DE102016124295A1

DE102016124295A1 - Thermisches isolationsmaterial und herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102016124295A1
Application number: DE102016124295.0A
Authority: DE
Inventors: Taizo YOSHINAGA; Ryosuke Maekawa; Yohei Kinoshita; Takeo Yamaguchi; Hideo Yamashita; Tsunehiro TAKEUCHI
Original assignee: Toyota School Foundation; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota School Foundation; Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2017-06-22
Also published as: CN106884120A; JP2017110262A; US20170175232A1; KR20170072133A

Abstract

Thermisches Isolationsmaterial, das eine Al-Cu-Fe-basierte Legierung enthält, wobei zumindest ein Teil der Al-Cu-Fe-basierten Legierung eine quasikristalline Phase umfasst, wobei die Al-Cu-Fe-basierte Legierung eines oder mehrere Übergangselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au enthält, und wobei die Gesamtheit der Übergangselemente von 0,25 bis 0,75 Atom-% beträgt, wenn das Gesamte der Al-Cu-Fe-basierten Legierung 100 Atom-% beträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein thermisches Isolationsmaterial und insbesondere auf ein thermisches Isolationsmaterial, das eine Legierung enthält, bei der zumindest ein Teil eine quasikristalline Phase ist.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Als eine als das thermische Isolationsmaterial verwendbare Legierung zieht eine Legierung, die eine quasikristalline Phase umfasst, Aufmerksamkeit auf sich. Die quasikristalline Phase ist eine Phase mit einer Weitbereichsordnung, aber keiner Translationssymmetrie.
Die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Leitfähigkeit eines Metalls und einer Legierung leiten sich von der Periodizität in dem Kristall ab. Allerdings weist die quasikristalline Phase keine perfekte Periodizität auf, und daher weist eine Legierung, die eine quasikristalline Phase aufweist, geringe elektrische und thermische Leitfähigkeitseigenschaften auf.
Patentdokument 1 offenbart eine thermische Barriere, die aus einem hitzebeständigen Oxid mit einer geringen Temperaturleitfägihkeit und einer Legierung, die 80 Vol.-% oder mehr einer quasikristallinen Phase enthält, besteht. Als die Legierung, die 80 Vol.-% oder mehr einer quasikristallinen Phase enthält, ist eine Al_aCu_bFe_cY_eI_g-Legierung offenbart (wobei Y eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus V, Mo, Ti, Zr, Nb, Cr, Mn, Ru, Rh, Ni, Mg, W, Si und Seltenerdelementen ist, I eine unvermeidbare Verunreinigung ist, 0 ≤ g ≤ 2, 14 ≤ b ≤ 30, 7 ≤ c ≤ 20, 0 ≤ e ≤ 10, 10 ≤ c + e und a + b + c + e + g = 100).
Patentdokument 2 offenbart einen quasikristallinen Legierungsdünnfilm. Als die quasikristalline Legierung ist eine Al_aCu_bFe_cX_dY_e-Legierung offenbart (wobei X eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus B, C, P, S, Ge und Si ist, Y eines oder mehrere ausgewählt aus V, Mo, Ti, Zr, Nb, Cr, Mn, Co, Ru, Rh, Pd, Ni, La, Hf, Re, Y, W, Os, Ir, Pt, Ta und Seltenerdelementen ist, und 14 ≤ b ≤ 30, 0 ≤ c ≤ 20, 0 ≤ e ≤ 20, 0 ≤ d ≤ 5, 21 ≤ b + c + e ≤ 45 und a + b + c + d + e = 100.
Nichtpatentdokument
Nichtpatentdokument 1 offenbart eine Al-Cu-Fe-basierte Legierung, die 0,25 Atom-% Re enthält und eine quasikristalline Phase umfasst.
ZITIERVERZEICHNIS
Patentdokument

[Patentdokument 1] Japanisches ungeprüftes Patent Veröffentlichungsnummer H7-3359
[Patentdokument 2] Japanisches nationales Patent Veröffentlichungsnummer H11-503106
[Nichtpatentdokument 1] Tsunehiro Takeuchi, "Engineering Application of Solid State Physics: Very large thermal rectification effect generated from the unusual electron thermal conductivity of quasicrystal", Solid Physics, AGNE Gijutsu Center Inc., 2015, Vol. 50, Nr. 1, S. 33–42

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Aufgabenstellung
Die in Patentdokument 1 offenbarte Legierung wird als ein Material einer thermischen Barriere verwendet, und die von der Legierung am meisten erwartete Eigenschaft ist eine hitzebeständige Leistungfähigkeit.
Die in Patentdokument 2 offenbarte Legierung wird als ein elektrisches Isolationsmaterial verwendet, und die von der Legierung am meisten erwartete Eigenschaft ist eine elektrische Isolationsleistungsfähigkeit.
In der in Nichtpatentdokument 1 offenbarten Legierung wird die thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu einer konventionellen Al-Cu-Fe-basierten Legierung, die eine quasikristalline Phase umfasst, verringert, aber die thermische Isolationseigenschaft davon ist weiterhin unzureichend.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden heraus, dass die in Patentdokumenten 1 und 2 und Nichtpatentdokument 1 offenbarten Legierungen das Problem aufweisen, dass, wenn sie als ein thermisches Isolationsmaterial verwendet werden, die thermische Leitfähigkeit der Legierung weiter verringert werden muss, um die thermische Isolationsleistungsfähigkeit zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf das Lösen des obigen Problems ausgeführt, und ein Ziel der Erfindung ist es, ein thermisches Isolationsmaterial bereitzustellen, dass eine Legierung enthält, bei der zumindest ein Teil davon eine quasikristalline Phase umfasst, wobei die thermische Leitfähigkeit der Legierung weiter verringert ist, und ein Herstellungsverfahren davon bereitzustellen.
Mittel zum Lösen der Aufgabenstellung
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben viele intensive Studien durchgeführt, um das oben beschriebene Ziel zu erreichen und vollendeten die vorliegende Erfindung. Der Geist der vorliegenden Erfindung ist wie folgt.

<1> Thermisches Isolationsmaterial, das eine Al-Cu-Fe-basierte Legierung enthält, wobei zumindest ein Teil der Al-Cu-Fe-basierten Legierung eine quasikristalline Phase umfasst, wobei die Al-Cu-Fe-basierte Legierung eines oder mehrere Übergangselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au enthält, und wobei die Gesamtheit der Übergangselemente von 0,25 bis 0,75 Atom-% beträgt, wenn das Gesamte der Al-Cu-Fe-basierten Legierung 100 Atom-% beträgt.
<2> Thermisches Isolationsmaterial nach Punkt <1>, wobei die Al-Cu-Fe-basierte Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die durch Al_aCu_bFe_cX_d dargestellt ist (wobei X eines oder mehrere Elemente aus den Übergangselementen ist, 20,0 ≤ b ≤ 28,0, 10,0 ≤ c ≤ 14,0, 0,25 ≤ d ≤ 0,75 und a + b + c + d = 100).
<3> Thermisches Isolationsmaterial nach Punkt <2>, wobei b von 23,5 bis 26,0 beträgt und c von 11,7 bis 13,0 beträgt.
<4> Verfahren zum Herstellen des thermischen Isolationsmaterials nach einem der Punkte <1> bis <3>, umfassend: Abwiegen und Mischen eines Rohmaterialpulvers, und Erwärmen des gemischten Rohmaterialpulvers in einer nicht oxidierenden Atmosphäre, um die jeweiligen in dem Rohmaterialpulver enthaltenen Elemente in der Festphase zu diffundieren, wobei das Rohmaterialpulver Pulver aus den jeweiligen Metallen oder Legierungen von Al, Cu und Fe und Pulver aus Metallen oder Legierungen eines oder mehrerer Übergangselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au enthält.
<5> Verfahren nach Punkt <4>, wobei das Rohmaterialpulver ein Al-Pulver, ein Cu-Pulver, ein Fe-Pulver und ein Pulver aus Metallen aus einem oder mehreren Übergangselementen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au enthält.
<6> Verfahren nach Punkt <4> oder <5>, wobei die Heiztemperatur von 550 bis 800 °C beträgt.

Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung können ein thermisches Isolationsmaterial, das eine Legierung enthält, bei der zumindest ein Teil davon eine quasikristalline Phase umfasst, wobei die thermische Leitfähigkeit der Legierung weiter verringert ist, und ein Herstellungsverfahren davon bereitgestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 Ein pseudo-binäres Phasendiagramm von Al-Cu-Fe.
2 Ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Gehalt an Ru oder Ir und der thermischen Leitfähigkeit bezogen auf die Al-Cu-Fe-basierte Legierung veranschaulicht.
3 Eine Ansicht, die die Röntgenbeugungsergebnisse jeder der Proben der Beispiele 1 bis 3 und des Referenzbeispiels 1 veranschaulicht.
4 Eine Ansicht, die den Bereich des Beugungswinkels 2θ von 42,6 bis 43,1° in 3 vergrößert zeigt.
5 Eine Ansicht, die die Röntgenbeugungsergebnisse der Legierungen mit Zusammensetzungen Al_61,5Cu_26.5Fe₁₂ und Al_61,5Cu_26,5Fe_12-xRe_x (wobei x 0,25, 0,5 und 0,75 ist) zum Zweck des Vergleichs mit den in 4 veranschaulichten Proben veranschaulicht.
Modus zum Ausführen der Erfindung
Die Ausführungsformen des thermischen Isolationsmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung und das Herstellungsverfahren davon sind nachfolgend detailliert beschrieben. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen begrenzt.
Zunächst wird das thermische Isolationsmaterial der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Das thermische Isolationsmaterial der vorliegenden Erfindung enthält eine Al-Cu-Fe-basierte Legierung. Das thermische Isolationsmaterial der vorliegenden Erfindung kann ein thermisches Isolationsmaterial enthalten, das von der Al-Cu-Fe-basierten Legierung verschieden ist, innerhalb eines Bereichs, der die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt.
(Al-Cu-Fe-basierte Legierung)
Die Al-Cu-Fe-basierte Legierung ist nicht insbesondere begrenzt bezüglich der Gehalte an Al, Cu, Fe, solange zumindest ein Teil der Legierung eine quasikristalline Phase umfasst. Die Al-Cu-Fe-basierte Legierung kann ebenso zusätzlich zu unvermeidbaren Verunreinigungen ein optionales Element enthalten, das sich von Al, Cu, Fe und den später beschriebenen Übergangselementen unterscheidet. Das optionale Element beinhaltet W, Re und Ta.
Die Gehalte an Al, Cu und Fe können mit Bezug auf das Phasendiagramm bestimmt werden. Das Phasendiagramm veranschaulicht einen Zustand der Phase beim Gleichgewicht. Die Al-Cu-Fe-basierte Legierung kann eine Phase aufweisen, die ein Nichtgleichgewicht entwickelt, und ist daher nicht durch die Gehalte an Al, Cu und Fe, die aus dem Phasendiagramm bestimmt sind, gebunden.
1 ist ein pseudo-binäres Phasendiagramm von Al-Cu-Fe. 1 ist zitiert aus Materials Science and Engineering, Ausgabe 133, 15. März 1991, Seiten 383–387. Die i-Phase ist eine quasikristalline Phase, die ω-Phase, β-Phase und λ-Phase sind eine kristalline Phase und die L-Phase und die Liq-Phase sind eine flüssige Phase.
Mit Bezugnahme auf 1 kann die Al-Cu-Fe-basierte Legierung eine Zusammensetzung aufweisen, die durch Al_aCu_bFe_cX_d (wobei 20,0 ≤ b ≤ 28,0, 10,0 ≤ c ≤ 14,0, 0,25 ≤ d ≤ 0,75 und a + b + c + d = 100) dargestellt ist. Jedes aus a, b, c und d entspricht den Atom-%, wenn Al_aCu_bFe_cX_d 100 Atom-% beträgt. X ist ein Übergangselement, das später beschrieben wird. Der Grad der Reinheit von Al_aCu_bFe_cX_d ist bevorzugt 97,0 Masse-%, stärker bevorzugt 98,0 Masse-% oder mehr, weiter bevorzugt 99,5 Masse-% oder mehr, wenn das Gesamte von Al_aCu_bFe_cX_d 100 Masse-% beträgt.
Unter Bezugnahme auf 1 enthält die Al-Cu-Fe-basierte Legierung, wenn 20,0 ≤ b ≤ 28,0 und 10,0 ≤ c ≤ 14,0 beträgt, zumindest partiell eine i-Phase (quasikristalline Phase). Wenn 23,5 ≤ b ≤ 26,0 und 11,7 ≤ c ≤ 13,0 beträgt, umfasst die Legierung viel mehr i-Phase.
(Eines oder mehrere Übergangselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au)
Die Al-Cu-Fe-basierte Legierung enthält eines oder mehrere Übergangselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au. Wenn das Gesamte der Al-Cu-Fe-basierten Legierung 100 Atom-% beträgt, beträgt die Gesamtheit der Übergangselemente von 0,25 bis 0,75 Atom-%.
In dem Fall, in dem die Zusammensetzung der Al-Cu-Fe-basierten Legierung durch Al_aCu_bFe_cX_d dargestellt ist, ist X das eine oder mehrere Übergangselement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au.
2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Gehalt an Ru oder Ir und der thermischen Leitfähigkeit bezogen auf die Al-Cu-Fe-basierte Legierung veranschaulicht.
Es ist im Allgemeinen wohlbekannt, dass in einer Legierung, die eine quasikristalline Phase umfasst, die thermische Leitfähigkeit der quasikristallinen Phase geringer ist als die thermische Leitfähigkeit der kristallinen Phase. Beispielsweise ist im Hinblick auf die Al-Cu-Fe-basierte Legierung bei Raumtemperatur die thermische Leitfähigkeit der i-Phase (quasikristallinen Phase) 1,4 W/mK, und die thermische Leitfähigkeit der β-Phase (kristallinen Phase) ist 2,5 W/mK.
Wie in 2 gezeigt beginnt die thermische Leitfähigkeit der Al-Cu-Fe-basierten Legierung unter die thermische Leitfähigkeit der i-Phase zu fallen, wenn der Ir-Gehalt der Al-Cu-Fe-basierten Legierung 0,25 % oder mehr erreicht. Aus diesem Grund beträgt der Ir-Gehalt in der Al-Cu-Fe-basierten Legierung in dem thermischen Isolationsmaterial der vorliegenden Erfindung 0,25 Atom-% oder mehr. Der Gehalt beträgt stärker bevorzugt 0,35 Atom-% oder mehr.
Wenn der Ir-Gehalt etwa 0,50 Atom-% beträgt, zeigt die thermische Leitfähigkeit der Al-Cu-Fe-basierten Legierung einen Minimalwert. Nach Erreichen des Minimalwerts erhöht sich die thermische Leitfähigkeit der Al-Cu-Fe-basierten Legierung gemeinsam mit der Erhöhung des Ir-Gehalts. Wenn der Ir-Gehalt 0,75 Atom-% erreicht, wird die thermische Leitfähigkeit der Al-Cu-Fe-basierten Legierung äquivalent zu der thermischen Leitfähigkeit der i-Phase. Aus diesem Grund ist der Ir-Gehalt der Al-Cu-Fe-basierten Legierung in dem thermischen Isolationsmaterial der vorliegenden Erfindung 0,75 Atom-% oder weniger. Der Ir-Gehalt ist stärker bevorzugt 0,65 Atom-% oder weniger.
Wie in 2 gezeigt, zeigt Ru dasselbe Verhalten bezüglich der thermischen Leitfähigkeit wie Ir. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird der Grund für solch eine Veränderung der thermischen Leitfähigkeit wie folgt angenommen.
Phononen(Gitterschwingung)-Transport nimmt an der thermischen Leitfähigkeit teil. Je mehr Phononen-Transport stattfindet, desto leichter wird Wärme transferiert. Phononen-Transport durch die quasikristalline Phase ist im Vergleich zu der kristallinen Phase reduziert, und daher zeigt eine Legierung, die eine quasikristalline Phase umfasst, eine geringe thermische Leitfähigkeit auf.
Wenn die Al-Cu-Fe-basierte Legierung Ir enthält, kontrahiert sich das Kristallgitter der Al-Cu-Fe-basierten Legierung. Die Kontraktion des Kristallgitters unterdrückt den Transport eines Niederfrequenzphonons. Von dem Phonon, das zu der thermischen Leitfähigkeit beiträgt, ist bekannt, dass es einen breiten Frequenzbereich aufweist. Der Transport des Phonons, der zu der thermischen Leitfähigkeit beiträgt, wird soweit unterdrückt, wie der Transport eines Niederfrequenzphonons und aufgrund der Kontraktion des Kristallgitters unterdrückt wird, und im Ergebnis wir die thermische Leitfähigkeit stärker unterdrückt, das heißt die thermische Leitfähigkeit verringert sich. Demgegenüber kann, wenn der Ir-Gehalt der Al-Cu-Fe-basierten Legierung erhöht wird, die quasikristalline Phase kaum in der Al-Cu-Fe-basierten Legierung aufrechterhalten werden, und im Ergebnis erhöht sich die thermische Leitfähigkeit.
Wenn die obige Diskussion auf das in 2 veranschaulichte Phänomen angewandt wird, führt dies zum Folgendem. Wenn der Ir-Gehalt in der Al-Cu-Fe-basierten Legierung 0,25 % erreicht hat, durchläuft das Kristallgitter eine signifikante Konzentration und der Transport eines Niederfrequenzphonons wird stärker verringert. Im Ergebnis wird eine Verringerung der thermischen Leitfähigkeit der Al-Cu-Fe-basierten Legierung merklich wahrgenommen.
Bis der Ir-Gehalt etwa 0,50 Atom-% erreicht hat, ist die Erhöhung des durch die Kontraktion des Kristallgitters beigebrachten Effekts (der Effekt des Verringerns der thermischen Leitfähigkeit) größer als die Erhöhung des durch das Erschweren des Beibehaltens der quasikristallinen Phase beigebrachten Effekts (der Effekt des Erhöhens der thermischen Leitfähigkeit). In anderen Worten steigt, bis der Ir-Gehalt etwa 0,50 Atom-% erreicht, der Unterschied zwischen dem durch die Kontraktion des Kristallgitters beigebrachten Effekts (der Effekt des Verringerns der thermischen Leitfähigkeit) und des durch das Erschweren des Beibehaltens der quasikristallinen Phase beigebrachten Effekts (der Effekt des Erhöhens der thermischen Leitfähigkeit) weiter an. Der Unterschied wird maximiert, wenn der Ir-Gehalt etwa 0,50 Atom-% beträgt.
Wenn der Ir-Gehalt weiter erhöht wird, steigt der durch das Erschweren des Beibehaltens der quasikristallinen Phase beigebrachte Effekt (der Effekt des Erhöhens der thermischen Leitfähigkeit) an und der Unterschied zwischen dem durch das Erschweren des Beibehaltens der quasikristallinen Phase beigebrachten Effekts (der Effekt des Erhöhens der thermischen Leitfähigkeit) und dem durch die Kontraktion des Kristallgitters beigebrachten Effekts (der Effekt des Verringerns der thermischen Leitfähigkeit) fällt dann ab. Wenn der Ir-Gehalt 0,75 Atom-% erreicht hat, wird die thermische Leitfähigkeit äquivalent zu der bei dem Zeitpunkt, wenn der Ir-Gehalt 0,25 Atom-% beträgt. Spezieller kann, wenn der Ir-Gehalt 0,75 Atom-% oder weniger beträgt, der signifikante Effekt, der durch die Kontraktion des Kristallgitters erhalten wird (der Effekt des Verringerns der thermischen Leitfähigkeit), genossen werden, indem er den durch das Erschweren des Beibehaltens der quasikristallinen Phase beigebrachten Effekt (den Effekt des Erhöhens der thermischen Leitfähigkeit) negiert.
Solch ein Phänomen wird nicht lediglich im Fall von Ir beobachtet, sondern ebenso in dem Fall eines oder mehrerer Übergangselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Pt und Au. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird der Grund dafür wie folgt angenommen.
Jegliches aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au weist eine größere Gesamtelektronenzahl auf als Fe und ist ein schwereres Element (das Atomgewicht ist größer). Je größer die Summe aus Atomgewichten der jeweiligen Atome ist und je höher die Gesamtelektronenanzahl der jeweiligen Atome ist, desto mehr wird die Bindungskraft zwischen den Atomen verstärkt. Zusätzlich wird, da Rh, Pd, Ag, Ir, Pt und Au mehr äußerste Elektronen als Fe aufweisen, die Bindungskraft zwischen den Atomen insbesondere groß. Wenn die Bindungskraft zwischen den Atomen mehr verstärkt wird, zieht sich das Kristallgitter, das aus diesen Atomen aufgebaut ist, mit Leichtigkeit aufgrund der zwischen den Atomen wirkenden Bindungskraft zusammen.
Es wird angenommen, dass das Beibehalten der quasikristallinen Phase ebenso zu der Bindungskraft zwischen den Atomen in Beziehung steht. Folglich zeigen Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Pt und Au die gleiche Wirkung wie die von Ir auf.
Es wird angenommen, dass die Bindungskraft zwischen Atomen sich auf den Gehalt (Atom-%) von Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt oder Au in der Al-Cu-Fe-basierten Legierung stützt. In dem Fall, in dem das Übergangselement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au zwei oder mehr Elemente ist, mag der Gesamtgehalt (Atom-%) der Atome auf die gleiche Weise wie der Gehalt (Atom-%) von Ru in der gleichen Weise wie bei Ru alleine eingestellt sein.
(Herstellungsverfahren)
Das Herstellungsverfahren des thermischen Isolationsmaterials der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben.
Das Herstellungsverfahren des thermischen Isolationsmaterials der vorliegenden Erfindung umfasst das Abwiegen und Vermischen von Rohmaterialpulver, und das Erwärmen des gemischten Rohmaterialpulvers um die jeweiligen Elemente, die in dem Rohmaterialpulver enthalten sind, gegenseitig in der festen Phase zu diffundieren (bzw. zu verteilen).
(Abwiegen und Mischen des Rohmaterialpulvers)
Als das Rohmaterialpulver werden ein Pulver der jeweiligen Metalle oder Legierungen von Al, Cu und Fe und ein Pulver der Metalle oder Legierungen eines oder mehrerer Übergangselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au vorbereitet.
Beispielsweise werden ein Al-Pulver, ein Cu-Pulver, ein Fe-Pulver und ein Pulver aus Metallen aus einem oder mehreren Übergangselementen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au vorbereitet.
In dem Fall des Zubereitens eines Legierungspulvers anstatt eines Metallpulvers kann beispielsweise ein Al-Cu-Legierungspulver anstatt eines Al-Pulvers und eines Cu-Pulvers vorbereitet werden.
Der Teilchendurchmesser des Rohmaterialpulvers ist nicht insbesondere begrenzt, solange er das gegenseitige Festphasenvermischen der jeweiligen Elemente, die in dem Rohmaterialpulver enthalten sind, nicht inhibiert. Der Teilchendurchmesser des Rohmaterialpulvers kann beispielsweise von 0,5 bis 100 µm betragen. Im Folgenden ist, wenn nicht anders angegeben, der durchschnittliche Teilchendurchmesser ein 50 % Mittelwert (der Mediandurchmesser).
In dem Fall, in dem das Rohmaterialpulver ein Al-Pulver, ein Cu-Pulver, ein Fe-Pulver und ein Pulver aus einem Metall eines Übergangselements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au ist, sind die Teilchendurchmesser der Pulver bevorzugt wie folgt.
Der Teilchendurchmesser des Al-Pulvers beträgt bevorzugt 1 bis 5 µm. Wenn der Teilchendurchmesser des Al-Pulvers 1 µm oder mehr beträgt, wird das Al-Pulver davon abgehalten, mit Spurensauerstoff oxidiert zu werden. Der Teilchendurchmesser beträgt stärker bevorzugt 2 µm oder mehr. Demgegenüber schreitet, wenn der Teilchendurchmesser des Al-Pulvers 5 µm oder weniger beträgt, die gegenseitige Festphasendiffusion von Al mit anderen Elementen leicht und schnell voran. Der Teilchendurchmesser beträgt stärker bevorzugt 4 µm oder weniger. Das Erwärmen des Rohmaterialpulvers für die Festphasendiffusion wird später beschrieben.
Der Teilchendurchmesser des Cu-Pulvers beträgt bevorzugt 0,5 bis 3 µm. Wenn der Teilchendurchmesser des Cu-Pulvers 0,5 µm oder mehr beträgt, wird das Cu-Pulver davon abgehalten, mit Spurensauerstoff oxidiert zu werden. Der Teilchendurchmesser beträgt stärker bevorzugt 1 µm oder mehr. Demgegenüber schreitet, wenn der Teilchendurchmesser des Cu-Pulvers 3 µm oder weniger beträgt, die gegenseitige Festphasendiffusion von Cu mit anderen Elementen leicht und schnell voran. Der Teilchendurchmesser beträgt stärker bevorzugt 2 µm oder weniger.
Der Teilchendurchmesser des Fe-Pulvers beträgt bevorzugt 3 bis 7 µm. Wenn der Teilchendurchmesser des Fe-Pulvers 3 µm oder mehr beträgt, wird das Fe-Pulver davon abgehalten, mit Spurensauerstoff oxidiert zu werden. Der Teilchendurchmesser beträgt stärker bevorzugt 4 µm oder mehr. Demgegenüber schreitet, wenn der Teilchendurchmesser des Fe-Pulvers 7 µm oder weniger beträgt, die gegenseitige Festphasendiffusion von Fe mit anderen Elementen leicht und schnell voran. Der Teilchendurchmesser beträgt stärker bevorzugt 6 µm oder weniger.
Der Teilchendurchmesser des Pulvers aus einem Metall eines Übergangselements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au wird mit Bezug auf den Fall des Fe-Pulvers bestimmt.
In dem Fall, in dem das Rohmaterialpulver ein Legierungspulver ist, kann der Teilchendurchmesser des Legierungspulvers durch Bezug auf das Verhältnis der jeweiligen Elemente, die die Legierung aufbauen, und des Teilchendurchmessers des Metallpulvers jedes Elements angemessen bestimmt werden.
In allen Fällen des Vorbereitens eines Metallpulvers, dem Fall des Vorbereitens eines Legierungspulvers, und dem Fall des Vorbereitens eines Metallpulvers und eines Legierungspulvers in Kombination, werden sämtliche Rohmaterialpulver so abgewogen, dass die gewünschte Zusammensetzung der Al-Cu-Fe-basierten Legierung erhalten wird.
In dem Fall, in dem die Al-Cu-Fe-basierte Legierung ein optionales Element enthält, das sich von Al, Cu, Fe, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au unterscheidet, innerhalb des Bereichs, der die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt, wird ein Rohmaterialpulver des Beielements in einer bestimmten Menge vorbereitet und abgewogen. Der Teilchendurchmesser des Rohmaterialpulvers des optionalen Elements kann im Hinblick auf die Leichtigkeit der Oxidation und die Festphasendiffusion des Elements angemessen bestimmt werden.
Das abgewogene Rohmaterialpulver wird eingehend vermischt. Dieses Mischen macht die Mikrostruktur der erhaltenen Al-Cu-Fe-basierten Legierung gleichförmig. Im Fall des Verwendens eines Legierungspulver wird das Pulver bevorzugt einer Festphasenbehandlung im Voraus unterzogen. Durch diese Behandlung kann, selbst wenn das Legierungspulver segregiert wird, die Mikrostruktur der erhaltenen Al-Cu-Fe-basierten Legierung gleichförmig gestaltet werden.
(Erwärmen des Rohmaterialpulvers)
Das vermischte Rohmaterialpulver wird in einer nicht oxidierten Atmosphäre erwärmt, um die jeweiligen Elemente, die in dem Rohmaterialpulver enthalten sind, gegenseitig in der Festphase zu diffundieren.
Die Erwärmtemperatur ist nicht insbesondere begrenzt, solange sie eine Temperatur ist, die in der Lage ist, die jeweiligen Elemente, die in dem Rohmaterialpulver enthalten sind, gegenseitig in der Festphase zu diffundieren. Die Schmelzpunkte von Al, Cu und Fe sind 660°C, 1085°C beziehungsweise 1538°C, und die Erwärmtemperatur (Heiztemperatur) kann im Hinblick auf diese Schmelzpunkte angemessen bestimmt werden.
Die Heiztemperatur beträgt bevorzugt 550°C bis 800°C. Wenn die Heiztemperatur 550°C oder mehr beträgt, diffundiert das Cu im Ergebnis schnell in das Al-Pulver, ein Al-Cu-Legierungspulver wird gebildet und das Al-Pulver wird nicht geschmolzen. Die Heiztemperatur beträgt stärker bevorzugt 650°C oder mehr. Demgegenüber wird, wenn die Heiztemperatur 800°C oder weniger beträgt, das Al-Pulver nicht geschmolzen, bevor Cu schnell in das Al-Pulver diffundiert, um ein Al-Cu-Legierungspulver zu bilden. Die Heiztemperatur beträgt stärker bevorzugt 750°C oder weniger.
Ein Erwärmen des Rohmaterialpulvers wird in einer nicht oxidierenden Atmosphäre durchgeführt. Wenn die Oberfläche des Rohmaterialpulvers oxidiert wird, können die jeweiligen Elemente, die in dem Rohmaterialpulver enthalten sind, nicht gegenseitig in der Festphase diffundiert werden. Aus dem Rohmaterialpulver wird insbesondere das Al-Pulver leicht oxidiert. Um eine Oxidation des Al-Pulvers zu verhindern, muss die Konzentration an Sauerstoff in der Heizatmosphäre sehr gering sein. Folglich kann die Heizatmosphäre sogar eine reduzierende Atmosphäre sein.
Die nicht oxidierende Atmosphäre beinhaltet eine Inertgasatmosphäre, eine Stickstoffgasatmosphäre und eine Wasserstoffgasatmosphäre. Die Atmosphäre kann ebenso eine Mischgasatmosphäre sein, die durch Zugeben von Wasserstoffgas zu einem Inertgas und/oder einem Stickstoffgas erhalten ist.
Der Druck in der Atmosphäre ist nicht insbesondere begrenzt, solange die jeweiligen Elemente, die in dem Rohmaterialpulver enthalten sind, gegenseitig in der Festphase diffundiert werden können, aber der Druck beträgt bevorzugt von 0,9 bis 1,1 atm. Wenn der Druck 0,9 atm oder mehr beträgt, wird Luft davon abgehalten, in das Erwärmgefäß einzudringen, um das Al-Pulver, das Cu-Pulver und das Fe-Pulver zu oxidieren. Wenn demgegenüber der Druck 1,1 atm oder weniger beträgt, kann das Rohmaterialpulver erwärmt werden, ohne ein druckbeständiges Gefäß als das Erwärmgefäß zu verwenden.
Die Erwärmzeit beträgt bevorzugt von 0,5 bis 24 Stunden. Solange der Teilchendurchmesser jedes Rohmaterialpulvers in dem obigen Bereich liegt, können, wenn die Erwärmzeit von 0,5 bis 24 Stunden beträgt, die jeweiligen in dem Rohmaterialpulver enthaltenen Elemente gegenseitig festphasendiffundiert werden.
(Zusätzlicher Schritt)
Wenn die jeweiligen in dem Rohmaterialpulver enthaltenen Elemente gegenseitig festphasendiffundiert werden, wird ein aggregiertes thermisches Isolationsmaterial erhalten. Das aggregierte thermische Isolationsmaterial kann so wie es ist verwendet werden. Alternativ kann das aggregierte thermische Isolationsmaterial in ein thermisches Isolationsmaterialpulver pulverisiert werden und dann thermisch auf eine Metallplatte, etc. aufgesprüht werden.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Beispiele spezifischer beschrieben werden. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf die in den folgenden Beispielen eingesetzten Bedingungen begrenzt.
(Vorbereitung der Probe)
Ein Al-Pulver, ein Cu-Pulver, ein Fe-Pulver und ein Ir-Pulver wurden abgewogen, um eine gewünschte Zusammensetzung bereitzustellen, gemischt und in einem Gefäß untergebracht. Zusätzlich wurden ein Al-Pulver, ein Cu-Pulver, ein Fe-Pulver und ein Ru-Pulver abgewogen, vermischt und in einem anderen Gefäß untergebracht.
Bezüglich des Al-Pulvers, Cu-Pulvers und Fe-Pulvers wurden die durch Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd. hergestellten Pulver verwendet. Der Teilchendurchmesser des Al-Pulvers betrug 3 µm, der Teilchendurchmesser des Cu-Pulvers betrug 1 µm und der Teilchendurchmesser des Fe-Pulvers betrug 5 µm. Die Teilchendurchmesser des Al-Pulvers, Cu-Pulvers und Fe-Pulvers sind ein 50% Mittelwert (Mediandurchmesser). Bezüglich des Ir-Pulvers und des Ru-Pulvers wurden die durch Furuya Metal Co., Ltd. hergestellten Pulver verwendet. Das Ir-Pulver und das Ru-Pulver wurden unter Verwendung eines Siebs mit einer Öffnungsweite von 100 µm abgesiebt.
Das Innere jedes Gefäßes wurde auf eine Wasserstoffatmosphäre von 1 atm eingestellt, und das Rohmaterialpulver wurde auf 700°C während zwei Stunden erwärmt, um ein aggregiertes thermisches Isolationsmaterial zu erhalten. Das aggregierte thermische Isolationsmaterial wurde in ein thermisches Isolationsmaterialpulver pulverisiert.
(Auswertung der Probe)
Das angefertigte thermische Isolationsmaterialpulver wurde mittels Röntgenbeugung (XRD) analysiert. Zusätzlich wurde das thermische Isolationsmaterialpulver mittels Funkenplasmasintern gesintert um ein Pellet zuzubereiten, und die thermische Leitfähigkeit des Pellets wurde gemessen. Die Funkenplasmasintertemperatur war etwa 700 °C.

Die Ergebnisse der thermischen Leitfähigkeitsmessung sind in Tabelle 1 gezeigt. In Tabelle 1 sind die Zielzusammensetzung der Al-Cu-Fe-basierten Legierung und die Vermengungsverhältnisse (Atom-%) der jeweiligen Rohmaterialien gemeinsam gezeigt. Tabelle 1

	Zielzusammensetzung	Vermengungsmenge der Rohmaterialpulver (Atom-%)					Thermische Leitfähigkeit (Wm^–1K^–1)
	Zielzusammensetzung	Al	Cu	Fe	Ru	Ir	Thermische Leitfähigkeit (Wm^–1K^–1)
Beispiel 1	Al63Cu24,5Fe12,25Ir0,25	63,00	24,50	12,25	-	0,25	0,91
Beispiel 2	Al63Cu24,5Fe12Ir0,5	63,00	24,50	12,00	-	0,50	0,62
Beispiel 3	Al63Cu24,5Fe11,75Ir0,75	63,00	24,50	11,75	-	0,75	1,10
Beispiel 4	Al63Cu24,5Fe12,25Ru0,25	63,00	24,50	12,25	0,25	-	1,09
Beispiel 5	Al63Cu24,5Fe12Ru0,5	63,00	24,50	12,00	0,50	-	0,84
Beispiel 6	Al63Cu24,5Fe11,75Ru0,75	63,00	24,50	11,75	0,75	-	1,01
Referenzbeispiel 1	Al63Cu24,5Fe12,5	63,00	24,50	12,50	-	-	1,40

2 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen dem Gehalt an Ru oder Ir und der thermischen Leitfähigkeit bezüglich jeder Probe in Tabelle 1 veranschaulicht. 3 ist eine Ansicht, die die Röntgenbeugungsergebnisse jeder der Proben der Beispiele 1 bis 3 und des Referenzbeispiels 1 veranschaulicht. 4 ist eine Ansicht, die den Bereich des Beugungswinkels 2θ von 42,6 bis 43,1° in 3 vergrößert zeigt. 5 ist eine Ansicht, die die Röntgenbeugungsergebnisse von Legierungen mit Zusammensetzungen von Al_61,5Cu_26,5Fe₁₂ und Al_61,5Cu_26,5Fe_12-xRe_x (wobei x 0,25, 0,5 und 0,75 ist) zum Zweck des Vergleichs mit den in 4 veranschaulichten Proben veranschaulicht.
Wie in Tabelle 1 und 2 gezeigt ist bei dem thermischen Isolationsmaterialien der Beispiele 1 bis 6, bei dem der Gehalt an Ru oder Ir von 0,25 bis 0,75 Atom-% beträgt, die thermische Leitfähigkeit verringert. In dem thermischen Isolationsmaterial des Referenzbeispiels 1, das keines aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au enthält, ist demgegenüber die thermische Leitfähigkeit hoch, mit anderen Worten ist die thermische Isolationsleistungsfähigkeit schlecht.
Wie in 4 gezeigt sind die Peaks der Proben der Beispiele 1 bis 3 auf die Seite höherer Winkel verschoben (die rechte Seite in 4) relativ zu dem Peak des Referenzbeispiels 1. Aus dieser Verschiebung konnte bestätigt werden, dass mit Bezug auf die Proben der Beispiele 1 bis 3 aufgrund des Enthaltens von 0,25 bis 0,75 Atom-% Ir das Kristallgitter kontrahiert ist. Der Peak der Al-Cu-Fe-basierten Legierung von Beispiel 3 ist sehr breit, und es konnte bestätigt werden, dass es schwierig wird, die quasikristalline Phase aufrechtzuerhalten. Bezogen auf die Beispiele 4 bis 6 wird dieselbe Tendenz wie in 4 beobachtet.
Demgegenüber ist der Peak von Al_61,5Cu_26,5Fe_12-xRe_x (wobei x 0,25, 0,5 und 0,75 beträgt), der in 5 veranschaulicht ist, zu der Seite kleiner Winkel verschoben (linke Seite in 5) relativ zu dem Peak von Al_61,5Cu_26,5Fe₁₂. Aus dieser Verschiebung konnte bestätigt werden, dass wenn von 0,25 bis 0,75 Atom-% Re zu der Al-Cu-Fe-basierten Legierung zugegeben werden, das Kristallgitter expandiert. Die legt nahe, dass in der Al-Cu-Fe-basierten Legierung, die 0,25 Atom-% Re enthält, die in Nichtpatentdokument 1 offenbart ist, anders als in der vorliegenden Erfindung das Kristallgitter der Al-Cu-Fe-basierten Legierung nicht kontrahiert ist, und daher die thermische Leitfähigkeit in der Legierung von Nichtpatentdokument 1 nicht ausreichend verringert wird.
Aus diesen Ergebnissen konnte die Tatsache bestätigt werden, dass die vorliegende Erfindung bemerkenswerte Wirkungen aufweist, ebenso wie die Gründe dafür.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 7-3359 [0007]
JP 11-503106 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Tsunehiro Takeuchi, "Engineering Application of Solid State Physics: Very large thermal rectification effect generated from the unusual electron thermal conductivity of quasicrystal", Solid Physics, AGNE Gijutsu Center Inc., 2015, Vol. 50, Nr. 1, S. 33–42 [0007]
Materials Science and Engineering, Ausgabe 133, 15. März 1991, Seiten 383–387 [0025]

Claims

Thermisches Isolationsmaterial, das eine Al-Cu-Fe-basierte Legierung enthält, wobei zumindest ein Teil der Al-Cu-Fe-basierten Legierung eine quasikristalline Phase umfasst, wobei die Al-Cu-Fe-basierte Legierung eines oder mehrere Übergangselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au enthält, und wobei die Gesamtheit der Übergangselemente von 0,25 bis 0,75 Atom-% beträgt, wenn das Gesamte der Al-Cu-Fe-basierten Legierung 100 Atom-% beträgt.
Thermisches Isolationsmaterial nach Anspruch 1, wobei die Al-Cu-Fe-basierte Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die durch Al_aCu_bFe_cX_d dargestellt ist (wobei X eines oder mehrere Elemente aus den Übergangselementen ist, 20,0 ≤ b ≤ 28,0, 10,0 ≤ c ≤ 14,0, 0,25 ≤ d ≤ 0,75 und a + b + c + d = 100).
Thermisches Isolationsmaterial nach Anspruch 2, wobei b von 23,5 bis 26,0 beträgt und c von 11,7 bis 13,0 beträgt.
Verfahren zum Herstellen des thermischen Isolationsmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: Abwiegen und Mischen eines Rohmaterialpulvers, und Erwärmen des gemischten Rohmaterialpulvers in einer nicht oxidierenden Atmosphäre, um die jeweiligen in dem Rohmaterialpulver enthaltenen Elemente in der Festphase zu diffundieren, wobei das Rohmaterialpulver Pulver aus den jeweiligen Metallen oder Legierungen von Al, Cu und Fe und Pulver aus Metallen oder Legierungen eines oder mehrerer Übergangselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Rohmaterialpulver ein Al-Pulver, ein Cu-Pulver, ein Fe-Pulver und ein Pulver aus Metallen aus einem oder mehreren Übergangselementen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au enthält.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Heiztemperatur von 550 bis 800 °C beträgt.