DE112020000388T5

DE112020000388T5 - Verbundelement

Info

Publication number: DE112020000388T5
Application number: DE112020000388.4T
Authority: DE
Inventors: Megumi FUJISAKI; Takahiro Tomita; Yusuke Oshita
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2021-09-23
Also published as: JP7431176B2; JP6813718B2; CN113272475B; US20210331450A1; JPWO2020145366A1; WO2020145366A1; CN113272475A; DE112020000384T5; JP2021054088A; CN113272474A; JPWO2020145365A1; US20210341234A1; JP7423502B2; WO2020145365A1

Abstract

Ein Verbundelement kann eine anorganische poröse Schicht auf einer Metallfläche umfassen. Die anorganische poröse Schicht kann Keramikfasern umfassen. Die anorganische poröse Schicht kann aus 15 Masse-% oder mehr eines Aluminiumoxidbestandteils und 45 Masse-% oder mehr eines Titandioxidbestandteils gebildet sein.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Technik im Zusammenhang mit einem Verbundelement.
Stand der Technik
Ein Verbundelement aus einem Metall und einem anorganischen Material kann durch Aufbringen einer anorganischen Schutzschicht auf eine Fläche des Metalls hergestellt werden. Die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2018-33245 (im Folgenden Patentdokument 1 genannt) beschreibt beispielsweise, dass hauptsächlich zur Bereitstellung einer hitzebeständigen Fahrzeugmotorkomponente (Metall) eine anorganische Schutzschicht eine Fläche des Metalls überzieht. In Patentdokument 1 ist auf einer Fläche des Metalls eine amorphe anorganische Schicht (insbesondere Borsilikatglas) gebildet und auf einer Fläche der amorphen anorganischen Schicht ist eine nichtoxidische Keramik (insbesondere Siliciumcarbid) gebildet, um eine Ablösung der anorganischen Schutzschicht von dem Metall aufgrund eines Unterschieds in der Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit zwischen dem Metall und der anorganischen Schutzschicht zu verhindern. Das bedeutet, dass in Patentdokument 1 eine Reduktionsschicht (Borsilikatglas), die den Unterschied in der Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit reduziert, zwischen dem Metall und einer Funktionsschicht (Siliciumcarbid), die als Schutzschicht fungiert, angeordnet ist. Patentdokument 1 verbessert die Haftung zwischen dem Metall und der Funktionsschicht durch die amorphe Reduktionsschicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wie in Patentdokument 1 beschrieben, ist die amorphe Reduktionsschicht zwischen dem Metall und der Funktionsschicht angeordnet. Daher muss die Funktionsschicht bei einer Temperatur unter dem Erweichungspunkt der Reduktionsschicht gebildet werden. Mit anderen Worten sind Materialien, die für die Funktionsschicht verwendet werden können, auf jene beschränkt, die bei Temperaturen unter dem Erweichungspunkt der Reduktionsschicht aufgetragen werden können. Das Verbundelement aus Patentdokument 1 hat daher einen geringen Freiheitsgrad was die verwendeten Materialien (für die Reduktionsschicht und die Funktionsschicht) betrifft. Die durch das Verbundelement aus Patentdokument 1 bereitgestellte Hitzebeständigkeit ist ferner aufgrund der Verwendung der amorphen Reduktionsschicht beschränkt. Auf dem Gebiet von Verbundelementen sind kontinuierliche Verbesserungen erwünscht. Die vorliegende Offenbarung stellt ein unkonventionelles und neuartiges Verbundelement bereit.
Lösung des technischen Problems
Ein hierin offenbartes Verbundelement kann eine anorganische poröse Schicht auf einer Metallfläche umfassen. Die anorganische poröse Schicht kann Keramikfasern umfassen und aus 15 Masse-% oder mehr eines Aluminiumoxidbestandteils und 45 Masse-% oder mehr eines Titandioxidbestandteils gebildet sein. Wie beschrieben, umfasst die anorganische poröse Schicht in diesem Verbundelement Keramikfasern. Das bedeutet, dass die anorganische poröse Schicht selbst den Einfluss eines Unterschieds in der Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit zwischen dem Metall und der anorganischen porösen Schicht reduzieren kann. Die anorganische poröse Schicht kann insbesondere infolge einer Verformung (Wärmeausdehnung, Wärmeschrumpfung) des Metalls ihre Form ändern, wodurch eine Ablösung der anorganischen porösen Schicht von dem Metall ohne eine Reduktionsschicht (amorphe Schicht usw.) zwischen dem Metall und der anorganischen porösen Schicht verhindert werden kann.
In dem Verbundelement ist die anorganische „poröse Schicht“ auf der Fläche des Metalls angeordnet. In der Regel sind poröse Körper in hohem Maße dazu in der Lage, eine Umgebung in den porösen Körpern von einer äußeren Umgebung davon zu „trennen“. Das bedeutet, dass das vorstehende Verbundelement den Einfluss der äußeren Umgebung auf das Metall oder den Einfluss des Metalls auf die äußere Umgebung reduzieren und damit eine hohe Wärmeisolierung, eine hohe Schallisolierung (Schallabsorptionsvermögen) usw. bereitstellen kann. Das vorstehende Verbundelement kann dank der Tatsache, dass die anorganische poröse Schicht eine Absorptionsfähigkeit, ein Feuchtigkeitsabsorptionsvermögen usw. aufweist, ferner auch die Haftung von Substanzen (Fremdkörper, Feuchtigkeit usw.) in der äußeren Umgebung an dem Metall reduzieren. Alternativ kann es bei dem vorstehenden Verbundelement sein, dass das Metall unter Verwendung der anorganischen porösen Schicht einen Katalysator auf seiner Oberfläche trägt. Es sollte angemerkt werden, dass der in der vorliegenden Offenbarung verwendete Begriff „porös“ bedeutet, dass ein Porositätsanteil (Hohlraumanteil) der anorganischen porösen Schicht größer gleich 45 Vol.-% ist.
Da das Verbundelement die Keramikfasern in der anorganischen porösen Schicht umfasst, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Festigkeit (mechanische Festigkeit) der anorganischen porösen Schicht selbst abnimmt. Da die anorganische poröse Schicht ferner aus 15 Masse-% oder mehr des Aluminiumoxidbestandteils und 45 Masse-% oder mehr des Titandioxidbestandteils besteht, hat die anorganische poröse Schicht einen hohen Schmelzpunkt und kann damit ihre Form selbst dann beibehalten, wenn die äußere Umgebung des Verbundelements eine hohe Temperatur hat.
Figurenliste

1 zeigt ein Beispiel eines Verbundelements gemäß einer ersten Ausführungsform (perspektivische Ansicht);
2 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht des Verbundelements gemäß der ersten Ausführungsform;
3 zeigt eine Querschnittsansicht des Verbundelements gemäß der ersten Ausführungsform;
4 zeigt eine Variante des Verbundelements gemäß der ersten Ausführungsform (Querschnittsansicht);
5 zeigt eine Variante des Verbundelements gemäß der ersten Ausführungsform (Querschnittsansicht);
6 zeigt eine Variante des Verbundelements gemäß der ersten Ausführungsform (Querschnittsansicht);
7 zeigt ein Beispiel eines Verbundelements gemäß einer zweiten Ausführungsform (perspektivische Ansicht);
8 zeigt ein Beispiel eines Verbundelements gemäß einer dritten Ausführungsform (perspektivische Ansicht);
9 zeigt ein Beispiel eines Verbundelements gemäß einer vierten Ausführungsform (perspektivische Ansicht);
10 zeigt ein Beispiel eines Verbundelements gemäß einer fünften Ausführungsform (perspektivische Ansicht);
11 zeigt ein Beispiel eines Verbundelements gemäß einer sechsten Ausführungsform (perspektivische Ansicht);
12 zeigt ein Beispiel eines Verbundelements gemäß einer siebten Ausführungsform (perspektivische Ansicht);
13 zeigt ein Beispiel eines Verbundelements gemäß einer achten Ausführungsform (perspektivische Ansicht);
14 zeigt ein Verwendungsbeispiel eines Verbundelements (Querschnittsansicht); und
15 zeigt Ergebnisse eines experimentellen Beispiels.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Verbundelement kann die folgende Formel (1) erfüllen, wobei α1 ein Wärmeausdehnungskoeffizient einer anorganischen porösen Schicht ist und α2 ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Metalls ist. Die Ablösung der anorganischen porösen Schicht vom Metall kann mit Sicherheit verhindert werden. 0,5 < α1/α2 < 1,2 Formel (1):
Die anorganische poröse Schicht in dem Verbundelement kann plattenförmige Keramikpartikel umfassen. Die Verwendung der plattenförmigen Keramikpartikel ermöglicht es, einen Teil der Keramikfasern durch die plattenförmigen Keramikpartikel zu ersetzen. Eine Länge (Längsabmessung) der plattenförmigen Keramikpartikel ist in der Regel kürzer als eine Länge der Keramikfasern. Daher werden die Wärmeübertragungswege in der anorganischen porösen Schicht mittels der plattenförmigen Keramikpartikel gekappt, weshalb Wärme tendenziell weniger in die anorganische poröse Schicht übertragen wird. Als Ergebnis wird die Wärmeisolierung der anorganischen porösen Schicht weiter verbessert. Es sollte angemerkt werden, dass sich die „plattenförmigen Keramikpartikel“ auf Keramikpartikel mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr und einer Längsabmessung im Bereich von 5 µm oder mehr bis 50 µm oder weniger beziehen.
Die anorganische poröse Schicht in dem Verbundelement kann granuläre Partikel umfassen, die in einem Bereich von 0,1 µm oder mehr bis 10 µm oder weniger liegen. Bei der Formung (Brennen) der anorganischen porösen Schicht werden die Keramikfasern über die granulären Partikel miteinander kombiniert, wodurch die resultierende anorganische poröse Schicht eine hohe Festigkeit hat. Eine Dicke der anorganischen porösen Schicht kann ferner 1 mm oder mehr betragen. Diese anorganische poröse Schicht kann die vorstehend genannten Funktionen (Wärmeisolierung, Schallisolierung, Absorptionsfähigkeit Feuchtigkeitsabsorptionsvermögen usw.) vollständig erfüllen. Da die anorganische poröse Schicht des Verbundelements die Keramikfasern umfasst, kann die anorganische poröse Schicht mit einer Dicke von 1 mm oder mehr hergestellt werden. Das bedeutet, dass aufgrund der Tatsache, dass die anorganische poröse Schicht die Keramikfasern umfasst, die in einem Formprozess (z. B. Brennprozess) der anorganischen porösen Schicht weniger schrumpffähig sind, die anorganische poröse Schicht so geformt werden kann, dass sie eine Dicke von 1 mm oder mehr aufweist. Würde die anorganische poröse Schicht beispielsweise keine Keramikfasern umfassen, könnte die anorganische poröse Schicht schrumpfen und dadurch könnten im Formprozess Risse oder dergleichen verursacht werden. Würde die anorganische poröse Schicht beispielsweise keine Keramikfasern umfassen, wäre es schwierig, die anorganische poröse Schicht so zu formen, dass sie eine Dicke von 1 mm oder mehr aufweist.
Ausführungsformen eines hierin offenbarten Verbundelements werden im Folgenden beschrieben. Das hierin offenbarte Verbundelement umfasst eine anorganische poröse Schicht auf einer Metallfläche. Die anorganische poröse Schicht umfasst Keramikfasern. Die anorganische poröse Schicht besteht aus 15 Masse-% oder mehr und 55 Masse-% oder weniger eines Aluminiumoxidbestandteils (Al₂O₃) und 45 Masse-% oder mehr und 85 Masse-% oder weniger eines Titandioxidbestandteils (TiO₂). Der Aluminiumoxidbestandteil in der anorganischen porösen Schicht kann 25 Masse-% oder mehr, 30 Masse-% oder mehr oder 40 Masse-% oder mehr betragen. Das hierin offenbarte Verbundelement kann beispielsweise entsprechend in einer Hochtemperaturumgebung verwendet werden. Das Verbundelement kann beispielsweise entsprechend als ein ein Kraftfahrzeugabgassystem konfigurierendes Element verwendet werden, wie etwa ein Abgaskrümmer oder ein Auspuff. Das hierin offenbarte Verbundelement kann auch entsprechend als Wärmeübertragungselement verwendet werden, das beispielsweise an einer Wärmequelle erzeugte Wärme zu einer von der Wärmequelle entfernt positionierten Komponente (z. B. Kühlplatte) überträgt. Alternativ kann das Verbundelement zwischen einer Vielzahl von Geräten angeordnet und entsprechend als Trennplatte verwendet werden, die verhindert, dass an einem der Geräte erzeugte Wärme auf andere Geräte einwirkt.
Die anorganische poröse Schicht kann die Fläche des Metalls überziehen und das Metall vor einer äußeren Umgebung schützen. Die „äußere Umgebung“ bezieht sich hier auf einen Raum gegenüber dem Metall, wobei die anorganische poröse Schicht zwischen dem Metall und dem Raum angeordnet ist. Das bedeutet, dass, wenn das Verbundelement wie beschrieben als ein ein Kraftfahrzeugabgassystem konfigurierendes Element verwendet wird, die „äußere Umgebung“ dem inneren Raum eines Abgaskrümmers, eines Auspuffs oder dergleichen entspricht. Alternativ kann die anorganische poröse Schicht die Fläche des Metalls überziehen und eine Komponente in der äußeren Umgebung des Verbundelements vor der Wärme des Metalls schützen (thermisch isolieren). Die anorganische poröse Schicht kann Flächen von zwei einander in einem Abstand zugewandten Metallteilen (z. B. Metallplatten) überziehen. Anders ausgedrückt können Metallplatten (eine erste Metallplatte und eine zweite Metallplatte) mit jeweils einer der beiden Flächen einer anorganischen porösen Schicht verbunden werden. Es ist möglich, zu verhindern, dass an einem ersten Gerät, das sich auf der Seite der ersten Metallplatte befindet, erzeugte Wärme auf ein zweites Gerät einwirkt, das sich auf der Seite der zweiten Metallplatte befindet, und die an dem ersten Gerät erzeugte Wärme durch die erste Metallplatte freizusetzen.
Wie beschrieben reduziert das Verbundelement durch die anorganische poröse Schicht einen Wärmeeinfluss vom Metall auf die äußere Umgebung und umgekehrt. Die anorganische poröse Schicht unterteilt ferner einen Raum, in dem eine Vielzahl von Geräten so angeordnet ist, dass der Wärmeeinfluss zwischen den getrennten Räumen reduziert ist. Somit ist es wünschenswert, dass ein Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Metall und der anorganischen porösen Schicht groß ist. Die Wärmeleitfähigkeit des Metalls kann insbesondere 100 Mal oder mehr höher sein als die Wärmeleitfähigkeit der anorganischen porösen Schicht. Die Wärmeleitfähigkeit des Metalls kann 150 Mal oder mehr, 200 Mal oder mehr, 250 Mal oder mehr oder 300 Mal oder mehr höher sein als die Wärmeleitfähigkeit der anorganischen porösen Schicht.
Die Wärmeleitfähigkeit des Metalls kann im Bereich von 10 W/mK oder mehr bis 400 W/mK oder weniger liegen. Die Wärmeleitfähigkeit des Metalls kann 25 W/mK oder mehr, 50 W/mK oder mehr, 100 W/mK oder mehr, 150 W/mK oder mehr, 200 W/mK oder mehr, 250 W/mK oder mehr, 300 W/mK oder mehr oder 380 W/mK oder mehr betragen. Die Wärmeleitfähigkeit des Metalls kann 350 W/mK oder weniger, 300 W/mK oder weniger, 250 W/mK oder weniger, 200 W/mK oder weniger oder 150 W/mK oder weniger betragen.
Die Wärmeleitfähigkeit der anorganischen porösen Schicht kann im Bereich von 0,05 W/mK oder mehr bis 3 W/mK oder weniger liegen. Die Wärmeleitfähigkeit der anorganischen porösen Schicht kann 0,1 W/mK oder mehr, 0,2 W/mK oder mehr, 0,3 W/mK oder mehr, 0,5 W/mK oder mehr, 0,7 W/mK oder mehr, 1 W/mK oder mehr, 1,5 W/mK oder mehr oder 2 W/mK oder mehr betragen. Die Wärmeleitfähigkeit der anorganischen porösen Schicht kann ferner 2,5 W/mK oder weniger, 2,0 W/mK oder weniger, 1,5 W/mK oder weniger, 1 W/mK oder weniger, 0,5 W/mK oder weniger, 0,3 W/mK oder weniger oder 0,25 W/mK oder weniger betragen.
Das Metall kann röhrenförmig (Rohrform), linear (Drahtform) oder plattenförmig (Blechform) sein, wobei es nicht auf eine dieser Formen beschränkt ist. Im Fall eines röhrenförmigen Metalls kann die anorganische poröse Schicht eine Innenfläche und/oder Außenfläche des röhrenförmigen Metalls überziehen. Lineares Metall hat in der Regel eine feste Struktur. Im Fall des linearen Metalls kann die anorganische poröse Schicht daher eine Außenfläche des linearen Metalls überziehen. Im Fall eines plattenförmigen Metalls kann die anorganische poröse Schicht die gesamte freiliegende Fläche des plattenförmigen Metalls überziehen, (eine) Stirnfläche(n) (Vorder- und/oder Rückseite) in seiner Dickenrichtung überziehen, (eine) Stirnfläche(n) (Seitenfläche(n)) in seiner Breitenrichtung überziehen oder kann (eine) Stirnfläche(n) in seiner Längsrichtung überziehen. Im Fall des plattenförmigen Metalls kann die anorganische poröse Schicht sowohl eine Vorderseite eines ersten plattenförmigen Metalls (eine erste Metallplatte) als auch eine Rückseite eines zweiten plattenförmigen Metalls (eine zweite Metallplatte) überziehen.
Die anorganische poröse Schicht kann die gesamte Oberfläche des Metalls überziehen oder kann einen Teil der Oberfläche des Metalls überziehen. Überzieht die anorganische poröse Schicht beispielsweise das röhrenförmige Metall oder das lineare Metall, kann die anorganische poröse Schicht einen Teil des Metalls, der eines oder beide Enden des Metalls nicht einschließt, überziehen. Wenn die anorganische poröse Schicht die Innen- und Außenflächen des röhrenförmigen Metalls überzieht, kann/können sich ferner (ein) von der anorganischen porösen Schicht überzogene(r) Teil(e) zwischen der Innenfläche und der Außenfläche unterscheiden; die Innenfläche kann z. B. von einem Ende zum anderen Ende von der anorganischen porösen Schicht überzogen sein (d. h. die gesamte Innenfläche ist überzogen) und die Außenfläche kann mit Ausnahme (eines) ihrer Enden überzogen sein. Überzieht die anorganische poröse Schicht das plattenförmige Metall (z. B. Stirnseiten in der Dickenrichtung: Vorder- und Rückseite), kann die anorganische poröse Schicht die Vorder- und Rückseite mit Ausnahme von Teilen davon (z. B. ein Ende oder beide Enden in der Längsrichtung) überziehen. Alternativ können sich ein oder mehrere von der anorganischen porösen Schicht überzogene Teile zwischen Vorder- und Rückseite unterscheiden; so kann etwa die Rückseite vollständig von der anorganischen porösen Schicht überzogen sein und die Vorderseite kann mit Ausnahme ihrer beiden Enden überzogen sein.
Die anorganische poröse Schicht kann in ihrer Dickenrichtung (in einem Bereich von der in Kontakt mit der Fläche des Metalls stehenden Seite bis zu der Seite, die der Außenumgebung ausgesetzt ist) aus einem einzelnen Material gebildet sein. Das bedeutet, dass die anorganische poröse Schicht eine einzelne Schicht sein kann. Die anorganische poröse Schicht kann aus einer Vielzahl von Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in der Dickenrichtung zusammengesetzt sein. Das bedeutet, dass die anorganische poröse Schicht eine mehrlagige Struktur haben kann, in der mehrere Schichten geschichtet sind. Alternativ kann die anorganische poröse Schicht eine Gradationsstruktur aufweisen, in der die Zusammensetzungen in der Dickenrichtung allmählich variieren. Ist die anorganische poröse Schicht eine einzelne Schicht, erleichtert dies die Herstellung des Verbundelements (in einem Prozess, in dem die anorganische poröse Schicht auf der Metallfläche gebildet wird). Wenn die anorganische poröse Schicht eine mehrlagige oder Gradationsstruktur hat, kann die anorganische poröse Schicht in der Dickenrichtung in den Eigenschaften variieren. Die Struktur der anorganischen porösen Schicht (einzelne Schicht, mehrlagige Struktur, Gradationsstruktur) kann entsprechend der geplanten Verwendung des Verbundelements ausgewählt werden.
Der Porositätsanteil der anorganischen porösen Schicht kann im Bereich von 45 Vol.-% oder mehr bis 90 Vol.-% oder weniger liegen. Beträgt der Porositätsanteil 45 Vol.-% oder mehr, kann die anorganische poröse Schicht Funktionen eines porösen Körpers, wie etwa Wärmeisolierung, Schallisolierung, Absorptionsfähigkeit, Feuchtigkeitsabsorptionsvermögen und dergleichen, vollständig erfüllen. Beträgt der Porositätsanteil 45 Vol.-% oder mehr, kann ferner ein Katalysator unter Verwendung von Hohlräumen in der anorganischen porösen Schicht ausreichend getragen werden. Mit einem Porositätsanteil von 90 Vol.-% oder weniger kann eine ausreichende Festigkeit sichergestellt werden. Der Porositätsanteil der anorganischen porösen Schicht kann 55 Vol.-% oder mehr, 60 Vol.-% oder mehr oder 65 Vol.-% oder mehr betragen. Der Porositätsanteil der anorganischen porösen Schicht kann ferner 85 Vol.-% oder weniger, 80 Vol.-% oder weniger, 70 Vol.-% oder weniger, 65 Vol.-% oder weniger oder 60 Vol.-% oder weniger betragen. Weist die anorganische poröse Schicht die mehrlagige Struktur oder die Gradationsstruktur auf, kann der Porositätsanteil der anorganischen porösen Schicht 45 Vol.-% oder mehr und 90 Vol.-% oder weniger als Ganzes betragen und der Porositätsanteil kann in der Dickenrichtung variieren. In diesem Fall kann die anorganische poröse Schicht einen Teil mit einem Porositätsanteil von weniger als 45 Vol.-% oder einen Teil mit einem Porositätsanteil von mehr als 90 Vol.-% umfassen.
Die Dicke der anorganischen porösen Schicht kann 1 mm oder mehr betragen, obwohl sie von der geplanten Verwendung (erforderliche Leistung) abhängt. Beträgt die Dicke der anorganischen porösen Schicht 1 mm oder mehr, kann die anorganische poröse Schicht Funktionen eines porösen Körpers, wie etwa Wärmeisolierung, Schallisolierung, Absorptionsvermögen, Feuchtigkeitsaufnahme und dergleichen, vollständig erfüllen. Es ist anzumerken, dass die anorganische poröse Schicht im Herstellungsprozess (z. B. im Brennprozess) schrumpfen würde, wenn keine Keramikfasern in der anorganischen porösen Schicht verwendet würden, wodurch es schwierig wäre, die Dicke auf 1 mm oder mehr zu halten. Da die hierin offenbarte anorganische poröse Schicht die Keramikfasern umfasst, wird die Schrumpfung im Herstellungsprozess verringert, wodurch die Dicke auf 1 mm oder mehr gehalten werden kann. Wäre die Dicke der anorganischen porösen Schicht zu groß, stünden Verbesserungen der Eigenschaften möglicherweise in keinem Verhältnis zu den Kosten (Herstellungs- und Materialkosten). Die Dicke der anorganischen porösen Schicht kann daher 30 mm oder weniger, 20 mm oder weniger, 15 mm oder weniger, 10 mm oder weniger oder 5 mm oder weniger betragen, obwohl sie nicht darauf beschränkt ist.
Die anorganische poröse Schicht ist aus einem oder mehreren Materialien ausgewählt aus Keramikpartikeln (granuläre Partikel), plattenförmigen Keramikpartikeln und Keramikfasern gebildet. Die Keramikpartikel, die plattenförmigen Keramikpartikel und die Keramikfasern können als Bestandteil(e) Aluminiumoxid und/oder Titandioxid enthalten. Anders ausgedrückt können die Keramikpartikel, die plattenförmigen Keramikpartikel und die Keramikfasern aus Aluminiumoxid und/oder Titandioxid gebildet sein. Das bedeutet, dass die anorganische poröse Schicht 15 Masse-% oder mehr eines Aluminiumoxidbestandteils und 45 Masse-% oder mehr eines Titandioxidbestandteils relativ zu allen materiellen Bestandteilen (Bestandteilsubstanzen) umfassen kann. Es sollte angemerkt werden, dass die anorganische poröse Schicht jeden Bestandteil umfassen kann (kann den Aluminiumoxidbestandteil und/oder den Titandioxidbestandteil umfassen, muss aber nicht), wobei sie jedoch zumindest die Keramikfasern umfasst.
Die Keramikpartikel können als Verbindungsmaterial verwendet werden, das Materialien verbindet, die einen Rahmen der anorganischen porösen Schicht bilden, wie die plattenförmigen Keramikpartikel, die Keramikfasern und dergleichen. Die Keramikpartikel können granuläre Partikel in einem Bereich von 0,1 µm oder mehr bis 10 µm oder weniger sein. Der Durchmesser der Keramikpartikel kann mittels Sintern und/oder dergleichen im Herstellungsprozess (z. B. im Brennprozess) erhöht werden. Das bedeutet, dass die Keramikpartikel granuläre Partikel in einem Bereich von 0,1 µm oder mehr bis 10 µm oder weniger (mittlere Partikelgröße vor dem Brennen) als Rohmaterial der anorganischen porösen Schicht sein können. Die Keramikpartikel können 0,5 µm oder mehr und 5 µm oder weniger betragen. Als Material der Keramikpartikel kann z. B. ein Metalloxid verwendet werden. Beispiele für das Metalloxid sind Aluminiumoxid (Al₂O₃), Spinell (MgAl₂O₄), Titandioxid (TiO₂), Zirconiumdioxid (ZrO₂), Magnesiumoxid (MgO), Mullit (Al₆O₁₃Si₂), Cordierit (MgO• Al₂O₃•SiO₂), Yttrium (Y₂O₃), Steatit (MgO•SiO₂), Forsterit (2MgO•SiO₂), Lanthanaluminat (LaAlO₃), Strontiumtitanat (SrTiO₃) und dergleichen. Diese Metalloxide sind höchst korrosionsbeständig. Die Verwendung eines oder mehrerer der vorstehend genannten Metalloxide als Material der Keramikpartikel ermöglicht daher die entsprechende Verwendung der anorganischen porösen Schicht als Schutzschicht, beispielsweise für eine Komponente (z. B. Abgaskrümmer) eines Kraftfahrzeugabgassystems.
Die plattenförmigen Keramikpartikel können als Aggregations- oder Verstärkungsmaterial in der anorganischen porösen Schicht fungieren. Das bedeutet, dass die plattenförmige Keramik, wie die Keramikfasern, die Festigkeit der anorganischen porösen Schicht verbessert und die Schrumpfung der anorganischen porösen Schicht im Herstellungsprozess verringert. Die Verwendung von plattenförmigen Keramikpartikeln kappt Wärmeübertragungswege in der anorganischen porösen Schicht. Dies stellt eine verbesserte Wärmeisolierung bereit, wenn das Verbundelement in einer Hochtemperaturumgebung verwendet wird (wenn die anorganische poröse Schicht zur Isolation von Wärme von dem Metall verwendet wird), verglichen mit einer Konfiguration, in der nur die Keramikfasern als Aggregationsmaterial verwendet werden.
Die plattenförmigen Keramikpartikel haben eine rechteckige Form oder eine Nadelform und haben eine Längserstreckung im Bereich von 5 µm oder mehr bis 100 µm oder weniger. Mit einer Längserstreckung von 5 µm oder mehr ist es möglich, ein übermäßiges Sintern der Keramikpartikel einzuschränken. Mit einer Längserstreckung von 100 µm oder weniger ist es möglich, die vorstehend genannte Wirkung des Kappens der Wärmeübertragungswege in der anorganischen porösen Schicht hervorzurufen, wodurch die plattenförmigen Keramikpartikel entsprechend im Verbundelement verwendet werden können, das zur Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung gedacht ist. Die plattenförmigen Keramikpartikel können ein Aspektverhältnis im Bereich von 5 oder mehr bis 100 oder weniger haben. Mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr ist es möglich, ein Sintern der Keramikpartikel vorteilhafterweise einzuschränken, wobei es mit einem Aspektverhältnis von 100 oder weniger möglich ist, eine Abnahme der Festigkeit der plattenförmigen Keramikpartikel selbst zu reduzieren. Zusätzlich zu den vorstehend genannten Metalloxiden, die als Material der Keramikpartikel verwendet werden, können Mineralien, Ton und Glas wie etwa Talk (Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂), Glimmer, Kaolin und dergleichen als das Material der plattenförmigen Keramikpartikel verwendet werden.
Die Keramikfasern können als Aggregations- oder Verstärkungsmaterial in der anorganischen porösen Schicht fungieren. Das bedeutet, dass die Keramikfasern die Festigkeit der anorganischen porösen Schicht verbessern und auch die Schrumpfung der anorganischen porösen Schicht im Herstellungsprozess verringern. Die Keramikfasern können eine Länge im Bereich von 50 µm oder mehr bis 200 µm oder weniger aufweisen. Die Keramikfasern können ferner einen Durchmesser (mittlerer Durchmesser) aufweisen, der im Bereich von 1 µm bis 20 µm liegt. Ein Volumenanteil der Keramikfasern in der anorganischen porösen Schicht (Volumenanteil der Keramikfasern an Materialien, die die anorganische poröse Schicht bilden) kann im Bereich von 5 Vol.-% oder mehr bis 25 Vol.-% oder weniger liegen. Bei 5 Vol.-% oder mehr Keramikfasern ist es möglich, die Schrumpfung der Keramikpartikel in der anorganischen porösen Schicht im Herstellungsprozess (Brennprozess) der anorganischen porösen Schicht ausreichend zu verringern. Bei 25 Vol.-% oder weniger Keramikfasern ist es ferner möglich, die Wärmeübertragungswege in der anorganischen porösen Schicht zu kappen, wodurch sie entsprechend im Verbundelement verwendet werden können, das zur Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung gedacht ist. Dieselben Materialien wie jene der vorstehend erwähnten plattenförmigen Keramikpartikel können als Material der Keramikfasern verwendet werden.
Ein prozentueller Gehalt an Aggregations- und Verstärkungsmaterialien (die die Keramikfasern, die plattenförmigen Keramikpartikel und dergleichen enthalten und einfach als Aggregationsmaterialien bezeichnet werden) in der anorganischen porösen Schicht kann im Bereich von 15 Masse-% oder mehr bis 55 Masse-% oder weniger liegen. Beträgt der prozentuelle Gehalt der Aggregationsmaterialien in der anorganischen porösen Schicht 15 Masse-% oder mehr, ist es möglich die Schrumpfung der anorganischen porösen Schicht im Brennprozess ausreichend zu verringern. Beträgt der prozentuelle Gehalt der Aggregationsmaterialien in der anorganischen porösen Schicht 55 Masse-% oder weniger, werden die Aggregationsmaterialien ferner vorzugsweise durch die Keramikpartikel miteinander verbunden. Der prozentuelle Gehalt der Aggregationsmaterialien in der anorganischen porösen Schicht kann 20 Masse-% oder mehr, 30 Masse-% oder mehr, 50 Masse-% oder mehr oder 53 Masse-% oder mehr betragen. Der prozentuelle Gehalt der Aggregationsmaterialien in der anorganischen porösen Schicht kann ferner 53 Masse-% oder weniger, 50 Masse-% oder weniger, 30 Masse-% oder weniger oder 20 Masse-% oder weniger betragen.
Wie beschrieben können sowohl die Keramikfasern als auch die plattenförmigen Keramikpartikel als Aggregations- oder Verstärkungsmaterialien in der anorganischen porösen Schicht fungieren. Um die Schrumpfung der anorganischen porösen Schicht nach der Herstellung (nach dem Brennen) des Verbundelements sicher zu verringern, kann ein prozentueller Gehalt der Keramikfasern in der anorganischen porösen Schicht jedoch mindestens 5 Masse-% oder mehr betragen, selbst wenn sowohl die Keramikfasern als auch die plattenförmigen Keramikpartikel als Aggregationsmaterialien verwendet werden. Der prozentuelle Gehalt der Keramikfasern kann 10 Masse-% oder mehr, 20 Masse-% oder mehr, 30 Masse-% oder mehr oder 40 Masse-% oder mehr betragen. Der prozentuelle Gehalt der Keramikfasern kann ferner 50 Masse-% oder weniger, 40 Masse-% oder weniger, 30 Masse-% oder weniger, 20 Masse-% oder weniger oder 10 Masse-% oder weniger betragen.
Wenn sowohl die Keramikfasern als auch die plattenförmigen Keramikpartikel als die Aggregationsmaterialien verwendet werden, kann ein Anteil (Gewichtsanteil) der plattenförmigen Keramikpartikel an den gesamten Aggregationsmaterialien 70 % oder weniger betragen. Anders ausgedrückt kann der Massenanteil der Keramikfasern an den Aggregationsmaterialien mindestens 30 % oder mehr ausmachen. Der Anteil (Gewichtsanteil) der plattenförmigen Keramikpartikel an den gesamten Aggregationsmaterialien kann 67 % oder weniger, 64 % oder weniger, 63 % oder weniger, 60 % oder weniger oder 50 % oder weniger betragen. Es ist anzumerken, dass die plattenförmigen Keramikpartikel nicht notwendigerweise als Aggregationsmaterial erforderlich sind. Der Anteil der plattenförmigen Keramikpartikel an den gesamten Aggregationsmaterialien kann 40 % oder mehr, 50 % oder mehr, 60 % oder mehr, 62 % oder mehr, 63 % oder mehr oder 65 % oder mehr betragen. Der prozentuelle Gehalt der plattenförmigen Keramikpartikel in der anorganischen porösen Schicht kann insbesondere 5 Masse-% oder mehr, 10 Masse-% oder mehr, 20 Masse-% oder mehr, 30 Masse-% oder mehr oder 33 Masse-% oder mehr betragen. Der prozentuelle Gehalt der plattenförmigen Keramikpartikel kann ferner 35 Masse-% oder weniger, 33 Masse-% oder weniger, 30 Masse-% oder weniger, 20 Masse-% oder weniger oder 10 Masse-% oder weniger betragen.
In einem Verbundelement, das zur Verwendung in einer Umgebung mit besonders hohen Temperaturen gedacht ist, kann die anorganische poröse Schicht 25 Masse-% oder weniger SiO₂ umfassen. Dies reduziert die Bildung einer amorphen Schicht in der anorganischen porösen Schicht und damit verbessert sich die Hitzebeständigkeit (Beständigkeit) der anorganischen porösen Schicht.
Zur Bildung der anorganischen porösen Schicht kann neben den Keramikpartikeln, den plattenförmigen Keramikpartikeln und den Keramikfasern eine Mischung aus Rohmaterialien einschließlich Bindemitteln, eines porenbildenden Mittels und eines Lösungsmittels verwendet werden. Als die Bindemittel können anorganische Bindemittel verwendet werden. Beispiele für die anorganischen Bindemittel sind Aluminiumoxidsol, Siliciumdioxidsol, Titandioxidsol, Zirconiumdioxidsol und dergleichen. Diese anorganischen Bindemittel können der anorganischen porösen Schicht nach dem Brennen eine erhöhte Festigkeit verleihen. Als das porenbildende Mittel kann ein makromolekulares porenbildendes Mittel, ein kohlenstoffbasiertes Pulver und/oder dergleichen verwendet werden. Beispiele dafür sind insbesondere Acrylharz, Melaminharz, Polyethylenpartikel, Polystyrolpartikel, Rußpulver, Graphitpulver und dergleichen. Das porenbildende Mittel kann entsprechend dem Zweck jede beliebige Form aufweisen und kann beispielsweise eine Kugelform, eine Plattenform, eine Faserform oder dergleichen aufweisen. Der Porositätsanteil und die Porengröße der anorganischen porösen Schicht können durch Auswählen einer zugegebenen Menge, Größe und/oder Form des porenbildenden Mittels eingestellt werden. Das Lösungsmittel kann jedes beliebige Lösungsmittel sein, solange es die Viskosität der Rohmaterialien einstellen kann, ohne die anderen Materialien zu beeinträchtigen. Als Lösungsmittel kann Wasser, Ethanol, Isopropylalkohol (IPA) oder dergleichen verwendet werden.
Die anorganischen Bindemittel sind auch ein materieller Bestandteil der anorganischen porösen Schicht. Werden daher Aluminiumoxidsol, Titandioxidsol und/oder dergleichen zur Bildung der anorganischen porösen Schicht verwendet, kann die anorganische poröse Schicht 15 Masse-% oder mehr des Aluminiumoxidbestandteils und 45 Masse-% oder mehr des Titandioxidbestandteils relativ zur Summe der materiellen Bestandteile einschließlich der anorganischen Bindemittel umfassen.
Die Zusammensetzungen und Rohmaterialien der anorganischen porösen Schicht können entsprechend der Art des Metalls, das die anorganische poröse Schicht schützt, eingestellt werden. In dem hier offenbarten Verbundelement können rostfreier Stahl, wie etwa SUS430, SUS429, SUS444 oder dergleichen, Eisen, Kupfer, Hastelloy, Inconel, eine Nickellegierung oder dergleichen als Metall verwendet werden, ohne speziell darauf beschränkt zu sein. Die Zusammensetzungen und Rohmaterialien der anorganischen porösen Schicht können entsprechend dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des verwendeten Metalls eingestellt werden. Die Zusammensetzungen und Rohmaterialien können insbesondere so eingestellt werden, dass die nachstehend gezeigte Formel 1 erfüllt wird, wobei α1 ein Wärmeausdehnungskoeffizient der anorganischen porösen Schicht und α2 ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls ist. Ist das Metall SUS430, können die Zusammensetzungen und Rohmaterialien der anorganischen porösen Schicht beispielsweise so eingestellt werden, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient α1 6×10^-6/K<α1<14×10^-6/K erfüllt, oder bevorzugter so, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient α1 6×10^-6/K<α1<11×10^-6/K erfüllt. Ist das Metall beispielsweise Kupfer, können die Zusammensetzungen und Rohmaterialien der anorganischen porösen Schicht so eingestellt werden, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient α1 8,5×10^-6/K<α1<20×10^-6/K erfüllt, oder bevorzugter so, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient α1 8,5×10^-6/K<α1<18×10^-6/K erfüllt. Der Wert „α1/α2“ kann 0,55 oder mehr, 0,6 oder mehr, 0,65 oder mehr, 0,75 oder mehr oder 0,8 oder mehr betragen. Der Wert „α1/α2“ kann ferner 1,15 oder weniger, 1,1 oder weniger, 1,05 oder weniger oder 1,0 oder weniger betragen. 0,5 < α1/α2 < 1,2 Formel 1:
Betreffend das hierin offenbarte Verbundelement kann die anorganische poröse Schicht auf der Fläche des Metalls gebildet werden, indem die vorstehend genannten Rohmaterialien auf die Fläche des Metalls (Innenfläche des Rohrs im Fall eines röhrenförmigen Metalls) aufgetragen, getrocknet und gebrannt werden. Als Verfahren zum Auftragen der Rohstoffe können Tauchbeschichtung, Schleuderbeschichtung, Sprühbeschichtung, Schlitzdüsenbeschichtung, thermisches Spritzen, ein Aerosol-Depositions-Verfahren (AD-Verfahren), Bedrucken, Auftragen mit einem Pinsel, Auftragen mit einer Palette, Formgießen oder dergleichen verwendet werden. Ist eine anorganische poröse Schicht mit großer Dicke erforderlich oder hat die anorganische poröse Schicht die mehrlagige Struktur, kann die erforderliche Dicke oder die mehrlagige Struktur durch mehrmaliges Wiederholen der Auftragung und des Trocknens der Rohmaterialien erhalten werden. Die vorstehend genannten Auftragsverfahren können als ein Auftragsverfahren zur Bildung einer Beschichtung verwendet werden (die später beschrieben wird).
Das hierin offenbarte Verbundelement kann ferner eine Beschichtung umfassen, die auf einer Fläche der anorganischen porösen Schicht angeordnet ist, die einer Fläche davon gegenüberliegt, auf der das Metall angeordnet ist. Das bedeutet, dass die anorganische poröse Schicht zwischen dem Metall und der Beschichtung angeordnet sein kann. Die Beschichtung kann über die gesamte Fläche der anorganischen porösen Schicht (die der Fläche davon, auf der das Metall angeordnet ist, gegenüberliegt) oder auf einem Teil der Fläche der anorganischen porösen Schicht angeordnet sein. Die Beschichtung kann die anorganische poröse Schicht schützen (verstärken).
Das Material der Beschichtung kann poröse Keramik oder dichte Keramik sein. Beispiele für poröse Keramik, die in der Beschichtung verwendet wird, sind Zirconiumdioxid (ZrO₂), teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid, stabilisiertes Zirconiumdioxid und dergleichen. Die Beispiele umfassen ferner mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumdioxid (ZrO₂-Y₂O₃: YSZ) und durch Zugabe von Gd₂O₃, Yb₂O₃, Er₂O₃ und dergleichen zu YSZ, ZrO₂-HfO₂-Y₂O₃, ZrO₂-Y₂O₃-La₂O₃, ZrO₂-HfO₂-Y₂O₃-La₂O₃, HfO₂-Y₂O₃, CeO₂-Y₂O₃, Gd₂Zr₂O₇, Sm₂Zr₂O₇, LaMnAl₁₁O₁₉, YTa₃O₉, Y_0,7La_0,3Ta₃O₉, Y_1,08Ta_2,76Zr_0,24O₉, Y₂Ti₂O₇, LaTa₃O₉, Yb₂Si₂O₇, Y₂Si₂O₇, Ti₃O₅ und dergleichen erhaltene Metalloxide. Beispiele für die dichte Keramik, die in der Beschichtung verwendet wird, sind Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Zirconiumdioxid und dergleichen. Das Entfernen der Keramikfasern von den vorstehend genannten materiellen Bestandteilen der anorganischen porösen Schicht liefert einen geringen Porositätsanteil (Dichteeigenschaften) und dieses wird für die Beschichtung verwendet. Durch die Verwendung der porösen oder dichten Keramik als Beschichtung kann die anorganische poröse Schicht verstärkt werden und die Ablösung der anorganischen porösen Schicht von der Fläche des Metalls kann reduziert werden. Die Verwendung der dichten Keramik als Beschichtung hemmt beispielsweise das Strömen eines Hochtemperaturgases durch die anorganische poröse Schicht und/oder das Verbleiben in der anorganischen porösen Schicht. Dadurch wird erwartet, dass eine Wirkung der Reduktion der Wärmeübertragung vom Hochtemperaturgas auf das Metall reduziert wird. Die Verwendung der dichten Keramik als Beschichtung verbessert ferner eine Wirkung der elektrischen Isolierung des Metalls von der äußeren Umgebung.
Das Material der Beschichtung kann poröses Glas oder dichtes Glas sein. Auch durch die Verwendung von porösem oder dichtem Glas als Beschichtung kann die anorganische poröse Schicht verstärkt werden und die Ablösung der anorganischen porösen Schicht von der Fläche des Metalls kann reduziert werden. Das Material der Beschichtung kann ein Metall sein (das ein von dem durch die anorganische poröse Schicht geschützten Metall separater Bestandteil ist). Durch Anordnen einer Metallschicht auf der Fläche der anorganischen porösen Schicht ist es möglich, Strahlungswärme von der äußeren Umgebung zu reflektieren, wodurch das Einwirken von Wärme auf das Metall (das von der anorganischen porösen Schicht geschützte Metall) weiter reduziert werden kann.
Ausführungsformen
(Erste Ausführungsform)
Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 wird ein Verbundelement 10 beschrieben. Das Verbundelement 10 umfasst eine poröse Schutzschicht 4 auf einer Innenfläche eines röhrenförmigen Metalls (Metallrohr) 2, das aus SUS430 besteht. Die poröse Schutzschicht 4 ist ein Beispiel für die anorganische poröse Schicht. Die poröse Schutzschicht 4 ist mit der Innenfläche des Metalls 2 verbunden (siehe 1 und 2). Das Verbundelement 10 wurde durch Eintauchen des Metalls 2, wobei seine Außenfläche abgedeckt war, in eine Aufschlämmung aus Rohmaterialien sowie Trocknen und Brennen davon hergestellt. Die Aufschlämmung aus Rohmaterialien wurde durch Mischen von Aluminiumoxidfasern (mittlere Faserlänge 140 µm), plattenförmigen Aluminiumoxidpartikeln (mittlere Partikelgröße 6 µm), Titandioxidpartikeln (mittlere Partikelgröße 0,25 µm), Aluminiumoxidsol (1,1 Masse-% in der Menge von Aluminiumoxid), Acrylharz (mittlere Partikelgröße 8 µm) und Ethanol hergestellt. Die Viskosität der Aufschlämmung aus Rohmaterialien wurde auf 2000 mPa • s eingestellt.
Nachdem die Rohmaterialien auf die Innenfläche des Metalls 2 aufgetragen wurden, indem das Metall 2 in die Aufschlämmung aus Rohmaterialien eingetaucht wurde, wurde das Metall 2 eine Stunde lang bei 200 °C in einem Trockner (in atmosphärischer Umgebung) getrocknet. Dadurch wurde eine poröse Schutzschicht von 300 µm auf der Innenfläche des Metalls 2 gebildet. Danach wurde der Prozess des Eintauchens des Metalls 2 in die Aufschlämmung aus Rohmaterialien und des Trocknens drei Mal wiederholt und dadurch wurde eine poröse Schutzschicht von 1,2 mm auf der Innenfläche des Metalls 2 gebildet. Dann wurde das Metall 2 drei Stunden lang bei 800 °C (in atmosphärischer Umgebung) in einem Elektroofen gebrannt und dadurch wurde das Verbundelement 10 hergestellt. Die poröse Schutzschicht 4 wurde über die gesamte Innenfläche des Metalls 2 gebildet (siehe 3). Das daraus resultierende Verbundelement 10 beinhaltete die poröse Schutzschicht 4 mit einem Porositätsanteil von 61 Vol.-% und hatte einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 7 × 10^-6K^-1. Es wurde bestätigt, dass die Titandioxidpartikel im Verbundelement 10 zwischen der Fläche (Innenfläche) des Metalls 2 und aggregierten Materialien (den Aluminiumoxidfasern und den plattenförmigen Aluminiumoxidpartikeln) angeordnet waren und die Fläche des Metalls 2 mit den aggregierten Materialien verbunden haben, wobei dies nicht gezeigt ist.
Bezugnehmend auf 4 bis 6 werden Varianten des Verbundelements 10 (Verbundelemente 10a, 10b und 10c) beschrieben. 4 bis 6 zeigen jeweils einen Abschnitt, der betreffend das Verbundelement 10 3 entspricht (Querschnittsansicht).
Wie in 4 gezeigt, ist die poröse Schutzschicht 4 in dem Verbundelement 10a mit der Innen- und Außenfläche des Metalls 2 verbunden. Das Verbundelement 10a wurde mit im Wesentlichen denselben Prozessen hergestellt wie das Verbundelement 10, wobei das Metall 2 nicht abgedeckt war. Die poröse Schutzschicht 4 wurde über die gesamte Innenfläche und die gesamte Außenfläche des Metalls 2 gebildet.
Wie in 5 gezeigt, ist die poröse Schutzschicht 4 in dem Verbundelement 10b mit der Außenfläche des Metalls 2 verbunden. Das Verbundelement 10b wurde mit im Wesentlichen denselben Prozessen hergestellt wie das Verbundelement 10, wobei die Innenfläche des Metalls 2 abgedeckt war. Die poröse Schutzschicht 4 wurde über die gesamte Außenfläche des Metalls 2 gebildet.
Wie in 6 gezeigt, ist das Metall 2 im Verbundelement 10c linear (Linienform) und weist in der Mitte kein Loch auf (siehe 1 bis 5 zum Vergleich). Das bedeutet, dass das Metall 2 im Verbundelement 10c fest ist. In dem Verbundelement 10c ist die poröse Schutzschicht 4 mit der Außenfläche des Metalls 2 verbunden. Das Verbundelement 10c wurde mit im Wesentlichen denselben Prozessen hergestellt wie das Verbundelement 10, wobei das Metall 2 nicht abgedeckt war. Die poröse Schutzschicht 4 wurde über die gesamte Innenfläche und die gesamte Außenfläche des Metalls 2 gebildet.
(Zweite bis achte Ausführungsform)
Im Folgenden werden Verbundelemente gemäß einer zweiten bis achten Ausführungsform (Verbundelemente 210 bis 810) beschrieben. Die Verbundelemente 210 bis 810 unterscheiden sich von den Verbundelementen 10 (und 10a bis 10c) in der Form des Metalls, der Position oder dem Bereich, wo die poröse Schutzschicht gebildet ist, und/oder dem Vorhandensein oder Fehlen einer Beschichtung. Die Verbundelemente 210 bis 810 wurden mit im Wesentlichen denselben Prozessen hergestellt wie das Verbundelement 10, wobei die abzudeckende(n) Position(en), die Bedingungen für die Bildung der porösen Schutzschicht und die Brennbedingungen nach der Bildung der porösen Schutzschicht usw. entsprechend der geplanten Verwendung eingestellt wurden. In der folgenden Beschreibung sind die mit den Merkmalen des Verbundelements 10 (und 10a bis 10c) übereinstimmenden Merkmale möglicherweise nicht beschrieben.
In dem in 7 gezeigten Verbundelement 210 (zweite Ausführungsform) ist die poröse Schutzschicht 4 mit einer Fläche eines flachen plattenförmigen Metalls 2 (eine der Stirnseiten davon in seiner Dickenrichtung) verbunden. In dem in 8 gezeigten Verbundelement 310 (dritte Ausführungsform) sind die porösen Schutzschichten 4 mit jeweils einer der beiden Flächen des flachen plattenförmigen Metalls 2 (beide Stirnseiten in der Dickenrichtung) verbunden. Die Verbundelemente 210 und 310 können jeweils entsprechend als Material eines Wärmeleitelements verwendet werden, das später beschrieben wird.
In dem in 9 gezeigten Verbundelement 410 (vierte Ausführungsform) sind Metallplatten (eine erste Metallplatte 2X und eine zweite Metallplatte 2Y) mit jeweils einer der beiden Flächen (Vorder- bzw. Rückseite) der porösen Schutzschicht 4 verbunden. Anders ausgedrückt ist eine poröse Schutzschicht 4 mit den beiden Metallplatten (erste Metallplatte 2X und zweite Metallplatte 2Y) verbunden, die einander in einem Abstand zugewandt sind. Das Verbundelement 410 kann entsprechend als Trennplatte zwischen zwei Geräten verwendet werden. Die erste Metallplatte 2X und die zweite Metallplatte 2Y können in den Geräten erzeugte Wärme freisetzen. Die poröse Schutzschicht 4 kann ferner das Einwirken von Wärme von einem der Geräte (z. B. dem auf der Seite der ersten Metallplatte 2X angeordneten Gerät) auf das andere Gerät (das auf der Seite der zweiten Metallplatte 2Y angeordnete Gerät) reduzieren.
Das in 10 gezeigte Verbundelement 510 (fünfte Ausführungsform) ist eine Variante des Verbundelements 10c (siehe 6). In dem Verbundelement 510 liegen die Längsenden (beide Enden) 2a des linearen Metalls 2 frei. Das bedeutet, dass die poröse Schutzschicht 4 in dem Verbundelement 510 mit einem Zwischenabschnitt des Metalls 2 verbunden ist, der die Enden 2a nicht einschließt. Das Verbundelement 510 kann entsprechend als Wärmeleitelement verwendet werden, das Wärme an einem der Enden 2a auf das andere Ende 2a überträgt. Das Verbundelement 510 kann ferner die Einwirkung von Wärme auf Komponente(n) um den Zwischenabschnitt reduzieren, da die poröse Schutzschicht 4 über dem Zwischenabschnitt angeordnet ist. Das Merkmal des Verbundelements 510 (die mit dem Zwischenabschnitt des Metalls, der die Längsenden nicht einschließt, verbundene poröse Schutzschicht) kann auch auf die Verbundelemente 10, 10a und 10b angewendet werden.
Das in 11 gezeigte Verbundelement 610 (sechste Ausführungsform) ist eine Variante des Verbundelements 310 (siehe 8). In dem Verbundelement 610 ist auf einer der Flächen (hintere Fläche) des flachen plattenförmigen Metalls 2 eine poröse Schutzschicht 4 mit der gesamten Fläche verbunden, während auf einer anderen Fläche (vordere Fläche) des Metalls 2 eine andere poröse Schutzschicht 4 mit einem Zwischenabschnitt des Metalls 2, der die Längsenden (beide Enden) 2a nicht einschließt, verbunden ist. Wie beim Verbundelement 510 kann das Verbundelement 610 entsprechend als Wärmeleitelement verwendet werden, das Wärme an einem der Enden 2a auf das andere Ende 2a überträgt. Auf den beiden Flächen des Metalls 2 können die porösen Schutzschichten 4 mit den Zwischenabschnitten des Metalls 2, die die Enden 2a nicht einschließen, verbunden sein. Das Merkmal des Verbundelements 610 (die mit dem/den Zwischenabschnitt(en) des Metalls, der/die die Längsenden nicht einschließen, verbundene(n) poröse(n) Schicht(en)) kann auch auf das Verbundelement 210 angewendet werden.
Das in 12 gezeigte Verbundelement 710 (siebte Ausführungsform) ist eine Variante des Verbundelements 210 (siehe 7). Im Verbundelement 710 ist eine Beschichtung 6 auf einer Fläche der porösen Schutzschicht 4 angeordnet (die der Fläche gegenüberliegt, auf der das Metall 2 angeordnet ist). Nachdem die poröse Schutzschicht 4 auf der Fläche des Metalls 2 gebildet wurde, wurde die Beschichtung 6 durch Auftragen einer Aufschlämmung aus Rohmaterialien auf die Fläche der porösen Schutzschicht 4 mit einem Spray sowie Trocknen und Brennen davon gebildet. Die zum Bilden der Beschichtung 6 verwendete Aufschlämmung aus Rohmaterialien wurde durch Mischen von plattenförmigen Aluminiumoxidpartikeln (mittlere Partikelgröße 6 µm), Titandioxidpartikeln (mittlere Partikelgröße 0,25 µm), Aluminiumoxidsol (1,1 Masse-% in der Menge von Aluminiumoxid), Acrylharz (mittlere Partikelgröße 8 µm) und Ethanol hergestellt. Das bedeutet, dass die Aufschlämmung aus Rohmaterialien, die zur Bildung der Beschichtung 6 verwendet wird, dieselbe ist wie die Aufschlämmung aus Rohmaterialien, die zur Bildung der porösen Schutzschicht 4 verwendet wird, mit der Ausnahme, dass Erstere keine Aluminiumoxidfasern enthält. Die Beschichtung 6 hat verglichen mit der porösen Schutzschicht 4 eine dichte Struktur und fungiert somit als Verstärkung für die poröse Schutzschicht 4. Die Materialien der Beschichtung 6 können entsprechend der geplanten Verwendung beispielsweise zu den vorstehend genannten Materialien geändert werden.
Das in 13 gezeigte Verbundelement 810 (achte Ausführungsform) ist eine Variante des Verbundelements 710 (siehe 12). In dem Verbundelement 810 ist die Beschichtung 6 in einer Längsrichtung des Verbundelements 810 mit Unterbrechungen (teilweise) auf der Fläche der porösen Schutzschicht 4 angeordnet. Ist ein Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Beschichtung 6 und der porösen Schutzschicht 4 beispielsweise groß, ist es möglich, die Ablösung der Beschichtung 6 von der porösen Schutzschicht 4 durch Anordnen der Beschichtung 6 mit Unterbrechungen auf der Fläche der porösen Schutzschicht 4 zu reduzieren. Das Merkmal der Verbundelemente 710 und 810 (die auf der Fläche der porösen Schutzschicht angeordnete Beschichtung) kann auf die Verbundelemente 10, 10a bis 10c, 210, 310, 510 und 610 angewendet werden.
(Wärmeleitelement)
Mit Bezug auf 14 wird ein Verwendungsbeispiel der vorstehend beschriebenen Verbundelemente (als Wärmeleitelement 910) beschrieben. Es sollte angemerkt werden, dass das Wärmeleitelement 910 die Verbundelemente 610 (siehe 11) verwendet, wobei aber auch jedes der anderen vorstehend beschriebenen Verbundelemente anstelle des Verbundelements 610 verwendet werden kann. In dem Wärmeleitelement 910 ist eine poröse Schutzschicht 4 mit der gesamten hinteren Fläche des Metalls 2 verbunden und die andere poröse Schutzschicht 4 ist mit einem Zwischenabschnitt der vorderen Fläche des Metalls 2 (Abschnitt ohne Längsenden 2a) verbunden. Das bedeutet, dass die poröse Schutzschicht 4 auf der vorderen Fläche des Metalls 2 nicht mit den Enden 2a verbunden ist. Ein Wärmegenerator 20 bzw. ein Wärmeableiter 22 sind mit den Enden 2a verbunden. Vom Wärmegenerator 20 empfangene Wärme wandert durch das Metall 2 und wird dann am Wärmeableiter 22 (Kühlplatte) freigesetzt. Da die porösen Schutzschichten 4 mit der vorderen Fläche (dem Zwischenabschnitt) und der hinteren Fläche im Wärmeleitelement 910 verbunden sind, wird zwischen dem Wärmegenerator 20 und dem Wärmeableiter 22 Wärmestrahlung vom Metall 2 reduziert. Es ist daher möglich, die Einwirkung von Wärme auf Geräte zu reduzieren, die in einem Raum 30 in der Nähe der vorderen Fläche des Wärmeleitelements 910 und in einem Raum 32 in der Nähe der hinteren Fläche des Wärmeleitelements 910 positioniert sind.
(Experimentelles Beispiel)
Wie beschrieben wurde die poröse Schutzschicht durch Herstellen der Aufschlämmung aus Rohmaterialien, in der die Aluminiumoxidfasern, plattenförmige Aluminiumoxidpartikel, Titandioxidpartikel, Aluminiumoxidsol, Acrylharz und Ethanol gemischt sind, Eintauchen des Metalls in die Aufschlämmung aus Rohmaterialien und anschließendes Trocknen und Brennen davon hergestellt. In dem vorliegenden experimentellen Beispiel wurden die Anteile der Aluminiumoxidfasern, der plattenförmigen Aluminiumoxidpartikel und der Titandioxidpartikel variiert und die resultierenden porösen Schutzschichten wurden nach dem Brennen beobachtet, um zu sehen, wie Mengen der Aluminiumoxid- und Titandioxidbestandteile die Eigenschaften der porösen Schutzschicht beeinflussen.
Aufschlämmungen aus Rohmaterialien wurden insbesondere mit unterschiedlichen Anteilen der Aluminiumoxidfasern, plattenförmigen Aluminiumoxidpartikel, Titandioxidpartikel und Zirconiumdioxidpartikel, wie in 15 gezeigt, durch Mischen der Aluminiumoxidfasern, plattenförmigen Aluminiumoxidpartikel, Titandioxidpartikel und Zirconiumdioxidpartikel, sodass die Summe 100 Masse-% beträgt, ferner Zufügen des Aluminiumoxidsols mit 10 Masse-% (1,1 Masse-% in der Aluminiumoxidmenge) und Acrylharz mit 40 Masse-% in äußerem Prozentsatz, sowie Einstellen der Viskositäten in den Aufschlämmungen durch Ethanol hergestellt. Die plattenförmigen Aluminiumoxidpartikel wurden in der Probe 5 nicht verwendet und die Zirconiumdioxidpartikel wurden in den Proben den 1 bis 7 oder 13 nicht verwendet. Danach wurden die Aufschlämmungen aus Rohmaterialien für die Proben 1 bis 8, 11 und 12 auf SUS430-Platten aufgebracht und für die Proben 9 und 10 auf Kupferplatten. Die Aufschlämmungen wurden eine Stunde lang bei 200 °C in der atmosphärischen Umgebung getrocknet und dann drei Stunden lang bei 800 °C in der atmosphärischen Umgebung gebrannt. Für jede der Proben wurde die Anzahl an Malen der Auftragung der Aufschlämmung aus Rohmaterialien (die Anzahl der Male des Eintauchens der Metallplatte (SUS430-Platte oder Kupferplatte)) so eingestellt, dass eine poröse Schutzschicht mit etwa 1,2 mm auf der Metallplatte gebildet wurde.
Es sollte angemerkt werden, dass das vorliegende experimentelle Beispiel darauf abzielt, zu sehen, wie die Mengen des Aluminiumoxidbestandteils (die Aluminiumoxidfasern und die plattenförmigen Aluminiumoxidpartikel) und des Titandioxidbestandteils das Aussehen der porösen Schutzschichten beeinflussen (ob Risse, eine Ablösung und/oder dergleichen beobachtet werden oder nicht) und damit wurden Wärmeisolationseigenschaften der porösen Schutzschichten nicht beurteilt.
Es wurde das Aussehen der Proben nach dem Brennen beurteilt. Die Beurteilung des Aussehens erfolgte durch visuelles Prüfen auf Risse und/oder eine Ablösung. In 15 ist eine Probe, in der keine Risse und keine Ablösung beobachtet wurden, mit „◯“ dargestellt, eine Probe, in der Risse oder eine Ablösung beobachtet wurden, ist mit „△“ dargestellt und eine Probe, in der sowohl Risse als auch eine Ablösung beobachtet wurden, ist mit „×“ dargestellt.
Ferner wurden für jede der erzeugten Proben 1 bis 12 Anteile (Masse-%) des Aluminiumoxidbestandteils und des Titandioxidbestandteils in der porösen Schutzschicht, der Porositätsanteil (Volumen-%) der porösen Schutzschicht und Wärmeausdehnungskoeffizienten der porösen Schutzschicht und der Metallplatte gemessen. Für die Aluminiumoxid- und Titandioxidbestandteile wurden die Mengen an Aluminium und Titan mit einem ICP-Emissionsanalysator (hergestellt von Hitachi High-Tech Corporation, PS3520UV-DD) gemessen und diese Mengen wurden in Oxide (Al₂O₃, TiO₂) umgerechnet.
Jeder Porositätsanteil wurde mit der folgenden Formel (2) unter Verwendung eines Gesamtporenvolumens (cm³/g), gemessen mittels Quecksilberporosimeter nach JIS R1655 (Testverfahren für Porengrößenverteilung eines feinkeramischen Grünkörpers mittels Quecksilberporosimetrie), und einer scheinbaren Dichte (g/cm³), gemessen mit einem Densimeter vom Typ Gasverdrängung (hergestellt von Micromeritics Instrument Corp., AccuPyc 1330), berechnet. $\begin{array}{l} Porosit \ddot{a} tsanteil (%) = Gesamtporenvolumen / {(1 / scheinbare Dichte) + \\ Gesamtporenvolumen} \times 100 \end{array}$
Für die Messung von Wärmeausdehnungskoeffizienten wurden Messproben durch Formen der vorstehend erwähnten Aufschlämmungen aus Rohmaterialien zu Volumenkörpern von 3 mm × 4 mm × 20 mm und anschließendes Brennen der Volumenkörper bei 800 °C hergestellt. Danach wurden die Messproben unter Verwendung eines thermischen Dilatometers nach JIS R1618 (Messverfahren der Wärmeausdehnung von Feinkeramik durch thermomechanische Analyse) gemessen. Die porösen Schutzschichten und die Metallplatten wurden bei der Messung der Wärmeausdehnungskoeffizienten separat gemessen.
Die Wärmeleitfähigkeit wurde ferner für jede der porösen Schutzschichten der Proben 1 bis 4 und jede der Metallplatten der Proben 1 bis 12 gemessen. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit wurde für die porösen Schutzschichten und die Metallschichten separat vorgenommen. Jede Wärmeleitfähigkeit wurde durch Multiplizieren der Temperaturleitfähigkeit, spezifischen Wärmekapazität und Schüttdichte berechnet. Die Temperaturleitfähigkeit wurde mit einem Wärmekonstanten-Messgerät nach der Laser-Flash-Methode und die spezifische Wärmekapazität mit einem DSC (dynamisches Differenzkalorimeter) bei Raumtemperatur nach JIS R1611 (Messverfahren für Temperaturleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit für Feinkeramik nach der Flash-Methode) gemessen. Die Schüttdichte (g/cm³) jeder Metallplatte wurde durch Messen des Gewichts eines Volumenkörpers von φ10 mm × Dicke 1 mm und anschließendes Dividieren des Gewichts durch sein Volumen berechnet. Die Schüttdichte (g/cm³) jeder porösen Schutzschicht wurde mit der folgenden Formel (3) berechnet. Für die Temperaturleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität wurden Messproben für die Temperaturleitfähigkeit und Messproben für die spezifische Wärmekapazität hergestellt, indem die vorstehend genannten Aufschlämmungen aus Rohmaterialien zu Volumenkörpern von φ 10 mm × 1 mm Dicke bzw. Volumenkörpern von φ5 mm × 1 mm Dicke geformt, diese Volumenkörper dann bei 800 °C gebrannt und die Messproben gemessen wurden. Die Messergebnisse sind in 15 gezeigt. $\begin{array}{l} Sch \ddot{u} ttdichte der por \ddot{o} sen Schutzschicht = scheinbare Dichte \times (1 - \\ Porosit \ddot{a} tsanteil (%) / 100) \end{array}$
Wie in 15 gezeigt, wurden betreffend Proben 1 bis 10 nach dem Brennen weder Risse noch eine Ablösung ihrer porösen Schutzschichten beobachtet. In der Probe 11 wurden hingegen Risse beobachtet, obwohl keine Ablösung beobachtet wurde. Sowohl Risse als auch eine Ablösung wurden ferner in der Probe 12 beobachtet. Dieses Ergebnis zeigt an, dass durch eine kleine Menge des Aluminiumoxidbestandteils (die Aluminiumoxidfasern und die plattenförmigen Aluminiumoxidpartikel) (weniger als 15 Masse-%) oder des Titandioxidbestandteils (weniger als 45 Masse-%) in der porösen Schutzschicht eine Kraft während des Brennprozesses auf zwischen das Metall und die poröse Schutzschicht wirken kann, wodurch die Eigenschaften der porösen Schutzschicht verschlechtert werden. Es deutet insbesondere darauf hin, dass die Risse in der porösen Schutzschicht in der Probe 11 aufgetreten sind, weil die Bindungskraft zwischen den Keramiken (Partikel, Fasern) aufgrund des Anteils des Aluminiumoxidbestandteils von weniger als 15 Masse-% verringert war. Es deutet ferner daraufhin, dass die Risse in der porösen Schutzschicht in der Probe 12 aufgetreten sind, weil die Bindungskraft zwischen den Keramiken aufgrund des Anteils des Titandioxidbestandteils von weniger als 45 Masse-% verringert war. Die Probe 12 enthielt zusätzlich eine geringe Menge des Titandioxidbestandteils (Titandioxidpartikel), der einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ein geringes Wärmeausdehnungskoeffizientenverhältnis relativ zum Metall (α1/α2) aufweist (weniger als 0,5), was also darauf hindeutet, dass sich die poröse Schutzschicht aufgrund des Unterschieds in der Wärmeausdehnung zwischen dem Metall und der porösen Schutzschicht abgelöst hat. Wie oben wurde bestätigt, dass die porösen Schutzschichten, die 15 Masse-% oder mehr des Aluminiumoxidbestandteils und 45 Masse-% oder mehr des Titandioxidbestandteils umfassen, nach dem Brennen weniger wahrscheinlich eine Verschlechterung, wie Risse und eine Ablösung, erfahren.
Obwohl spezifische Beispiele der vorliegenden Offenbarung oben ausführlich beschrieben wurden, sind diese Beispiele lediglich veranschaulichend und schränken den Umfang der Patentansprüche nicht ein. Die in den Patentansprüchen beschriebene Technologie umfasst auch verschiedene Änderungen und Modifikationen an den oben beschriebenen spezifischen Beispielen. Die in der vorliegenden Beschreibung oder in den Zeichnungen erläuterten technischen Elemente bieten entweder unabhängig oder durch verschiedene Kombinationen einen technischen Nutzen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die zum Zeitpunkt der Einreichung der Patentansprüche beschriebenen Kombinationen beschränkt. Ferner ist der Zweck der durch die vorliegende Beschreibung oder die Zeichnungen illustrierten Beispiele, mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erfüllen, und die Erfüllung einer dieser Aufgaben verleiht der vorliegenden Offenbarung einen technischen Nutzen.

Claims

Verbundelement, umfassend eine anorganische poröse Schicht auf einer Fläche eines Metalls, wobei die anorganische poröse Schicht Keramikfasern umfasst und aus 15 Masse-% oder mehr eines Aluminiumoxidbestandteils und 45 Masse-% oder mehr eines Titandioxidbestandteils gebildet ist.
Verbundelement nach Anspruch 1, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Metalls 100 Mal oder mehr höher ist als die der anorganischen porösen Schicht.
Verbundelement nach Anspruch 2, wobei die Wärmeleitfähigkeit der anorganischen porösen Schicht im Bereich von 0,05 W/mK oder mehr bis 3 W/mK oder weniger liegt.
Verbundelement nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Metalls im Bereich von 10 W/mK oder mehr bis 400 W/mK oder weniger liegt.
Verbundelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verbundelement die folgende Formel (1) erfüllt, wobei α1 ein Wärmeausdehnungskoeffizient der anorganischen porösen Schicht ist und α2 ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls ist. $0,5 < α 1 / α 2 < 1,2$
Verbundelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die anorganische poröse Schicht plattenförmige Keramikpartikel umfasst.
Verbundelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die anorganische poröse Schicht granuläre Partikel umfasst, die im Bereich von 0,1 µm oder mehr bis 10 µm oder weniger liegen.
Verbundelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Dicke der anorganischen porösen Schicht 1 mm oder mehr beträgt.
Verbundelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Metall plattenförmig ist.
Verbundelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Metall röhrenförmig ist.
Verbundelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Metall linear ist.
Verbundelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner umfassend eine Beschichtung, die auf einer Fläche der anorganischen porösen Schicht angeordnet ist, die einer Fläche davon gegenüberliegt, auf der das Metall angeordnet ist.