DE3835807A1

DE3835807A1 - Keramikschaum

Info

Publication number: DE3835807A1
Application number: DE19883835807
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kuroki; Kozi Sano; Takeshi Terasaki; Yoshiro Aiba
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1987-10-21
Filing date: 1988-10-21
Publication date: 1989-05-03
Also published as: JPH01108177A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Keramikschaum, der eine dreidimensionale netzförmige Skelettstruktur besitzt, die aus einer Vielzahl von keramischen Strängen bzw. Stützelementen gebildet ist.

Herkömmliche Keramikschäume wurden als Filter, um nichtmetallische Einschlüsse in geschmolzenem Metall zu entfernen, als Heizelement für einen Brenner oder als Filter für die Abgasbehandlung bei Automobilen benutzt. Solche Keramikschäume sind aus Al₂O₃-, Al₂O₃-ZrO₂- oder (MgO)₂(Al₂O₃)₂-(SiO) (Cordierit)-Keramiken hergestellt, wie es beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 61-1 41 682 gezeigt ist.

Wenn die herkömmlichen Keramikschäume eine größere mechanische Festigkeit benötigen, müssen sie eine Vielzahl von dickeren Strängen als Skelett besitzen. Als Folge davon steigt die Rohrdichte des Keramikschaumes an, während die Permeabilität davon absinkt.

Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Keramikschaum zur Verfügung zu stellen, der eine größere mechanische Festigkeit besitzt, ohne daß davon die Permeabilität beeinflußt wird.

Nach der vorliegenden Erfindung sind die Stränge selbst fest. Dadurch kann die mechanische Festigkeit des Keramikschaums gesteigert werden, ohne die Dicke der Stränge zu erhöhen oder die Permeabilität des Schaums zu vermindern.

Nach der vorliegenden Erfindung besitzt ein Keramikschaum eine dreidimensionale netzförmige Skelettstruktur, die eine Vielzahl von Strängen enthält, welche alle aus einem Hauptbestandteil aus Si₃N₄ und mindestens einem Sinter-Hilfsbestandteil aus Al₂O₃, Y₂O₃, SiO₂, TiO₂, MgO, ZrO₂ oder Cr₂O₃ gebildet sind.

Der Gehalt jedes Sinter-Hilfsbestandteils beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 Gew.-% und 10 Gew.-%. Der Gesamtgehalt des Sinter-Hilfsbestandteils oder der Sinter-Hilfsbestandteile beträgt zwischen 0,1 Gew.-% und 20 Gew.-%. Wenn die Menge an Sinter-Hilfsbestandteil oder -bestandteilen kleiner als 0,1 Gew.-% ist, kann eine wirksame flüssige Phase für den Sinterhilfsvorgang im Si₃N₄ nicht gebildet werden. Auf der anderen Seite kann, wenn ein Gehalt an einem Sinter-Hilfsbestandteil mehr als 10 Gew.-% beträgt oder wenn der Gesamtgehalt der Sinter-Hilfsbestandteile mehr als 20 Gew.-% beträgt, leicht eine überschüssige flüssige Phase gebildet werden, und die mechanische Festigkeit nimmt aufgrund eines verminderten Schmelzpunktes ab.

Besonders vorteilhaft beträgt der Gehalt jedes Sinter-Hilfsbestandteils zwischen 2 Gew.-% und 5 Gew.-% und der Gesamtgehalt der Sinter-Hilfsbestandteile zwischen 2 Gew.-% und 10 Gew.-%.

Besonders vorteilhafte Ergebnisse können erreicht werden, wenn die Sinter-Hilfsbestandteile Al₂O₃ und Y₂O₃ enthalten.

Vorzugsweise besitzen alle Bestandteile eine durchschnittliche Teilchengröße von 4 Mikrometern (µm) oder weniger.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Dabei können die Merkmale für sich allein oder auch in Kombination miteinander verwirklicht sein.

Im folgenden wird auf die Fig. 1 bis 3 sowie auf die Tabellen 1A und 1b Bezug genommen.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Vorrichtung zum Brennen oder Sintern eines Keramikschaums nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Rohdichte und Druckfestigkeit einer Vergleichsprobe und einer Probe nach der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Druckverlust und Druckfestigkeit einer Vergleichsprobe und einer Probe nach der vorliegenden Erfindung zeigt.

Die Tabellen 1a und 1b zeigen die Zusammensetzungen und die Eigenschaften von Ausführungen nach der Erfindung sowie von Vergleichsproben.

Wie in den Tabellen 1a und 1b gezeigt ist, wird ein Hauptbestandteil aus Si₃N₄ und ein Sinter-Hilfsbestandteil oder Sinter-Hilfsbestandteile aus Al₂O₃, Y₂O₃, SiO₂, TiO₂, MgO, ZrO₂ oder Cr₂O₃ vermischt, so daß 16 Proben (Nr. 1 bis Nr. 16) hergestellt werden. Jede der Proben wird in einem Topf naßvermischt und dann in der Teilchengröße so vermindert, daß eine durchschnittliche Teilchengröße von 4 Mikrometern (µm) oder weniger vorliegt.

Nach der Verminderung der Teilchengröße werden die Proben getrocknet und dann alle Agglomerate, die während des Trocknens entstanden sind, zerkleinert. Danach wird in jede der Proben ein organischer Binder, ein Entflockungsmittel, ein Entschäumungsmittel und Wasser zugegeben. Die Proben werden anschließend in einem Kunststofftopf während eines Zeitraumes von 5 bis 20 Stunden naßvermischt, so daß sie eine Viskosität von 5 bis 60 Poise besitzen. Dabei kann eine Aufschlämmung mit einem eingestellten Wassergehalt erhalten werden.

Ein geeigneter organischer Binder ist beispielsweise ein Acrylharz. Ein Beispiel für ein geeignetes Entflockungsmittel ist das Ammoniumsalz einer Polycarbonsäure. Beispiele für geeignete Entschäumungsmittel sind Fette oder Öle oder Kieselerde-Silicium.

Ein offenzelliger Polyurethan-Schaum, der eine dreidimensional-netzförmige Skelettstruktur besitzt, wird in Form eines rechteckigen Parallelepipeds geschnitten, um ein Basismaterial 1 herzustellen. Die Aufschlämmung wird wiederholt auf das Basismaterial 1 aufgebracht und getrocknet, bis die Rohdichte 0,7 und der Druckverlust durch den Schaum hindurch 2,7 mm WS (mm Wassersäule) beträgt.

Das Basismaterial 1 mit der aufgebrachten getrockneten Aufschlämmung wird in einer nichtoxidierenden Atmosphäre entfettet und dann in einen Topf 2 aus Si₃N₄ überführt. Wie in Fig. 1 dargestellt, wird ein Pulvergemisch 3 aus Si₃N₄, SiO₂ und Si auf den Boden des Topfes 2 gelegt. Das Basismaterial 1 wird auf eine Platte 4 aus Si₃N₄ gelegt, welche auf das Pulvergemisch 3 aufgelegt ist. Nachdem der Topf 2 verschlossen ist, wird das Basismaterial 1 drei Stunden lang in einer Stickstoffgas-Atmosphäre bei einer Temperatur von 1500 bis 1800°C gehalten, so daß es gebrannt oder gesintert wird, um die Keramikschäume zu erhalten (Nr. 1 bis Nr. 16).

Die Tabellen 1a und 1b zeigen Rohdichte, Druckfestigkeit und Druckverlust jedes Keramikschaums nach dieser Erfindung (Nr. 1 bis Nr. 13 und Nr. 17 bis Nr. 20), der Vergleichsproben (Nr. 14 bis Nr. 16) mit Mengen an mehreren Bestandteilen, die nicht unter diese Erfindung fallen, einer Vergleichsprobe (Nr. 21), die aus 100 Gew.-% Si₃N₄ hergestellt ist, und einer herkömmlichen Probe (Nr. 22), die aus 100 Gew.-% Al₂O₃ hergestellt ist.

Der Druckverlust wurde im Hinblick auf Proben mit jeweils einer Dicke von 30 mm und einer Zellenzahl von 6 (die "Zellenzahl (cell number)" bedeutet die Zahl der Zellen, die auf der Länge von 1 inch (2,54 cm) gezählt werden kann) bei einer Windgeschwindigkeit von 1 m/s gemessen.

Wie aus den Tabellen 1a und 1b entnommen werden kann, nimmt bei den Proben nach der vorliegenden Erfindung (Nr. 1 bis Nr. 13) die Druckfestigkeit zu, während der Druckverlust im wesentlichen derselbe bleibt wie bei der herkömmlichen Probe (Nr. 22). Die Proben (Nr. 1 bis Nr. 13) der Erfindung besitzen eine um den Faktor 1,2 bis 3,7 höhere Festigkeit als die herkömmliche Probe.

Die Vergleichsproben (Nr. 14 bis Nr. 16) besitzen dieselbe oder eine geringere Druckfestigkeit im Vergleich mit der herkömmlichen Probe. Diese Vergleichsproben (Nr. 14 bis Nr. 16) enthalten Anteile an Sinter-Hilfsbestandteilen, die außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen.

Bei der Vergleichsprobe Nr. 21 ist das Sintern des Si₃N₄ ungenügend. Als Ergebnis davon sind viele Poren in den Strängen gebildet, und die Druckfestigkeit beträgt nur 10 kp/cm².

In den Proben (Nr. 17 bis Nr. 20) der vorliegenden Erfindung enthalten die Schäume 90 Gew.-% Si₃N₄ als einen Hauptbestandteil und eine Kombination von 5 Gew.-% Al₂O₃ und 5 Gew.-% Y₂O₃ als Sinter-Hilfsbestandteil. Diese Proben werden mit verschiedenen Rohdichten und Druckverlusten gebildet.

In Fig. 2 ist die Beziehung zwischen Druckfestigkeit und Rohdichte der Keramikschäume dieser Erfindung durch die Kurve 5 aufgezeigt, welche auf den Daten der Proben mit den Nummern 17 bis 20 beruht. Ebenso zeigt Fig. 2 die Beziehung zwischen Druckfestigkeit und Rohdichte von herkömmlichen Al₂O₃-Keramikschäumen durch die Kurve 7, welche auf den Daten der herkömmlichen Probe Nr. 22 beruht. Die Kurven zeigen, daß die vorliegende Erfindung im Vergleich mit der herkömmlichen Probe bei derselben Rohdichte eine wesentlich bessere Druckfestigkeit aufweist.

In Fig. 3 ist das Verhältnis zwischen Druckfestigkeit und Druckverlust der Keramikschäume nach der Erfindung durch die Kurve 6, die auf den Daten der Proben mit den Nummern 17 bis 21 beruht, und die Beziehung zwischen Druckfestigkeit und Druckverlust von herkömmlichen Al₂O₃-Keramikschäumen durch die Kurve 8, die auf den Daten für die herkömmliche Probe Nr. 22 beruht, aufgezeigt. Die Kurven zeigen, daß die vorliegende Erfindung im Vergleich mit der herkömmlichen Probe beim gleichen Druckverlust eine wesentlich höhere Druckfestigkeit aufweist.

Tabelle 1a

Tabelle 1b

Claims

1. Keramikschaum mit einer dreidimensionalen netzförmigen Skelettstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Si₃N₄ als Hauptbestandteil und mindestens einem Sinter-Hilfsbestandteil aus Al₂O₃, Y₂O₃, SiO₂, TiO₂, MgO, ZrO₂ oder Cr₂O₃ gebildet ist.

2. Keramikschaum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt jedes Sinter-Hilfsbestandteils zwischen 0,1 und 10 Gew.-% und der Gesamtgehalt der Sinter-Hilfsbestandteile zwischen 0,1 und 20 Gew.-% beträgt.

3. Keramikschaum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt jedes Sinter-Hilfsbestandteils zwischen 2 und 5 Gew.-% und der Gesamtgehalt der Sinter-Hilfsbestandteile zwischen 2 und 10 Gew.-% beträgt.

4. Keramikschaum nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinter-Hilfsbestandteil Al₂O₃ oder Y₂O₃ ist.

5. Keramikschaum nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinter-Hilfsbestandteil Al₂O₃ und Y₂O₃ enthält.

6. Keramikschaum nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Bestandteile eine durchschnittliche Teilchengröße von 4 Mikrometern (µm) oder weniger besitzt.

7. Keramikschaum mit einer dreidimensionalen netzförmigen Skelettstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vielzahl von Strängen enthält, die alle von einem Hauptbestandteil aus Si₃N₄ und mindestens einem Sinter-Hilfsbestandteil aus Al₂O₃, Y₂O₃, SiO₂, TiO₂, MgO, ZrO₂ oder Cr₂O₃ gebildet sind.

8. Keramikschaum nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt jedes Sinter-Hilfsbestandteils zwischen 0,1 und 10 Gew.-% und der Gesamtgehalt der Sinter-Hilfsbestandteile zwischen 0,1 und 20 Gew.-% beträgt.

9. Keramikschaum nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt jedes Sinter-Hilfsbestandteils zwischen 2 und 5 Gew.-% und der Gesamtgehalt der Sinter-Hilfsbestandteile zwischen 2 und 10 Gew.-% beträgt.

10. Keramikschaum nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinter-Hilfsbestandteil Al₂O₃ oder Y₂O₃ ist.

11. Keramikschaum nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinter-Hilfsbestandteil Al₂O₃ und Y₂O₃ enthält.

12. Keramikschaum nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Bestandteile eine durchschnittliche Teilchengröße von 4 Mikrometern (µm) oder weniger besitzt.

13. Verfahren zur Herstellung eines Keramikschaums mit einer netzförmigen Skelettstruktur, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- eine aufgeschlämmte Keramikmasse, die teilchenförmiges Si₃N₄ als einen Hauptbestandteil und mindestens einen teilchenförmigen Sinter-Hilfsbestandteil aus Al₂O₃, Y₂O₃, SiO₂, TiO₂, MgO, ZrO₂ oder Cr₂O₃ enthält, auf eine Schaumbasis aus einem organischen Polymer aufgebracht wird;
- die aufgeschlämmte Keramikmasse getrocknet wird; und
- die getrocknete Aufschlämmung bei einer Temperatur von 1500 bis 1800°C während eines Zeitraums, der ausreicht, die Aufschlämmung zu einem Keramikschaum zu sintern, erhitzt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgeschlämmte Keramikmasse zusätzlich einen organischen Binder, ein Entflockungsmittel, ein Entschäumungsmittel und Wasser enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaumbasis aus organischem Polymer ein offenzelliger Polyurethan-Schaum verwendet wird.