JPH04349167A

JPH04349167A - 高強度低熱膨張セラミック材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH04349167A
Application number: JP3146611A
Authority: JP
Inventors: Shogo Suzuki; 鈴木　省伍
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1991-05-23
Filing date: 1991-05-23
Publication date: 1992-12-03

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高強度で且つ低熱膨
張のセラミック材料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、チタン酸アルミニウムＡｌ２　
ＴｉＯ５　については、その焼成体は低熱伝導性、低熱
膨張性の特性を有しており、その融点は１８６０℃と高
く、高温耐熱セラミックス材料として期待されており、
従来、チタン酸アルミニウムは断熱材として利用されて
いる。特に、チタン酸アルミニウムは、低熱伝導率であ
るため、耐熱衝撃性を要求されるエンジンの排気ポート
等に適用されている。そして、チタン酸アルミニウムの
低熱膨張性については、結晶軸の熱膨張率がそれぞれ、
ａ軸で１１×１０−　６　／℃、ｂ軸で１９．４×１０
−　６　／℃及びｂ軸で−２．６×１０−　６　／℃で
あり、平均の熱膨張係数は９．６×１０−　６　／℃で
ある。そして、チタン酸アルミニウムには、微細なマイ
クロクラックが粒界や粒内にあるため、該マイクロクラ
ックが熱膨張を吸収し、熱膨張係数についての焼結体の
平均としては、１〜２×１０−　６　／℃に調整するこ
とができるものである。

【０００３】しかしながら、チタン酸アルミニウムは、
８００〜１３００℃ではルチルＴｉＯ２　とコランダム
Ａｌ２　Ｏ３　とに分解するという分解性や、熱膨張率
の異方性が大きく、焼成体を作製した場合に、粒径が２
〜３μｍ以上になると、冷却時にマイクロクラックが発
生し、機械的強度が低下するという現象を有しているた
め、広範囲の分野には用いられていないのが現状である
。そこで、チタン酸アルミニウムの上記低強度性を改善
するため、従来、種々の添加物が検討されている。

【０００４】例えば、特公昭５６−７９９６号公報には
、低熱膨セラミックスが開示されている。該低熱膨セラ
ミックスは、チタン酸アルミニウムに対してケイ素、ジ
ルコニウムの少なくとも１種をＳｉＯ２　，ＺｒＯ２　
に換算して０．０５〜１０．０重量％含有したものであ
る。

【０００５】また、特開昭５６−１４００７３号公報に
は、低熱膨セラミックス及びその製造法が開示されてい
る。該低熱膨セラミックスは、チタン酸アルミニウムに
ＭｇＯ，ＳｉＯ２　，Ｆｅ２　Ｏ３　，ＴｉＯ２　及び
Ａｌ２　Ｏ３　の添加物を添加し、強度向上や低分解性
を確保するものである。また、チタン酸アルミニウムに
酸化ジルコニウムや酸化ケイ素を添加し、強度向上及び
分解抑制を図っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、チタン
酸アルミニウムの欠点は、その組織にマイクロクラック
を内包しているため、機械的強度が３Ｋｇ／ｍｍ２　程
度と低いことである。そこで、チタン酸アルミニウムの
組織に存在するマイクロクラックの大きさを小さくする
と、強度を向上させることはできるが、熱膨張率が増大
し、その材料の低熱膨張特性が失われることになる。し
かも、チタン酸アルミニウムの強度を向上させても、そ
の強化程度も余り大きくならず、エンジンの熱衝撃を受
ける燃焼室或いは排気ポート等のエンジン部材としての
強度を確保できない。

【０００７】また、前掲特公昭５６−７９９６号公報に
開示された低熱膨セラミックスは、チタン酸アルミニウ
ムに対してケイ素、ジルコニウムの少なくとも１種を含
有させ、高融点と低熱膨張性を有し、熱的に安定であり
、熱履歴に伴う強度低下が小さく、耐熱セラミックスを
製造するものであるが、該公報の表からも分かるように
、十分な強度を得ることができないばかりでなく、熱膨
張率も十分小さくなく、例えば、断熱エンジンにおける
熱衝撃、熱負荷を受ける部分のセラミックスとしては不
十分なものである。

【０００８】また、前掲特開昭５６−１４００７３号公
報に開示された低熱膨セラミックスは、チタン酸アルミ
ニウムに添加物として、ＭｇＯ，ＳｉＯ２　，Ｆｅ２　
Ｏ３　，ＴｉＯ２　，Ａｌ２　Ｏ３　及び酸化ジルコニ
ウムを添加した場合に、これら添加物の作用は、チタン
酸アルミニウムと固溶体を作り、分解性を抑制し、また
、焼結時の粒成長を抑えてマイクロクラックの大きさを
も小さくし、強度向上を図るものであるが、従来の条件
での分解抑制効果には限界があり、例えば、熱衝撃を受
ける燃焼室を形成する材料としては十分な強度を確保す
ることができないものであった。

【０００９】即ち、チタン酸アルミニウムの焼成体に発
生するマイクロクラックは、粒子と粒界相の界面で、そ
の線膨張の異方性により成長するものである。従って、
マイクロクラックの大きさを抑制するためには、粒子の
大きさの制御が必要であり、粒子の大きさの制御するこ
とで強度も向上させることができる。しかしながら、マ
イクロクラックのサイズが小さすぎると、熱膨張率は大
きくなり、チタン酸アルミニウムの特徴である低熱膨張
性が失われてしまうという相反する特性となる。

【００１０】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、チタン酸アルミニウムＡｌ２　Ｔ
ｉＯ５　の熱膨張率を低く保ちながら且つ強度を向上さ
せて所望の強度を確保するため、リチウムアルミノシリ
ケイトＬｉＡｌＳｉ２　Ｏ６　（ＬＡＳ）と炭化ケイ素
ＳｉＯ２　とがなじみ即ちぬれが良好なことに着眼し、
チタン酸アルミニウムにリチウムアルミノシリケイトと
炭化ケイ素を添加して高強度で且つ低熱膨張率を確保し
た高強度低熱膨張セラミック材料及びその製造方法を提
供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、チタン酸アルミニウムに添加物質として炭
化ケイ素繊維とリチウムアルミノシリケイトを添加した
ことを特徴とする高強度低熱膨張セラミック材料に関す
る。

【００１２】この高強度低熱膨張セラミック材料は、熱
衝撃を受けるエンジン部材の材料に適用したものである
。

【００１３】また、この発明は、チタン酸アルミニウム
に炭化ケイ素繊維とリチウムアルミノシリケイト粉末を
混合し、これに水を添加後混合してスラリーを作る工程
、該スラリーを多孔質型に流し込んで成形体を作製する
工程、該成形体を脱型して乾燥固化する工程、次いで乾
燥固化した前記成形体を真空炉中で焼成する工程、から
成ることを特徴とする高強度低熱膨張セラミック材料の
製造方法に関する。

【００１４】

【作用】この発明による高強度低熱膨張セラミック材料
及びその製造方法は、上記のように構成されており、次
のように作用する。即ち、この高強度低熱膨張セラミッ
ク材料は、チタン酸アルミニウムに添加物質として炭化
ケイ素繊維とリチウムアルミノシリケイトを添加したの
で、従来のチタン酸アルミニウム単独のものに比較して
熱膨張率を高くすることなく強度を大幅に強化すること
ができる。即ち、炭化ケイ素繊維とリチウムアルミノシ
リケイトとはなじみが良好であるので、組織観察では、
チタン酸アルミニウムの粒界相は炭化ケイ素繊維とリチ
ウムアルミノシリケイトとの複合相になっており、チタ
ン酸アルミニウムの粒子を互いに強固に結合させており
、強度を大幅に向上させている。

【００１５】また、この高強度低熱膨張セラミック材料
は、上記のように、高強度で且つ低熱膨張率であるため
、このセラミック材料を燃焼室、排気ポート等のエンジ
ン部材に適用した場合には、耐熱衝撃強度を大幅に向上
させることができ、極めて良好なエンジン部材を提供で
きる。

【００１６】或いは、この発明による高強度低熱膨張セ
ラミック材料の製造方法は、チタン酸アルミニウムに炭
化ケイ素繊維とリチウムアルミノシリケイト粉末を混合
し、これに水を添加後混合してスラリーを作る工程、該
スラリーを多孔質型に流し込んで成形体を作製する工程
、該成形体を脱型して乾燥固化する工程、次いで乾燥固
化した前記成形体を真空炉中で焼成する工程から成るの
で、なじみが良好である炭化ケイ素繊維とリチウムアル
ミノシリケイトとは、チタン酸アルミニウムの粒界相に
浸入して複合相を形成し、チタン酸アルミニウム粒子を
互いに強固に結合することができ、強度を大幅に向上さ
せることができる。

【００１７】

【実施例】以下、この発明による高強度低熱膨張セラミ
ック材料及びその製造方法の実施例を説明する。この発
明による高強度低熱膨張セラミック材料は、チタン酸ア
ルミニウム（Ａｌ２　ＴｉＯ５　）に、添加物質として
炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維とリチウムアルミノシリケイ
ト（ＬｉＡｌＳｉ２Ｏ６　或いは略称ＬＡＳ）を添加し
たことを特徴とするものである。それによって、このセ
ラミック材料をチタン酸アルミニウムの低熱膨張の特性
を確保しつつ、特に、強度に大幅に高強度に向上させ、
材料の機械的強度の低下を防止することができる。従っ
て、この高強度低熱膨張セラミック材料は、熱衝撃を受
けるエンジン部材の材料に適用すると好ましいものであ
る。

【００１８】次に、図１を参照して、この発明による高
強度低熱膨張セラミック材料の製造方法の一実施例を説
明する。図１はこの発明による高強度低熱膨張セラミッ
ク材料の製造方法の一実施例を示すブロック図である。

【００１９】この発明による高強度低熱膨張セラミック
材料の製造方法は、まず、チタン酸アルミニウムに炭化
ケイ素繊維とリチウムアルミノシリケイト粉末を配合し
て混合する。この時、チタン酸アルミニウム、炭化ケイ
素繊維及びリチウムアルミノシリケイト粉末の配合割合
は、一例として、チタン酸アルミニウムを８５重量％、
炭化ケイ素繊維を５重量％、及びリチウムアルミノシリ
ケイト粉末を１０重量％であり、これらの三者をボール
ミルに入れて混合する（ステップ１）。これらの三者を
配合して混合した混合物に、水を添加して更に十分に混
合し（ステップ２）、混合物をスラリー化してスラリー
を作る（ステップ３）。

【００２０】次に、上記のようにして作製したスラリー
を、所定の形状を有する多孔質型である石膏型に流し込
み、水分を石膏型に吸収して固化し、所望の形状のセラ
ミック成形体を作製する（ステップ４）。固化した後に
成形体を石膏型から脱型し（ステップ５）、脱型したセ
ラミック成形体を更に乾燥固化する（ステップ６）。次
いで、乾燥固化したセラミック成形体を真空炉内に配置
し、焼成温度１４００℃〜１４５０℃で焼成し（ステッ
プ７）、セラミック焼成体を作製する（ステップ８）。

【００２１】上記のようにして製造した高強度低熱膨張
セラミック材料であるセラミック焼成体を、試験片とし
て切断し、該試験片の曲げ強度と熱膨張率とを測定した
。また、この高強度低熱膨張セラミック材料と従来のセ
ラミック材料とを比較するため、従来のチタン酸アルミ
ニウムの特性も測定した。その測定結果は、次のように
なった。即ち、この発明による高強度低熱膨張セラミッ
ク材料は、曲げ強度が８．５Ｋｇ／ｍｍ２　であり、且
つ熱膨張率が１．５×１０−　６　／℃であった。これ
に対して、従来のチタン酸アルミニウムは、曲げ強度が
３．０Ｋｇ／ｍｍ２　であり、且つ熱膨張率が１．４×
１０−　６　／℃であった。また、チタン酸アルミニウ
ムの熱伝導率は０．００４ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃で
あり、リチウムアルミノシリケイトの熱伝導率は０．０
０３ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃である。そして、リチウ
ムアルミノシリケイトと炭化ケイ素との複合物の熱伝導
率は０．００１５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃である。即
ち、複合物の熱伝導率は単独のものに比較して大幅に低
くなる。

【００２２】ところで、従来のチタン酸アルミニウムに
は、その分解防止や強度向上のため、酸化ケイ素ＳｉＯ
２　、酸化マグネシウムＭｇＯ、酸化鉄Ｆｅ２　Ｏ３　
，酸化チタンＴｉＯ２　及び酸化アルミニウムＡｌ２　
Ｏ３　、粘土等の鉱物等を添加している。そこで、この
発明による高強度低熱膨張セラミック材料について、高
強度で且つ低熱膨張の上記効果に加えてチタン酸アルミ
ニウムの分解防止効果を向上させるため、チタン酸アル
ミニウムに炭化ケイ素繊維とリチウムアルミノシリケイ
トとを添加すると共に、更に上記の酸化物を添加したセ
ラミック材料を作製した。そして、このセラミック材料
の曲げ強度と熱膨張率とを測定したところ、上記と同様
の結果を得ることができた。

【００２３】

【発明の効果】この発明による高強度低熱膨張セラミッ
ク材料及びその製造方法は、上記のように構成されてお
り、次のような効果を有する。即ち、この高強度低熱膨
張セラミック材料は、チタン酸アルミニウムに添加物質
として炭化ケイ素繊維とリチウムアルミノシリケイトを
添加したので、従来のチタン酸アルミニウム単独のもの
に比較して熱膨張率を高くすることなく強度を大幅に強
化することができる。即ち、炭化ケイ素繊維とリチウム
アルミノシリケイトとはなじみが良好であるので、組織
観察では、チタン酸アルミニウムの粒界相は炭化ケイ素
繊維とリチウムアルミノシリケイトとの複合相になって
おり、チタン酸アルミニウムの粒子を互いに強固に結合
させており、強度を大幅に向上させている。

【００２４】また、この高強度低熱膨張セラミック材料
は、上記のように、高強度で且つ低熱膨張率であるため
、このセラミック材料を燃焼室、排気ポート等のエンジ
ン部材に適用した場合には、耐熱衝撃強度を大幅に向上
させることができ、極めて良好なエンジン部材を提供で
きる。

【００２５】或いは、この発明による高強度低熱膨張セ
ラミック材料の製造方法は、チタン酸アルミニウムに炭
化ケイ素繊維とリチウムアルミノシリケイト粉末を混合
し、これに水を添加後混合してスラリーを作る工程、該
スラリーを多孔質型に流し込んで成形体を作製する工程
、該成形体を脱型して乾燥固化する工程、次いで乾燥固
化した前記成形体を真空炉中で焼成する工程から成るの
で、なじみが良好である炭化ケイ素繊維とリチウムアル
ミノシリケイトとは、チタン酸アルミニウムの粒界相に
浸入して複合相を形成し、チタン酸アルミニウム粒子を
互いに強固に結合することができ、強度を大幅に向上さ
せることができる。

【００２６】また、この高強度低熱膨張セラミック材料
において、添加物質としてのＳｉＯ２　、ＭｇＯ、Ｆｅ
２　Ｏ３　、ＴｉＯ２　、Ａｌ２　Ｏ３　等の酸化物、
粘土等の鉱物等を添加すると、上記の高強度及び低熱膨
張に加えて、チタン酸アルミニウムＡｌ２ＴｉＯ５　の
ルチルＴｉＯ２　とコランダムＡｌ２Ｏ３　への分解性
を抑制し、低熱膨張を確保しつつ焼結時の粒成長を抑え
てマイクロクラックの大きさを小さくし、材料の強度を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による高強度低熱膨張セラミック材料
の製造方法の一実施例を示すブロック図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　チタン酸アルミニウムに添加物質とし
て炭化ケイ素繊維とリチウムアルミノシリケイトを添加
したことを特徴とする高強度低熱膨張セラミック材料。
【請求項２】　　熱衝撃を受けるエンジン部材の材料に
適用したことを特徴とする請求項１に記載の高強度低熱
膨張セラミック材料。
【請求項３】　　チタン酸アルミニウムに炭化ケイ素繊
維とリチウムアルミノシリケイト粉末を混合し、これに
水を添加後混合してスラリーを作る工程、該スラリーを
多孔質型に流し込んで成形体を作製する工程、該成形体
を脱型して乾燥固化する工程、次いで乾燥固化した前記
成形体を真空炉中で焼成する工程、から成ることを特徴
とする高強度低熱膨張セラミック材料の製造方法。