JPH02289473A - 高耐熱軽量トレイ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、セラミックス、ガラス、各種金属酸化物の
薄板状成形物の焼成に使用される焼成用高耐熱トレイに
関するものである。

〔従来の技術〕

最近の情報、エレクトロニクス産業において、センサー
、コンデンサー、ＩＣ基板等の機能部品はセラミック化
へ移行している。中でもアルミナ質、窒化珪素等のファ
インセラミックスやチタン酸バリウム等の誘電素子や、
鉄、バリウム又はストロンチウム等の複合酸化物の磁性
体等が有望視されている。これらのセラミックスおよび
、金属酸化物は、電気絶縁性、半導性、耐熱性、耐摩耗
性、高強度、高磁九性の性質にすぐれ、今後ますます、
用途は拡大されつつある。これらの機能部品は原料混合
後、押し出し成形法、射出成形法、鋳込成形方法、プレ
ス成形方法等により各種形状に成形された後、焼成用ト
レイに載せて、焼成され製品化される。この焼成用トレ
イは、ムライト質、アルミナ質、ジルコニア質、コージ
ェライト質、炭化硅素質およびシリカ質の耐火物やある
いは近年セラミックファイバーなどの無ａ質繊維を主体
とした抄造法による三次元網目構造のものが使用されて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来は、前記セラミックス等の機能部品の焼成用トレイ
はいずれも、プレス等の方法で形成され、さらに高温で
焼成されたものである。しかしながら、従来使用されて
いる焼成用トレイはカサ密度が高いため、そのもの自体
を加熱するのに多量のエネルギーが必要であること、ま
た重いことから多段に積んで焼成する場合、積み重ねる
のに限界があった。

また、炉内において上段と下段では温度分布を均一にす
ることが困難であった。さらに焼成スピードを上げると
か、冷熱サイクルを速（すると、焼成用トレイが割れた
りして、生産性が悪かった。

さらに焼成ゾーンを小さくして熱効率を高めるため、焼
成用トレイの占める体積を小さくしようと思っても、従
来の焼成用トレイではソリ等の問題のため、ある一定の
厚み以下では製造できなかった。これに対して、セラミ
ックファイバー等の耐熱無８！３質繊維と無機結合剤（
例えばシリカゾル。

粘土、セビオライト等）を大量の水でスラリーとなし湿
式抄造法により成形した三次元網目構造を有する軽量な
成形品が知られている。しかしながら、この成形品は表
面の平滑性がないばかりか、無機結合剤が耐熱無機質繊
維で形成された三次元網目構造の骨格内にただ単に充填
されているにづぎない、（第３図）このため、繊維自体
の熱間軟化もしくは収縮により、そりを生しる。また、
抄造法によると比較的無機質繊維が単一方向配列となり
やすいため（匣鉢）等の形状においては第４図の如き配
向となり曲げ強度、圧縮強度に差異を生じ強度が部分的
に弱かったり、繊維自体が脱落して粉化するため、精度
のよいセラミックスを焼成するトレイとしては不適であ
った。

以上のように従来の耐熱焼成用トレイはエネルギーコス
トや消耗品コストが製品に対して大きなウェイトを占め
るばかりでなく、精密なセラミックスの焼成用としては
不適であった。

本発明はこれらの欠点を解決すべく、省エネルギータイ
プの軽量でかつごく薄いしかも熱変化に対して優れた精
密セラミックス焼成用の軽量耐熱トレイを提供すること
を目的とする。

［問題を解決するための手段］ 上記の問題点を解決するために本発明者は鋭意研究を重
ねた結果、三次元網目構造骨格を形成する結晶質アルミ
ナ繊維とその網目内のアルミナ粉末に着目し本発明の高
耐熱軽量トレイを提供できるに至ったのである。

すなわち、本発明の高耐熱軽量トレイは、アルミナ含有
率９５％以上の結晶質繊維とアルミナ粉末からなる三次
元網目構造を骨格とする多孔質セラミックスであって、
前記三次元網目構造の骨格を形成する前記結晶質繊維表
面が厚さ１０μｍ以上のアルミナ粉末の焼結膜で被覆さ
れるとともに前記網目内に１０〜５０／７ｍの少なくと
も１つ以上の空隙を有することを特徴とする密度１．０
〜１゜５ｇ／ｃｍＯ高耐熱軽量トレイとするとともに、
その製造方法としてポリカルボン酸アンモニウム塩また
はポリアクリル酸アンモニウム塩により表面改質したア
ルミナ含有率９５重量％以上の結晶質繊維（以下結晶質
アルミナ繊維という）１重量部に対しミリングを施した
アルミナ粉末１．５〜１００重量部と前記結晶質繊維と
アルミナ粉末の合計ｆｌｔ１００重量部に対し澱粉８０
〜２５０重量部を分散剤が添加されてなる水溶液を加え
真空脱泡撹拌したスラリーを石膏型に流し込み成形、乾
燥後８００〜１０００°Ｃの温度で脱脂後１５ｏｏ〜１
６００°Ｃの温度範囲で熱処理した。また、本発明の高
耐熱軽量トレイの製造方法について特筆すべき点は、一
般に粘稠性、着肉性を付加し成形性を向上させるもので
ある有機結合剤としての澱粉を成形時に網目内に適宜な
粒径および量で配し同網目内に存在するアルミナ粉末を
繊維近傍に押しつけることによって焼結時に前記繊維表
面にアルミナ粉末の焼結膜を形成させたのである。また
、澱粉臼らは焼結時に消失し網目内に空隙を形成するこ
ととなるため軽量でかつ高強度とすることができる。

更に前記澱粉によって繊維近傍に押しつけられたアルミ
ナ粉末と繊維との固着をより強固にするために繊維表面
とアルミナ粉末表面それぞれを前記の手段により改質し
たのである。

また、繊維配向性による強度のバラツキを防止するため
泥漿鋳込成形法を採用したのである。

（作用］ 以上のことから本発明の高耐熱軽量トレイは、つぎの如
き優れた作用を有するものとなる。

（１）純度９５重量％以上の結晶質アルミナ繊維および
アルミナわ）末を使用しているので耐熱性に優れている
。

（２）結晶質アルミナ繊維の表面にアルミナ粉末を配し
焼結することによってアルミナ粉末の焼結膜で繊維を被
覆し繊維自体の補強と繊維同志の接合点の接合を強固に
したので熱間軟化もしくは収縮がなくなる。

（３）泥漿鋳込成形法により匣鉢形状のものでも配向性
がなくなり均一強度とすることができる。

（４）Ｍ４目内に確実に空隙を有する構造のため強度を
損することなく軽量化できる。

以下に本発明の軽量トレイとその方法について詳細に説
明する。

本発明の高耐熱軽量トレイは結晶質アルミナ繊維とアル
ミナ粉末からなる三次元網目構造の多孔質セラミックス
であって三次元網目構造を形成する結晶繊維の表面を前
記アルミナ粉末の焼結体で被覆する必要がある。

このことは本発明の高耐熱軽量トレイの強度は三次元網
目構造の強度に依存するものでありその骨格を形成する
結晶質アルミナ繊維の繊維強度および繊維接合部の強度
が重要となるからである。すなわち前記アルミナ粉末の
焼結体で繊維表面あるいは接合部を被覆することによっ
て一体的な三次元網目構造とすることができ強度を向上
させることができる。

なお前記被覆は１０μｍ以上の膜でないと三次元網目構
造の強度を向上するうえにおいて効果が期待できない。

本発明における耐熱無機質繊維としてアルミナ含有率９
５％以上の結晶質アルミナ繊維を用いるのは熱処理温度
と骨格強度に関係しており、アルミナ含有量が９５％よ
り少ないと熱処理に際して繊維が結晶化して充分な強度
を得ることができなくなるからである。

前記結晶質アルミナ繊維は、平均繊維径が０゜５〜４０
μｍであることが好ましい。

その理由は、前記平均繊維径が０．５μｍより小さいと
入手が困難であるばかりか、単繊維の絶対強度が弱くな
り後述するアルミナ粉末を強固に結合させたとしても、
骨格としての強度を充分発揮できない。一方平均径が４
０μｍより大きいと、空隙が大きくなりすぎ繊維による
結合が少なくなり、スポーリングに対して弱くなる。な
かでも、１〜１０μｍがより望ましい。

また、前記結晶質アルミナ繊維のアスペクト比はｌＯ〜
５００が望ましい、その理由は１０より小さいと繊維の
からみがなくなり、三次元網目構造の骨格形成が困難と
なりスポーリングに対して弱くなる。一方、５００より
大きいと成形時に折れやすく、これ以上の長繊維を使用
しても効果がない。

また、本発明においては、前記結晶質アルミナ繊維の表
面をあらかじめ表面改質することが好ましい、その理由
は、前記結晶質アルミナ繊維の表面に耐火粉末を選択的
に配し、三次元網目構造の骨格を前記結晶質アルミナ繊
維と粉末で補強するものであるから単にアルミナ粉末を
表面に配するのみでは効果がなく、表面改質することに
より繊維表面に強固に固着させることが必要だからであ
′る。すなわち、後述する澱粉により繊維近傍に選択的
に配したアルミナ粉末を更に繊維表面に積極的に固着で
きるように繊維表面を化学的に改質することが必要であ
る。前記表面を改質するめだの表面改質剤としてはポリ
カルボン酸アンモニウム塩またはポリアクリル酸アンモ
ニウム塩が使用でき、また処理方法としてはこれらをあ
らかじめ結晶質アルミナ繊維に添加し、処理しておくこ
とがより有効である。表面改質剤を泥漿時すなわら、結
晶質アルミナ繊維（未処理）、耐火粉末、澱粉との混合
時に添加すると繊維表面のみの選択的改質効果が失われ
、多量に使用してもその効果がなくなってしまう恐れが
ある。

本発明に使用するアルミナわ】末はミリングを施したア
ルミナ粉末を使用する。その理由は、前記結晶質アルミ
ナ繊維表面にわ）末を付着させるにはアルミナ粉末の表
面も改質しておく必要がある。

すなわちミリングによるメカノケミストリーの効果でア
ルミナ粉末の表面を活性化さゼ繊維と粉末をより強固に
付着させるのである。このことから、アルミナ粉末はで
きるだけ細かいものが好ましく平均粒径５μｍ以下が好
適であり、なかでも４μｍ以下が表面改質のミリング時
間が減少でき焼結も容品なことからより好適である。

また、本発明によれば、澱粉としては馬鈴薯澱粉、甘し
よう澱粉、小麦粉、米澱む）、コンスターチ等のβ型澱
粉が使用できる。

前記澱粉は、混合時に冷水に不溶であり、混合時あるい
は成形時においてもその形状が熔解等により破壊、変形
されることがないため、格子間内に投入時の形状状態で
存在させることができる。

また、焼結時の空隙も確実に確保できるものである。

また特に有機結合剤として澱粉に限定した他の理由は、
たとえばメチルセルロース、ポリビニルアルコール等の
有機結合剤は流動性、着肉性において泥漿鋳込成形を困
難とするし、また、目詰まりを起こし易いからである。

前記澱粉の粒子径としては１０〜５０μｍのものを使用
することが好ましい、その理由は、１０μｍより小さい
と網目内のアルミナ粉末を結晶質アルミナ繊維近傍に配
することができず、網目内にアルミナむ〕末とともに点
在することとなり、木目的の強度ある高耐熱軽量トレイ
を製造することが困難となる。また、５０μｍより大き
いと繊維による三次元網目構造を形成できなくなり、結
晶質アルミナ繊維の接合部が少なくなり、強度を向上さ
せることができないからである。

本発明は、上述した結晶質アルミナ繊維、アルミナ粉末
、澱粉と分散剤を使用してスラリーとなし真空脱泡撹拌
後、石膏型に流し成形される。

前記スラリーにおいてアルミナ粉末は、結晶質アルミナ
繊維１重世部に対し１．５〜１００重量部とすることが
望ましい、その理由は、１．５重量部より少ないと繊維
混入量が相対的に多くなり繊維表面に膜を形成すること
ができず、クリープ特性が劣化してしまう。一方１００
３！１部より多いとｍｍの混入量が少なくなるため必要
以上にアルミナ粉末が充填されることとなり軽量化を疎
外する。

また、前記澱粉の量としては、前記結晶質アルミナ繊維
とアルミナ粉末の合計量１００重量部に対し８０〜２５
０重量部を添加することが望ましい、その理由は、８０
重量部より小さいと充分に空隙を網目内に形成すること
ができないとともにアルミナ粉末を繊維表面に光分配す
ることができなくなるからである。一方、２５０重量部
より多いと軽量となりすぎ強度が低下する０分散剤を添
加してなる水溶液の量は前記配合により、適宜に決めれ
ばよく限定するものではないが、スラリー濃度６０重量
％前後に調整するのが望ましい。また、石膏型による成
形いわゆる泥漿鋳込成形においては真空脱泡撹拌してあ
らかじめ脱泡しておくことが良いのは当然のことである
。このようにして、得られた生成形体を乾燥後８００°
Ｃ〜１０００℃の温度で脱脂後１５００〜１６００　’
Ｃの温度範囲で熱処理する。

このことは、８００”Ｃ−１０００”Ｃテ有機物をでき
るだけ除去し１５００〜１６００℃にて本焼成すること
が熱効率の点からもよ（、また熱処理のクラック等を防
止することができるからである。

実施例１ あらかしめポリカルボン酸アンモニウム塩３％溶液中に
分散後、ｉＩ！過捕集した表面改質された結晶質アルミ
ナ繊維（アルミナ含有率９７重■％、平均繊維径１０μ
ｍ１アスペクト比２０００）５ｇとボットミルを用いて
４時間の湿式ミリングを施したアルミナ粉末（平均粒径
４μｍ）７２重量％含有の泥漿３５４ｇと馬鈴薯澱粉（
粒子径３０μｍ）２９０ｇと分散剤としてイソプロピル
アルコールを４．５ｍｆｌ加えた３００ｄ溶液中に順序
よく投入し１０分間撹拌した。その後さらに真空脱泡を
かけながら２０分間撹拌したスラリーを石膏型に流し込
み所望の生成形体を得た。得られた生成形体は第６図の
如き形状（Ａ；１０ｍｍ、Ｂ；７５　ｍ　ｍ　、Ｃ；　
４　ｍ　ｍ　−Ｄ　；　６７　ｍ　ｍ　％Ｅ　；　１５
０ｍｍ）であった、得られた生成形体を１００°Ｃにて
８ｈｒ乾燥後１０００°Ｃで２ｈｒ脱脂を行った後に１
５００　’Ｃで３ｈｒの熱処理を行った。

このようにして得られたサンプルの嵩密度と３点曲げ強
度の測定結果を表に示す。

また、得られたサンプルを電子顕微鏡で観察した結果、
アルミナ粉末の焼結被覆膜はおおよそ２０μｍであり網
目内に２０〜３０μｍの空隙が均一（１〜２つ）に存在
していた。

実施例２〜３ 実施例１と同様の原料ではあるが、結晶質アルミナ繊維
とアルミナ粉末、澱粉との配合比をかえて実施例１と同
様の方法でサンプルを得た。得られた結果を表に示す。

比較例１〜２ 実施例１と同様の配合比ではあるが、結晶質アルミナ繊
維の表面改質を施さない繊維を使用した場合（比較例１
）ミリングしないアルミナ粉末を使用した場合（比較例
２）を実施例１と同様の方法でサンプルを得た。得られ
た結果を表に示す。

実施例４　比較例３〜４ 実施例１と同様の配合比であるが、使用する澱粉の平均
粒子径をかえて実施例１と同様の方法でサンプルを得た
。得られた結果を表に示す。

以上の結果より実施例１〜３で得られたサンプルは、図
１に示された如くアルミナ粉末で強固に被覆された結晶
質アルミナ繊維で三次元網目構造を形成されかつ、接合
部も強固になっているため、曲げ強度の大きなものが得
られた。

比較例１で得られたサンプルは結晶質アルミナ繊維が表
面改質されていないため、成形時にアルミ・ノー粉末と
結晶質アルミナ繊維が分離し、泥漿鋳込成形ができず、
成形体を得ることができなかった。

また、比較例２において、得られたサンプルはアルミナ
わ）末をミリングによる活性処理を行っていないことか
ら、結晶質アルミナ繊維への付着が充分でなく、アルミ
ナ粉末同志の結合による多数のアルミナ塊が網目内に存
在し、網目構造を強固にする効果が見られなかった。

実施例４および比較例３〜４においては、使用する澱粉
の粒径を変化させたが、比較例３では焼結体中の空隙径
が大きすぎるため強度の点において劣化する原因となる
。一方、比較例４では澱粉による繊維近傍へのアルミナ
粉末を配設する効果が見られず網目内に澱粉とアルミナ
粉末が点在することとなり、強度の向上が見られなかっ
た。

また、実施例のものは、繊維配向の点においても成形面
に対し垂直方向に！ａ維が配列されており、どの面につ
いても遜色なく均一強度となっていた。

（発明の効果） 耐火粉末を無機質繊維に強固に結合させる。すなわち、
耐熱性に優れる結晶質アルミナ繊維をあらかじめアルミ
ナ粉末と結合しやすい状態に表面改質したものを使用す
るとともに有機結合剤として澱粉を使用し、格子間内の
アルミナ粉末を成形時に選択的に繊維近傍に配すること
により焼結時に前記アルミナ粉末で前記結晶質アルミナ
繊維表面を被覆し三次元網目構造の骨格を強固形成する
ことができるので熱収縮等による高温時の劣化を防止で
きる。また格子間に空隙を持たせることにより強度を損
することなく軽量にすることができる。このように本発
明の電子部品等の高耐熱軽量トレイは、この産業におい
て極めて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の軽量トレイを構成する三次元網目構
造体内を模式した図。 第２図は、本発明の軽量トレイを製造するために澱粉を
配した生成形体時の三次元網目構造体内を模式した図。 第３図は、従来の軽量トレイを構成する三次元網目構造
体内を模式した図。 第４図は、従来の抄造法により得られた成形体の繊維配
列を示した成形体縦断面図。 第５図は、泥漿鋳込法を使用した本発明の軽１ｔトレイ
の繊維配列を示した継断面図。 第６図は、高耐熱軽量トレイの一外形形状を示す斜視図
。 第１！Ｉ！！！ ＊２図 １−−−−−−−一　結晶質アルミナ繊維２　−一−−
−・−−−−−−アルミナ耐火粉末３−−−−−−〜−
−−−−澱粉 １０−−−−−−−−一　高耐熱軽量トレイ第３図 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）アルミナ含有率９５％以上の結晶質繊維とアルミナ
   粉末からなる三次元網目構造を骨格とする多孔質セラミ
   ックスであって、前記三次元網目構造の骨格を形成する
   前記結晶質繊維表面が厚さ１０μｍ以上のアルミナ粉末
   の焼結膜で被覆されるとともに前記網目内に１０〜５０
   μｍの少なくとも１つ以上の空隙を有することを特徴と
   する密度１．０〜１．５ｇ／ｃｍ＾３の高耐熱軽量トレ
   イ。 ２）ポリカルボン酸アンモニウム塩またはポリアクリル
   酸アンモニウム塩により表面改質したアルミナ含有率９
   ５重量％以上の結晶質繊維１重量部に対しミリングを施
   したアルミナ粉末１．５〜１００重量部と前記結晶質繊
   維とアルミナ粉末の合計量１００重量部に対し澱粉８０
   〜２５０重量部を分散剤が添加されてなる水溶液を加え
   真空脱泡撹拌したスラリーを石膏型に流し込み成形、乾
   燥後８００〜１０００℃の温度で脱脂後１５００〜１６
   ００℃の温度範囲で熱処理することにより得られる高耐
   熱軽量トレイの製造方法