JP2002225020A - グリーンセラミックス成型体の成型方法および成型装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 筒状の積層グリーンセラミックス成型体を製
造する。 【解決手段】 回転自在な筒状金型１と、金型１を挟ん
で対峙して設けられ、キャリアテープ５に貼付されたグ
リーンテープ３の巻き取りを収容する１対のグリーンテ
ープの繰り出し装置２と、金型１の外周に沿って配置さ
れグリーンテープ３を押し付けて相互に接着させる押し
付けローラ４と、グリーンテープ３からキャリアテープ
５を剥離する剥離手段１１、１２とキャリアテープ５を
巻き取る巻き取り装置６とを有してなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は緻密質セラミックス
と多孔質セラミックスを交互に積層して筒状に成型した
セラミックス成型体を製造する前段階のグリーンセラミ
ックス成型体の成型方法および成型装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】破断歪みの大きな多孔質セラミックスと
高強度な緻密質セラミックスを交互に積層構造にするこ
とで高い損傷許容性を有する材料が研究されている。積
層構造セラミックスは、高温において高強度で、高い損
傷許容性を有するため、ガスタービンの燃焼器のような
高温で使用する部品に無冷却で適用することが期待され
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような積
層構造セラミックスの製造のために使用する、ドクタブ
レード法で成形したグリーンテープは強度が低く、取り
扱いが困難であるため、たとえば、４５ｍｍ×５０ｍｍ
程度の大きさで厚さが３０〜１００μｍの薄板のグリー
ンテープを人手で一枚一枚積層して板状のグリーンセラ
ミックス成型体を製作しているが、円筒状のものはまだ
製作されていない。

【０００４】本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案
出されたもので、破断歪みの大きな多孔質セラミックス
と高強度な緻密質セラミックスの積層構造を有する筒状
のセラミックス成型体を製造する前段階であるグリーン
セラミックス成型体の成型方法および成型装置を提供す
ることを目的とする。

【０００５】上記目的を達成するため、請求項１記載発
明のグリーンセラミックス成形体の成形方法は、回転自
在な筒状金型の表面に緻密質セラミックスグリーンテー
プと多孔質セラミックスグリーンテープとを交互に積層
するように巻き付けるとともに、ローラで金型に押し付
けて筒状のグリーンセラミックス成型体を成型するもの
である。

【０００６】請求項２記載発明のグリーンセラミックス
成型体の成型方法は、請求項１記載発明において筒状金
型に幅の狭いグリーンテープを螺旋状に巻き付けるよう
にしたものである。

【０００７】請求項３記載発明のグリーンセラミックス
成型体の成型方法は、請求項１記載発明において、グリ
ーンテープはキャリアテープに貼付した状態で筒状金型
に巻き付け、キャリアテープを介してロールで金型に押
し付けた後グリーンテープからキャリアテープを剥離し
て巻き取るようにしたものである。

【０００８】請求項４記載のグリーンセラミックス成型
体の成型方法は、請求項１ないし請求項３記載の発明に
おいてグリーンテープを相互に接着させる前に接着面を
加熱するものである。

【０００９】請求項５記載発明のグリーンセラミックス
成型体の成型装置は、回転自在な筒状金型と、金型を挟
んで対峙して設けられ、グリーンテープの巻き取りを収
容する１対のグリーンテープの繰り出し装置と、金型の
外周に沿って配置されグリーンテープを押し付ける押し
付けローラとを有してなるものである。

【００１０】請求項６記載発明のグリーンセラミックス
成型体の成型装置は、回転自在な筒状金型と、金型を挟
んで対峙して設けられ、キャリアテープに貼付されたグ
リーンテープの巻き取りを収容する１対のグリーンテー
プの繰り出し装置と、金型の外周に沿って配置されグリ
ーンテープを金型に押し付けるローラと、グリーンテー
プからキャリアテープを剥離する剥離手段と、キャリア
テープを巻き取る巻き取り装置とを有してなるものであ
る。

【００１１】請求項７記載発明のグリーンセラミックス
成型体の成型装置は、請求項６記載発明において、上記
剥離手段は小さな曲率半径を有し、キャリアテープの裏
面に当接してキャリアテープを折り曲げてグリーンテー
プから離す曲げ板であるものである。

【００１２】請求項８記載発明のグリーンセラミックス
成型体の成型装置は、請求項６記載発明において上記剥
離手段はキャリアテープとグリーンテープの剥離点付近
でキャリアテープ表面に当接するドクターブレードであ
るものである。

【００１３】請求項９記載のグリーンセラミックス成型
体の成型装置は、請求項６記載発明において、筒状金型
とグリーンテープ繰り出し装置を相対的に軸方向に移動
し、幅の狭いグリーンテープを金型に螺旋状に巻き付け
るようにしたものである。

【００１４】請求項１０記載のグリーンセラミックス成
型体の成型装置は、請求項５ないし請求項９記載の発明
においてグリーンテープをローラで押し付けて相互に接
着させる前に接着面を加熱する加熱手段を設けたもので
ある。

【００１５】次に本発明の作用を説明する。緻密質セラ
ミックスグリーンテープと多孔質セラミックスグリーン
テープとを筒状金型に巻き付けてローラで押し付けて互
に接着させるので緻密質セラミックスと多孔質セラミッ
クスが積層した筒状のグリーンセラミックス積層体を容
易に製作することができる。一般にセラミックスグリー
ンテープは強度が小さく切れ易いのでキャリアテープに
貼付した状態で金型に巻き付けグリーンテープ同志を接
着させてからキャリアテープを離型するのが好ましい
が、セラミックスのグリーンテープ製造の仕方によって
は１．５ｍ程度まで自重でたるませても切れないものも
できつつあるので、その場合にはキャリアテープを省略
する。グリーンテープには面圧を高めるだけでは接着が
不十分な場合があるので、グリーンテープに含まれるバ
インダである有機ワックスを加熱して接着性を増やして
やると界面の接合力が向上し強い接合界面が得られる。
なお、グリーンセラミックス成型体を加熱して脱脂した
後、高温で加熱して焼成すると緻密質セラミックスと多
孔質セラミックスの薄い層が交互に積層した筒状のセラ
ミックス成型体が得られる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態について図
面を参照しつつ説明する。図１は請求項６、請求項７記
載発明のグリーンセラミックス成型体の成形装置の概念
図である。図において、１は円筒状金型である。金型１
はセンタ孔に回転センタ１ｂを押し付けて回転する。金
型１は円筒面の端部であって、グリーンテープの巻き付
けられない部分に当接する駆動ローラ１ａにより回転駆
動される。２はグリーンテープ繰り出し装置で、図のよ
うに金型１を挟んで左右に対峙して配置されており、キ
ャリアテープ５に貼付されたグリーンテープ３をロール
２ａに巻き付けて収容しており、ロール２ａに接続した
図示しないブレーキによりキャリアテープ５のテンショ
ンを調節する。図の右側のグリーンテープ３ａは緻密質
セラミックス用であり、左側のグリーンテープ３ｂは多
孔質セラミックス用である。

【００１７】４は押し付けローラで、中央部がエアーシ
リンダ４ａに支持されたアーム４ｄの両端に取り付けら
れている。エアーシリンダ４ａにはエアー配管４ｅが接
続されており、配管４ｅには切換弁４ｂとアキュムレー
タ４ｃが接続されていて、エアーシリンダ４ａの加圧力
を一定に保持する。なお、エアーシリンダ４ａの加圧力
の調節は押し付けローラの面圧が１〜６Ｍｐａになるよ
うに、図示しない調節弁で空気圧を調節して行われる。

【００１８】６は巻き取り装置で、モータ駆動されたロ
ール６ａにキャリアテープ５を巻き取る。７は案内板で
押し付けローラ４に入る前にキャリアテープ５が平坦に
なるようにしている。８はテープフィーダでキャリアテ
ープ５を牽引する。９はテンションローラでばねにより
支持され、倒れをセンサで検知してテンションが過大に
なった場合に全ての駆動を停止するようになっている。
１０はヒータで、すでに金型１に巻き付けられたグリー
ンテープ３と押し付けローラ４に入る前のグリーンテー
プ３のそれぞれの表面を１００〜１５０℃に加熱し、グ
リーンテープ３に含まれているバインダを溶融させて相
互の接着性を向上させる。

【００１９】１１は曲げ板で、キャリアテープ５を小径
に折り曲げることによりグリーンテープ３から離型す
る。曲げ半径は小さいほど離型がよいが、実験によれば
半径が２ｍｍ程度で十分離型する。なお、キャリアテー
プ５はポリエステル製で厚さは３５〜１００μｍで離型
をよくするため表面にシリコン樹脂のコーティングを施
している。

【００２０】次に本実施形態の作用を説明する。先ず、
グリーンテープ３を製造するドクタ法について説明す
る。図５はドクターブレード法を採用したグリーンテー
プの製造装置の一例を示すもので、図示しないブレーキ
に接続され、キャリアテープ５を巻き付けた従動ロール
ｂからキャリアテープ５を繰り出して駆動ロールａに巻
き付ける。キャリアテープ５はテーブルｉ上を連続走行
する。ｄはキャリアテープ５の上流側に設けられ、セラ
ミックススラリーｃを収容するスラリー溜めである。ス
ラリー溜めｄは下面が開口しており、下流側に設けられ
たドクターブレードｅの下端とキャリアテープ上面との
間に一様なノズルｊを形成している。ドクターブレード
ｅを調節装置ｆにより上下方向に移動させてノズルｊの
開度を調節する。ノズルｊを流出したセラミックスラリ
ーｃはキャリアテープ５上にシート状に形成され、下流
側に配置されたトンネル炉ｇ内で乾燥されてキャリアテ
ープ５には付着したグリーンテープ３となり、駆動ロー
ルａに巻き取られる。ｈ排気ダクトである。

【００２１】次に多孔質セラミックスの製造方法につい
て説明する。多孔質セラミックスの一例として窒化ケイ
素多孔質セラミックスを製造するには、たとえば、特願
平９−２７５６０８号「窒化ケイ素多孔質セラミックス
の製造方法」に記載された方法を用いることができる。
上記の明細書によれば上記製造方法は、「平均粒径が５
〜１２μｍのα型窒化ケイ素粉末の表面に酸化物焼成助
剤ゾルを酸化物成分換算で０．２５〜７％程度になるよ
うにコーティングする第１工程と、コーティングした粉
末に成形助剤を加えて混練し成形する第２工程と、成形
体を脱脂する第３工程と、圧力１〜９ａｔｍの窒素雰囲
気下で１６５０〜１９００℃の温度で１〜６時間焼結す
る第４工程とからなり、３０〜５０％の気孔率を有する
多孔質体を製造する」ものである。そしてその作用は
「アルミナやイットリアなどの酸化物焼結助剤は、１６
５０〜１９００℃の焼結温度では液相となる。５〜１２
μｍの比較的粗大なα型窒化ケイ素粒子の表面に形成さ
れた酸化物焼結助剤の影響によって、α型がβ型に相転
位する。そのとき柱状粒子として成長し、それらが、互
にからみ合ってネットワークを形成する。ネットワーク
は柱状粒子間に気体を含み、３０〜５０％の気孔率を有
する多孔質体を形成する。この多孔質体は快削性に優れ
ていると共に、粒子が大きいので酸化の速度が遅いばか
りでなく、ネットワークを形成しているため、酸化した
後でも有害なクラックや欠陥が発生しない」ことであ
る。

【００２２】緻密質セラミックスは１〜３μｍの窒化ケ
イ素粉末に、たとえば２％アルミナと５％イットリアの
焼結助剤を混合し、それにＰＶＢなどのバインダを混ぜ
て練り合わせたものでグリーンテープ３ａを製造する。

【００２３】緻密質セラミックスグリーンテープ３ａと
多孔質セラミックスグリーンテープ３ｂとを交互に積層
するように筒状金型１に巻き付けて、押し付けローラ４
で押し付けて互に接着させるので、緻密質セラミックス
と多孔質セラミックスが積層した筒状のグリーンセラミ
ックス積層体を容易に製作することができる。一般にセ
ラミックスグリーンテープ３は強度が小さく切れ易いの
で、キャリアテープ５に貼付した状態で金型１に巻き付
け、グリーンテープ３同志を接着されてからキャリアテ
ープ５を離型するのが好ましい。

【００２４】グリーンテープ３は面圧を高めるだけでは
接着が不十分な場合があるので、グリーンテープ３に含
まれるＰＶＢなどのバインダを加熱して接着性を付与し
てやると界面の接合力が向上し強い接合界面が得られ
る。グリーンセラミックス成型体を金型１から離型する
には金型１を−５℃程度まで冷却してもよいが、金型１
の円筒面に多数の細孔を穿設した多孔ロールとし、内部
から加圧するようにしてもよい。多孔ロールであれば金
型１へのグリーンテプ３の巻き初めに内部を減圧してや
ることにより金型１への吸着をよくし巻き初めのトラブ
ルを防止できる。

【００２５】金型１から離型したグリーンセラミックス
成型体は６００〜６３０℃に加熱して脱脂した後、１６
００〜１９００℃で６時間程度焼成して緻密質セラミッ
クスと多孔質セラミックスが積層した筒状のセラミック
ス積層体が得られる。セラミックス積層体は多孔質セラ
ミックス層にクッション性があるので緻密質セラミック
ス層に亀裂が入っても多孔質セラミックス層で亀裂が停
止し、それ以上進行しない。したがって高い損傷許容性
が得られ、高温で高強度の材料としてガスタービン燃焼
器等に無冷却で使用することができる。

【００２６】

【変形例】図２は請求項８記載発明に対応する変形例で
ある。図２において図１と異なるのは、図１ではグリー
ンテープ３からキャリアテープ５を剥離する剥離手段が
曲げ板１１であるのに対し、図２では曲げ板１１に代え
て、キャリアテープ５とグリーンテープ３の剥離点付近
でキャリアテープ５表面に当接するドクターブレード１
２である点であり、その他に異なる点はないので説明を
省略する。なお、ドクターブレード１２は強力な剥離作
用があるので、グリーンテープ３とキャリアテープ５が
剥離しにくい場合に適している。また１３はレーザ変位
計であり、ばね支持されたテンションロール９の変位を
検出している。

【００２７】図３は請求項５記載発明に対応する変形例
である。図３において図１と異なるのはキャリアテープ
５を使用しない点である。したがって、キャリアテープ
巻き取り装置６がない。実験によれば製造条件によって
は１．５ｍ付近まで自重でたるませても切れないグリー
ンテープ３が得られることがわかったので、図３に示す
装置も実用性がある。図において１３はレーザ変位計で
グリーンテープ３のたるみを検出している。グリーンテ
ープ繰り出し装置２Ａには予らかじめキャリアテープ５
から離型して巻き取ったグリーンテープ３を収容してあ
り、繰り出し装置２Ａをモータ駆動してグリーンテープ
３を繰り出すようになっている。グリーンテープ３は非
常に強度が弱いので、引張り過ぎてもたるみ過ぎても切
れてしまうので、たるみ量を一定の範囲内にするように
グリーンテープ繰り出し装置２Ａの繰り出し速度を制御
する。この装置の特徴は構造が簡単である点である。

【００２８】図４は請求項２および請求項９記載発明に
対応する変形例の斜視図で、図１ないし図３が幅の広い
グリーンテープ３を円筒状の金型１に巻き付け、金型１
と同じ幅の押し付けローラ４により押し付けて成形する
のに対し、この方法は、幅を１０〜２０ｍｍに切断した
グリーンテープ３を金型１に螺旋状に巻き付け、テープ
３の幅よりわずかに幅の広いローラ４Ａにより、金型１
に押し付けている。なお、本図にはローラ４Ａは１組し
か現れていないが、他に１組が取り付けられており、緻
密質セラミックスグリーンテープ３ａと多孔質セラミッ
クスグリーンテープ３ｂとを交互に積層して巻き付ける
ようになっている。グリーンテープ繰り出し装置（本図
には図示していないが図３の２Ａに相当する装置）およ
び押し付けローラ４Ａの位置は固定しておき、金型１を
軸方向に往復動させることによりグリーンテープ３を螺
旋状に、かつ、多層に巻き付けることができる。なお、
逆に金型１を固定し、繰り出し装置２Ａおよび押し付け
ローラ４Ａを軸方向に往復動してもよい。この装置によ
れば、図に示すように異径の成型体を製作することがで
きる。この方法で製造したグリーンセラミックス成型体
は両端部に不良部が発生するので、その部分は成型後切
断する。

【００２９】本発明は以上のべた実施形態および変形例
に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範
囲で種々の変更が可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように本発明のグリーンセラ
ミックス成型体の成型方法および成型装置は薄い緻密質
セラミックスグリーンテープと薄い多孔質セラミックス
グリーンテープを筒状の金型に交互に積層するように巻
き付け、押し付けローラで金型に押し付けるので、緻密
質グリーンテープ層と多孔質グリーンテープ層の界面接
着強度の高い筒状のグリーンセラミックス成型体が容易
に製造することができる。グリーンセラミックス成型体
を焼成して得られる積層セラミックス成型体は高温状態
でも高強度を保つとともに、高い損傷許容性を有するな
どの優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願請求項６、請求項７の記載発明のグリーン
セラミックス成型体の成型装置の概念図である。

【図２】本願請求項８記載発明のグリーンセラミックス
成型体の成型装置の概念図である。

【図３】本願請求項５記載発明のグリーンセラミックス
成型体の成型装置の概念図である。

【図４】本願請求項９記載発明のグリーンセラミックス
成型体の成型装置の斜視図である。

【図５】ドクタ法によるグリーンテープの製造装置の概
念図である。

【符号の説明】

１ 金型 ２ グリーンテープ繰り出し装置 ３ グリーンテープ ４ 押し付けローラ ５ キャリアテープ ６ 巻き取り装置 １０ 加熱手段 １１ 曲げ板 １２ ドクターブレード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 茂垣 康弘 東京都江東区豊洲三丁目２番16号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 Ｆターム(参考） 4G055 AA08 AB01 AC08 AC09 BA22 BA46 4G058 CA01 CA02

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転自在な筒状金型の表面に緻密質セラ
   ミックスグリーンテープと多孔質セラミックスグリーン
   テープとを交互に積層するように巻き付けるとともに，
   ローラで押し付けて相互に接着させ筒状のグリーンセラ
   ミックス成型体を成型することを特徴とするグリーンセ
   ラミックス成型体の成型方法。
2. 【請求項２】 筒状金型に幅の狭いグリーンテープを螺
   旋状に巻き付けるようにした請求項１記載のグリーンセ
   ラミックス成型体の成型方法。
3. 【請求項３】 グリーンテープはキャリアテープに貼付
   した状態で筒状金型に巻き付け、キャリアテープを介し
   てローラで押し付けて相互に接着させた後、グリーンテ
   ープからキャリアテープを剥離して巻き取るようにした
   請求項１記載のグリーンセラミックス成型体の成型方
   法。
4. 【請求項４】 グリーンテープを相互に接着させる前に
   接着面を加熱する請求項１ないし請求項３記載のグリー
   ンセラミックス成型体の成型方法。
5. 【請求項５】 回転自在な筒状金型と、金型を挟んで対
   峙して設けられグリーンテープの巻き取りを収容する１
   対のグリーンテープの繰り出し装置と、金型の外周に沿
   って配置されグリーンテープを押し付けて相互に接着さ
   せる押し付けローラとを有してなるグリーンセラミック
   ス成型体の成型装置。
6. 【請求項６】 回転自在な筒状金型と、金型を挟んで対
   峙して設けられキャリアテープに貼付されたグリーンテ
   ープの巻き取りを収容する１対のグリーンテープの繰り
   出し装置と、金型の外周に沿って配置され、キャリアテ
   ープを介してグリーンテープを押し付けて相互に接着さ
   せる押し付けローラと、グリーンテープからキャリアテ
   ープを剥離する剥離手段と、キャリアテープを巻き取る
   巻き取り装置とを有してなるグリーンセラミックス成型
   体の成型装置。
7. 【請求項７】 上記剥離手段は小さな曲率半径を有し、
   キャリアテープの裏面に当接してキャリアテープを折り
   曲げてグリーンテープから引き離す曲げ板である請求項
   ６記載のグリーンセラミックス成型体の成型装置。
8. 【請求項８】 上記剥離手段はキャリアテープとグリー
   ンテープの剥離点付近でキャリアテープ表面に当接する
   ドクターブレードである請求項６記載のグリーンセラミ
   ックス成型体の成型装置。
9. 【請求項９】 筒状金型とグリーンテープ繰り出し装置
   を相対的に軸方向に移動し、幅の狭いグリーンテープを
   金型に螺旋状に巻き付けるようにした請求項５記載のグ
   リーンセラミックス成型体の成型装置。
10. 【請求項１０】 グリーンテープをローラで押し付けて
    相互に接着させる前に接着面を加熱する加熱手段を設け
    た請求項５ないし請求項９記載のグリーンセラミックス
    成型体の成型装置。