JP2023072682A - Ceramic structure and method for manufacturing the same - Google Patents

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俊介 村上
Shunsuke Murakami
香菜子 大志万
Kanako Oshima
康志 清水
Koji Shimizu
伸浩 安居
Nobuhiro Yasui
千明 有井
Chiaki ARII
知浩 海野
Tomohiro Unno
浩司 西川
Koji Nishikawa
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Abstract

To provide a technology for manufacturing a silica alumina-based ceramic structure having higher densification and more improved in mechanical strength than a silica-based ceramic, using a direct modeling method.SOLUTION: A ceramic structure has a region formed of an oxide including Si and Al, a region formed of mullite, and a region formed of aluminum oxide, wherein a mole ratio SiO2/Al2O3 in terms of oxide satisfies 0.1/0.9 to 0.7/0.3.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、直接造形方式によって得られるラミックス構造体およびその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a ceramics structure obtained by a direct molding method and a manufacturing method thereof.

試作品や少数物品を製造する手段として、製造対象である三次元モデルの形状データに基づいて材料を付加して所望の構造体を得る、付加製造技術が普及しつつある。金属製物品の製造においては、レーザービームを金属粉末に照射して粉末を固化させて造形する、直接造形方式が広く採用されている。この方法によれば、金属粉末を効果的に溶融および凝固させることによって、多様な物品を得ることが可能である。 As a means of manufacturing prototypes and small-lot products, additive manufacturing technology is becoming widespread, in which materials are added based on shape data of a three-dimensional model to be manufactured to obtain a desired structure. In the manufacture of metal articles, a direct molding method is widely employed in which a metal powder is irradiated with a laser beam to solidify the powder for molding. According to this method, various articles can be obtained by effectively melting and solidifying the metal powder.

近年では、セラミックス粉末を用いた付加製造技術を確立するための取り組みがなされている。酸化アルミニウムや酸化ジルコニウムなどの一般的なセラミックスは、金属とは異なり、レーザービームの波長に対する吸収能が低いため、セラミックス粉末を溶融させるには多くの高いエネルギーを投入する必要がある。ところが、多くのエネルギーを投入しても、レーザービームが拡散して溶融が不均一となり、必要な造形精度を得ることが難しい状況にあった。 In recent years, efforts have been made to establish additive manufacturing techniques using ceramic powders. Unlike metals, common ceramics such as aluminum oxide and zirconium oxide have low absorptivity to the wavelength of the laser beam. However, even if a large amount of energy is input, the laser beam spreads and melts unevenly, making it difficult to obtain the necessary molding precision.

特許文献1には、照射するレーザービームの波長に対する吸収能が高い吸収体を原料粉末に添加してビームの拡散を抑制し、高い造形精度を実現する技術が開示されている。特許文献2には、照射するレーザービームの波長に対する吸収能が高い吸収体を添加した、二酸化ケイ素を主成分とする粉末を原料として、直接造形方式にてセラミックス構造体を製造する技術が開示されている。 Patent Literature 1 discloses a technique of adding an absorber having high absorptivity to the wavelength of a laser beam to be irradiated to a raw material powder to suppress beam diffusion and achieve high molding accuracy. Patent Literature 2 discloses a technique for manufacturing a ceramic structure by a direct molding method using powder containing silicon dioxide as a main component, to which an absorber having high absorbability for the wavelength of the irradiated laser beam is added. ing.

特開2019-19051号公報JP 2019-19051 A 特開2021-66177号公報JP 2021-66177 A

特許文献1には、吸収体としてTbを添加した、Al-ZrO系の粉末やAl-SiO系の粉末が記載されている。また、特許文献2には、吸収体としてSiOを添加した、Al-SiO系の粉末が記載されている。SiOは安価で入手容易であることから、Al-SiO系の粉末は、セラミックス構造体を安定的に低コストで製造できる点で特に好ましい。 Patent Document 1 describes an Al 2 O 3 —ZrO 2 -based powder and an Al 2 O 3 —SiO 2 -based powder to which Tb 4 O 7 is added as an absorber. Further, Patent Document 2 describes an Al 2 O 3 —SiO 2 -based powder to which SiO is added as an absorber. Since SiO 2 is inexpensive and readily available, Al 2 O 3 —SiO 2 -based powders are particularly preferable in that ceramic structures can be stably produced at low cost.

ところが、特許文献1や特許文献2のように、直接造形方式を用いてSiOの割合が70モル%を超える原料粉末から得られる造形物は、多孔質となり、機械部品や医療部品などの構造部品として用いるには機械的強度が不足する傾向がみられる。 However, as in Patent Literature 1 and Patent Literature 2, molded objects obtained from raw material powders with a SiO2 ratio of more than 70 mol% using a direct molding method become porous, and the structures of mechanical parts, medical parts, etc. Mechanical strength tends to be insufficient for use as parts.

本発明に係るSiとAlを含むセラミックス構造体は、ムライトからなる領域と、前記ムライトよりもSiの割合の多いSiとAlを含む酸化物からなる領域と、酸化アルミニウムからなる領域とを有しており、酸化物換算のモル比SiO/Alが、0.1/0.9~0.7/0.3を満たすことを特徴とする。 A ceramic structure containing Si and Al according to the present invention has a region made of mullite, a region made of an oxide containing Si and Al having a higher proportion of Si than the mullite, and a region made of aluminum oxide. and the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 in terms of oxide satisfies 0.1/0.9 to 0.7/0.3.

また、本発明に係るセラミックス構造体の製造方法は、(i)二酸化ケイ素粒子と、酸化アルミニウム粒子と、照射されるレーザービームに含まれる波長の光に対して、シリカやアルミナよりも高い光吸収能を示す吸収体粒子と、を含み、酸化物換算のモル比SiO/Alが酸化物換算で0.1/0.9~0.7/0.3を満たす粉末を配置する工程と、(ii)前記粉末にレーザービームを照射して、前記粉末を溶融させた後凝固させる工程と、(iii)前記工程(i)および(ii)を複数回おこなって得られる造形物を、最高到達温度が1595℃以上1730℃未満となるように加熱処理する工程と、を有することを特徴とする。 Further, the method for producing a ceramic structure according to the present invention includes (i) silicon dioxide particles, aluminum oxide particles, and a higher light absorption than silica or alumina with respect to light of a wavelength contained in an irradiated laser beam. and a powder having a molar ratio of SiO 2 /Al 2 O 3 in terms of oxide satisfying 0.1/0.9 to 0.7/0.3 in terms of oxide. (ii) irradiating the powder with a laser beam to melt and then solidify the powder; and (iii) a shaped object obtained by performing the steps (i) and (ii) multiple times. and a step of heat-treating so that the highest temperature reaches 1595°C or more and less than 1730°C.

本発明によれば、直接造形方式を用いて、機械的強度の高いセラミックス構造体を安価に製造することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to manufacture a ceramic structure with high mechanical strength at low cost using a direct molding method.

粉末床溶融結合方式による造形物の製造方法の一実施形態を模式的に示す概略断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an embodiment of a method for manufacturing a modeled object by a powder bed fusion method; クラッディング方式による造形物の製造方法の一実施形態を模式的に示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an embodiment of a method for manufacturing a modeled object by a cladding method; FIG. (a)は本発明の典型的なセラミックス構造体のある断面におけるSEM像、(b)は前記断面におけるAlの元素マッピング画像、(c)は前記断面におけるSiの元素マッピング画像である。(a) is an SEM image of a cross section of a typical ceramic structure of the present invention, (b) is an Al elemental mapping image of the cross section, and (c) is an Si elemental mapping image of the cross section. (a)は実施例19にかかるセラミックス構造体のある断面におけるSEM像、(b)は前記断面におけるAlの元素マッピング画像、(c)は前記断面におけるSiの元素マッピング画像である。(a) is an SEM image of a certain cross section of the ceramic structure according to Example 19, (b) is an Al elemental mapping image in the cross section, and (c) is an Si elemental mapping image in the cross section. (a)は実施例20にかかるセラミックス構造体のある断面におけるSEM像、(b)は前記断面におけるAlの元素マッピング画像、(c)は前記断面におけるSiの元素マッピング画像である。(a) is an SEM image of a certain cross section of the ceramic structure according to Example 20, (b) is an Al elemental mapping image in the cross section, and (c) is an Si elemental mapping image in the cross section.

以下、本発明の実施形態を、具体例を挙げたり図面を参照したりしながら説明を行うが、本発明は以下の具体例や図面になんら限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with specific examples and with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following specific examples or drawings.

本発明には、直接造形方式の中でも、粉末床溶融結合方式および指向性エネルギー積層方式(いわゆるクラッディング方式)が好適に用いられる。 Among the direct molding methods, the powder bed fusion bonding method and the directed energy lamination method (so-called cladding method) are preferably used in the present invention.

本明細書では、二酸化ケイ素をシリカあるいはSiO、酸化アルミニウムをアルミナやAlと記述する場合がある。二酸化ケイ素は、複数の異なる結晶形を有しているが、非晶質、結晶質、結晶構造などの状態は問わない場合は、単に二酸化ケイ素あるいはシリカあるいは化学式でSiOと記述する。 In this specification, silicon dioxide may be described as silica or SiO 2 , and aluminum oxide may be described as alumina or Al 2 O 3 . Silicon dioxide has a plurality of different crystal forms, but when it does not matter whether it is amorphous, crystalline, or has a crystal structure, it is simply referred to as silicon dioxide, silica, or the chemical formula SiO 2 .

図1は、粉末床溶融結合方式による製造方法の基本的な造形の流れを模式的に示す概略断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing the flow of basic shaping in a manufacturing method based on the powder bed fusion bonding method.

先ずステージ151に設置された基台130上に原料粉末101を載置し、ローラー152で所定の厚さに敷き均して粉末層102を形成する(図1(a)および(b))。粉末層102に、レーザー光源180から射出したレーザービームを、所望の三次元モデルの形状データから生成されるスライスデータに基づいて、スキャナ部181で走査しながら照射する。レーザービームの照射範囲182では、原料粉末が溶融した後凝固し、1層分のスライスデータに対応した固化部100が形成される(図1(c))。続いて、ステージ151を降下させ、固化部100の上に新たな粉末層102を形成し(図1(d))、スライスデータに基づいてレーザービームを照射する。これら一連の工程をスライスデータに応じた回数繰り返し、造形物110を得る(図1(e)および(f))。最後に、未固化の原料粉末103を除去し、必要に応じて造形物の不要部分の除去や造形物と基台との分離を行う(図1(g)および(h))。 First, the raw material powder 101 is placed on a base 130 installed on a stage 151, and is evenly spread to a predetermined thickness by a roller 152 to form a powder layer 102 (FIGS. 1(a) and 1(b)). The powder layer 102 is irradiated with a laser beam emitted from a laser light source 180 while being scanned by a scanner unit 181 based on slice data generated from shape data of a desired three-dimensional model. In the irradiation range 182 of the laser beam, the raw material powder is melted and then solidified to form a solidified portion 100 corresponding to slice data for one layer (FIG. 1(c)). Subsequently, the stage 151 is lowered to form a new powder layer 102 on the solidified portion 100 (FIG. 1(d)), and a laser beam is irradiated based on the slice data. These series of steps are repeated a number of times according to the slice data to obtain a modeled object 110 (FIGS. 1(e) and 1(f)). Finally, unsolidified raw material powder 103 is removed, and if necessary, unnecessary portions of the modeled object are removed and the modeled object and the base are separated (FIGS. 1(g) and (h)).

図2は、クラッディング方式による製造方法の基本的な造形の流れを模式的に示す概略断面図である。クラッディングノズル201にある複数の粉末供給孔202から原料粉末を噴出させ、それらの粉末が焦点を結ぶ領域にレーザービーム203を照射しながら、スライスデータに基づいて付加的に固化部100を形成する(図2(a))。かかる工程を連続的に行うことにより、造形物110を得る(図2(b)および(c))。最後に、必要に応じて造形物の不要部分の除去や造形物と基台との分離を行う。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing the flow of basic shaping in a manufacturing method using the cladding method. Raw material powder is ejected from a plurality of powder supply holes 202 in a cladding nozzle 201, and a laser beam 203 is irradiated to a region where the powder is focused to additionally form a solidified portion 100 based on slice data. (Fig. 2(a)). By continuously performing such steps, a modeled object 110 is obtained (FIGS. 2(b) and 2(c)). Finally, if necessary, the unnecessary parts of the modeled object are removed and the modeled object and the base are separated.

粉末床溶融結合方式やクラッディング方式などの直接造形方式の場合、レーザービームが照射されている間に原料粉末に含まれる粒子が溶融し、レーザービームの照射が終了すると周囲から急冷されて凝固し、固化部100が形成される。シリカの粉末は、溶融時の粘性が高く、濡れ拡がることがないため、冷却されると粒状に固化する。シリカの粉末だけを用いた造形により得られるセラミックス構造体は、気孔率が大きく十分な機械的強度が得られないことが我々の検討により判明した。 In the case of direct molding methods such as the powder bed fusion method and the cladding method, the particles contained in the raw material powder are melted while the laser beam is being irradiated, and when the laser beam irradiation ends, they are rapidly cooled and solidified from the surroundings. , a solidified portion 100 is formed. Silica powder has a high viscosity when melted and does not spread when wet, so when cooled, it solidifies into particles. Our investigation revealed that a ceramic structure obtained by molding using only silica powder has a large porosity and does not have sufficient mechanical strength.

そこで、本発明では、吸収体粒子と、二酸化ケイ素の粒子と、酸化アルミニウムの粒子とを含み、酸化物換算のモル比SiO/Alが0.1/0.9~0.7/0.3を満たすように、シリカ粉末とアルミナ粉末を混合した混合粉末を用いる。酸化物換算は、SiOを含むシリコン酸化物は組成にかかわらずSiO、アルミニウム酸化物は組成にかかわらずAlとして算出する。 Therefore, in the present invention, the absorbent contains absorber particles, silicon dioxide particles, and aluminum oxide particles, and the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 in terms of oxide is 0.1/0.9 to 0.7. A mixed powder of silica powder and alumina powder is used so as to satisfy /0.3. Silicon oxide containing SiO is calculated as SiO 2 regardless of composition, and aluminum oxide is calculated as Al 2 O 3 regardless of composition.

シリカの熱伝導率が約1.5W/m・Kであるのに対し、アルミナの熱伝導率は約30W/m・Kとシリカの約20倍も高いため、レーザービームの照射により熱伝導率の高いアルミナ粒子が優先的に溶融する。シリカに対してアルミナを所定の比率で添加すると、優先的に溶融して融液となったアルミナが、シリカ粒子ないし粘性の高いシリカ融液と接触し、互いの溶液が混じり合って粘性の低減された溶融状態となる。このように融液の粘度を低減することにより、シリカの割合の多い原料粉末を用いる場合に比べて、気孔率が小さく(緻密性が高く)、機械的強度の高い造形物を得ることが可能となる。 While the thermal conductivity of silica is about 1.5 W/m K, the thermal conductivity of alumina is about 30 W/m K, which is about 20 times higher than that of silica. Alumina particles with a higher . are preferentially melted. When alumina is added to silica at a predetermined ratio, the alumina that is preferentially melted and becomes a melt comes into contact with silica particles or a highly viscous silica melt, and the solutions are mixed together to reduce the viscosity. It will be in a melted state. By reducing the viscosity of the melt in this way, it is possible to obtain a model with a smaller porosity (higher density) and higher mechanical strength than when using a raw material powder with a high proportion of silica. becomes.

レーザービームが照射されている間、溶融したシリカの一部が溶融したアルミナと反応し、シリカとアルミナの化合物であるムライトが生成される。ただし、粉末床溶融結合方式やクラッディング方式のように、短時間のレーザービーム照射によって原料粉末を溶融・凝固させる造形方法の場合、アルミナやシリカの粒子は、完全に溶融されない場合がある。造形に必要な量が溶融すれば、一部が溶融も反応もせず、そのままの固化部に残留しても構わない。 During the laser beam irradiation, some of the fused silica reacts with the fused alumina to form mullite, a compound of silica and alumina. However, in the case of molding methods such as the powder bed fusion method and the cladding method, in which the raw material powder is melted and solidified by short-time laser beam irradiation, the particles of alumina and silica may not be completely melted. As long as the amount necessary for modeling is melted, a part of it may remain in the solidified portion without melting or reacting.

レーザービームが照射される部分は、短い時間のうちに溶融と凝固が生じるため、多くの場合、得られる造形物には熱応力によるクラックが形成される。クラックは、造形物(構造体)の全体、即ち、表面および内部に分布する。ほとんどのクラックの幅は5nmから50μm程度であり、造形物の機械的強度を低下させる原因となる。 Since the portion irradiated with the laser beam melts and solidifies within a short period of time, cracks are often formed in the resulting molded product due to thermal stress. Cracks are distributed throughout the model (structure), ie, on the surface and inside. Most of the cracks have a width of about 5 nm to 50 μm, which causes a decrease in the mechanical strength of the model.

本発明にかかるセラミックス構造体は、図1や図2の流れに従って作製した造形物に、1595℃以上1730℃未満の温度で加熱処理を施して得られるもので、高い機械的強度を実現することができる。1595℃以上1730℃未満の加熱処理によって機械的強度が高まる理由は、次のように推測される。 A ceramic structure according to the present invention is obtained by heat-treating a shaped article manufactured according to the flow of FIGS. can be done. The reason why the mechanical strength is increased by heat treatment at 1595° C. or more and less than 1730° C. is presumed as follows.

図3(a)は、1595℃以上1730℃未満の加熱処理を行ったセラミックス構造体の断面を走査型電子顕微鏡によって観察した二次電子像(SEM像)の例である。図3(b)、(c)は、図3(a)の元素マッピング像(EDS;Energy Dispersive X-ray Spectroscopy、エネルギー分散型X線分光法)で、それぞれAl、Siの分布を表している。 FIG. 3(a) is an example of a secondary electron image (SEM image) obtained by observing a cross section of a ceramic structure that has been heat-treated at 1595° C. or more and less than 1730° C. with a scanning electron microscope. 3(b) and (c) are elemental mapping images (EDS; Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy) of FIG. .

図3(b)で最も明るく見え、図3(c)で最も暗く見える領域が、酸化アルミニウムからなる領域301である。図3(b)で2番目に明るく、図3(c)で2番目に暗く見える領域が、ムライトからなる領域302で、その組成はAlSi13と表される。図3(b)で暗く見え、図3(b)で明るい領域が、SiとAlを含む酸化物からなる領域303であり、シリカとムライトとの共晶組成に近い組成を有する領域である。シリカとムライトとの共晶組成に近い組成を有する領域は、元素数比Si/Alが6~12で、ムライトからなる領域よりSiを多く含む領域であり、酸化物換算によるモル比SiO/Alが12~24の領域である。 The brightest region in FIG. 3(b) and the darkest region in FIG. 3(c) is the region 301 made of aluminum oxide. The second brightest region in FIG . 3B and the second darkest region in FIG . A region that appears dark in FIG. 3B and bright in FIG. 3B is a region 303 made of an oxide containing Si and Al, and has a composition close to the eutectic composition of silica and mullite. The region having a composition close to the eutectic composition of silica and mullite has an element number ratio Si/Al of 6 to 12, is a region containing more Si than the region made of mullite, and has a molar ratio SiO / in terms of oxide. Al 2 O 3 is the region of 12-24.

前述の温度範囲で加熱処理すると、融点がこの温度範囲内にある、シリカとムライトとの共晶組成(共晶点1595℃)に近い組成を有する領域(SiとAlを含む酸化物からなる領域)303が軟化あるいは溶融する。溶融した成分は、毛細管現象によって、領域303から熱応力により発生したクラックに濡れ広がり、クラックはSiとAlを含む酸化物によって補修される。また、クラックに面する壁面の一部に他の領域と混合した組成が生成されても本発明に支障はない。図3(c)の中央部において、SiとAlを含む酸化物からなる領域303に筋状の領域CRが繋がった状態が観察される。この筋状の領域は、造形時に熱応力により生じたクラックの位置と対応していることから、前述の加熱処理によって、領域303を構成する成分が溶融してクラックに侵入して濡れ拡がり、クラックが補修されたものと考えられる。このようにしてクラックが補修され、熱処理後のセラミックス構造体はクラックが低減し機械的強度が向上する。以上のことから、筋状の領域CRは、SiとAlを含む酸化物からなる領域303に含まれる。 When heat treatment is performed in the above temperature range, a region having a composition close to the eutectic composition of silica and mullite (eutectic point 1595 ° C.) whose melting point is within this temperature range (region made of oxide containing Si and Al ) 303 softens or melts. The melted components wet and spread from the region 303 to cracks generated by thermal stress due to capillary action, and the cracks are repaired by oxides containing Si and Al. In addition, even if a composition mixed with other regions is generated in a portion of the wall surface facing the crack, the present invention is not hindered. In the central part of FIG. 3(c), a state in which a streaky region CR is connected to a region 303 made of an oxide containing Si and Al is observed. Since this streaky region corresponds to the position of the crack generated by the thermal stress during molding, the above-described heat treatment melts the components that make up the region 303, penetrates the crack, and wets and spreads the crack. is considered to have been repaired. In this way, cracks are repaired, and the ceramic structure after heat treatment has fewer cracks and improved mechanical strength. From the above, the streaky region CR is included in the region 303 made of oxide containing Si and Al.

造形時に生じるクラックの密度を考慮すると、クラック補修箇所である領域CRは、2mm×2mmの2次元面内を観察すれば、少なくとも1か所は観測することができる。領域CRは、平均幅が1μm以上、かつ平均幅に対する長さの比が10以上となっているため、クラックに起因しない領域とは区別することができる。ここで、平均幅とは、領域CRの幅を5箇所以上測定して得られる平均値である。領域CRが直線状でなく曲線状に延伸している場合は、曲線に沿って計測した長さを用いる。 Considering the density of cracks that occur during molding, at least one region CR, which is a crack repair location, can be observed by observing a two-dimensional plane of 2 mm×2 mm. Since the region CR has an average width of 1 μm or more and a ratio of length to average width of 10 or more, it can be distinguished from regions not caused by cracks. Here, the average width is an average value obtained by measuring the width of the region CR at five or more points. If the region CR extends in a curved line instead of a straight line, the length measured along the curved line is used.

図4(a)は、図3(a)とは異なる条件で1595℃以上1730℃未満の加熱処理を行った、セラミックス構造体断面のSEM像の例である。図4(b)、(c)は、図4(a)の元素マッピング像で、それぞれAl、Siの分布を表している。 FIG. 4(a) is an example of a SEM image of a cross section of a ceramic structure subjected to heat treatment at 1595° C. or more and less than 1730° C. under conditions different from those in FIG. 3(a). FIGS. 4(b) and 4(c) are elemental mapping images of FIG. 4(a), showing distributions of Al and Si, respectively.

図3と同様に、図4(b)で最も明るく見え、図4(c)で最も暗く見える領域が、酸化アルミニウムからなる領域301である。図4(b)で2番目に明るく、図4(c)で2番目に暗く見える領域が、ムライトからなる領域302である。図4(b)で2番目に暗く見え、図4(b)で明るい領域が、SiとAlを含む酸化物からなる領域303である。そして、図4(b)で最も暗く見え、図4(c)で最も明るく見える領域が、二酸化ケイ素からなる領域401である。このように、加熱処理後の造形物は、SiとAlとを含む酸化物からなる領域とムライトからなる領域と酸化アルミニウムからなる領域の少なくとも3つの領域に加え、図4に示すように、二酸化ケイ素からなる領域401を含んでいても良い。 As in FIG. 3, the brightest region in FIG. 4(b) and the darkest region in FIG. 4(c) is the region 301 made of aluminum oxide. The second brightest region in FIG. 4B and the second darkest region in FIG. 4C is the region 302 made of mullite. The second darkest region in FIG. 4B and the brightest region in FIG. 4B is the region 303 made of oxide containing Si and Al. The darkest region in FIG. 4(b) and the brightest region in FIG. 4(c) is the region 401 made of silicon dioxide. In this way, the shaped object after the heat treatment has at least three regions: a region made of oxide containing Si and Al, a region made of mullite, and a region made of aluminum oxide, as shown in FIG. A region 401 made of silicon may be included.

酸化アルミニウムからなる領域301と二酸化ケイ素からなる領域401は、前述したように、造形時に溶け残ったシリカ粒子やアルミナ粒子の一部が、加熱処理後もそのままの状態で残ったものと推測される。加熱処理の時間の短い複合セラミックス構造体ほど、二酸化ケイ素からなる領域が含まれる傾向がみられる。 As described above, the region 301 made of aluminum oxide and the region 401 made of silicon dioxide are presumed to be part of the silica particles and alumina particles that remained undissolved during molding and remained as they were after heat treatment. . Composite ceramic structures with shorter heat treatment times tend to include regions made of silicon dioxide.

3つの領域あるいは4つの領域を含むセラミックス構造体は、加熱処理前よりも機械的強度が大幅に向上する。その理由は、クラックが補修されるのに加えて、次の現象によるものと考えられる。3つの領域を含むセラミックス構造体の場合は、加熱処理時間を長くすることで、二酸化ケイ素からなる領域が、SiとAlとを含む酸化物からなる領域やムライトからなる領域へ変化し、その変化過程で空孔率を低減し得るため機械的強度が向上すると考えられる。4つの領域を含むセラミックス構造体の場合は、二酸化ケイ素からなる領域が、SiとAlとを含む酸化物からなる領域やムライトからなる領域に変化する前段階の状態として、クリストバライトを含む状態に変化する。加熱処理を施す前の造形物に含まれる二酸化ケイ素からなる領域のうち、レーザービーム照射によって一旦溶融したのちに固化して形成された部分は、ほとんどがアモルファス構造となる。クリストバライトはアモルファス構造よりも密度が高く機械的強度に優れるため、二酸化ケイ素からなる領域がクリストバライトを含む状態に変化した結果としてセラミックス構造の機械的強度が高くなると考えられる。 A ceramic structure containing three or four regions has significantly improved mechanical strength compared to before heat treatment. The reason for this is believed to be due to the following phenomenon in addition to repairing cracks. In the case of a ceramic structure containing three regions, by increasing the heat treatment time, a region made of silicon dioxide changes to a region made of an oxide containing Si and Al or a region made of mullite. It is thought that the mechanical strength is improved because the porosity can be reduced in the process. In the case of a ceramic structure containing four regions, the region made of silicon dioxide changes to a state containing cristobalite as a state prior to changing to a region made of an oxide containing Si and Al or a region made of mullite. do. Of the silicon dioxide regions contained in the shaped article before heat treatment, most of the portions formed by being melted by laser beam irradiation and then solidified have an amorphous structure. Since cristobalite has a higher density and superior mechanical strength than an amorphous structure, it is considered that the mechanical strength of the ceramic structure increases as a result of changing the state of the silicon dioxide region to include cristobalite.

二酸化ケイ素からなる領域401を、クリストバライトを含む状態とするには、加熱処理の条件、原料粉末に用いる二酸化ケイ素粒子の粒子径と結晶状態等を調整するとよい。二酸化ケイ素粒子の粒子径と結晶状態を調整することで、加熱前の二酸化ケイ素からなる領域の大きさや結晶状態を調整することができる。加熱前の二酸化ケイ素からなる領域の状態は、加熱処理後の二酸化ケイ素からなる領域401の状態にも影響する。そして、加熱処理の条件を調整することで、セラミックス構造体に二酸化ケイ素からなる領域401が含まれるか否か、含まれる場合は二酸化ケイ素からなる領域401の最終的な大きさや結晶状態を制御することができる。 In order to make the region 401 made of silicon dioxide contain cristobalite, it is preferable to adjust the conditions of the heat treatment, the particle size and crystal state of the silicon dioxide particles used in the raw material powder, and the like. By adjusting the particle diameter and crystal state of the silicon dioxide particles, the size and crystal state of the silicon dioxide region before heating can be adjusted. The state of the silicon dioxide region before heating also affects the state of the silicon dioxide region 401 after heat treatment. Then, by adjusting the conditions of the heat treatment, it is possible to control whether or not the region 401 made of silicon dioxide is included in the ceramic structure, and if it is included, the final size and crystalline state of the region 401 made of silicon dioxide. be able to.

造形物の機械的強度をさらに向上させる場合には、加熱処理の前に、造形物のクラックに金属成分を含有する補修液を吸収させるとよい。通常の焼成であれば、クラックは、SiとAlを含む酸化物からなる領域303となる。しかし、加熱処理の前にクラックに補修液を吸収させておくと、SiとAlを含む酸化物からなる領域の融液と補修液の固形成分とが反応して補修液に含まれる金属成分を含む酸化物が生成し、クラックを補修して領域CRを形成する。領域CRに、補修液に含まれる金属成分を含む酸化物からなる領域が形成されると、造形物を構成する組成がより複雑化し、造形物の機械的強度が向上する。この場合、領域302に提供される補修液に起因する金属成分は、加熱処理時に領域CRのみならず、領域CRと繋がるSiとAlとを含む酸化物からなる領域303へも拡散する。 In order to further improve the mechanical strength of the modeled article, it is preferable to allow cracks in the modeled article to absorb a repair liquid containing a metal component before the heat treatment. In the case of normal firing, the crack becomes the region 303 made of oxide containing Si and Al. However, if the crack is allowed to absorb the repair liquid before the heat treatment, the melt in the region composed of the oxide containing Si and Al reacts with the solid component of the repair liquid to remove the metal component contained in the repair liquid. A containing oxide forms and repairs the crack to form region CR. When the region CR is formed of an oxide containing the metal component contained in the repair liquid, the composition of the modeled article becomes more complicated, and the mechanical strength of the modeled article is improved. In this case, the metal component resulting from the repair liquid provided to the region 302 diffuses not only to the region CR but also to the region 303 made of oxide containing Si and Al connected to the region CR during the heat treatment.

以下、本発明に用いられる原料粉末およびセラミックス構造体の製造方法について、より詳しく説明する。 Hereinafter, the raw material powder and the method for producing the ceramic structure used in the present invention will be described in more detail.

[原料粉末]
原料粉末は、吸収体と、二酸化ケイ素粒子と、酸化アルミニウム粒子とを含み、酸化物換算によるモル比SiO/Alが0.1/0.9~0.7/0.3を満たす。ここで、SiOはSiOとして酸化物換算を行う。
[Raw material powder]
The raw material powder contains an absorber, silicon dioxide particles, and aluminum oxide particles, and has a molar ratio of SiO 2 /Al 2 O 3 in terms of oxide of 0.1/0.9 to 0.7/0.3. Fulfill. Here, SiO is converted to oxide as SiO2 .

原料粉末を構成するシリカ粒子とアルミナ粒子は、基台130の上に所定の厚さで密に原料粉末を敷き均すため、十分な流動性を得るため球形に近い形状を有していることが好ましい。また、粉末の凝集を抑制して精度の高い造形物を製造するためには、シリカ粉末とアルミナ粉末それぞれの平均粒子径は、5μm以上200μm以下が好ましく、10μm以上150μm以下がより好ましい。本発明における粉末の平均粒子径はメジアン径(中央値)を指す。粉末の平均粒子径は、粉末の顕微鏡写真から投影像の円相当径として算出する。 The silica particles and alumina particles that make up the raw material powder have a nearly spherical shape in order to spread the raw material powder densely and evenly on the base 130 with a predetermined thickness, in order to obtain sufficient fluidity. is preferred. In addition, in order to suppress aggregation of the powder and manufacture a highly accurate model, the average particle size of each of the silica powder and the alumina powder is preferably 5 μm or more and 200 μm or less, more preferably 10 μm or more and 150 μm or less. The average particle size of the powder in the present invention refers to the median size (median value). The average particle size of the powder is calculated as the circle equivalent diameter of the projected image from the micrograph of the powder.

粉末を構成するシリカ粒子のSiとOの結合状態は特に限定されるものではなく、アモルファスでもよいし、クリストバライトや石英などの結晶状態でもよいし、これらの混合状態でもよい。 The bonding state of Si and O in silica particles constituting the powder is not particularly limited, and may be amorphous, crystalline such as cristobalite or quartz, or a mixture thereof.

吸収体は、造形時に照射されるレーザービームに含まれる波長の光に対し、シリカやアルミナよりも高い光吸収能を示す成分(元素或いは化合物)を指す。吸収体の吸収能は、使用されるレーザービームの波長に対して10%以上の吸収率を有することが好ましく、40%以上であればより好ましく、60%以上であればさらに好ましい。吸収体の吸収率は、一般的な分光計を用いて測定することができる。具体的には、試料皿に吸収体を充填した試料を積分球に設置し、想定波長(製造で使用されるレーザー波長近傍)を照射して電磁波スペクトルを計測した値と、試料無しで計測した値との比率から吸収率を算出する。 The absorber refers to a component (element or compound) that exhibits a higher light absorption ability than silica or alumina with respect to light of a wavelength contained in a laser beam irradiated during modeling. The absorber preferably has an absorptance of 10% or more, more preferably 40% or more, and even more preferably 60% or more, with respect to the wavelength of the laser beam used. Absorptivity of an absorber can be measured using a common spectrometer. Specifically, the sample dish filled with an absorber was placed in an integrating sphere and irradiated with an assumed wavelength (near the laser wavelength used in manufacturing) to measure the electromagnetic wave spectrum. Absorption rate is calculated from the ratio with the value.

このような吸収体は、製造時に使用するレーザービームを効率よく吸収し、自身が高温化することによって、レーザービームの焦点サイズ相当の領域内に存在する他の組成物に熱を伝えて温度上昇をもたらす。これにより効果的な局所加熱が実現し、プロセス領域(レーザービームを照射した領域)と非プロセス領域(レーザービームを照射していない領域)の界面部の明瞭化を図ることができ、造形精度が向上する。 Such an absorber efficiently absorbs the laser beam used during manufacturing and heats itself up, thereby transferring heat to other components present within an area corresponding to the focal size of the laser beam, raising the temperature. bring. As a result, effective local heating can be realized, and the interface between the process area (the area irradiated with the laser beam) and the non-process area (the area not irradiated with the laser beam) can be clarified, and the molding accuracy can be improved. improves.

吸収体は、レーザービームの照射により、少なくとも一部が相対的に光吸収能の低い他の組成物に変化するものが好ましい。例えば、昇温に伴う酸素の離脱により金属元素の価数が変化し、レーザービームに対する光吸収能が相対的に低い他の金属酸化物へ変化する組成物が挙げられる。光吸収能がレーザービームの照射前の5/6倍以下に低下していれば、レーザービームが固化部に照射されても、造形精度が悪化するほどの影響を与えることはない。つまり、レーザービームが照射された後の固化部には吸収体がほとんど存在しなくなるため、レーザービーム照射前のような温度上昇は生じない。したがって、固化部に隣接する粉末にレーザービームが照射されても、固化部の変形や変質が抑制されるため、レーザー光の照射条件などのプロセスマージンが広がり、照射条件の変動による造形精度への影響を低減することができる。より高い造形精度を得るためには、レーザービーム照射後の光吸収能が、レーザービーム照射前の1/2以下に低下するものが好ましい。 It is preferable that the absorber is at least partly changed into another composition having relatively low light absorption ability upon irradiation with a laser beam. For example, there is a composition in which the valence of a metal element changes due to detachment of oxygen accompanying temperature rise, and changes to another metal oxide having a relatively low light absorption ability with respect to a laser beam. If the light absorption capacity is reduced to 5/6 times or less of that before the laser beam irradiation, even if the solidified portion is irradiated with the laser beam, it does not affect the molding accuracy to the extent that it deteriorates. That is, since there is almost no absorber in the solidified portion after laser beam irradiation, the temperature does not rise like before laser beam irradiation. Therefore, even if the powder adjacent to the solidified portion is irradiated with the laser beam, the deformation and deterioration of the solidified portion are suppressed. The impact can be reduced. In order to obtain higher molding accuracy, it is preferable that the light absorption ability after laser beam irradiation is reduced to 1/2 or less of that before laser beam irradiation.

吸収体には、レーザービームの照射によって、雰囲気中の気体や粉末に含まれる他の組成物と結合する、あるいは酸素の離脱といった分解反応を生じることにより、異なる組成物へ変化して造形物の中に取り込まれる組成物を用いてもよい。 When the absorber is irradiated with a laser beam, it combines with gas in the atmosphere or other composition contained in the powder, or undergoes a decomposition reaction such as desorption of oxygen. Compositions that are incorporated therein may be used.

吸収体に好適な組成物は、SiO、Tb、Pr11、Ti、TiO、ZnO、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、インジウムドープ酸化スズ(ITO)、MnO、MnO、Mn、Mn、FeO、Fe、Fe、CuO、CuO、Cr、CrO、NiO、V、VO2、V、V、Co、CoO、遷移金属炭化物、遷移金属窒化物、Si、AlN、ホウ化物、ケイ化物である。遷移金属炭化物として好ましくは、TiCやZrCである。遷移金属窒化物として好ましくは、TiNやZrNである。ホウ化物として好ましくは、TiB、ZrB、LaBである。ケイ化物として好ましくは、TiSi、ZrSi、MoSiである。吸収体は、これらからなる群より選択される少なくとも1種類と用いると良い。 Suitable compositions for the absorber are SiO, Tb4O7 , Pr6O11 , Ti2O3 , TiO, ZnO , antimony-doped tin oxide ( ATO), indium-doped tin oxide (ITO), MnO, MnO2. , Mn2O3 , Mn3O4 , FeO, Fe2O3 , Fe3O4 , Cu2O , CuO , Cr2O3 , CrO3 , NiO , V2O3 , VO2 , V2O5 , V 2 O 4 , Co 3 O 4 , CoO, transition metal carbides, transition metal nitrides, Si 3 N 4 , AlN, borides, silicides. TiC and ZrC are preferred as the transition metal carbide. Preferred transition metal nitrides are TiN and ZrN. Preferred borides are TiB 2 , ZrB 2 and LaB 6 . Preferred silicides are TiSi 2 , ZrSi 2 and MoSi 2 . It is preferable to use at least one type of absorber selected from the group consisting of these.

吸収体は、粉末を構成する他の組成物との親和性が高い組成物を選択して用いると良い。本発明の原料粉末はシリカやアルミを含んでいるため、吸収体には親和性の高い金属酸化物が好ましく、シリカとの親和性の高いSiOが特に好ましい。 For the absorber, it is preferable to select and use a composition that has a high affinity with other compositions that constitute the powder. Since the raw material powder of the present invention contains silica and aluminum, a metal oxide with high affinity is preferable for the absorber, and SiO, which has high affinity with silica, is particularly preferable.

SiOは、茶色や黒色を呈しており、造形時に照射されるレーザービームの波長に対して、原料粉末に含まれるアルミやシリカより高い光吸収能を有している。SiOがレーザー光を吸収すると、Siが2価から4価に変化し、準安定状態のSiOからより安定状態のSiOへと変化する。SiOは、レーザー光に対する光吸収能が低下する点でも好ましいが、レーザービーム照射後に原料粉末の主成分であるSiOに変化するため、余分な成分を添加したくない造形において好ましい。加えて、SiOは、リチウムイオン2次電池用負極として市場に流通しているため、吸収体として利用できる他の化合物に比べて安価に入手できる点でも好ましい。 SiO exhibits a brown or black color, and has a higher light absorption ability than aluminum and silica contained in the raw material powder with respect to the wavelength of the laser beam irradiated during modeling. When SiO absorbs the laser light, it changes from divalent to tetravalent and from the metastable state of SiO to the more stable state of SiO2 . SiO is preferable in that the light absorption ability for the laser beam is lowered, but since it changes to SiO 2 , which is the main component of the raw material powder, after laser beam irradiation, it is preferable in molding where it is not desired to add extra components. In addition, SiO is available on the market as a negative electrode for lithium-ion secondary batteries, and is therefore preferable in that it can be obtained at a lower cost than other compounds that can be used as absorbers.

レーザービームに対して良好なエネルギー吸収を示す吸収体は、粉末中に細かく均一に分散していることが好ましい。これにより、レーザービームを照射した際に粉末に生じる反応が均一となり、より造形精度が向上する。このような観点から、粉末に含まれる吸収体粒子(吸収体粉末)の平均粒子径は、1μm以上10μm未満が好ましく、1μm以上5μm未満がより好ましい。 An absorber that exhibits good energy absorption with respect to a laser beam is preferably finely and uniformly dispersed in the powder. As a result, the reaction that occurs in the powder when irradiated with the laser beam becomes uniform, and the molding accuracy is further improved. From such a viewpoint, the average particle diameter of the absorber particles (absorbent powder) contained in the powder is preferably 1 μm or more and less than 10 μm, more preferably 1 μm or more and less than 5 μm.

吸収体の添加量は、原料粉末の0.5vol%以上10vol%以下が好ましい。原料粉末に吸収体が0.5vol%以上含まれることで、一般的なレーザービームの使用条件において、確率的にレーザービーム照射部分に一つ以上の吸収体を存在させることができ、吸収体を添加する効果を得ることができる。また、10vol%以下とすることで、レーザービーム照射時の粉末の急激な温度上昇を避けることができ、溶融した材料の周囲への飛散、すなわち造形精度の低下を抑制できる。 The amount of the absorber to be added is preferably 0.5 vol % or more and 10 vol % or less of the raw material powder. By containing 0.5 vol% or more of the absorber in the raw material powder, one or more absorbers can stochastically exist in the laser beam irradiation part under general laser beam usage conditions. The effect of adding can be obtained. Further, by setting the content to 10 vol % or less, it is possible to avoid a rapid temperature rise of the powder during laser beam irradiation, and to suppress scattering of the melted material to the surroundings, that is, a decrease in modeling accuracy.

セラミックス構造体の物性を調整するため、原料粉体に、シリカ、アルミナ、吸収体以外の組成物を10質量%未満の割合で添加してもよい。 In order to adjust the physical properties of the ceramic structure, a composition other than silica, alumina, and absorber may be added to the raw material powder at a rate of less than 10% by mass.

本明細書では、SiOやTbなどのように、化学式を用いて組成を表現する場合があるが、本発明の趣旨を満たしていれば、実際の元素の構成比が化学式の比と厳密に一致している必要はない。即ち、ある組成を構成する金属元素の価数が、化学式から想定される価数と多少異なっていてもよく、金属元素で規格化した化学量論比から±30%以内の構成元素比の誤差は許容される。例えば、吸収体がSiOの場合、吸収体の構成元素比がSi:O=1:1.30であってSiOに含まれる。SiOを吸収体とする場合、十分な光吸収能を得るという観点において、より好ましい元素構成比は、化学量論比からのずれが±20%以内である。 In this specification, the composition may be expressed using chemical formulas such as SiO and Tb 4 O 7 , but as long as the gist of the present invention is satisfied, the actual composition ratio of the elements is the ratio of the chemical formula. Exact matching is not required. That is, the valences of the metal elements constituting a certain composition may be slightly different from the valences assumed from the chemical formula, and the error in the ratio of constituent elements within ±30% from the stoichiometric ratio normalized by the metal element is allowed. For example, when the absorber is SiO, the constituent element ratio of the absorber is Si:O=1:1.30, which is included in SiO. When SiO is used as an absorber, a more preferable element composition ratio is within ±20% from the stoichiometric ratio from the viewpoint of obtaining a sufficient light absorption capacity.

[セラミックス構造体の製造方法]
次に、本発明に係るセラミックス構造体の製造方法を、図1を参照しながら詳細に説明する。セラミックス構造体は、以下の3つの工程を経て得られる。
(i)造形面の上に原料粉末を所定の厚さで配置する工程
(ii)前記粉末にレーザービームを照射し、前記粉末を溶融させた後凝固させる工程
(iii)前記工程(i)と(ii)とを繰り返して得た造形物を、1595℃以上1730℃未満で加熱する工程
[Ceramic structure manufacturing method]
Next, a method for manufacturing a ceramic structure according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. A ceramic structure is obtained through the following three steps.
(i) a step of arranging the raw material powder with a predetermined thickness on the molding surface; (ii) a step of irradiating the powder with a laser beam to melt and then solidify the powder; A step of heating the shaped object obtained by repeating (ii) at 1595° C. or more and less than 1730° C.

<工程(i)>
図1に示すように、所定の厚さになるように、ローラーやブレード等のリコータ(粉末を敷設する機構)で造形面(基台130)の上に原料粉末を配置する。基台130は、セラミックス、金属、ガラス等の材料から造形物の用途や製造条件等を考慮して適宜選択、使用することができる。
<Step (i)>
As shown in FIG. 1, raw material powder is placed on the molding surface (base 130) by a recoater (mechanism for laying powder) such as a roller or a blade so as to have a predetermined thickness. The base 130 can be appropriately selected and used from materials such as ceramics, metal, glass, etc. in consideration of the use of the modeled object, manufacturing conditions, and the like.

<工程(ii)>
工程(i)で、所定の厚さで配置した原料粉末に、製造する三次元モデルの形状データから生成されたスライスデータに基づいて、レーザービームを走査させながら照射する。レーザービームが照射されている間、原料粉末に含まれる吸収体が光エネルギーを吸収して熱に変換し、自らが溶融するとともに周囲に熱を伝えることで、レーザー照射部の他の粉末の溶融が引き起こされる。
<Step (ii)>
In step (i), the raw material powder arranged with a predetermined thickness is irradiated with a laser beam while scanning based on slice data generated from the shape data of the three-dimensional model to be manufactured. While the laser beam is being irradiated, the absorber contained in the raw material powder absorbs the light energy and converts it into heat, melting itself and transferring the heat to the surroundings, thereby melting other powders in the laser irradiation area. is triggered.

レーザービームが通過して照射が終了すると、溶融部の熱が雰囲気および周辺に逃げることにより冷却され、凝固部が形成される。この時、溶融および凝固の過程における温度変化が急であるため、形成される造形物の二酸化ケイ素からなる領域とSiとAlを含む酸化物からなる領域の大部分は、アモルファス構造となる。また、急な温度変化によって造形物の表層および内部に応力が発生し、クラックが形成される。 When the laser beam passes through and the irradiation ends, the heat of the melted portion is cooled by escaping into the atmosphere and surroundings, and a solidified portion is formed. At this time, since temperature changes are abrupt in the process of melting and solidification, most of the region made of silicon dioxide and the region made of oxide containing Si and Al of the shaped object to be formed has an amorphous structure. In addition, stress is generated in the surface layer and inside of the model due to a sudden temperature change, and cracks are formed.

レーザービームの種類は特に限定されないが、1μm波長帯のYAGレーザーやファイバーレーザー、10μm波長帯のCO2レーザーなど汎用レーザーが好適である。吸収体にSiOを用いる場合、SiOが高い吸収を示す1μm波長帯の光を射出するYAGレーザーやファイバーレーザーが特に好ましい。 Although the type of laser beam is not particularly limited, general-purpose lasers such as a YAG laser or fiber laser with a 1 μm wavelength band and a CO 2 laser with a 10 μm wavelength band are suitable. When SiO is used as the absorber, a YAG laser or a fiber laser that emits light in the 1 μm wavelength band that SiO exhibits high absorption is particularly preferable.

<工程(iii)>
工程(iii)では、工程(i)と、工程(ii)とを所定の回数繰り返すことにより作製した造形物を、最高到達温度が1595℃以上1730℃未満となるように加熱処理する。工程(i)と、工程(ii)の繰り返し回数は、スライスデータのスライス数と対応している。
<Step (iii)>
In step (iii), the modeled object produced by repeating steps (i) and (ii) a predetermined number of times is heat-treated so that the highest temperature reaches 1595°C or higher and lower than 1730°C. The number of repetitions of steps (i) and (ii) corresponds to the number of slices of slice data.

工程(iii)の加熱温度の範囲、1595℃以上1730℃未満は、SiとAlを含む酸化物からなる領域が溶融する温度範囲であるため、工程(iii)によりSiとAlを含む酸化物が溶融し、毛細管現象にてクラックに濡れ広がる。 The range of the heating temperature in step (iii), 1595° C. or more and less than 1730° C., is a temperature range in which the region made of the oxide containing Si and Al melts. It melts and spreads over cracks by capillary action.

このような加熱処理により、高温で安定、かつ、機械的強度に優れた造形物を実現することができる。工程(iii)の加熱処理後の造形物は、少なくともSiとAlを含む酸化物からなる領域、ムライトからなる領域、そして酸化アルミニウムからなる領域の3つの領域を含むセラミックス構造体となる。具体的には、SiとAlを含む酸化物からなる領域、ムライト領域、そして酸化アルミニウムからなる領域の3つの領域からなる複合セラミックス構造体、あるいはさらに二酸化ケイ素からなる領域を含む4つの領域域からなるセラミックス構造体となる。SiとAlを含む酸化物からなる領域は、元素数比Si/Alが6~12の領域である。二酸化ケイ素からなる領域は、加熱処理の時間が短いセラミックス構造体に含まれる場合が多い。 By such heat treatment, it is possible to realize a modeled object that is stable at high temperatures and has excellent mechanical strength. The shaped article after the heat treatment in step (iii) is a ceramic structure including three regions: a region made of an oxide containing at least Si and Al, a region made of mullite, and a region made of aluminum oxide. Specifically, a composite ceramic structure consisting of three regions, a region consisting of an oxide containing Si and Al, a mullite region, and a region consisting of aluminum oxide, or a composite ceramic structure comprising four regions including a region consisting of silicon dioxide becomes a ceramic structure. A region made of an oxide containing Si and Al has an element number ratio Si/Al of 6-12. Regions made of silicon dioxide are often included in ceramic structures that require a short heat treatment time.

セラミックス構造体に前述の3つの領域あるいは4つの領域のうち、どの領域が多く含まれるかは、原料粉末に含まれる二酸化ケイ素と酸化アルミニウムとの配合比や加熱処理条件によって決まる。ムライトからなる領域302は相対的に機械的強度が高いため、セラミックス構造体に占める割合が多い方が好ましい。具体的には、セラミックス構造体に含まれるモル比SiO/Alから算出されるムライトの最大量(最大ムライト生成量と記述する)の75体積%以上であることが好ましい。より好ましくは、80体積%以上。さらに好ましくは、90体積%以上である。ただし、実際のムライト生成量は、工程(ii)でのレーザー照射条件や工程(iii)の加熱処理の条件によって決まる。同一組成の構造体を比較すると、ムライト生成量が最大ムライト生成量の75体積%以上のものは、より高い機械強度を得ることができる。 Which of the three or four regions mentioned above is included more in the ceramic structure depends on the compounding ratio of silicon dioxide and aluminum oxide contained in the raw material powder and the heat treatment conditions. Since the region 302 made of mullite has relatively high mechanical strength, it is preferable that the region 302 occupy a large proportion of the ceramic structure. Specifically, it is preferably 75% by volume or more of the maximum amount of mullite calculated from the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 contained in the ceramic structure (described as the maximum amount of mullite produced). More preferably 80% by volume or more. More preferably, it is 90% by volume or more. However, the actual amount of mullite produced is determined by the laser irradiation conditions in step (ii) and the heat treatment conditions in step (iii). When structures with the same composition are compared, higher mechanical strength can be obtained when the amount of mullite produced is 75% by volume or more of the maximum amount of mullite produced.

表1に、本発明のセラミックス構造体に含まれるSiとAlと比率から算出される最大ムライト生成量の例を示す。同様の手法で算出した、SiとAlを含む酸化物からなる領域の最大量と酸化アルミニウムからなる領域の最大量も併せて記載しておく。算出する際の前提として、二酸化シリコンの分子量を60.08、密度を2.3g/cm、酸化アルミニウムの分子量を101.977、密度を3.96g/cmとする。SiとAlを含む酸化物からなる領域については、元素数比Si/Al=10と仮定し、前述の値を用いて算出される分子量62.09、密度を2.38g/cmを用いる。ムライトの分子量は426.05、密度は3.0g/cmを用いた。 Table 1 shows an example of the maximum amount of mullite produced calculated from the ratio of Si and Al contained in the ceramic structure of the present invention. The maximum amount of the oxide region containing Si and Al and the maximum amount of the aluminum oxide region calculated by the same method are also described. As assumptions for the calculation, the molecular weight of silicon dioxide is 60.08 and the density is 2.3 g/cm 3 , and the molecular weight of aluminum oxide is 101.977 and the density is 3.96 g/cm 3 . For the region composed of oxides containing Si and Al, the element number ratio Si/Al is assumed to be 10, and the molecular weight calculated using the above values is 62.09, and the density is 2.38 g/cm 3 . Mullite having a molecular weight of 426.05 and a density of 3.0 g/cm 3 was used.

Figure 2023072682000001
Figure 2023072682000001

工程(iii)の加熱処理条件や原料粉末に用いる二酸化ケイ素の状態の組み合わせによっては、造形直後はアモルファスシリカが主であった二酸化ケイ素の領域を加熱処理によってクリストバライトに変化させることができる。クリストバライトは、アモルファス構造の二酸化ケイ素に比べて密度が高いため機械的強度に優れる。そのため、セラミックス構造体が二酸化ケイ素の領域を含む場合は、二酸化ケイ素からなる領域がクリストバライトを含む状態となるように諸条件を最適化するとよい。 Depending on the combination of the heat treatment conditions in step (iii) and the state of silicon dioxide used in the raw material powder, the silicon dioxide region, which was mainly amorphous silica immediately after shaping, can be changed to cristobalite by heat treatment. Since cristobalite has a higher density than amorphous silicon dioxide, it has excellent mechanical strength. Therefore, when the ceramic structure includes a silicon dioxide region, the conditions should be optimized so that the silicon dioxide region contains cristobalite.

工程(iii)における最高到達温度は、1600℃以上1720℃未満とするのが好ましく、1650℃以上1700℃未満とするのがより好ましい。また、SiとAlを含む酸化物からなる領域とムライトからなる領域と酸化アルミニウムからなる領域の3つの領域からなるセラミックス構造体とするには、加熱処理時間を長くするとよい。3つの領域にするための加熱処理の目安時間は、例えば、造形物のモル比SiO/Alが0.56/0.44の場合、1690℃まで昇温した場合、最高温度維持時間を40分以上120分以下にするとよい。 The highest temperature reached in step (iii) is preferably 1600°C or higher and lower than 1720°C, more preferably 1650°C or higher and lower than 1700°C. Further, in order to obtain a ceramic structure composed of three regions, that is, a region made of an oxide containing Si and Al, a region made of mullite, and a region made of aluminum oxide, it is preferable to lengthen the heat treatment time. For example, when the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 of the modeled product is 0.56/0.44, when the temperature is raised to 1690 ° C., the maximum temperature is maintained. The time should be 40 minutes or more and 120 minutes or less.

工程(iii)におけるクラック近傍の最高到達温度が上記温度範囲に達しさえすれば、クラックを低減することができるため、保持時間は短時間であっても良い。ただし、上記温度範囲における加熱時間が長すぎたり、上記温度範囲を超える高い温度で加熱処理されたりすると、それぞれの領域の平均粒径が大きくなりすぎて、セラミックス構造体の機械的強度が低下する傾向がある。よって加熱時間は数時間の間で調整することが好ましい。セラミックス構造体の機械的強度を下げないための加熱処理時間は、1分以上4時間以下が好ましく、5分以上120分以下がより好ましく、10分以上80分以下がさらに好ましい。 As long as the maximum temperature near the crack in step (iii) reaches the above temperature range, cracks can be reduced, so the holding time may be short. However, if the heating time in the above temperature range is too long, or if the heat treatment is performed at a temperature higher than the above temperature range, the average grain size of each region becomes too large, and the mechanical strength of the ceramic structure decreases. Tend. Therefore, it is preferable to adjust the heating time within several hours. The heat treatment time for not lowering the mechanical strength of the ceramic structure is preferably 1 minute or longer and 4 hours or shorter, more preferably 5 minutes or longer and 120 minutes or shorter, and even more preferably 10 minutes or longer and 80 minutes or shorter.

加熱の方法は特に限定されない。造形物に再びエネルギービームを照射して加熱してもよいし、電気炉に入れて加熱してもよい。エネルギービームで加熱する場合は、造形物が上述の好ましい温度に加熱されるように、エネルギービームの投入熱量と造形物の温度の関係を事前に熱電対等で把握しておくとよい。 A heating method is not particularly limited. The modeled object may be heated by irradiating the energy beam again, or may be heated by placing it in an electric furnace. When heating with an energy beam, the relationship between the amount of heat input by the energy beam and the temperature of the modeled object should be grasped in advance using a thermocouple or the like so that the modeled object is heated to the preferred temperature described above.

加熱処理は、一般的には造形物をセッターに載置して行われるが、加熱中に造形物の表層やクラック近傍が溶融し、加熱処理後に凝固してセッターに固着してしまうことがある。したがって、加熱処理に用いるセッターは、不活性であることが好ましい。不活性なセッターを構成する材料としては、たとえば、大気雰囲気下では白金が適用可能であり、低酸素雰囲気下ではイリジウムが適用可能である。 Heat treatment is generally performed by placing a modeled object on a setter, but the surface layer of the modeled object and the vicinity of cracks may melt during heating, and solidify after heat treatment and adhere to the setter. . Therefore, the setter used for heat treatment is preferably inert. As a material constituting the inert setter, for example, platinum can be applied under an air atmosphere, and iridium can be applied under a low-oxygen atmosphere.

造形物のクラックは、加熱処理を施す前に、造形物に補修液(金属成分を含む液)を吸収させて加熱することでも補修することができる。金属成分は、加熱処理によって、金属酸化物を生成し、かつ、造形物を構成する相と共晶を形成しうる相が生じるものであることが好ましい。特に、金属酸化物と二酸化ケイ素との共晶温度が、工程(iii)の加熱処理において前記造形物が到達する最高温度より低いものが好ましい。これにより、工程(iii)の加熱処理において前記造形物が到達する最高温度を、二酸化ケイ素の融点未満、かつ前記金属酸化物と二酸化ケイ素との共晶温度より高くなるようにすることができる。 Cracks in the modeled article can also be repaired by allowing the modeled article to absorb a repair liquid (liquid containing a metal component) and heating the article before heat treatment. It is preferable that the metal component generates a metal oxide and a phase that can form a eutectic with the phase that constitutes the shaped article by heat treatment. In particular, it is preferable that the eutectic temperature between the metal oxide and silicon dioxide is lower than the maximum temperature reached by the shaped article in the heat treatment of step (iii). This allows the maximum temperature reached by the shaped article in the heat treatment of step (iii) to be below the melting point of silicon dioxide and above the eutectic temperature of the metal oxide and silicon dioxide.

このような補修液を、加熱処理の前にクラックに吸収させておくと、金属成分が侵入したクラックの近傍が造形物の他の部分の融点よりも低い温度で溶融し、金属成分が造形物の内部に拡散する。そして、加熱を終えて温度が低下するのに伴い、造形物内では金属成分を含む組成で結晶が再結晶化する。その結果、造形物の形状は維持されたまま、クラックの近傍領域だけが軟化し、クラックを低減ないし消失せしめることができる。この時、金属成分を含む酸化物の相が析出し、造形物の相構成がより複雑化することで造形物の機械的強度がより向上する場合がある。 If such a repair liquid is allowed to absorb into the cracks before heat treatment, the vicinity of the cracks into which the metal components have penetrated will melt at a temperature lower than the melting point of other parts of the model, and the metal components will melt into the model. diffuse inside. Then, as the heating is finished and the temperature is lowered, the crystals are recrystallized in the composition containing the metal component in the modeled object. As a result, while the shape of the modeled object is maintained, only the area near the crack is softened, and the crack can be reduced or eliminated. At this time, an oxide phase containing a metal component is precipitated, and the phase structure of the shaped article becomes more complicated, which may further improve the mechanical strength of the shaped article.

なお、原料粉末に、クラックの補修に用いられる金属成分をあらかじめ添加していても、造形物のクラックを低減させる効果は得られない。原料粉末にクラックの補修に用いられる金属成分が多く含まれていると、クラック近傍の融点を局所的に低下させることができず、加熱処理によって造形物全体が溶融してしまい、造形物が変形する恐れがある。従って、補修液に含まれる金属元素は、原料粉末に含まれていないか、含まれている場合は3.0質量%未満であることが好ましい。より好ましくは2.0質量%未満である。 Even if a metal component used for repairing cracks is added to the raw material powder in advance, the effect of reducing cracks in the model cannot be obtained. If the raw material powder contains a large amount of metal components used for repairing cracks, the melting point near the cracks cannot be locally lowered, and the entire model melts due to heat treatment, resulting in deformation of the model. there is a risk of Therefore, it is preferable that the metal element contained in the repair liquid is not contained in the raw material powder, or if it is contained, it is less than 3.0% by mass. More preferably, it is less than 2.0% by mass.

このように、補修液を用いたクラックの低減は、造形物に補修液を吸収させて、クラックにおける金属元素の濃度を局所的に高めた状態で加熱処理を施すことが重要である。このような手法によって、高い造形精度でクラックを低減させ、造形物の機械的強度を向上させることができる。 As described above, in order to reduce cracks using a repair liquid, it is important to apply the heat treatment in a state in which the repair liquid is absorbed into the model and the concentration of the metal element in the crack is locally increased. By such a method, it is possible to reduce cracks with high modeling accuracy and improve the mechanical strength of the model.

造形物全体にわたって十分な量の金属成分を介在させることができるのであれば、造形物に補修液を吸収させる手法は特に限定されない。補修液中に造形物を浸して含浸させてもよいし、補修液を霧状にして造形物に吹き付けたり、刷毛などで表面に塗布したりして、吸収させてもよい。また、これらの手法を複数組み合わせてもよいし、同じ手法を複数回繰り返してもよい。 As long as a sufficient amount of metal component can be interposed over the entire shaped article, there is no particular limitation on the method of causing the shaped article to absorb the repair fluid. The modeled object may be impregnated by immersing it in the repair fluid, or the repair fluid may be atomized and sprayed onto the modeled object, or applied to the surface with a brush or the like to be absorbed. Moreover, these methods may be combined multiple times, and the same method may be repeated multiple times.

金属元素は、金属アルコキシド、金属塩化合物、金属イオン、金属元素を含む粒子等の形態で液に添加することができる。 Metal elements can be added to the liquid in the form of metal alkoxides, metal salt compounds, metal ions, particles containing metal elements, or the like.

補修液に含まれる金属成分には、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、イットリウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、その他希土類元素からなる群より選択されるいずれか一種を用いることができる。 Any one selected from the group consisting of lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium, yttrium, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, and other rare earth elements shall be used as the metal component contained in the repair liquid. can be done.

補修液の好ましい例としては、ジルコニウム成分と溶媒とを含み、必要に応じて安定化剤や分散剤を含む液が挙げられる。液に含まれるジルコニウム成分の多くは、加熱処理によって酸化ジルコニウム(ZrO)となる。SiOとZrOの共晶温度は1683℃、AlとZrOの共晶温度は1720℃、ムライトとZrOの共晶温度は1700℃である。これらの共晶温度は、工程(iii)における加熱温度1595℃以上1730℃未満の範囲内であり、かつ、シリカの融点(1730℃)およびアルミナの融点(2070℃)、ムライトの融点(1850℃)よりも低い。そのため、造形物を構成する二酸化ケイ素からなる領域や酸化アルミニウムからなる領域やムライトからなる領域の溶融が抑制される温度で、補修液が浸入したクラック領域を選択的に溶融させ、クラックを低減することができる。 A preferable example of the repair liquid includes a liquid containing a zirconium component and a solvent, and optionally a stabilizer and a dispersant. Most of the zirconium component contained in the liquid becomes zirconium oxide (ZrO 2 ) by heat treatment. The eutectic temperature of SiO2 and ZrO2 is 1683 ° C, the eutectic temperature of Al2O3 and ZrO2 is 1720 °C, and the eutectic temperature of mullite and ZrO2 is 1700 °C. These eutectic temperatures are within the range of the heating temperature of 1595 ° C. or more and less than 1730 ° C. in the step (iii), and the melting point of silica (1730 ° C.), the melting point of alumina (2070 ° C.), the melting point of mullite (1850 ° C. ). Therefore, at a temperature that suppresses the melting of the silicon dioxide region, aluminum oxide region, and mullite region that constitute the model, the crack region into which the repair liquid has penetrated is selectively melted to reduce cracks. be able to.

ジルコニウム成分として、ジルコニウムアルコキシド、ジルコニウム塩化合物、ジルコニウムイオン、ジルコニウムを含む粒子等を用いることができる。安定化剤としては、有機酸、界面活性剤、キレート剤を好適である。 Zirconium alkoxides, zirconium salt compounds, zirconium ions, particles containing zirconium, and the like can be used as the zirconium component. Suitable stabilizers include organic acids, surfactants and chelating agents.

ジルコニウムアルコキシドを含む液としては、ジルコニウムテトラエトキシド、ジルコニウムテトラn-プロポキシド、ジルコニウムテトライソプロポキシド、ジルコニウムテトラn-ブトキシド、ジルコニウムテトラt-ブトキシドからなる群より選択されるいずれか1種と、有機溶媒と、安定化剤とを含む液が好適である。 As the liquid containing zirconium alkoxide, any one selected from the group consisting of zirconium tetraethoxide, zirconium tetra-n-propoxide, zirconium tetraisopropoxide, zirconium tetra-n-butoxide, and zirconium tetra-t-butoxide; A liquid comprising an organic solvent and a stabilizing agent is preferred.

ジルコニウム塩化合物を含む液としては、アルコキシド塩化物あるいはアルコキシド硝酸塩と、有機溶媒と、安定化剤とを含む液が好適である。 As the liquid containing the zirconium salt compound, a liquid containing an alkoxide chloride or alkoxide nitrate, an organic solvent, and a stabilizer is suitable.

ジルコニウムイオンを含む液としては、ジルコニウムイオンと水とを含む溶液を用いることができ、必要に応じて安定化剤を添加してもよい。液に含まれる水の量は、金属イオンを除く液に対して10質量%以上が好ましい。水以外に有機溶媒を含んでいても良い。ジルコニウムイオンは、ジルコニウム塩やジルコニウムアルコキシドなどのジルコニウムイオンを含む原料を溶媒に溶解させることで生成することができる。 As the liquid containing zirconium ions, a solution containing zirconium ions and water can be used, and a stabilizer may be added as necessary. The amount of water contained in the liquid is preferably 10% by mass or more relative to the liquid excluding metal ions. An organic solvent may be included in addition to water. Zirconium ions can be generated by dissolving a raw material containing zirconium ions such as zirconium salts and zirconium alkoxides in a solvent.

ジルコニウムを含む粒子を含む液としては、ジルコニウム粒子あるいは酸化ジルコニウム粒子と、溶媒と、分散剤とを含む液が好ましい。粒子のサイズは、クラックに侵入させるため300nm以下が好ましく、50nm以下がより好ましい。分散剤としては、有機酸、シランカップリング剤、界面活性剤、のうち少なくとも一種を含むことが好ましい。溶媒としては、アルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類、エステル変性エーテル類、炭化水素類、ハロゲン化炭化水素類、アミド類、水、油類、あるいはこれら2種以上の混合溶媒が好ましい。 The liquid containing particles containing zirconium is preferably a liquid containing zirconium particles or zirconium oxide particles, a solvent, and a dispersant. The particle size is preferably 300 nm or less, more preferably 50 nm or less, in order to penetrate cracks. The dispersant preferably contains at least one of organic acids, silane coupling agents, and surfactants. As the solvent, alcohols, ketones, esters, ethers, ester-modified ethers, hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, amides, water, oils, or mixed solvents of two or more thereof are preferred.

工程(iii)の前にジルコニウム成分を含有する補修液を吸収させた場合、工程(iii)後の造形物には、酸化ジルコニウムを含む領域が形成される。前述の3つの領域あるいは4つの領域に加えて酸化ジルコニウムを含む領域が形成されることで、セラミックス構造体を形成する領域の数が増え、セラミックス構造体の機械的強度が向上する場合がある。 If a repair fluid containing a zirconium component is absorbed before step (iii), regions containing zirconium oxide are formed in the model after step (iii). By forming a region containing zirconium oxide in addition to the above three regions or four regions, the number of regions forming the ceramic structure increases, and the mechanical strength of the ceramic structure may be improved.

<セラミックス構造体>
上述の方法で得られる本発明のセラミックス構造体は、気孔率が少なく、SiとAlを含む酸化物からなる領域、ムライトからなる領域、酸化アルミニウムからなる領域の3つの領域を含んでいる。そして、本発明のセラミックス構造体に含まれるモル比SiO/Alは、酸化物換算で0.1/0.9~0.7/0.3を満たす。なお、SiとAlを含む酸化物からなる領域における、元素数比Si/Alは6~12である。前述の通り、加熱処理時間によっては、さらに二酸化ケイ素からなる領域が含まれる。
<Ceramic structure>
The ceramic structure of the present invention obtained by the above-described method has a low porosity and contains three regions: a region made of an oxide containing Si and Al, a region made of mullite, and a region made of aluminum oxide. The molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 contained in the ceramic structure of the present invention satisfies 0.1/0.9 to 0.7/0.3 in terms of oxide. The element number ratio Si/Al in the region made of the oxide containing Si and Al is 6-12. As mentioned above, depending on the heat treatment time, regions further comprising silicon dioxide may be included.

このようなセラミックス構造体は、モル比SiO/Alが酸化物換算で0.1/0.9~0.7/0.3を満たす原料粉末を用いて直接造形方式で造形した後、前述の温度範囲で加熱処理して得ることができる。 Such a ceramic structure was molded by a direct molding method using a raw material powder satisfying a molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 of 0.1/0.9 to 0.7/0.3 in terms of oxide. After that, it can be obtained by heat-treating in the above temperature range.

セラミックス構造体に二酸化ケイ素からなる領域が含まれる場合は、クリストバライトを含んでいることが好ましい。クリストバライトは、アモルファス構造のシリカに比べて密度が高いため機械的強度に優れる。 If the ceramic structure contains regions made of silicon dioxide, it preferably contains cristobalite. Since cristobalite has a higher density than amorphous silica, it has excellent mechanical strength.

加熱処理の前にクラックに補修液を含浸させた場合には、3つの領域は4つの領域へ、4つ領域は5つの領域へ、それぞれ増える。補修液にジルコニウムを含む液を用いた場合、セラミックス構造体は、酸化ジルコニウムを含む領域を加えた、4つまたは5つの領域を含むことになる。このようなセラミックス構造体は、異なる複数の領域が存在することによるクラックの進展の抑制効果によって、補修液を用いずにクラックを補修した場合よりも、機械的強度が大きくする場合がある。 If the crack is impregnated with a repair fluid before heat treatment, the three areas increase to four areas, and the four areas increase to five areas. When a liquid containing zirconium is used as the repair liquid, the ceramic structure will include four or five regions including the region containing zirconium oxide. In such a ceramic structure, due to the effect of suppressing crack propagation due to the presence of a plurality of different regions, the mechanical strength may be increased compared to the case where cracks are repaired without using a repair liquid.

本発明のセラミックス構造体の気孔率は10%以下であることが好ましい。気孔率が10%以下であれば、構造部品として使用可能な機械的強度を実現することができる。なお、後に詳述するが、気孔率とは開気孔率を指す。 The porosity of the ceramic structure of the present invention is preferably 10% or less. If the porosity is 10% or less, it is possible to achieve a mechanical strength that allows it to be used as a structural component. As will be described in detail later, the porosity refers to the open porosity.

[物性値の評価方法]
<機械的強度>
構造体の機械的強度は、ファインセラミックスの室温曲げ強度試験のJIS規格であるR1601に基づいた3点曲げ試験によって評価する。具体的には、試験片をL[mm]離間した2支点の上に配置し、支点間の中央の1点にP[N]の荷重を加え、試験片が破壊されたときの最大曲げ応力から算出することができる。3点曲げ強度は、10個の試験片それぞれについて、破壊されたときの最大荷重をP[N]、外部支点間距離をL[mm]、試験片の幅をw[mm]、試験片の厚さをt[mm]としたとき、
3×P×L/(2×w×t) (式1)
を用いて算出し、それらを平均した値とする。
[Evaluation method of physical property value]
<Mechanical strength>
The mechanical strength of the structure is evaluated by a three-point bending test based on R1601, which is a JIS standard for room temperature bending strength testing of fine ceramics. Specifically, the test piece is placed on two fulcrums separated by L [mm], a load of P [N] is applied to one point in the center between the fulcrums, and the maximum bending stress when the test piece breaks can be calculated from For each of the 10 test pieces, the three-point bending strength is P [N] for the maximum load when broken, L [mm] for the distance between the external fulcrums, w [mm] for the width of the test piece, and w [mm] for the width of the test piece. When the thickness is t [mm],
3×P×L/(2×w×t 2 ) (Formula 1)
and average them.

<気孔率>
造形物の気孔率は、ファインセラミックスの焼結体密度・開気孔率の測定方法のJIS規格であるR1634に基づいた方法によって評価した。具体的には、機械強度の計測に用いた試料と同様のセラミックス構造体3個について、造形物の乾燥質量をW1、水中質量をW2、飽水質量をW3としたとき、{(W3-W1)/(W3-W2)}×100を用いて算出し、それらを平均して求めることができる。
<Porosity>
The porosity of the shaped article was evaluated by a method based on R1634, which is a JIS standard for measuring the density and open porosity of sintered bodies of fine ceramics. Specifically, for three ceramic structures similar to the sample used to measure the mechanical strength, when the dry mass of the shaped product is W1, the underwater mass is W2, and the saturated water mass is W3, {(W3-W1 )/(W3−W2)}×100 and average them.

<結晶構造・ムライトを含む領域の割合>
セラミックス造形物を構成する領域の結晶構造は、測定対象物の中央部の断面を研磨して計測面とし、X線回折測定により特定する。位置と結晶構造を同定したい場合はEBSD、より小さい領域(相)が含まれる場合は、透過電子顕微鏡(TEM)を用いることで、同様に組成ならびに結晶構造を解析することができる。
<Proportion of region containing crystal structure/mullite>
The crystal structure of the region that constitutes the ceramic model is specified by X-ray diffraction measurement on a cross section of the central portion of the object to be measured which is polished to form a measurement surface. EBSD can be used to identify the position and crystal structure, and transmission electron microscopy (TEM) can be used to similarly analyze the composition and crystal structure when smaller regions (phases) are involved.

造形物に含まれる各領域の含有率は、SEM-EDS分析のAlとSiの元素マッピング画像から約230x145μmの領域を切り出して、算出を行うことができる。ただし、このエリアサイズに限らずとも良いが、合計で200μmx100μm以上の領域について算出することでばらつきを抑制することができる。酸化アルミニウムからなる領域301の占める割合は、Siの元素マッピング画像(Siマッピング画像)の黒い領域のみが残るように画像を2値化して、全面積に占める割合として算出可能である。 The content rate of each region included in the model can be calculated by cutting out a region of about 230×145 μm from the elemental mapping image of Al and Si in SEM-EDS analysis. However, although it is not necessary to be limited to this area size, variation can be suppressed by calculating for an area of 200 μm×100 μm or more in total. The proportion of the region 301 made of aluminum oxide can be calculated as a proportion of the total area by binarizing the image so that only the black regions of the Si elemental mapping image (Si mapping image) remain.

ムライトからなる領域302の占める割合は次の手順で求めることができる。まず、Alの元素マッピング画像(Alマッピング画像)におけるムライトからなる領域302よりも高い明度に閾値を設定して2値化し、酸化アルミニウムからなる領域301とムライトからなる領域302の合計値を算出する。そして、この値から、先ほどのSiマッピング画像における酸化アルミニウムからなる領域301の占める割合を除することで算出することができる。 The proportion occupied by the region 302 made of mullite can be obtained by the following procedure. First, a threshold value is set to a brightness higher than the mullite region 302 in the Al element mapping image (Al mapping image), binarization is performed, and the total value of the aluminum oxide region 301 and the mullite region 302 is calculated. . Then, it can be calculated by subtracting the proportion of the area 301 made of aluminum oxide in the previous Si mapping image from this value.

二酸化シリコンの領域401の占める割合は、Alマッピング像における黒い領域のみが抽出できるように画像を2値化して、全面積に占める割合として算出可能である。 The ratio occupied by the silicon dioxide region 401 can be calculated as a ratio of the total area by binarizing the image so that only black regions in the Al mapping image can be extracted.

SiとAlを含む酸化物からなる領域303の占める割合は、まず、Siマッピング画像におけるSiとAlを含む酸化物からなる領域303よりも高い明度を閾値に設定して2値化する。そして、二酸化シリコンの領域401とSiとAlを含む酸化物からなる領域301の合計値を算出し、この合計値から先ほどのAlマッピング画像における二酸化シリコンの領域401の占める割合を除することで算出することができる。 The ratio of the region 303 made of oxide containing Si and Al is first binarized by setting a brightness higher than that of the region 303 made of oxide containing Si and Al in the Si mapping image as a threshold value. Then, the total value of the silicon dioxide region 401 and the region 301 made of oxide containing Si and Al is calculated, and the ratio of the silicon dioxide region 401 in the previous Al mapping image is divided from this total value. can do.

機械強度の高い状態を維持するには、二酸化シリコンからなる領域や、SiとAlを含む酸化物からなる領域ではなく、相対的に機械強度の高いムライトからなる領域302が多い方が良い。表1に記載の、最大ムライト生成量の値を参照し、実際にセラミックス構造体内に生成されたムライトが、最大ムライト生成量の何体積%を占めているかで、ムライトからなる領域の大小を判断することが可能である。具体的には、まずセラミックス構造体の複数の断面それぞれにおいて、前述の方法でムライトからなる領域302が占める面積の割合を算出する。次に、得られた値を、セラミックス構造体と同じモル比SiO/Alから算出された、表1に記載の最大ムライト生成量に対する割合として算出し、それらを平均値によって、ムライトからなる領域の大小を判断することができる。ここでは複数の断面から算出される面積%を平均することで、体積%に相当する値を得ている。 In order to maintain a state of high mechanical strength, it is preferable that there are many regions 302 made of mullite, which has relatively high mechanical strength, rather than regions made of silicon dioxide or regions made of oxides containing Si and Al. With reference to the values of the maximum mullite production amount listed in Table 1, the size of the mullite region is determined by what volume percent of the maximum mullite production amount the mullite actually produced in the ceramic structure occupies. It is possible to Specifically, first, in each of a plurality of cross sections of the ceramic structure, the ratio of the area occupied by the region 302 made of mullite is calculated by the method described above. Next, the obtained value was calculated as a ratio to the maximum mullite production amount shown in Table 1, which was calculated from the same molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 as the ceramic structure, and the average value was used to calculate the mullite It is possible to judge the size of the area consisting of. Here, a value corresponding to volume % is obtained by averaging area % calculated from a plurality of cross sections.

最大ムライト生成量に対するムライトからなる領域302の割合が75体積%以上であれば、3点曲げ強度80[MPa]以上が得られ、取り扱いが容易な部材を実現することができる。例えば、図4(実施例20)の本発明にかかるセラミックス構造体における最大ムライト生成量に対するムライトからなる領域302の割合は、76.0体積%と算出される。図5(実施例19)の本発明にかかるセラミックス構造体における最大ムライト生成量に対するムライトからなる領域302の割合は、95.0体積%と算出される。 If the ratio of the region 302 made of mullite to the maximum amount of mullite produced is 75% by volume or more, a three-point bending strength of 80 [MPa] or more can be obtained, and a member that is easy to handle can be realized. For example, the ratio of the region 302 made of mullite to the maximum amount of mullite produced in the ceramic structure according to the present invention in FIG. 4 (Example 20) is calculated to be 76.0% by volume. The ratio of the region 302 made of mullite to the maximum amount of mullite produced in the ceramic structure according to the present invention in FIG. 5 (Example 19) is calculated to be 95.0% by volume.

<組成分析>
粉末、造形物あるいはセラミックス構造体に含まれるSi、Al、Zr,Tb、およびPrの含有量は、誘導結合プラズマ発光分析(ICP-AES)、GDMSもしくはICP-MSにより測定する。
<Composition analysis>
The Si, Al, Zr, Tb, and Pr contents contained in the powder, shaped article, or ceramic structure are measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES), GDMS, or ICP-MS.

(実施例1)
平均粒子径が約28μmの非晶質のSiO粉末、平均粒子径が約20μmのAl粉末、平均粒子径が4μmのSiO粉末を用意した。それらを、SiO粉末が44.4質量%、Al粉末が53.5質量%、SiO粉末が2.1質量%となるように各粉末を秤量した(表2参照)。この原料粉末の成分は、SiO換算値で60モル%、Alは40モル%となる。各秤量粉末を乾式ボールミルで30分間混合して混合粉末を得た。
(Example 1)
Amorphous SiO 2 powder with an average particle size of about 28 μm, Al 2 O 3 powder with an average particle size of about 20 μm, and SiO powder with an average particle size of 4 μm were prepared. Each powder was weighed so that SiO2 powder was 44.4 wt%, Al2O3 powder was 53.5 wt%, and SiO powder was 2.1 wt% (see Table 2). The components of this raw material powder are 60 mol % and Al 2 O 3 are 40 mol % in terms of SiO 2 . Each weighed powder was mixed in a dry ball mill for 30 minutes to obtain a mixed powder.

次に、図1と同様の工程にて造形物を作製した。作製した造形物の形状は、5mm×42mm×6mmの直方体である。造形物の形成には、最大パワー50Wのファイバーレーザー(ビーム径65μm、発振波長1070mm)が搭載された、3D SYSTEMS社のProXDMP 100(商品名)を用いた。 Next, a modeled object was produced in the same process as in FIG. The shape of the fabricated object was a rectangular parallelepiped of 5 mm×42 mm×6 mm. ProXDMP 100 (trade name) manufactured by 3D SYSTEMS equipped with a fiber laser with a maximum power of 50 W (beam diameter of 65 μm, oscillation wavelength of 1070 mm) was used to form the modeled object.

最初に、アルミナ製の基台130の上に、ローラーを用いて原料粉末からなる20μm厚の一層目の粉末層を形成した(図1(a)、(b))。 First, on a base 130 made of alumina, a roller was used to form a 20 μm-thick first powder layer made of raw material powder (FIGS. 1(a) and 1(b)).

次いで、47.5Wのレーザービームを走査しながら前記粉末層に照射し、5mm×42mmの長方形の領域にある材料粉末を溶融および固化させ、固化部100を形成した(図1(c))。この時の描画速度は60mm/s、描画ピッチは80μmとした。描画ラインが、長方形の各辺と45度で交差する方向に走査した。 Next, the powder layer was irradiated with a scanning laser beam of 47.5 W to melt and solidify the material powder in a rectangular region of 5 mm×42 mm to form a solidified portion 100 (FIG. 1(c)). The drawing speed at this time was 60 mm/s, and the drawing pitch was 80 μm. A line of drawing was scanned in a direction that intersects each side of the rectangle at 45 degrees.

次に、固化部100の上に20μm厚の粉末層をローラーで新たに形成し、レーザービームを走査しながら前記粉末層に照射し、5mm×42mmの長方形の領域にある材料粉末を溶融および固化させ、固化部100を形成した(図1(d)、(e))。この時一層目の描画ラインと直交する方向にレーザーを走査した。このような工程を、固化部の高さが6mmになるまで繰り返し、42mm×5mm×6mmの造形物を14個作製した。 Next, a new powder layer with a thickness of 20 μm is formed on the solidified part 100 with a roller, and the powder layer is irradiated with a scanning laser beam to melt and solidify the material powder in a rectangular area of 5 mm×42 mm. to form a solidified portion 100 (FIGS. 1(d) and 1(e)). At this time, the laser was scanned in a direction orthogonal to the drawing lines of the first layer. Such a process was repeated until the height of the solidified portion reached 6 mm, and 14 molded objects of 42 mm×5 mm×6 mm were produced.

作製した造形物を、アルミナ製の基台から切り離して電気炉に入れて加熱処置した。具体的には、大気雰囲気において1690℃まで2.5時間で昇温させ、1690℃で20分間保持した後、通電を終了して5.0時間で200℃以下に冷却して、14個のセラミックス構造体を得た。 The formed object was separated from the base made of alumina, placed in an electric furnace, and subjected to heat treatment. Specifically, the temperature was raised to 1690° C. in 2.5 hours in an air atmosphere, and the temperature was maintained at 1690° C. for 20 minutes. A ceramic structure was obtained.

得られたセラミックス構造体のうち3個を気孔率測定用の試料とし、気孔率評価を行ったところ、気孔率は6.8%であった。 Three of the obtained ceramic structures were used as samples for porosity measurement, and the porosity was evaluated to be 6.8%.

得られたセラミックス系構造体の組成をICP-AESにより測定したところ、SiがSiO換算で43.9質量%、AlがAl換算で56.1質量%であり、モル比SiO/Alは0.57/0.43であった(表3参照)。 When the composition of the obtained ceramic-based structure was measured by ICP-AES, Si was 43.9% by mass in terms of SiO 2 , Al was 56.1% by mass in terms of Al 2 O 3 , and the molar ratio was SiO 2 . / Al2O3 was 0.57/0.43 (see Table 3 ).

次に、セラミックス構造体を構成する領域の分析と、3点曲げ強度試験用および気孔率測定用を行うため、残り11個のセラミックス構造体を切断及び研磨して、40mm×4mm×3mmの試料に加工した。加工した試料のうち1つを、セラミックス構造体の中心部を残して長辺の両サイドをワイヤーソーで切断し、10mm×4mm×3mmの試験片を得た。そして、3mmの辺が1.5mm程度になるまで粗く研磨したのち、鏡面状に研磨することで、10mm×4mmの観察面を得た。 Next, the remaining 11 ceramic structures were cut and polished to obtain samples of 40 mm × 4 mm × 3 mm in order to analyze the regions constituting the ceramic structures and to perform three-point bending strength tests and porosity measurements. processed into One of the processed samples was cut with a wire saw on both sides of the long side leaving the center of the ceramic structure to obtain a test piece of 10 mm×4 mm×3 mm. Then, after roughly polishing until the side of 3 mm became about 1.5 mm, by polishing to a mirror surface, an observation surface of 10 mm×4 mm was obtained.

前記観察面についてX線回折、SEM観察、SEM-EDS、EBSDを行った。SEM-EDSとEBSDは、100μm×100μmの視野サイズで、場所を変えて10か所について分析し、組成と結晶構造のマッピングを得た。結果を総合的に解析し、セラミックス構造体には、シリカ(SiO)からなる領域、SiとAlを含む酸化物からなる領域、ムライトからなる領域、酸化アルミニウムからなる領域の4つの領域が含まれていることが確認された。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。表3には、存在が確認された領域の欄に「〇」、確認されなかった領域の欄に「×」を記載する。解析によれば、二酸化ケイ素からなる領域のシリカはクリストバライトであり、ムライトからなる領域、酸化アルミニウムからなる領域はいずれも結晶質であった。 The observation surface was subjected to X-ray diffraction, SEM observation, SEM-EDS, and EBSD. SEM-EDS and EBSD were analyzed at 10 different locations with a field size of 100 μm×100 μm to obtain mapping of composition and crystal structure. After comprehensively analyzing the results, the ceramic structure contained four regions: a region made of silica (SiO 2 ), a region made of an oxide containing Si and Al, a region made of mullite, and a region made of aluminum oxide. It was confirmed that A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion. In Table 3, "O" is entered in the column of the area where the existence is confirmed, and "X" is entered in the column of the area where the existence is not confirmed. According to the analysis, the silica in the silicon dioxide region was cristobalite, and both the mullite region and the aluminum oxide region were crystalline.

残り10個の強度試験用の試験片について曲げ強度試験を行い、3点曲げ強度を算出したところ、103[MPa]であった。 A flexural strength test was performed on the remaining 10 specimens for the strength test, and the 3-point flexural strength was calculated to be 103 [MPa].

セラミックス構造体のSi、Al、Tb、Pr、Zrの含有量(酸化物換算の質量%)、酸化物換算のモル比SiO/Al、気孔率、3点曲げ強度を評価した結果を表3に示す。 Results of evaluating the contents of Si, Al, Tb, Pr, and Zr (mass % in terms of oxides), the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 in terms of oxides, the porosity, and the three-point bending strength of the ceramic structure are shown in Table 3.

なお、表2は、原料粉末SiO、Al、SiO、Tb、Pr11の秤量値を示している。表3は、Si、Al、Tb、Pr、Zrの含有率を、それぞれSiO、Al、Tb、Pr、ZrOとして換算した数値で表している。 Table 2 shows the weight values of the raw material powders SiO2 , Al2O3 , SiO, Tb4O7 and Pr6O11 . Table 3 shows the contents of Si, Al, Tb, Pr, and Zr as numerical values converted into SiO 2 , Al 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Pr 2 O 3 , and ZrO 2 , respectively.

Figure 2023072682000002
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Figure 2023072682000003
Figure 2023072682000003

(実施例2~6)
原料粉末に含まれるSiO粉末、Al粉末、SiO粉末の質量比を変更した点を除いて、実施例1と同様にセラミックス構造体を作製した。それぞれの実施例の原料粉末の質量比を表2に示す。また得られたセラミックス構造体の気孔率、SiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。さらに、セラミックス構造体における、二酸化ケイ素からなる領域、SiとAlを含む酸化物からなる領域、ムライトからなる領域、酸化アルミニウムからなる領域の4領域の有無についても表3に示しておく。なお、結晶構造の解析によれば、いずれのセラミックス構造体も、二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。また、すべてのセラミックス構造体で、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域からなる領域も観察された。
(Examples 2-6)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, and SiO powder contained in the raw material powder was changed. Table 2 shows the mass ratio of the raw material powder in each example. Table 3 shows the porosity, the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , and the three-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. Table 3 also shows whether or not there are four regions in the ceramic structure: a region made of silicon dioxide, a region made of an oxide containing Si and Al, a region made of mullite, and a region made of aluminum oxide. According to the analysis of the crystal structure, in all ceramic structures, the silicon dioxide region contained cristobalite, and the mullite region and the aluminum oxide region contained crystalline. In addition, in all the ceramic structures, a region composed of an oxide containing Si and Al, which is presumed to be a repaired portion of cracks, was also observed.

(実施例7)
SiO粉末の平均粒子径を17μmに変更した点を除いて、実施例1と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Alが、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。結晶構造の解析によれば、二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。気孔率は5.0%と実施例1~6よりも小さかった。また、最大ムライト生成量に対する実際のムライトからなる領域の割合は、78.9体積%と高く、3点曲げ強度の108[MPa]との相関を示した。
(Example 7)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the average particle size of the SiO2 powder was changed to 17 μm. Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of four regions, the porosity, and the three-point bending strength of the resulting ceramic structure together with the firing temperature. . Crystal structure analysis showed that the silicon dioxide region contained cristobalite, and the mullite and aluminum oxide regions also contained crystalline. A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion. The porosity was 5.0%, which was smaller than those of Examples 1-6. Moreover, the ratio of the region composed of actual mullite to the maximum amount of mullite produced was as high as 78.9% by volume, and showed a correlation with the three-point bending strength of 108 [MPa].

(実施例8)
SiO粉末の平均粒子径を10μmにした点を除いて実施例1と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。結晶構造の解析によれば、二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。
(Example 8)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the SiO 2 powder had an average particle size of 10 μm. Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of 4 regions, the porosity and the 3-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. Crystal structure analysis showed that the silicon dioxide region contained cristobalite, and the mullite and aluminum oxide regions also contained crystalline. A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion.

気孔率は3.1%と他の実施例よりも低く、3点曲げ強度も113[MPa]と高かった。この場合も、最大ムライト生成量に対するムライトからなる領域の割合は、91.8体積%であり、高強度との相関を示した。 The porosity was 3.1%, which was lower than those of other examples, and the three-point bending strength was also high, 113 [MPa]. Also in this case, the ratio of the region composed of mullite to the maximum amount of mullite produced was 91.8% by volume, showing a correlation with high strength.

(実施例9)
SiO粉末の平均粒子径を38μmのクリストバライトのものにしたのと、工程(iii)の焼成温度を1680℃に変更した点を除いて実施例1と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体を、他の実施例と同様に評価した結果を表3に示す。結晶構造の解析によれば、二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。
(Example 9)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the average particle size of the SiO 2 powder was cristobalite of 38 μm and the firing temperature in step (iii) was changed to 1680°C. Table 3 shows the results of evaluating the obtained ceramic structures in the same manner as in other examples. Crystal structure analysis showed that the silicon dioxide region contained cristobalite, and the mullite and aluminum oxide regions also contained crystalline. A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion.

(実施例10)
吸収体を平均粒子径が4μmのTb粉末に変更し、SiO粉末、Al粉末、Tb粉末を表2に記載の質量比で混合した点と、工程(iii)の焼成温度を1680℃に変更した点を除いて、実施例7と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。結晶構造の解析によれば、二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。
(Example 10)
The absorber was changed to Tb 4 O 7 powder having an average particle size of 4 μm, and SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, and Tb 4 O 7 powder were mixed at the mass ratio shown in Table 2; ) was changed to 1680° C., a ceramic structure was produced in the same manner as in Example 7. Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of 4 regions, the porosity and the 3-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. Crystal structure analysis showed that the silicon dioxide region contained cristobalite, and the mullite and aluminum oxide regions also contained crystalline. A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion.

(実施例11)
吸収体を平均粒子径が4μmのPr11粉末に変更した点を除いて実施例8と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiとAlの質量比、モル比SiO/AlO、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。結晶構造の解析によれば、二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。
(Example 11)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 8, except that the absorber was changed to Pr 6 O 11 powder having an average particle size of 4 μm. Table 3 shows the mass ratio of Si and Al, the molar ratio of SiO 2 /Al 2 O, the presence or absence of four regions, the porosity and the three-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. Crystal structure analysis showed that the silicon dioxide region contained cristobalite, and the mullite and aluminum oxide regions also contained crystalline. A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion.

(実施例12)
工程(iii)の焼成工程の前にジルコニウム成分含有液を造形物のクラックに吸収させた点を除いて、実施例1と同様にセラミックス構造体を作製した。ジルコニウム成分含有液は、次のように調製した。85質量%のジルコニウムブトキシド(ジルコニウム(IV)ブトキシド(以下、Zr(O-n-Bu)4と表記する))を1-ブタノール中に溶解させた溶液を用意した。前記Zr(O-n-Bu)4の溶液を2-プロパノール(IPA)中に溶解させ、安定化剤としてアセト酢酸エチル(EAcAc)を添加した。各成分モル比率は、Zr(O-n-Bu)4:IPA:EAcAc=1:15:2とした。その後、室温で約3時間攪拌することにより、ジルコニウム成分含有液を調製した。
(Example 12)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the zirconium component-containing liquid was absorbed into the cracks of the shaped article before the firing process of step (iii). A zirconium component-containing liquid was prepared as follows. A solution was prepared by dissolving 85% by mass of zirconium butoxide (zirconium (IV) butoxide (hereinafter referred to as Zr(On-Bu)4)) in 1-butanol. The Zr(On-Bu)4 solution was dissolved in 2-propanol (IPA) and ethyl acetoacetate (EAcAc) was added as a stabilizer. The molar ratio of each component was Zr(On-Bu)4:IPA:EAcAc=1:15:2. After that, the mixture was stirred at room temperature for about 3 hours to prepare a zirconium component-containing liquid.

得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。結晶構造の解析によれば、二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。さらに、クラックが補修された部分、乃至その部分と繋がっているSiとAlを含む酸化物からなる領域内に、酸化ジルコニウムからなる領域が分散していることが観察された。 Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of 4 regions, the porosity and the 3-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. Crystal structure analysis showed that the silicon dioxide region contained cristobalite, and the mullite and aluminum oxide regions also contained crystalline. A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion. Furthermore, it was observed that regions made of zirconium oxide were dispersed in the portion where the crack was repaired or in the region made of oxide containing Si and Al connected to the portion.

補修液を造形物に吸収させなかった点を除いて、作製条件が同じである実施例1よりも高い3点曲げ強度が得られた。これは、酸化ジルコニウムからなる領域が増えた分セラミックス構造体を構成する領域が複雑化したことによると推測される。 A higher three-point bending strength was obtained than in Example 1, in which the manufacturing conditions were the same, except that the repair liquid was not absorbed into the modeled article. It is presumed that this is due to the fact that the regions forming the ceramic structure are complicated by the increase in the regions made of zirconium oxide.

(実施例13)
原料粉末に含まれるSiO粉末、Al粉末、SiO粉末の質量比を表2に示す値に変更した点を除いて、実施例7と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。結晶構造の解析によれば、二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。
(Example 13)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 7, except that the mass ratio of SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, and SiO powder contained in the raw material powder was changed to the value shown in Table 2. Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of 4 regions, the porosity and the 3-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. Analysis of the crystal structure showed that the silicon dioxide regions contained cristobalite, the mullite regions and the aluminum oxide regions also contained crystalline.

セラミックス構造体中には、二酸化ケイ素からなる領域、SiとAlを含む酸化物からなる領域、ムライトからなる領域、酸化アルミニウムからなる領域、酸化ジルコニウムからなる領域の5領域が観察された。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。そして、補修液を造形物に吸収させなかった点を除いて、作製条件が同じである実施例2よりも高い3点曲げ強度が得られた。 Five regions were observed in the ceramic structure: a silicon dioxide region, an oxide region containing Si and Al, a mullite region, an aluminum oxide region, and a zirconium oxide region. A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion. A higher 3-point bending strength was obtained than in Example 2, which was manufactured under the same manufacturing conditions, except that the repair liquid was not absorbed into the modeled object.

(実施例14)
原料粉末に含まれるSiO粉末、Al粉末、SiO粉末の質量比を表2に示す値に変更した点を除いて、実施例7と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。
(Example 14)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 7, except that the mass ratio of SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, and SiO powder contained in the raw material powder was changed to the value shown in Table 2. Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of 4 regions, the porosity and the 3-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. The regions of silicon dioxide contained cristobalite, and the regions of mullite and aluminum oxide also contained crystalline.

セラミックス構造体中には、二酸化ケイ素からなる領域、SiとAlを含む酸化物からなる領域、ムライトからなる領域、酸化アルミニウムからなる領域、酸化ジルコニウムからなる領域の5領域が観察された。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。そして、補修液を造形物に吸収させなかった点を除いて、作製条件が同じである実施例3よりも高い3点曲げ強度が得られた。 Five regions were observed in the ceramic structure: a silicon dioxide region, an oxide region containing Si and Al, a mullite region, an aluminum oxide region, and a zirconium oxide region. A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion. A higher three-point bending strength was obtained than in Example 3, in which the manufacturing conditions were the same, except that the repair liquid was not absorbed into the modeled object.

(実施例15)
原料粉末に含まれるSiO粉末、Al粉末、SiO粉末の質量比を表2に示す値に変更した点を除いて、実施例7と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。結晶構造の解析によれば、二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。
(Example 15)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 7, except that the mass ratio of SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, and SiO powder contained in the raw material powder was changed to the value shown in Table 2. Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of 4 regions, the porosity and the 3-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. Crystal structure analysis showed that the silicon dioxide region contained cristobalite, and the mullite and aluminum oxide regions also contained crystalline.

セラミックス構造体中には、二酸化ケイ素からなる領域、SiとAlを含む酸化物からなる領域、ムライトからなる領域、酸化アルミニウムからなる領域、酸化ジルコニウムからなる領域の5領域が観察された。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。そして、補修液を造形物に吸収させなかった点と、シリカの粒径が異なる点を除いて、作製条件が同じである実施例4よりも高い3点曲げ強度が得られた。 Five regions were observed in the ceramic structure: a silicon dioxide region, an oxide region containing Si and Al, a mullite region, an aluminum oxide region, and a zirconium oxide region. A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion. A higher 3-point bending strength was obtained than in Example 4, in which the manufacturing conditions were the same, except that the repair liquid was not absorbed into the shaped object and that the particle size of silica was different.

(実施例16)
工程(iii)の焼成温度を1650℃に変更した点を除いて実施例1と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。結晶構造の解析によれば、二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。
(Example 16)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the firing temperature in step (iii) was changed to 1650°C. Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of 4 regions, the porosity and the 3-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. Crystal structure analysis showed that the silicon dioxide region contained cristobalite, and the mullite and aluminum oxide regions also contained crystalline. A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion.

(実施例17~19)
実施例17、18、19では、それぞれ工程(iii)の焼成温度維持時間を40分、80分、120分とした点を除いて、実施例7と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。
(Examples 17-19)
In Examples 17, 18, and 19, ceramic structures were produced in the same manner as in Example 7, except that the firing temperature maintenance time in step (iii) was set to 40 minutes, 80 minutes, and 120 minutes, respectively. Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of 4 regions, the porosity and the 3-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature.

実施例17~19のセラミックス構造体中には、二酸化ケイ素からなる領域は検出できず、SiとAlとを含む酸化物からなる領域およびムライトからなる領域、酸化アルミニウムからなる領域の3つの領域からなることが観察された。 In the ceramic structures of Examples 17 to 19, no region composed of silicon dioxide was detected, and from three regions: a region composed of an oxide containing Si and Al, a region composed of mullite, and a region composed of aluminum oxide. It was observed that

結晶構造の解析によれば、ムライトからなる領域、酸化アルミニウムからなる領域は、いずれも結晶質を含む状態であった。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。 According to the analysis of the crystal structure, both the mullite region and the aluminum oxide region contained crystallinity. A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion.

具体的には、実施例17のムライト生成可能量に対するムライトからなる領域の占める割合は、83.3体積%と高く、3点曲げ強度の111[MPa]との相関を示した。また、図5(a)~(c)は、実施例19で得られたセラミックス構造体のSEM像とAlとSiそれぞれのEDSによる元素マッピング像である。図5(b)(c)を用いて算出される、実施例19のムライト生成可能量に対するムライトからなる領域の占める割合は、95.0体積%と高く、107[MPa]と高い3点曲げ強度を示した。 Specifically, the ratio of the mullite region to the mullite-producible amount of Example 17 was as high as 83.3% by volume, and showed a correlation with the three-point bending strength of 111 [MPa]. 5A to 5C are SEM images of the ceramic structure obtained in Example 19 and elemental mapping images of Al and Si by EDS, respectively. The ratio of the region composed of mullite to the mullite-producible amount of Example 19, which is calculated using FIGS. showed strength.

実施例7、17、19と、焼成時間が長いほど、ムライトからなる領域の占める割合が75体積%以上かつ、より高くなる傾向があり、3点曲げ強度も高いレベルを維持していた。また、これら実施例17~19では、加熱処理時間を長くすることで、実施例7に対して気孔率が低減されることが確認された。 As in Examples 7, 17, and 19, the longer the firing time, the higher the ratio of the mullite region to 75% by volume or more, and the three-point bending strength was maintained at a high level. Moreover, in Examples 17 to 19, it was confirmed that the porosity was reduced compared to Example 7 by lengthening the heat treatment time.

このように、相対的に機械強度が低い二酸化ケイ素からなる領域とSiとAlを含む酸化物からなる領域が占める領域に対して、相対的に機械強度が高いムライトからなる領域の占める領域の方が広いことが確認された。このような状態は、高い機械強度を維持する上で特に好ましい。 Thus, the region occupied by the region made of mullite, which has relatively high mechanical strength, is larger than the region occupied by the region made of silicon dioxide, which has relatively low mechanical strength, and the region made of oxide containing Si and Al. was confirmed to be wide. Such a state is particularly preferable for maintaining high mechanical strength.

(実施例20)
実施例20では、原料粉末に含まれるSiO粉末、Al粉末、SiO粉末の質量比を変更した点を除いて、実施例7と同様にセラミックス構造体を作製した。それぞれの実施例の原料粉末の質量比を表2に示す。また得られたセラミックス構造体の気孔率、SiO/Alの質量比、モル比SiO/Al、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。さらに、構造体のセラミックス構造体における、二酸化ケイ素からなる領域、SiとAlを含む酸化物からなる領域、ムライトからなる領域、酸化アルミニウムからなる領域の4領域の有無についても表3に示しておく。得られたセラミックス構造体のSEM像を図4(a)に、AlとSiそれぞれのEDSによる元素マッピング像を図4(b)、(c)に示す。
(Example 20)
In Example 20, a ceramic structure was produced in the same manner as in Example 7, except that the mass ratio of SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, and SiO powder contained in the raw material powder was changed. Table 2 shows the mass ratio of the raw material powder in each example. Table 3 shows the porosity, SiO 2 /Al 2 O 3 mass ratio, SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio, and three-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. Table 3 also shows whether or not there are four regions in the ceramic structure of the structure: a region made of silicon dioxide, a region made of an oxide containing Si and Al, a region made of mullite, and a region made of aluminum oxide. . An SEM image of the obtained ceramic structure is shown in FIG. 4(a), and elemental mapping images of Al and Si by EDS are shown in FIGS. 4(b) and 4(c).

結晶構造の解析とSEM-EDS分析によれば、本セラミックス構造体は、二酸化ケイ素からなる領域401がクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域302および酸化アルミニウムからなる領域301も結晶質を含んでいた。クラックが補修された部分CRと推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域303も存在していた。 According to the crystal structure analysis and SEM-EDS analysis, in this ceramic structure, the region 401 made of silicon dioxide contains cristobalite, and the region 302 made of mullite and the region 301 made of aluminum oxide also contain crystals. board. A region 303 made of an oxide containing Si and Al was also present, which is presumed to be a crack-repaired portion CR.

さらに、ムライト生成可能量に対するムライトからなる領域の占める割合は、76.0体積%と高く、3点曲げ強度の93[MPa]との相関を示した。 Furthermore, the ratio of the mullite region to the mullite-producible amount was as high as 76.0% by volume, showing a correlation with the three-point bending strength of 93 [MPa].

(比較例1)
原料粉末に含まれるSiO粉末、Al粉末、SiO粉末の質量比を表2に示す値に変更した点を除いて、実施例1と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。結晶構造の解析によれば、二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域が観察された。
(Comparative example 1)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of the SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, and SiO powder contained in the raw material powder was changed to the value shown in Table 2. Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of 4 regions, the porosity and the 3-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. Crystal structure analysis showed that the silicon dioxide region contained cristobalite, and the mullite and aluminum oxide regions also contained crystalline. In addition, a region composed of an oxide containing Si and Al was observed, which is presumed to be a crack-repaired portion.

セラミックス構造体中には、二酸化ケイ素からなる領域、SiとAlを含む酸化物からなる領域、ムライトからなる領域、酸化アルミニウムからなる領域の4領域が観察されたが、3点曲げ強度が25[MPa]と低く構造用部品の適用には適さない値であった。 Four regions were observed in the ceramic structure: a region made of silicon dioxide, a region made of an oxide containing Si and Al, a region made of mullite, and a region made of aluminum oxide. MPa], which is not suitable for application to structural parts.

実施例に比べて、気孔率が16.3%と高いことから、セラミックス構造体の気孔率が大きかったこと、つまり緻密性が低かったことに起因して、3点曲げ強度が低くなっていると考えられる。気孔率が大きい原因は、原料粉末に含まれる酸化アルミニウムの量が少なかったため、工程(ii)のレーザービーム照射時に溶融した酸化アルミニウムが造形物全体に行き渡らず、シリカが十分に溶融しなかったためと推測される。 Since the porosity is as high as 16.3% compared to the examples, the three-point bending strength is low due to the high porosity of the ceramic structure, that is, the low compactness. it is conceivable that. The reason for the large porosity is that the amount of aluminum oxide contained in the raw material powder was small, so that the aluminum oxide melted during the laser beam irradiation in step (ii) did not spread throughout the model, and the silica was not sufficiently melted. guessed.

(比較例2)
原料粉末に含まれるSiO粉末、Al粉末、SiO粉末の質量比を表2に示す値に変更した点を除いて、実施例1と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域も観察された。
(Comparative example 2)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of the SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, and SiO powder contained in the raw material powder was changed to the value shown in Table 2. Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of 4 regions, the porosity and the 3-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. The regions of silicon dioxide contained cristobalite, and the regions of mullite and aluminum oxide also contained crystalline. A region composed of an oxide containing Si and Al was also observed, which is presumed to be a crack-repaired portion.

セラミックス構造体中には、二酸化ケイ素からなる領域、SiとAlを含む酸化物からなる領域、ムライトからなる領域、酸化アルミニウムからなる領域の4領域が観察されたが、3点曲げ強度が28[MPa]と低く構造用部品の適用には適さない値であった。 Four regions were observed in the ceramic structure: a region made of silicon dioxide, a region made of an oxide containing Si and Al, a region made of mullite, and a region made of aluminum oxide. MPa], which is not suitable for application to structural parts.

比較例2も、気孔率が13.4%と高いことから、比較例1と同様に、原料粉末のモル比SiO/Alが0.75/0.25で、原料粉末に含まれる酸化アルミニウムの量が少なかったため、シリカを十分に溶融することができなかったものと推測される。 Comparative Example 2 also has a high porosity of 13.4% . It is presumed that the silica could not be sufficiently melted because the amount of aluminum oxide contained was small.

(比較例3)
原料粉末に含まれるSiO粉末、Al粉末、SiO粉末の質量比を表2に示す値に変更した点を除いて、実施例1と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、焼成温度と共に表3に示す。結晶構造の解析によれば、二酸化ケイ素からなる領域はクリストバライトを含んでおり、ムライトからなる領域および酸化アルミニウムからなる領域も結晶質を含んでいた。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域が観察された。ただし、その数は実施例1から16のそれよりも極端に少なかった。
(Comparative Example 3)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of the SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, and SiO powder contained in the raw material powder was changed to the value shown in Table 2. Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of 4 regions, the porosity and the 3-point bending strength of the obtained ceramic structure together with the firing temperature. Crystal structure analysis showed that the silicon dioxide region contained cristobalite, and the mullite and aluminum oxide regions also contained crystalline. In addition, a region composed of an oxide containing Si and Al was observed, which is presumed to be a crack-repaired portion. However, the number was extremely less than that of Examples 1-16.

比較例3の3点曲げ強度も41[MPa]と低く、構造用部品の適用には適さない値であった。これは、原料粉末に含まれる二酸化ケイ素が少なかったため、工程(iii)の加熱処理時に溶融したSiとAlを含む酸化物からなる領域の組成物がクラックにいきわたらず、クラックを十分に補修することができず、気孔率が大きくなったためと考えられる。 The three-point bending strength of Comparative Example 3 was also as low as 41 [MPa], a value unsuitable for application to structural parts. This is because the amount of silicon dioxide contained in the raw material powder was small, so that the composition in the region composed of oxides containing Si and Al melted during the heat treatment in step (iii) did not reach the cracks, and the cracks were sufficiently repaired. It is considered that this is because the porosity was increased.

(比較例4)
原料粉末に含まれるSiO粉末、Al粉末、SiO粉末の質量比を表2に示す値に変更した点を除いて、実施例1と同様にセラミックス構造体を作製した。得られたセラミックス構造体のSiOとAlの質量比、モル比SiO/Al、4領域の有無、気孔率、3点曲げ強度を、加熱温度と共に表3に示す。また、クラックが補修された部分と推測される、SiとAlを含む酸化物からなる領域は観察されなかった。
(Comparative Example 4)
A ceramic structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of the SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, and SiO powder contained in the raw material powder was changed to the value shown in Table 2. Table 3 shows the mass ratio of SiO 2 and Al 2 O 3 , the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 , the presence or absence of four regions, the porosity, and the three-point bending strength of the resulting ceramic structure together with the heating temperature. Moreover, no region composed of oxide containing Si and Al, which is presumed to be a repaired portion of cracks, was observed.

比較例4の3点曲げ強度も41[MPa]と低く、構造用部品の適用には適さない値であった。これは、原料粉末のモル比SiO/Alが0.03/0.97で、原料粉末に二酸化ケイ素がほとんど含まれていなかったため、工程(iii)の加熱処理時に造形物のクラックが補修される現象が十分に起こらず、気孔率が大きくなったためと考えられる。 The three-point bending strength of Comparative Example 4 was also as low as 41 [MPa], a value unsuitable for application to structural parts. This is because the molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 of the raw material powder was 0.03/0.97, and the raw material powder contained almost no silicon dioxide. This is probably because the phenomenon of repairing the crack did not occur sufficiently and the porosity increased.

本発明によれば、複雑な形状の造形物が得られる直接造形方式の特徴をそのまま生かしつつ、造形物の緻密性と機械的強度を向上させたセラミックス構造体を安価で提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide, at a low cost, a ceramic structure in which the compactness and mechanical strength of the shaped product are improved while taking advantage of the features of the direct shaping method, in which a shaped product with a complicated shape can be obtained.

100 固化部
101 粉末
102 粉末層
103 未固化の粉末
110 造形物
130 基台
151 ステージ
152 ローラー
180 レーザービーム源
181 スキャナ部
190 液体噴射ノズル
201 クラッディングノズル
202 粉末供給孔
203 レーザービーム
301 酸化アルミニウムからなる領域
302 ムライトからなる領域
303 SiとAlを含む酸化物からなる領域
401 二酸化シリコンからなる領域
CR クラック補修された部分
100 solidified part 101 powder 102 powder layer 103 unsolidified powder 110 shaped object 130 base 151 stage 152 roller 180 laser beam source 181 scanner part 190 liquid injection nozzle 201 cladding nozzle 202 powder supply hole 203 laser beam 301 made of aluminum oxide Region 302 Region made of mullite Region 303 Region made of oxide containing Si and Al Region 401 Region made of silicon dioxide CR Crack-repaired portion

Claims (20)

セラミックス構造体であって、
少なくともムライトからなる領域と、前記ムライトよりもSiの割合の多いSiとAlを含む酸化物からなる領域と、酸化アルミニウムからなる領域とを有しており、
酸化物換算のモル比SiO/Alが0.1/0.9~0.7/0.3を満たすことを特徴とするセラミックス構造体。
A ceramic structure,
It has a region made of at least mullite, a region made of an oxide containing Si and Al having a higher proportion of Si than the mullite, and a region made of aluminum oxide,
A ceramic structure characterized by satisfying a molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 of 0.1/0.9 to 0.7/0.3 in terms of oxide.
前記セラミックス構造体のある断面に、平均幅が1μm以上かつ平均幅に対する長さの比が10以上であるSiとAlを含む酸化物からなる領域を含むことを特徴とする請求項1に記載のセラミックス構造体。 2. The method according to claim 1, wherein the cross section of the ceramic structure includes a region made of an oxide containing Si and Al and having an average width of 1 μm or more and a ratio of length to average width of 10 or more. ceramic structure. 前記ムライトからなる領域の全体に対して占める割合は、前記セラミックス構造体の酸化物換算のモル比SiO/Alから算出されるムライトの最大量の75体積%以上を満たすことを特徴とする請求項1に記載のセラミックス構造体。 The ratio of the mullite region to the entire region satisfies 75% by volume or more of the maximum amount of mullite calculated from the oxide-equivalent molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 of the ceramic structure. The ceramic structure according to claim 1, wherein 前記SiとAlを含む酸化物からなる領域の酸化物換算のモル比SiO/Alが、12~24であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のセラミックス構造体。 4. The region according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxide-equivalent molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 of the region made of the oxide containing Si and Al is 12 to 24. ceramic structure. 前記ムライトからなる領域が、結晶質であることを特徴とする請求項1に記載のセラミックス構造体。 2. The ceramic structure according to claim 1, wherein said mullite region is crystalline. 前記酸化アルミニウムからなる領域が、結晶質であることを特徴とする請求項1に記載のセラミックス構造体。 2. The ceramic structure according to claim 1, wherein said region made of aluminum oxide is crystalline. さらに二酸化ケイ素からなる領域を含むことを特徴とする請求項1に記載のセラミックス構造体。 2. The ceramic structure of claim 1, further comprising a region of silicon dioxide. さらに酸化ジルコニウムからなる領域を有することを特徴とする、請求項1に記載のセラミックス構造体。 2. The ceramic structure according to claim 1, further comprising a region made of zirconium oxide. セラミックス構造体の製造方法であって、
(i)二酸化ケイ素粒子と、酸化アルミニウム粒子と、照射されるレーザービームに含まれる波長の光に対して、シリカやアルミナよりも高い光吸収能を示す吸収体と、を含み、酸化物換算のモル比SiO/Alが0.1/0.9~0.7/0.3を満たす粉末を配置する工程と、
(ii)前記粉末にレーザービームを照射して、前記粉末を溶融させた後凝固させる工程と、
(iii)前記工程(i)および(ii)を複数回おこなって得られる造形物を、最高到達温度が1595℃以上1730℃未満となるように加熱処理する工程と、
を有することを特徴とするセラミックス構造体の製造方法。
A method for manufacturing a ceramic structure,
(i) containing silicon dioxide particles, aluminum oxide particles, and an absorber exhibiting a higher light absorption capacity than silica or alumina with respect to the light of the wavelength contained in the irradiated laser beam; disposing a powder satisfying a molar ratio SiO 2 /Al 2 O 3 of 0.1/0.9 to 0.7/0.3;
(ii) irradiating the powder with a laser beam to melt and then solidify the powder;
(iii) a step of heat-treating the shaped article obtained by performing the steps (i) and (ii) a plurality of times so that the maximum temperature reaches 1595° C. or more and less than 1730° C.;
A method for manufacturing a ceramic structure, comprising:
前記工程(iii)において、最高到達温度が1600℃以上1720℃未満となるように加熱処理することを特徴とする、請求項9に記載のセラミックス構造体の製造方法。 10. The method of manufacturing a ceramic structure according to claim 9, wherein in said step (iii), the heat treatment is performed so that the maximum temperature reaches 1600[deg.] C. or more and less than 1720[deg.] C. 前記工程(iii)において、最高到達温度における保持時間を1分以上4時間以下とすることを特徴とする、請求項9に記載のセラミックス構造体の製造方法。 10. The method for manufacturing a ceramic structure according to claim 9, wherein in said step (iii), the holding time at the highest temperature is 1 minute or more and 4 hours or less. 前記吸収体は、前記レーザービームに含まれる波長の光に対して10%以上の吸収率を有することを特徴とする請求項9に記載のセラミックス構造体の製造方法。 10. The method of manufacturing a ceramic structure according to claim 9, wherein said absorber has an absorptance of 10% or more for light of a wavelength contained in said laser beam. 前記吸収体は、前記レーザービームに含まれる波長の光に対して40%以上の吸収率を有することを特徴とする請求項12に記載のセラミックス構造体の製造方法。 13. The method of manufacturing a ceramic structure according to claim 12, wherein said absorber has an absorptivity of 40% or more for light of a wavelength contained in said laser beam. 前記吸収体が、SiOであることを特徴とする、請求項9に記載のセラミックス構造体の製造方法。 10. The method of manufacturing a ceramic structure according to claim 9, wherein said absorber is SiO. 前記二酸化ケイ素粒子の平均粒子径が5μm以上200μm以下であり、前記吸収体の平均粒子径が1μm以上10μm未満であることを特徴とする、請求項9に記載のセラミックス構造体の製造方法。 10. The method for producing a ceramic structure according to claim 9, wherein the silicon dioxide particles have an average particle size of 5 [mu]m or more and 200 [mu]m or less, and the absorber has an average particle size of 1 [mu]m or more and less than 10 [mu]m. 前記吸収体の添加量が、前記粉末の0.5vol%以上10vol%以下であることを特徴とする、請求項9に記載のセラミックス構造体の製造方法。 10. The method of manufacturing a ceramic structure according to claim 9, wherein the amount of said absorber added is 0.5 vol % or more and 10 vol % or less of said powder. 前記工程(iii)の前に、前記造形物に金属元素を含む液を吸収させる工程を有することを特徴とする、請求項9に記載のセラミックス構造体の製造方法。 10. The method of manufacturing a ceramic structure according to claim 9, further comprising the step of allowing said shaped article to absorb a liquid containing a metal element before said step (iii). 前記金属元素を含む液が、ジルコニウムを含むことを特徴とする、請求項17に記載のセラミックス構造体の製造方法。 18. The method of manufacturing a ceramic structure according to claim 17, wherein the liquid containing the metal element contains zirconium. 前記工程(iii)の加熱処理において前記造形物が到達する最高温度が、二酸化ケイ素の融点未満、かつ前記金属元素の酸化物と二酸化ケイ素との共晶温度より高いことを特徴とする請求項17に記載のセラミックス構造体の製造方法。 17. The maximum temperature reached by the shaped article in the heat treatment in step (iii) is lower than the melting point of silicon dioxide and higher than the eutectic temperature between the oxide of the metal element and silicon dioxide. 2. A method for producing a ceramic structure according to 1. 前記金属元素の前記粉末における含有率が、3.0質量%未満であることを特徴とする、請求項17に記載のセラミックス構造体の製造方法。 18. The method of manufacturing a ceramic structure according to claim 17, wherein the content of said metal element in said powder is less than 3.0% by mass.
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