JP2016044122A - 成形体を生成するための方法および成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】高い機械的安定性を与えるとともに、電気特性またはトライボロジー特性に関して調整され得る成形体を生成するための方法の提供。
【解決手段】シリコンカーバイド支持マトリックス５０と一体のカーボン構造とを有する成形体２２を生成するための方法および成形体に関し、シリコンカーバイド５０またはシリコンとカーボンとを含有する粉末混合物５３と結合剤５１とに基づく基体が生成的な方法で層状に形成され、結合剤５１が硬化された後に成形体を実現するために基体の熱分解５６が行なわれ、カーボン構造のカーボン含有量は、結合剤５１の熱分解によって、および、粉末混合物５３のカーボン含有量、または、シリコンカーバイド支持マトリックス５０中ヘのカーボン材料の浸透によって調整される。
【選択図】図８

Description

本発明は、シリコンカーバイド支持マトリックスと一体のカーボン構造とを有する成形体を生成するための方法であって、シリコンカーバイドまたはシリコンとカーボンとを含有する粉末混合物と結合剤とに基づく基体が生成的な方法で層状に形成され、結合剤が硬化された後に成形体を実現するために基体の熱分解が行なわれ、カーボン構造のカーボン含有量は、結合剤の熱分解によって、および、粉末混合物のカーボン含有量、または、シリコンカーバイド支持マトリックス中ヘのカーボン材料の浸透によって調整される、方法に関する。

粉末状または粒状の材料と結合剤とに基づいて成形体が生成される方法は、３Ｄ印刷という用語によっても知られ、その実行のため、例えばレーザ印刷機器或いはいわゆる「マルチジェットモデリング」機器を使用して、予め設定された設計データに基づいて成形体を層状に形成する。

これに関し、基体を形成するのに役立つベース材料に対して、例えばフェノール樹脂として構成されて硬化後の成形体の寸法安定性を保証する結合剤を与えることも知られている。

本発明は、一方では高い機械的安定性を与えるとともに、他方ではその電気特性またはトライボロジー特性に関して調整され得る成形体を生成するための方法を提案するという課題に基づく。

この課題を解決するために、請求項１の特徴を有する方法が提案される。

本発明に係る方法は、シリコンカーバイド支持マトリックスと一体のカーボン構造とを有する成形体であって、シリコンカーバイド支持マトリックスのおかげにより高い機械的安定性を与えるとともに、一体となるように実現されるカーボン構造のおかげによりその電気特性またはトライボロジー特性に関して調整できる成形体の生成を可能にする。

本発明によれば、シリコンカーバイドまたはシリコンとカーボンとを含有する粉末混合物と結合剤とに基づいて基体が生成的な方法で初めに形成され、成形体を実現するための後続の方法ステップにおいて前記基体が熱分解され、それにより、カーボン構造のカーボン含有量は、結合剤の熱分解により生成されたパイロカーボンによって調整され、粉末混合物のカーボン含有量、及び／又は、適用可能な場合には、他のカーボン材料を浸透させることによって調整される。

本発明の文脈内において、カーボン含有量という用語は、カーボン構造を実現するその全体として結合されていないカーボンを指す遊離カーボンを意味するものである。

好ましくは、粉末混合物は重量０〜３０％のカーボン含有量を有し、この場合、粉末混合物のカーボン含有量は、粉末混合物が比較的僅かなシリコンカーバイドしか有さない或いはシリコンカーバイドを全く有さない場合には、示唆された範囲の上限の範囲内にある可能性が高い。

粉末混合物が重量１０〜２０％のカーボン含有量を有すれば特に好ましい。
粉末混合物が０．５〜１００μｍの平均粒径Ｄ_s50の粒子を有するＳｉＣ粒子画分を与える場合には、特に完全に混合された粉末混合物が得られる。また、成形体の望ましい物理特性を容易に調整できる。
平均粒径Ｄ_s50が２〜６０μｍであれば特に良好な結果を得ることができる。

成形体のカーボン含有量を調整するために、基体の熱分解後に、シリコンカーバイド支持マトリックスにポリマーとして実現されるカーボン材料を浸透させ、前記カーボン材料がその後の熱分解の助けによってカーボンへと変換される場合には、支持マトリックスを補強するために、シリコンカーバイド支持マトリックス中に依然として存在する場合がある任意の遊離シリコンを同時にシリコンカーバイドへと変換することができるとともに、カーボン構造を実現するために任意の過剰なパイロカーボンを使用することができる。

あるいは、当然のことながら、煤懸濁物として或いはカーボンの蒸着によってカーボンを基体中へ導入する可能性もあり、したがって、前記基体にカーボンを浸透させる可能性もある。

そのような態様で導入されたカーボンは、部分的には、シリコンカーバイド支持マトリックス中に含まれる遊離シリコンとの反応焼成において、シリコンカーバイド支持マトリックスを補強するのに役立ってもよく、また、部分的には、カーボン構造を形成するために使用されてもよい。

好ましくは、シロキサン、シラザン、カルボシロキサン、カルボシラザン、または、カルボシランなどのシリコン含有ポリマーまたはシリコンカーバイド含有ポリマーがポリマーとして使用される。

一例として先に言及されたポリマーに代えて或いは該ポリマーと組み合わせて、ポリイミドおよびシアン酸塩エステル樹脂などのプレポリマーが使用されてもよい。

フェノール樹脂、フラン樹脂、シアン酸塩エステル樹脂がポリマーとして使用される場合には、基体を形成するために前記ポリマーを同時に結合剤として使用することもできる。

方法の他の有利な変形にしたがって、熱分解後にシリコンカーバイド支持マトリックスにシリコンが浸透される場合には、所望の含有量の遊離カーボンを有するカーボン構造を得るために、少なくとも部分的には後続の反応焼成によって、シリコンカーバイド支持マトリックス中に形成される場合がある任意の遊離カーボンをシリコンカーバイドへ変換することができる。

好ましくは、シリコンカーバイドの蒸着によってシリコンカーバイド支持マトリックスにシリコンカーバイドが浸透され、この場合、特に所望の浸透深さに応じて、ＣＶＩ法またはＣＶＤ法が利用されてもよい。

熱分解後に行なわれるシリコンカーバイド支持マトリックスに対するシリコンまたはシリコンカーバイドの更なる浸透は、腐食からの保護として及び機械的な保護としてカーボン構造を封入することを可能にし、その場合、支持マトリックスに対するシリコンの浸透は、特に、成形体を液状シリコン中に浸すことによって、あるいは、「液状シリコン浸透」法を適用することによって行なわれてもよい。

シリコンを浸透させる代わりに、あるいは、シリコンを浸透させることに加えて、好ましくはシリコンカーバイドの蒸気分離によって支持マトリックスにシリコンカーバイドが浸透されてもよい。要件にしたがって、シリコンカーバイド中への前記連続封入がＣＶＩ法またはＣＶＤ法の実行によって行なわれてもよく、それにより、ＣＶＩ法の場合には、特に、支持マトリックス中へのシリコンカーバイドのより深い浸透が可能となり、一方、ＣＶＤ法の適用は、成形体の外輪郭を封入するシリコンカーバイド層の形成をより強力に可能にする。

本発明に係る成形体は、請求項１５の特徴を有する。
本発明によれば、成形体は、シリコンカーバイドまたはシリコンとカーボンとを含有する粉末混合物と結合剤とに基づいて生成的な方法で層状に形成される基体を有する、シリコンカーバイド支持マトリックスと一体のカーボン構造とを与え、この場合、成形体は重量１０〜３０％のカーボン含有量を有する。

本発明に係る成形体は、シリコンカーバイド支持マトリックスのおかげにより高い機械的安定性を与えるとともに、そのカーボン含有量によってその電気特性またはトライボロジー特性に関して規定される。ここでは、特に、一体のカーボン構造を実現する成形体中の遊離カーボンの割合を意味するカーボン含有量によって、成形体の電気伝導率を調整できる。同様に、成形体の固体潤滑挙動がカーボン含有量によって影響されてもよい。

好ましくは、成形体を実現するための材料は、１５０〜８００マイクロオームの比抵抗を有する。

成形体を実現するための材料が３００〜６００マイクロオームの比抵抗を有すれば特に好ましい。
特に好ましい実施形態では、成形体がシェル状となるように構造化され、それにより、例えば電気的に加熱され得るベアリングシェルとして或いはスリーブ状加熱素子としての形態を意味する、技術的用途に適合される成形体の形態が可能となる。

成形体が格子構造として実現されれば、多孔質であるとともに依然として特に安定した設計が可能である。

本発明に係る成形体は、特に多くの用途を有することによって特徴付けられ、それにより、本発明に係る成形体は、好適には、抵抗加熱素子として或いはスタティックミキサーとしても実現されて使用され得るものであり、スタティックミキサーは、特に、貫流軸の方向でスタティックミキサーを通じて流れる媒体を均質化するために利用され得る。そのようなスタティックミキサーは、例えば、多孔質バーナーの燃焼域として利用されてもよく、あるいは、合成ガスを形成するときに利用されてもよい。

また、成形体の有利な適用分野は軸受体としての使用にあり、その場合、カーボン構造の固体潤滑特性が使用される。

以下、図面を使用して、方法の好ましい変形、および、該方法を用いて生成された成形体の様々な実施形態について更に詳しく説明する。

抵抗加熱素子として実現される成形体を示す。 抵抗加熱素子として実現される成形体を示し、図１に示される抵抗加熱素子の組織の概略図を示す。 シリコンカーバイド支持マトリックスを示す。 ポリマーがフェノール樹脂として実現されるとともに支持マトリックス中へ浸透される、図３に示される組織を示す。 ポリマーを熱分解カーボンへ変換するために熱分解が行なわれた後の図４に示される組織を示す。 スタティックミキサーとして実現される成形体を示す。 成形体の格子構造を示す。 成形体を生成するための方法の概略図を示す。

図１は、「トンネルヒータ」として実現される抵抗加熱素子を示し、この抵抗加熱素子は、管状となるように実現されるとともに、丸い円形断面を有するように実現される。抵抗加熱素子は薄い管壁１１を有する成形体２２を成し、該成形体２２は、２つのスリット１２、１３の形態を成す開口を含む。スリット１２、１３は、抵抗加熱素子１０の下端１４の領域において、抵抗加熱素子の長手方向で直線状になるように実現され、このようにすることで、ここでは更に詳しく示されない接続装置の接続接点に対して抵抗加熱素子１０を接続するための２つの接続面１５、１６が形成される。

成形体２２の中心領域１７において、スリット１２、１３は、いずれの場合にも、抵抗加熱素子の上端１８の方まで管壁１１の外周に沿って長手方向に螺旋状に延びる。このようにして、スリット１２、１３は２つの加熱コイル１９、２０を形成し、これらの加熱コイル１９、２０は、それらの上端が環状部３２で互いに連結される。抵抗加熱素子は、動作中、実質的に加熱コイル１９、２０の領域で加熱される。抵抗加熱素子は、一体部品を成して実現されるとともに、実質的にシリコンカーバイドとカーボンとから成る。

図２は、図１に示される成形体２２の組織断面の一部の概略拡大図を示す。この組織はシリコンカーバイド支持マトリックス２１を有し、この場合、シリコンカーバイド支持マトリックス２１中にカーボン構造２３が組み込まれる。内壁面２４および外壁面２５にはシリコンカーバイドコーティング２６または２７が設けられる。

図３〜図５では、組織図を使用して、図２に示されている成形体２２の組織を生成するための一連の方法ステップを一例として説明する。

図３は、結合剤粒子２９を介して互いに連結されるシリコンカーバイド粒子２８を有する基体の組織を示す。基体は、硬化された結合剤粒子２９によってその寸法安定性を得る。

図４は、ポリマー粒子３０を有する組織を示し、ポリマー粒子３０は、基体のシリコンカーバイド支持マトリックス２１に組み込まれるとともに、例えばフェノール樹脂から形成される。

図５は熱分解処理後にカーボン粒子３１へと変換されたポリマー粒子３０を示しており、これにより、シリコンカーバイド支持マトリックス２１中にカーボン構造２３を実現する。

最後に、内壁面２４上で図２に示されているシリコンカーバイドコーティング２６を実現するため、および、抵抗加熱素子１０の外壁面２５上でシリコンカーバイドコーティング２７を実現するために、シリコンカーバイド粒子２８を用いたコーティングがＣＶＤ法によって行なわれる。

図６は、スタティックミキサーとして実現されるとともに、貫流軸４１に関してその軸方向端部４２、４３のそれぞれに電気接続ユニット４４が設けられる成形体４０を示し、前記ユニットは、この場合にはグラファイト材料から形成されるとともに、成形体４０へ或いは成形体４０から電流を供給する役目を果たす。

スタティックミキサーとして実現される成形体４０は、成形体４０の交絡材料クロスピース４６、４７から形成される三次元格子構造４５を有する。ここで、特に、接続ユニット４４を何ら伴わない成形体４０を例示する図７が示すように、材料クロスピース４６、４７は相互貫入クロスピース平面４８、４９内で延在する。例えば３Ｄ印刷法を意味する生成的な方法で格子構造４５が層状に形成される結果として、材料クロスピース４６、４７が互いに一体に連結される。

一例として、図８は、図１、６、７に示されて一例として抵抗加熱素子（図１）として或いはスタティックミキサー（図６）として構成される成形体２２、４０を生成するための方法を示す。

図８に示されている方法は粉末混合物５０の生成から始まり、粉末混合物５０は、ある割合のシリコンカーバイドまたはシリコンとカーボンとを有してもよく、あるいは、ある割合のシリコンカーバイドとシリコンとカーボンとを有してもよく、また、粉末混合物５０には、結合剤５１として、カーボンを含有する合成樹脂、例えばフェノール樹脂が加えられ、それにより、その後、均質化段階５２において均質化された混合物５３が生成され、前記混合物は、３Ｄ印刷ユニット５４へ供給されるとともに、層形成プロセスにおいて基体５５へと変換され、この基体は、炉作業において硬化後に熱分解５６に晒される。熱分解の結果として、結合剤５１がカーボンへ変換されるとともに、粉末混合物５０の任意の割合のカーボンおよびシリコンが反応焼成によって一様にシリコンカーバイドへ変換される。

熱分解の結果が機械的に安定した成形体２２、４０であり、カーボン構造を実現するためのこの成形体の遊離カーボンの割合は、粉末混合物５０の組成によって、あるいは、シリコンおよびカーボンの反応焼成後に残存する遊離カーボンの残存割合によって決定される。

成形体２２、４０の表面に残存し得るとともにシリコンカーバイド支持マトリックス中に封入形態で存在しない任意の割合の遊離カーボンは、シリコンを浸透させた後、更なる炉作業で行なわれ得るその後の反応焼成において、シリコンカーバイドへと変換され得る。

更なる炉作業において、反応焼成後に、シリコンカーバイド支持マトリックス中に或いは成形体の表面に任意の遊離シリコンが存在しないようにするために、真空雰囲気中で遊離シリコンを蒸発させることができる。

Claims (22)

1. シリコンカーバイド支持マトリックス（２１）と一体のカーボン構造（２３）とを有する成形体（２２、４０）を生成するための方法であって、シリコンカーバイドまたはシリコンとカーボンとを含有する粉末混合物（５０）と結合剤（５１）とに基づく基体が生成的な方法で層状に形成され、前記結合剤が硬化された後に前記成形体を実現するために前記基体の熱分解（５６）が行なわれ、前記カーボン構造のカーボン含有量は、前記結合剤の熱分解によって、および、前記粉末混合物のカーボン含有量、または、前記シリコンカーバイド支持マトリックス中ヘのカーボン材料の浸透によって調整される、方法。
2. 前記粉末混合物（５０）が重量０〜３０％のカーボン含有量を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記粉末混合物（５０）が重量１０〜２０％のカーボン含有量を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記粉末混合物（５０）は、０．５〜１００μｍの平均粒径Ｄ_s50の粒子を有するＳｉＣ粒子画分を与えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記平均粒径Ｄ_s50が２〜６０μｍであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記平均粒径Ｄ_s50が３〜１０μｍであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記成形体（２２、４０）のカーボン含有量を調整するために、前記基体の前記熱分解（５６）後に、前記シリコンカーバイド支持マトリックス（２１）にポリマーを浸透させ、前記ポリマーは、その後の熱分解の助けによってカーボンへと変換されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ポリマーとして、特にシロキサン、シラザン、カルボシロキサン、カルボシラザン、カルボシランなどのシリコン含有ポリマーまたはシリコンカーバイド含有ポリマーが使用されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記ポリマーとして、特にポリイミド、シアン酸塩エステル樹脂などのプレポリマーが使用されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記ポリマーとして、フェノール樹脂、フラン樹脂、シアン酸塩エステル樹脂が使用されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
11. 前記熱分解（５６）後に前記シリコンカーバイド支持マトリックス（２１）にシリコンが浸透されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記熱分解（５６）後に前記シリコンカーバイド支持マトリックス（２１）にシリコンカーバイドが浸透されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
13. シリコンカーバイドの蒸着によって前記シリコンカーバイド支持マトリックス（２１）にシリコンカーバイドが浸透されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. シリコンカーバイドの前記蒸着がＣＶＩ法及び／又はＣＶＤ法で行なわれることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. シリコンカーバイド支持マトリックス（２１）と一体のカーボン構造（２３）とを有する成形体（２２、４０）であって、シリコンカーバイドまたはシリコンとカーボンとを含有する粉末混合物（５０）と結合剤（５１）とに基づいて生成的な方法で層状に形成される基体を有し、前記成形体が重量１０〜３０％のカーボン含有量を有する、成形体（２２、４０）。
16. 前記成形体（２２、４０）を実現するための材料は、１５０〜８００マイクロオームの比抵抗を有することを特徴とする請求項１５に記載の成形体。
17. 前記成形体（２２、４０）を実現するための材料は、３００〜６００マイクロオームの比抵抗を有することを特徴とする請求項１５に記載の成形体。
18. シェル状の実現を特徴とする請求項１５から１７のいずれか一項に記載の成形体。
19. 格子構造（４５）としての実現を特徴とする請求項１５から１７のいずれか一項に記載の成形体。
20. 抵抗加熱素子としての使用を特徴とする請求項１５から１９のいずれか一項に記載の成形体。
21. スタティックミキサーとしての使用を特徴とする請求項１５から１９のいずれか一項に記載の成形体。
22. 軸受体としての使用を特徴とする請求項１５から１９のいずれか一項に記載の成形体。

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