JP6852858B2 - 金属フォームの製造方法 - Google Patents

Description

本出願は、２０１６年４月１日付で出願された韓国特許出願第１０−２０１６−００４０３６２号および２０１７年３月３０日付で出願された韓国特許出願第１０−２０１７−００４０９７２号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。

本出願は、金属フォームの製造方法に関する。

金属フォーム（ｍｅｔａｌ ｆｏａｍ）は、軽量性、エネルギー吸収性、断熱性、耐火性または親環境などの多様で且つ有用な特性を具備することによって、軽量構造物、輸送機械、建築資材またはエネルギー吸収装置などを含む多様な分野に適用され得る。また、金属フォームは、高い比表面積を有するとともに、液体、気体などの流体または電子の流れをさらに向上させることができるので、熱交換装置用基板、触媒、センサー、アクチュエータ、２次電池、燃料電池、ガス拡散層（ＧＤＬ：ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ）または微少流量コントローラ（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）等に適用され、便利に使用され得る。

本出願は、均一な気孔を含み、目的とする気孔度を有しながらも、機械的強度に優れた金属フォームを製造できる方法を提供することを目的とする。

本明細書で用語「金属フォームまたは金属骨格」は、金属を主成分として含む多孔性構造体を意味する。前記で金属を主成分として含むというのは、金属フォームまたは金属骨格の全体重量を基準として金属の比率が５５重量％以上、６０重量％以上、６５重量％以上、７０重量％以上、７５重量％以上、８０重量％以上、８５重量％以上、９０重量％以上または９５重量％以上である場合を意味する。前記主成分として含まれる金属の比率の上限は、特に制限されず、例えば、１００重量％、９９重量％または９８重量％程度であり得る。

本明細書で用語「多孔性」は、気孔度（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）が少なくとも３０％以上、４０％以上、５０％以上、６０％以上、７０％以上、７５％以上または８０％以上である場合を意味する。前記気孔度の上限は、特に制限されず、例えば、約１００％未満、約９９％以下または約９８％以下程度であり得る。前記気孔度は、金属フォームなどの密度を計算して公知の方式で算出し得る。

本出願の金属フォームの製造方法は、金属成分を含む構造体を焼結する段階を備えることができる。本出願で用語「構造体」は、前記焼結などのように金属フォームを形成するために行われる工程を経る前の構造体、すなわち金属フォームが生成される前の構造体を意味する。また、前記構造体は、多孔性構造体と呼称されても、必ずそれ自体で多孔性である必要はなく、最終的に多孔性の金属構造体である金属フォームを形成できるものであれば、便宜上、多孔性構造体と呼称され得る。

本出願で前記構造体は、金属成分と有機バインダーを含むことができ、前記金属成分と有機バインダーを含む混合物を成形し、前記構造体を形成できる。

一例示では、前記金属成分は、所定の相対透磁率と伝導度を有する金属を少なくとも含むことができる。このような金属の適用は、本出願の一例示によって、前記焼結として、後述する誘導加熱方式が適用される場合、当該方式による焼結が円滑に行われるようにすることができる。

例えば、前記金属としては、相対透磁率が９０以上である金属が使用され得る。相対透磁率μｒは、当該物質の透磁率μと真空中の透磁率μ_０の比率μ／μ_０である。前記金属は、相対透磁率が９５以上、１００以上、１１０以上、１２０以上、１３０以上、１４０以上、１５０以上、１６０以上、１７０以上、１８０以上、１９０以上、２００以上、２１０以上、２２０以上、２３０以上、２４０以上、２５０以上、２６０以上、２７０以上、２８０以上、２９０以上、３００以上、３１０以上、３２０以上、３３０以上、３４０以上、３５０以上、３６０以上、３７０以上、３８０以上、３９０以上、４００以上、４１０以上、４２０以上、４３０以上、４４０以上、４５０以上、４６０以上、４７０以上、４８０以上、４９０以上、５００以上、５１０以上、５２０以上、５３０以上、５４０以上、５５０以上、５６０以上、５７０以上、５８０以上または５９０以上であり得る。相対透磁率が高いほど、後述する誘導加熱のための電磁場の印加時に、さらに高い熱を発生するので、その上限は、特に制限されない。一例示では、前記相対透磁率の上限は、例えば、約３００，０００以下であり得る。

前記金属は、伝導性金属であり得る。用語「伝導性金属」は、２０℃での伝導度が約８ＭＳ／ｍ以上、９ＭＳ／ｍ以上、１０ＭＳ／ｍ以上、１１ＭＳ／ｍ以上、１２ＭＳ／ｍ以上、１３ＭＳ／ｍ以上または１４．５ＭＳ／ｍ以上である金属またはそのような合金を意味する。前記伝導度の上限は、特に制限されず、例えば、前記伝導度は、約３０ＭＳ／ｍ以下、２５ＭＳ／ｍ以下または２０ＭＳ／ｍ以下であり得る。

本出願で前記のような相対透磁率と伝導度を有する金属は、単に伝導性磁性金属とも呼称され得る。

前記伝導性磁性金属を適用することによって、後述する誘導加熱工程が進行される場合に、焼結をさらに効果的に進行できる。このような金属としては、ニッケル、鉄またはコバルトなどが例示されるが、これに制限されるものではない。

金属成分は、必要な場合に、前記伝導性磁性金属とともに、前記金属とは異なる第２金属を含むことができる。このような場合には、金属フォームが金属合金で形成され得る。前記第２金属としては、前記言及した伝導性磁性金属と同じ範囲の相対透磁率および／または伝導度を有する金属を使用してもよく、このような範囲以外の相対透磁率および／または伝導度を有する金属を使用してもよい。また、第２金属は、１種が含まれることもでき、２種以上が含まれることもできる。このような第２金属の種類は、適用される伝導性磁性金属と異なる種類である限り、特に制限されず、例えば、銅、リン、モリブデン、亜鉛、マンガン、クロム、インジウム、スズ、銀、白金、金、アルミニウムまたはマグネシウムなどのうち伝導性磁性金属と異なる金属１種以上が適用され得るが、これに制限されるものではない。

金属成分または構造体内で前記伝導性磁性金属の比率は、特に制限されない。例えば、前記比率は、後述する誘導加熱工法の適用時に適切なジュール熱を発生させることができるように比率が調節され得る。例えば、前記金属成分または構造体は、前記伝導性磁性金属を全体金属成分の重量を基準として３０重量％以上含むことができる。他の例示で、前記金属成分または構造体内の前記伝導性磁性金属の比率は、約３５重量％以上、約４０重量％以上、約４５重量％以上、約５０重量％以上、約５５重量％以上、６０重量％以上、６５重量％以上、７０重量％以上、７５重量％以上、８０重量％以上、８５重量％以上または９０重量％以上であり得る。前記伝導性磁性金属比率の上限は、特に制限されず、例えば、前記金属成分または構造体内で前記伝導性磁性金属の比率は、約１００重量％未満または９５重量％以下であり得る。しかし、前記比率は、例示的な比率である。例えば、電磁場の印加による誘導加熱によって発生する熱は、加える電磁場の強さ、金属の電気伝導度と抵抗などによって調節が可能なので、前記比率は、具体的な条件によって変更され得る。

構造体を形成する金属成分は、粉末（ｐｏｗｄｅｒ）形状であり得る。例えば、前記金属成分内の金属は、平均粒径が約０．１μｍ〜約２００μｍの範囲内にあり得る。前記平均粒径は、他の例示で、約０．５μｍ以上、約１μｍ以上、約２μｍ以上、約３μｍ以上、約４μｍ以上、約５μｍ以上、約６μｍ以上、約７μｍ以上または約８μｍ以上であり得る。前記平均粒径は、他の例示で、約１５０μｍ以下、１００μｍ以下、９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下または２０μｍ以下であり得る。金属成分内の金属としては、互いに平均粒径が異なるものを適用することもできる。前記平均粒径は、目的する金属フォームの形状、例えば、金属フォームの厚さや気孔度などを考慮して適切な範囲を選択できる。

構造体は、前記金属成分とともに、有機バインダーを含むことができる。例えば、前記金属成分と有機バインダーを含むスラリーなどを成形し、前記構造体を製造できる。

本出願で適用され得る有機バインダーの種類は、特に制限されない。有機バインダーとしては、例えば、メチルセルロースまたはエチルセルロースなどの炭素数１〜８のアルキル基を有するアルキルセルロース、ポリプロピレンカーボネートまたはポリエチレンカーボネートなどの炭素数１〜８のアルキレン単位を有するポリアルキレンカーボネートまたはポリビニルアルコールまたはポリビニルアセテートなどのポリビニルアルコール系バインダー；ポリエチレンオキシドまたはポリプロピレンオキシドなどの炭素数１〜８のアルキレン基を含むポリアルキレンオキシドなどが例示されるが、これに制限されるものではない。

構造体内で有機バインダーは、例えば、前記金属成分１００重量部に対して約１０重量部〜４００重量部の比率で含まれることができる。前記比率を１０重量部以上にして最終的に適切な気孔度を確保でき、４００重量部以下にして金属成分間の焼成を効率的に進行させて、フォーム形状を安定的に維持できる。前記バインダーの比率は、他の例示で、約２０重量部以上、約３０重量部以上、約４０重量部以上、約５０重量部以上、約６０重量部以上、約７０重量部以上、約８０重量部以上または約９０重量部以上や、約３５０重量部以下、約３００重量部以下、約２５０重量部以下、約２００重量部以下または約１５０重量部以下であり得る。

構造体は、前記言及した成分の他に、さらに、必要な公知の添加剤を含むこともできる。このような添加剤の例としては、溶媒やバインダーなどが例示され得るが、これに制限されるものではない。

前記構造体を形成する方式は、特に制限されない。金属フォームの製造分野では、構造体を形成するための多様な方式が公知されており、本出願では、このような方式がすべて適用され得る。例えば、前記構造体は、適正なテンプレート（ｔｅｍｐｌａｔｅ）に前記金属成分と有機バインダーを含むスラリーを維持したり、あるいは前記混合物を適正な方式でコーティングしたりして形成できる。

このような構造体の形状は、目的する金属フォームによって定められるもので、特に制限されない。一例示で、前記構造体は、フィルムまたはシート形状であり得る。例えば、前記構造体がフィルムまたはシート形状であるとき、その厚さは、５，０００μｍ以下、３，５００μｍ以下、２，０００μｍ以下、１０００μｍ以下、８００μｍ以下、７００μｍ以下、５００μｍ以下であり得る。金属フォームは、多孔性である構造的特徴上、一般的に脆性を有し、したがって、フィルムまたはシート形状、特に薄い厚さのフィルムまたはシート形状への製作が難しくて、製作するとしても、破れやすいという問題がある。しかし、本出願の方式によっては、薄いながらも、内部に均一に気孔が形成され、機械的特性に優れた金属フォームの形成が可能である。

前記で構造体の厚さの下限は、特に制限されない。例えば、前記フィルムまたはシート形状の構造体の厚さは、約１０μｍ以上、５０μｍ以上または約１００μｍ以上であり得る。

前記のような方式で形成された構造体を焼結し、金属フォームを製造できる。このような場合、前記金属フォームを製造するための焼結を行う方式は、特に制限されず、公知の焼結法を適用できる。すなわち、適切な方式で前記構造体に適正な量の熱を印加する方式で前記焼結を進行できる。

前記従来の公知方式とは異なる方式として、本出願では、前記焼結を誘導加熱方式で行うことができる。すなわち、前述したように、金属成分が所定の透磁率と伝導度の伝導性磁性金属を含むので、誘導加熱方式が適用され得る。このような方式により均一に形成された気孔を含み、機械的特性に優れ、且つ、気孔度が目的する水準に調節された金属フォームの製造がさらにスムーズに行われることができる。

前記で誘導加熱は、電磁場が印加されると、特定の金属で熱が発生する現象である。例えば、適切な伝導性と透磁率を有する金属に電磁場を印加すると、金属に渦電流（ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔｓ）が発生し、金属の抵抗によってジュール熱（Ｊｏｕｌｅ ｈｅａｔｉｎｇ）が発生する。本出願では、このような現象を用いた焼結工程を行うことができる。本出願では、このような方式を適用し、金属フォームの焼結を短時間内に行うことができるので、工程性を確保し、同時に気孔度が高い薄膜形状でありながらも、機械的強度に優れた金属フォームを製造できる。

前記焼結工程は、前記構造体に電磁場を印加する段階を備えることができる。前記電磁場の印加によって、前記金属成分の伝導性磁性金属において誘導加熱現象によりジュール熱が発生し、これによって、構造体は、焼結され得る。この際、電磁場を印加する条件は、構造体内の伝導性磁性金属の種類および比率などによって決定されるものであって、特に制限されない。

例えば、前記誘導加熱は、コイルなどの形状に形成された誘導加熱器を使用して進行できる。

誘導加熱は、例えば、１００Ａ〜１，０００Ａ程度の電流を印加して行うことができる。前記加えられる電流のサイズは、他の例示で、９００Ａ以下、８００Ａ以下、７００Ａ以下、６００Ａ以下、５００Ａ以下または４００Ａ以下であり得る。前記電流のサイズは、他の例示で、約１５０Ａ以上、約２００Ａ以上または約２５０Ａ以上であり得る。

誘導加熱は、例えば、約１００ｋＨｚ〜１，０００ｋＨｚの周波数で行うことができる。前記周波数は、他の例示で、９００ｋＨｚ以下、８００ｋＨｚ以下、７００ｋＨｚ以下、６００ｋＨｚ以下、５００ｋＨｚ以下または４５０ｋＨｚ以下であり得る。前記周波数は、他の例示で、約１５０ｋＨｚ以上、約２００ｋＨｚ以上または約２５０ｋＨｚ以上であり得る。

前記誘導加熱のための電磁場の印加は、例えば、約１分〜１０時間の範囲内で行うことができる。前記印加時間は、他の例示で、約９時間以下、約８時間以下、約７時間以下、約６時間以下、約５時間以下、約４時間以下、約３時間以下、約２時間以下、約１時間以下または約３０分以下であり得る。

前記言及した誘導加熱条件、例えば、印加電流、周波数および印加時間などは、前述したように、伝導性磁性金属の種類および比率などを考慮して変更され得る。

前記構造体の焼結は、前記言及した誘導加熱によってのみ行うか、必要な場合に、前記誘導加熱、すなわち電磁場の印加とともに適切な熱を印加しつつ行うこともできる。

前記のような焼結過程で発生した熱により構造体内の有機バインダーが除去され、金属成分が焼結され、金属フォームが形成され得る。

また、本出願は、金属フォームに関する。前記金属フォームは、前述した方法により製造されたものであり得る。このような金属フォームは、例えば、前述した伝導性磁性金属を少なくとも含むことができる。金属フォームは、前記伝導性磁性金属を、重量を基準として３０重量％以上、３５重量％以上、４０重量％以上、４５重量％以上または５０重量％以上含むことができる。他の例示で、前記金属フォーム内の伝導性磁性金属の比率は、約５５重量％以上、６０重量％以上、６５重量％以上、７０重量％以上、７５重量％以上、８０重量％以上、８５重量％以上または９０重量％以上であり得る。前記伝導性磁性金属の比率の上限は、特に制限されず、例えば、約１００重量％未満または９５重量％以下であり得る。

前記金属フォームは、気孔度（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）が約４０％〜９９％の範囲内であり得る。言及したように、本出願の方法によれば、均一に形成された気孔を含み、気孔度と機械的強度を調節できる。前記気孔度は、５０％以上、６０％以上、７０％以上、７５％以上または８０％以上や、９５％以下または９０％以下であり得る。

前記金属フォームは、薄膜のフィルムまたはシート形状に存在できる。一例示では、金属フォームは、フィルムまたはシート形状であり得る。このようなフィルムまたはシート形状の金属フォームは、厚さが２，０００μｍ以下、１，５００μｍ以下、１，０００μｍ以下、９００μｍ以下、８００μｍ以下、７００μｍ以下、６００μｍ以下、５００μｍ以下、４００μｍ以下、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１５０μｍ以下、約１００μｍ以下、約９０μｍ以下、約８０μｍ以下、約７０μｍ以下、約６０μｍ以下または約５５μｍ以下であり得る。前記フィルムまたはシート形状の金属フォームの厚さは、約１０μｍ以上、約２０μｍ以上、約３０μｍ以上、約４０μｍ以上、約５０μｍ以上、約１００μｍ以上、約１５０μｍ以上、約２００μｍ以上、約２５０μｍ以上、約３００μｍ以上、約３５０μｍ以上、約４００μｍ以上、約４５０μｍ以上または約５００μｍ以上であり得るが、これに制限されるものではない。

前記金属フォームは、多孔性の金属構造体が必要な多様な用途で活用され得る。特に、本出願の方式によれば、前述したように、目的する水準の気孔度を有しながらも、機械的強度に優れた薄いフィルムまたはシート形状の金属フォームの製造が可能で、従来に比べて金属フォームの用途を拡大できる。

本出願では、均一に形成された気孔を含み、目的する気孔度を有し、機械的特性に優れた金属フォームを形成できる金属フォームの製造方法と、前記のような特性を有する金属フォームを提供できる。また、本出願では、薄い厚さのフィルムまたはシート形状でありながらも、前記言及した物性が確保される金属フォームを形成できる方法およびそのような金属フォームを提供できる。

実施例１で形成された金属フォームに対するＳＥＭ写真である。 実施例２で形成された金属フォームに対するＳＥＭ写真である。

以下、実施例および比較例を通じて本出願を具体的に説明するが、本出願の範囲が下記の実施例に制限されるものではない。

実施例１
ニッケル粉末（伝導度が約１４．５ＭＳ／ｍであり、相対透磁率が約６００程度であり、平均粒径が約１０〜２０μｍ程度）とエチルセルロースを約１：１の重量比でメチレンクロリドに入れ、自転・公転ミキサーを使用して混合することによって、スラリーを製造した。前記製造された混合物を、約２００μｍ程度の厚さでクォーツ（ｑｕａｒｔｚ）プレート上にコーティングして構造体を製造し、コイル形状の誘導加熱器で電磁場を前記構造体に印加して焼結することによって、金属フォームを製造した。この際、電磁場は、約３５０Ａの電流を約３８０ｋＨｚの周波数で印加して形成し、印加時間は、約３分程度であった。前記製造された金属フォームの気孔度は、約６５％であり、そのＳＥＭ写真は、図１に示した。

実施例２
エチルセルロースの代わりに、ポリエチレンカーボネートを使用したことを除いて、実施例１と同一に金属フォームを製造した。製造された金属フォームの気孔度は、約４５％であり、そのＳＥＭ写真は、図２に示した。

実施例３
エチルセルロースの代わりに、ポリビニルアルコールを適用し、メチレンクロリドの代わりに、水を適用したことを除いて、実施例１と同一に金属フォームを製造した。製造された金属フォームの気孔度は、約５２％であった。

実施例４
ポリエチレンオキシドをエチルセルロースの代わりに使用したことを除いて、実施例１と同一に金属フォームを製造した。製造された金属フォームの気孔度は、約５７％であった。

Claims (12)

1. 当該物質の透磁率μと真空中の透磁率μ _０ の比率μ／μ _０ である相対透磁率が９０以上である電気伝導性金属を含む金属成分および有機バインダーを含む構造体を焼結する段階を備え、
   前記有機バインダーは、アルキルセルロース、ポリアルキレンカーボネート、ポリビニルアルコール、ポリアルキレンオキシドまたはポリビニルアセテートであり、
   前記構造体は、前記金属成分１００重量部に対して８０〜４００重量部の前記有機バインダーを含み、
   前記構造体の焼結は、前記構造体に電磁場を印加して前記電気伝導性金属から熱を発生させる誘導加熱によって行い、
   前記電磁場は、１００ｋＨｚ〜１，０００ｋＨｚ範囲内の周波数で電流を印加して形成する、
   金属フォームの製造方法。
2. 前記電気伝導性金属は、２０℃での伝導度が８ＭＳ／ｍ以上である、請求項１に記載の金属フォームの製造方法。
3. 前記電気伝導性金属は、ニッケル、鉄またはコバルトである、請求項１に記載の金属フォームの製造方法。
4. 前記構造体は、前記電気伝導性金属を、重量を基準として３０重量％以上含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の金属フォームの製造方法。
5. 前記電気伝導性金属は、平均粒径が５μｍ〜１００μｍの範囲内にある、請求項１から４のいずれか一項に記載の金属フォームの製造方法。
6. 前記構造体は、前記金属成分１００重量部に対して９０〜３５０重量部の前記有機バインダーを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の金属フォームの製造方法。
7. 前記構造体は、前記金属成分と前記有機バインダーを含むスラリーを使用して製造する、請求項１から６のいずれか一項に記載の金属フォームの製造方法。
8. 前記構造体は、フィルムまたはシート形状である、請求項１から７のいずれか一項に記載の金属フォームの製造方法。
9. 前記フィルムまたは前記シートの厚さが５，０００μｍ以下である、請求項８に記載の金属フォームの製造方法。
10. 前記電磁場は、１００Ａ〜１，０００Ａ範囲内の電流を印加して形成する、請求項１から９のいずれか一項に記載の金属フォームの製造方法。
11. 前記電磁場は、１５０ｋＨｚ〜９００ｋＨｚ範囲内の周波数で電流を印加して形成する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の金属フォームの製造方法。
12. 前記電磁場は、１分〜１０時間の範囲内の時間で印加する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の金属フォームの製造方法。

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