JP3038425B2 - 積層セラミックス薄板の製造方法 - Google Patents

積層セラミックス薄板の製造方法

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JP3038425B2 JP6055424A JP5542494A JP3038425B2 JP 3038425 B2 JP3038425 B2 JP 3038425B2 JP 6055424 A JP6055424 A JP 6055424A JP 5542494 A JP5542494 A JP 5542494A JP 3038425 B2 JP3038425 B2 JP 3038425B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、積層セラミックス薄板
の製造方法に関する。
【0002】
【従来技術とその課題】従来より、セラミックス薄板
は、例えば原料スラリーを用いてドクターブレード法に
よりグリーンシートを作製し、これを焼成することによ
って製造されている。ところが、これら従来技術で得ら
れるセラミックス薄板は、生成形体シートの表面と裏面
における粉末充填率の差に起因する焼結収縮差によっ
て、その焼成中に反りが発生する。このため、反り直し
等の後工程を組み込んで反りを修正しなければならな
い。
【0003】これに関し、組成が異なる複数の成形体を
積層してなる焼結体を製造する場合において、各成形体
の収縮率を実質的に同一にし、これを積層することによ
って反りの少ない積層焼結体を得る方法が開示されてい
る(特開平2−169239号)。
【0004】しかしながら、上記方法では、積層する各
成形体の収縮率を調整にするために比較的粒径の大きな
原料粉末も用いる必要があるため、積層焼結体の機械的
強度に問題がある。また、上記の焼結収縮差によって発
生する反りの抑制も不十分である。
【0005】このように、セラミックス薄板の製造に関
する従来技術においては、焼成時の反りの防止と強度向
上の両者を同時に達成することができず、さらに改善す
る必要がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、反
りのない、高強度の積層セラミックス薄板を製造するこ
とを主な目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記従来技
術の問題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、厚さ方向にお
ける粉末充填率が異なるシート状セラミックス生成形体
において、その粉末充填率が低い面同士を積層させ、こ
れを焼成する場合には、セラミック薄板の反りの防止と
機械的強度の向上とを一挙に達成できることを見出し、
本発明を完成するに至った。
【0008】即ち、本発明は、厚さ方向の粉末充填率の
差が0.2〜0.8vol%のシート状セラミックス生
成形体を当該粉末充填率の低い面同士が接するように積
層し、次いで焼成することを特徴とする積層セラミック
ス薄板の製造方法に係るものである。
【0009】以下、本発明について詳細に説明する。
【0010】シート状の生成形体は、厚さ方向の粉末充
填率が異なるもの(即ち、一つのシート状生成形体の厚
さ方向の上半分と下半分における粉末充填率が異なるも
の)であればいずれのものも適用することができる。こ
の場合、その粉末充填率の差(即ち、当該シート状生成
形体の厚さ方向の上半分の粉末充填率と下半分における
粉末充填率との差)は、通常0.2〜0.8vol%程度、
好ましくは0.4〜0.8vol%のものを用いる。0.8
vol%を超えると生成形体が作製できない場合があるので
好ましくない。一方、0.2vol%未満の場合には、残留
圧縮応力が小さくなり、強度向上を図ることができなく
なるので好ましくない。
【0011】このようなシート状生成形体は、例えばセ
ラミックス原料粉末のスラリーをドクターブレード法、
押し出し法等の公知の成形方法によって好適に製造する
ことができる。具体的には以下の方法によって作製する
ことができる。
【0012】上記セラミックス原料粉末としては、ジル
コニア、アルミナ等の酸化物系セラミックス、窒化珪素
等の非酸化物系セラミックスのあらゆるものが使用で
き、製品の用途に応じて適宜選択すれば良い。例えば、
固体電解質、刃物等の作製に使用する場合にはイットリ
ア安定化ジルコニアの粉末、またIC基盤の用途に使用
する場合にはアルミナ粉末を用いれば良い。上記原料粉
末の粒径は、粉末の種類によって異なるが、通常1μm
以下とする。1μmを超える場合には強度の向上が望め
なくなるので好ましくない。一方、下限は、粉末の種
類、用途等によって適宜定めれば良い。粉末の調製法
は、ボールミル等の公知の方法に従って行えば良い。
【0013】上記原料粉末に、溶媒、必要に応じて有機
バインダー、その他各種添加剤を加えてスラリーを調製
する。溶媒としては、例えば水、エタノール、トルエン
等の公知のものがそのまま適用できる。有機バインダー
としては、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラー
ル、ポリメチルメタクリレート、エチルセルロース等の
公知のものを使用することができる。また、その他の添
加剤としてジオクチルフタレート、ジブチルフタレート
等の可塑剤、界面活性剤、魚油等の分散剤、消泡剤等を
適宜使用することもできる。
【0014】本発明では、特に有機バインダーを添加す
ることによって、厚さ方向の粉末充填率の差を制御する
ことができる。即ち、添加量を増やせば増やすほど上記
差を小さくすることができる。但し、その添加量が多す
ぎると焼結体の気孔率が上昇するだけでなく、上記粉末
充填率差がなくなる結果、残留圧縮応力が小さくなるた
め、却って強度を低下させるおそれがある。従って、有
機バインダーの添加量は、セラミックス原料粉末100
重量部に対して通常17重量部程度以下とすれば良い。
【0015】一方、有機バインダーの添加量の下限値
は、取扱いに支障を来さない範囲、或いは生成形体にひ
び割れが生じない範囲であれば良いが、かかる範囲はセ
ラミックスの種類、粉末粒径等によって異なるので、そ
れらに応じて適宜設定すれば良い。例えば、平均粒径1
μm以下のイットリア安定化ジルコニア粉末を用いる場
合は、通常5重量部程度とすれば良い。
【0016】次いで、上記スラリーを公知のシート成形
法によってシート状生成形体を作製する。成形法として
は、例えばドクターブレード法、押し出し法を適用する
ことができ、その操作等は通常採用されている条件をそ
のまま適用できる。シート状生成形体の厚さも、使用す
る原料、用途等によって適宜定めれば良く、通常10〜
1000μm程度とすれば良い。
【0017】上記シート状生成形体を積層する。本発明
では、この場合、粉末充填率が低い面同士が接するよう
に積層する。粉末充填率が高い面同士或いは粉末充填率
が高い面と低い面を積層した場合には、反り及び強度低
下のいずれか少なくとも一つの問題が起こる。粉末充填
率差の値は、積層するシート状生成形体のそれぞれが上
記範囲内であれば、互いに同じであっても異なっていも
良好に積層することができる。また、積層するシート状
生成形体の組成等についても、上記の粉末充填率差の値
が上記範囲内であれば、同じ組成のもの同士である場合
はもとより、互いに異なる組成・材質のもの同士であっ
ても良い。
【0018】なお、ドクターブレード法で作製されたシ
ートにおいては、一般にフィルムに接していた面よりも
ブレード面のほうが粉末充填率が低いので、ブレード面
同士が接するようにすれば良い。積層方法は、通常のセ
ラミックスシートの積層において採用されている方法に
よれば良く、例えば従来のラミネート装置によりシート
状生成形体を積層させることができる。
【0019】次いで、積層体の焼成を行う。焼成条件
は、使用する原料によって異なるが、通常1300〜1
900℃程度の間で適宜設定すれば良い。焼成雰囲気
も、原料粉末の種類等に応じて定めれば良い。
【0020】
【作用】厚さ方向に粉末充填率に差があるシート状生成
形体において、粉末充填率が低い面は、それが高い面に
比して焼成収縮率が大きいので、これを単独で焼成した
場合には、粉末充填率が高い方向に湾曲した薄板とな
る。
【0021】従って、厚さ方向における粉末充填率が低
い面同士が接するように生成形体を積層して焼成する場
合には、中央の接面部が表層部よりも焼成収縮率が大き
いために表層部に圧縮応力が導入されることとなり、こ
れが焼結体中に残留することによって、反りを生ずるこ
となく、高強度が発現される。
【0022】
【発明の効果】本発明の製造方法によれば、従来技術に
おいて反りの原因とされていたシート状生成形体の厚さ
方向における粉末充填率の差を利用することにより、即
ち厚さ方向における粉末充填率が低い面同士が接するよ
うに生成形体を積層して焼成することにより、セラミッ
クス薄板の反りの防止と強度の向上とを一挙に達成する
ことができる。
【0023】本発明により得られる積層セラミックス薄
板は、切削工具、耐摩耗工具等の小型機械から、輸送機
械、建設材料、各種機械部品まで幅広い分野にわたって
利用することができるものである。
【0024】
【実施例】以下に実施例および比較例を示し、本発明の
特徴とするところをより一層明確にする。
【0025】なお、粉末充填率(%)は、下式により求
めた。
【0026】 粉末充填率(%)=(W3 /D)/(W1 −W2 )×d (W1 :シート状生成形体の乾燥重量、W2 :シート状
生成形体の水中重量、W3 :焼成後の空中重量、d:水
の比重d、D:粉末の比重) 実施例1〜4 平均粒径0.3μmの共沈法ジルコニアOZC−3YC
粉末(大阪セメント(株)製)100重量部に、可塑剤
としてジオクチルフタレート7重量部、溶媒としてトル
エン33重量部及びエタノール22重量部に対し、有機
バインダーとしてポリビニルアルコールを5、9、13
及び17重量部を配合し、ボールミルで96時間混合
し、スラリーを調製した。これらのスラリーを真空脱泡
した後、スラリー粘度を約20000cpsに調整して
テープ成形用スラリーとした。
【0027】このスラリーをドクターブレード法により
成形し、乾燥して厚さ500μmのセラミックス生シー
トをそれぞれ得た。いずれのシートも良好に成形でき
た。また、この生シートを厚さ方向に2分割し、粉末充
填率の差を求めた。その結果を表1に示す。
【0028】次いで、各生シートを50mm×50mmに切
断し、ブレード面を合わせて80℃で100kgf/cm2
加圧接合した。その後、昇温速度100℃/h(室温〜
100℃)及び10℃/h(100〜360℃)で昇温
した後、360℃で2時間保持し、続いて100℃/h
(360〜750℃)で昇温した後、750℃で3時間
保持し、さらに100℃/h(750〜1500℃)で
昇温した後、1500℃で3時間保持し、脱脂・焼成を
行った。焼成後、炉内放冷し、積層焼結体をそれぞれ得
た(試料No.1〜No.4)。
【0029】得られた各積層焼結体について反り量を測
定した。測定は、積層焼結体を2枚の定盤ではさみ、そ
の時の定盤の間隔から積層焼結体の厚みを差し引くこと
により行った。その結果を表1に示す。なお、比較のた
め、加圧接合せず、単層薄板のまま上記の同様に焼成し
て得られた各単層薄板焼結体の反り量を表1に併記す
る。単層薄板焼結体については有機バインダーの量が多
いほど反りが大きくなることがわかる。
【0030】さらに、上記焼結体を幅3mmに切断し、3
点曲げ強度測定を行った。その結果を表1に示す。
【0031】
【表1】
【0032】比較例1〜2 平均粒径0.3μmの共沈法ジルコニアOZC−3YC
粉末(大阪セメント(株)製)100重量部に、可塑剤
としてジオクチルフタレート7重量部、溶媒としてトル
エン33重量部及びエタノール22重量部に対し、有機
バインダーとしてポリビニルアルコールを4.5及び1
8重量部を配合し、ボールミルで96時間混合し、スラ
リーを調製した。これらのスラリーを真空脱泡した後、
スラリー粘度を約20000cpsに調整してテープ成
形用スラリーとした。
【0033】このスラリーをドクターブレード法により
成形し、乾燥して厚さ500μmのセラミックス生シー
トを作製したが、ポリビニルアルコールを4.5重量部
を配合したもの(比較試料No.1)は乾燥時に割れが
生じた。他方の生シートを厚さ方向に2分割し、粉末充
填率の差を求めた。その結果を表2に示す。
【0034】次いで、上記生シートを50mm×50mmに
切断し、ブレード面を合わせて80℃で100kgf/cm2
で加圧接合した。その後、実施例1と同様の焼成スケジ
ュールにて焼成・放冷を行い、積層焼結体を得た。
【0035】得られた積層焼結体について実施例1と同
様にして反り量を測定した。その結果を表2に示す。な
お、比較のため、加圧接合せず、単層薄板のまま上記の
同様に焼成して得られた各単層薄板焼結体の反り量を表
2に併記する。さらに、上記焼結体の3点曲げ強度を表
2に示す。
【0036】
【表2】
【0037】この結果より、比較試料No.2は、有機
バインダーが多量に添加されているため、粉末充填率差
が小さく、単層薄板及び積層薄板ともに反りは見られな
かったが、強度が実施例のものに比べて劣ることがわか
る。
【0038】試験例1 各試料における残留圧縮応力をX線回折分析により定性
的に求めた。即ち、多結晶材料に弾性限界内で外力が加
わると応力が生じ、この応力の大きさに比例して結晶の
格子面間隔の値が変化するが、その結晶の格子面間隔の
「ずれ」を試料No.1〜4及び比較試料No.2の薄
板表面のX線回折分析により測定し、残留圧縮応力の有
無・大きさを求めた。試料No.1〜4のX線回折分析
の結果を図1〜4に示し、各図には比較試料No.2の
測定結果を併記した。
【0039】試料No.1〜4は、いずれも比較試料N
o.2よりも結晶の格子面間隔が大きくなる方向にずれ
ており、薄板の表面に残留圧縮応力が働いていることが
わかる。また、有機バインダー量が少なくなるに従って
生シートの粉末充填率差が大きくなり、焼結体は格子面
間隔が大きくずれて残留圧縮応力が大きくなることがわ
かる。
【図面の簡単な説明】
【図1】試料No.1のX線回折分析の結果を示す図で
ある。
【図2】試料No.2のX線回折分析の結果を示す図で
ある。
【図3】試料No.3のX線回折分析の結果を示す図で
ある。
【図4】試料No.4のX線回折分析の結果を示す図で
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/00 - 35/22 C04B 35/622 - 35/636 C04B 35/64

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】厚さ方向の粉末充填率の差が0.2〜0.
    8vol%のシート状セラミックス生成形体を当該粉末
    充填率の低い面同士が接するように積層し、次いで焼成
    することを特徴とする積層セラミックス薄板の製造方
    法。
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