JP2510044B2 - セラミックス多孔体 - Google Patents

セラミックス多孔体

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JP2510044B2 JP2340583A JP34058390A JP2510044B2 JP 2510044 B2 JP2510044 B2 JP 2510044B2 JP 2340583 A JP2340583 A JP 2340583A JP 34058390 A JP34058390 A JP 34058390A JP 2510044 B2 JP2510044 B2 JP 2510044B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はセラミックス多孔体に関し、特に電子部品焼
成などに使用される多孔質道具材、床材,壁材等の軽量
構造材、冷蔵庫,家屋等の断熱材、エア,水等のフィル
ター材、人口骨材、基板,振動子等のエレクトロニクス
材等の各種の用途に用いられるものである。
[従来の技術と課題] 従来、例えば電子部品焼成用の軽量道具材として、ア
ルミナファイバーを主成分としこれをシリカ化合物等で
結合したものが使用されていた。
ところで、電子部品材料としては、チタン酸バリウム
などによるコンデンサーやフェライトなどが代表的であ
るが、チタン酸バリウムはアルミナと反応するため焼成
用道具材にはジルコニアコーティングが施されていた。
また、ジルコニア質の軽量道具材として、一部では網目
構造をもったセラミックも使用されており、大型炉用と
してはジルコニア質の耐火物が使用されている。
しかしながら、アルミファイバーにジルコニアコーテ
ィングを施してある軽量道具材においては、基材のアル
ミナとジルコニアの熱膨脹率が異なるため、使用におけ
る加熱冷却の繰り返しによりジルコニアコーティングの
剥離が起こり、ジルコニア片が焼成物に付着したり,む
き出しになったアルミナと焼成物が反応するという問題
点を有している。また、ジルコニア質耐火物性の道具材
は、その重量・熱容量ともに大きいという問題点を有し
ている。
また、ジルコニア質の網目構造をもったセラミック
は、例えばウレタンフォームのような網目構造をもった
下地に、セラミック原料スラリーを付着させ、乾燥・焼
成して得られるものであり、その製造方法の制約から大
きな網目構造のものしか得られない。このため、例えば
チップコンデンサのような小さな被焼成物を焼成する際
に被焼成物が大きな網目構造に入り込み、うまく焼成で
きないという問題点を有している。更に、同様に製造上
の制約から、この網目構造をもったセラミックはそのセ
ラミック部分の内部にポリマー下地に起因する孔が有
り、そのうえほとんどのものでは、そのセラミック部分
に亀裂が多数生じており、強度が著しく低くなってい
る。このため、このような軽量道具材では、数回の使用
で破損してしまうという問題を有している。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、軽量で熱
容量が小さく、高温で長時間使用でき、かつ急熱急冷に
耐えうるセラミックス多孔体を提供することを目的とす
る。
[課題を解決するための手段と作用] 本発明は、気孔率10%以下のセラミックス材の骨格か
ら構成され、かつ全体の気孔率が30〜98%の多孔体であ
ることを特徴とする多孔質道具材である。
本発明において、全体の気孔率を30〜98%と規定とし
たのは、気孔率が98%を越えると、網目構造を構成する
緻密なセラミックス網の直径が小さくなりすぎて、使用
上必要とされる十分な強度が得られず、製作も困難にな
るためである。また、気孔率が30%未満の場合、熱容量
が大きくなりすぎて本発明の効果が十分得られないから
である(第1図及び第2図参照)。ここで、第1図はZr
O2多孔体の場合を示し、第2図はMgO多孔体の場合を示
す。
本発明において、骨格を形成するセラミックス材の気
孔率を10%以下とするのは、10%を越えると強度が低下
するためである(第3図及び第4図参照)。ここで、第
3図はZrO2における気孔率と曲げ強さとの関係を示し、
第4図はMgOにおける気孔率と曲げ強さとの関係を示
す。
本発明において、三次元網目構造を有するセラミック
ス多孔体の骨格を形成するセラミックス材の気孔率の測
定は、一般に行われているような水銀圧入法等では、三
次元網目構造に起因する気孔であるのかセラミックス材
に存在する気孔に起因するものであるか区別がつかず測
定不可能である。
そこで、セラミックス材の気孔率の測定は、次のよう
にして求めることができる。まず、比重ビンを用いて粗
砕したサンプルと微粉砕したサンプルの比重を測定す
る。ここで、本発明品のセラミックス材に存在する気孔
は概略全て閉気孔であるため、粗砕したサンプルの比重
はかさ比重,微粉砕したサンプルの比重は真比重と考え
る事ができる。従って、前記気孔率は、以下の式により
求める事ができる。
気孔率={1−(真比重−かさ比重)/真比重}×100
(%) また、次のような方法によってもセラミックス材の気
孔率を求めることもできる。まず、セラミックス多孔体
を樹脂包理した後、これを研磨し顕微鏡を使用してその
表面組織を観測し画像処理によって骨格を形成するセラ
ミックス材部分と、その中に含まれる気孔部分を特定し
て、その面積比を求める。画像解析理論によると、この
気孔部分の面積比はセラミックス材の気孔率となすこと
ができるので気孔率を求めることができる。ここで、樹
脂包理する目的は、多孔体の気孔部分を樹脂で埋めるこ
とにより研磨による骨格のくずれを防止し、表面を観測
しやすくすることにある。なお、上記気孔率は、望まし
くは5%以下が好ましい。
本発明において、本発明に係るセラミックス多孔体を
電子部品焼成などの多孔質道具材として使用する場合
は、表面部分の、多孔体としての気孔径を5μm〜2mm
にするのが望ましい。この理由は、気孔径が2mmを越え
ると小さな被焼成物,大きさ数mmの焼成に不都合であ
り、気孔径が5μm未満の場合は、全体気孔率を30〜98
%にするためには骨格の直径が小さくなりすぎて使用上
必要とされる十分な強度が得られないからである。
本発明において、セラミックスとしては、純ジルコニ
ア、あるいはジルコニアをカルシア,マグネシア,イッ
トリア,セリアなどで部分安定化又は全安定化したもの
が挙げられ、これらを単一あるいは複数混合して用いて
もよい。なお、緻密な安定化されていないジルコニアの
場合、相転移温度における急激な体積変化から生ずる応
力によって破壊してしまうが、本発明品の場合にはその
構造中に多量に存在する空間が応力を緩和し、破壊する
事がない。しかし、相転移温度における体積変化が起こ
る事は避けられないため、望ましくは安定化したジルコ
ニアを使用したほうがよい。また、上記セラミックスと
しては、高純度(99wt%以上)なマグネシアを用いるこ
とができる。
次に、網目構造をもつセラミックス骨格から構成され
る多孔体は、例えばセラミック粉末と分散媒をバインダ
ー,分散剤,整泡剤,泡安定剤のうち少なくとも一つと
共に混合して原料スラリーとして、これを攪拌して泡立
て成形することにより作られる。ここで、バインダー
は、乾燥後の成形体強度を増し作業を容易にするため、
またスラリーの粘度を増して泡立ての効率を増し泡の安
定化を計る目的で添加される。分散剤は、分散媒中でセ
ラミック粉を分散して原料スラリーの高濃度化を可能に
し、成形体のセラミック部分の密度を増加する目的で添
加される。整泡剤は、原料スラリーの泡立ちを助け成形
体の気孔率を増す目的で添加される。泡安定剤は、泡立
てによって生じた原料スラリーの泡を安定化し、成形体
が乾燥する間に泡が消失しないように添加される。以上
のように多孔体は成形体を乾燥,焼成して作製される
が、焼成の方法,条件等は緻密なセラミックスの場合と
同様でよい。また、前記多孔体の気孔率は、原料スラリ
ーに添加する整泡剤の量や攪拌の度合によって調整する
ことができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
[実施例1] 平均粒径1μmでCaOを5%含んだジルコニア粉100重
量部にポリアクリル酸アンモニウム1重量部、イオン交
換水100重量部、PVA2重量部をボールミルにて1昼夜混
合した。次に、これに、ステアリン酸アンモニウム1重
量部、アクリル系バインダー5重量部、イオン交換水20
重量部を混合しながら攪拌機で泡立てた。次いで、泡が
安定した後、乾燥機で乾燥して成形体を得た。
この成形体を空気中,1700℃で2時間焼成したとこ
ろ、得られた網目構造をもった多孔体は、表面部分の最
大気孔径が約500μmであり、気孔の平均の大きさは100
μm、気孔率は85%、かさ密度は0.9g/cm3であった。
この網目構造をもった多孔体を200mm×100mm×5mmに
加工しチタン酸バリウムの焼成に使用したところ、1300
℃で破損することなく100回の使用に耐えた。
[実施例2] 平均粒径3μmでCaOを5%含んだジルコニア粉100重
量部にポリアクリル酸アンモニウム1重量部、イオン交
換水100重量部、PVA2重量部をボールミルにて1昼夜混
合した。次に、これに、ステアリン酸アンモニウム0.5
〜10重量部、アクリル系バインダー5重量部、イオン交
換水20重量部を混合しながら攪拌機で泡立てた。次い
で、泡が安定した後、乾燥機で乾燥して気孔率の異なる
成形体を数種類得た。
この成形体を空気中,1700℃で2時間焼成して得られ
た気孔率の異なる網目構造をもった多孔体を、4mm×3mm
×40mmに加工しそれらの三点曲げ強さを測定した。この
結果から得た気孔率と曲げ強さの関係の一例は、第1図
に示す通りである。同図より、気孔率が98%を超える
と、曲げ強さが著しく低下することが明らかである。
[実施例3] 平均粒径1μmで純度99.5%のマグネシア粉100重量
部にポリアクリル酸アンモニウム1重量部、イオン交換
水100重量部、PVA2重量部をボールミルにて1昼夜混合
した。次に、これに、ステアリン酸アンモニウム1重量
部、アクリル系バインダー5重量部、イオン交換水20重
量部を混合しながら攪拌機で泡立てた。次いで、泡が安
定した後、乾燥機で乾燥して成形体を得た。
この成形体を空気中,1700℃で2時間焼成したとこ
ろ、得られた網目構造をもった多孔体は、表面部分の最
大気孔径が約500μmであり、気孔の平均の大きさは100
μm、気孔率は85%、かさ密度は0.5g/cm3であった。
この網目構造をもった多孔体を200mm×100mm×5mmに
加工し、チタン酸バリウムの焼成に使用したところ、13
00℃で破損や製品と反応することなく100回の使用に耐
えた。
[実施例4] 平均粒径3μmで純度99.5%のマグネシア粉100重量
部にポリアクリル酸アンモニウム1重量部、イオン交換
水100重量部、PVA2重量部をボールミルにて1昼夜混合
した。次に、これに、ステアリン酸アンモニウム0.5〜1
0重量部、アクリル系バインダー5重量部、イオン交換
水20重量部を混合しながら攪拌機で泡立てた。次いで、
泡が安定した後、乾燥機で乾燥して気孔率の異なる成形
体を数種類得た。
これらの成形体を空気中,1700℃で2時間焼成して得
られた気孔率の異なる網目構造をもった多孔体を、4mm
×3mm×40mmに加工しそれらの三点曲げ強さを測定し
た。この結果から得た気孔率と曲げ強さの関係の一例
は、第2図に示す通りである。同図より、気孔率が98%
を超えると、曲げ強さが著しく低下することが明らかで
ある。
また、実施例1及び実施例3において作製した多孔体
を樹脂包理した後これを研磨し、顕微鏡を使用してその
表面の組織を観測した。画像処理により、骨格を形成す
るセラミックス材部分とその中に含まれる気孔部分を特
定して、その面積比を求め、セラミックス材の気孔率を
測定した。測定は、それぞれの試料につき100本の骨格
を測定しその平均値を求めた。なお、気孔径0.5μm以
上を測定の対象としたが、これは顕微鏡の解像度と測定
の簡便さのために設定したもので、できうる限り小さい
径の気孔まで測定する事が望ましい。しかしながら、気
孔が機械的強度に及ぼす影響はその気孔径の大きいもの
ほど顕著であるため実際上あまり問題にはならない。セ
ラミックス材の気孔率(%)は、実施例1の場合が1.
5、実施例3の場合が3.0であった。更に、実施例2につ
いて、実施例1の場合と同様な測定方法を用いてセラミ
ックス材の気孔率を調べたところ(平均粒径3μmのマ
グネシア,全体気孔率85%のもの)、5.0であった。更
には、実施例4についても、全体気孔率85%のものにつ
いて、同様に測定したところ、6.5%であった。
[比較例1,2] ポリウレタンフォームにジルコニア及びマグネシアの
スラリーを付着させこれを乾燥した後、1700℃で2時間
焼成しこれらをそれぞれ比較例1,比較例2とした。これ
らについて上述した方法にて骨格を成形するセラミック
ス材の気孔率(%)を測定した。また、多孔体の気孔率
(%),三点曲げ強度(MPa)を測定した。その結果、
比較例1の場合はセラミックス材の気孔率40%,気孔率
82%,三点曲げ強度1.2MPaで、比較例2の場合はセラミ
ックス材の気孔率40%,気孔率87%,三点曲げ強度0.7M
Paであった。
このように、ウレタンフォームにセラミックスラリー
を付着させる方法で得られた多孔体は、実施例2及び実
施例4に示めされる、同気孔率の本発明品と比較して著
しく低い三点曲げ強さを示し、実施例1,実施例3に示さ
れる本発明品と比較して非常に大きなセラミックス材の
気孔率をもつことが分かる。
[発明の効果] 以上詳述した如く本発明によれば、軽量で熱容量が小
さく、高温で長時間使用でき、かつ急熱急冷に耐えうる
高信頼性のセラミックス多孔体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るZrO2多孔体の気孔率と曲げ強さ,
熱容量との関係を示す特性図、第2図は本発明に係るMg
O多孔体の気孔率と曲げ強さ,熱容量との関係を示す特
性図、第3図はZrO2の気孔率と曲げ強さとの関係を示す
特性図、第4図はMgOの気孔率と曲げ強さとの関係を示
す特性図である。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】気孔率10%以下のセラミックス材の骨格か
    ら構成され、かつ全体の気孔率が30〜98%であることを
    特徴とするセラミックス多孔体。
JP2340583A 1989-12-28 1990-11-30 セラミックス多孔体 Expired - Lifetime JP2510044B2 (ja)

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