JP5352809B2 - Ceramic solid-phase foam and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、セラミック固相発泡体及びその製造方法に関し、具体的には、超塑性を利用してセラミック焼結体中に緻密な気孔壁からなる閉気孔を高い気孔率で存在させたセラミック固相発泡体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a ceramic solid-phase foam and a method for producing the same, and more specifically, a ceramic solid body in which closed pores composed of dense pore walls are present in a ceramic sintered body at a high porosity by utilizing superplasticity. The present invention relates to a phase foam and a method for producing the same.

気体は熱を伝えにくいため、独立気泡を多数含有する固体は優れた断熱効果を有し、断熱部材として好適に使用されている。発泡スチロールをはじめとする高分子発泡体は、温度を高めてポリスチレンを軟化させると同時に、含有させた発泡ガスを気化させて製造する。発泡金属も、製造温度がより高温であることを除いては、溶融させ軟化させた金属に気泡を導入する点で、高分子発泡体と同様に製造される。   Since gas is difficult to transfer heat, a solid containing a large number of closed cells has an excellent heat insulating effect and is suitably used as a heat insulating member. Polymer foams such as polystyrene foam are produced by increasing the temperature to soften polystyrene and at the same time vaporizing the contained foam gas. The foam metal is also produced in the same manner as the polymer foam in that bubbles are introduced into the melted and softened metal except that the production temperature is higher.

一方、セラミック材料は、一般に焼結法と呼ばれるセラミック材料の融点以下の温度で焼結して製造されるため、発泡体の製造方法は、高分子材料や金属と全く異なっている。セラミック発泡体の製造方法として、セラミック製造時の成形圧力と焼成温度を制御して焼結する部分焼結法(非特許文献1)や炭素などの造孔剤を添加して成形し、昇温して造孔剤を飛散させてその痕跡を残存させたまま焼結する造孔剤導入法(非特許文献2)が検討されてきた。これらの方法では、気孔内部と周囲温度とのガス交換が容易な開気孔が形成されるため、単位体積当たりの表面積が大きくなり、触媒担体やガスセンサとして利用されている(非特許文献3)。   On the other hand, a ceramic material is generally manufactured by sintering at a temperature lower than the melting point of the ceramic material, which is generally called a sintering method. Therefore, the method for producing a foam is completely different from a polymer material or a metal. As a method for producing a ceramic foam, a partial sintering method (Non-Patent Document 1) in which sintering is performed by controlling a molding pressure and a firing temperature during ceramic production, a pore forming agent such as carbon is added, and molding is performed. Then, a pore-forming agent introduction method (Non-patent Document 2) in which the pore-forming agent is scattered and sintered while leaving its traces has been studied. In these methods, open pores that allow easy gas exchange between the inside of the pores and the ambient temperature are formed, so that the surface area per unit volume increases, and the method is used as a catalyst carrier or a gas sensor (Non-patent Document 3).

しかし、これらの方法はいずれも、気孔導入後に焼結を行っているため、不完全焼結にならざるを得ない。すなわち、焼結は気孔の排除を伴い、焼結を完了させると気孔率が低減するので、気孔率を高い割合で保持するためには焼結を途中で中断させる必要がある。また、断熱部材としての特性を高めるためにセラミック発泡体に閉気孔を導入しようとすると、気孔率が低下してしまうという欠点があった。さらに、気孔率を高くするにつれて、セラミック粒子同士の結合が不十分となり、機械的強度は著しく低下してしまうという問題があった。   However, all of these methods inevitably undergo incomplete sintering because sintering is performed after the introduction of pores. That is, the sintering involves the elimination of the pores, and the porosity is reduced when the sintering is completed. Therefore, in order to maintain the porosity at a high rate, it is necessary to interrupt the sintering in the middle. In addition, when closed pores are introduced into the ceramic foam in order to enhance the characteristics as a heat insulating member, there is a drawback that the porosity is lowered. Furthermore, there is a problem that as the porosity is increased, the bonding between the ceramic particles becomes insufficient, and the mechanical strength is significantly reduced.

近年、液相を介して製造するセラミック発泡体の研究が多く行われている。例えば、セラミックスラリーに合成樹脂発泡体を浸漬して合成樹脂発泡体にセラミックスラリーを付着させた後、乾燥、焼成し、合成樹脂発泡体を熱分解又は焼却するセラミック多孔体(特許文献1)、シリカとアルミナ等の他のセラミック成分との混合粉末をアンモニア化処理し、これを成形後、1650℃程度の高温で加熱して発泡させるシリカ質発泡体(特許文献2)、バインダー樹脂水溶液とセラミック粉末とのスラリー前駆組成物を成形後発泡温度に加熱、乾燥して発泡粉末凝集成型体を作製し、これをセラミック粉末材料に適した温度、雰囲気で焼結してセラミック発泡体を製造する方法(特許文献3)が挙げられる。   In recent years, much research has been conducted on ceramic foams produced via a liquid phase. For example, after a synthetic resin foam is immersed in a ceramic slurry to attach the ceramic slurry to the synthetic resin foam, the ceramic porous body is dried and fired to thermally decompose or incinerate the synthetic resin foam (Patent Document 1). A mixed powder of silica and other ceramic components such as alumina is ammoniated, and after molding, a siliceous foam (Patent Document 2) that is heated and foamed at a high temperature of about 1650 ° C., binder resin aqueous solution and ceramic A method for producing a ceramic foam by forming a slurry precursor composition with a powder and then heating and drying to a foaming temperature to produce a foamed powder agglomerated molded body and sintering it at a temperature and atmosphere suitable for the ceramic powder material (Patent Document 3).

しかしながら、これらの液相を介する方法は、前駆体スラリー溶液やゾルに気泡を導入することは容易であるものの、スラリーを固化させる時点で有機物が飛散するため、気泡を独立気泡として残したまま高い気孔率を保持することはできない。焼結過程で気孔が排除されるため、上記した気泡導入後に焼結させる固相法と同様に、気孔率は不可避的に低下してしまう。   However, although these liquid phase methods are easy to introduce bubbles into the precursor slurry solution or sol, the organic matter is scattered at the time of solidifying the slurry, so that the bubbles remain high as independent bubbles. The porosity cannot be maintained. Since pores are excluded during the sintering process, the porosity is inevitably lowered, as in the solid phase method in which sintering is performed after the introduction of bubbles.

また、高分子材料や金属材料、ガラスでは、融点以上の温度に加熱して溶融状態で気泡を導入して発泡体を製造することも行われている。しかし、セラミックは、これらの材料に比較して融点が著しく高い。このため、耐火物として使用するセラミックを融点以上の温度に加熱してセラミックを溶融させ及び溶融状態で気泡を導入する方法は非現実的であり、このような方法を多孔質セラミックに応用することは実用上不可能であった。また、セラミックは融点以下の温度では塑性変形能が小さく、発泡剤を用いてセラミックを発泡させることもできない。   Further, in the case of a polymer material, a metal material, or glass, a foam is produced by heating to a temperature higher than the melting point and introducing bubbles in a molten state. However, ceramics have a remarkably high melting point compared to these materials. For this reason, it is impractical to heat a ceramic used as a refractory to a temperature higher than the melting point to melt the ceramic and introduce bubbles in the molten state, and to apply such a method to porous ceramics. Was practically impossible. Further, ceramic has a low plastic deformability at a temperature below the melting point, and the ceramic cannot be foamed using a foaming agent.

以上のように、従来のセラミック発泡体は、焼結工程を必須の製造工程とするため、焼結前に発泡させる方法に限定され、緻密な気孔壁からなる閉気孔を高い気孔率で有する発泡焼結体を製造することはできなかった。
A.Diaz, S.Hampshire, J-F.Yang, T.Ohji, and S.Kanzaki, “Comparison of Mechanical Properties of Silicon Nitrides with Controlled Porosities by Different Fabrication Routes”, J.Am.Ceram.Soc., 88〔3〕698-706(2005) R.Barea, M.I.Osendi, P.Miranzo, and J.M.F.Ferreira, “Fabrication of Highly Porous Mullite Materials”, J.Am.Ceram.Soc., 88〔3〕777-779(2005) S.L.Suib, “Sorption, catasysis, and separation by design”, Chemical Innovation, 30〔3〕27-33(2000) 特開平5−238848号公報 特開平7−144934号公報 特開2001−335809号公報
As described above, the conventional ceramic foam is limited to the method of foaming before sintering in order to make the sintering process an essential manufacturing process, and has a high porosity with closed pores composed of dense pore walls. A sintered body could not be produced.
A. Diaz, S. Hampshire, JF. Yang, T. Ohji, and S. Kanzaki, “Comparison of Mechanical Properties of Silicon Nitrides with Controlled Porosities by Different Fabrication Routes”, J. Am. Ceram. Soc., 88 [3 698-706 (2005) R.Barea, MIOsendi, P.Miranzo, and JMFFerreira, “Fabrication of Highly Porous Mullite Materials”, J.Am.Ceram.Soc., 88 [3] 777-779 (2005) SLSuib, “Sorption, catasysis, and separation by design”, Chemical Innovation, 30 [3] 27-33 (2000) JP-A-5-238848 Japanese Patent Laid-Open No. 7-144934 JP 2001-335809 A

本発明は、上記した従来技術が抱える課題を解決し、緻密な気孔壁からなる閉気孔を高い気孔率で有するセラミック固相発泡体を提供すること、及びこのセラミック固相発泡体を実用的な方法で提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, provides a ceramic solid-phase foam having high porosity with closed pores composed of dense pore walls, and makes this ceramic solid-phase foam practical. It is intended to be provided by a method.

本発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討した結果、セラミック焼結体を焼結後の固相のまま発泡させることにより、ガス遮断性や強度特性に優れる、緻密な気孔壁からなる閉気孔を多数存在させることができる固相発泡法を知見して、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive investigations aimed at solving the above-mentioned problems, the present inventors made a ceramic sintered body foamed in a solid phase after sintering, thereby achieving excellent gas barrier properties and strength characteristics, from a dense pore wall. The present invention has been completed by finding a solid-phase foaming method that can make many closed pores exist.

特に、セラミックを焼結温度に加熱保持すると、焼結されたセラミック焼結体は超塑性現象を発現すること、及びこの超塑性を利用すると、焼結温度のような高温で発泡する発泡剤を内包させたセラミックを焼結後に発泡させる固相発泡が可能になり、緻密な気孔壁からなる閉気孔を高い気孔率で有するセラミック固相発泡体を製造できる。すなわち、セラミック粉末に高温発泡剤を内包させて成型体を成形し、この成型体を焼結させて外皮が緻密なセラミック焼結体を製造したのち、引き続き焼結温度でセラミック焼結体を保持すると、セラミック焼結体の超塑性現象により、内包された発泡剤から生成するガスの圧力によりセラミック焼結体が固相状態で容易に発泡する。   In particular, when the ceramic is heated and held at the sintering temperature, the sintered ceramic sintered body develops a superplastic phenomenon, and when this superplasticity is used, a foaming agent that foams at a high temperature such as the sintering temperature is used. Solid-phase foaming is possible in which the encapsulated ceramic is foamed after sintering, and a ceramic solid-phase foam having a high porosity with closed pores composed of dense pore walls can be produced. That is, a ceramic powder is encapsulated with a high-temperature foaming agent to form a molded body. This molded body is sintered to produce a ceramic sintered body with a dense outer skin, and then the ceramic sintered body is held at the sintering temperature. Then, due to the superplastic phenomenon of the ceramic sintered body, the ceramic sintered body is easily foamed in a solid state by the pressure of the gas generated from the encapsulated foaming agent.

ここで、「緻密な気孔壁」とは、発泡により生じたセラミック固相発泡体において、気孔を取り巻くセラミック部分(気孔壁)が緻密であることを意味する。すなわち、焼結成型体としての固相発泡体の外皮であるセラミック部分が緻密であることに加え、固相発泡体内部の気孔と気孔との間のセラミック部分も緻密であることを意味する。また「緻密」とは、セラミックマトリックス粉末と発泡剤とを一体成形する際の成型圧力に依存するが、気孔壁のセラミック部分の相対密度が、少なくとも90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上であることを意味する。   Here, the “dense pore wall” means that the ceramic part (pore wall) surrounding the pores is dense in the ceramic solid foam produced by foaming. That is, it means that the ceramic part which is the outer skin of the solid-phase foam as the sintered molded body is dense, and the ceramic part between the pores in the solid-phase foam is also dense. The “dense” depends on the molding pressure when the ceramic matrix powder and the foaming agent are integrally molded, but the relative density of the ceramic portion of the pore wall is at least 90%, preferably 95% or more, more preferably Means 98% or more.

したがって、本発明は、セラミック固相発泡体であって、セラミック固相発泡体が緻密な気孔壁からなる閉気孔を有するセラミック固相発泡体である。   Therefore, the present invention is a ceramic solid-phase foam, wherein the ceramic solid-phase foam has closed pores composed of dense pore walls.

本発明のセラミック固相発泡体は、次に述べるように、セラミックマトリックス粉末とそれに内包した発泡剤とを一体成形し、この成型体を焼結及び発泡させることから、内包させる発泡剤に量により閉気孔の気孔率を広い範囲、例えば70〜80%以下の範囲で所望する気孔率に制御することができる。しかしながら、本発明のセラミック固相発泡体の有する気密性、断熱性、及びそれによる信頼性の効果を享受するには、緻密な気孔壁からなる閉気孔の気孔率は5〜60%であることが好ましく、高温強度をも考慮すると、30〜50%であることがより好ましい。   In the ceramic solid phase foam of the present invention, as described below, the ceramic matrix powder and the foaming agent included in the ceramic matrix powder are integrally molded, and the molded body is sintered and foamed. The porosity of the closed pores can be controlled to a desired porosity within a wide range, for example, in the range of 70 to 80% or less. However, in order to enjoy the effects of the airtightness, heat insulation, and reliability provided by the ceramic solid phase foam of the present invention, the porosity of the closed pores composed of dense pore walls is 5 to 60%. In view of high temperature strength, it is more preferably 30 to 50%.

本発明はまた、セラミックマトリックス粉末中に発泡剤を内包させる工程、セラミックマトリックス粉末と発泡剤を一体成形して成型体を得る工程、及び一体成形した成型体をセラミックマトリックスの焼結温度に加熱保持して、それによりセラミックマトリックを焼結させ、次いで焼結したセラミック焼結体中で発泡剤を発泡させる工程、を含むセラミック固相発泡体の製造方法である。発泡剤は、予備成形又は有機バインダーを使用して固形化させた発泡剤であることが好ましい。   The present invention also includes a step of encapsulating a foaming agent in the ceramic matrix powder, a step of integrally molding the ceramic matrix powder and the foaming agent to obtain a molded body, and holding the integrally molded body at the sintering temperature of the ceramic matrix. Thus, a method for producing a ceramic solid-phase foam comprising the steps of sintering a ceramic matrix and then foaming a foaming agent in the sintered ceramic sintered body. The foaming agent is preferably a foaming agent that is preformed or solidified using an organic binder.

本発明は、セラミック成型体を焼結して緻密な気孔壁を有するセラミックを形成すると同時にセラミックの超塑性現象及び内部の高温発泡材料から発生する気体のガス圧力を利用して、緻密な気孔壁からなる閉気孔を高い気孔率で有するセラミック発泡体を固相のままで製造することができる。特に、気孔壁が緻密であるために、ガス遮断性に優れるとともに、強度にも優れた気密性、信頼性の高いセラミック固相発泡体を提供することができる。また、本発明のセラミック固相発泡体は、大気圧下で、セラミックの焼結温度近辺の温度で製造することができるため、実用性の高い製造方法である。このため、比強度が大きく信頼性のある断熱材料として、エンジン部材や工業炉部材等の断熱部品として好適に使用することができる。加えて、高温強度に優れる軽量化材料として、大気突入時に1200℃程度の温度に曝される宇宙往還機の断熱部材、気密性、信頼性に高い原子炉炉壁部材などの、高温での気密特性・断熱特性の双方が要求される分野において革新的な材料を提供することができる。   The present invention sinters a ceramic molded body to form a ceramic having a dense pore wall, and at the same time, utilizes the superplastic phenomenon of the ceramic and the gas pressure of the gas generated from the internal high-temperature foamed material, thereby making the dense pore wall It is possible to produce a ceramic foam having the closed pores made of the above at a high porosity in the solid phase. In particular, since the pore walls are dense, it is possible to provide a ceramic solid-phase foam that is excellent in gas barrier properties and excellent in strength and airtightness and high reliability. Moreover, since the ceramic solid-phase foam of this invention can be manufactured under the atmospheric pressure and the temperature of the ceramic sintering temperature vicinity, it is a highly practical manufacturing method. For this reason, it can use suitably as heat insulation parts, such as an engine member and an industrial furnace member, as a reliable heat insulation material with a large specific strength. In addition, as a lightweight material with excellent high-temperature strength, air-tightness at high temperatures, such as thermal insulation members of spacecrafts that are exposed to temperatures around 1200 ° C when entering the atmosphere, and reactor wall members that are highly airtight and reliable Innovative materials can be provided in fields where both properties and thermal insulation properties are required.

特に、工業炉では、塩素を含む物質を燃焼するとダイオキシン類の発生が問題となり、1000℃以上の高温でこれらの物質を燃焼する必要があった。しかしながら、従来のセラミック多孔体を使用する断熱材料は開気孔が無数に存在し、この開気孔に塩素を含む気化成分がトラップされる。このため、断熱材料の温度が低下し、例えば1000℃以下の温度に保持されると、断熱材料の開気孔にトラップされた塩素によりダイオキシン類が生成し、あるいは生成したダイオキシン類の外部への流出の制御が困難であった。しかるに、本発明のセラミック固相発泡体は緻密な外皮を有するため、これを使用する断熱部品のみならず、劇毒物反応容器は、原料物質のトラップを抑え、かつ生成物の流出を抑制できるので、発生物を完全に制御することができるゼロエミッションに対応できる気密材料といえる。   In particular, in industrial furnaces, when substances containing chlorine are burned, the generation of dioxins becomes a problem, and these substances need to be burned at a high temperature of 1000 ° C. or higher. However, the heat insulating material using the conventional ceramic porous body has an infinite number of open pores, and vaporized components including chlorine are trapped in the open pores. For this reason, when the temperature of the heat insulating material is lowered and maintained at a temperature of 1000 ° C. or less, for example, dioxins are generated by chlorine trapped in the open pores of the heat insulating material, or the generated dioxins are discharged to the outside. It was difficult to control. However, since the ceramic solid-phase foam of the present invention has a dense outer skin, not only the heat insulating parts using the ceramic solid foam but also the toxic poison reaction vessel can suppress trapping of the raw material and suppress the outflow of the product. It can be said that it is an airtight material that can cope with zero emission that can completely control the generated product.

さらに、これまで実用化されていたセラミック多孔体は、気孔の大部分が開気孔であったため、遮音効果がなく、また電気特性も大気中の湿度の影響を受けやすいといった欠点があった。本発明のセラミック固相発泡体は、気孔が閉じた閉気孔であることを特徴としており、遮音効果の高い遮音部品として外壁のみならず、断熱性、気密性が要求されるエンジン部材として、また湿度により電気特性が変化しにくい多孔体電気部品として利用することができる。   Furthermore, the ceramic porous body that has been put to practical use has the disadvantages that since most of the pores are open pores, there is no sound insulation effect and the electrical characteristics are easily affected by humidity in the atmosphere. The ceramic solid phase foam of the present invention is characterized in that the pores are closed pores, and not only as an outer wall as a sound insulation component having a high sound insulation effect, but also as an engine member requiring heat insulation and air tightness, and It can be used as a porous electrical component whose electrical characteristics hardly change with humidity.

成型体を1600℃において8時間加熱保持したときのセラミック固相発泡体の形状を示す写真である((a)実施例1、(b)実施例2、(c)実施例3)。It is a photograph which shows the shape of a ceramic solid-phase foam when a molded object is heated and hold | maintained at 1600 degreeC for 8 hours ((a) Example 1, (b) Example 2, (c) Example 3). 実施例1を1600℃において加熱保持したときの、セラミック固相発泡体の発泡高さの保持時間依存性を示す図である。It is a figure which shows the retention time dependence of the foaming height of a ceramic solid-phase foam when Example 1 is heat-held at 1600 degreeC. 3mm角に切り分けた発泡剤ペレットを種々のパターンでセラミックマトリックス上に載置したのち発泡させた実施例5〜6のセラミック固相発泡体の形状を示す写真である((a)実施例5、(b)実施例6)。It is the photograph which shows the shape of the ceramic solid-phase foam of Examples 5-6 which made it foam after mounting the foaming agent pellet cut into 3 mm square on a ceramic matrix by various patterns ((a) Example 5, (B) Example 6). 発泡剤を孤島状にパターニングしたパターン化シートを使用した実施例7のセラミック固相発泡体の形状を示す写真である。It is a photograph which shows the shape of the ceramic solid-phase foam of Example 7 using the patterned sheet | seat which patterned the foaming agent in the shape of the solitary island. 発泡剤を孤島状にパターニングしたパターン化シートを使用した実施例7のセラミック固相発泡体の断面形状を示す写真である。It is a photograph which shows the cross-sectional shape of the ceramic solid-phase foam of Example 7 using the patterned sheet | seat which patterned the foaming agent in the shape of the solitary island. 発泡剤を連続曲線状にパターニングしたパターン化シートを使用した実施例8のセラミック固相発泡体の形状を示す写真である。It is a photograph which shows the shape of the ceramic solid-phase foam of Example 8 using the patterned sheet | seat which patterned the foaming agent in the shape of a continuous curve.

以下、本発明について詳細に説明する。   The present invention will be described in detail below.

本発明のセラミック固相発泡体は、高温で発泡する発泡剤を内包させたセラミック成型体を焼結させて気孔壁が緻密なセラミック焼結体を作製したのち、引き続き焼結温度でセラミック焼結体を保持して、セラミック焼結体の超塑性現象及び発泡剤から生成するガスの圧力を利用するので、緻密な気孔壁からなる閉気孔を高い気孔率で有する。閉気孔の気孔率は、セラミックマトリックス中に内包させる発泡剤の種類、量を制御することにより、5〜60%を得ることができる。特に、セラミック発泡体ではこれまで実現されていなかった、閉気孔の気孔率が30〜50%と極めて高い気孔率を有するセラミック固相発泡体を得ることができる。   The ceramic solid-phase foam of the present invention is a ceramic sintered body containing a foaming agent that foams at a high temperature to sinter a ceramic sintered body having a dense pore wall, and then sintered at a sintering temperature. Since the body is held and the superplastic phenomenon of the ceramic sintered body and the pressure of the gas generated from the foaming agent are utilized, closed pores composed of dense pore walls have a high porosity. The porosity of the closed pores can be 5 to 60% by controlling the type and amount of the foaming agent to be included in the ceramic matrix. In particular, it is possible to obtain a ceramic solid-phase foam having a very high porosity of 30 to 50%, which has not been realized so far with ceramic foam.

セラミックマトリックスは、焼結温度に保持することにより超塑性現象を発現する、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、シリカ、チタニア等、あるいはこれらの複合セラミックであるサイアロン、ムライト、コーディエライト等を1種以上使用することができる。また、これらのセラミックの特性を向上させるために、第2成分、第3成分として、イットリア、カルシア、マグネシア、希土類酸化物、例えば酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、等から選択されるセラミックを、セラミックマトリックに対して10モル%以下の量で添加したマトリックスを使用することできる。例えば、3モル%イットリア安定化ジルコニア(以下、「3YSZ」という。)を好適に使用することもできる。   The ceramic matrix uses one or more of alumina, zirconia, magnesia, silica, titania, etc., or composite ceramics such as sialon, mullite, cordierite, etc., which develop a superplastic phenomenon by maintaining the sintering temperature. can do. In order to improve the characteristics of these ceramics, ceramics selected from yttria, calcia, magnesia, rare earth oxides such as scandium oxide, ytterbium oxide, etc. as the second and third components are made into a ceramic matrix. In contrast, a matrix added in an amount of 10 mol% or less can be used. For example, 3 mol% yttria-stabilized zirconia (hereinafter referred to as “3YSZ”) can be preferably used.

また、セラミック固相発泡体の超塑性現象を発現しやすくする助剤として、シリカ、アルミナ、酸化銅、チタニア、酸化マンガン、マグネシア、ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、酸化ゲルマニウムからなる群から選択され、マトリックスとは異なる1種以上のセラミック成分を、マトリックス総量に対して10重量%以下で含有させることができる。これらのセラミックマトリックス成分とは異なるセラミック成分を添加することにより、焼結時のセラミックの粒成長を抑制できるので、超塑性現象を促進でき、発泡性能を高めることができる。   Further, as an aid for facilitating the superplastic phenomenon of the ceramic solid phase foam, it is selected from the group consisting of silica, alumina, copper oxide, titania, manganese oxide, magnesia, zirconia, yttria stabilized zirconia, germanium oxide, One or more ceramic components different from the matrix can be contained in an amount of 10% by weight or less based on the total amount of the matrix. By adding a ceramic component different from these ceramic matrix components, it is possible to suppress the grain growth of the ceramic during sintering, so that the superplastic phenomenon can be promoted and the foaming performance can be enhanced.

本発明のセラミック固相発泡体の製造方法は、セラミックマトリックス粉末中に発泡剤を内包させる工程、セラミックマトリックス粉末と発泡剤とを一体成形して成型体を得る工程、及び一体成形した成型体をセラミックマトリックスの焼結温度に加熱保持して、それによりセラミックマトリックを焼結させ、次いで焼結したセラミック焼結体中で発泡剤を発泡させる工程を含む。   The method for producing a ceramic solid phase foam of the present invention comprises a step of encapsulating a foaming agent in a ceramic matrix powder, a step of integrally molding the ceramic matrix powder and the foaming agent to obtain a molded body, and an integrally molded molded body. Heating and holding to the sintering temperature of the ceramic matrix, thereby sintering the ceramic matrix and then foaming the foaming agent in the sintered ceramic sintered body.

セラミックマトリックスは、焼結温度に保持することにより超塑性現象を発現する、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、シリカ、チタニア等、あるいはこれらの複合セラミックであるサイアロン、ムライト、コーディエライト等を1種以上使用することができる。また、これらのセラミックの特性を向上させるために、第2成分、第3成分として、イットリア、カルシア、マグネシア、希土類酸化物、例えば酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、等から選択されるセラミックを、セラミックマトリックに対して10モル%以下の量で添加したマトリックスを使用することできる。また、セラミック固相発泡体の超塑性現象を発現しやすくする助剤として、シリカ、アルミナ、酸化銅、チタニア、酸化マンガン、マグネシア、ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、酸化ゲルマニウム等からなる群から選択され、マトリックスとは異なる1種以上のセラミックを、マトリックス総量に対して10重量%以下で含有させて、超塑性現象を促進し、発泡性能を高めることができる。   The ceramic matrix uses one or more of alumina, zirconia, magnesia, silica, titania, etc., or composite ceramics such as sialon, mullite, cordierite, etc., which develop a superplastic phenomenon by maintaining the sintering temperature. can do. In order to improve the characteristics of these ceramics, ceramics selected from yttria, calcia, magnesia, rare earth oxides such as scandium oxide, ytterbium oxide, etc. as the second and third components are made into a ceramic matrix. In contrast, a matrix added in an amount of 10 mol% or less can be used. In addition, as an aid for facilitating the superplastic phenomenon of the ceramic solid phase foam, it is selected from the group consisting of silica, alumina, copper oxide, titania, manganese oxide, magnesia, zirconia, yttria stabilized zirconia, germanium oxide and the like. One or more kinds of ceramics different from the matrix can be contained at 10% by weight or less with respect to the total amount of the matrix to promote the superplastic phenomenon and enhance the foaming performance.

本発明の製造方法で使用する発泡剤は、予備成形又は有機バインダーを使用して固形化させた成型体であることが好ましい。すなわち、本発明においては、セラミック粉末を焼結温度に保持して焼結したのち、焼結温度に引き続き保持することにより、セラミック焼結体の超塑性現象を利用して、保持した焼結温度で発泡剤から発生するガスの圧力により、セラミック焼結体を固相状態で発泡させる。このため、発生するガスの圧力を大きくするため、発泡剤は粉体を固形化させた成型体としての大きさを有することが好ましい。成型体は、1個の成型体をセラミックマトリックス中の所定の位置に配置した後、あるいは小さな成型体を複数個、セラミックマトリックス中の所定の位置に分散させて配置した後、セラミック粉末と一体成形することができる。さらに、小さな成型体を、セラミックマトリックス粉末中に均一に分散させた後、セラミック粉末と一体成形することもできる。したがって、固形化発泡剤の成型体の大きさは、例えば、0.003cm程度の容積を有するものであれば本発明の方法に好適に使用することができる。また、有機バインダーとして、例えばメチルセルロース、ポリビニルアルコール(PVA)を使用することができる。なお、成型体の形状は特に限定されず、発泡体は、ウィスカー、繊維を成型体にしたものであってもよい。The foaming agent used in the production method of the present invention is preferably a molded body that is preformed or solidified using an organic binder. That is, in the present invention, the ceramic powder is held at the sintering temperature and then sintered, and then held at the sintering temperature, thereby utilizing the superplastic phenomenon of the ceramic sintered body to hold the sintered temperature. The ceramic sintered body is foamed in a solid state by the pressure of the gas generated from the foaming agent. For this reason, in order to increase the pressure of the generated gas, the foaming agent preferably has a size as a molded body obtained by solidifying the powder. After molding a single molded body at a predetermined position in the ceramic matrix or disposing a plurality of small molded bodies dispersed at a predetermined position in the ceramic matrix, the molded body is integrally formed with the ceramic powder. can do. Furthermore, after a small molded body is uniformly dispersed in the ceramic matrix powder, it can be integrally formed with the ceramic powder. Therefore, if the size of the solidified foaming agent has a volume of, for example, about 0.003 cm 3, it can be suitably used in the method of the present invention. Moreover, as an organic binder, methyl cellulose and polyvinyl alcohol (PVA) can be used, for example. The shape of the molded body is not particularly limited, and the foam may be a whisker or fiber molded body.

発泡剤の材料としては、セラミック粉末の成型体を焼結する段階では発泡せず、セラミック焼結体を焼結温度に引き続き保持する段階で発泡する発泡剤であることが必要である。このような発泡剤として、炭化ケイ素、炭酸塩、例えば炭酸バリウム、昇華性の固体、例えば塩化バナジウム等から選択される1種以上を使用することができる。とりわけ、炭化ケイ素は、後述するように、発泡剤(SiC)の分解反応により生成するセラミック物質(シリカ)がマトリックスの超塑性変形能力を高めるので好ましい。発泡剤の使用量は、セラミック固相発泡体の目的とする閉気孔の気孔率に依存するが、セラミックマトリックス100重量部に対して、好ましくは2〜30重量部であり、より好ましくは3〜10重量部である。   The foaming agent material should be a foaming agent that does not foam at the stage of sintering the ceramic powder molded body but foams at the stage of maintaining the ceramic sintered body at the sintering temperature. As such a foaming agent, one or more selected from silicon carbide, carbonates such as barium carbonate and sublimable solids such as vanadium chloride can be used. In particular, silicon carbide is preferable because the ceramic material (silica) produced by the decomposition reaction of the foaming agent (SiC) increases the superplastic deformation ability of the matrix, as will be described later. The amount of the foaming agent used depends on the porosity of the target closed pores of the ceramic solid phase foam, but is preferably 2 to 30 parts by weight, more preferably 3 to 30 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the ceramic matrix. 10 parts by weight.

焼結温度で加熱保持する温度は、セラミックマトリックスを焼結するのに適した温度を採用することができる。すなわち、使用するマトリックスとしてのセラミック組成、粉体の粒子径に依存して、好適な温度範囲が選択される。また、焼結温度で加熱保持する時間は、発泡剤の使用量、セラミックマトリックスの超塑性特性にも依存するが、1〜24時間であることが好ましく、2〜10時間であることがより好ましい。本発明における発泡は、発泡剤からのガス発生、焼結体内の内圧上昇、焼結体外皮の膨張による内圧(発泡駆動力)低下、発泡終了のサイクルで行われる。発泡剤からのガス発生は、焼結温度での保持時間が概ね6時間以内に終了するが、セラミック焼結体の超塑性変形は時間を要し、焼結温度での保持時間が24時間程度まで変形が継続する場合があるからである。   A temperature suitable for sintering the ceramic matrix can be adopted as the temperature to be heated and held at the sintering temperature. That is, a suitable temperature range is selected depending on the ceramic composition as the matrix to be used and the particle size of the powder. In addition, the time for heating and holding at the sintering temperature depends on the amount of foaming agent used and the superplastic properties of the ceramic matrix, but is preferably 1 to 24 hours, more preferably 2 to 10 hours. . Foaming in the present invention is performed in a cycle of generating gas from the foaming agent, increasing the internal pressure in the sintered body, decreasing the internal pressure (foaming driving force) due to expansion of the outer skin of the sintered body, and ending foaming. Gas generation from the foaming agent is completed within about 6 hours of holding time at the sintering temperature, but superplastic deformation of the ceramic sintered body takes time, and the holding time at the sintering temperature is about 24 hours. This is because the deformation may continue until.

本発明のセラミック固相発泡体は、セラミック粉末を焼結させて気孔壁が緻密なセラミック焼結体を作製したのち、引き続き焼結温度でセラミック焼結体を保持すると、セラミック焼結体の超塑性現象により、高温発泡剤から生成するガスの圧力によりセラミック焼結体が固相状態で発泡したものである。すなわち、本発明のセラミック固相発泡体は、発泡剤の酸化分解反応により生成するCOガス又はCOガス等のガス圧を駆動力として、気孔壁が緻密なセラミック焼結体の内圧を高め、超塑性状態にあるセラミック焼結体の外皮を膨張させて形成される。The ceramic solid-phase foam of the present invention is obtained by sintering a ceramic powder to produce a ceramic sintered body having a dense pore wall, and then holding the ceramic sintered body at a sintering temperature. Due to the plastic phenomenon, the ceramic sintered body is foamed in the solid state by the pressure of the gas generated from the high-temperature foaming agent. That is, the ceramic solid-phase foam of the present invention increases the internal pressure of a ceramic sintered body having a dense pore wall, using a gas pressure such as CO gas or CO 2 gas generated by an oxidative decomposition reaction of the foaming agent as a driving force, It is formed by expanding the outer skin of a ceramic sintered body in a superplastic state.

発泡剤として炭化ケイ素(SiC)を例にとると、SiCの分解反応は周囲の酸素濃度に依存して、以下の反応をとると考えられる。
酸化雰囲気 SiC+3/2O → SiO(s)+CO(g)・・・(1)
還元雰囲気 SiC+ O → SiO (g)+CO(g)・・・(2)
酸化雰囲気では、酸素1.5モルからCO1モルが生成するので、焼結体は発泡しない。しかし、還元雰囲気(減圧下)では、酸素1モルに対し、ガス2モルが生成し、しかも焼結が完了すると、セラミック焼結体の表面は緻密化され密閉状態が形成され、この段階で発生したガスが超塑性状態のセラミック焼結体を膨張させるので、セラミック焼結体は発泡する。
Taking silicon carbide (SiC) as an example of the foaming agent, the decomposition reaction of SiC is considered to take the following reaction depending on the surrounding oxygen concentration.
Oxidizing atmosphere SiC + 3 / 2O 2 → SiO 2 (s) + CO (g) (1)
Reducing atmosphere SiC + O 2 → SiO (G) + CO (g) (2)
In an oxidizing atmosphere, since 1 mol of CO is generated from 1.5 mol of oxygen, the sintered body does not foam. However, in a reducing atmosphere (under reduced pressure), 2 mol of gas is generated per 1 mol of oxygen, and when the sintering is completed, the surface of the ceramic sintered body is densified and a sealed state is formed. The expanded gas expands the ceramic sintered body in the superplastic state, so that the ceramic sintered body is foamed.

なお、SiCを発泡剤として発泡させた気孔内壁はガラス状白色固体で覆われており、X線回折によるとブロードなピークを示す非晶質ハローであることが判明した。したがって、発泡時の気化生成物は降温時に固化し、気孔内部は減圧となっていることが示唆される。気体の熱伝導率は気体分子量に依存して大きくなることから、固化成分が再気化する温度までは高い断熱性が期待できる。   The pore inner wall obtained by foaming SiC as a foaming agent was covered with a glassy white solid and was found to be an amorphous halo showing a broad peak according to X-ray diffraction. Therefore, it is suggested that the vaporized product at the time of foaming solidifies when the temperature is lowered, and the inside of the pores is depressurized. Since the thermal conductivity of the gas increases depending on the gas molecular weight, high heat insulation can be expected up to the temperature at which the solidified component is re-vaporized.

また、本発明のセラミック固相発泡体を用いて、所望の用途である断熱部品、遮音部品、電気部品等を作製するには、発泡後に所定の寸法形状になるように、発泡剤を内包したセラミックマトリックス粉末成型体の寸法形状を定める。また、セラミックマトリックス粉末成型体を、これら部品の所定の寸法形状を有する成型ダイス中で焼結、発泡させることにより作製することもできる。   In addition, using the ceramic solid phase foam of the present invention, in order to produce heat insulation parts, sound insulation parts, electrical parts, etc., which are desired applications, a foaming agent is included so as to have a predetermined size and shape after foaming. Determine the dimension and shape of the ceramic matrix powder molding. In addition, the ceramic matrix powder molded body can be produced by sintering and foaming in a molding die having a predetermined size and shape of these parts.

以下に、実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、実施例は本発明の例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。   EXAMPLES The present invention will be specifically described below using examples, but the examples are illustrative of the present invention and do not limit the scope of the present invention.

実施例1
セラミックマトリックスとして3モル%イットリア安定化ジルコニア(3YSZ)を、発泡剤として炭化ケイ素を使用した。炭化ケイ素粉末(イビデン株式会社製、β−SiC、Grade−UF)0.5gを、直径10mmの成型器に投入し、常温で30MPaの圧力で1分間一軸加圧して、直径10mm、厚さ0.05mmのペレットを得た。次に、3YSZ(トーソー株式会社製、商品番号:TZ−3Y)4gを2gずつ2組に分け、直径20mmの成型器中に、3YSZ粉末、SiC成型体、3YSZ粉末の順に投入し、常温で30MPaの圧力で1分間一軸加圧成形し、次に、200MPaで1分間静水圧加圧して、直径20mm、厚さ5mmの成型体を得た。成型体を、高速昇温炉(カンタルスーパー炉)を用いて、大気中で、800℃/hの昇温速度で1600℃まで加熱し、この温度で2〜8時間保持して、セラミック固相発泡体を得た。得られたセラミック固相発泡体は、300℃/hで常温まで冷却した。
Example 1
3 mol% yttria stabilized zirconia (3YSZ) was used as the ceramic matrix and silicon carbide was used as the blowing agent. Silicon carbide powder (Ibiden Co., Ltd., β-SiC, Grade-UF) 0.5 g was charged into a 10 mm diameter molding machine, and uniaxially pressed at a normal pressure of 30 MPa at a pressure of 30 MPa, diameter 10 mm, thickness 0 A 05 mm pellet was obtained. Next, 3 g of 3YSZ (manufactured by Tosoh Corporation, product number: TZ-3Y) is divided into two groups of 2 g, and 3YSZ powder, SiC molded body, and 3YSZ powder are placed in this order in a molding machine having a diameter of 20 mm. Uniaxial pressure molding was performed at a pressure of 30 MPa for 1 minute, and then hydrostatic pressure was applied at 200 MPa for 1 minute to obtain a molded body having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm. The molded body was heated to 1600 ° C. at a temperature rising rate of 800 ° C./h in the air using a high-speed heating furnace (Kantal super furnace), and held at this temperature for 2 to 8 hours. A foam was obtained. The obtained ceramic solid phase foam was cooled to room temperature at 300 ° C./h.

得られたセラミック固相発泡体について、以下の試験を行い、特性を評価した。
(1)発泡性能
スケールを用いて、セラミック固相発泡体の厚さと焼結前の成型体の厚さとの差を測定し、これを発泡高さとして発泡性能を評価した。
(2)高温での機械的性質
熱間静水圧加圧装置を用いて、アルゴン雰囲気中で1600℃、195MPaの静水圧を付加したときに、セラミック固相発泡体が破壊するか否かを調査した。
(3)熱伝導率の測定
熱伝導率測定装置(ドイツ国Netzsch社製、型式番号:LFA457)を使用して、レーザフラッシュ法に基づく熱伝導率を常温で測定した。
(4)気孔率及び密度の測定
アルキメデス法に従って、セラミック固相発泡体の嵩密度を測定した。例えば、セラミック固相発泡体の嵩密度が4.8g/cmであり、公知文献に記載された同セラミックの理論密度が6.0g/cmである場合、相対密度は、4.8/6.0=80%となり、したがって、気孔率は100−80=20%となる。
About the obtained ceramic solid-phase foam, the following tests were done and the characteristic was evaluated.
(1) Foaming performance Using a scale, the difference between the thickness of the ceramic solid foam and the thickness of the molded body before sintering was measured, and the foaming performance was evaluated using this as the foaming height.
(2) Mechanical properties at high temperature Investigate whether the ceramic solid foam breaks when a hydrostatic pressure of 1600 ° C. and 195 MPa is applied in an argon atmosphere using a hot isostatic pressing device. did.
(3) Measurement of thermal conductivity The thermal conductivity based on the laser flash method was measured at room temperature using a thermal conductivity measuring device (manufactured by Netzsch, Germany, model number: LFA457).
(4) Measurement of porosity and density The bulk density of the ceramic solid phase foam was measured according to the Archimedes method. For example, when the bulk density of the ceramic solid foam is 4.8 g / cm 3 and the theoretical density of the ceramic described in the known literature is 6.0 g / cm 3 , the relative density is 4.8 / 6.0 = 80%, so the porosity is 100-80 = 20%.

図1(a)に、成型体を1600℃、8時間加熱保持したときのセラミック固相発泡体の形状を示し、図2に、1600℃において加熱保持したときのセラミック固相発泡体の発泡高さの保持時間依存性を示す。2時間保持後の発泡高さは3.6mmであるが、8時間保持後の発泡高さは5.1mmであり、セラミックの焼結完了後の保持により、発泡が進んでいることがわかる。また、図1(a)において膨らんでいる固相発泡体の殻に相当する外皮(気孔壁)部分の密度は6.05g/cmであり、これから外皮部分の相対密度は99%以上となり、外皮部分は緻密であることを示している。すなわち、実施例1の固相発泡体は、焼結後の緻密化のあとにガス圧力により外皮が膨らんだことを示している。また、8時間保持後の固相発泡体の密度は4.39g/cmであり、気孔率は29.3%であった。アルゴンを媒体として、195MPaの静水圧を印加しながら焼結温度の1600℃まで昇温したが、セラミック固相発泡体は形状を保持しており、破断することはなかった。したがって、セラミック固相発泡体は、良好な高温での機械的性質を有している。FIG. 1A shows the shape of a ceramic solid foam when the molded body is heated and held at 1600 ° C. for 8 hours, and FIG. 2 shows the foam height of the ceramic solid foam when heated and held at 1600 ° C. The retention time dependency of the length is shown. Although the foam height after holding for 2 hours is 3.6 mm, the foam height after holding for 8 hours is 5.1 mm, and it can be seen that foaming has progressed due to the holding after completion of sintering of the ceramic. In addition, the density of the outer skin (pore wall) portion corresponding to the solid foam foam shell in FIG. 1 (a) is 6.05 g / cm 3 , and the relative density of the outer skin portion is 99% or more. It shows that the outer skin part is dense. That is, the solid foam of Example 1 shows that the outer skin swells due to gas pressure after densification after sintering. Moreover, the density of the solid-phase foam after holding for 8 hours was 4.39 g / cm 3 , and the porosity was 29.3%. Although the temperature was raised to the sintering temperature of 1600 ° C. while applying a hydrostatic pressure of 195 MPa using argon as a medium, the ceramic solid foam maintained the shape and did not break. Therefore, ceramic solid foams have good high temperature mechanical properties.

実施例2
本発明のセラミック固相発泡体において、発泡は発泡剤の酸化分解反応により生成するガスの内圧を駆動力とするが、大気中で焼結温度に加熱保持する場合、発泡剤の酸化分解反応は焼結温度への昇温時にも進行すると考えられる。そこで、1600℃の焼結温度までの昇温中は炉内雰囲気をアルゴンガスとし、焼結温度での保持時に炉内雰囲気を空気に切り替えたこと及び焼結温度での加熱保持時間を8時間としたことを除いては、実施例1と同様にして、セラミック固相発泡体を製造した。図1(b)に、実施例2のセラミック固相発泡体の形状を示す。8時間保持後の発泡高さは5.5mmであり、実施例1の大気(空気)中での昇温、保持に較べて、発泡高さは増加し、また閉気孔の気孔率も38.9%と増加している。したがって、焼結温度への昇温時に発泡剤の酸化分解を抑制するために炉内雰囲気を不活性ガスにすることにより、セラミック固相発泡体の発泡性能を高め、閉気孔の気孔率をより向上させることができる。
Example 2
In the ceramic solid phase foam of the present invention, foaming uses the internal pressure of the gas generated by the oxidative decomposition reaction of the foaming agent as the driving force, but when heated to the sintering temperature in the atmosphere, the oxidative decomposition reaction of the foaming agent is It is considered that the process proceeds even when the temperature is raised to the sintering temperature. Therefore, during the temperature rise to the sintering temperature of 1600 ° C., the atmosphere in the furnace was argon gas, the atmosphere in the furnace was switched to air when held at the sintering temperature, and the heating and holding time at the sintering temperature was 8 hours. A ceramic solid phase foam was produced in the same manner as in Example 1 except that. FIG. 1 (b) shows the shape of the ceramic solid phase foam of Example 2. The foaming height after holding for 8 hours was 5.5 mm, and the foaming height increased compared with the temperature rise and maintenance in the atmosphere (air) of Example 1, and the porosity of the closed pores was also 38. It has increased to 9%. Therefore, in order to suppress the oxidative decomposition of the foaming agent when raising the temperature to the sintering temperature, the atmosphere in the furnace is made an inert gas, thereby improving the foaming performance of the ceramic solid foam and increasing the porosity of the closed pores. Can be improved.

実施例3
セラミックマトリックスとして、3モル%イットリア安定化ジルコニア(3YSZ)にSiOを5重量%添加した3YSZを使用したこと及び焼結温度での加熱保持時間を8時間としたことを除いて、実施例1と同様にしてセラミック固相発泡体を製造した。図1(c)に、実施例3のセラミック固相発泡体の形状を示す。8時間保持後の発泡高さは6.5mmであり、セラミックマトリックスが3YSZ単独の実施例1よりも発泡高さが増加している。また閉気孔の気孔率は42.2%であった。これは、5重量%のSiOの添加が、セラミック固相発泡体の超塑性現象をより発現しやすくする助剤として機能していることを示す。
Example 3
Example 1 except that 3YSZ in which 5 wt% of SiO 2 was added to 3 mol% yttria stabilized zirconia (3YSZ) was used as the ceramic matrix, and the heat holding time at the sintering temperature was 8 hours. In the same manner, a ceramic solid-phase foam was produced. FIG. 1 (c) shows the shape of the ceramic solid phase foam of Example 3. The foaming height after holding for 8 hours is 6.5 mm, and the foaming height is higher than that of Example 1 in which the ceramic matrix is 3YSZ alone. The porosity of the closed pores was 42.2%. This indicates that the addition of 5% by weight of SiO 2 functions as an auxiliary agent that makes it easier to develop the superplastic phenomenon of the ceramic solid phase foam.

実施例4
発泡剤として、約0.01gの圧密発泡剤小片(大きさ0.003cm)14個を、5個、4個、5個の3組に分け、これらを1gずつの3YSZ粉末の間に挟む形状、すなわち、3YSZ粉末/5個の発泡剤/3YSZ粉末/4個の発泡剤/3YSZ粉末/5個の発泡剤/3YSZ粉末の順に成型器に敷き詰めて一軸加圧して成型体を得たこと及び焼結温度での加熱保持時間を8時間としたことを除いて、実施例1と同様にして、セラミック固相発泡体を製造した。得られたセラミック固相発泡体の閉気孔の気孔率は7.8%、相対密度は92.2%であった。この固相発泡体の熱伝導率は2.6W/m・Kであった。比較のために、同じ条件で作製した相対密度100%のセラミック焼結体の熱伝導率は3.72W/m・Kであった。したがって、本発明のセラミック固相発泡体は、緻密なセラミック焼結体に対して熱伝導率が70%であり、相対密度の減少以上に熱伝導率を減少させることができる。
Example 4
As foaming agents, 14 pieces of compacted foaming agent (size: 0.003 cm 3 ) of about 0.01 g are divided into three groups of five, four and five, and these are sandwiched between 1 g of 3YSZ powder. Formed, ie, 3YSZ powder / 5 foaming agent / 3YSZ powder / 4 foaming agent / 3YSZ powder / 5 foaming agent / 3YSZ powder in this order and uniaxially pressed to obtain a molded body A ceramic solid foam was produced in the same manner as in Example 1 except that the heating and holding time at the sintering temperature was 8 hours. The obtained ceramic solid-phase foam had a closed porosity of 7.8% and a relative density of 92.2%. The thermal conductivity of this solid foam was 2.6 W / m · K. For comparison, the thermal conductivity of a ceramic sintered body with a relative density of 100% produced under the same conditions was 3.72 W / m · K. Therefore, the ceramic solid phase foam of the present invention has a thermal conductivity of 70% with respect to a dense ceramic sintered body, and can reduce the thermal conductivity more than a decrease in relative density.

実施例5、実施例6
セラミックマトリックスとして3モル%イットリア安定化ジルコニア(3YSZ)を、発泡剤として炭化ケイ素を使用した。炭化ケイ素粉末(イビデン株式会社製、β−SiC、Grade−UF)0.5gを、直径10mmの成型器に投入し、常温で30MPaの圧力で1分間一軸加圧して、直径10mm、厚さ0.05mmのペレットを得た。カミソリを使用してこのペレットを約3mm角の小片(重量:約0.07g、大きさ:0.00045cm)に切り分けた。切り分けた。次に、3YSZ(トーソー株式会社製、商品番号:TZ−3Y)4gを2gずつ2組に分け、直径20mmの成型器中に、3YSZ粉末、SiC小片、3YSZ粉末の順に投入した。SiC小片は3YSZ上にパターンをなすようにピンセット等で位置決めして複数個配置した。以下実施例1と同様に、一軸加圧成形、静水圧加圧、熱処理、冷却により、実施例5、実施例6のセラミックス固相発泡体を得た。発泡体には図3(a)及び(b)に示すとおり、SiC小片を載置した位置に複数の閉気孔が生成した。
Example 5 and Example 6
3 mol% yttria stabilized zirconia (3YSZ) was used as the ceramic matrix and silicon carbide was used as the blowing agent. Silicon carbide powder (Ibiden Co., Ltd., β-SiC, Grade-UF) 0.5 g was charged into a 10 mm diameter molding machine, and uniaxially pressed at a normal pressure of 30 MPa at a pressure of 30 MPa, diameter 10 mm, thickness 0 A 05 mm pellet was obtained. This pellet was cut into small pieces (weight: about 0.07 g, size: 0.00045 cm 3 ) using a razor. Carved. Next, 3 g of 3YSZ (manufactured by Tosoh Corporation, product number: TZ-3Y) was divided into 2 groups of 2 g, and 3YSZ powder, SiC pieces, and 3YSZ powder were put into a molding machine having a diameter of 20 mm in this order. A plurality of SiC pieces were positioned by tweezers or the like so as to form a pattern on 3YSZ. Thereafter, in the same manner as in Example 1, ceramic solid phase foams of Examples 5 and 6 were obtained by uniaxial pressing, hydrostatic pressing, heat treatment, and cooling. As shown in FIGS. 3A and 3B, a plurality of closed pores were generated in the foam at the position where the SiC piece was placed.

実施例7
発泡剤位置を制御するため、3YSZシートを作製しその上に発泡剤をパターニングして載置した。まず、有機バインダーであるメチルセルロース水溶液(3重量%)と3YSZ粉末を混合し泥奬(スラリー)を作製し、これをガラス棒で引き伸ばし、乾燥させて3YSZシートを作製した。次に、発泡剤であるβ−SiC粉末も同様にしてスラリーを作製し、このスラリー状のβ−SiC発泡剤を、3YSZシート上に固定した所望の場所を抜き取り加工してパターンを形成した銅板マスク(厚さ0.2mm)上に流し込み、引き伸ばした後、マスクを取り除き乾燥させた。このようにして、3YSZシート上に発泡剤であるβ−SiCが、高さ0.2mmで3個x3個=9個、孤島状団塊にパターニングされたパターン化シートを作製した。次に、パターン化シートを円状に切り取り、3YSZ粉末、パターン化シート、3YSZ粉末、パターン化シート、3YSZ粉末の順に直径20mmの成型器に投入し、実施例1と同様にして、一軸加圧成形、静水圧加圧、熱処理、冷却により、図4に示すセラミックス固相発泡体を得た。このセラミックス固相発泡体は、図4に示すとおり、配置したSiCのパターンに応じた孤立閉気孔が形成されており、また図5に示す切断試料の断面から明らかなように、セラミックス固相発泡体は、表面のみならず、内部にもSiCパターンに応じた閉気孔が均一に生成している。
Example 7
In order to control the position of the foaming agent, a 3YSZ sheet was prepared, and the foaming agent was patterned and placed thereon. First, a methylcellulose aqueous solution (3% by weight) as an organic binder and 3YSZ powder were mixed to prepare a mud (slurry), which was stretched with a glass rod and dried to prepare a 3YSZ sheet. Next, a β-SiC powder, which is a foaming agent, is similarly made into a slurry, and a copper plate on which a pattern is formed by extracting a desired place where the slurry-like β-SiC foaming agent is fixed on a 3YSZ sheet. After pouring on a mask (thickness 0.2 mm) and stretching, the mask was removed and dried. In this manner, a patterned sheet was produced in which β-SiC, which is a foaming agent, was patterned on a 3YSZ sheet into a solitary nodule of 3 × 3 = 9 pieces with a height of 0.2 mm. Next, the patterned sheet is cut into a circular shape, put into a molding machine having a diameter of 20 mm in the order of 3YSZ powder, patterned sheet, 3YSZ powder, patterned sheet, and 3YSZ powder, and uniaxially pressed in the same manner as in Example 1. The ceramic solid phase foam shown in FIG. 4 was obtained by molding, hydrostatic pressure, heat treatment, and cooling. As shown in FIG. 4, this ceramic solid phase foam has isolated closed pores corresponding to the arranged SiC pattern, and, as is clear from the cross section of the cut sample shown in FIG. In the body, not only the surface but also closed pores corresponding to the SiC pattern are uniformly generated inside.

実施例8
銅板マスクの抜き取り形状を逆S字状の連続曲線とした以外は実施例7と同様にして、図6に示すセラミックス固相発泡体を得た。
Example 8
A ceramic solid phase foam shown in FIG. 6 was obtained in the same manner as in Example 7 except that the extraction shape of the copper plate mask was changed to an inverted S-shaped continuous curve.

したがって、発泡剤を所望のパターンで配置することにより、複数の、場合により内部にも存在する独立閉気孔、あるいは連続管状閉気孔を有するセラミック固相発泡体を形成することができる。これらのセラミック固相発泡体は、切削加工なしで一段で形成することができるので、工業上のメリットが大きい。   Therefore, by disposing the foaming agent in a desired pattern, it is possible to form a ceramic solid-phase foam having a plurality of independent closed pores that may exist in the interior or continuous tubular closed pores. Since these ceramic solid-phase foams can be formed in one step without cutting, there are great industrial advantages.

実施例9
セラミックマトリックスとして超塑性付与剤を添加したアルミナを、発泡剤として炭化ケイ素を使用した。炭化ケイ素粉末(イビデン株式会社製、β−SiC、Grade−UF)0.5gを、直径10mmの成型器に投入し、常温で30MPaの圧力で1分間一軸加圧して、直径10mm、厚さ0.05mmのペレットを得た。一方、マトリックスとしてのアルミナ(住友化学株式会社、商品番号:AKP−30)粉末に、エタノールを媒体として超塑性付与剤としての3YSZを10mol%湿式混合した。得られた混合粉末4gを2gずつ2組に分け、直径20mmの成型器中に、混合粉末、SiC成型体、混合粉末の順に投入し、以下実施例1と同様にして、一軸加圧成形、静水圧加圧、熱処理、冷却により、セラミックス固相発泡体を得た。得られた固相発泡体の密度は3.77g/cmであり、気孔率は10%であった。
Example 9
Alumina added with a superplasticity imparting agent was used as a ceramic matrix, and silicon carbide was used as a foaming agent. Silicon carbide powder (Ibiden Co., Ltd., β-SiC, Grade-UF) 0.5 g was charged into a 10 mm diameter molding machine, and uniaxially pressed at a normal pressure of 30 MPa at a pressure of 30 MPa, diameter 10 mm, thickness 0 A 05 mm pellet was obtained. On the other hand, alumina (Sumitomo Chemical Co., Ltd., product number: AKP-30) powder as a matrix was wet mixed with 10 mol% of 3YSZ as a superplasticity imparting agent using ethanol as a medium. 4 g of the obtained mixed powder was divided into 2 groups each having 2 g, and the mixed powder, the SiC molded body, and the mixed powder were placed in this order in a molding machine having a diameter of 20 mm. A ceramic solid phase foam was obtained by hydrostatic pressure, heat treatment, and cooling. The density of the obtained solid-phase foam was 3.77 g / cm 3 and the porosity was 10%.

実施例10
超塑性付与剤として、マグネシアを30mol%を湿式混合したことを除いて、実施例9と同様にして、セラミックス固相発泡体を得た。得られた固相発泡体の密度は3.30g/cmであり、気孔率は15%であった。
Example 10
A ceramic solid phase foam was obtained in the same manner as in Example 9 except that 30 mol% of magnesia was wet mixed as a superplasticity imparting agent. The density of the obtained solid-phase foam was 3.30 g / cm 3 and the porosity was 15%.

なお、セラミックマトリックスとしてアルミナを使用した実施例9及び10は、3モル%イットリア安定化ジルコニア(3YSZ)をマトリックスとする実施例1〜6よりも高温強度が大きい。また、湿潤雰囲気下での強度も高いことが確認された。 In addition, Examples 9 and 10 using alumina as a ceramic matrix have higher high-temperature strength than Examples 1 to 6 using 3 mol% yttria stabilized zirconia (3YSZ) as a matrix. It was also confirmed that the strength in a humid atmosphere was high.

本発明のセラミック固相発泡体は、ガス遮断性、強度に優れた気密性、信頼性の高いセラミック固相発泡体である。このため、信頼性のある断熱材料、高温強度に優れる軽量化材料のほか、原料物質のトラップを抑え生成物の流出を抑制できる気密材料として、更には、遮音材料や、湿度により電気特性が変化しにくい多孔体電気部品として利用することができる。加えて、本発明のセラミック固相発泡体は、大気圧下、セラミックの焼結温度近辺の温度で製造することができるため、実用性の高い製造方法であり、産業上の利用可能性が高い。   The ceramic solid-phase foam of the present invention is a ceramic solid-phase foam having high gas barrier properties, high airtightness and high reliability. For this reason, in addition to reliable heat insulating materials, lightweight materials with excellent high-temperature strength, airtight materials that can suppress the trapping of raw materials and suppress the outflow of products. It can be used as a porous electrical component that is difficult to perform. In addition, since the ceramic solid-phase foam of the present invention can be produced at a temperature close to the sintering temperature of the ceramic at atmospheric pressure, it is a highly practical production method and has high industrial applicability. .

Claims (14)

セラミック固相発泡体であって、セラミック固相発泡体が、緻密な気孔壁からなり、1個の孤島、複数の孤島が均一に分散した孤島状団塊又は連続曲線状にパターニングされた閉気孔を有し、それにより5〜60%の気孔率を有する場合でも気体の透過を遮断することを特徴とするセラミック固相発泡体。 It is a ceramic solid-phase foam, and the ceramic solid-phase foam is composed of a dense pore wall , an isolated island, a solitary island nodule in which a plurality of isolated islands are uniformly dispersed, or closed pores patterned in a continuous curve shape. A ceramic solid phase foam characterized in that it has a porosity of 5 to 60% , thereby blocking gas permeation. 閉気孔の気孔率が30〜50%である、請求項記載のセラミック固相発泡体。 Is a 30-50% porosity of closed pores, claim 1 ceramic solid foam according. セラミック固相発泡体のマトリックスが、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、シリカ、チタニア、サイアロン、ムライト及びコーディエライトからなる群から選択される1種以上のセラミックである、請求項1又は2記載のセラミック固相発泡体。 Matrix of the ceramic solid foam, alumina, zirconia, magnesia, silica, titania, sialon, is one or more ceramic selected from the group consisting of mullite and cordierite, ceramic solid of Claim 1 or 2, wherein Phase foam. セラミック固相発泡体のマトリックスが、さらに、イットリア、カルシア、マグネシア及び希土類酸化物からなる群から選択されるセラミックを1種以上含有する、請求項1〜のいずれか1項記載のセラミック固相発泡体。 The ceramic solid phase according to any one of claims 1 to 3 , wherein the matrix of the ceramic solid phase foam further contains one or more ceramics selected from the group consisting of yttria, calcia, magnesia and rare earth oxides. Foam. セラミック固相発泡体のマトリックスが、さらに、シリカ、アルミナ、酸化銅、チタニア、酸化マンガン、マグネシア、ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、酸化ゲルマニウムからなる群から選択され、マトリックスとは異なる1種以上のセラミックを含有する、請求項1〜のいずれか1項記載のセラミック固相発泡体。 The matrix of the ceramic solid foam is further selected from the group consisting of silica, alumina, copper oxide, titania, manganese oxide, magnesia, zirconia, yttria stabilized zirconia, germanium oxide, and one or more ceramics different from the matrix The ceramic solid-phase foam according to any one of claims 1 to 4 , comprising: 請求項1〜記載のセラミック固相発泡体を用いた気密性に富む断熱部品、遮音部品又は電気部品。 Insulation parts, sound insulation parts or electrical components rich in airtightness with ceramic solid foam of claim 1 to 5, wherein. セラミックマトリックス粉末を含むシートを作製し、その上に発泡剤を1個の孤島、複数の孤島が均一に分散した孤島状団塊又は連続曲線状にパターニングして載置し、セラミックス粉末中に発泡剤を内包させる工程、セラミックマトリックス粉末と予備成形又は有機バインダーを使用して固形化させた発泡剤とを一体成形して成型体を得る工程、及び一体成形した成型体をセラミックマトリックスの焼結温度に加熱保持して、それによりセラミックマトリックスを焼結させ、次いで焼結したセラミック焼結体中で発泡剤を発泡させる工程、を含むことを特徴とするセラミック固相発泡体の製造方法。 A sheet containing a ceramic matrix powder is prepared, and a foaming agent is patterned and placed in a solitary island nodule or a continuous curve in which a plurality of solitary islands are uniformly dispersed , and the foaming agent is placed in the ceramic powder. A step of encapsulating ceramic matrix powder and a preformed or solidified foaming agent using an organic binder to obtain a molded body, and the integrally molded molded body at the sintering temperature of the ceramic matrix A method for producing a ceramic solid-phase foam, comprising: heating and holding, thereby sintering a ceramic matrix, and then foaming a foaming agent in the sintered ceramic sintered body. セラミックマトリックスが、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、シリカ、チタニア、サイアロン、ムライト及びコーディエライトからなる群から選択される1種以上のセラミックである、請求項記載のセラミック固相発泡体の製造方法。 The method for producing a ceramic solid phase foam according to claim 7 , wherein the ceramic matrix is one or more ceramics selected from the group consisting of alumina, zirconia, magnesia, silica, titania, sialon, mullite and cordierite. セラミックマトリックスが、さらに、イットリア、カルシア、マグネシア及び希土類酸化物からなる群から選択されるセラミックを1種以上含有する、請求項又は記載のセラミック固相発泡体の製造方法。 The method for producing a ceramic solid phase foam according to claim 7 or 8 , wherein the ceramic matrix further contains at least one ceramic selected from the group consisting of yttria, calcia, magnesia and rare earth oxides. セラミックマトリックスが、さらに、シリカ、アルミナ、酸化銅、チタニア、酸化マンガン、マグネシア、ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、酸化ゲルマニウムからなる群から選択され、マトリックスとは異なる1種以上のセラミックを含有する、請求項のいずれか1項記載のセラミック固相発泡体の製造方法。 The ceramic matrix further comprises one or more ceramics selected from the group consisting of silica, alumina, copper oxide, titania, manganese oxide, magnesia, zirconia, yttria stabilized zirconia, germanium oxide and different from the matrix. Item 10. A method for producing a ceramic solid foam according to any one of Items 7 to 9 . 発泡剤が、炭化ケイ素、炭酸塩、及び昇華性の固体からなる群から選択される1種以上である、請求項10のいずれか1項記載のセラミック固相発泡体の製造方法。 The method for producing a ceramic solid-phase foam according to any one of claims 7 to 10 , wherein the foaming agent is at least one selected from the group consisting of silicon carbide, carbonates, and sublimable solids. 焼結温度で加熱保持する時間が1〜24時間である、請求項11のいずれか1項記載のセラミック固相発泡体の製造方法。 The method for producing a ceramic solid-phase foam according to any one of claims 7 to 11 , wherein the time for heating and holding at the sintering temperature is 1 to 24 hours. 焼結温度で加熱保持する時間が2〜10時間である、請求項12記載のセラミック固相発泡体の製造方法。 The method for producing a ceramic solid phase foam according to claim 12 , wherein the time for heating and holding at the sintering temperature is 2 to 10 hours. 焼結温度への昇温を不活性ガス雰囲気中で行い、焼結温度での加熱保持を大気中で行う、請求項13のいずれか1項記載のセラミック固相発泡体の製造方法。 The method for producing a ceramic solid phase foam according to any one of claims 7 to 13 , wherein the temperature is raised to a sintering temperature in an inert gas atmosphere, and heating and holding at the sintering temperature is performed in the air.
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