DE112020006457T5

DE112020006457T5 - Keramikstruktur

Info

Publication number: DE112020006457T5
Application number: DE112020006457.3T
Authority: DE
Inventors: Kazuki Nukumizu; Hiroaki Nihommatsu; Takashi Itou
Original assignee: NGK Insulators Ltd; NGK Adrec Co Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd; NGK Adrec Co Ltd
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-11-03
Also published as: JP7164736B2; CN114845978B; CN114845978A; WO2021140775A1; JPWO2021140775A1

Abstract

Eine Keramikstruktur umfasst eine erste Gitterstruktur aus Keramik, die eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfasst, die sich in einer ersten Richtung senkrecht zu einer Dickenrichtung erstrecken; und eine zweite Gitterstruktur aus Keramik, die eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfasst, die sich in einer zweiten Richtung erstrecken, die senkrecht zur Dickenrichtung und eine andere als die erste Richtung ist. In dieser Keramikstruktur sind die erste Gitterstruktur und die zweite Gitterstruktur in der Dickenrichtung gestapelt.

Description

Technisches Gebiet
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-000554 , die am 6. Januar 2020 eingereicht wurde und deren Inhalte durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen sind. Die vorliegende Erfindung offenbart Techniken in Bezug auf Keramikstrukturen, insbesondere Keramikstrukturen mit Gitterstrukturen.
Stand der Technik
Die internationale Veröffentlichung Nr. WO2018/047784 (nachstehend als Patentdokument 1 bezeichnet) offenbart eine Keramikstruktur mit einer Gitterstruktur (Wabenstruktur). Die Keramikstruktur mit Gitterstruktur ist leichtgewichtig und hochfest.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
8 zeigt schematisch die Keramikstruktur aus Patentdokument 1. Wie in 8 dargestellt, umfasst eine Keramikstruktur 400 Trennwände 422, die sich in einer Richtung (Y-Richtung) zwischen einer vorderen Schicht 402 und einer hinteren Schicht 404 erstrecken. Die Gitterstruktur setzt sich aus der vorderen Schicht 402, der hinteren Schicht 404 und den Trennwänden 422 zusammen. Ferner ist eine Vielzahl von Durchgangslöchern 424, die sich in der Y-Richtung erstrecken, durch die vordere Schicht 402, die hintere Schicht 404 und die Trennwände 422 definiert. Die Keramikstruktur aus Patentdokument 1 ist ein einstückig geformter Gegenstand und wird durch Extrusion hergestellt. Die Keramikstruktur 400 hat durch die Durchgangslöcher 424 ein leichtes Gewicht. Die Keramikstruktur 400 ist durch die Gitterstruktur außerdem hochfest. Insbesondere ist die Keramikstruktur 400 in der Erstreckungsrichtung der Trennwände 422 (die Durchgangslöcher 424) (in Richtung der Y-Achse) und in einer Dickenrichtung senkrecht zu der vorderen Schicht 402 (der hinteren Schicht 404) (in Richtung der Z-Achse) hochfest. In Richtung der X-Achse (Richtung senkrecht zur Y-Achsenrichtung und zur Z-Achsenrichtung) ist die Keramikstruktur 400 jedoch relativ schwach, insbesondere relativ schwach gegenüber einer Scherkraft in der X-Achsenrichtung. Da die Keramikstruktur 400 in der spezifischen Richtung relativ schwach ist, ist ihre Vielseitigkeit beschränkt (mit wenigen Anwendungsmöglichkeiten). Die vorliegende Anmeldung soll Techniken bereitstellen, um Keramikstrukturen mit großer Vielseitigkeit herzustellen.
Lösung des technischen Problems
Eine in der vorliegenden Anmeldung offenbarte Keramikstruktur kann eine erste Gitterstruktur aus Keramik, die eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfasst, die sich in einer ersten Richtung senkrecht zu einer Dickenrichtung erstrecken; und eine zweite Gitterstruktur aus Keramik umfassen, die eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfasst, die sich in einer zweiten Richtung erstrecken, die senkrecht zur Dickenrichtung und eine andere als die erste Richtung ist. Die erste Gitterstruktur und die zweite Gitterstruktur können in der Dickenrichtung gestapelt sein.
Eine in der vorliegenden Anmeldung offenbarte Keramikstruktur kann eine einstückig geformte Keramikstruktur sein, bei der eine Vielzahl von Gitterstrukturen aus Keramik, die jeweils eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfassen, die sich in einer Richtung senkrecht zu einer Dickenrichtung erstrecken, in der Dickenrichtung gestapelt ist. In dieser Keramikstruktur können die Gitterstrukturen so gestapelt sein, dass sich ihre Durchgangslöcher in zwei oder mehr Richtungen erstrecken, die senkrecht zur Dickenrichtung sind.
Figurenliste

1 ist eine Perspektivansicht einer Keramikstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht einer Gitterstruktur;
3 zeigt eine Konzentrationsverteilung eines in einem Rahmen einer Gitterstruktur enthaltenen gewissen Elements;
4 ist ein erklärendes Diagramm der Positionsbeziehung zwischen ersten Durchgangslöchern und zweiten Durchgangslöchern;
5 ist eine Perspektivansicht einer Keramikstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6 ist ein erklärendes Diagramm der Positionsbeziehung zwischen ersten und dritten Durchgangslöchern;
7A ist eine Perspektivansicht einer Keramikstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform;
7B ist eine Perspektivansicht der Keramikstruktur gemäß der dritten Ausführungsform von einem anderen Winkel aus betrachtet als der Winkel aus 7A; und
8 ist ein erklärendes Diagramm der Merkmale einer herkömmlichen Gitterstruktur.

Beschreibung von Ausführungsformen
Eine in der vorliegenden Anmeldung offenbarte Keramikstruktur kann eine Vielzahl von Gitterstrukturen aus Keramik umfassen, die jeweils eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfassen, die sich in einer Richtung senkrecht zu einer Dickenrichtung erstrecken, und die Gitterstrukturen können in der Dickenrichtung gestapelt sein. Die Keramikstruktur kann ein einstückig geformter Gegenstand sein, in den die Gitterstrukturen integriert sind. Bei dem einstückig geformten Gegenstand handelt es sich um einen Gegenstand nach dem Brennen, in den Gitterstrukturen intergriert sind, der durch Brennen eines Gegenstands vor dem Brennen, in den die Gitterstrukturen integriert sind, hergestellt wird. Ferner können die Gitterstrukturen so gestapelt sein, dass sich ihre Durchgangslöcher in zwei oder mehr Richtungen erstrecken, die senkrecht zur Dickenrichtung sind. Das heißt, diese Keramikstruktur kann mindestens eine erste Gitterstruktur aus Keramik, die eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfasst, die sich in einer ersten Richtung senkrecht zur Dickenrichtung erstrecken; und eine zweite Gitterstruktur aus Keramik umfassen, die eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfasst, die sich in einer zweiten Richtung erstrecken, die senkrecht zur Dickenrichtung und eine andere als die erste Richtung ist. Die Keramikstruktur kann auch eine dritte Gitterstruktur aus Keramik, die Durchgangslöcher umfasst, die sich in einer dritten Richtung (dritte Richtung ≠ erste und zweite Richtung) erstrecken, eine vierte Gitterstruktur aus Keramik, die Durchgangslöcher umfasst, die sich in einer vierten Richtung (vierte Richtung ≠ erste, zweite und dritte Richtung) erstrecken, und/oder dergleichen umfassen.
Jede Gitterstruktur kann eine vordere Schicht, eine hintere Schicht und Trennwände umfassen, die die vordere Schicht mit der hinteren Schicht verbinden und sich in einer Richtung senkrecht zur Dickenrichtung erstrecken. Die Vielzahl von Durchgangslöchern kann durch die vordere Schicht, die hintere Schicht und die Trennwände definiert sein. Die vordere Schicht einer bestimmten Gitterstruktur kann auch als hintere Schicht einer Gitterstruktur dienen, die auf die bestimmte Gitterstruktur in der Dickenrichtung gestapelt ist. Das heißt, wenn die zweite Gitterstruktur auf die vordere Schicht der ersten Gitterstruktur gestapelt ist, kann die vordere Schicht der ersten Gitterstruktur auch die hintere Schicht der zweiten Gitterstruktur sein. Die vordere und die hintere Oberfläche der Keramikstruktur können flache Oberflächen sein.
In der oben beschriebenen Keramikstruktur erstrecken sich die Trennwände, die Wandflächen der Durchgangslöcher definieren, in zwei oder mehr Richtungen senkrecht zur Dickenrichtung. Wenn also eine Kraft auf eine bestimmte Gitterstruktur in einer Richtung aufgebracht wird, in der die bestimmte Gitterstruktur relativ schwach ist, kann eine andere Gitterstruktur die fehlende Festigkeit ausgleichen. Mit Fokus auf eine bestimmte Gitterstruktur ist diese bestimmte Gitterstruktur insbesondere gegenüber einer Kraft schwach, die in einer bestimmten Richtung darauf aufgebracht wird, die senkrecht zur Dickenrichtung und zur Erstreckungsrichtung ihrer Durchgangslöcher (die Trennwände) ist (die bestimmte Richtung wird nachstehend als laterale Richtung bezeichnet). In der oben beschriebenen Keramikstruktur widersteht jedoch eine auf die bestimmte Gitterstruktur gestapelte andere Gitterstruktur der in lateraler Richtung aufgebrachten Kraft, was die Festigkeits-Balance in einer Oberflächenrichtung der Keramikstruktur verbessert. Somit kann die oben beschriebene Keramikstruktur das Problem lösen, dass die herkömmlichen Keramikstrukturen „gegenüber einer in einer bestimmten Richtung aufgebrachten Kraft schwach sind“, und kann in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Das heißt, die oben beschriebene Keramikstruktur ist vielseitig einsetzbar.
Gitterstrukturen mit Durchgangslöchern, die sich in dieselbe Richtung erstrecken, können in der Dickenrichtung aufeinanderfolgend aufeinander gestapelt werden. Beispielsweise können erste Gitterstrukturen, die jeweils Durchgangslöcher umfassen, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, in der Dickenrichtung aufeinanderfolgend aufeinander gestapelt werden. Das heißt, die Gitterstrukturen können in beliebiger Reihenfolge gestapelt werden, solange sie so gestapelt werden, dass sich ihre Durchgangslöcher in mindestens zwei Richtungen aus Richtungen senkrecht zur Dickenrichtung erstrecken. Hinsichtlich des Ausgleichs der fehlenden Festigkeit in der lateralen Richtung in einer bestimmten Gitterstruktur ist es jedoch bevorzugt, dass andere Gitterstrukturen, deren Durchgangslöcher sich in einer anderen Richtung als der Richtung der Durchgangslöcher der bestimmten Gitterstruktur erstrecken, auf beiden Seiten der bestimmten Gitterstruktur gestapelt werden. Das heißt, vorzugsweise werden zweite Gitterstrukturen, deren Durchgangslöcher sich in einer zweiten Richtung erstrecken, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, auf beiden Seiten der ersten Gitterstruktur mit den sich in der ersten Richtung erstreckenden Durchgangslöchern gestapelt.
Wie beschrieben umfasst die Keramikstruktur die Durchgangslöcher, die sich in mindestens zwei Richtungen (erste Richtung und zweite Richtung) erstrecken. Die Tatsache, dass die erste und die zweite Richtung nicht parallel zueinander sind, verbessert die Festigkeits-Balance der Keramikstruktur in der Oberflächenrichtung. Wenn beispielsweise ein Winkel (spitzer Winkel) zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung 10 Grad oder mehr und 90 Grad oder weniger beträgt, gleichen die erste Gitterstruktur und die zweite Gitterstruktur die fehlende Festigkeit voneinander aus und die Festigkeits-Balance in der Oberflächenrichtung kann somit günstigerweise verbessert werden. Insbesondere wenn der Winkel (spitzer Winkel) zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung 80 Grad oder mehr und 90 Grad oder weniger beträgt, das heißt, wenn die erste Richtung und die zweite Richtung fast senkrecht zueinander sind, kann die Festigkeits-Balance in der Oberflächenrichtung noch günstiger verbessert werden.
Wenn eine Keramikstruktur Durchgangslöcher umfasst, die sich in drei oder mehr unterschiedliche Richtungen erstrecken, können zwei beliebige dieser Richtungen die obige Beziehung erfüllen. Zum Beispiel kann eine Keramikstruktur, die eine erste Gitterstruktur mit ersten Durchgangslöchern, die sich in einer ersten Richtung erstrecken; eine zweite Gitterstruktur mit Durchgangslöchern, die sich in einer zweiten Richtung (≠ erste Richtung) erstrecken; und eine dritte Gitterstruktur mit Durchgangslöchern, die sich in einer dritten Richtung (≠ erste und zweite Richtung) erstrecken, umfasst, die nachstehenden Formeln (1) und (2) erfüllen, wobei θ1 ein Winkel zwischen der ersten Richtung und der dritten Richtung ist, θ2 ein Winkel zwischen der zweiten Richtung und der dritten Richtung ist und θ3 ein Winkel zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung ist. Das Erfüllen der nachstehenden Formeln (1) und (2) bedeutet, dass zumindest der Winkel θ3 zwischen den ersten Durchgangslöchern und den zweiten Durchgangslöchern (zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung) 60 Grad oder mehr beträgt, was zum Ausgleich der fehlenden Festigkeit voneinander in der lateralen Richtung führt. $50 Grad \leq θ 1, θ 2 \leq 70 Grad$
$θ 1 + θ 2 + θ 3 = 180 Grad$
Die Gitterstrukturen der Keramikstruktur können aus demselben Material bestehen. Beispielsweise kann das Material der Gitterstrukturen ein SiC-haltiges Material, ein mulltihaltiges Material, ein ZrO₂-haltiges Material oder ein Si-SiC-haltiges Material sein. Hier ist mit „Si-SiC-haltiges Material“ ein Material gemeint, dass SiC-Partikel als seinen Hauptbestandteil enthält und in dem das Metall Si zwischen den SiC-Partikeln vorhanden ist. Die aus dem Si-SiC-haltigen Material bestehenden Gitterstrukturen reduzieren eine offene Porosität in einem Oberflächenschichtabschnitt eines Rahmens jeder Gitterstruktur und verbessern somit die Festigkeit der Gitterstrukturen. Die offene Porosität im Rahmen jeder Gitterstruktur kann beispielsweise weniger als 5 %, 3 % oder weniger oder vorzugsweise 1 % oder weniger, betragen. Die Rahmen der Gitterstrukturen haben möglicherweise im Wesentlichen keine Poren. Die Porosität in den Rahmen von weniger als 5 % verbessert die Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit der Rahmen weiter. Die offene Porosität im Rahmen jeder Gitterstruktur kann gemäß JISR 1655 (Testverfahren für Porengrößenverteilung von Feinkeramik-Grünkörpern durch Quecksilberporosimetrie) gemessen werden.
Wie beschrieben erstrecken sich die Durchgangslöcher der Gitterstrukturen in zwei oder mehr Richtungen senkrecht zur Dickenrichtung, auch wenn die in der vorliegenden Anmeldung offenbarte Keramikstruktur ein einstückig geformter Gegenstand mit integrierten Gitterstrukturen ist. Eine solche Keramikstruktur kann hergestellt werden, indem beispielsweise ein brennbares Material in eine beabsichtigte Form gebracht wird, dieses Material mit einem Keramikmaterial (Keramikschlicker) imprägniert wird, um ein Zwischenprodukt herzustellen, und dieses Zwischenprodukt dann gebrannt wird. Zu Beispielen für das brennbare Material zählen beispielsweise Papier, Stoff und Harz. Abhängig von dem verwendeten brennbaren Material neigt/neigen (eine) Komponente/n eines porösen Materials dazu, innerhalb der Rahmen zu verbleiben, im Gegensatz zu den Oberflächenschichtabschnitten der Rahmen der Gitterstrukturen. Somit kann mindestens ein Element von Kohlenstoff und Calcium (Elemente, die typischerweise in einem brennbaren porösen Material enthalten sind) in einer größeren Menge in den Rahmen als in den Oberflächenschichtabschnitten der Rahmen der Gitterstrukturen enthalten sein. Wenn die Keramikstruktur (Gitterstrukturen) beispielsweise aus dem Si-SiC-haltigen Material besteht, besteht der Großteil der Oberflächenschichtabschnitte der Rahmen aus SiC (mehr als 50 Gew.-% des Ganzen) und der Rest besteht aus dem Metall Si, während der Großteil der Rahmen aus dem Metall Si besteht und der Rest aus Kohlenstoff und/oder Calcium.
Wie beschrieben sind in der in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Keramikstruktur die Gitterstrukturen, die jeweils eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfassen, in der Dickenrichtung gestapelt. Dadurch kann die Keramikstruktur ein geringes Gewicht aufweisen und die Wärmedämmung in der Dickenrichtung kann verbessert werden (die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Vorder- und Rückfläche reduziert werden). Da die Gitterstrukturen so gestapelt sind, dass sich ihre Durchgangslöcher in einer Vielzahl von Richtungen erstrecken, kann ferner die Festigkeits-Balance in der Oberflächenrichtung verbessert werden. Wenn man sich diese Eigenschaften zunutze macht, kann die Keramikstruktur hervorragend als Wärmedämmelement (oder eine Komponente eines Wärmedämmelements) verwendet werden. Wenn man sich die Eigenschaft zunutze macht, dass die Keramikstruktur ein einstückig geformter Gegenstand ist, sich die Durchgangslöcher aber in einer Vielzahl von Richtungen erstrecken, kann die Keramikstruktur ferner auch hervorragend als Wärmetauschelement eines Wärmetauschers verwendet werden. Wenn die Keramikstruktur als Wärmetauschelement verwendet wird, werden die Durchgangslöcher der ersten Gitterstruktur als Strömungswege für ein erstes Wärmemedium und die Durchgangslöcher der zweiten Gitterstruktur als Strömungswege für ein zweites Wärmemedium verwendet, um einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Wärmemedium und dem zweiten Wärmemedium zuzulassen. Wenn die Keramikstruktur als Wärmetauschelement verwendet wird, ist das Material der Keramikstruktur vorzugsweise ein SiC-haltiges Material oder ein Si-SiC-haltiges Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Mit Bezug auf 1 bis 4 wird eine Keramikstruktur 100 beschrieben. Auch wenn die in 1 dargestellte Keramikstruktur 100 im Wesentlichen würfelförmig ist, kann die Keramikstruktur 100 eine flache Plattenform aufweisen, bei der die Größe einer Vorderfläche 2 und einer Rückfläche 4 (die Länge in Richtung der X-Achse und die Länge in Richtung der Y-Achse) wesentlich größer ist als eine Dicke (die Länge in Richtung der Z-Achse).
Wie in 1 dargestellt, umfasst die Keramikstruktur 100 erste Gitterstrukturen 10 und zweite Gitterstrukturen 20. Die ersten Gitterstrukturen 10 und die zweiten Gitterstrukturen 20 sind abwechselnd in einer Dickenrichtung (Richtung der Z-Achse) gestapelt. Das heißt, dass - abgesehen von den an den Enden in der Dickenrichtung positionierten Gitterstrukturen - die zweiten Gitterstrukturen 20 auf beiden Seiten jeder ersten Gitterstruktur 10 gestapelt sind und die ersten Gitterstrukturen 10 auf beiden Seiten jeder zweiten Gitterstruktur 20 gestapelt sind. Die ersten Gitterstrukturen 10 und die zweiten Gitterstrukturen 20 haben im Wesentlichen dieselbe Struktur, mit Ausnahme der Erstreckungsrichtungen ihrer Durchgangslöcher. Die ersten Gitterstrukturen 10 umfassen jeweils eine Vielzahl von ersten Durchgangslöchern 14, die sich in Richtung der Y-Achse (ein Beispiel für die erste Richtung) erstrecken. Die ersten Durchgangslöcher 14 sind durch eine vordere Schicht, eine hintere Schicht und Trennwände 12, die zwischen der vorderen Schicht und der hinteren Schicht jeder ersten Gitterstruktur 10 liegen, definiert. Die zweiten Gitterstrukturen 20 umfassen jeweils eine Vielzahl von zweiten Durchgangslöchern 24, die sich in Richtung der X-Achse (ein Beispiel für die zweite Richtung) senkrecht zur Richtung der Y-Achse und der Richtung der Z-Achse erstrecken. Die zweiten Durchgangslöcher 24 sind durch eine vordere Schicht, eine hintere Schicht und Trennwände 22, die zwischen der vorderen Schicht und der hinteren Schicht jeder zweiten Gitterstruktur 20 liegen, definiert.
Wie in 2 dargestellt, wird in jeder Gitterstruktur 10, 20 die Vielzahl von Durchgangslöchern 14 (24) durch die Trennwände 12, 22 gebildet, die mit einer vorderen Schicht 16 und einer hinteren Schicht 18 verbunden sind. Wie beschrieben haben die ersten Gitterstrukturen 10 und die zweiten Gitterstrukturen 20 im Wesentlichen dieselbe Struktur, daher wird nachstehend eine erste Gitterstruktur 10 beschrieben. Die Trennwände 12 sind mit der vorderen Schicht 16 und der hinteren Schicht 18 gekippt verbunden, wodurch eine Gitterstruktur (die erste Gitterstruktur 10) entsteht Die vordere Schicht 16, die hintere Schicht 18 und die Trennwände 12 sind einstückig geformt und zwischen der vorderen Schicht 16 und den Trennwänden 12 sowie zwischen der hinteren Schicht 18 und den Trennwänden 12 gibt es keine erkennbaren Grenzen. Auch zwischen der vorderen Schicht 16 der ersten Gitterstruktur 10 und der hinteren Schicht 18 der zweiten Gitterstruktur 20 sowie zwischen der hinteren Schicht 18 der ersten Gitterstruktur 10 und der vorderen Schicht 16 der zweiten Gitterstruktur 20 gibt es keine erkennbaren Grenzen. Das heißt, die in 1 dargestellte Keramikstruktur 100 ist ein einstückig geformter Gegenstand, in den die ersten Gitterstrukturen 10 und die zweiten Gitterstrukturen 20 integriert sind. Wenn die in 2 dargestellte Gitterstruktur 10, 20 an der vordersten Schicht (am Ende der Richtung der +Z-Achse) der Keramikstruktur 100 positioniert ist, ist die vordere Schicht 16 die Vorderfläche 2 der Keramikstruktur 100. Ebenso ist, wenn die in 2 dargestellte Gitterstruktur 10, 20 an der hintersten Schicht (am Ende der Richtung der -Z-Achse) der Keramikstruktur 100 positioniert ist, die hintere Schicht 18 die Hinterfläche 4 der Keramikstruktur 100.
Die Keramikstruktur 100 wird durch Imprägnieren eines brennbaren Grundmaterials, wie Papier, mit SiC-Schlicker zur Bildung eines Zwischenprodukts und anschließendes Brennen des Zwischenprodukts in Kontakt mit dem Metall Si hergestellt. Ein Großteil des Oberflächenabschnitts eines Rahmens (die vorderen Schichten 16, die hinteren Schichten 18, die Trennwände 12) der Keramikstruktur 100 bestehen somit aus SiC und der Rest aus Si. Der Großteil innerhalb des Rahmens besteht aus dem Metall Si und der Rest aus (einem) Element/en, das/die in dem Grundmaterial enthalten ist/sind (Kohlenstoff und/oder Calcium). Eine Oberfläche des Rahmens hat eine offene Porosität von 1 % oder weniger.
3 zeigt eine Konzentrationsverteilung einer in dem Rahmen der Keramikstruktur 100 enthaltenen Komponente des Grundmaterials. Die Abszisse des Diagramms stellt die Dicke des Rahmens (z. B. eine Dicke 31 der vorderen Schicht 16, eine Dicke 32 der in 2 dargestellten Trennwände 12) im Abstand (%) von einem Ende zum anderen Ende dar. Die Ordinate stellt den Anteil eines Elements (C, Ca) dar, das aus dem Grundmaterial stammt. Wie in 3 dargestellt, sind „C“ und „Ca“ im Oberflächenabschnitt des Rahmens kaum enthalten. „C“ und „Ca“ beginnen in einer gewissen Tiefe von der Oberfläche des Rahmens vorzukommen und nehmen zur Mitte des Rahmens hin zu.
(Modifikation der Keramikstruktur 100)
Wie in 1 dargestellt, erstrecken sich in der Keramikstruktur 100 die ersten Durchgangslöcher 14 in Richtung der Y-Achse und die zweiten Durchgangslöcher 24 in Richtung der X-Achse. Das heißt, in der Keramikstruktur 100 beträgt ein Winkel zwischen der Erstreckungsrichtung der ersten Durchgangslöcher 14 (erste Richtung) und der Erstreckungsrichtung der zweiten Durchgangslöcher (zweite Richtung) 90 Grad. Der Winkel zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung beträgt jedoch möglicherweise nicht 90 Grad. Wie in 4 dargestellt, können die ersten Gitterstrukturen 10 und die zweiten Gitterstrukturen 20 einen Festigkeitsverlust voneinander ausgleichen, solange ein Winkel der zweiten Richtung (Erstreckungsrichtung der zweiten Durchgangslöcher 24) in Bezug auf die erste Richtung (Erstreckungsrichtung der ersten Durchgangslöcher 14) in einem Bereich α1 von 10 Grad oder mehr bis 90 Grad oder weniger liegt. Wenn der Winkel der zweiten Richtung in Bezug auf die erste Richtung in einem Bereich α2 von 80 Grad oder mehr und 90 Grad oder weniger liegt (d. h. im Wesentlich ein rechter Winkel ist), ist der Effekt des Festigkeitsausgleichs der ersten Gitterstrukturen 10 und der zweiten Gitterstrukturen 20 maximiert.
In der Keramikstruktur 100 können Gitterstrukturen mit Durchgangslöchern, die sich in dieselbe Richtung erstrecken, in der Dickenrichtung aufeinanderfolgend aufeinander gestapelt werden. Das heißt, zwei oder mehr erste Gitterstrukturen 10 (oder zweite Gitterstrukturen 20) können in der Dickenrichtung aufeinanderfolgend aufeinander gestapelt werden. In diesem Fall können sich die aufeinanderfolgend aufeinander gestapelten ersten Gitterstrukturen 10 (oder zweiten Gitterstrukturen 20) in der Dicke und/oder der Größe der Durchgangslöcher unterscheiden.
Zweite Ausführungsform
Mit Bezug auf 5 wird eine Keramikstruktur 200 beschrieben. Die Keramikstruktur 200 ist eine Modifikation der Keramikstruktur 100 und weist eine zwischen einer ersten Gitterstruktur 10 und einer zweiten Gitterstruktur 20 liegende dritte Gitterstruktur 30 auf. Für die Keramikstruktur 200 haben dieselben Elemente wie von der Keramikstruktur 100 dieselben Bezugszeichen wie jene, die für die Elemente der Keramikstruktur 100 verwendet werden, und die Beschreibung dieser Elemente kann entfallen.
Die dritte Gitterstruktur 30 umfasst eine Vielzahl von dritten Durchgangslöchern 34, die sich in einer dritten Richtung erstrecken. Die Erstreckungsrichtung der dritten Durchgangslöcher 34 (dritte Richtung) unterscheidet sich von der Erstreckungsrichtung der ersten Durchgangslöcher 14 (erste Richtung: die Y-Achsenrichtung) und der Erstreckungsrichtung der zweiten Durchgangslöcher 24 (zweite Richtung: die X-Achsenrichtung). In der Keramikstruktur 200 beträgt ein Winkel zwischen den dritten Durchgangslöchern 34 und den ersten Durchgangslöchern 14 45 Grad und ein Winkel zwischen den dritten Durchgangslöchern 34 und den zweiten Durchgangslöchern 24 beträgt ebenfalls 45 Grad.
(Modifikation der zweiten Ausführungsform)
In der Keramikstruktur 200 kann die Stapelreihenfolge der Gitterstrukturen 10, 20, 30 anders sein. Wie in der Keramikstruktur 100 können in der Keramikstruktur 200 Gitterstrukturen mit Durchgangslöchern, die sich in dieselbe Richtung erstrecken, in der Dickenrichtung aufeinanderfolgend aufeinander gestapelt werden. Beispielsweise können die ersten Gitterstrukturen 10 in der Dickenrichtung aufeinanderfolgend aufeinander gestapelt werden. In diesem Fall können sich die aufeinanderfolgend aufeinander gestapelten Gitterstrukturen 10 in der Dicke und/oder der Größe der Durchgangslöcher unterscheiden.
In der Keramikstruktur 200 können auch die Erstreckungsrichtung der ersten Durchgangslöcher 14 (erste Richtung), die Erstreckungsrichtung der zweiten Durchgangslöcher 24 (zweite Richtung) und die Erstreckungsrichtung der dritten Durchgangslöcher 34 (dritte Richtung) anders sein. Diese Richtungen werden so eingestellt, dass die Summe der Winkel (θ1 + θ2 + θ3) 180 Grad ergibt, wobei θ1 ein Winkel zwischen der ersten Richtung und der dritten Richtung ist, θ2 ein Winkel zwischen der zweiten Richtung und der dritten Richtung ist und θ3 ein Winkel zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung ist. Ferner wird, wie in 6 dargestellt, der Winkel θ1 auf 50 Grad oder weniger und der Winkel θ2 auf 70 Grad oder weniger eingestellt. Der Winkel θ3 wird auf 60 Grad oder mehr eingestellt. Das heißt, die Erstreckungsrichtungen der Durchgangslöcher 14, 24 und 34 werden so eingestellt, dass die nachstehenden Formeln (1) und (2) erfüllt sind Das Erfüllen der Formeln (1) und (2) bedeutet, dass zumindest der Winkel θ3 auf 60 Grad oder mehr eingestellt wird und die Gitterstrukturen 10, 20, 30 somit die fehlende Festigkeit voneinander ausgleichen können. $50 Grad \leq θ 1, θ 2 \leq 70 Grad$
$θ 1 + θ 2 + θ 3 = 180 Grad$
Dritte Ausführungsform
Mit Bezug auf 7A und 7B wird eine Keramikstruktur 300 beschrieben. 7B zeigt eine perspektivische Ansicht (mit einer Oberfläche 50), die von der gegenüberliegenden Seite der in 7A dargestellten Seite betrachtet wird. Die Keramikstruktur 300 ist eine Modifikation der Keramikstrukturen 100, 200 und weist wie die Keramikstruktur 200 eine zwischen einer ersten Gitterstruktur 310 und einer zweiten Gitterstruktur 320 liegende dritte Gitterstruktur 330 auf. Für die Keramikstruktur 300 haben dieselben Elemente wie von den Keramikstrukturen 100, 200 dieselben Bezugszeichen mit denselben zwei letzten Stellen wie jene der Bezugszeichen für die Elemente der Keramikstrukturen 100, 200 und die Beschreibung dieser Elemente kann entfallen.
In der Keramikstruktur 300 ist die Form einer Vorderfläche 302 und einer Rückfläche 304 ein gleichseitiges Dreieck. Die Keramikstruktur 300 umfasst Gitterstrukturen 310, 320, 330, deren Durchgangslöcher sich in unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Ein Winkel zwischen der Erstreckungsrichtung der Durchgangslöcher 14 der ersten Gitterstruktur 310 (erste Richtung) und der Erstreckungsrichtung der Durchgangslöcher 24 der zweiten Gitterstruktur 320 (zweite Richtung) beträgt 60 Grad. Ein Winkel zwischen der Erstreckungsrichtung der Durchgangslöcher 14 der ersten Gitterstruktur 310 (erste Richtung) und der Erstreckungsrichtung der Durchgangslöcher 34 der dritten Gitterstruktur 330 (dritte Richtung) beträgt ebenfalls 60 Grad. Ein Winkel zwischen der zweiten Richtung und der dritten Richtung beträgt somit ebenfalls 60 Grad. Die Keramikstruktur 300 erfüllt die obige Formel (2). In der Keramikstruktur 300 können die Durchgangslöcher senkrecht zu Seitenflächen der Keramikstruktur 300 angeordnet sein. Wenn die Keramikstruktur 300 beispielsweise als Wärmetauschelement verwendet wird, in dem ein Fluid (Wärmemedium) durch die Durchgangslöcher strömt, kann somit der Übergangswiderstand des Fluids reduziert werden.
Während spezifische Beispiele der vorliegenden Offenbarung oben im Detail beschrieben wurden, sind diese Beispiele lediglich illustrativ 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 den Zeichnungen erläuterten technischen Elemente bieten entweder unabhängig voneinander oder durch verschiedene Kombinationen einen technischen Nutzen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die zum Zeitpunkt der Anmeldung der Patentansprüche beschriebenen Kombinationen beschränkt. Außerdem sollen die in der vorliegenden Beschreibung oder den Zeichnungen dargestellten Beispiele mehrere Ziele gleichzeitig erfüllen, und die Erfüllung eines dieser Ziele verleiht der vorliegenden Offenbarung technischen Nutzen.
Bezugszeichenliste

10: Erste Gitterstruktur

14: Durchgangslöcher der ersten Gitterstruktur
20: Zweite Gitterstruktur
24: Durchgangslöcher der zweiten Gitterstruktur
100: Keramikstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2020000554 [0001]
WO 2018/047784 [0002]

Claims

Keramikstruktur, umfassend: eine erste Gitterstruktur aus Keramik, wobei die erste Gitterstruktur eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfasst, die sich in einer ersten Richtung senkrecht zu einer Dickenrichtung erstrecken, und eine zweite Gitterstruktur aus Keramik, wobei die zweite Gitterstruktur eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfasst, die sich in einer zweiten Richtung erstrecken, die senkrecht zur Dickenrichtung und eine andere als die erste Richtung ist, wobei die Keramikstruktur ein einstückig geformter Gegenstand ist, in dem die erste Gitterstruktur und die zweite Gitterstruktur in der Dickenrichtung gestapelt sind.
Keramikstruktur nach Anspruch 1, wobei die zweiten Gitterstrukturen auf beiden Seiten der ersten Gitterstruktur in der Dickenrichtung gestapelt sind.
Keramikstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Winkel zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung 10 Grad oder mehr und 90 Grad oder weniger beträgt.
Keramikstruktur nach Anspruch 3, wobei der Winkel zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung 80 Grad oder mehr und 90 Grad oder weniger beträgt.
Keramikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Material der ersten Gitterstruktur und der zweiten Gitterstruktur ein Si-SiC-haltiges Material ist, wobei SiC-Partikel ein Hauptbestandteil sind und das Metall Si zwischen den SiC-Partikeln vorhanden ist.
Keramikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Oberflächenschichtabschnitt eines Rahmens der ersten Gitterstruktur eine offene Porosität von 5 % oder weniger aufweist, und ein Oberflächenschichtabschnitt eines Rahmens der zweiten Gitterstruktur eine offene Porosität von 5 % oder weniger aufweist.
Keramikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend: eine dritte Gitterstruktur aus Keramik, wobei die dritte Gitterstruktur eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfasst, die sich in einer dritten Richtung erstrecken, die senkrecht zur Dickenrichtung und eine andere als die erste und die zweite Richtung ist, und wobei die nachstehenden Formeln (1) und (2) erfüllt sind, wobei θ1 ein Winkel zwischen der ersten Richtung und der dritten Richtung ist, θ2 ein Winkel zwischen der zweiten Richtung und der dritten Richtung ist und θ3 ein Winkel zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung ist: $50 Grad \leq θ 1 oder θ 2 \leq 70 Grad$
$θ 1 + θ 2 + θ 3 = 180 Grad$
Keramikstruktur, umfassend: eine Vielzahl von Gitterstrukturen aus Keramik, wobei die Gitterstrukturen jeweils eine Vielzahl von Durchgangslöchern umfassen, die sich in einer Richtung senkrecht zu einer Dickenrichtung erstrecken, wobei die Keramikstruktur ein einstückig geformter Gegenstand ist, die Gitterstrukturen in der Dickenrichtung gestapelt sind, und die Gitterstrukturen so gestapelt sind, dass sich die Durchgangslöcher in zwei oder mehr Richtungen erstrecken, die senkrecht zur Dickenrichtung sind.
Wärmetauschelement, umfassend: die Keramikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Durchgangslöcher der ersten Gitterstruktur Strömungswege für ein erstes Wärmemedium sind, und die Durchgangslöcher der zweiten Gitterstruktur Strömungswege für ein zweites Wärmemedium sind.
Wärmedämmelement, umfassend die Keramikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8.