine die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit herzustellen, Mischen der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit und der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit, um einen gemischten Schlicker herzustellen, und Ausfrieren und Trocknen des gemischten Schlickers auf. Insbesondere weist dieses Verfahren ferner das Filtern der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit und der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit auf, um grobe Teilchen von nicht weniger als 100 µm aus jeder Flüssigkeit zu entfernen. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers mit den Schritten des Zugebens von Wasser zu dem vorstehenden keramischen Rohmaterial und dann Extrudieren des gemischten Materials durch Anlegen eines Drucks in einem Bereich von 1 MPa bis 50 MPa beschrieben.

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf die japanischen Patentanmeldungen Nr. 2005-365251, die am 19. Dezember 2005 eingereicht wurde, und Nr. 2006-236351, die am 31. August 2006 eingereicht wurde, und beansprucht deren Priorität, wobei deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme einbezogen werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Rohmaterials und auf einen keramischen Formkörper. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Rohmaterials, das aus keramischen Teilchen und einer Harzkomponente zusammengesetzt ist, die gleichmäßig verteilt sind, und auf die Herstellung eines keramischen Formkörpers, der aus dem hergestellten keramischen Rohmaterial hergestellt wird.

Gesinterte keramische Produkte wie gesinterte keramische Körper, die aus verschiedenen Arten von Keramiken hergestellt werden, wurden weit verbreitet als unterschiedliche Arten von Sensorelementen wie Kondensatorkeramiken, piezoelektrische Gassensor-Elemente, Wabenstrukturkörper und Gassensoren angewendet. Solche gesinterten keramischen Produkte werden durch Mischen von keramischen Teilchen und Bindern (als Harzkomponenten) mit einem Weichmacher und dann Formen der Mischung hergestellt.

Ein solches herkömmliches Herstellungsverfahren, welches hauptsächlich die Schritte des Mischens und Formens von keramischen Teilchen und Harzkomponenten aufweist, schließt einen Nachteil des Hervorrufens einer Verteilungsvariation der Harzkomponente in einem geformten Produkt (oder einem gestalteten Produkt) ein. Wenn ein solches geformtes Produkt gebrannt wird, werden poröse Anteile wie Hohlräume und Poren in einem gesinterten Produkt erzeugt. Dies ruft eine Möglichkeit der Beeinträchtigung der Festigkeit des gesinterten Produkts und des Aufweisens von verschiedenen keramischen Eigenschaften von jedem Anteil in dem gesinterten Produkt hervor.

Es gibt ein anderes herkömmliches Verfahren zur Herstellung eines geformten keramischen Produkts durch Dispergieren keramischer Teilchen und Harzkomponenten in einem organischen Lösungsmittel, um einen gemischten Schlicker herzustellen, und dann Entfernen des organischen Lösungsmittels von dem gemischten Schlicker durch sein Erhitzen beruhend auf einer Doctor Blade Vorgehensweise und dergleichen, und durch abschließendes Trocknen des gemischten Schlickers. Die japanischen offengelegten Patentveröffentlichungen Nr. JP H4-265701 und JP H4-145693 haben eine solche Doctor Blade Vorgehensweise offenbart.

Im Allgemeinen jedoch, weil eine solche herkömmliche Verfahrensweise die Schwierigkeit des gleichmäßigen Dispergierens der Harzkomponente in dem gemischten Schlicker einschließt, tritt eine Verteilungsvariation der Harzkomponente in dem abschließend hergestellten geformten keramischen Produkt auf, das heißt, die Verteilung der Harzkomponente in dem Produkt wird ungleichmäßig. Wie vorstehend beschrieben, kann die herkömmliche Vorgehensweise nicht adäquat die keramischen Teilchen und die Harzkomponente in dem gemischten Schlicker dispergieren, weil eine sterische Hinderung der Harzkomponente, die in dem organischen Lösungsmittel gelöst wird, zwischen den keramischen Teilchen erzeugt wird. Weil ein organisches Lösungsmittel dazu fähig ist, die Harzkomponente zu lösen, weist das organische Lösungsmittel eine schwache Wasserstoffbindungsfestigkeit angesichts der notwendigen Dispersionsneigung auf. Das heißt, es gibt eine Möglichkeit, dass die herkömmliche Vorgehensweise, die vorstehend beschrieben wurde, die keramischen Teilchen und die Harzkomponente in dem gemischten Schlicker nicht adäquat dispergieren kann. Obwohl die herkömmliche Vorgehensweise einen Trocknungsschritt zum Trocknen des gemischten Schlickers durch Aufheizen ausführt, ruft sie die Kohäsion von Harzkomponenten während des Trockenschritts hervor. Als Ergebnis kann die Harzkomponente nicht gleichmäßig in dem getrockneten geformten Produkt dispergiert werden.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines keramischen Rohmaterials bei niedrigen Herstellungskosten zur Verfügung zu stellen, in welchem das hergestellte keramische Rohmaterial aus keramischen Teilchen und einer Harzkomponente zusammengesetzt ist, die gleichmäßig darin dispergiert sind. Es ist ebenso ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum effizienten Herstellen eines keramischen Formkörpers zur Verfügung zu stellen, der aus dem keramischen Rohmaterial bei niedrigen Herstellungskosten hergestellt wurde. Um die vorstehenden Ziele zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Rohmaterials zur Verfügung, das hauptsächlich aus mindestens keramischen Teilchen und einer Harzkomponente zusammengesetzt ist, welches die Schritte aufweist des Herstellens einer die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit durch Mischen von keramischen Teilchen und Wasser (oder Reinwasser), Herstellen einer die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit durch Mischen der Harzkomponente und Wasser (oder Reinwasser), Herstellen eines gemischten Schlickers durch Mischen der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit und der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit, und Herstellen des keramischen Rohmaterials durch Ausfrieren und Trocknen des gemischten Schlickers.

In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird das keramische Rohmaterial, das hauptsächlich aus den keramischen Teilchen und der Harzkomponente zusammengesetzt ist, durch Ausführen des Dispersionsschritts für die keramischen Teilchen, des Dispersionsschritts für die Harzkomponente, des Mischschritts und des Trockenschritts hergestellt.

Der Dispergierschritt für die keramischen Teilchen stellt die die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit durch Zugeben von Wasser zu den keramischen Teilchen und deren Mischen her. Der Dispergierschritt für die Harzkomponente stellt die die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit durch Zugeben von Wasser zu der Harzkomponente und deren Mischen her. Beide vorstehenden Dispergierschritte verwenden Wasser als Lösungsmittel, welches dazu fähig ist, eine große Wasserstoffhaftungs- oder Bindungskraft aufzuweisen, und ferner die keramischen Teilchen und die Harzkomponente in den verschiedenen Flüssigkeiten unabhängig voneinander zu dispergieren. Diese Vorgehensweise kann adäquat und gleichmäßig die keramischen Teilchen und die Harzkomponente jeweils in der entsprechenden Flüssigkeit dispergieren.

Ferner mischt der Mischschritt die die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit und die die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit, um den gemischten Schlicker herzustellen. Das heißt, in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden, nach dem Herstellen der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit und die die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit durch Dispergieren jeweils der keramischen Teilchen und der Harzkomponente jeweils in Wasser als Lösungsmittel, beide der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit und die die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit zusammengemischt, um den gemischten Schlicker herzustellen.

Verglichen mit einer herkömmlichen Vorgehensweise, in welcher die keramischen Teilchen und die Harzkomponente gleichzeitig in Wasser als Lösungsmittel gemischt werden, ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung dazu fähig, die keramischen Teilchen und die Harzkomponente in den gemischten Schlicker gleichmäßig zu dispergieren.

Weil ferner das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung den gemischten Schlicker ausfriert und trocknet, ist es möglich, die Kohäsion der Harzkomponente in dem Aufheizschritt zu verhindern. Als Ergebnis kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung das keramische Rohmaterial, in welchem die keramischen Teilchen und die Harzkomponente gleichmäßig darin dispergiert sind, zur Verfügung stellen.

Gemäß eines anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers zur Verfügung gestellt, welches die Schritte aufweist des Zugebens von Wasser zu dem keramischen Rohmaterial, das durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, dann Mischen des keramischen Rohmaterials und Wasser und Extrudieren des gemischten Materials durch Aufbringen eines Drucks in einem Bereich von 1 MPa bis 50 MPa und abschließendes Formen des gemischten Materials, um einen keramischen Formkörper herzustellen.

Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Formkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ein keramisches Rohmaterial, das durch die verbesserte Vorgehensweise, die vorstehend beschrieben wurde, erhalten wurde, wobei es gleichmäßig dispergierte keramische Teilchen und Harzkomponente aufweist. Es ist folglich möglich, den keramischen Formkörper mit den gleichmäßig darin dispergierten keramischen Teilchen und der Harzkomponente herzustellen. Zusätzlich wird das gemischte Material durch Zugeben des Wassers zu dem keramischen Rohmaterial und dann durch Formen des gemischten Materials unter Anlegen von Druck in einem Bereich von 5 MPa bis 50 MPa hergestellt. In einem konkreten Beispiel wird das gemischte Material durch einen dünnen Schlitz während des Aufbringens von Druck in einem Bereich von 5 MPa bis 50 MPa auf das gemischte Material extrudiert.

Es ist dadurch möglich, die Harzkomponente in ihrem Hochkonzentrations-Anteil zu zerstören, der in dem gemischten Material während des Extrudierens und des Formens einbezogen wird, und ferner die Variation der Harzkomponente in dem geformten keramischen Material, das abschließend hergestellt wird, zu verringern. Als Ergebnis kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung den keramischen Formkörper mit den gleichmäßig darin dispergierten keramischen Teilchen und der Harzkomponente zur Verfügung stellen.

Der keramische Formkörper kann für verschiedene Anwendungen angewendet und als ein gesinterter Körper verwendet werden, der durch Trennen erhalten wird. Wie vorstehend beschrieben wurde, weist der keramische Formkörper die gleichmäßig dispergierten keramischen Teilchen und die Harzkomponente darin enthält, kann dies die Erzeugung von porösen Anteilen wie Hohlräumen und Poren an der Oberfläche oder im Innenteil des gesinterten Körpers nach dem Brennen verhindern. Es ist dadurch möglich, den gesinterten Körper mit einer gleichmäßigen keramischen Eigenschaft wie Festigkeit ohne Variation in jeglichem Teil davon zu erhalten.

In dem Verfahren des Herstellens des keramischen Rohmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, keramische Teilchen und Wasser zu mischen, wobei das Wasser einen Bereich von 20 bis 80 Gewichtsteilen in dem gemischten Material bezogen auf 100 Gewichtsteile ausmacht. Wenn das Wasser weniger als 20 Gewichtsteile beträgt, gibt es die Möglichkeit des schweren Dispergierens der keramischen Teilchen in dem Wasser als Lösungsmittel. Wenn im Gegenteil das Wasser über 80 Gewichtsteile liegt, gibt es eine Möglichkeit, dass es eine lange Zeit benötigt, um das gemischte Material in dem Ausfrier- und Trockenschritt adäquat zu trocknen. Es ist folglich bevorzugt, dass Wasser in einem Bereich von 20 bis 80 Gewichtsteilen, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 35 bis 60 Gewichtsteilen, am besten in einem Bereich von 45 bis 55 Gewichtsteilen zu verwenden.

In dem Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ferner bevorzugt, dass die keramischen Teilchen mindestens eine Art von Komponenten sind, die aus der Gruppe ausgewählt wurden, die aus Aluminiumtitanat (Al₂TiO₅), Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂), Kaliumtitanat (K₂O·nTiO₂), Lithiumaluminosilicat, Cordierit, Titanatzirconat (PZT), Titanoxid (TiO₂), Zinnoxid (SnO₂), Galliumarsenid (GaAs), Siliciumcarbid (SiC), Chromoxid (Cr₂O₃), Zirconia (PSZ), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Yttria (Y), Siliciumnitrid (Si₃N₄), Graphitfaser, Calciumsilicat (3CaO·SiO₂), kristallisiertes Glas, instabiler Kohlenstoff, Wolframcarbid (WC), Titancarbid (TiC), Eisensilicid (FeSi₂), Graphit, Titania (Titanoxid TiO₂), Kohlefaser, Silica (SiO₂), Aluminiumnitrid (AlN), Bariumtitanat (BaTiO₃), Zinkoxid (ZnO), Zinksulfid (ZnS), Galliumphosphid (GaP), Wolframoxid (WO₂), Cadmiumsulfid (CdS) und Indiumzinnoxid (ITO) besteht.

Die Art der keramischen Teilchen zur Herstellung des keramischen Rohmaterials kann optional gemäß der Anwendungen ausgewählt werden. Zum Beispiel wird ein Gassensorelement aus dem keramischen Rohmaterial mit einem oder mehreren keramischen Teilchen aus Zirconia (PSZ), Alumina (Al₂O₃) und Yttria (Y) hergestellt.

In dem Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ferner bevorzugt, dass die die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit gefiltert oder klassiert wird, um grobe Teilchen mit einer Korngröße oder Durchmesser von mindestens nicht weniger als 100 μm zu eliminieren und zu klassifizieren. Dieser Fall weist eine Möglichkeit der Herstellung des keramischen Rohmaterials mit einer hohen Qualität mit einer ungefähr gleichen Korngröße oder Durchmesser auf, welche keine groben Teilchen als einen erwarteten Faktor einschließt, der Defekte hervorrufen kann.

Das heißt, weil die keramischen Teilchen generell aus natürlichen Rohmaterialien hergestellt werden, schließen sie grobe Teilchen ein. Solche groben Teilchen werden während des Herstellungsverfahrens für das keramische Rohmaterial nicht zu einer geeigneten Dimension zerbrochen.

Wenn das keramische Rohmaterial, das durch die Herstellungsvorgehensweise gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, viele grobe Teilchen mit einer Korngröße oder Durchmesser von weniger als 100 μm einbezieht, ruft dies eine Möglichkeit des Erzeugens der Defekte durch die Gegenwart von groben Teilchen in dem abschließend hergestellten keramischen Produkt hervor. Das heißt, wenn im Allgemeinen eine Spannung einer konstanten Größe oder eine elektrische Spannung an das keramische Produkt angelegt wird, gibt es die Möglichkeit des Hervorrufens von Rissen darin beruhend auf der Anwesenheit der groben Teilchen. Um die Erzeugung von solchen Defekten zu verhindern, werden die groben Teilchen im Vorhinein aus der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit durch Ausführen des Filterns oder Klassierungsschritts eliminiert, so dass es möglich ist, das keramische Rohmaterial herzustellen, welches keinen Faktor für Defekte einbezieht. Das keramische Produkt, welches durch das keramische Rohmaterial dadurch hergestellt wurde, ruft nur schwer Defekte hervor, selbst wenn verschiedene Spannungen an das keramische Produkt beim kommerziellen Bearbeiten und der Verwendung angelegt werden.

Darüber hinaus ist es im Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass die die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit gefiltert und klassiert wird, um grobe Teilchen mit einer Korngröße oder Durchmesser von mindestens nicht weniger als 5 μm aus der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit zu eliminieren und zu klassifizieren. Diese Vorgehensweise kann das keramische Rohmaterial mit einer hohen Qualität mit einer ungefähr gleichen Korngröße oder Durchmesser herstellen, welches keine groben Teilchen aufweist, was ein erwarteter Faktor ist, der Defekte erzeugen kann. Diese Bedingung kann ferner die Erzeugung von Defekten eliminieren und das geeignete keramische Rohmaterial erhalten, welches auf Automobilteile wie Gassensoren anwendbar ist.

Wenn das keramische Rohmaterial, das durch die Herstellungsvorgehensweise gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, eine Vielzahl von groben Teilchen mit einer Korngröße und einem Durchmesser von nicht weniger als 100 μm einbezieht, gibt es eine Möglichkeit des Hervorrufens der Defekte durch die Gegenwart von solchen groben Teilchen in dem abschließend hergestellten keramischen Produkt. Das heißt, wenn im Allgemeinen eine Spannung einer konstanten Größe oder eine elektrische Spannung an das keramische Produkt angelegt wird, gibt es die Möglichkeit des Hervorrufens von Rissen beruhend auf der Gegenwart von solchen groben Teilchen. Um die Erzeugung der Defekte zu verhindern, werden die groben Teilchen im Vorhinein aus der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit durch Ausführen des Filter- und Klassierungsschritts eliminiert, so dass es möglich ist, das keramische Rohmaterial zu erzeugen, welches keinen Faktor für Defekte einbezieht. Das keramische Produkt, das durch das keramische Rohmaterial hergestellt wurde, ruft nur schwer Defekte hervor, selbst wenn verschiedene Spannungen an das keramische Produkt bei der kommerziellen Verwendung angelegt werden.

Darüber hinaus ist es in dem Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials bevorzugt, die Harzkomponente und das Wasser zu mischen, wobei das Wasser einen Bereich von 50 bis 99 Gewichtsteilen in dem gemischten Material bezogen auf 100 Gewichtsteile ausmacht. Wenn das Wasser weniger als 50 Gewichtsteile beträgt, gibt es eine Möglichkeit, dass die Harzkomponente in dem Wasser als Lösungsmittel nur schwer dispergiert wird. Wenn im Gegensatz das Wasser mehr als 99 Gewichtsteile beträgt, gibt es eine Möglichkeit, dass es einen langen Zeitraum notwenig macht, um das gemischte Material in dem Ausfrier- und Trockenschritt zu trocknen. Folglich ist es insbesondere bevorzugt, Wasser in einem Bereich von 85 bis 99 Gewichtsteilen und am besten in dem Bereich von 97 bis 99 Gewichtsteilen zu verwenden.

In dem Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ist es fernerhin bevorzugt, dass die Harzkomponente mindestens eine Art von Komponenten ist, die aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Methylcellulose (MC), Hydroxypropylmethylcellulose, Carboxymethylcellulose (CMC), Hydroxyethylcellulose (HEC), Stärke, Polyvinylalkohol (PVA), Polyethylenoxid (PEO), Natriumpolyacrylat und Polyacrylamid (PAA) ausgewählt wurde.

In dem Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ist es fernerhin bevorzugt, dass die die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit gefiltert oder klassiert wird, um grobe Teilchen mit einer Korngröße oder Durchmesser von mindestens nicht weniger als 100 μm zu eliminieren und zu klassifizieren. In diesem Fall ist es möglich, das keramische Rohmaterial mit einer hohen Qualität mit einer annähernd gleichen Korngröße oder Durchmesser herzustellen, welches keine groben Teilchen als Faktor einschließt, der Defekte hervorrufen kann. Das heißt, ähnlich zu dem Fall der keramischen Teilchen, weil die Harzkomponente im Allgemeinen aus natürlichen Rohmaterialien hergestellt wird, beziehen diese eine teilweise gelöste Komponente ein, selbst wenn diese in der gleichen Bedingung hergestellt werden. Dies weist dadurch eine Möglichkeit des Erzeugens von groben Teilchen aus der gelösten Komponente auf. Solch ein grobes Teilchen in der Harzkomponente kann die Defekte wie den Fall der groben keramischen Teilchen hervorrufen. Um die Erzeugung von Defekten zu verhindern, werden die groben Teilchen von mindestens nicht weniger als 100 μm im Vorhinein aus der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit durch Ausführen des Filter- und Klassierschritts eliminiert, so dass es dadurch möglich wird, das keramische Rohmaterial herzustellen, welches keinen solchen Faktor für Defekte aufweist. Das keramische Produkt, das durch das keramische Rohmaterial hergestellt wurde, ruft nur schwer Defekte hervor, selbst wenn verschiedene Spannungen an das keramische Produkt in der Kammerzellenbearbeitung und der Verwendung angelegt werden.

Gemäß des Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Rohmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ist es fernerhin besonders bevorzugt, dass die die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit gefiltert oder klassiert wird, um grobe Teilchen mit einer Korngröße oder Durchmesser von mindestens nicht weniger als 5 μm zu eliminieren und zu klassifizieren. In diesem Fall ist es möglich, das keramische Rohmaterial mit einer hohen Qualität mit einer ungefähr gleichen Korngröße oder Durchmesser herzustellen, welches keine groben Teilchen als erwarteten Faktor aufweist, der Defekte erzeugen kann. Diese Bedingung kann ferner die Erzeugung von Defekten eliminieren und das geeignete keramische Rohmaterial erhalten, welches geeignet für Automobilteile wie Gassensoren anwendbar ist.

Es ist bevorzugt, ein Netz zu verwenden, dessen Öffnung eine halbe Dimension der zu eliminierenden Kornteilchen aufweist, wenn das Filtern und Klassieren für die die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit ausgeführt wird. Das heißt, wenn das grobe Teilchen mit einer Korngröße oder Durchmesser von nicht weniger als 100 μm aus der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit eliminiert wird, ist es bevorzugt, das Netz mit einer Maschenweite von 50 μm zu verwenden. In diesem Fall, selbst wenn das grobe Teilchen in der Harzkomponente beim Filtern deformiert wird, ist es möglich, das grobe Teilchen mit nicht weniger als einer spezifizierten Korngröße oder Durchmesser sicher zu eliminieren.

Ferner ist es bevorzugt, ein Feststoffkomponenten-Verhältnis des gemischten Schlickers aufzuweisen, in welchem die Feststoffkomponente mit einem Bereich von 70 bis 99 Gew.-% in dem gemischten Schlicker von 100 Gew.-% vorliegt.

Wenn das Feststoffkomponentenverhältnis weniger als 70 Gew.-% beträgt, gibt es eine Möglichkeit, dass es einen langen Zeitraum in Anspruch nimmt, um den gemischten Schlicker in dem Ausfrier- und Trockenschritt zu trocknen. Wenn das Feststoff komponentenverhältnis andererseits über 99 Gew.-% liegt, gibt es eine Möglichkeit, dass die keramischen Teilchen und die Harzkomponente in dem gemischten Schlicker nur schwer dispergiert werden. Es ist folglich bevorzugt, ein Feststoffkomponentenverhältnis in einem Bereich von 75 bis 95 Gew.-% und insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 80 bis 90 Gew.-% aufzuweisen.

In den vorstehenden Fällen bedeutet ein solches Feststoffkomponentenverhältnis ein Verhältnis der Feststoffkomponente in Gewichtsprozent in dem gesamten Gewicht des gemischten Schlickers.

In dem Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ferner insbesondere bevorzugt, den gemischten Schlicker zu filtern, um grobe Teilchen in den keramischen Teilchen und der Harzkomponente mit einem Korndurchmesser von mindestens nicht weniger als 100 μm aus dem gemischten Schlicker zu eliminieren und zu klassifizieren. In dieser Art und Weise, ähnlich dem Filter- und Klassierschritt in der die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit und der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit, ist es möglich, das keramischen Rohmaterial herzustellen, das nur wenige Faktoren für Defekte einbezieht.

Es ist insbesondere bevorzugt, die keramischen Teilchen und die Harzkomponente mit einer Korngröße von nicht weniger als 5 μm aus dem gemischten Schlicker zu eliminieren. In diesem Fall ist es möglich, ferner das Auftreten von Defekten zu verhindern und das keramische Rohmaterial zu erhalten, welches geeignet für Teile im Automobilfeld wie Gassensoren anwendbar ist.

Ferner wird in dem Trockenschritt der gefrorene gemischte Schlicker unter einer Niederdruckbedingung erhitzt, um den gemischten Schlicker zu trocknen. Es ist bevorzugt, den Ausfrierschritt für den gemischten Schlicker bei einer Temperatur in dem Bereich von –200°C bis –5°C für einen Zeitraum in einem Bereich von 30 Minuten bis 240 Minuten auszuführen.

Wenn die Ausfriertemperatur weniger als –200°C beträgt, werden die Einführungskosten des Ausfriergerätes (weil ein solches Ausfriergerät teuer ist) und seine Betriebskosten zum kontinuierlichen Aufrechterhalten einer niedrigen Temperaturbedingung hoch. Dies erhöht die gesamten Herstellungskosten zur Herstellung des keramischen Rohmaterials. Wenn die Ausfriertemperatur andererseits auf mehr als –5°C festgesetzt wird, nimmt es eine lange Zeit in Anspruch, die notwendig ist, um den gemischten Schlicker auszufrieren, und dies verringert die Dispersionsrate der keramischen Teilchen und der Harzkomponente in dem gemischten Schlicker. Es ist folglich bevorzugt, einen Temperaturbereich von –50°C bis –20°C und insbesondere bevorzugt um –35°C angesichts des Ausgleichs zwischen der Ausfriergeschwindigkeit und den Herstellungskosten zu haben.

Wenn ferner die Ausfrierzeit weniger als 30 Minuten beträgt, gibt es eine Möglichkeit des Verringerns des Grades der Dispersion der keramischen Teilchen und der Harzkomponente in dem gemischten Schlicker, weil der gemischte Schlicker nicht adäquat ausgefroren werden kann. Selbst wenn andererseits die Ausfrierzeit über 240 Minuten liegt, ist es unmöglich, den Effekt zu der Zeit und Kosten aufzuweisen, nämlich dass die Herstellung eine lange Zeit benötigt und die Herstellungskosten dadurch steigen. Demzufolge ist es bevorzugt, eine Ausfrierzeit in dem Bereich von 60 Minuten bis 180 Minuten und insbesondere bevorzugt in dem Bereich von 90 Minuten bis 150 Minuten zu haben.

Es ist ferner bevorzugt, den Trockenschritt des Trocknens des gefrorenen Materials unter der Bedingung auszuführen, bei der ein Grad des Vakuums einen Bereich von 5 Torr bis 50 Torr, eine Aufheiztemperatur einen Bereich von 20°C bis 70°C und eine Aufheizzeit einen Bereich von 4 Stunden bis 24 Stunden annimmt.

Wenn der Grad des Vakuums weniger als 5 Torr beträgt, werden die Einführungskosten des Trockengerätes zur Erzeugung und seine Betriebskosten zum Aufrechterhalten des Vakuumzustandes teuer, die gesamten Produktionskosten des keramischen Rohmaterials werden dadurch hoch. Dies ist unprofitabel.

Wenn andererseits der Grad des Vakuums weniger als 50 Torr beträgt, kann die in dem gefroren gemischten Schlicker einbezogene Wasserkomponente nicht adäquat sublimieren. Es gibt eine Möglichkeit, dass der gefrorene Schlicker während des Trockenschritts gelöst wird. Es ist folglich bevorzugt, einen Grad des Vakuums in einen Bereich von 5 Torr bis 20 Torr zu haben.

Darüber hinaus gibt es unter der Bedingung der Aufheiztemperatur von weniger als 20°C oder der Aufheizzeit von weniger als 4 Stunden eine Möglichkeit, dass es schwierig wird, die Wasserkomponente adäquat aus dem gefrorenen Schlicker zu eliminieren, und es schwierig wird, den gemischten Schlicker adäquat zu trocknen.

Wenn andererseits die Aufheiztemperatur über 70°C liegt, gibt es eine Möglichkeit des Hervorrufens der Kohäsion der Harzkomponente in den gemischten Schlicker. Selbst wenn ferner der gemischte Schlicker für 24 Stunden oder mehr aufgeheizt wird, ist es schwierig, einen bemerkenswerten Effekt durch eine solche langzeitige Aufheizung zu erhalten. Dieser Fall steigert die gesamten Produktionskosten. Demzufolge ist es bevorzugt eine Aufheiztemperatur in einem Bereich von 30°C bis 65°C und insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 40°C bis 65°C zu haben. Zusätzlich ist es bevorzugt, die Aufheizzeit in einem Bereich von 6 Stunden bis 20 Stunden insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 8 Stunden bis 18 Stunden zu haben.

Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen keramischen Formkörper durch Extrudieren und Formen des keramischen Rohmaterials herzustellen, das durch das vorstehend beschriebene verbesserte Verfahren hergestellt wurde. In einem konkreten Beispiel kann der keramische Formkörper hergestellt werden durch Mischen des keramischen Rohmaterials und Wassers, durch Extrudieren des gemischten Materials unter Aufbringen eines Drucks in einem Bereich von 1 MPa bis 50 MPa, und durch Formen des keramischen Formkörpers. Es ist bevorzugt, das keramische Rohmaterial und das Wasser zu mischen, wobei das Wasser in einem Bereich von 1 bis 20 Gewichtsteilen in der Gesamtheit des keramischen Rohmaterials und des Wassers von 100 Gewichtsteilen vorliegt.

Wenn die Menge des Wassers weniger als 1 Gewichtsteil ist, ist es schwierig, das keramische Rohmaterial und das Wasser zu mischen, weil die Menge des Wassers wenig ist. Wenn andererseits die Menge des Wassers über 20 Gewichtsteilen liegt, wird die Harzkomponente erneut aufgelöst aufgrund der Anwesenheit einer großen Menge von Wasser. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Menge des Wassers in einem Bereich von 2 bis 8 Gewichtsteilen und am besten in einem Bereich von 6 bis 8 Gewichtsteilen liegt.

Es ist weiterhin bevorzugt, den Druck in einem Bereich von 1 MPa bis 50 MPa auf das gemischte Material während des Formens anzulegen.

In dieser Bedingung, selbst wenn das gemischte Material eine Variation der Harzkomponente aufweist, kann der angelegte Druck eine solche Variation der Harzkomponente eliminieren und den Grad der Variation der Harzkomponente so niedrig wie möglich verringern. Wenn der aufgebrachte Druck weniger als 1 MPa ist, gibt es eine Möglichkeit, dass die Variation der Harzkomponente in dem keramischen Rohmaterial nur schwer eliminiert wird. Wenn andererseits der aufgebrachte Druck über 50 MPa liegt, wurde bemerkt und ist es bekannt im Stand der Technik, dass der Effekt zum Verringern der Variation niedrig wird. Folglich ist es insbesondere bevorzugt, den Druck in einem Bereich von 5 MPa bis 30 MPa und am besten in einem Bereich von 5 MPa bis 20 MPa aufzubringen.

Es ist ferner bevorzugt, den keramischen Formkörper als Gassensor zu verwenden. In diesem Fall ist es für den Gassensor möglich, die überlegenen Merkmale des keramischen Formkörpers mit geringer Variation und porösen Anteilen (wie Poren und Hohlräumen) aufzuweisen. Es gibt einen jüngsten Trend, dass die Größe des Gassensors mehr und mehr verringert und seine erlaubte Arbeitstemperatur so stark wie möglich erhöht wird. Es wird dadurch gefordert, dass diese eine hohe Festigkeit und eine hohe thermische Beständigkeit aufweist. Andererseits gibt es eine starke Möglichkeit des Hervorrufens von porösen Anteilen wie Poren und Hohlräumen auf der Oberfläche und im Inneren des Gassensorelements beim Sintern des keramischen Formkörpers mit einer großen Variation der Harzkomponente. Dies verringert die Festigkeit und die thermische Beständigkeit des Gassensorproduktes. Andererseits, weil die vorliegende Erfindung den keramischen Formkörper mit einer niedrigen Variation herstellen kann, ist es möglich, den gesinterten Körper ohne poröse Abteile wie Poren und Hohlräumen zu bilden. Der gesinterte Körper, der durch die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, kann auf ein Gassensorelement angewendet werden, und es ist möglich, einen Gassensor mit der überlegenen Festigkeit und überlegener thermischer Beständigkeit herzustellen, welche von den überlegenen Eigenschaften des keramischen Formkörpers bereitgestellt werden, der durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.

Eine bevorzugte nicht einschränkende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf dem Wege von Beispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gezeigt, in welchen:
1 ein Balkendiagramm ist, welches die Häufigkeit von Teilchen mit verschiedenen Korngrößen in einem gemischten Schlicker als experimentelle Probe X gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Balkendiagramm ist, welches die Häufigkeit von Teilchen mit einer verschiedenen Korngröße in einem Schlicker als experimentelle Probe Y1 zeigt;
3 eine graphische Darstellung ist, welche die Häufigkeit von dispergierten Teilchen in dem gemischten Schlicker als experimentelle Probe X und in dem Schlicker als experimentelle Probe Y2 zeigt;
4 eine Ansicht ist, die eine Konfiguration eines Extrusions-Formgerätes zur Herstellung des keramischen Formkörpers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine Querschnittsansicht einer formgebenden Matrize ist, die in einer stromaufwärtigen Seite des Extrusions-Formgerätes gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung platziert ist;
6 eine Querschnittsansicht eines Extrusionsteils in der formgebenden Matrize, die in 5 gezeigt wird, gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
7 eine Ansicht ist, welche hauptsächlich eine Konfiguration eines Trockengerätes gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 eine REM Aufnahme eines gesinterten Körpers (als experimentelle Probe E2) gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9 eine REM Aufnahme eines gesinterten Körpers (als experimentelle Probe C2) gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
10 ein Balkendiagramm ist, das die Anzahl von Defekten (Anzahl/mm²) zeigt, die in zwei Arten von gesinterten Körpern (als experimentelle Proben E2 und C2) pro Fläche erzeugt wurden, gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ein Balkendiagramm ist, welches die Häufigkeit von keramischen Teilchen in einer keramische Teilchen dispergierende Flüssigkeit vor dem Filtern gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ein Balkendiagramm ist, das die Häufigkeit von keramischen Teilchen in der die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit nach dem Filtern gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 ein Balkendiagramm ist, das die Verteilung von anhaftenden Teilchen der Harzkomponente pro Fläche in einer die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit vor und nach dem Filtern gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ein Balkendiagramm ist, das die Verteilung von groben Teilchen pro Fläche und die Teilchengröße in jedem keramischen Formkörper (experimentelle Proben E3a, E4a und C3a) zeigt;
15 ein Flussdiagramm ist, das die Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Rohmaterials gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
16 ein Flussdiagramm ist, das die Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Formkörpers zeigt, das durch das Extrusions-Formgerät und das Trockengerät gemäß der zweiten Ausführungsform ausgeführt wurde; und
17 ein Flussdiagramm ist, welches die Schritte in dem Verfahren zur Herstellung eines keramischen Rohmaterials gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
Hiernach werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen oder Ziffern gleiche oder äquivalente Komponententeile durch die verschiedenen Ansichten.
Erste Ausführungsform
Eine Beschreibung wird von dem Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf 1 bis 3 und 15 gegeben.
1 ist ein Balkendiagramm, das die Häufigkeit oder Verteilung der Korngröße der keramischen Teilchen und der Harzkomponente zeigt, die in einen gemischten Schlicker der experimentellen Probe X gemäß der ersten Ausführungsform dispergiert sind.
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials, das aus keramischen Teilchen und der Harzkomponente, gemäß der ersten Ausführungsform zusammengesetzt ist, weist einen die keramischen Teilchen dispergierenden Schritt, einen die Harzkomponente dispergierenden Schritt, einen Mischschritt und einen Trockenschritt auf. 15 ist ein Flussdiagramm, welches diese Schritte des Verfahrens der ersten Ausführungsform zeigt.
In dem die keramischen Teilchen dispergierenden Schritt (Schritt S11) werden eine Vielzahl von keramischen Teilchen mit Wasser (oder Reinwasser) als Lösungsmittel gemischt, um eine die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit herzustellen.
In dem die Harzkomponente dispergierenden Schritt (Schritt S12) wird die Harzkomponente mit Wasser (oder Reinwasser) als Lösungsmittel gemischt, um eine die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit herzustellen.
In dem Mischschritt (Schritt S13) werden die die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit und die die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit miteinander gemischt, um einen gemischten Schlicker herzustellen.
In dem Trockenschritt (Schritt S14) wird der gemischte Schlicker ausgefroren und getrocknet, um das keramische Rohmaterial herzustellen.
In einem konkreten Beispiel der vorstehenden Herstellungsschritte werden Zirconiateilchen zunächst als keramische Teilchen hergestellt. Die Zirconiateilchen mit 50 Gew.-% werden dann mit Reinwasser mit 50 Gew.-% gemischt, um die die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit herzustellen (Schritt S11).
Ferner wird Methylcellulose (MC) als Harzkomponente hergestellt. Die Methylcellulose wird dann mit zwei Gewichtsteilen mit Reinwasser mit 98 Gewichtsteilen vermischt, um die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit herzustellen (Schritt S12). Insbesondere werden diese Schritte S11 und S12 unabhängig und getrennt voneinander ausgeführt.
Als nächstes werden die die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit und die die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit miteinander gemischt, um den gemischten Schlicker herzustellen (als experimentelle Probe X). Das gesamte Feststoffverhältnis des gemischten Schlickers wurde ungefähr 85 Gew.-% (Schritt S13).
Als nächstes wurde der gemischte Schlicker durch Sublimation ausgefroren und getrocknet, um die Wasserkomponente aus dem gemischten Schlicker zu eliminieren, der aus der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit und der die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit zusammengesetzt wurde. In einem konkreten Beispiel wurde der gemischte Schlicker zunächst bei einer Temperatur von –35°C für 125 Minuten ausgefroren und dann in einem Vakuumtrockner platziert, und dann bei einer Temperatur von 60°C für 16 Stunden unter der Vakuumbedingung von 10 Torr erhitzt. Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials der ersten Ausführungsform wurde dadurch abgeschlossen (Schritt S14). Das hergestellte keramische Rohmaterial wird später als Probe E1 bezeichnet.
Zudem wurde ein anderes keramisches Rohmaterial (als Probe C1) zum Vergleich mit Probe E1 gemäß der vorliegenden Erfindung durch gleichzeitiges Mischen und Dispergieren sowohl der keramischen Teilchen als auch der Harzkomponente in Wasser als Lösungsmittel hergestellt. In einem konkreten Beispiel zur Herstellung der Probe C1 wurden Zirconiateilchen zunächst als keramische Teilchen hergestellt. Methylcellulose (MC) wurde als Harzkomponente hergestellt. Die Zirconiateilchen mit 14,5 Gewichtsteilen und die Methylcellulose mit 0,5 Gewichtsteilen wurden gleichzeitig mit Wasser von 85 Gewichtsteilen gemischt, um den Schlicker (experimentelle Probe Y1) herzustellen, welcher die keramischen Teilchen und die Harzkomponente darin dispergiert einbezog. Ähnlich zur Probe E1 wurde der hergestellte Schlicker ausgefroren und getrocknet, um das keramische Rohmaterial als Probe C1 herzustellen.
Als nächstes wurde die Verteilung der Korngröße oder des Durchmessers der keramischen Teilchen und der Harzkomponente in den experimentellen Proben X und Y1 gemessen, um einen Dispersionszustand der keramischen Teilchen und der Harzkomponente in den Proben E1 und C1 zu erhalten.
2 ist ein Balkendiagramm, das die Häufigkeit oder Verteilung der Korngröße (oder Durchmesser) der keramischen Teilchen oder der Harzkomponente zeigt, die in dem Schlicker der experimentellen Probe Y1 dispergiert sind.
Die Häufigkeit der Korngröße oder des Durchmessers der keramischen Teilchen und der Harzkomponente, die in den experimentellen Proben Y1 dispergiert waren, wurde unter Verwendung eines Messgeräts für die Teilchengrößenverteilung (Teilchengrößenanalysator "Microtrack", NIKKISO CO., LTD.) gemessen. Das heißt, 1 und 2 zeigen jeweils die Häufigkeit der Teilchengröße der keramischen Teilchen als Messergebnis der experimentellen Proben X und Y1. Jeder Balken, der in 1 und 2 gezeigt wird, zeigt jede Gruppe von dispergierten Teilchen mit einem spezifizierten Bereich einer Korngröße oder eines Durchmessers an, und ebenso eine Häufigkeit (%) der Anzahl an Teilchen in jeder Gruppe gegenüber der gesamten Anzahl an Teilchen.
Die erste Ausführungsform vergleicht den Verteilungszustand der keramischen Teilchen und der Harzkomponente in der experimentellen Probe X mit dem Verteilungszustand der keramischen Teilchen in dem Schlicker (als experimentelle Probe Y2), in welchem nur die keramischen Teilchen in Wasser dispergiert waren.
Das experimentelle Beispiel Y2 wurde durch Mischen von Zirconiateilchen mit 50 Gewichtsteilen in Wasser mit 50 Gewichtsteilen hergestellt. Die Verteilung der dispergierten Teilchen in den experimentellen Proben X und Y2 wurden unter Verwendung des Messgerätes für die Teilchengrößenverteilung gemessen (Teilchengrößenanalysator "Microtrack", NIKKISO CO., LTD.).
3 ist ein Balkendiagramm, das die experimentellen Ergebnisse zeigt. 3 zeigt die Häufigkeit oder Verteilung von dispergierten Teilchen in dem gemischtem Schlicker der experimentellen Probe X und in dem Schlicker der experimentellen Probe Y2. In 3 zeigt die durchgehende Linie das Messergebnis der Teilchengrößenverteilung der experimentellen Probe X und die gepunktete Linie das Messergebnis der Teilchengrößenverteilung der experimentellen Probe Y an. In 3 zeigt die horizontale Linie die Korngröße oder den Durchmesser (mm) und die vertikale Linie die Häufigkeit (%) an.
Wie klar in beiden der 1 und 2 gezeigt wird, weist die experimentelle Probe X eine schmale Häufigkeit oder Verteilung der Teilchengröße auf, wenn sie mit der experimentellen Probe Y1 verglichen wird. Das heißt, das experimentelle Ergebnis der ersten Ausführungsform zeigt deutlich, dass die experimentelle Probe X gleichmäßig dispergierte keramische Teilchen und Harzkomponente in dem gemischten Schlicker eher aufweist als die experimentelle Probe Y, in welcher die experimentelle Probe X durch Dispergieren der keramischen Teilchen in Wasser als Lösungsmittel und durch Dispergieren der Harzkomponente in Wasser als Lösungsmittel unabhängig von den keramischen Teilchen, und dann durch Mischen beider in den Lösungsmitteln hergestellt wurde, um den gemischten Schlicker herzustellen. Andererseits wurde die experimentelle Probe Y1 durch gleichzeitiges Dispergieren der keramischen Teilchen und der Harzkomponente in Wasser als Lösungsmittel hergestellt, um den Schlicker herzustellen. Demzufolge weist Probe E1 die durch Ausfrieren und Trocknen der experimentellen Probe E1 hergestellt wurde, überlegene gleichmäßig verteilte keramische Teilchen und Harzkomponenten in dem gemischten Schlicker auf, wenn sie mit Probe C1 verglichen wird, die durch Ausfrieren und Trocknen der experimentellen Probe Y1 hergestellt wurde.
Wie in 3 deutlich gezeigt wird, weist die experimentelle Probe X eine nahezu gleichmäßige Teilchenverteilung in den gemischten Schlicker (als experimentelle Probe Y2) auf, in welcher nur die keramischen Teilchen in Wasser dispergiert wurden. Es wird folglich verstanden, dass die keramischen Teilchen und die Harzkomponente in der experimentellen Probe X in einen überlegenen gleichmäßigen Dispersionszustand dispergiert wurden, der nahezu der gleiche wie jener des Schlichers ist, in welchem nur die keramischen Teilchen dispergiert wurden.
Weil der gemischte Schlicker (experimentelle Probe X), der dem keramischen Rohmaterial (Probe E1) entspricht, die durch Ausfrieren und Trocknen der experimentellen Probe X hergestellt wurde, getrocknet werden kann, während die überlegenen Dispersionsbedingungen aufrecht erhalten werden, wurden die keramischen Teilchen und die Harzkomponente gleichmäßig dispergiert.
Wie vorstehend im Detail beschrieben wurde, ist es gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, das keramische Rohmaterial herzustellen, das aus den überlegen gleichmäßig verteilten keramischen Teilchen und der Harzkomponente besteht.
Zweite Ausführungsform
Eine Beschreibung wird nun von dem Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf 4 bis 10 und 16 gegeben.
Das Verfahren der zweiten Ausführungsform stellt einen keramischen Formkörper unter Verwendung des keramischen Rohmaterials her, das durch das Verfahren der ersten Ausführungsform hergestellt wurde, die in 1 bis 3 und 15 gezeigt wird. In dem Verfahren der zweiten Ausführungsform wird der keramische Formkörper gebrannt, um einen gesinterten Körper herzustellen.
In dem Verfahren der zweiten Ausführungsform wird zunächst Wasser zu dem keramischen Rohmaterial zugegeben, das durch das Verfahren der ersten Ausführungsform hergestellt wurde, und dann mit diesem gemischt, um das gemischte Material herzustellen. Das gemischte Material wird extrudiert und in einen lagenförmigen keramischen Formkörper geformt.
Die Extrusions- und die Formschritte der zweiten Ausführungsform stellen den keramischen Formkörper unter Verwendung eines Extrusions-Formgerätes 1 her, wie es in 4 bis 7 gezeigt wird.
Das Extrusions-Formgerät 1, das in der zweiten Ausführungsform verwendet und in 4 gezeigt wird, weist einen unteren Schneckenextruder 2 mit einer Schnecke 22 und einen oberen Schneckenextruder 3 mit einer Schnecke 32 und eine formgebende Matrize 11, die in einem vorderen Teil des unteren Schneckenextruders 2 platziert ist, auf. Das Extrusions-Formgerät 1 extrudiert das gemischte Material 80 zu dem unteren Schneckenextruder 2 hin und formt den keramischen Formkörper 8 mit einer Lagenform durch die formgebende Matrize 11. Die formgebende Matrize 11 besteht aus einer Temperatureinstellvorrichtung 5 und einer Vielzahl von Abschnitten, durch welche das gemischte Material 80 in der Breitenrichtung in eine Vielzahl von Teilen zerteilt wird. Die Temperatureinstellvorrichtung 5 stellt jede der vielen Abschnitte (wie Kammern 51) auf eine spezifizierte Temperatur jeweils ein.
Die Konfiguration und die Wirkungsweise des Extrusions-Formgerätes 1 der zweiten Ausführungsform werden nun erklärt.
Wie in 4 gezeigt wird, weist das Extrusions-Formgerät 1 der zweiten Ausführungsform den unteren Schneckenextruder 2 und den oberen Schneckenextruder 3, die in Reihe verbunden sind, und die formgebende Matrize 11, die einen vorderen Teil des unteren Schneckenextruders 2 platziert ist, auf.
Wie in 4 und 5 gezeigt wird, weist die formgebende Matrize 11 eine Trichterform auf, in deren einem Ende ein zylindrisches Rohr geschoben ist, und der Durchmesser der formgebenden Matrize 11 wird graduell erweitert und ihre vertikale Höhe graduell verringert von ihrem Bodenteil (verbunden mit dem unteren Schneckenextruder 2) an ihrem vorderen Teil.
Wie in 4 gezeigt wird, ist ein Paar Kappen 121 und 122 am vorderen Teil der formgebenden Matrize 11 platziert, um die Dicke des keramischen Formkörpers, der nach außen zugeführt wird, einzustellen oder zu begrenzen. Die obere Kappe 121 ist verschiebbar in einer Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durch Einstellen des Verschiebungsbetrages einer Einstellschraube 125 platziert, um einen Spalt zwischen der oberen Kappe 121 und der unteren Kappe 122 einzustellen.
Wie in 4, 5 und 6 gezeigt wird, weist die formgebende Matrize 11 eine Vielzahl von Kammern 51 und eine Heizmedium-Zirkuliereinrichtung 60 auf, durch welche ein Kühlmittel durch die Vielzahl von Kammern 51 zirkuliert wird. Die formgebende Matrize 11, wie sie in 4 und 5 gezeigt wird, ist in drei Teile in ihrer Breitenrichtung "W" und in drei Teile in ihrer Richtung von oben nach unten jeweils unterteilt. Wie in 5 und 6 gezeigt wird, ist jede Kammer 51 mit einem Heizmediumeinlass 511 und einem Heizmediumauslass 512, die mit Zirkulationsrohren 621 und 622 der Heizmedium-Zirkuliereinrichtung 60 jeweils verbunden sind, versehen.
Die Zirkuliereinrichtung 60 für das thermische Medium ist so konfiguriert, dass das Heizmedium 6 mit einem gewünschten Betrag in jede Kammer 51 von einem Tank für das thermische Medium unter der Kontrolle einer Pumpe (nicht gezeigt) und eines Magnetventils (nicht gezeigt) zirkuliert wird.
Es gibt verschiedene Arten der Steuerung und Konfigurationen der Zirkuliereinrichtungen 60 für das thermische Medium. Zum Beispiel ist es akzeptabel, die automatische Steuerung in der Art und Weise einer Rückmeldung auszuführen. Die zweite Ausführungsform wendet eine solche automatische Art und Weise der Steuerung nicht an, sondern ist so konfiguriert, dass eine Temperatur und ein Flussbetrag des Heizmediums 6 zum Kühlen jeder Kammer 51 manuell eingestellt wird.
Wie in 4 gezeigt wird, weist der untere Schneckenextruder 2 eine Druckschraube 22 auf, die in einem Gehäuse 21 platziert ist. Eine spiralförmige Führung 222 ist auf der äußeren Oberfläche eines Achsenkörpers 221 der Druckschnecke 22 gebildet. In ähnlicher Weise weist der obere Schneckenextruder eine Druckschnecke 32 auf, die in einem Gehäuse 31 platziert ist. Eine spiralförmige Führung 322 ist an der Außenoberfläche des Achsenkörpers 121 der Druckschnecke 32 gebildet. In der zweiten Ausführungsform weist die Druckschnecke 22 einen Außendurchmesser "d" (als Außendurchmesser der spiralförmigen Führung 222) von 30 mm (∅ = 30 mm) auf, und die Druckschnecke 32 weist einen Außendurchmesser "d" (als Außendurchmesser der spiralförmigen Führung 322) von 30 mm (∅ = 30 mm) auf.
Eine Vakuumkammer 4 ist zwischen der Druckschnecke 22 und der Druckschnecke 32 platziert. Eine Rohmaterial-Zufuhrkammer 39 ist am hinteren oberen Teil des oberen Schneckenextruders 3 platziert, durch welche das keramische Rohmaterial in dem Extrusions-Formgerät 1 zugeführt wird, das in 4 gezeigt wird.
Wie ferner in 4 gezeigt wird, weist die Rohmaterial-Zufuhrkammer 39 einen Öffnungsteil 390 einer umgekehrten rechteckigen Pyramidenform und ein Paar Druckwalzen 392 auf, die auf jeder Seite unter dem Öffnungsteil 320 platziert sind. Ein Paar der Druckwalzen 392 führt das gemischte Material 80 des keramischen Rohmaterials in den Druckextruder 3 zu.
Die Vakuumkammer 4 ist so konfiguriert, dass sie ein Vakuum an das gemischte Material 80, das durch den oberen Druckextruder 3 extrudiert wird, durch eine Pumpe 55 anlegt. Die Vakuumkammer 4 weist ein Paar Druckwalzen 292 auf, die an jeder Seite unter dem Boden der Vakuumkammer 4 platziert sind, wie in der Konfiguration der Rohmaterialzufuhrkammer 39.
Wie in 7 gezeigt wird, offenbart die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Trockengerät 7, das so konfiguriert ist, dass es den keramischen Formkörper 8, der durch das ExtrusionsFormgerät 1 hergestellt wurde, trocknet und dann den keramischen Formkörper 8 aufrollt. Das Trockengerät 7 weist ein Förderband 71 auf. Das Förderband 71 ist mit einem Paar Umlenkrollen 711 und 712 und einem Band 713 ausgerüstet, das durch die Umlenkrollen 711 und 712 betrieben wird. Das Trockengerät 7 weist ferner eine Heizkammer 73 auf, durch welche sich das Förderband 71 bewegt.
Die Heizkammer 73 weist einen Heizer 731 und einen Temperatursensor 732 auf, die in einem Gehäuse 730 platziert sind. Eine Heizersteuerung 735 steuert den Betrieb des Heizers 731, um eine Temperatur im Inneren der Heizkammer 73 beruhend auf dem Erfassungswert des Temperatursensors 732 konstant zu halten.
Ein Bewegungssensor 741 und eine Geschwindigkeitssteuerung 74 sind am Einlassteil des Förderbandes 71 platziert. Der Bewegungssensor 741 misst einen Betrag der Ablenkung des keramischen Formkörpers 8, welche durch das ExtrusionsFormgerät 1 hervorgerufen wird. Die Geschwindigkeitssteuerung 74 steuert eine Übertragungsgeschwindigkeit des Förderbandes 713, um die Menge der Ablenkung des keramischen Formkörpers beruhend auf dem Messwert, der durch den Bewegungssensor 741 erhalten wurde, konstant zu halten. Ein Wickler oder ein Spulenkörper 75 ist an der Auslassseite des Förderbandes 71 platziert. Der Wickler 75 wickelt den lagenförmigen keramischen Formkörper 8 nach dem Trocknen auf.
Eine Beschreibung wird nun von einem konkreten Beispiel der Herstellung des keramischen Formkörpers 8 durch das Extrusions-Formgerät 1 und das Trockengerät 7 gemäß der zweiten Ausführungsform gegeben.
16 ist ein Flussdiagramm, welches die Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Formkörpers zeigt, welches durch das Extrusions-Formgerät 1 und das Trockengerät 7 gemäß der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird.
Als erstes wurde das gemischte Material 80 durch Zugeben von Wasser zu dem keramischen Rohmaterial E1 und Mischen hergestellt. Das heißt, das gemischte Material 80 wurde durch Zugeben von 5 Gewichtsteilen Wasser zu dem keramischen Rohmaterial mit 95 Gewichtsteilen und dann deren Mischen hergestellt (Schritt S21).
Die Größe des lagenförmigen keramischen Formkörpers 8, der abschließend herzustellen war, weist eine Breite "W" (siehe 5) von 150,0 mm und eine Dicke "T" (siehe 4) von 200,0 mm auf. Er ist so geformt, dass die formgebende Matrize 11 in der Größe dem keramischen Formkörper 8 entspricht. Die Beziehung zwischen dem Außendurchmesser "d" (siehe 5) der Druckschnecke 22 des unteren Schneckenextruders 2 und der Breite "W" des keramischen Formkörpers 8 wird W ≥ 3 d.
In dem formgebenden Schritt des keramischen Formkörpers 8 wird das gemischte Material zunächst zu dem Extrusions-Formgerät 1 durch die Materialzufuhrkammer 39 zugeführt (Schritt S21).
Das zugeführte gemischte Material 80 wird in den oberen Druckextruder 3 zugeführt, und am Boden der Materialzufuhrkammer 39 durch ein Paar der Druckwalzen 392 (Schritt S22) platziert. Das gemischte Material 80 in der oberen Durckextrusion 3 des Extrusions-Formgerätes 1 wird vorwärts in die Vakuumkammer 4 während seines Mischens durch die Drehung der Druckschnecke 32 extrudiert. Das gemischte Material 80, das in der Vakuumkammer 4 unter Vakuum gesetzt wurde, wird in die untere Druckextrusion 2 durch ein Paar der Druckwalzen 292 zugeführt (Schritt S22).
Das gemischte Material 80 in der unteren Druckextrusion 2 wird vorwärts in die formgebende Matrize 11 während seines Mischens durch die Drehung der Druckschnecke 22 extrudiert. Das gemischte keramische Material 80 wird durch die formgebende Matrize 11 als keramischer Formkörper 8 mit einer Lagenform geformt. Der keramische Formkörper 8 wird dann nach außen durch die Kappen 121 und 122, die an der formgebenden Matrize 11 angebracht sind, zugeführt (Schritt S23). In der zweiten Ausführungsform wird ein Druck von ungefähr 10 MPa auf das gemischte Material 80 während des Formens angelegt. Es ist bevorzugt, dass die Größenordnung eines solchen Drucks in einem Bereich von 1 MPa bis 50 MPa liegt, was später beschrieben werden wird (Schritt S23).
Der extrudierte keramische Formkörper 8 mit einer Lagenform wird durch das Trockengerät 7 getrocknet und dann in einen wickelförmigen Körper aufgewickelt (Schritt S24).
Um die Form des keramischen Formkörpers 8 bei der Vorgehensweise der Extrusion und des Formens der zweiten Ausführungsform zu modifizieren, wird das zu extrudierende und zu formende gemischte Material 80 in der Breitenrichtung in eine Vielzahl von Teilen während des Einstellens der Temperatur jedes abgeteilten Teils durch die Temperatureinstellvorrichtung 5 unterteilt.
In einem konkreten Beispiel, beim Beginn des Formschritts, zirkuliert die Heizmedium-Zirkuliereinrichtung 60 das Heizmedium mit 10°C durch alle Kammern 51.
Unter Beobachtung der Form des zu formenden keramischen Formkörpers 8 führt die Heizersteuerung 735 eine oder beide der folgenden Operationen (a) und (b) aus:

(a) Verringern der Temperatur des Heizmediums, welches durch die Kammer 51 fließt, entsprechend einer Faltenfläche, die in dem keramischen Formkörper 8 aufgrund einer hohen Formrate erzeugt wurde; und
(b) Erhöhen der Temperatur des Heizmediums, das durch die Kammer 51 fließt, welches nicht einer Faltenfläche entspricht, die in dem keramischen Formkörper 8 erzeugt wird.

Die Flussrate des gemischten Materials 80, welches durch die formgebende Matrize 11 läuft, wird dadurch in jeder Kammer 51 eingestellt, und als ein Ergebnis kann die Vorwärtsgeschwindigkeit des gemischten keramischen Materials 80, das extrudiert und geformt wird, welches durch die Kappen 121 und 122 durchläuft, etwa auf eine konstante Rate in der Breitenrichtung festgesetzt werden.
Als nächstes wird der keramische Formkörper mit einer Dicke von 200 mm, der in der vorstehenden Art und Weise hergestellt wurde, gebrannt, um einen gesinterten keramischen Körper herzustellen (Schritt S25).
In einem konkreten Beispiel wird der keramische Formkörper mit einer Dicke von 200 mm in eine Vielzahl von Teilen geschnitten, wobei jedes Teil eine Abmessung von 150 mm × 150 mm aufweist. Jedes abgeteilte Teil wird bei einer Temperatur von ungefähr 1500°C für 15 Stunden gebrannt, um einen gesinterten Körper herzustellen. Der gesinterte Körper wird als "Probe E2" bezeichnet.
Als nächstes wird die Gegenwart von porösen Anteilen wie Hohlräumen und Poren, die in den gesinterten Körper erzeugt wurde, nämlich Probe E2 durch ein Rasterelektrodenmikroskop (REM) gemessen.
Die Oberfläche der Probe E2 wurde auf 0,05 mm Tiefe poliert. Das REM betrachtet die polierte Oberfläche der Probe E2. 8 zeigt das Messergebnis von Probe E2, die durch das REM erhalten wurde.
Die Anzahl der porösen Anteile (wie Hohlräume oder Poren) in einem spezifizierten Bereich in Probe E2 wurden durch die Betrachtung unter Verwendung des REM gezählt und die Anzahl an Defekten pro Fläche (Anzahl/mm²) berechnet. 10 zeigt die Ergebnisse der Berechnung.
Ferner wurde in der zweiten Ausführungsform ein gesinterter Körper (Probe C2) durch Mischen von keramischen Teilchen und der Harzkomponente ohne die Zugabe von Wasser, durch Formen und dann Trennen des gemischten Materials hergestellt. Dieser gesinterte Körper (Probe C2) ist eine Vergleichsprobe, um sie mit Probe E2 zu vergleichen. In einem konkreten Beispiel wurden 85 Gewichtsteile Zirconiateilchen als keramische Teilchen und 15 Gewichtsteile Polyvinylbutyral (PVB) als Harzkomponente gemischt. Der keramische Formkörper mit einer Lagenform mit einer Dicke von 200 μm wurde aus dem gemischten Material beruhend auf einer Doctor Blade Vorgehensweise gebildet. Als nächstes wurde der keramische Formkörper in eine Vielzahl von Teilen geschnitten, wobei jedes Teil eine Abmessung von 150 mm × 150 mm besaß, und dann bei einer Temperatur von 1500°C für 50 Stunden gebrannt, um den gesinterten Körper als Probe C2 herzustellen.
Ähnlich zu dem Fall der Probe E2 wurde die Anwesenheit von porösen Anteilen wie Hohlräumen und Poren, die in der Probe C2 erzeugt wurden unter Verwendung des REM gemessen. Die Oberfläche der Probe C2 wurde auf 0,05 mm Tiefe poliert. Das REM beobachtet die polierte Oberfläche der Probe C2. 9 zeigt die Messergebnisse der Probe C2, welche durch das REM erhalten wurden. Die Anzahl der porösen Anteile (wie Hohlräume oder Poren) in einer spezifizierten Fläche in Probe C2 wurde durch die Betrachtung unter Verwendung des REM gezählt und die Anzahl der Defekte pro Fläche (Anzahl/mm²) wurde berechnet. 10 zeigt das Ergebnis der Berechnung.
Wie klar aus 8 ersehen werden kann, gibt es nur wenige oder keine porösen Anteile in Probe E2. Andererseits, wie in 9 gezeigt wird, gibt es poröse Anteile in Probe C2. Die porösen Anteile werden durch einen gepunkteten Kreis angezeigt.
Wie in 10 gezeigt wird, weist Probe C2 einen porösen Anteil von ungefähr 0,045/mm² auf. Im Gegensatz dazu weist Probe E2 nur einen porösen Anteil von 0,001/mm² auf. Das heißt, dass gesagt werden kann, dass Probe E2 nur einen geringen porösen Anteil aufweist.
Dritte Ausführungsform
Eine Beschreibung wird von dem Verfahren zur Herstellung eines keramischen Rohmaterials gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf 11 bis 14 und 17 gegeben. Die Teilchen in dem keramischen Rohmaterial, das durch das Verfahren der dritten Ausführungsform hergestellt wurde, weisen eine mittlere Korngröße mit einer engen Variation auf. Das Verfahren der dritten Ausführungsform führt Schritte des Filterns der keramischen Teilchen und des Kategorisierens und Schritte des Filterns der Harzkomponente und des Kategorisierens zusätzlich zu den Schritten des Verfahrens gemäß der ersten Ausführungsform aus. 17 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte des Verfahrens zur Herstellung des keramischen Rohmaterials gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
In einem konkreten Beispiel des Verfahrens gemäß der dritten Ausführungsform wurden zunächst auf dem Markt erhältliche Aluminiumoxidteilchenpulver als keramische Teilchen hergestellt. 50 Gewichtsteile Aluminiumoxidteilchen und 50 Gewichtsteile Wasser wurden gemischt, um die die keramische Teilchen dispergierende Flüssigkeit herzustellen. Die Menge an Reinwasser als Lösungsmittel zu der Menge der keramischen Teilchen kann optional geändert werden. Zum Beispiel ist es akzeptabel, eine Menge von Reinwasser in einem Bereich von 20 bis 80 Gew.-% zu der Menge der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit zu haben. (Schritt S31). Als nächstes wurde die die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit durch ein Sieb mit einer Maschenweite von mindestens 100 μm gefiltert (Schritt S32). Um die Anwesenheit von grobkörnigen Teilchen nach dem Filtern zu überprüfen, wurde die die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit vor und nach dem Filtern beruhend auf einer Vorgehensweise der Laserbeugung und Streuung unter Verwendung des MT3300EX (Teilchengrößenanalysator "Microtrack" NIKKISO CO., LTD.) gemessen.
11 und 12 zeigen das Messergebnis. 11 zeigt die Häufigkeit oder Verteilung der Korngröße als Messergebnis in der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit vor dem Filtern und 12 zeigt die Häufigkeit oder Verteilung der Korngröße als Messergebnis in der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit nach dem Filtern.
Wie klar in 11 und 12 angezeigt wird, kann deutlich verstanden werden, dass im letzteren Fall, der in 12 gezeigt wird, eine engere Variation der mittleren Korngrößenverteilung erreicht wird, das heißt, die Ausführung des Filterns kann die Variation der mittleren Korngröße oder des Durchmessers verringern. Als nächstes wurde Methylcellulose (MC) als Harzkomponente hergestellt. Zwei Gewichtsteile Methylcellulose wurden dann mit 98 Gewichtsteilen Reinwasser gemischt, um die die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit herzustellen (Schritt S33).
Die Menge des Reinwassers zu der Menge der Harzkomponente kann optional geändert werden. Zum Beispiel ist es akzeptabel, eine Menge des Reinwassers in einem Bereich von 50 bis 99 Gew.-% zu der Menge der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit zu haben.
Als nächstes wurde die die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit durch ein Sieb mit einer Maschenweite von mindestens 50 μm gefiltert (Schritt S34). Um die Anwesenheit von grobkörnigen Teilchen nach dem Filtern zu überprüfen, wurde die die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit vor und nach dem Filtern beruhend auf einer Vorgehensweise der Laserbeugung und Streuung unter Verwendung von MT3300EX (Teilchengrößenanalysator "Microtrack", NIKKOSI CO., LT D) gemessen.
13 zeigt die Verteilung der Teilchen der Harzkomponente pro Fläche in der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit als Messergebnis vor und nach dem Filtern. Die Teilchengröße oder die Durchmesserverteilung der Harzkomponente wurde in der folgenden Art und Weise gemessen.
Zuerst wurde ein Teil der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit vor und nach dem Filtern in einer Lagenform getrocknet und die einmal geformte getrocknete Lage mit REM gemessen, um die Anzahl der zusammenhängenden Teilchen pro Fläche zu zählen. Wie in 13 angezeigt wird, kann verstanden werden, dass große Teilchen von nicht weniger als 100 μm nach dem Filtern vollständig eliminiert wurden.
Als nächstes wurde die die keramische Teilchen dispergierende Flüssigkeit nach dem Filtern und die die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit nach dem Filtern zusammen gemischt, um einen gemischten Sehlicker herzustellen (Schritt S35). Der gemischte Schlicker wurde ausgefroren und in der gleichen Art und Weise wie in der ersten Ausführungsform getrocknet, um das keramische Rohmaterial bereitzustellen. Dieses Produkt wird als "Probe E3" bezeichnet (Schritt S36).
In der dritten Ausführungsform wurde ein anderes keramisches Rohmaterial (Probe E4) als Vergleichsprobe hergestellt, um diese mit der Probe E3 zu vergleichen, durch Mischen von einer die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit und einer die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit ohne Ausführen des Filterns. Probe E4 wurde in der gleichen Art und Weise der Herstellung der Probe E2 mit Ausnahme des Filterns hergestellt.
Das heißt, Probe E4 wurde durch Mischen der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit und der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit miteinander und dann Ausfrieren und Trocknen der gemischten Flüssigkeit hergestellt, wobei die die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit durch Mischen von 50 Gewichtsteilen Aluminiumoxidteilchen und 50 Gewichtsteilen Wasser und die die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit durch Mischen von 2 Gewichtsteilen Methylcellulose mit 98 Gewichtsteilen Wasser hergestellt wurden.
Als nächstes wurden 5 Gewichtsteile Wasser zu jedem der keramischen Rohmaterialien mit jeweils 95 Gewichtsteilen der Probe E3 und der Probe E4 zugegeben, um das gemischte keramische Material herzustellen. Die Menge an Wasser in jedem gemischten keramischen Material kann optional in einem Bereich von 1 bis 20 Gew.-% zum Beispiel eingestellt werden.
Als nächstes wurde das gemischte keramische Material in der gleichen Art und Weise der ersten Ausführungsform so gebildet, dass es einen keramischen Formkörper mit einer Lagenform herstellt. Das Formen wurde bei einem Druck in einem Bereich von 5 MPa bis 50 MPa ausgeführt. Die Dicke des keramischen Formkörpers wurde in einem Bereich von 1 mm bis 4 mm festgesetzt. Der keramische Formkörper, der aus Probe E3 hergestellt wurde, wird als Probe E3a bezeichnet, und der keramische Formkörper, der aus der Probe E4 hergestellt wurde, wird als Probe E4a bezeichnet.
In der dritten Ausführungsform wurde ein keramischer Formkörper in Lagenform als Probe C3a hergestellt, um verglichen zu werden, durch Mischen von keramischen Teilchen und Harzkomponente ohne die Zugabe von Wasser. In einem konkreten Beispiel wurde auf dem Markt erhältliches Aluminiumoxidpulver zunächst als keramische Teilchen hergestellt.
85 Gewichtsteile Aluminiumoxidteilchen und 15 Gewichtsteile Polyvinylbutyral (PVB) als Harzkomponente wurden gemischt. Das gemischte Material wurde durch ein Doctor Blade Verfahren geformt. Der keramische Formkörper wird als Probe C3a bezeichnet.
Als nächstes wurden die drei Proben E3a, E4a und C3a mit dem REM betrachtet, um die Verteilung der mittleren Korngröße oder des Durchmessers pro Fläche zu erhalten.
14 ist ein Balkendiagramm, das die Verteilung von groben Teilchen pro Fläche und die Teilchengröße in jedem keramischen Formkörper zeigt (experimentelle Proben E3a, E4a und C3a).
Wie in 14 klar gezeigt wird, weisen die Probe E4a und Probe E3a viele grobe Teilchen mit einer Korngröße oder einem Durchmesser von nicht weniger als 100 μm auf. Andererseits weist die Probe E3a keine groben Teilchen von nicht weniger als 100 μm auf.
Als nächstes wurde jeder Formkörper (Probe E3a, Probe E4a und Probe C3a) gebrannt, um gesinterte keramische Produkte herzustellen. In der dritten Ausführungsform wurde ein Gassensorelement unter Verwendung jedes der gesinterten keramischen Produkte hergestellt, welche aus einem Feststoffelektrolytkörper, einem Paar Elektroden, einer Isolierschicht und einem Halter zusammengesetzt war. Der Feststoffelektrolytkörper wird zwischen ein Paar der Elektroden laminiert. Jeder Formkörper (Probe E3a, Probe E4a und Probe C3a) mit einer Lagenform wurde als Isolierschicht verwendet.
Das Gassensorelement als Probe E3b wurde unter Verwendung der Probe E3a hergestellt. Das Gassensorelement als Probe E4b wurde unter Verwendung der Probe E4a hergestellt. Das Gassensorelement als Probe C3b wurde unter Verwendung der Probe C3a hergestellt.
In den Gassensorelementen war die Isolierschicht aus den gesinterten Probe E3a, Probe E4a und Probe C3a durch Brennen hergestellt.
In der dritten Ausführungsform wurden 20 Gassensorelemente jeweils aus jeder der Probe E3b, Probe E4b und Probe E3b hergestellt.
Als nächstes wurden Spannungen von 14 V, 15 V und 16 V an die Heizer in den Gassensorelementen als Proben E3b, Probe E4b und Probe C3b jeweils angelegt um eine Heizspannung daran anzulegen. Die Gegenwart von erzeugten Rissen in der Isolierschicht des Gassensorelements wurde betrachtet. Die Erzeugungsrate von Rissen in jeder der Proben E3b, Probe E4b und Proben C3b wurde beruhend auf den Beobachtungsergebnissen berechnet.
Eine folgende Tabelle 1 zeigt die Berechnungsergebnisse, die vorstehend beschrieben wurden.
Tabelle 1
Wie in Tabelle 1 klar gezeigt wird, gibt es keine Risse in der Probe E3b, die aus dem keramischen Rohmaterial der Probe E3 hergestellt wurde. In Probe E4b, die aus dem keramischen Rohmaterial der Probe E4 hergestellt wurde, wurden die Risse mit einer Rate von 15 % beim Anlegen einer Hochspannung von 16 V erzeugt. Im Gegensatz dazu wurden in Probe C3b, die aus dem keramischen Rohmaterial der Probe C3 hergestellt wurde, die Risse mit einer Rate von 5 % beim Anlegen selbst einer niedrigen Spannung von 5 V erzeugt.
Wie klar aus den vorstehenden experimentellen Ergebnissen verstanden werden kann, ist es möglich, die Erzeugung von Defekten wie Rissen und Hohlräumen in dem keramischen Produkt (Gassensorelement E3b) unter Verwendung der Probe E3 zu unterdrücken, aus welcher grobe Teilchen mit einer Korngröße von nicht weniger als 100 μm durch Filtern eliminiert wurden.
Während spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, wird es durch einen Fachmann verstanden werden, dass verschiedene Modifikationen und Alternativen zu diesen Details entwickelt werden können im Licht der gesamten Lehre der Offenbarung. Demzufolge sind die speziellen Anordnungen die hier offenbart sind, illustrativ nur und nicht begrenzend für den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung gemeint, welche in der vollen Breite der folgenden Ansprüche und alle ihre Äquivalente zu geben ist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Rohmaterials weist die Schritte des Zugebens von Wasser zu keramischen Teilchen, um eine die keramischen Teilchen dispergierende Flüssigkeit herzustellen, Zugeben von Wasser zu einer Harzkomponente, um eine die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit herzustellen, Mischen der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit und der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit, um einen gemischten Schlicker herzustellen, und Ausfrieren und Trocknen des gemischten Schlickers auf. Insbesondere weist dies Verfahren ferner das Filtern der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit und der die Harzkomponente dispergierende Flüssigkeit auf, um grobe Teilchen von nicht weniger als 100 μm aus jeder Flüssigkeit zu entfernen. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers mit den Schritten des Zugebens von Wasser zu den vorstehenden keramischen Rohmaterial und dann Extrudieren des gemischten Materials durch Anlegen eines Drucks in einem Bereich von 1 MPa bis 50 MPa beschrieben.

Claims

Verfahren zur Herstellung von keramischem Rohmaterial, das hauptsächlich aus zumindest keramischen Teilchen und einer Harzkomponente zusammengesetzt ist, welches die Schritte umfasst: Herstellen einer die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit durch Mischen von keramischen Teilchen und Wasser; Herstellen einer die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit durch Mischen der Harzkomponenten und Wasser; Herstellen eines gemischten Schlickers durch Mischen der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit und der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit; und Herstellen des keramischen Rohmaterials durch Ausfrieren und Trocknen des gemischten Schlickers.
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 1, wobei die keramischen Teilchen mindestens eine Art von Komponenten umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt wurde, die besteht aus Aluminiumtitanat (Al₂TiO₅), Mullit (3Al₂O₃· 2SiO₂), Kaliumtitanat (K₂O·nTiO₂), Lithiumaluminosilicat, Cordierit, Titanatzirconat (PZT), Titanoxid (TiO₂), Zinnoxid (SnO₂), Galliumarsenid (GaAs), Siliciumcarbid (SiC), Chromoxid (Cr₂O₃), Zirkonia (PSZ), Alumina (Al₂O₃), Yttria (Y), Siliciumnitrid (Si₃N₄), Graphitfaser, Calciumsilicat, (3CaO·SiO₂), kristallisiertes Glas, instabiler Kohlenstoff, Wolframcarbid (WC), Titancarbid (TiC), Eisensilicid (FeSi₂), Graphit, Titania (Titanoxid TiO₂), Kohlefaser, Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumnitrid (AlN), Bariumtitanat (BaTiO₃), Zinkoxid (ZnO), Zinksulfid (ZnS), Galliumphosphid (GaP), Wolframoxid (WO2), Cadmiumsulfid (CdS) und Indiumzinnoxid (ITO).
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 1, wobei die Harzkomponente mindestens eine Art von Komponenten ist, die aus einer Gruppe ausgewählt wurde, die besteht aus Methylcellulose (MC), Hydroxypropylmethylcellulose, Carboxymethylcellulose (CMC), Hydroxyethylcellulose (HEC), Stärke, Polyvinylalkohol (PVA), Polyethylenoxid (PEO), Natriumpolyacrylat und Polyacrylamid (PAA).
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 2, wobei die Harzkomponente mindestens eine Art von Komponenten ist, die aus einer Gruppe ausgewählt wurde, die besteht aus Methylcellulose (MC), Hydroxypropylmethylcellulose, Carboxymethylcellulose (CMC), Hydroxyethylcellulose (HEC), Stärke, Polyvinylalkohol (PVA), Polyethylenoxid (PEO), Natriumpolyacrylat und Polyacrylamid (PAA).
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 1, welches ferner einen Schritt des Filterns der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit umfasst, um grobe Teilchen mit einer Korngröße von mindestens nicht weniger als 100 μm aus der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit zu eliminieren und zu klassifizieren.
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 2, welches ferner einen Schritt des Filterns der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit umfasst, um grobe Teilchen mit einer Korngröße von mindestens nicht weniger als 100 μm aus der die keramischen Teilchen dispergierenden Flüssigkeit zu eliminieren und zu klassifizieren.
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 3,
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 1, welches ferner einen Schritt des Filterns der die Harzkomponente beginnenden Flüssigkeit umfasst, um grobe Teilchen mit einer Korngröße von mindestens nicht weniger als 100 μm aus der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit zu eliminieren und zu klassifizieren.
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 2, welches ferner einen Schritt des Filterns der die Harzkomponente beginnenden Flüssigkeit umfasst, um grobe Teilchen mit einer Korngröße von mindestens nicht weniger als 100 μm aus der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit zu eliminieren und zu klassifizieren.
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 3, welches ferner einen Schritt des Filterns der die Harzkomponente beginnenden Flüssigkeit umfasst, um grobe Teilchen mit einer Korngröße von mindestens nicht weniger als 100 μm aus der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit zu eliminieren und zu klassifizieren.
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 5, welches ferner einen Schritt des Filterns der die Harzkomponente beginnenden Flüssigkeit umfasst, um grobe Teilchen mit einer Korngröße von mindestens nicht weniger als 100 μm aus der die Harzkomponente dispergierenden Flüssigkeit zu eliminieren und zu klassifizieren.
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 1, welches ferner einen Schritt des Filterns des gemischten Schlickers umfasst, um grobe Teilchen der keramischen Teilchen und der Harzkomponente mit einer Korngröße von mindestens nicht weniger als 100 μm dem gemischten Schlicker zu eliminieren und zu klassifizieren.
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 2, welches ferner einen Schritt des Filterns des gemischten Schlickers umfasst, um grobe Teilchen der keramischen Teilchen und der Harzkomponente mit einer Korngröße von mindestens nicht weniger als 100 μm dem gemischten Schlicker zu eliminieren und zu klassifizieren.
Das Verfahren zur Herstellung des keramischen Rohmaterials nach Anspruch 3, welches ferner einen Schritt des Filterns des gemischten Schlickers umfasst, um grobe Teilchen der keramischen Teilchen und der Harzkomponente mit einer Korngröße von mindestens nicht weniger als 100 μm dem gemischten Schlicker zu eliminieren und zu klassifizieren.
Das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers, welches die Schritte umfasst: Zugeben von Wasser zu dem keramischen Rohmaterial, das durch das Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt wurde, und dann Mischen des keramischen Rohmaterials mit Wasser; und Extrudieren des gemischten Materials durch Anlegen eines Drucks in einem Bereich von 1 MPa bis 50 MPa und Formen des gemischten Materials, um einen keramischen Formkörper zu bilden.
Das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers, welches die Schritte umfasst: Zugeben von Wasser zu dem keramischen Rohmaterial, das durch das Verfahren nach Anspruch 2 hergestellt wurde, und dann Mischen des keramischen Rohmaterials mit Wasser; und Extrudieren des gemischten Materials durch Anlegen eines Drucks in einem Bereich von 1 MPa bis 50 MPa und Formen des gemischten Materials, um einen keramischen Formkörper zu bilden.
Das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers, welches die Schritte umfasst: Zugeben von Wasser zu dem keramischen Rohmaterial, das durch das Verfahren nach Anspruch 3 hergestellt wurde, und dann Mischen des keramischen Rohmaterials mit Wasser; und Extrudieren des gemischten Materials durch Anlegen eines Drucks in einem Bereich von 1 MPa bis 50 MPa und Formen des gemischten Materials, um einen keramischen Formkörper zu bilden.
Das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers nach Anspruch 15, wobei der keramische Formkörper ein Gassensorelement ist.