JP5562842B2 - 異方性バルク材料の製造方法 - Google Patents

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関連出願の相互参照

本願は、参照することにより本明細書に援用される、２００７年５月２１日出願の米国特許出願第１１／８０４，８４８号の優先権の利益を主張するものである。

本発明は、異方性材料、具体的には、異方性の性質を有するセラミック物品に関する。

磁性粒子は、磁場の影響下で指向および配向しうる。フェロ流体などの特定の用途では、磁性粒子の懸濁液を指向および／または配向させることができるが、その誘起秩序は、磁場の除去後には、重力およびブラウン運動などの競合する力が原因となり、消散してしまう。

セラミック物品は、微粒子フィルタなどの用途のため、さまざまな形状および形態で製造されうる。このような用途では、セラミック物品は、熱伝導率を高めるために、セラミックのマトリクスに孔隙を形成させ、それによって、装置に長期間の安定性をもたらすことができる。調節された孔隙構造を有するこのようなセラミック物品は、現在の技術では製造することは困難である。

前述の問題およびセラミック物品などの異方性材料に関する他の欠点の解決に向けて取り組むことが必要とされている。本発明の方法は、これらの必要性を満たすものである。

本発明は異方性材料に関し、具体的には、異方性の性質を有するセラミック物品に関する。本発明は、異方性材料の新規調製方法の使用を通じて、上述の問題の少なくとも一部の解決に向けて取り組むものである。

第１の態様では、本発明は、異方性材料の製造方法であって、
降伏応力を有し、配列した複数の磁性粒子を含む、粘塑性材料を提供し、次に、
少なくとも一部の磁性粒子が、少なくとも１つの所定の位置または方向に少なくともある程度配向するのに十分な時間、粘塑性材料を磁場に曝露する、
各工程を有してなる方法を提供する。

第２の態様では、本発明は、上述の方法によって作られた異方性材料を提供する。

別の態様では、本発明は、粘塑性材料と、そこに配列した複数の磁性粒子とを含み、少なくとも１つの所定の位置または方向に少なくともある程度配向した、異方性の性質を有する物品を提供する。

さらに別の態様では、本発明は、固定された粘塑性材料と、分散した複数の磁性粒子とを含み、少なくとも１つの所定の位置または方向に少なくともある程度配向した、物品を提供する。

本発明のさらなる態様および利点は、一部には、詳細な説明、図面、および、添付の特許請求の範囲に記載され、一部には、詳細な説明から導かれ、あるいは、本発明の実施によって確認できるであろう。下記の利点は、特に添付の特許請求の範囲で指摘される要素および組合せを用いることにより、成立し、達成されるであろう。前述の概要および下記の詳細な説明は単に典型例であり説明するためのものであって、開示されるように本発明を制限するものではないものと理解されたい。

本明細書に取り込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の特定の態様を例証し、解説とともに本発明の原理を制限することなく説明する役割をするものである。

磁場に曝露した際の球形でない（扁長の）磁性粒子の指向および配向を説明する概略図。 磁場に曝露した際の球形の磁性粒子の指向および配向を説明する概略図。 磁場に曝露した際のコーティングされた、球形の磁性粒子の指向および配向を説明する概略図。 本発明のさまざまな態様に従った、ムライト物品における７μｍの平均粒径を有する鉄粒子の指向および配向を説明する走査電子顕微鏡写真。 本発明のさまざまな態様に従った、ムライト物品における７０μｍの平均粒径を有する鉄粒子の指向および配向を説明する走査電子顕微鏡写真。

本発明は、以下の詳細な説明、図面、実施例、および特許請求の範囲、ならびに前述および下記の説明を参照することにより、さらに容易に理解することができる。しかしながら、他に特記しない限り、本発明にかかる組成物、物品、装置、および方法を開示し、説明する前に、本発明が、開示される特定の組成物、物品、装置、および方法に限定されず、それらは当然ながら、様々に変化しうるものと理解されるべきである。また、本明細書で用いられる専門用語は、単に特定の態様を説明する目的であって、限定することは意図されていないものとして理解されたい。

本発明についての以下の説明は、現在知られている最良の実施の形態における、本発明の可能な教示として提供されるものである。この目的の達成のために、当業者は、本発明の有益な結果を得つつ、本明細書に記載される本発明のさまざまな態様に多くの変更をなしうることを認識し、理解するであろう。本発明の望ましい利益の一部は、他の特性を利用することなく、本発明の特性の一部のみを選択することによりもたらされることもまた、明白であろう。したがって、当技術分野に従事する者は、本発明には多くの変更及び適合が可能であり、それらは、ある特定の状況では望ましくさえあり、また本発明の一部であることを認識するであろう。したがって、以下の説明は、本発明の原理の例証として提供されるのであり、それらに限定されるものではない。

開示される方法および組成物に利用可能な、開示される方法および組成物と併せて利用可能な、開示される方法および組成物の調製に利用可能な、または、開示される方法および組成物の生成物である、材料、化合物、組成物、および成分について開示する。これらおよび他の材料は本明細書に開示されており、これらの材料の組合せ、一部、相互作用、群などについて開示されている場合、これらの化合物それぞれについては、多様な個別および集合的な組合せおよび順列についての特別な指示がはっきりと開示されていないかもしれないが、それぞれが本明細書中に明確に意図され、記載されているということが理解されよう。したがって、ある種の置換基Ａ、Ｂ、Ｃおよびある種の置換基Ｄ、Ｅ、Ｆが開示され、また、組合せた実施の形態の例Ａ−Ｄが開示されている場合には、それぞれが個別および集合的に意図されている。したがって、この例では、Ａ−Ｅ、Ａ−Ｆ、Ｂ−Ｄ、Ｂ−Ｅ、Ｂ−Ｆ、Ｃ−Ｄ、Ｃ−Ｅ、およびＣ−Ｆの各組合せが明確に意図され、Ａ、Ｂ、Ｃ；Ｄ、Ｅ、Ｆ；および組合せ例Ａ−Ｄの開示によって開示されたとみなされるべきである。同様に、これらのいずれか一部または組合せについても、明確に意図され開示されている。したがって、例えば、Ａ−Ｅ、Ｂ−Ｆ、およびＣ−Ｅの部分群が明確に意図されており、Ａ、Ｂ、Ｃ；Ｄ、Ｅ、Ｆ；および組合せ例Ａ−Ｄの開示によって開示されたとみなされるべきである。この概念は、限定はしないが、組成物の任意の成分、開示される組成物の調製方法および使用方法についての工程を含む、本明細書の開示のすべての態様に適用される。したがって、行われうる様々な付加的工程が存在する場合は、これら付加的工程のそれぞれについて、開示される方法の特定の実施の態様のいずれかで、または、複数の実施の態様を組み合わせて行うことが可能であり、これら組合せのそれぞれが明確に意図されており、開示されたとみなされるべきであるということが理解されよう。

本明細書および添付の特許請求の範囲において、次の意味を有すると定義されるべき多くの用語について述べる：
本明細書では、単数形「ａ」「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないことを指示しない限り、複数形の指示対象も含む。したがって、例えば、「（１つの）成分」への言及は、文脈が明らかにそうでないことを指示しない限り、そのような成分を２つ以上有する態様も含む。

「随意的な」または「随意的に」は、続いて記載される事象または状況が生じても生じなくてもよいことを意味し、説明には、事象または状況が生じる場合および生じない場合の両方が含まれる。例えば、「随意的に置換された成分」という語句は、その成分が置換されても置換されなくてもよく、その説明が本発明の置換されていない態様および置換された態様の両方を含むことを意味する。

本明細書では、範囲は、「約」１つの特定の値から、及び／または「約」別の特定の値までとして表されうる。このような範囲が表される場合、別の態様には、１つの特定の値から、及び／または別の特定の値までが含まれる。同様に、値が先行詞「約」を用いて近似値として表される場合、その特定の値は別の態様を形成することが理解されよう。さらには、各範囲の終点は、他の終点と関連して、また、他の終点とは独立して、意味をなすことも理解されよう。

本明細書では、成分の「重量％」または「重量パーセント」または「重量によるパーセント」とは、そうでないことが明記されない限り、成分の重量の、組成物の全重量に対する比のことをいい、ここで含まれる成分は、パーセントで表される。

本明細書では、成分の「容積％」または「容積パーセント」または「容積によるパーセント」とは、そうでないことが明記されない限り、成分の容積の、組成物の全容積に対する比のことをいい、ここで含まれる成分は、パーセントで表される。

次の米国特許文献には、例えばハニカム構造をしたモノリス型の焼成セラミックなど、セラミック体を製造するためのさまざまな組成物および方法が記載され、参照することによりその全体が、そのようなセラミック体の形成に関する材料および方法を開示するという特定の目的で、本明細書に援用される：
米国特許第３，８８５，９７７号明細書。

先に簡単に説明したように、本発明は、粘塑性材料およびそこに配列した複数の磁性粒子の使用を通じて、異方性材料を製造する方法を提供する。本発明の方法によって形成される異方性材料は、例えば、熱伝導率、電気伝導率、および／または透磁率など、具体的に適合された特性を有することができる。本発明の方法によって形成される異方性材料はまた、例えば構造化された孔隙パターンなどの具体的に適合された物理的構造も有しうる。

磁性粒子の配向
磁性粒子は、磁場の力線に沿って配向しうることが一般に知られている。粒子は、磁性粒子に作用するトルク（Ｔ）により、特定の向きに配向しうる。トルクは、方程式：Ｔ＝Ｍ×Ｈで表すことができ、ここでＭは磁性粒子の磁気モーメントのベクトルを表し、Ｈは磁場の強度または強さのベクトルを表す。地球の磁場におけるコンパスの矢印の配向と同様に、磁性粒子におけるトルクは、磁気モーメントが磁場に対して平行になるように、粒子を配向させることができる。

さらには、磁場は、磁性粒子に力を及ぼすことができる。個々の粒子による磁場の摂動により、磁性粒子同士を引き付けうる力を生じ、例えばヘッド・トゥ・テイル式の配列で、列またはブリッジを形成する。例えばフェロ流体、磁性粒子などの従来の懸濁液は、磁場の存在下で配向しうる。これらの従来の系では、磁性粒子の配向および／または整列は、例えば粒子のブラウン運動などによって磁場が除去された後は、減少する。

本発明は、材料中の磁性粒子の整列および／または配向を誘起する方法を提供し、ここで、１つまたはそれ以上の下流の工程段階においてさらに加熱および加工される場合でさえも、磁場の除去後に整列を維持することができる。

粘塑性材料
粘塑性材料は、数種類ある非ニュートン液体の１つである。粘塑性材料および他の非ニュートン流体は、それらがストークスの法則の粘度に従わないことから、そのように分類される。粘塑性材料は降伏応力の閾値を有し、それらが所定の温度または温度範囲において閾値降伏応力よりも小さい剪断応力に晒された場合には、材料は固体のように振る舞い、ほとんどまたは全く変形を示さない。

閾値降伏応力よりも大きい剪断応力に晒された場合には、材料は、例えば粘稠液のように流れうる。結果として、粘塑性材料は、しばしば「降伏応力」流体と称され、粘稠性の流体、粘塑性材料、および降伏応力流体という用語は、本明細書ではすべて「粘塑性材料」を称することを意図している。粘稠性の挙動は、例えば、泥、溶岩、塗料、練り歯磨き、掘削流体、ケチャップ、およびチョコレートなど、多くの場合、高凝集性の懸濁液に関係している。

本発明の粘塑性材料は、異方性の物品の調製に使用するのに好適な任意の粘塑性材料、または粘稠性の特性を示す任意の材料であって差し支えない。さまざまな態様では、粘塑性材料として、ガラス材料、セラミック材料、前駆体材料（例えば、反応によってセラミック材料を形成することができる１つまたはそれ以上の原料反応物質、または、加熱の際にガラス・セラミック材料に転換されうる１つまたはそれ以上のガラス材料など）、無機物質、高分子材料またはそれらの単量体、またはそれらの組合せが挙げられる。１つの態様では、粘塑性材料はセラミック材料（例えば粉末セラミック材料）を含む。別の態様では、粘塑性材料は、セラミック材料の混合物を含む。別の態様では、粘塑性材料はセラミック材料および／またはそれらの前駆体材料の混合物を含む。ある特定の態様では、粘塑性材料は、ムライトなどのケイ酸アルミニウムを含む。

粘塑性材料は、異方性材料を形成するのに適した任意の形態で提供されて差し支えない。粘塑性材料は、その材料が磁場に晒された場合に粘稠性の挙動を示すことを条件として、例えば、スラリー、ペースト、または液体の形態で提供されて構わない。１つの態様では、粘塑性材料はスラリーとして提供される。バッチ段階では、粘塑性材料は、例えば、１つまたはそれ以上の粉末セラミック材料を水と混合して半固体のスラリーを生成する場合などに、半固体の粘稠性の性質を示しうる。粘塑性材料は、物品の形態で、または実質的に物品の形態で提供されて、磁場に曝露する前、曝露と同時、または曝露後に、所望の形状を生成するか、あるいは所望の形状に成形されうる。１つの態様では、粘塑性材料は、少なくとも１ｍｍの厚さを有するバルク物品の形態で提供される。

セラミックの粘塑性材料の降伏応力は、例えば、１つまたはそれ以上のセラミック材料を含むスラリーの水分含量に応じて、変化しうる。１つの態様では、セラミックの粘塑性材料の降伏応力は、例えば、混合、押出、成形、および／または配向など、製造および／または工程段階全体を通して、同一または略同一の値で維持される。

粘塑性材料は、磁場に曝露する前、曝露と同時、または曝露後に、随意的に所望の形状に成形することができる。１つの態様では、粘塑性材料は、例えば押出加工によって、ハニカムパターンなどの複雑な幾何学的模様へと成形される。ある特定の態様では、粘塑性材料は少なくとも１つのセラミック材料を含み、磁場に曝露する前にハニカム構造をした未焼成体（green body）へと成形される。このような成形工程により、成形された未焼成体内に磁性粒子の均質な分布をもたらすことができる。別の態様では、成形工程により、例えばハニカムパターンの壁の内側などに、磁性粒子の特定の所望の分布を有する未焼成体をもたらすことができる。

上述のように、粘塑性材料は、例えば加工温度または関心のある温度範囲など、特定の温度において、望ましい降伏応力を示しうる。粘塑性材料の降伏応力は、そこに配列した磁性粒子が、磁場に曝露される際に、移動し、少なくともある程度配向することができるように十分に小さくなくてはならないが、磁場を除去する際に、とりわけ、ブラウン運動、重力、地球磁場、および、磁気配向した粒子を有するこれら材料の輸送の間に経験しうる振動に起因して、一度形成された粒子パターンが壊れるのを防ぐのに十分に大きくなくてはならない。特定の粘塑性材料の降伏応力は温度と共に変化しうる。したがって、特定の粘塑性材料は、所定の温度または温度範囲において使用するために選択されて差し支えない。同様に、曝露および随意的な固定化工程の間に、粘塑性材料の温度を変化および／または調節し、特定の降伏応力をもたらすことができる。

１つの態様では、粘塑性材料は、例えば参照することにより援用される米国特許第３，８８５，９７７号明細書に記載されるような、材料の混合物を含みうる。さまざまな態様において、粘塑性材料は、例えば、層間剥離させたカオリン粘土、タルク、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウム、酸化マグネシウムを生じる化学物質、またはそれらの組合せなど、粘土を含んで差し支えない。１つの特定の態様では、粘塑性材料は、約４６．６重量％〜約５３．０重量％のシリカ、約３３．０重量％〜約４１．０重量％のアルミナ、および約１１．５重量％〜約１６．５重量％の酸化マグネシウムを含む。別の特定の態様では、粘塑性材料は、約６９．２重量％のＭｕｌｃｏａ（Ｃ−Ｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ社（米国ペンシルベニア州キング・オブ・プロシア所在）から入手可能）、約７．７重量％のＢｅｎｔｏｌｉｔｅ粘土（Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｃｌａｙ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．社（米国テキサス州ゴンザレス所在）から入手可能）、約５．４重量％の結合剤および／または有機材料、例えばＭｅｔｈｏｃｅｌ（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ（米国ミシガン州ミッドランド所在）から入手可能）など、および約１７．７重量％の水を含む。上述のように、特定の成分およびそれらの濃度は変更して差し支えなく、列挙される例は限定されることを意図していない。

粘塑性材料は、随意的に、材料のさまざまな物理的、化学的、および／または電気的性質を調節および／または調整するための添加剤を含みうる。このような随意的な添加剤としては、例えば、溶媒、加工助剤、レオロジーに関する助剤、焼結助剤、またはそれらの組合せが挙げられる。１つの態様では、粘塑性材料は水を含む。別の態様では、粘塑性材料は、例えば遷移金属酸化物などの焼結助剤を含む。

本発明の粘塑性材料は、随意的に固定化されることができる。本明細書では、固定された粘塑性材料は、粘稠性の特性を示さないか、あるいは、例えばブラウン運動によって、または印加される磁場の影響で、そこに配列した磁性粒子が移動するのを妨げるのに十分に大きい降伏応力を有するか、のいずれかである。固定化されうる粘塑性材料は、例えば、冷却、硬化、セラミック化、架橋、ゲル化、照射、乾燥、加熱、焼結、または焼成など、任意の適切な方法によって固定化されうる。粘塑性材料および随意的な添加剤材料は市販されており、当業者は、適切な粘塑性材料および本発明における用途に好適な随意的添加剤を容易に選択することができよう。

磁性粒子
本発明の磁性粒子は、磁場に曝露される際に、少なくともある程度配向および／または指向しうる、粘塑性材料用途に好適な任意の粒子である。磁性粒子の特定の磁気特性、例えば磁気モーメントなどは、磁場に曝露される際に、少なくとも一部の磁性粒子が移動し、および／または少なくともある程度配向しうることを条件に、変化させて構わない。特定の磁性粒子の選択は、粘塑性材料の降伏応力に応じて、および／または、一部の磁性粒子を移動および／または少なくともある程度配向するのに用いられる磁場の強度に応じて変化しうる。

磁性粒子の組成は、磁場に曝露される際に、移動および／または少なくともある程度配向しうる粘塑性材料の用途に適した任意の組成でありうる。１つの態様では、磁性粒子は強磁性でありうる。さまざまな特定の態様では、磁性粒子は、鉄、コバルト、ニッケル、および／または合金、酸化物、またはそれらの組合せを含みうる。１つの態様では、磁性粒子は、粘塑性材料とは異なる、または実質的に異なる磁気特性を有する。例えばアルミナ、チタニア、酸化亜鉛、またはそれらの組合せを含むセラミック材料などの粘塑性材料が磁気特性を示し、および／または磁場に曝露される際に指向しうる場合には、磁性粒子は、さまざまな態様において、粘塑性材料とは独立して、それらが異なる、または実質的に異なる磁気特性を有し、少なくともある程度指向および／または配向することができるように選択することができる。任意の１種類以上の磁性粒子の組成はさまざまであってよく、すべての磁性粒子が同一の組成を包含することは必要としない。

磁性粒子の大きさおよび形状もさまざまであって差し支えなく、本発明は任意の粒径および／または形状に限定されることを意図していない。本発明は、複数の磁性粒子、およびそれぞれ個々の磁性粒子または磁性粒子の群は、他の磁性粒子と同一の大きさおよび形状、および／または異なる大きさおよび形状を有しうる。磁性粒子の粒径は分布特性でありうることが理解されるべきである。したがって、特定の大きさは平均粒径と称することができ、個々の粒径の分布は変化しうる。

本発明の磁性粒子は、約０．０１μｍ〜約１，０００μｍの平均直径を有していて差し支えなく、例えば、０．０１、０．０５、０．１、０．５、１、３、５、７、１０、２０、４０、６０、７０、１００、２００、４００、５００、７００、または１，０００μｍでありうる。１つの態様では、磁性粒子は約７μｍの平均直径を有する。別の態様では、磁性粒子は約７０μｍの平均直径を有する。さらに別の態様では、磁性粒子は、約７μｍの平均直径を有する第１のモードと約７０μｍの平均直径を有する第２のモードのように、粒径の多重モード分布を含みうる。

磁性粒子の形状もまた、磁場に曝露される際に、磁性粒子が移動し、および／または少なくともある程度指向および／または配向しうるかぎり、さまざまであって差し支えない。磁性粒子は、１つの態様では、例えば扁長などの細長い形状を有していて構わない。１つの態様では、例えば図１に示すような細長い粒子の軸に沿った線のように、あるパターンで配向する。このような細長い磁性粒子の配向は、例えば、焼成したセラミック物品に細長い孔隙を形成するのに有用でありうる。細長い磁性粒子の縦横比はさまざまであって差し支えなく、本発明は特定の縦横比を有する磁性粒子に限定することを意図していない。別の態様では、磁性粒子は、図２に示すように球状であってもよい。別の態様では、磁性粒子は薄片の形態を有していて差し支えない。さらに別の態様では、複数の磁性粒子は、例えば、細長い粒子と球状の粒子など、さまざまな形状を有する磁性粒子の混合物を含む。

磁性粒子の表面は、得られる粘塑性材料の用途に適切な任意の形態および／または表面特性を有していて構わない。１つの態様では、少なくとも一部の磁性粒子は、粗い、および／またはギザギザした表面を有する。別の態様では、少なくとも一部の磁性粒子は滑らかな表面を有する。

本発明の磁性粒子は、粘塑性材料および／または最終的な物品の固体マトリクスとは実質的に異なる、熱伝導性および／または電気伝導性を示してもよい。１つの態様では、複数の磁性粒子の少なくとも一部は、粘塑性材料とは実質的に異なる熱伝導率を有する。別の態様では、複数の磁性粒子の少なくとも一部は、粘塑性材料とは実質的に異なる電気伝導率を有する。別の態様では、複数の磁性粒子は、粘塑性材料とは実質的に異なる電気伝導率を有する。

本発明の磁性粒子は、随意的にコーティングを含んでいてもよい。コーティングは、存在する場合には、１つの磁性粒子の一部または全部を覆ってもよく、均一であって差し支えなく、または粒子ごとにさまざまであってもよい。１つの態様では、コーティング材料は、複数の磁性粒子の各々の一部を覆う。別の態様では、コーティング材料は、図３に示すように、複数の磁性粒子の各々の表面のすべてを覆う。別の態様では、１種類以上のコーティング材料を使用することができ、任意の個々の磁性粒子または磁性粒子の群の表面によってさまざまでありうる。特定のコーティング材料の組成および特性は、目的とする用途、および磁性粒子および／または粘塑性材料に与えられるべき特定の特性に応じてさまざまであって差し支えない。１つの態様では、磁性粒子は、磁性粒子と、粘塑性材料および／またはその添加剤との化学反応を低減および／または排除することができるコーティングを含む。別の態様では、磁性粒子は、磁性粒子の酸化を低減および／または排除することができるコーティングを含む。さらに別の態様では、磁性粒子は、周囲材料と反応することができるコーティングを含む。さらに別の態様では、磁性粒子は、その後の加熱工程の間に、揮発させる、および／または除去することができるコーティングを含みうる。ある特定の態様では、少なくとも一部の磁性粒子は、セラミック物品の焼成など、その後の加熱工程の間に、揮発および／または消費させることが可能な、例えばデンプンなどの孔隙形成材料を含む。別の特定の態様では、少なくとも一部の磁性粒子は、ポリマーコーティングを含む。

本発明の磁性粒子は、所望の異方性の性質を有する物品の製造に適したレベルで、粘塑性材料に加えることができる。さまざまな態様において、磁性粒子は、組成（粘塑性材料および磁性粒子）の０容積％より多く約４０容積％まで含めることができ、例えば、組成の約０．１、０．３、０．６、１．０、１．３、１．７、２．２、２．６、３．２、３．８、４．１、４．８、５．０、７．０、１０．０、１５．０、２０．０、２５．０、３０．０、３５．０、または４０．０容積％でありうる。１つの態様では、組成における磁性粒子の容積％は、少なくとも一部の磁性粒子が例えばヘッド・トゥ・テイル式に配向することができるように十分に大きい。ある特定の態様では、磁性粒子は、特定のパターンで配向した少なくとも一部の磁性粒子またはすべての磁性粒子が、ヘッド・トゥ・テイル式で接触するのに十分なレベルで存在する。別の態様では、組成における磁性粒子の容積％は、少なくとも一部の磁性粒子が他の磁性粒子と結合および／または隣接できるように十分に小さい。組成における１つまたはそれ以上の磁性粒子の特定の容積％は、所望の特性または最終的な物品の用途に基づいてさまざまであって差し支えなく、当業者は特定の粘塑性材料、磁性粒子、および／または目的の用途にとって適切な容積％レベルを容易に選択できよう。

本発明の磁性粒子は、異方性材料の製造に適切な任意の方法で粘塑性材料と混合して差し支えない。磁性粒子は、粘塑性材料の内または上に少なくともある程度分散しうる。１つの態様では、磁性粒子は粘塑性材料のマトリクスに分散される。別の態様では、磁性粒子は粘塑性材料中に均一に混合される。他のさまざまな態様では、少なくとも一部の磁性粒子は、粘塑性材料またはそれらの組合せの内または上の１つまたはそれ以上の個別の位置に配置され、粘塑性材料の内または上にパターン化されて配列する。さまざまな態様では、さまざまな容積％レベルの磁性粒子を含む、種々の粘塑性材料のうちの同一のものの別々の部分を併せて、偏った、または選択的な磁性粒子の分布を有する未焼成体を形成することができる。磁性粒子などの材料の非均一な分布をもたらす、さまざまな成形技術が知られており、当業者は、均一または非均一な磁性粒子の分布を有する未焼成体を押出成形および／または形成するための適切な成形技術を容易に選択することができよう。

磁性粒子および随意的なコーティング材料は市販されており、当業者は、本発明の用途に適した磁性粒子および随意的なコーティング材料を容易に選択することができよう。

磁場への曝露
本発明の磁場は、粘塑性材料中に配列した少なくとも一部の磁性粒子を、移動、および／または少なくともある程度指向および／または配向させる用途に適切な任意の磁場であって差し支えない。さらには、磁場は、配列した複数の磁性粒子を有する粘塑性材料の少なくとも一部に、磁場の少なくとも一部を曝露することができる限り、任意の適切な手段によって生じさせて差し支えない。１つの態様では、粘塑性材料の一部は、磁場の一部に曝露される。別の態様では、粘塑性材料のすべてが磁場の一部に曝露される。粘塑性材料のすべてまたは一部が、磁場内の特定の位置に配置されることは必要としない。

本発明の磁場は、粘塑性材料中に配列した少なくとも一部の磁性粒子を、移動、および／または、少なくともある程度指向および／または配向させるのに十分な強度を有していなければならない。磁場は、Ｂ（磁気誘導電流）またはＨ（磁場、または渦の周速（度））と称され、テスラ（Ｔ）、アンペア／メートル（Ａ／ｍ）、ガウス（Ｇ）、またはエルステッド（Ｏ_e）の単位で表すことができる。粘塑性材料中の磁性粒子を指向および配向させるのに必要な磁界の強度は、次式によって表される：
Ｍ・Ｈ ＞ Ｓ・Ｒ・σ₀
ここで、Ｍは磁性粒子の磁気モーメントであり、Ｈは磁場における磁界の強度であり、Ｓは磁性粒子の表面積であり、Ｒは磁性粒子の半径であり、σ₀は粘塑性材料の降伏応力を表す。本発明は、粘塑性材料中に配列した少なくとも一部の磁性粒子を移動し、少なくともある程度指向および／または配向させることを対象とする。すべての磁性粒子を移動および／または配向させること、任意の個別の磁性粒子を特定の度合いまで配向することは必要とされない。したがって、限定はしないが、磁場の強度は、上記式によって説明されるとおり、ほとんどすべて、またはすべての磁性粒子を指向および配向させるのに十分であることが好ましい。１つの態様では、磁場の強度は自然界における地球磁場の強度よりも大きい。

本発明では、少なくともある程度指向および／または配向した磁性粒子は、粘塑性材料の降伏応力が、例えば重力沈降などによる粒子の運動を妨げるのに十分に大きい限り、磁場の除去後であっても、指向および／または配向を保持することができる。少なくともある程度指向および／または配向した磁性粒子の指向および位置は、それらが別の十分に強い磁場に曝露されるか、または、粘塑性材料が例えば重力下で流れない限り、変化せずに保持することができる。

さまざまな態様において、磁場は、約１００〜約１００，０００ガウスの磁界強度を有しうる。ある特定の態様では、磁場は約６０００Ｇの強度を有する。磁場の磁界強度は、用いられる特定の磁性粒子、特定の粘塑性材料、および／または所望する指向および／または配向の程度に応じてさまざまであって差し支えなく、当業者は、特定の用途に適した磁場の強度を容易に選択することができよう。

配列した複数の磁性粒子を有する粘塑性材料は、少なくとも一部の磁性粒子が、移動、および／または、少なくともある程度指向および／または配向するのに十分な時間、磁場に曝露されて差し支えない。粘塑性材料が磁場に曝露される具体的な時間は、磁場の強度、粘塑性材料の降伏応力および温度、ならびに用いられる特定の磁性粒子に応じて、さまざまであって差し支えない。１つの態様では、粘塑性材料は、約３０秒間、磁場に晒される。別の態様では、粘塑性材料は、約１０分間、磁場に晒される。

磁場への曝露の際に、複数の磁性粒子の少なくとも一部は、１つまたはそれ以上の磁力線とともに移動し、少なくともある程度指向および／または配向しうる。磁性粒子は、図１〜３の扁長の、球状の、およびコーティングされた球状の磁性粒子に示されるように、磁場によって粒子上に与えられたトルクの結果として、磁力線に従い、所定の位置および／または方向に配向しうる。

１つの態様では、本発明の磁性粒子は、粘塑性材料内に三次元的分布で、指向および／または配向されうる。ある特定の態様では、磁性粒子は、バルク粘塑性材料内のさまざまな地点で配向し、その配向は表面部分または薄層に限られない。本発明の磁場は、それぞれが別個の磁力線を有する、１つまたはそれ以上の別々の磁場であって差し支えない。１つの態様では、粘塑性材料は、例えば、１つまたはそれ以上の電磁石を用いて、複数の磁場に曝露されて、磁性粒子の指向および配向パターンが複雑な粘塑性材料をもたらすことができる。

自然界の磁場および磁場の生成に用いる装置に応じて、磁力線は平行にならなくてもよいことに留意すべきである。本発明の方法に従って指向および／または配向された磁性粒子は、磁力線にしたがって配向するであろう。磁力線を変化させるさまざまな方法が存在する。加えて、粘塑性材料は磁場内を移動して、特定の力線に晒された材料の一部を変化させることができる。これらの方法、および本明細書に記載される方法の変形の使用は、本発明に含まれることが意図されている。

材料の処理に用いられる磁場は、磁性粒子を磁場に供する工程の間、方向および／または強度をさまざまに変更できることに留意すべきである。磁場のこのような変更および／または変調は、さまざまな態様において、少なくとも一部の磁性粒子の望ましい方向、移動および／または配向を生じさせる。

１つの態様では、磁性粒子は、組成物（すなわち、粘塑性材料および磁性粒子）を所望の形状および／または形体に成形した後に、磁場に曝露される。ある特定の態様では、粘塑性材料および複数の磁性粒子を含む組成物は、例えば押出成形工程によって、未焼成体のハニカム構造へと成形された後、磁場に曝露され、粘塑性材料内に配列した磁性粒子の少なくとも一部が、未焼成体のハニカム構造におけるセル壁内で配向していて差し支えない。あるいは、磁場に曝露することによる、粘塑性材料内に配列した磁性粒子の少なくとも一部の指向および／または配向は、成形工程の前に行なうことができる。

磁場および磁場を生じさせる装置は知られており、市販されており、当業者は、粘塑性材料と磁性粒子の特定の組合せまたは特定の用途に適した磁場を容易に選択することができよう。

磁性粒子の固定
磁性粒子が少なくともある程度、指向および／または配向されると、それらの指向および位置は、随意的に粘塑性材料内に固定されうる。固定化の工程は、粘塑性材料内の磁性粒子の指向および位置を永久的にまたは半永久的に固定するための任意の適切な技術を含みうる。固定化の工程は、行う場合には、粘塑性材料の性質に応じてさまざまであって差し支えない。さまざまな態様では、任意の固定化の工程として、冷却、硬化、架橋、セラミック化、照射、乾燥、ゲル化、加熱、焼結、焼成、重合、またはそれらの組合せが含まれる。固定された粘塑性材料は、固形物と称してもよく、粘稠性の特性を示さない。１つの態様では、粘塑性材料は、例えば、熱的、化学的、および／または光学的手段によって架橋されうる高分子材料を含む。別の態様では、粘塑性材料には、乾燥、加熱、および／または焼成されて耐熱性のセラミック体を形成することができる、ガラス材料、セラミック材料、またはそれらの前駆体材料を含むスラリーが含まれる。ある特定の態様では、ムライトを含む粘塑性材料は、磁場への曝露後に、約７５℃で約２４時間乾燥し、その後、約１，３５０℃の最高温度で焼成されて、耐熱性のセラミックを形成することができる。

本発明の随意的な固定化の工程は、曝露工程（すなわち、磁場への曝露）の間、または、磁場がもはや磁性粒子を指向および／または配向することができないレベルまで、除去、回収および／または低減された後に行なうことができる。１つの態様では、固定化の工程は、磁場への曝露の間に行なわれる。別の態様では、固定化の工程は、磁場が除去された後に行なわれる。

随意的な工程
少なくともある程度配向および／または指向した磁性粒子を含む粘塑性材料は、随意的に、その後の処理工程に供されうる。１つの態様では、ムライトおよび孔隙形成コーティングを有する磁性粒子を含む固定された材料を加熱して、孔隙形成材料を揮発および／または燃焼させることができる。あるいは、耐熱性のセラミックにするための焼成工程の間に、孔隙形成材料を揮発および／または燃焼させることができる。このような処理は、例えば、耐熱性のセラミック体の内部に、少なくともある程度指向および／または配向した磁性粒子の配置に適合するパターンで、複数の平行な孔隙を形成することができる。１つの態様では、この技術を用いて、セラミック物品に、調節された孔隙構造をもたらすことができる。別の態様では、この技術を用いて、袋小路になっている（dead-end）孔隙の割合が低い物品を提供することができる。これらの用途では、磁性粒子の配向は、孔隙形成材料の分布を向上させることができる。例えば微粒子フィルタなどの特定の用途では、袋小路になっている孔隙の割合が低いセラミック物品は、その物品の熱伝導率を改善することから、好都合でありうる。

少なくともある程度指向および／または配向した磁性粒子は、随意的に、任意の適切な技術を用いて最終的な物品から除去することができる。１つの態様では、少なくとも一部の磁性粒子は、例えば酸洗浄技術によって、孔隙から除去することができる。本発明の最終的な物品は、複数の磁性粒子、または複数の磁性粒子の一部を含むか、磁性粒子をまったく含まなくてもよく、本発明が、そこに配列した磁性粒子を有する特定の態様に限定されることは意図されていない。

別の態様では、複数の磁性粒子の少なくとも一部は、例えば、その後の加熱および／または焼成工程の間に融合してもよい。

本発明のいくつかの態様について、添付の図面および詳細な説明において例証してきたが、本発明は、開示される態様に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲に記載され、定義された本発明の精神から逸脱することなく、非常に多くの再配置、変更、変形、および置換されうることが理解されるべきである。

本発明の原理をさらに例証するため、以下の実施例は、本願が特許請求する組成物、物品、装置、および方法がいかにして行われ、評価されるかについて、当業者に徹底した開示および説明を提供するために提示するものである。それらは、単に本発明の典型例であることが意図されているのであって、本発明者らが発明とみなすものの範囲を限定することは意図されていない。数値（例えば、量、温度など）に関しては、正確さを確保するように努めているが、しかしながら、ある程度の誤差および偏差を考慮に入れなければならない。そうでないことが示唆されない限り、温度は℃であるか、または周囲温度であり、圧力は大気圧であるか、それに近い。製品の品質および性能を最適化するために用いることができる、工程条件のバリエーションおよび組合せは数多く存在する。そのような工程条件を最適化するには、合理的な日常的実験のみが必要とされるであろう。

実施例１−ムライト物品の調製
最初の例では、ムライト粉末（例えば、Ｃ−Ｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ社（米国ペンシルベニア州キング・オブ・プロシア所在）から市販されるものなど）を鉄粉と混合することによって、２種類の試験物品を調製した。第１の物品は、ムライト粉末、７μｍの平均粒径を有する鉄粉（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ社（米国マサチューセッツ州ウォード・ヒル（Ward Hill）所在）から入手可能）、および水を混合し、セメント・スラリーを形成することにより調製した。第２の物品は、ムライト粉末、７０μｍの平均粒径を有する鉄粉（ＥＳＰＩ Ｍｅｔａｌｓ社（米国オレゴン州アシュランド所在）から入手可能）、および水を混合し、セメント・スラリーを形成することにより、同様に調製した。各スラリー・サンプルを、６０００ガウスの均一な磁場に３０秒間晒した。曝露後、セメントサンプルを７５℃で２４時間乾燥し、その後、１，３５０℃の最高温度で焼成した。各焼成物品における鉄粒子の体積分率は５％以下であった。図４および５は、磁場に晒した後のムライト物品における鉄粒子の指向および配向を示している（明るいまたは白い領域）。各サンプル内の鉄粒子の位置および配向は、図４および５に示すように、同様であって、鉄粒子の大きさおよび／または形状によって左右されない。

本願全体を通して、さまざまな刊行物が参照されている。これら刊行物の開示の全体は、本明細書に記載される組成物、物品、装置、および方法をさらに十分に説明するために、参照することにより本明細書に援用される。

本明細書に記載される組成物、物品、装置、および方法には、さまざまな変形およびバリエーションを成すことができる。本明細書に記載される組成物、物品、装置、および方法の他の態様は、本明細書の検討および、本明細書に開示される組成物、物品、装置、および方法の実施により明らかになるであろう。本明細書および実施例は典型例であるとみなされることが意図されている。

Claims (5)

1. ａ）降伏応力を有する粘塑性材料であって、セラミック材料、セラミック材料の前駆体、またはそれらの組み合わせを含む粘塑性材料と、
   ｂ）前記粘塑性材料に分散し、少なくとも１つの所定の位置または方向に少なくともある程度配向した、複数の磁性粒子と、
   を含み、
   前記粘塑性材料が、ケイ酸アルミニウムを含み、
   前記複数の磁性粒子の少なくとも一部のブラウン運動および／または重力運動によって、前記粘塑性材料に生じる応力が、前記粘塑性材料の前記降伏応力よりも小さいことを特徴とする物品。
2. 異方性材料の製造方法であって、
   ａ）降伏応力を有し、セラミック材料、セラミック材料の前駆体、またはそれらの組み合わせを含み、かつ分散させられた複数の磁性粒子を含む、粘塑性材料を提供し、次に、
   ｂ）前記粘塑性材料を、前記磁性粒子の少なくとも一部が前記降伏応力に抗して少なくとも１つの所定の位置または方向に少なくともある程度配向するのに十分な時間、磁場に曝露する、
   各工程を有してなり、
   前記粘塑性材料が、ケイ酸アルミニウムを含み、
   前記磁場の除去後において前記複数の磁性粒子の少なくとも一部のブラウン運動および／または重力運動によって前記粘塑性材料に生じる応力が、前記粘塑性材料の前記降伏応力よりも小さいことを特徴とする、方法。
3. 前記工程ａ）の提供工程が、前記粘塑性材料を所望の形状に成形する工程を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記粘塑性材料内に、前記複数の磁性粒子の少なくとも一部を、少なくともある程度配向した状態で固定する工程をさらに有してなることを特徴とする請求項２または３記載の方法。
5. 前記固定する工程が、前記粘塑性材料に、冷却、硬化、セラミック化、架橋、ゲル化、焼結、重合、照射、加熱、または焼成のうち少なくとも１つを行なう工程を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。

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