JP7164736B2 - セラミックス構造体 - Google Patents

Description

本出願は、２０２０年１月６日に出願された日本国特許出願第２０２０－０００５５４号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容は、この明細書中に参照により援用されている。本明細書は、セラミックス構造体に関する技術を開示する。特に、トラス構造を有するセラミックス構造体に関する技術を開示する。

国際公開ＷＯ２０１８／０４７７８４号（以下、特許文献１と称する）に、トラス構造（ハニカム構造）を有するセラミックス構造体が開示されている。トラス構造を有するセラミックス構造体は、軽量でありながら高強度であるという特徴を備えている。

図８に、特許文献１のセラミックス構造体の概略図を示している。図８に示すように、セラミックス構造体４００では、表層４０２と裏層４０４の間に、一方向(Ｙ方向)に伸びる隔壁４２２が設けられている。表層４０２と裏層４０４と隔壁４２２によって、トラス構造が構成されている。また、表層４０２と裏層４０４と隔壁４２２によって、Ｙ方向伸びる複数の貫通孔４２４が形成されている。なお、特許文献１のセラミックス構造体は、一体成型品であり、押出成型によって製造されている。セラミックス構造体４００は、貫通孔４２４を設けることによって軽量化を実現している。また、セラミックス構造体４００は、トラス構造を有しているので、高強度化も実現している。具体的には、セラミックス構造体４００は、隔壁４２２（貫通孔４２４）が伸びる方向（Ｙ軸方向）、及び、表層４０２（裏層４０４）に直交する厚み方向（Ｚ軸方向）に対して高強度である。しかしながら、セラミックス構造体４００は、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向及びＺ軸方向に直交する方向）、特に、Ｘ軸方向の剪断力に対して比較的弱い。セラミックス構造体４００は、特定の方向における強度が比較的弱くなるので、汎用性が低い（用途が限定的である）。本明細書は、汎用性の高いセラミックス構造体を実現する技術を提供することを目的とする。

本明細書で開示するセラミックス構造体は、厚み方向に直交する第１方向に伸びる複数の貫通孔が設けられているセラミックス製の第１トラス構造体と、厚み方向に直交するとともに第１方向とは異なる第２方向に伸びる複数の貫通孔が設けられているセラミックス製の第２トラス構造体を備えていてよい。また、第１トラス構造体と第２トラス構造体が、厚み方向に積層されていてよい。

また、本明細書で開示するセラミックス構造体は、厚み方向に直交する一方向に伸びる複数の貫通孔が設けられているセラミックス製のトラス構造体が、厚み方向に複数積層されている一体成型品のセラミックス構造体であってよい。このセラミックス構造体では、各トラス構造体が、上記貫通孔が厚み方向に直交する二方向以上に伸びるように積層されていてよい。

第１実施例のセラミックス構造体の斜視図を示す。 トラス構造体の部分拡大図を示す。 トラス構造体を構成する骨格に含まれる特定元素の濃度分布を示す。 第１貫通孔と第２貫通孔の位置関係を説明する図を示す。 第２実施例のセラミックス構造体の斜視図を示す。 第１－第３貫通孔の位置関係を説明する図を示す。 第３実施例のセラミックス構造体の斜視図を示す。 第３実施例のセラミックス構造体について、図７Ａと異なる角度から観察した斜視図を示す。 従来のトラス構造体の特徴を説明する図を示す。

本明細書で開示するセラミックス構造体は、厚み方向に直交する一方向に伸びる複数の貫通孔が設けられているセラミックス製のトラス構造体が、厚み方向に複数積層されていてよい。セラミックス構造体は、各トラス構造体が一体となった一体成型品であってよい。一体成型品とは、焼成前の成形体の時点で各トラス構造体が一体的に構成されており、一体的に構成された成形体を焼成することにより、焼成後の各トラス構成体が一体的に構成されていることを意味する。また、各トラス構造体が、貫通孔が厚み方向に直交する二方向以上に伸びるように積層されていてよい。すなわち、このセラミックス構造体は、少なくとも、厚み方向に直交する第１方向に伸びる複数の貫通孔が設けられているセラミックス製の第１トラス構造体と、厚み方向に直交するとともに第１方向とは異なる第２方向に伸びる複数の貫通孔が設けられているセラミックス製の第２トラス構造体を備えていてよい。また、第３方向に伸びる貫通孔が設けられているセラミックス製の第３トラス構造体（第３方向≠第１，第２方向）、第４方向に伸びる貫通孔が設けられているセラミックス製の第４トラス構造体（第４方向≠第１，第２，第３方向）等を備えていてもよい。

各トラス構造体は、表層と、裏層と、表層と裏層を接続しているとともに厚み方向に直交する一方向に伸びる隔壁を備えていてよい。表層と裏層と隔壁によって、複数の貫通孔が形成されていてよい。特定のトラス構造体の表層は、厚み方向においてそのトラス構造体の表層上に積層されているトラス構造体の裏層を兼ねていてよい。すなわち、第１トラス構造体の表層上に第２トラス構造体が積層されている場合、第１トラス構造体の表層が第２トラス構造体の裏層であってよい。なお、セラミックス構造体の表面及び裏面は、平坦面であってよい。

上記したセラミックス構造体は、貫通孔の壁面を画定する隔壁が、厚み方向に直交する二方向以上に伸びている。そのため、特定のトラス構造体において強度が比較的弱い方向から加わる力に対して、他のトラス構造体が強度を補うことができる。具体的には、特定のトラス構造体に着目すると、その特定のトラス構造体は、厚み方向に直交するとともに貫通孔（隔壁）が伸びる方向に直交する特定方向（以下、横方向という）から加わる力に対して比較的弱い。しかしながら、上記したセラミックス構造体は、特定のトラス構造体上に積層されている他のトラス構造体が横方向から加わる力に抗するので、セラミックス構造体の面方向の強度バランスを改善することができる。その結果、上記したセラミックス構造体は、「特定方向からの力に比較的弱い」という従来のセラミックス構造体の課題が解決され、種々の目的で用いることができる。すなわち、上記セラミックス構造体は汎用性が高い。

なお、厚み方向において、同じ方向に伸びる貫通孔を有するトラス構造体が連続して積層されていてもよい。例えば、厚み方向において、第１方向に伸びる貫通孔を有する第１トラス構造体が、連続して積層されていてもよい。すなわち、厚み方向に直交する方向のうちの少なくとも二方向に貫通孔が伸びるように各トラス構造体が積層されていれば、各トラス構造体の積層順は任意に変更することができる。但し、特定のトラス構造体における横方向の強度を補うという観点より、厚み方向において、特定のトラス構造体の両側に、貫通孔が伸びる方向が異なる他のトラス構造体が積層されていることが好ましい。すなわち、第１方向に伸びる貫通孔を有する第１トラス構造体の両側に、第１方向とは異なる第２方向に伸びる貫通孔を有する第２トラス構造体が積層されていることが好ましい。

上記したように、セラミックス構造体は、少なくとも二方向（第１方向と第２方向）に伸びる貫通孔を有している。第１方向と第２方向が非平行であれば、セラミックス構造体の面方向における強度バランスを改善することができる。例えば、第１方向と第２方向が成す角度（鋭角）が１０度以上９０度以下であれば、第１トラス構造体と第２トラス構造体が互いに強度を補い、面方向における強度バランスが良好に改善される。特に、第１方向と第２方向が成す角度（鋭角）が８０度以上９０度以下、すなわち、第１方向と第２方向がほぼ直交する関係であれば、面方向における強度バランスをさらに良好に改善することができる。

なお、セラミックス構造体が異なる三方向以上に伸びる貫通孔を有している場合、任意の二方向において上記関係を満足していればよい。例えば、セラミックス構造体が、第１方向に伸びる第１貫通孔を有する第１トラス構造体、第２方向（≠第１方向）に伸びる第２貫通孔を有する第２トラス構造体、第３方向（≠第１方向，第２方向）に伸びる第３貫通孔を有する第３トラス構造体を有するセラミックス構造体において、第１方向と第３方向が成す角度θ１、第２方向と第３方向が成す角度θ２、第１方向と第２方向が成す角度θ３としたときに、下記式（１）及び（２）を満たしていてよい。下記式（１）及び（２）を満足することにより、少なくとも第１貫通孔と第２貫通孔（第１方向と第２方向）が成す角度θ３を６０度以上にすることができ、互いに横方向の強度を補うことができる。
５０度≦θ１、θ２≦７０度・・・（１）
θ１＋θ２＋θ３＝１８０度・・・（２）

セラミックス構造体を構成する各トラス構造体は、同一の材料で形成されていてよい。例えば、各トラス構造体の材料は、ＳｉＣ質、ムライト質、ＺｒＯ２質、Ｓｉ－ＳｉＣ質であってよい。なお、「Ｓｉ－ＳｉＣ質」とは、ＳｉＣ粒子を主体とし、ＳｉＣ粒子間に金属Ｓｉが含まれる材料のことを意味する。各トラス構造体をＳｉ－ＳｉＣ質で形成することにより、各トラス構造体を構成する骨格の表層部分の開気孔率を低くすることができ各トラス構造体自体の強度が向上する。各トラス構造体の骨格の開気孔率は、例えば５％未満であってよく、３％以下であってよく、特に好ましくは１％以下であってよい。トラス構造を構成する骨格は、実質的に気孔を有していないものであってもよい。骨格の気孔率を５％未満とすることにより、骨格の強度及び熱伝導率をさらに向上させることができる。各トラス構造体の骨格の開気孔率は、ＪＩＳ Ｒ １６５５（ファインセラミックスの水銀圧入法による成形体気孔径分布試験方法）に準拠して測定することができる。

上記したように、本明細書で開示するセラミックス構造体は、各トラス構造体が一体となった一体成型品であるにも関わらず、各トラス構造体に形成されている貫通孔が厚み方向に直交する二方向以上に伸びている。このようなセラミックス構造体は、例えば、可燃性の材料で目的とする形状を形成した後、この材料にセラミックス材料（セラミックススラリー）を含浸させた中間体を形成し、中間体を焼成することによって製造することができる。可燃性の材料としては、例えば、紙、布、樹脂が挙げられる。用いる可燃性の材料によっては、各トラス構造体を構成している骨格の表層部分と比較して、骨格の内部には多孔質材料の材料成分が残り易い。そのため、各トラス構造体を構成している骨格の表層部分と比較して、骨格の内部に、炭素とカルシウムの少なくとも一方の元素（可燃性の多孔質材料に典型的に含まれている元素）が多く含まれていてよい。例えば、セラミックス構造体（各トラス構造体）がＳｉ－ＳｉＣ質で形成されている場合、骨格の表層部分は主成分（全体の５０ｗｔ％超）がＳｉＣで残部が金属Ｓｉであり、骨格の内部は主成分が金属Ｓｉで残部が炭素、及び／又は、カルシウムであってよい。

上記したように、本明細書で開示するセラミックス構造体は、複数の貫通孔を備えるトラス構造体が厚み方向に積層されている。そのため、セラミックス構造体を軽量にすることができるとともに、厚み方向の断熱性を高く（表裏面間の熱伝導率を低く）することができる。また、貫通孔が複数方向に伸びるように各トラス構造体が積層されているので、面方向における強度バランスを向上させることができる。このような特徴を活かし、セラミックス構造体を、断熱部材（あるいは、断熱部材の構成部材）として好適に利用することができる。また、一体成型品でありながら貫通孔が複数方向に伸びているという特徴を活かし、セラミック構造体を、熱交換器の熱交換部材としても好適に利用することができる。なお、熱交換部材として用いる場合、第１トラス構造体の貫通孔を第１熱媒体を流通させるための流路とし、第２トラス構造体の貫通孔を第２熱媒体を流通させるための流路として利用することによって、第１熱媒体と第２熱媒体の熱交換を行うことができる。なお、セラミック構造体を熱交換部材として用いる場合、セラミックス構造体の材料として、熱伝導率が高いＳｉＣ質、Ｓｉ－ＳｉＣ質が好ましい。

（第１実施例）
図１から図４を参照し、セラミックス構造体１００について説明する。なお、図１では、略立方体のセラミックス構造体１００を示しているが、セラミックス構造体１００は、表面２及び裏面４のサイズ（Ｘ軸方向長さ及びＹ軸方向長さ）が厚み（Ｚ軸方向長さ）より格段に大きい平板状の場合もある。

図１に示すように、セラミックス構造体１００は、第１トラス構造体１０と第２トラス構造体２０を備えている。第１トラス構造体１０と第２トラス構造体２０は、厚み方向（Ｚ軸方向）に交互に積層されている。すなわち、厚み方向の端部に位置するトラス構造体を除き、第１トラス構造体１０の両側に第２トラス構造体２０が積層され、第２トラス構造体２０の両側に第１トラス構造体１０が積層されている。第１トラス構造体１０と第２トラス構造体２０は、貫通孔の伸びる方向を除き、実質的に同じ構造である。第１トラス構造体１０は、Ｙ軸方向（第１方向の一例）に伸びる複数の第１貫通孔１４を有している。第１貫通孔１４は、第１トラス構造体１０の表層と、裏層と、表層と裏層の間に設けられている隔壁１２によって画定されている。第２トラス構造体２０は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に直交するＸ軸方向（第２方向の一例）に伸びる複数の第２貫通孔２４を有している。第３貫通孔２４は、第２トラス構造体２０の表層と、裏層と、表層と裏層の間に設けられている隔壁２２によって画定されている。

図２に示すように、各トラス構造体１０，２０において、表層１６と裏層１８に隔壁１２，２２が接続され、複数の貫通孔１４（２４）が形成されている。上記したように第１トラス構造体１０と第２トラス構造体２０は実質的に同じ構造である。そのため、以下では第１トラス構造体１０について説明する。隔壁１２は、表層１６及び裏層１８に対して傾斜した状態で接続し、トラス構造（第１トラス構造体１０）を実現している。表層１６、裏層１８及び隔壁１２は、一体成型されており、表層１６と隔壁１２、裏層１８と隔壁１２の間に明確な境界はない。また、第１トラス構造体１０の表層１６と第２トラス構造体２０の裏層１８、及び、第１トラス構造体１０の裏層１８と第２トラス構造体２０の表層１６の間にも明確な境界はない。すなわち、図１に示すセラミックス構造体１００は、第１トラス構造体１０及び第２トラス構造体２０が一体となった一体成型品である。なお、図２に示すトラス構造体１０，２０がセラミックス構造体１００の最表層（Ｚ軸方向＋側端部）に位置する場合、表層１６がセラミックス構造体１００の表面２である。同様に、トラス構造体１０，２０がセラミックス構造体１００の最裏層（Ｚ軸方向－側端部）に位置する場合、裏層１８がセラミックス構造体１００の裏面４である。

セラミックス構造体１００は、紙などの可燃性の下地材にＳｉＣスラリーを含浸させた中間体を形成し、その後金属Ｓｉを接触させた状態で焼成することによって製造されている。そのため、セラミックス構造体１００を構成する骨格（表層１６，裏層１８，隔壁１２）の表面部分は、主成分がＳｉＣで残部が金属Ｓｉである。また、骨格の内部は、主成分が金属Ｓｉで残部が下地材に含まれる元素（炭素、及び／又は、カルシウム）である。なお、骨格の表面の開気孔率は１％以下である。

図３は、セラミックス構造体１００を構成している骨格に含まれる下地材の成分の濃度分布を示している。グラフの横軸は、骨格の厚み（例えば図２に示す表層１６の厚み３１、隔壁１２の厚み３２）を、一端から他端までの距離（％）で示している。縦軸は、下地材に由来する元素（Ｃ，Ｃａ）の割合を示している。図３に示すように、骨材の表面部分には「Ｃ」，「Ｃａ」がほとんど含まれていない。「Ｃ」及び「Ｃａ」は、骨格の表面から所定深さ経過した後に出現し始め、骨格の中心に向かうに従って増加している。

（セラミックス構造体１００の変形例）
図１に示すように、セラミックス構造体１００では、第１貫通孔１４がＹ軸方向に伸びており、第２貫通孔２４がＸ軸方向に伸びている。すなわち、セラミックス構造体１００では、第１貫通孔１４が伸びる方向（第１方向）と第２方向が伸びる方向（第２方向）が成す角度が９０度である。しかしながら、第１方向と第２方向が成す角度は９０度でなくてもよい。図４に示すように、第１方向（第１貫通孔１４が伸びる方向）対して第２方向（第２貫通孔が伸びる方向２４）が成す角度が１０度以上９０度以下の範囲α１であれば、第１トラス構造体１０と第２トラス構造体２０の強度を互いに補うことができる。なお、第１方向に対して第２方向が成す角度が８０度以上９０度以下の範囲α２（すなわち、ほぼ直角）であれば、第１トラス構造体１０と第２トラス構造体２０の互いの補強効果が最大限に発揮される。

セラミックス構造体１００では、厚み方向において、同じ方向に伸びる貫通孔を有するトラス構造体が連続して積層されていてもよい。すなわち、厚み方向において、第１トラス構造体１０（または第２トラス構造体２０）が、２回以上連続して積層されていてもよい。この場合、連続して積層される第１トラス構造体１０（または第２トラス構造体２０）の厚み、及び／又は、貫通孔サイズが異なっていてもよい。

（第２実施例）
図５を参照し、セラミックス構造体２００について説明する。セラミックス構造体２００は、セラミックス構造体１００の変形例であり、第１トラス構造体１０と第２トラス構造体２０の間に第３トラス構造体３０が設けられている。セラミックス構造体２００について、セラミックス構造体１００と同じ構成については、セラミックス構造体１００に付した参照番号と同一の参照番号を付すことにより説明を省略することがある。

第３トラス構造体３０は、第３方向に伸びる複数の第３貫通孔３４を備えている。第３貫通孔３４が伸びる方向（第３方向）は、第１貫通孔１４が伸びる方向（第１方向：Ｙ軸方向）及び第２貫通孔２４が伸びる方向（第２方向：Ｘ軸方向）と異なる。セラミックス構造体２００では、第３貫通孔３４と第１貫通孔１４が成す角度は４５度であり、第３貫通孔３４と第２貫通孔２４が成す角度も４５度である。

（第２実施例の変形例）
セラミックス構造体２００において、各トラス構造体１０，２０，３０の積層順は変更することができる。セラミックス構造体２００においても、セラミックス構造体１００と同様に、厚み方向において、同じ方向に伸びる貫通孔を有するトラス構造体が連続して積層されていてもよい。例えば、厚み方向において、第１トラス構造体１０が連続して積層されていてもよい。この場合、連続して積層されるトラス構造体１０の厚み、及び／又は、貫通孔サイズが異なっていてもよい。

また、セラミックス構造体２００においても、第１貫通孔１４が伸びる方向（第１方向），第２貫通孔２４が伸びる方向（第２方向），第３貫通孔３４が伸びる方向（第３方向）を変更することができる。但し、第１方向と第３方向が成す角度θ１と、第２方向と第３方向が成す角度θ２と、第１方向と第２方向が成す角度θ３の合計角度（θ１＋θ２＋θ３）が１８０度になるように、各々の方向を調整する。また、図６に示すように、角度θ１は５０度以下に調整し、角度θ２は７０度以下に調整する。角度θ３は、６０度以上に調整する。すなわち、下記式（１）及び（２）を満足するように、各貫通孔１４，２４及び３４が伸びる方向を調整する。下記式（１）及び（２）を満足することにより、少なくとも角度θ３が６０度以上に調整されるので、各トラス構造体１０，２０，３０を互いに補強することができる。
５０度≦θ１、θ２≦７０度・・・（１）
θ１＋θ２＋θ３＝１８０度・・・（２）

（第３実施例）
図７Ａ及び図７Ｂを参照し、セラミックス構造体３００について説明する。図７Ｂは、図７Ａとは反対側から観察した（面５０を示す）斜視図を示している。セラミックス構造体３００は、セラミックス構造体１００，２００の変形例であり、セラミックス構造体２００と同様に、第１トラス構造体３１０と第２トラス構造体３２０の間に第３トラス構造体３３０が設けられている。セラミックス構造体３００について、セラミックス構造体１００，２００と同じ構成については、セラミックス構造体１００，２００に付した参照番号と下二桁の数字が同じ参照番号を付すことにより説明を省略することがある。

セラミックス構造体３００は、表面３０２及び裏面３０４の形状が正三角形である。セラミックス構造体３００は、貫通孔が伸びる方向が異なるトラス構造体３１０，３２０，３３０を備えている。第１トラス構造体３１０の貫通孔１４が伸びる方向（第１方向）と、第２トラス構造体３２０の貫通孔２４が伸びる方向（第２方向）が成す角度は６０度である。また、第１トラス構造体３１０の貫通孔１４が伸びる方向（第１方向）と、第３トラス構造体３３０の貫通孔３４が伸びる方向（第３方向）が成す角度も６０度である。よって、第２方向と第３方向が成す角度も６０度である。セラミックス構造体３００は、上記式（２）を満足している。セラミックス構造体３００では、貫通孔を、セラミックス構造体３００の側面に直交するように配置することができる。そのため、例えば、セラミックス構造体３００を各貫通孔に流体（熱媒体）を流通させる熱交換部材として利用する場合、流体の移動抵抗を低減することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：第１トラス構造体
１４：第１トラス構造体の貫通孔
２０：第２トラス構造体
２４：第２トラス構造体の貫通孔
１００：セラミックス構造体

Claims (9)

1. 厚み方向に直交する第１方向に伸びる複数の貫通孔が設けられているセラミックス製の第１トラス構造体と、
   厚み方向に直交するとともに第１方向とは異なる第２方向に伸びる複数の貫通孔が設けられているセラミックス製の第２トラス構造体と、を備えており、
   第１トラス構造体と第２トラス構造体が、厚み方向に積層された一体成型品であり、
   第１トラス構造体及び第２トラス構造体の材料が、ＳｉＣ粒子を主体とし、ＳｉＣ粒子間に金属Ｓｉが含まれるＳｉ－ＳｉＣ質であるセラミックス構造体。
2. 厚み方向において、第１トラス構造体の両側に第２トラス構造体が積層されている請求項１に記載のセラミックス構造体。
3. 第１方向と第２方向が成す角度が、１０度以上９０度以下である請求項１または２に記載のセラミックス構造体。
4. 第１方向と第２方向が成す角度が、８０度以上９０度以下である請求項３に記載のセラミックス構造体。
5. 第１トラス構造体及び第２トラス構造体を構成している骨格の表層部分の開気孔率が５％未満である請求項１から４のいずれか一項に記載のセラミックス構造体。
6. 厚み方向に直交するとともに、第１方向および第２方向とは異なる第３方向に伸びる複数の貫通孔が設けられているセラミックス製の第３トラス構造体を更に備え、
   第１方向と第３方向が成す角度θ１、第２方向と第３方向が成す角度θ２、第１方向と第２方向が成す角度θ３としたときに、下記式（１）及び（２）を満たす請求項１から５のいずれか一項に記載のセラミックス構造体。
   ５０度≦θ１、θ２≦７０度・・・（１）
   θ１＋θ２＋θ３＝１８０度・・・（２）
7. 厚み方向に直交する一方向に伸びる複数の貫通孔が設けられているセラミックス製のトラス構造体が、厚み方向に複数積層されている一体成型品のセラミックス構造体であって、
   各トラス構造体が、前記貫通孔が厚み方向に直交する二方向以上に伸びるように積層されており、
   各トラス構造体の材料が、ＳｉＣ粒子を主体とし、ＳｉＣ粒子間に金属Ｓｉが含まれるＳｉ－ＳｉＣ質であるセラミックス構造体。
8. 請求項１から６のいずれか一項に記載のセラミックス構造体を備えた熱交換部材であって、
   第１トラス構造体の貫通孔が、第１熱媒体を流通させるための流路であり、
   第２トラス構造体の貫通孔が、第２熱媒体を流通させるための流路である熱交換部材。
9. 請求項１から６のいずれか一項に記載のセラミックス構造体を備えた断熱部材。

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