JP2023060939A - ceramic structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばドラフト等の排気管、配管及びダクトのフィルタに好適に使用することができるセラミック構造体に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a ceramic structure that can be suitably used, for example, as a filter for exhaust pipes such as drafts, pipes and ducts.
従来から、セラミック粉末を用いた多孔質焼結体が吸音材、触媒等の用途に使用されている(特許文献1)。一般に、このような多孔質焼結体は、無数の微細気孔を有する連通気孔を備えている。 BACKGROUND ART Conventionally, porous sintered bodies using ceramic powder have been used for applications such as sound absorbing materials and catalysts (Patent Document 1). In general, such porous sintered bodies are equipped with interconnected pores having countless fine pores.
ところが、セラミックス多孔質体は強度が弱く、破損しやすいという問題がある。
一方で、セラミックス多孔質体の気孔率を小さくすれば強度は向上するが、セラミックス多孔質体を通過する流体の圧力損失が大きくなるので不適である。
そこで、本発明は、圧力損失を増大させずに強度を向上させることができるセラミック構造体を提供することを目的とする。
However, there is a problem that the ceramic porous body is weak in strength and easily broken.
On the other hand, if the porosity of the ceramic porous body is reduced, the strength is improved, but the pressure loss of the fluid passing through the ceramic porous body increases, which is not suitable.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a ceramic structure capable of improving strength without increasing pressure loss.
上記課題を解決するため、本発明のセラミック構造体は、セラミックの骨格を有し、連通気孔を有する気孔率60~97%のセラミック構造体であって、前記骨格は、Al酸化物を主成分とし、Mg,Ca,Sr,Baの群から選ばれる1種以上の二価元素を合計で0.05~3.0質量%含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the ceramic structure of the present invention has a ceramic skeleton and has a porosity of 60 to 97% with continuous pores, wherein the skeleton is mainly composed of Al oxide. and containing 0.05 to 3.0 mass % in total of one or more divalent elements selected from the group of Mg, Ca, Sr and Ba.
このセラミック構造体によれば、骨格が二価元素を含むことで、骨格のAl酸化物の粒界強度が向上し、セラミック構造体としての強度も向上する。その結果、気孔率を低減する必要がなく、圧力損失を増大させずに強度を向上させることができる。 According to this ceramic structure, since the skeleton contains a divalent element, the grain boundary strength of the Al oxide in the skeleton is improved, and the strength of the ceramic structure is also improved. As a result, there is no need to reduce porosity, and strength can be improved without increasing pressure loss.
本発明のセラミック構造体において、前記骨格の断面を見たとき、前記二価元素の領域の平均アスペクト比が3以上であってもよい。
このセラミック構造体によれば、アスペクト比が3以上の粒子が粒内に存在することで、ク
ラックの進展が抑制されるため、骨格のAl酸化物の粒界強度がさらに向上する。
In the ceramic structure of the present invention, an average aspect ratio of the divalent element region may be 3 or more when the cross section of the skeleton is viewed.
According to this ceramic structure, since the grains having an aspect ratio of 3 or more are present in the grains, the progress of cracks is suppressed, so that the grain boundary strength of the skeleton Al oxide is further improved.
本発明のセラミック構造体において、前記二価元素がアルミネート相を形成してなっていてもよい。
このセラミック構造体によれば、骨格2のAl酸化物の粒界強度がさらに向上する。
In the ceramic structure of the present invention, the divalent element may form an aluminate phase.
According to this ceramic structure, the grain boundary strength of the Al oxide of the
本発明のセラミック構造体において、前記骨格の断面を見たとき、前記骨格内の気孔率が10%以下であってもよい。
このセラミック構造体によれば、骨格の強度がさらに向上する。
In the ceramic structure of the present invention, when the cross section of the skeleton is viewed, the porosity in the skeleton may be 10% or less.
According to this ceramic structure, the strength of the skeleton is further improved.
本発明のセラミック構造体において、前記骨格の表面を見たとき、前記二価元素の領域の平均アスペクト比が3以上であってもよい。
このセラミック構造体によれば、骨格2のAl酸化物の粒界強度がさらに向上する。
In the ceramic structure of the present invention, the average aspect ratio of the divalent element region may be 3 or more when the surface of the skeleton is viewed.
According to this ceramic structure, the grain boundary strength of the Al oxide of the
この発明によれば、圧力損失を増大させずに強度を向上させることができるセラミック構造体が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a ceramic structure whose strength can be improved without increasing pressure loss.
以下に、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係るセラミック構造体10の模式図、図2は、セラミック構造体10の模式断面図である。
Below, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a
図1に示すように、セラミック構造体10は、骨格2と二価元素とを有し、骨格2の隙間Vが空隙である連通気孔を有する。
セラミック構造体10は、例えばドラフト等の排気管、配管及びダクトのフィルタに好適に使用することができる。特に、大きな応力が付加される用途、高温流体や薬品が流れる用途に好適に使用できる。流体は、隙間Vを流れていく。
As shown in FIG. 1, a
The
セラミック構造体10(骨格2)は、例えば連通気孔を有するウレタンスポンジを鋳型とし、このスポンジをセラミック粒子及び有機溶媒等を含むスラリーに含浸させた後に乾燥し、さらに焼成してスポンジを焼失させて製造するテンプレート法により、製造することができる。スポンジが焼失することにより、スポンジの連通気孔と略同一形状の連通気孔を有する、3次元網目構造をなす多孔質セラミックとなる。 The ceramic structure 10 (skeleton 2) is formed by using, for example, a urethane sponge having continuous pores as a mold, impregnating the sponge with a slurry containing ceramic particles, an organic solvent, etc., drying it, and then baking it to burn off the sponge. It can be manufactured by a manufacturing template method. By burning off the sponge, it becomes a porous ceramic having a three-dimensional network structure with communicating pores having substantially the same shape as the communicating pores of the sponge.
セラミック構造体10の気孔率は60~97%であり、80~95%であるとさらに好ましい。
セラミック構造体10の気孔率が60%未満であると、圧力損失が大きくなって流体の流れが不十分となる。セラミック構造体10の気孔率が97%を超えるものは製造が困難であると共に、骨格2が細くなってセラミック構造体10の強度が低下する。
セラミック構造体10の気孔率は、所定寸法(例えば30mm×30mm×30mmであるが、セラミック構造体10がこれより小さい場合はより小さい大きさ)の部位を切り出して質量を測定して密度を算出し、気孔率を算出する。より詳細にはセラミック構造体10(骨格2)の組成分析により理論密度を算出し、算出した理論密度と測定した密度とに基づき気孔率を算出する。
The porosity of the
If the porosity of the
The porosity of the
骨格2は、Al酸化物を主成分とし、Mg,Ca,Sr,Baの群から選ばれる1種以上の二価元素を合計で0.05~3.0質量%含む。主成分とは50質量%を超えることをいう。また、実質的に骨格2は、Al酸化物と二価元素4からなっていてもよい。
ここで、図1に示すように、二価元素は、領域4として骨格2の表面に多数存在している。また、図2に示すように、二価元素は、領域4として骨格2の断面にも多数存在している。
The
Here, as shown in FIG. 1, many divalent elements are present on the surface of the
このように、骨格2が二価元素を含むことで、骨格2のAl酸化物の粒界強度が向上し、セラミック構造体10としての強度も向上する。二価元素の含有量が0.05質量%未満であると、強度が向上しない。二価元素の含有量が3.0質量%を超えると、骨格2のAl酸化物の異常粒の成長が促進され、強度が低下する。
骨格2に含まれる二価元素の合計含有量はICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)で測定できる。
Since the
The total content of divalent elements contained in the
図2に示す骨格2の断面を見たとき、二価元素の領域4の平均アスペクト比が3以上であると、アスペクト比が高い粒子が粒内に存在することで、クラックの進展が抑制されるため、骨格2のAl酸化物の粒界強度がさらに向上する。
ここで、平均アスペクト比は、次のようにして求める。まず、図2に示すように、骨格2の断面のEDS(エネルギー分散型X線分析)像における300×300μmの視野ARにおいて、二価元素の組成を示す領域4を判別し、領域4が5個以上ある視野ARを得る。そして、その視野AR内の二価元素の各領域4の輪郭に基づいて長辺と短辺を画像解析ソフトウェア(例えば、画像解析・画像計測・画像処理ソフトウェアWinROOF)で取得し、アスペクト比を算出する。各領域4のアスペクト比を平均して平均アスペクト比とする。
Looking at the cross section of the
Here, the average aspect ratio is obtained as follows. First, as shown in FIG. 2, in a 300×300 μm field of view AR in the EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy) image of the cross section of the
なお、例えば図2の視野ARの右上には、二価元素の領域4の一部が含まれるが、このように視野ARの境界で分断される二価元素の領域4はアスペクト比の算出に含めない。たとえば、図2では、視野AR内に完全に含まれる5個の領域4についてのみ、それぞれアスペクト比を算出する。
For example, the upper right portion of the field of view AR in FIG. 2 includes a part of the
二価元素がアルミネート相を形成してなると、骨格2のAl酸化物の粒界強度がさらに向上する。
二価元素がアルミネート相を形成しているか否かは、骨格2を粉砕した粉末のXRD(X線回折:例えばリガク社の製品名Smart Lab)にてアルミネート相のピークを検出したか否かで判別できる。
アルミネート相は、BaO・6Al2O3(バリウムヘキサアルミネート)、BaAl2Si28(セルシアン)、BaAl12O19 等を挙げることができる。
When the divalent element forms an aluminate phase, the grain boundary strength of the Al oxide of the
Whether or not the divalent element forms an aluminate phase is determined by detecting the peak of the aluminate phase by XRD (X-ray diffraction: for example, Rigaku's product name Smart Lab) of the powder obtained by pulverizing the
The aluminate phase includes BaO.6Al 2 O 3 (barium hexaaluminate), BaAl 2 Si 28 (celsian), BaAl 12 O 19 and the like.
また、図2に示すように、骨格2の断面を見たとき、骨格2内の気孔率が10%以下であると、骨格2の強度がさらに向上するので好ましい。
骨格2内の気孔率は、骨格2の断面SEMの反射電子像の100×100μmの視野にて、マトリクス(骨格2のAl酸化物)と、それよりも暗い部位を区別できるような設定で像を二値化する。そして、視野における暗部の面積比を求めて気孔率とする。マトリクスよりも暗い部位は、骨格2の空隙Gとみなせるからである。
Further, as shown in FIG. 2, when the cross section of the
The porosity in the
さらに、図1に示す骨格2の表面を見たとき、二価元素の領域4の平均アスペクト比が3以上であると、骨格2のAl酸化物の粒界強度がさらに向上する。
骨格2の表面における二価元素の領域4の平均アスペクト比の算出は、骨格2の表面のEDS像における300×300μmの視野ARにおいて、骨格2の断面における平均アスペクト比の算出と同様に行う。
Furthermore, when viewing the surface of the
The calculation of the average aspect ratio of the
なお、図3に示す実際のセラミック構造体10の断面のEDS像では、二価元素の領域4の内部にも骨格2の空隙Gが存在していることがわかる。
In addition, in the EDS image of the cross section of the actual
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
セラミック構造体の形状は限定されず、多角柱や多角筒、楕円、不定形であってもよい。
It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but extends to various modifications and equivalents within the spirit and scope of the present invention.
The shape of the ceramic structure is not limited, and may be a polygonal column, a polygonal cylinder, an ellipse, or an irregular shape.
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these.
連通気孔を有するウレタンスポンジを鋳型とし、このスポンジを、セラミック粒子(アルミナ)、表1に示す二価の元素を含む粒子やコロイド粒子、錯体及び有機溶媒を含むスラリーに含浸させた後に焼成し、スポンジを焼失させた。これにより、連通気孔を有する所定の気孔率の酸化物セラミックからなるセラミック構造体10を製造した。セラミック構造体10の寸法は、30×30×7mm厚の直方体とした。
なお、セラミック構造体10の気孔率は、ウレタンスポンジを変えてそれぞれ表1に示す値に調整した。また、断面のアスペクト比および表面のアスペクト比は、焼成条件(焼成温度、所定の温度に保持する時間等)を各サンプルごとに変更することで調整した。また、前記焼成条件を変更することでアルミネート相の形成有無も調整して製造した。
A urethane sponge having continuous pores is used as a mold, and this sponge is impregnated with a slurry containing ceramic particles (alumina), particles or colloidal particles containing a divalent element shown in Table 1, a complex and an organic solvent, and then baked. Burned out the sponge. As a result, a
The porosity of the
セラミック構造体10及び骨格2の気孔率を上述の方法で測定した。
骨格2の断面及び表面の二価元素のアスペクト比を上述の方法で測定した。
二価元素がアルミネート相を形成しているか否かを上述の方法で測定した。
The porosities of the
The aspect ratios of the divalent elements in the cross section and surface of the
Whether or not the divalent element forms an aluminate phase was determined by the method described above.
セラミック構造体10の圧縮強度は、オートグラフ(島津製作所製の AGX-X)により厚み方向に圧縮させ、破壊したときの強度を測定した。圧縮強度が0.5MPaを超えれば強度が高いといえる。
セラミック構造体10の圧力損失は、循環恒温液槽へ室温のエアーを一定の流量(5~25 L/min の範囲内)で流したときの圧力損失として測定した。圧力損失が3.0Pa以下であれば圧力損失が少ないといえる。
The compressive strength of the
The pressure loss of the
得られた結果を表1に示す。 Table 1 shows the results obtained.
表1から明らかなように、セラミック構造体の気孔率が60%以上、二価元素を合計で0.05~3.0質量%含む各実施例の場合、圧力損失を増大させずに強度を向上させることができた。
特に、骨格断面の二価元素の平均アスペクト比が3以上である実施例13~20の場合、気孔率及び二価元素の組成が同等の実施例2に比べて強度がさらに向上した。
二価元素がアルミネート相を形成した実施例16~20の場合、気孔率、二価元素の組成及び断面の平均アスペクト比が同等の実施例13に比べて強度がさらに向上した。
骨格内の気孔率が10%以下である実施例18~20の場合、他の条件が同等の実施例16に比べて強度がさらに向上した。
As is clear from Table 1, in each example in which the porosity of the ceramic structure is 60% or more and the total amount of divalent elements is 0.05 to 3.0% by mass, the strength is increased without increasing the pressure loss. I was able to improve.
In particular, in Examples 13 to 20 in which the average aspect ratio of divalent elements in the cross section of the skeleton was 3 or more, the strength was further improved compared to Example 2 in which the porosity and the composition of divalent elements were the same.
In Examples 16 to 20 in which the divalent element formed an aluminate phase, the strength was further improved compared to Example 13 in which the porosity, the composition of the divalent element and the average aspect ratio of the cross section were the same.
In Examples 18 to 20, in which the porosity in the skeleton was 10% or less, the strength was further improved compared to Example 16, in which other conditions were equivalent.
一方、セラミック構造体の気孔率が60%未満の比較例1の場合、各実施例に比べて圧力損失が増大した。
二価元素の合計含有量が0.05質量%未満の比較例2の場合、各実施例に比べて強度が低下した。
On the other hand, in the case of Comparative Example 1 in which the porosity of the ceramic structure is less than 60%, the pressure loss increased compared to each example.
In Comparative Example 2, in which the total content of divalent elements is less than 0.05% by mass, the strength was lower than that of each example.
2 骨格
4 二価元素の領域
10 セラミック構造体
2
Claims (5)
前記骨格は、Al酸化物を主成分とし、Mg,Ca,Sr,Baの群から選ばれる1種以上の二価元素を合計で0.05~3.0質量%含むことを特徴とするセラミック構造体。 A ceramic structure having a ceramic skeleton and a porosity of 60 to 97% with continuous pores,
A ceramic characterized in that the skeleton contains Al oxide as a main component and contains 0.05 to 3.0% by mass in total of one or more divalent elements selected from the group of Mg, Ca, Sr, and Ba. Structure.
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