JP2002087884A - ポリマーから誘導されたセラミックス成形品及びその製造方法 - Google Patents
ポリマーから誘導されたセラミックス成形品及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 プラスチックの製造技術で製造できる、理論
値の少なくとも85%の高い密度の他に、製造中に多く
ても10%の低い収縮率を示し、成形品が満足のいく乾
式滑動特性を示す、ポリマーから誘導されるセラミック
ス成形品、熱分解によるその製造方法及びその成形品を
使用した滑動素子を提供する。 【解決手段】 その組成が、混合物の全重量に対し30
〜80重量%の量のポリマー成分、0〜30重量%の量
の充填材及び付加的に10〜70重量%の量のグラファ
イトから成る、複合材料として炭化珪素(SiC)、窒
化珪素 (Si3N4)、二酸化珪素(SiO2)又は例
えばオキシ炭化物、オキシ窒化 物、カルボ窒化物及び
/又オキシカルボ窒化物のようなそれらの混合物から成
る単相又は多相の非晶質、一部結晶又は結晶マトリック
スを含有する、ポリマーから誘導されたセラミックス成
形品を、そのポリマー成分を架橋結合のため加熱し、引
続き熱分解プロセスにより製造する。特にポリシラン、
ポリシロキサン、ポリシラザン又はポリカルボシランか
ら成る成形品を製造する。
値の少なくとも85%の高い密度の他に、製造中に多く
ても10%の低い収縮率を示し、成形品が満足のいく乾
式滑動特性を示す、ポリマーから誘導されるセラミック
ス成形品、熱分解によるその製造方法及びその成形品を
使用した滑動素子を提供する。 【解決手段】 その組成が、混合物の全重量に対し30
〜80重量%の量のポリマー成分、0〜30重量%の量
の充填材及び付加的に10〜70重量%の量のグラファ
イトから成る、複合材料として炭化珪素(SiC)、窒
化珪素 (Si3N4)、二酸化珪素(SiO2)又は例
えばオキシ炭化物、オキシ窒化 物、カルボ窒化物及び
/又オキシカルボ窒化物のようなそれらの混合物から成
る単相又は多相の非晶質、一部結晶又は結晶マトリック
スを含有する、ポリマーから誘導されたセラミックス成
形品を、そのポリマー成分を架橋結合のため加熱し、引
続き熱分解プロセスにより製造する。特にポリシラン、
ポリシロキサン、ポリシラザン又はポリカルボシランか
ら成る成形品を製造する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ポリマーから誘導
されるセラミックスから成る成形品、熱分解によるその
製造方法及びその滑動素子としての使用に関する。
されるセラミックスから成る成形品、熱分解によるその
製造方法及びその滑動素子としての使用に関する。
【0002】
【従来の技術】熱分解により適切な有機ポリマー前駆体
から成るセラミックス材料を生成することは多くの出版
物から公知である。有機ポリマー前駆体としては通常ポ
リシラン、ポリカルボシラン、ポリシラザン、ポリシロ
キサン又は類似の化合物が賞用されている。この場合、
これに代わる多くのものはセイフェルト(Seyfert)そ
の他による論文「Si3N4/SiCセラミックス材料の
ポリオルガノシラザンの熱分解による新規高収量合成」
(J.Am.Ceram.Soc.(1984)C−132)に指
摘されており、そこにはアルキルクロロシランを、強ル
イス塩基の存在下にアンモニアと反応させ、窒化珪素セ
ラミックスを生成するための前駆体として使用すること
が記載されている。
から成るセラミックス材料を生成することは多くの出版
物から公知である。有機ポリマー前駆体としては通常ポ
リシラン、ポリカルボシラン、ポリシラザン、ポリシロ
キサン又は類似の化合物が賞用されている。この場合、
これに代わる多くのものはセイフェルト(Seyfert)そ
の他による論文「Si3N4/SiCセラミックス材料の
ポリオルガノシラザンの熱分解による新規高収量合成」
(J.Am.Ceram.Soc.(1984)C−132)に指
摘されており、そこにはアルキルクロロシランを、強ル
イス塩基の存在下にアンモニアと反応させ、窒化珪素セ
ラミックスを生成するための前駆体として使用すること
が記載されている。
【0003】シロキサンの熱分解についてはホワイト
(D.White)著「セラミックス先端材料(Adv.Ceramic
Materials)」2[1](1987年)、第45頁以
降に、不活性ガス下又は還元雰囲気で炭化珪素(Si
C)を含有する生成物を形成することが記載されてい
る。
(D.White)著「セラミックス先端材料(Adv.Ceramic
Materials)」2[1](1987年)、第45頁以
降に、不活性ガス下又は還元雰囲気で炭化珪素(Si
C)を含有する生成物を形成することが記載されてい
る。
【0004】しかしこのような材料から塊状成形品を製
造する際の問題点は、常に熱分解中に揮発性の分解生成
物が放出され、この結果材料が過剰に多孔化し、明らか
な密度の上昇を伴う激しい材料の収縮を招く点にある。
造する際の問題点は、常に熱分解中に揮発性の分解生成
物が放出され、この結果材料が過剰に多孔化し、明らか
な密度の上昇を伴う激しい材料の収縮を招く点にある。
【0005】欧州特許出願公開第0412428号明細
書によれば、高密度の成形品は、金属の充填材を加えた
有機珪素ポリマーから成る混合物を熱分解して製造され
る。この方法で、妨げとなる多孔化及び実際にまた極め
て妨げとなる高度の収縮を低減させ、密度の上昇を伴う
セラミックスへの変化を達成できる。この場合プラスチ
ックにおいて公知の成形法を使って成形品を製造するこ
とができる。しかしこれらの成形品は、混合摩擦又は乾
式滑動(dry running)用の滑動素子として使用するに
は満足のいく乾式滑動特性を有する成形品を製造するこ
とはできない。
書によれば、高密度の成形品は、金属の充填材を加えた
有機珪素ポリマーから成る混合物を熱分解して製造され
る。この方法で、妨げとなる多孔化及び実際にまた極め
て妨げとなる高度の収縮を低減させ、密度の上昇を伴う
セラミックスへの変化を達成できる。この場合プラスチ
ックにおいて公知の成形法を使って成形品を製造するこ
とができる。しかしこれらの成形品は、混合摩擦又は乾
式滑動(dry running)用の滑動素子として使用するに
は満足のいく乾式滑動特性を有する成形品を製造するこ
とはできない。
【0006】これまで形成できた最高の乾式滑動特性を
有する滑動素子は、特にカーボングラファイト、例えば
SGL Carbon GmbH社(ドイツ国)製の“EK223
0”から成り、これらの滑動素子は相手の滑動体として
SiC素子を有する。これらの滑動素子は、個々のプレ
ス加工物として製造され、更にその軸受面に最後に機械
的な加工を施される。そのため製造費用は、従来のプラ
スチック成形法で製造するよりも明らかに高価なものと
なる。少なくとも部分的にグラファイトの性質をもつ固
体の炭素含有充填材(例えば天然グラファイト、電気グ
ラファイト)を炭化可能なピッチ及び樹脂のような結合
剤と混和し、圧縮し、その後この圧縮混合物を750〜
1300℃の温度で空気の遮断下に炭化するようにし
て、カーボングラファイト材料は生成される。
有する滑動素子は、特にカーボングラファイト、例えば
SGL Carbon GmbH社(ドイツ国)製の“EK223
0”から成り、これらの滑動素子は相手の滑動体として
SiC素子を有する。これらの滑動素子は、個々のプレ
ス加工物として製造され、更にその軸受面に最後に機械
的な加工を施される。そのため製造費用は、従来のプラ
スチック成形法で製造するよりも明らかに高価なものと
なる。少なくとも部分的にグラファイトの性質をもつ固
体の炭素含有充填材(例えば天然グラファイト、電気グ
ラファイト)を炭化可能なピッチ及び樹脂のような結合
剤と混和し、圧縮し、その後この圧縮混合物を750〜
1300℃の温度で空気の遮断下に炭化するようにし
て、カーボングラファイト材料は生成される。
【0007】例えば焼結された炭化珪素のようなセラミ
ックス材料から成る滑動リングも公知である。しかし欧
州特許第685437号明細書によるこれらの材料は混
合摩擦の場合に使用できるに過ぎず、この材料が、通常
摩擦素子相互間にある油膜が滑動リングの気孔内に沈積
し、この気孔内に残留する油膜を純粋な乾式滑動を回避
するため、短時間の乾式滑動の際に放出させる高い気孔
率を有することに依存するものである。欧州特許第70
9352号明細書が推奨するグラファイトのような固体
の潤滑剤の添加により、摩擦係数は更に改善されるが、
滑動リングの使用は、それにも拘わらずなお混合摩擦の
場合に限定されている。この乾式摩擦の問題は、少なく
とも一時的に油膜が存在する場合にこの材料の良好な滑
り挙動が可能になるだけであり、このような材料では解
決されない。この挙動は、表2に記載したSiCでの参
考測定の結果により後で説明する。
ックス材料から成る滑動リングも公知である。しかし欧
州特許第685437号明細書によるこれらの材料は混
合摩擦の場合に使用できるに過ぎず、この材料が、通常
摩擦素子相互間にある油膜が滑動リングの気孔内に沈積
し、この気孔内に残留する油膜を純粋な乾式滑動を回避
するため、短時間の乾式滑動の際に放出させる高い気孔
率を有することに依存するものである。欧州特許第70
9352号明細書が推奨するグラファイトのような固体
の潤滑剤の添加により、摩擦係数は更に改善されるが、
滑動リングの使用は、それにも拘わらずなお混合摩擦の
場合に限定されている。この乾式摩擦の問題は、少なく
とも一時的に油膜が存在する場合にこの材料の良好な滑
り挙動が可能になるだけであり、このような材料では解
決されない。この挙動は、表2に記載したSiCでの参
考測定の結果により後で説明する。
【0008】国際特許出願公開99/41211号明細
書は、亀裂のない高密度の珪素/硼素/炭素/窒素をベ
ースとする、トライボロジの目的に使用できるポリシラ
ザンから成るセラミックス成形品の製造方法を開示す
る。この場合組成に応じこの成形品の材料は、例えばグ
ラファイト、窒化硼素、酸化チタン及び窒化チタン炭化
物等の種々の潤滑剤の封入された沈積物を含む。これと
同時に架橋結合されたポリシラザン粉末は、最善の架橋
結合ポリマーのTMA(thermo mechanical analysi
s、熱機械分析)表中の温度の最大値よりも高く設定さ
れた温度で、まず空隙内において高温で加圧され、引続
き熱分解される。例えば射出成形及び押出成形の如き、
成形用プラスチック技術の価格的に有利な製造方法は、
この成形品の製造には使用できない。更にこの製造に使
用されたポリシラザンは他の、特にポリシロキサン等の
有機ポリマーの前駆体よりも極めて高価であり、この成
形品の価格を一層高価なものにする。国際特許出願公開
99/41211号明細書により製造される成形品は、
乾式滑動中に0.1以下の摩擦係数を示す。
書は、亀裂のない高密度の珪素/硼素/炭素/窒素をベ
ースとする、トライボロジの目的に使用できるポリシラ
ザンから成るセラミックス成形品の製造方法を開示す
る。この場合組成に応じこの成形品の材料は、例えばグ
ラファイト、窒化硼素、酸化チタン及び窒化チタン炭化
物等の種々の潤滑剤の封入された沈積物を含む。これと
同時に架橋結合されたポリシラザン粉末は、最善の架橋
結合ポリマーのTMA(thermo mechanical analysi
s、熱機械分析)表中の温度の最大値よりも高く設定さ
れた温度で、まず空隙内において高温で加圧され、引続
き熱分解される。例えば射出成形及び押出成形の如き、
成形用プラスチック技術の価格的に有利な製造方法は、
この成形品の製造には使用できない。更にこの製造に使
用されたポリシラザンは他の、特にポリシロキサン等の
有機ポリマーの前駆体よりも極めて高価であり、この成
形品の価格を一層高価なものにする。国際特許出願公開
99/41211号明細書により製造される成形品は、
乾式滑動中に0.1以下の摩擦係数を示す。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、プラ
スチック技術の製造方法により製造でき、理論値の少な
くとも85%の高い密度の他に、製造中に多くても10
%の低い収縮率を示し、成形品が満足のいく乾式滑動特
性を有する、ポリマーから誘導されたセラミックス成形
品を提供することにある。
スチック技術の製造方法により製造でき、理論値の少な
くとも85%の高い密度の他に、製造中に多くても10
%の低い収縮率を示し、成形品が満足のいく乾式滑動特
性を有する、ポリマーから誘導されたセラミックス成形
品を提供することにある。
【0010】本発明のもう1つの課題は、乾式滑動用に
軸受及び滑動リングパッキンとして使用でき、特にポリ
シロキサンのような原価の安い有機ポリマー前駆体を原
料として製造できるセラミックス成形品を提供すること
にある。
軸受及び滑動リングパッキンとして使用でき、特にポリ
シロキサンのような原価の安い有機ポリマー前駆体を原
料として製造できるセラミックス成形品を提供すること
にある。
【0011】更に本発明のもう1つの課題は、公知材料
と比べ軸受や滑動リングパッキン用材料として優れた適
性を乾式滑動中に示す成形品用材料を提供することにあ
る。
と比べ軸受や滑動リングパッキン用材料として優れた適
性を乾式滑動中に示す成形品用材料を提供することにあ
る。
【0012】
【課題を解決するための手段】この課題は、複合材料と
して炭化珪素(SiC)、窒化珪素(Si3N4)、二酸
化珪素(SiO2)又は例えばオキシ炭化物、オキシ窒
化物、カルボ窒化物及び/又オキシカルボ窒化物のよう
なそれらの混合物から成る単相又は多相の、非晶質、一
部結晶又は結晶マトリックスを有する、ポリマーの熱分
解により生成されるセラミックス成形品により解決され
る。
して炭化珪素(SiC)、窒化珪素(Si3N4)、二酸
化珪素(SiO2)又は例えばオキシ炭化物、オキシ窒
化物、カルボ窒化物及び/又オキシカルボ窒化物のよう
なそれらの混合物から成る単相又は多相の、非晶質、一
部結晶又は結晶マトリックスを有する、ポリマーの熱分
解により生成されるセラミックス成形品により解決され
る。
【0013】本発明による成形品の製造には、まず混合
物の全重量に対し30〜80重量%の量のポリマー成分
の他に、0〜30重量%の量の充填材及び付加的に10
〜70重量%の量のグラファイトを含む混合物を生成す
る。この混合物をポリマー成分の架橋結合のため加熱す
る成形プロセス後に、最後にセラミックス成形品を製造
するため熱分解プロセスを行う。
物の全重量に対し30〜80重量%の量のポリマー成分
の他に、0〜30重量%の量の充填材及び付加的に10
〜70重量%の量のグラファイトを含む混合物を生成す
る。この混合物をポリマー成分の架橋結合のため加熱す
る成形プロセス後に、最後にセラミックス成形品を製造
するため熱分解プロセスを行う。
【0014】ポリマー成分として本発明では、特に従来
技術で元来公知のポリシラン、ポリシロキサン、ポリシ
ラザン又はポリカルボシラン又は類似の化合物及びそれ
らの混合物を使用する。この場合セラミックス複合材料
のマトリックス中に酸化物相を生じる原価の安いポリシ
ロキサンを使用すると有利である。ポリマー成分として
本発明では特に(CH3)SiO1.5の実験式及び200
00g/モルの範囲の平均分子量を有する、メチルヒド
ロキシルポリセスキシロキサンを使用する。本発明によ
るセラミックス成形品を製造する混合物のポリマー成分
の分量は、好ましくは40〜70重量%、特に好ましく
は50〜60重量%である。
技術で元来公知のポリシラン、ポリシロキサン、ポリシ
ラザン又はポリカルボシラン又は類似の化合物及びそれ
らの混合物を使用する。この場合セラミックス複合材料
のマトリックス中に酸化物相を生じる原価の安いポリシ
ロキサンを使用すると有利である。ポリマー成分として
本発明では特に(CH3)SiO1.5の実験式及び200
00g/モルの範囲の平均分子量を有する、メチルヒド
ロキシルポリセスキシロキサンを使用する。本発明によ
るセラミックス成形品を製造する混合物のポリマー成分
の分量は、好ましくは40〜70重量%、特に好ましく
は50〜60重量%である。
【0015】充填材として、本発明では特に金属の珪
素、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム、バナジ
ウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タング
ステン、チタン又は元素状の硼素又はモリブデンと珪素
から成る合金又はクロムと珪素から成る合金のような高
密度の充填材が適している。硼素、珪素及び/又はアル
ミニウムと、ランタノイド及び/又は周期律表の第4〜
第6副族の金属間化合物を使用でき、同様に上記充填材
の混合物も使用できる。更にこれら充填材成分の代わり
に、例えばアルキル、シクロアルキル、アリール、アル
コキシド及び/又は例えば水素化物のような塩類似化合
物のような有機金属化合物及び/又は前駆体、又は金属
及び/又はそれらの金属間化合物の酸化物を使用するこ
とも好適である。特に好ましい充填材は硼素及び珪素で
ある。これらの充填材を好ましくは微細に分散した形で
熱分解混合物に添加し、好ましくはレーザ粒度計(Ci
las型715)で測定して、D50(値)と記載した1
〜5μmの範囲の平均粒径を有する乾燥粉末として添加
する。充填材の好ましい分量 としては、実際に特に混
合物の5〜25重量%、特に10〜20重量%の量が判
明している。
素、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム、バナジ
ウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タング
ステン、チタン又は元素状の硼素又はモリブデンと珪素
から成る合金又はクロムと珪素から成る合金のような高
密度の充填材が適している。硼素、珪素及び/又はアル
ミニウムと、ランタノイド及び/又は周期律表の第4〜
第6副族の金属間化合物を使用でき、同様に上記充填材
の混合物も使用できる。更にこれら充填材成分の代わり
に、例えばアルキル、シクロアルキル、アリール、アル
コキシド及び/又は例えば水素化物のような塩類似化合
物のような有機金属化合物及び/又は前駆体、又は金属
及び/又はそれらの金属間化合物の酸化物を使用するこ
とも好適である。特に好ましい充填材は硼素及び珪素で
ある。これらの充填材を好ましくは微細に分散した形で
熱分解混合物に添加し、好ましくはレーザ粒度計(Ci
las型715)で測定して、D50(値)と記載した1
〜5μmの範囲の平均粒径を有する乾燥粉末として添加
する。充填材の好ましい分量 としては、実際に特に混
合物の5〜25重量%、特に10〜20重量%の量が判
明している。
【0016】この使用されるグラファイトを、好ましく
は出発混合物の20〜50重量%の量で添加する。混合
物の30〜40重量%のグラファイト分量が特に好まし
い。このグラファイトは、Heピクノメータ(ヘリウム
比重瓶)で測定して、好ましくは2.0〜2.3g/c
m3、特に好ましくは2.1〜2.2g/cm3の密度を
持つ。使用するグラファイトの平均粒径(D50)は、レ
ーザ粒度計(Cilas型715)で測定して2〜16μmの
範囲、特に3〜7μmであると好ましい。更に本発明に
よれば最適なグラファイトは優れた結晶配列、即ちほぼ
均一なグラファイト層の配列を有する。この場合、例え
ば電気グラファイトのような合成グラファイト或いは天
然グラファイトも使用可能である。
は出発混合物の20〜50重量%の量で添加する。混合
物の30〜40重量%のグラファイト分量が特に好まし
い。このグラファイトは、Heピクノメータ(ヘリウム
比重瓶)で測定して、好ましくは2.0〜2.3g/c
m3、特に好ましくは2.1〜2.2g/cm3の密度を
持つ。使用するグラファイトの平均粒径(D50)は、レ
ーザ粒度計(Cilas型715)で測定して2〜16μmの
範囲、特に3〜7μmであると好ましい。更に本発明に
よれば最適なグラファイトは優れた結晶配列、即ちほぼ
均一なグラファイト層の配列を有する。この場合、例え
ば電気グラファイトのような合成グラファイト或いは天
然グラファイトも使用可能である。
【0017】驚くべきことに、先に記載した熱分解混合
物の熱分解時、炭化物を生成するために全グラファイト
分が使い尽くされることはなく、グラファイトがほぼ完
全にポリマーから誘導されたセラミックス中に埋封物と
してその儘残っていることが判った。本発明によるセラ
ミックスの生成は、以下に記載する条件の下に行う。即
ち出発混合物の重合を230〜300℃の温度で行い、
出発ポリマーの熱分解を900〜1500℃、好ましく
は1000〜1200℃の温度で行い、アルゴン又は純
窒素等の不活性ガス下に、又は窒素と水素の混合物中で
30〜60時間かけて行う。この材料中に埋封されたグ
ラファイトは、高活性の潤滑剤として、ポリマーから誘
導されたセラミックスから本発明による成形品として滑
動リング又はパッキンディスクを形成し、それらで外か
ら供給される潤滑剤による従来の潤滑性を欠いている場
合に、乾式滑動を開始させる役目をする。上記の成形品
は主として混合摩擦の場合に使用されるが、しかし同様
に純粋な乾式滑動にも使用できる。本発明の成形品の乾
式滑動特性の尺度としての摩擦係数fは、DIN503
22によれば一般に0.1以下の値を示し、好ましくは
0.06以下の値、特に好ましくは0.045以下の値
を示す。
物の熱分解時、炭化物を生成するために全グラファイト
分が使い尽くされることはなく、グラファイトがほぼ完
全にポリマーから誘導されたセラミックス中に埋封物と
してその儘残っていることが判った。本発明によるセラ
ミックスの生成は、以下に記載する条件の下に行う。即
ち出発混合物の重合を230〜300℃の温度で行い、
出発ポリマーの熱分解を900〜1500℃、好ましく
は1000〜1200℃の温度で行い、アルゴン又は純
窒素等の不活性ガス下に、又は窒素と水素の混合物中で
30〜60時間かけて行う。この材料中に埋封されたグ
ラファイトは、高活性の潤滑剤として、ポリマーから誘
導されたセラミックスから本発明による成形品として滑
動リング又はパッキンディスクを形成し、それらで外か
ら供給される潤滑剤による従来の潤滑性を欠いている場
合に、乾式滑動を開始させる役目をする。上記の成形品
は主として混合摩擦の場合に使用されるが、しかし同様
に純粋な乾式滑動にも使用できる。本発明の成形品の乾
式滑動特性の尺度としての摩擦係数fは、DIN503
22によれば一般に0.1以下の値を示し、好ましくは
0.06以下の値、特に好ましくは0.045以下の値
を示す。
【0018】従って本発明によるポリマーから誘導され
たセラミックスは、ポンプ、コンプレッサ、一般機械内
の、そして時に乾式滑動用の炉内の可動部分のパッキン
及び/又は軸受機能を有する滑動素子の製造にことのほ
か適している。
たセラミックスは、ポンプ、コンプレッサ、一般機械内
の、そして時に乾式滑動用の炉内の可動部分のパッキン
及び/又は軸受機能を有する滑動素子の製造にことのほ
か適している。
【0019】本発明によるセラミックスの有利な実施形
態では、出発混合物に、使用されるポリマーの重縮合プ
ロセスを誘導する少量の物質を触媒として加える。この
場合触媒として、白金族の金属、鉄、コバルト及び/又
はニッケルを、またこれら金属の有機金属化合物、前駆
体及び塩類似化合物及びそれらの混合物の形で出発混合
物に添加する。その際、出発混合物の材料におけるそれ
らの重量比は10%以下、好ましくは0.2〜5%、更
に好ましくは0.5〜1%である。特に好ましい触媒
は、アルミニウムアセチルアセトナト(C15H21AlO
6)及び鉄アセチルアセトナトのような金属アセチルア
セトナトである。これらの触媒の使用は、本発明による
セラミックスの気孔率及び熱分解プロセス中のセラミッ
クスの線収縮を低下させる。
態では、出発混合物に、使用されるポリマーの重縮合プ
ロセスを誘導する少量の物質を触媒として加える。この
場合触媒として、白金族の金属、鉄、コバルト及び/又
はニッケルを、またこれら金属の有機金属化合物、前駆
体及び塩類似化合物及びそれらの混合物の形で出発混合
物に添加する。その際、出発混合物の材料におけるそれ
らの重量比は10%以下、好ましくは0.2〜5%、更
に好ましくは0.5〜1%である。特に好ましい触媒
は、アルミニウムアセチルアセトナト(C15H21AlO
6)及び鉄アセチルアセトナトのような金属アセチルア
セトナトである。これらの触媒の使用は、本発明による
セラミックスの気孔率及び熱分解プロセス中のセラミッ
クスの線収縮を低下させる。
【0020】本発明によるセラミックスは通常12容積
%以下、好ましくは7容積%以下、特に好ましくは4容
積%以下の低い開気孔、即ち外方に向かって開いた気孔
を有することを特徴とする。更に本発明によるセラミッ
クスは熱分解中の僅かな収縮挙動も特徴とし、その際そ
の線収縮率は通常10%以下、好ましくは7%以下、特
に好ましくは5%以下である。
%以下、好ましくは7容積%以下、特に好ましくは4容
積%以下の低い開気孔、即ち外方に向かって開いた気孔
を有することを特徴とする。更に本発明によるセラミッ
クスは熱分解中の僅かな収縮挙動も特徴とし、その際そ
の線収縮率は通常10%以下、好ましくは7%以下、特
に好ましくは5%以下である。
【0021】ポリマーから誘導された本発明によるセラ
ミックスの成形には、セラミックス技術又はプラスチッ
ク技術に於いて一般に好適であると認められる全ての方
法が使用できる。それらの成形法は常圧鋳込み、ホット
プレス、射出成形、押出成形法又はレーザを用いた高速
のプロトタイプ作成法である。
ミックスの成形には、セラミックス技術又はプラスチッ
ク技術に於いて一般に好適であると認められる全ての方
法が使用できる。それらの成形法は常圧鋳込み、ホット
プレス、射出成形、押出成形法又はレーザを用いた高速
のプロトタイプ作成法である。
【0022】
【発明の実施の形態】本発明を実施例に基づき更に明確
に以下に詳述する。但し記載した実施形態に限定される
ものではない。
に以下に詳述する。但し記載した実施形態に限定される
ものではない。
【0023】例 1 まず、60重量%のメチルヒドロキシセスキシロキサン
(MOHPS NH2100,Nuenchritz GmbH製、ドイツ
国)、2.33g/cm3の 密度及び3.1μmの平均
粒径(D50)を有する10重量%の金属珪素及び3 .
6μmの平均粒径を有する30重量%の粉砕グラファイ
ト(U19F300SGL,Carbon GmbH製)の材料組成の
50gの固体のバッチ(上記の全てのパーセンテージは
固体の全重量に対するものである)を50gのAl2O3
球及び70cm3のイソプロパノールから生成した。こ
のバッチを24時間回転ミルで均質化した。引続きこの
低粘性の混合物の乾燥を真空回転蒸発器中で40℃で行
った。その後こうして得られた固体残渣を2分間鋼の振
動ミル上で粉砕し、得られた粉末を100μm篩で濾し
た。こうして得られた粉末混合物をラミネ ートプレス
機(Buerkle社製、フロイデンシュタット)内で乾燥圧
縮した。230℃の温度で45分間10MPaの圧縮力
で寸法3mm×50mm×50mmのなま素地を製造
し、引続き90分間常圧下230℃の温度で後架橋結合
させた。その後このなま素地から機械により寸法3mm
×4mm×50mmの小試料棒を以下に記載の実験のた
めに準備した。
(MOHPS NH2100,Nuenchritz GmbH製、ドイツ
国)、2.33g/cm3の 密度及び3.1μmの平均
粒径(D50)を有する10重量%の金属珪素及び3 .
6μmの平均粒径を有する30重量%の粉砕グラファイ
ト(U19F300SGL,Carbon GmbH製)の材料組成の
50gの固体のバッチ(上記の全てのパーセンテージは
固体の全重量に対するものである)を50gのAl2O3
球及び70cm3のイソプロパノールから生成した。こ
のバッチを24時間回転ミルで均質化した。引続きこの
低粘性の混合物の乾燥を真空回転蒸発器中で40℃で行
った。その後こうして得られた固体残渣を2分間鋼の振
動ミル上で粉砕し、得られた粉末を100μm篩で濾し
た。こうして得られた粉末混合物をラミネ ートプレス
機(Buerkle社製、フロイデンシュタット)内で乾燥圧
縮した。230℃の温度で45分間10MPaの圧縮力
で寸法3mm×50mm×50mmのなま素地を製造
し、引続き90分間常圧下230℃の温度で後架橋結合
させた。その後このなま素地から機械により寸法3mm
×4mm×50mmの小試料棒を以下に記載の実験のた
めに準備した。
【0024】この小試料棒をその後窒素で2回洗浄した
閉鎖炉に入れ、引続きこの炉で常圧下1250℃の温度
で20時間にわたり加熱した。この温度を10時間保持
し、炉を更に10時間かけて再び冷却した。得られたセ
ラミックスの特性は、実施例の終わりに記載する表1に
まとめてある。
閉鎖炉に入れ、引続きこの炉で常圧下1250℃の温度
で20時間にわたり加熱した。この温度を10時間保持
し、炉を更に10時間かけて再び冷却した。得られたセ
ラミックスの特性は、実施例の終わりに記載する表1に
まとめてある。
【0025】例 2 例2の小試料棒を例1に相応して製造した。但し充填物
の固体の全重量に対し0.5%のFeアセチルアセトナ
トを更に添加した。
の固体の全重量に対し0.5%のFeアセチルアセトナ
トを更に添加した。
【0026】更にこの混合物から熱プレス機(Jean Wi
rty社製、デュッセルドルフ)中で同じ圧縮力で高さ4
mm及び直径25mmの円盤状試料を摩擦テストのため
形成した。炉から取り出した後、試料の表面を6μmの
レベルに研磨した。
rty社製、デュッセルドルフ)中で同じ圧縮力で高さ4
mm及び直径25mmの円盤状試料を摩擦テストのため
形成した。炉から取り出した後、試料の表面を6μmの
レベルに研磨した。
【0027】この場合もこの試料の特性を表1に示し、
また得られたセラミックスの摩擦挙動を表2に示す。
また得られたセラミックスの摩擦挙動を表2に示す。
【0028】例 3 例1と同様に60重量%のMOHPS NH2100、密度
2.27g/cm3及び平均粒径(D50)1.5μmの1
0重量%の元素状の硼素及び平均粒径(D50)3.6μ
mの30重量%の粉砕グラファイト(U19F300、S
GL CARBON GmbH製)から成る混合物(上記の全てのパ
ーセンテージは固体の全重量に対する)を例2と同様小
試料棒に形成し、円盤状の試料に加工した。
2.27g/cm3及び平均粒径(D50)1.5μmの1
0重量%の元素状の硼素及び平均粒径(D50)3.6μ
mの30重量%の粉砕グラファイト(U19F300、S
GL CARBON GmbH製)から成る混合物(上記の全てのパ
ーセンテージは固体の全重量に対する)を例2と同様小
試料棒に形成し、円盤状の試料に加工した。
【0029】これらの試料を更に上述の例と同様熱分解
し、引続き研磨した。試料の特性は下記の表1に、また
例3で得られたセラミックスの摩擦係数は表2に示す。
し、引続き研磨した。試料の特性は下記の表1に、また
例3で得られたセラミックスの摩擦係数は表2に示す。
【表 1】 特 性 例1 例2 例3 反応性充填材 珪素 珪素 硼素 反応性充填材[重量%] 10 10 10 グラファイト[重量%] 30 30 30 MOHPS [重量%] 60 60 60 触 媒[添加重量%] 鉄アセチルアセトナト 0 0.5 0 収縮率 [%] 9 6 10 開気孔の比率[容積%] 6 3 10 曲げ強さ [MPa] 95±10 50±5 60±5 表1に記載した値は以下の測定法により求めた。開気孔
の比率:DIN66133曲げ強さ:DIN51902
の比率:DIN66133曲げ強さ:DIN51902
【0030】例1〜3により生成したセラミックスは、
表1に示した値を特徴とする。このセラミックスの性能
は、SiCとの摩擦テスト中に現在公知の従来技術の示
すような試料と比較した場合に明らかである。乾式滑動
中及び1500回/分の回転数において、炭素試料とグ
ラファイトの試料EK2230もしくは従来技術による
炭化珪素試料は、例2及び3のそれよりも明らかに高い
摩擦係数fと明らかに高い試料の加熱を示した(表2参
照)。
表1に示した値を特徴とする。このセラミックスの性能
は、SiCとの摩擦テスト中に現在公知の従来技術の示
すような試料と比較した場合に明らかである。乾式滑動
中及び1500回/分の回転数において、炭素試料とグ
ラファイトの試料EK2230もしくは従来技術による
炭化珪素試料は、例2及び3のそれよりも明らかに高い
摩擦係数fと明らかに高い試料の加熱を示した(表2参
照)。
【表 2】 特 性 例2 例3 EK2230 SiC 20分のテスト時間後の 摩擦係数f 0.05 0.04 0.08 0.20 試料の昇温[℃] 40 23 47 137 表2に記載した値は以下の測定法により求めたものであ
る。即ち本発明による成形品の乾式滑動特性の尺度とし
ての摩擦係数fを、DIN50322をベースとする軸
滑動リングパッキンのトライボロジ装置における、1.
5m/秒の滑動速度に対応して回転数1500回/分及
びSiCに対するカウンター滑動中の法線力Fnに対応
する40Nの軸方向力で求めた。
る。即ち本発明による成形品の乾式滑動特性の尺度とし
ての摩擦係数fを、DIN50322をベースとする軸
滑動リングパッキンのトライボロジ装置における、1.
5m/秒の滑動速度に対応して回転数1500回/分及
びSiCに対するカウンター滑動中の法線力Fnに対応
する40Nの軸方向力で求めた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オリファー デルノフゼク ドイツ連邦共和国 81669 ミュンヘン フランチスカーナー‐シュトラーセ 11 (72)発明者 ハンス‐ミヒァエル ギューター ドイツ連邦共和国 61462 ケーニッヒシ ュタイン リンブルガー シュトラーセ 12ベー (72)発明者 ウルリッヒ ヴィスルシュペルガー ドイツ連邦共和国 53175 ボン エルフ トシュトラーセ 12 Fターム(参考) 3J011 SC01 SD02 SD03 SD10 SE02 3J043 AA11 AA15 CB16 CB18 DA11 4G001 BA03 BA60 BA62 BA75 BA77 BB22 BB32 BC22 BC25 BC26 BC47 BC48 BD11
Claims (28)
- 【請求項1】 複合材料として炭化珪素(SiC)、窒
化珪素(Si3N4)、二酸化珪素(SiO2)又は例え
ばオキシ炭化物、オキシ窒化物、カルボ窒化物及び/又
オキシカルボ窒化物のようなそれらの混合物から成る単
相又は多相の非晶質、一部結晶又は結晶マトリックスを
有する、ポリマーの熱分解により生成されるセラミック
ス成形品において、マトリックスがグラファイト埋封物
を含有し、セラミックスの密度が理論値の少なくとも8
5%であることを特徴とするポリマーの熱分解により生
成されるセラミックス成形品。 - 【請求項2】 セラミックスがポリシラン、ポリシロキ
サン、ポリシラザン又はポリカルボシランの群のポリマ
ーから生成されることを特徴とする請求項1記載の成形
品。 - 【請求項3】 セラミックスのマトリックスが酸化物相
を示すことを特徴とする請求項1又は2記載の成形品。 - 【請求項4】 セラミックスがポリマーとしてのメチル
ヒドロキシルポリセスキシロキサンから生成されること
を特徴とする請求項2記載の成形品。 - 【請求項5】 セラミックスが、混合物の全重量に対し
30〜80重量%の量のポリマーの他に、0〜30重量
%の量の充填材及び付加的に10〜70重量%の量のグ
ラファイトを含有することを特徴とする請求項1乃至4
の1つに記載の成形品。 - 【請求項6】 混合物が30〜70重量%の量のグラフ
ァイトを含有することを特徴とする請求項5記載の成形
品。 - 【請求項7】 混合物におけるポリマーの組成比が40
〜70重量%、好ましくは50〜60重量%であること
を特徴とする請求項6記載の成形品。 - 【請求項8】 グラファイト埋封物が2.0〜2.3g
/cm3、好ましくは2.1〜2.2g/cm3の範囲の
密度を示すことを特徴とする請求項1乃至7の1つに記
載の成形品。 - 【請求項9】 グラファイト埋封物の平均粒径(D50)
が2〜16μm、好ましくは3〜7μmであることを特徴
とする請求項1乃至8の1つに記載の成形品。 - 【請求項10】 グラファイト埋封物がほぼ均一なグラ
ファイト層の配列を示すことを特徴とする請求項1乃至
9の1つに記載の成形品。 - 【請求項11】 成形品の摩擦係数fが、DIN503
22の準拠して乾式滑動中に0.1以下、好ましくは
0.06以下の値、特に好ましくは0.045以下の値
であることを特徴とするとする請求項1乃至10の少な
くとも1つに記載のポリマーの熱分解により生成される
セラミックス成形品。 - 【請求項12】 セラミックスが12容積%以下、好ま
しくは7容積%以下、特に好ましくは4容積%以下の開
気孔を含有することを特徴とするとする請求項1乃至1
1の1つに記載の成形品。 - 【請求項13】 ポリマー成分を含む混合物の成形プロ
セス中に、この混合物をポリマー成分の架橋結合のため
加熱し、セラミックス成形品を製造するため熱分解プロ
セスを含むセラミックス成形品の製造方法において、混
合物が、混合物の全重量に対し30〜80重量%の量の
ポリマー成分の他に、0〜30重量%の量の充填材及び
付加的に10〜70重量%の量のグラファイトを含有す
ることを特徴とする請求項1乃至12の1つに記載のセ
ラミックス成形品の製造方法。 - 【請求項14】 混合物が充填材として、金属の珪素、
アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウ
ム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングス
テン、チタン又は元素状の硼素、又はモリブデンと珪素
の合金又はクロムと珪素の合金又はランタノイド及び/
又は硼素、珪素及び/又はアルミニウム及びそれらの混
合物に加えて周期律表の第4〜第6副族の金属間化合物
を含有することを特徴とする請求項13記載の方法。 - 【請求項15】 混合物がこれらの充填材の代わりに、
例えばアルキル、シクロアルキル、アリール、アルコキ
シド及び/又は例えば水素化物等の塩類似化合物のよう
な有機金属化合物及び/又は前駆体又は金属及び/又は
それらの金属間化合物の酸化物を含むことを特徴とする
請求項13記載の方法。 - 【請求項16】 混合物に、充填材を好ましくは1〜5
μmの平均粒径D50を有する乾燥粉末として微細に分散
した形で添加することを特徴とする請求項12乃至15
の1つに記載の方法。 - 【請求項17】 混合物が、その全重量に対し充填材を
5〜25重量%、好ましくは10〜20重量%の比率で
含有することを特徴とする請求項13乃至16の1つに
記載の方法。 - 【請求項18】 混合物が、その全重量に対し、グラフ
ァイトを20〜50重量%、好ましくは30〜40重量
%の比率で含有することを特徴とする請求項13乃至1
7の1つに記載の方法。 - 【請求項19】 混合物が、グラファイトとして電気グ
ラファイト又は天然グラファイトを含有することを特徴
とする請求項13乃至18の1つに記載の方法。 - 【請求項20】 ポリマー成分の架橋結合を230〜3
00℃の範囲の温度で行うことを特徴とする請求項13
乃至19の1つに記載の方法。 - 【請求項21】 セラミックス成形品を製造するために
熱分解プロセスを900〜1500℃の温度、好ましく
は1000〜1200℃の温度で不活性ガス下に行うこ
とを特徴とする請求項13乃至20の1つに記載の方
法。 - 【請求項22】 出発混合物に、使用されるポリマーの
重縮合プロセスを誘発する触媒として若干量の物質を添
加することを特徴とする請求項13乃至21の1つに記
載の方法。 - 【請求項23】 触媒として白金族の金属、鉄、コバル
ト及び/又はニッケルを、或いはまたこれら金属の有機
金属化合物、前駆体又は塩類似化合物及びそれらの混合
物を、出発混合物に添加することを特徴とする請求項2
2記載の方法。 - 【請求項24】 触媒の比率が出発混合物の重量に対し
て10重量%以下、好ましくは0.2〜5重量%、特に
好ましくは0.5〜1重量%であることを特徴とする請
求項22又は23記載の方法。 - 【請求項25】 出発混合物に、触媒としてアルミニウ
ムアセチルアセトナト(C15H21AlO6)及び鉄アセ
チルアセトナトのような金属アセチルアセトナトを添加
することを特徴とする請求項22乃至24の1つに記載
の方法。 - 【請求項26】 熱分解プロセス中の成形品の線収縮率
を10%以下、好ましくは7%以下、特に好ましくは5
%以下に保つことを特徴とする請求項22乃至25の1
つに記載の方法。 - 【請求項27】 成形法として常圧鋳込み、ホットプレ
ス、射出成形、押出成形又はレーザを用いた高速のプロ
トタイプ作成法を使用することを特徴とする請求項13
乃至26の1つに記載の方法。 - 【請求項28】 請求項1〜12の1つに記載のセラミ
ックス成形品をポンプ、コンプレッサの可動部分、一般
機械及び炉構造内、特に乾式滑動用に使用するパッキン
及び/又は軸受機能を有する滑動素子。
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---|---|---|---|
DE10030011.1 | 2000-06-17 | ||
DE10030011A DE10030011A1 (de) | 2000-06-17 | 2000-06-17 | Formteil aus von Polymeren abgeleiteter Keramik |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
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---|---|---|---|
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---|---|
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EP (1) | EP1164114A3 (ja) |
JP (1) | JP2002087884A (ja) |
DE (1) | DE10030011A1 (ja) |
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---|---|---|---|---|
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