KR20230171942A

KR20230171942A - 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법 및 다공질 세라믹스 소결체

Info

Publication number: KR20230171942A
Application number: KR1020237036233A
Authority: KR
Inventors: 데이이치 기무라; 사토시 스에히로; 도모미치 나스; 가즈오 사다오카
Original assignee: 스미또모 가가꾸 가부시끼가이샤; 잇빤자이단호진 화인 세라믹스 센터
Priority date: 2021-04-21
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2023-12-21
Also published as: US20240217887A1; WO2022224759A1; EP4327997A1; CN117222609A; JP2022166681A

Abstract

중장 부피 밀도가 1.0 g/㎤ 이하인 세라믹스 분말을 성형하여, 세라믹스 물품을 얻는 공정과, 상기 세라믹스 물품의 표면에 탄소 분말 함유층을 형성하여 적층물을 얻는 공정과, 상기 적층물의 상기 탄소 분말 함유층의 표면에 레이저광을 조사하여, 다공질의 세라믹스 소결부를 형성하는 공정을 포함하는 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법이다.

Description

다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법 및 다공질 세라믹스 소결체

본 개시는, 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법 및 당해 방법으로 제조된 다공질 세라믹스 소결체에 관한 것이다.

세라믹스 소결체는, 그 용도에 맞추어, 다공체 또는 치밀체가 이용되고 있다. 또, 세라믹스 소결체의 제조 방법으로는, 소성로에서 소성하는 방법과, 레이저광으로 소결하는 방법이 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 1, 2).

특허문헌 1 은, 다공질 세라믹스 소결체를 전기로에서 소성하는 방법을 개시하고 있다. 다공질 세라믹스 소결체로는, 예를 들어 길이 30 ㎛ 이상 3000 ㎛ 이하, 폭 (세공경) 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 제 1 기공과, 폭의 최대값이 5 ㎛ 이상 400 ㎛ 이하인 제 2 기공을 포함하는 것을 제조할 수 있다고 되어 있다.

특허문헌 1 에서는, 세라믹스의 분말과, 제 1 기공을 형성하기 위한 제 1 조공재 (造孔材) 와, 제 2 기공을 형성하기 위한 제 2 조공재를 혼합하고, 또한 바인더를 첨가하여 혼련하고, 얻어진 성형 재료로 성형한 성형체를 전기로에서 소성함으로써, 다공질 세라믹스 소결체를 제조하고 있다.

특허문헌 2 는, 치밀한 세라믹스 소결체를 제조하는 방법을 개시하고 있고, 미소결의 세라믹스 물품의 표면에, 탄소 분말을 포함하는 층을 형성하고, 이어서, 탄소 분말 함유층의 표면에 레이저광을 조사하여 소결하고 있다. 미소결의 세라믹스 물품은, 소결용 세라믹스 입자의 집합체로 형성할 수 있다.

일본 공개특허공보 2014-227324호 국제 공개 제2017/135387호

다공질 세라믹스 소결체는, 열전도체, 촉매 담체, 분리막 등에 사용할 수 있다. 특히, 촉매 담체 및 분리막의 용도에서는, 보다 작은 치수 (특히, 세공경이 1 ㎛ 이하) 의 세공을, 보다 많이 포함하는 다공질 세라믹스 소결체에 대한 요구가 있다.

또, 기공률이 높은 (요컨대, 상대 밀도가 낮은) 다공질 세라믹스 소결체는 강도가 저하되기 쉽기 때문에, 상대 밀도가 낮고, 강도가 비교적 높은 다공질 세라믹스 소결체에 대한 요구도 있다.

특허문헌 1 에 기재된 다공질 세라믹스 소결체는, 조공재를 사용하여 제조하기 때문에 세공경이 5 ㎛ 이상으로 크다. 그래서, 본 발명자들은, 특허문헌 1 의 소성 조건을 답습하면서, 조공재를 사용하지 않고, 상대 밀도가 낮고 강도가 높은 다공질 세라믹스 소결체를 제조하는 방법에 대해 검토하였다. 그러나, 이하의 이유로부터, 조공재를 사용하지 않으면, 높은 기공률과 높은 강도를 모두 달성하는 다공질 세라믹스 소결체를 제조하는 것은 곤란하다는 것을 알 수 있었다.

특허문헌 1 에서 사용하고 있는 전기로에서 다공질 세라믹스 소결체를 소성하는 경우, 소결 온도를 낮게 하면, 세라믹스 입자간의 기공이 소결에 의해 막히는 것을 억제할 수 있기 때문에, 기공률이 높은 다공질 세라믹스 소결체가 얻어진다. 그러나, 소결 온도가 낮기 때문에, 세라믹스 입자간의 결합이 약하여, 다공질 세라믹스 소결체의 강도가 낮아진다.

한편, 소결 온도를 높게 하면, 세라믹스 입자간의 결합이 강해져, 강도가 높은 다공질 세라믹스 소결체가 얻어진다. 그러나, 세라믹스 입자간의 소결이 과도하게 촉진되어 세라믹스 입자간의 기공이 막히기 때문에, 다공질 세라믹스 소결체의 기공률이 낮아진다.

특허문헌 2 는, 치밀한 세라믹스 소결체를 레이저 소결하는 방법에 대해 개시하고 있지만, 다공질 세라믹스 소결체를 레이저 소결하는 방법에 대해 검토되어 있지 않다.

그래서, 본 발명의 일 실시형태에서는, 조공재를 사용하지 않고, 높은 기공률 (요컨대, 낮은 상대 밀도) 과 고강도의 양립이 가능한 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또 본 발명의 다른 실시형태에서는, 그 제조 방법으로 얻어진 다공질 세라믹스 소결체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 양태 1 은,

중장 부피 밀도가 1.0 g/㎤ 이하인 세라믹스 분말을 성형하여, 세라믹스 물품을 얻는 공정과,

상기 세라믹스 물품의 표면에 탄소 분말 함유층을 형성하여 적층물을 얻는 공정과,

상기 적층물의 상기 탄소 분말 함유층의 표면에 레이저광을 조사하여, 다공질의 세라믹스 소결부를 형성하는 공정을 포함하는 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법이다.

본 발명의 양태 2 는,

상기 세라믹스 분말이, 산화알루미늄, 산질화알루미늄, 및 질화알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택된 1 종으로 이루어지는 분말인, 양태 1 에 기재된 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법이다.

본 발명의 양태 3 은,

조사하는 상기 레이저광의 평균 레이저 밀도가 150 W/㎠ 이상 600 W/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는, 양태 1 또는 2 에 기재된 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법이다.

본 발명의 양태 4 는,

평균 세공경이 0.01 ㎛ 이상 1.00 ㎛ 이하이고, 하기 식 (1) ∼ (3) 을 만족하는 다공질 세라믹스 소결체이다.

여기서,

D 는, 다공질 세라믹스 소결체의 상대 밀도 (％) 이고,

P 는, 다공질 세라믹스 소결체의 굽힘 강도 (㎫) 이다.

본 발명의 양태 5 는,

개기공률이 35 ％ 이상 60 ％ 미만인, 양태 4 에 기재된 다공질 세라믹스 소결체이다.

본 발명의 실시형태에 의하면, 조공재를 사용하지 않고, 낮은 상대 밀도와 고강도의 양립이 가능한 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법, 및 그 제조 방법으로 얻어진 다공질 세라믹스 소결체가 얻어진다.

도 1A 는, 실시형태 1 에 관련된 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법을 나타내는 개략 단면도이다.
도 1B 는, 실시형태 1 에 관련된 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법을 나타내는 개략 단면도이다.
도 1C 는, 실시형태 1 에 관련된 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법을 나타내는 개략 단면도이다.
도 1D 는, 실시형태 1 에 관련된 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법을 나타내는 개략 단면도이다.
도 2A 는, 실시형태 2 에 관련된 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법을 나타내는 개략 단면도이다.
도 2B 는, 실시형태 2 에 관련된 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법을 나타내는 개략 단면도이다.
도 2C 는, 실시형태 2 에 관련된 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법을 나타내는 개략 단면도이다.
도 3 은, 실시형태 3 에 관련된 다공질 세라믹스 소결체의 상대 밀도와 굽힘 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명자들은, 조공재를 사용하지 않고, 다공질 세라믹스 소결체를 제조하는 방법을 예의 검토하였다. 그 결과, 상대적으로 낮은 중장 부피 밀도를 갖는 세라믹스 분말을 사용하는 것, 및 당해 세라믹스 분말로 형성한 세라믹스 물품을 레이저 소결함으로써, 조공재를 사용하는 일 없이, 평균 세공경이 작고, 상대 밀도가 낮고, 또한 강도가 높은 다공질 세라믹스 소결체를 제조할 수 있는 것을 처음으로 알아내었다. 그 이유는 확실하지 않지만, 중장 부피 밀도가 낮은 세라믹스 분말로 세라믹스 물품을 형성하면, (1) 밀도 (green density : GD) 가 비교적 낮은 세라믹스 물품을 형성하기 쉽고, 및 (2) 당해 세라믹스 물품의 내부에 있어서, 세라믹스 분말에 포함되는 복수의 세라믹스 입자 사이에, 적절한 수의 접점이 형성되기 때문으로 추측된다. 그리고, 세라믹스 물품을 레이저 소결함으로써, 세라믹스 물품의 내부에 포함되는 세공의 개수를 충분히 유지한 채로, 세라믹스 입자간의 상기 접점에 있어서 세라믹스 입자끼리를 결합할 수 있다. 이로써, 상대 밀도가 낮고, 강도가 높은 다공질 세라믹스 소결체를 얻을 수 있다. 또, 이 제조 방법에서는, 조공재를 사용하지 않기 때문에, 다공질 세라믹스 소결체의 평균 세공경을 작게 할 수 있다.

<실시형태 1 : 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법>

실시형태 1 에 관련된 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법은, 이하의 공정 1 ∼ 3 을 포함한다.

[공정 1] 중장 부피 밀도가 1.0 g/㎤ 이하인 세라믹스 분말을 성형하여, 세라믹스 물품을 얻는 공정

[공정 2] 상기 세라믹스 물품의 표면에 탄소 분말 함유층을 형성하여 적층물을 얻는 공정

[공정 3] 상기 적층물의 상기 탄소 분말 함유층의 표면에 레이저광을 조사하여, 다공질의 세라믹스 소결부를 형성하는 공정

이하, 도 1A ∼ 도 1D 를 참조하면서, 실시형태 1 에 관련된 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법을 설명한다.

[공정 1 : 세라믹스 물품 (21) 을 얻는 공정]

공정 1 에서는, 중장 부피 밀도가 1.0 g/㎤ 이하인 세라믹스 분말을 성형하여, 성형체 (세라믹스 물품 (21)) 를 제조한다.

중장 부피 밀도는, JIS R 9301-2-3 (1999) 「알루미나 분말-제 2 부 : 물성 측정 방법-3 : 경장 부피 밀도 및 중장 부피 밀도」 에 준거하여 측정한다. 먼저, 진동을 방지하고, 정치 (靜置) 시킨 용적 기지의 용기 (실린더) 중에, 시료 (세라믹스 분말) 를 자유롭게 낙하시켜 모은다. 그 후, 시료가 들어간 실린더를 3 ㎝ 의 높이로부터 100 회 낙하시키고 태핑 (압축) 을 실시하고, 압축 후의 시료의 체적을 판독하고, 질량을 체적으로 나누어 중장 부피 밀도를 산출한다. 또한, 100 회의 태핑의 도중에, 분말의 압축 후의 체적이 포화되어 있는 것을 확인한다.

중장 부피 밀도가 낮은 (1.0 g/㎤ 이하) 세라믹스 분말을 사용함으로써, 상대 밀도가 작은 (요컨대, 세공이 많은), 다공질의 세라믹스 물품을 성형할 수 있다. 또, 세라믹스 물품 내에 있어서, 세라믹스 분말에 포함되는 복수의 세라믹스 입자 사이에, 충분한 수의 접점을 발생시킬 수 있다. 그러한 다공질의 세라믹스 물품을, 레이저 소결에 의해 단시간에 단번에 소결함으로써, 다공질의 세라믹스 물품의 내부에 포함되어 있던 세공을 많이 남긴 채로, 세라믹스 입자간의 접점에 있어서 세라믹스 입자끼리를 결합할 수 있다. 그 결과, 종래에 비해 강도가 높고, 또한 충분한 수의 세공을 포함하는 다공질 세라믹스 소결체를 얻을 수 있다. 또, 세공의 형성을 위해서 조공재를 사용하고 있지 않기 때문에, 세공의 치수 형상은, 조공재의 치수 형상에 의존하지 않는다. 따라서, 세공경이 작은 다공질 세라믹스 소결체를 형성할 수 있다.

세라믹스 분말의 중장 부피 밀도는, 바람직하게는 0.2 g/㎤ 이상 0.9 g/㎤ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.3 g/㎤ 이상 0.8 g/㎤ 이하이다.

세라믹스 분말은, 산화알루미늄, 산질화알루미늄, 및 질화알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택된 1 종으로 이루어지는 분말로 할 수 있다. 이들 분말에서는, 다공질 산화알루미늄 (알루미나) 소결체, 다공질 산질화알루미늄 소결체, 또는 다공질 질화알루미늄 소결체를 형성할 수 있다.

세라믹스 분말은, 입경 (메디안경) 이 0.05 ㎛ 이상 5.00 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 입경 (메디안경) 은 0.10 ㎛ 이상 1.00 ㎛ 이하이다. 이로써, 평균 세공경이 0.01 ㎛ 이상 1.00 ㎛ 이하인 다공질 세라믹스 소결체를 형성하는 것이 용이해진다.

본 명세서에 있어서 「메디안경」 은, 50 질량％ 상당 입자경 (D50) 을 가리킨다. 메디안경은, 레이저 회절 분산법으로 측정할 수 있다.

이와 같은 세라믹스 분말 (10) 을 성형하여, 세라믹스 물품 (21) 을 얻는다. 예를 들어, 도 1A 와 같이, 성형용의 금형 (60) 에 세라믹스 분말 (10) 을 투입하고, 세라믹스 분말 (10) 을 가압 지그 (61) 로 화살표 F 방향으로 가압하여, 가압 성형한다. 이로써, 도 1B 에 나타내는 바와 같이, 소정의 형상의 세라믹스 물품 (21) 이 얻어진다.

세라믹스 물품 (21) 의 밀도 (GD) 에 대해서는, 세라믹스 물품 (21) 의 강도가, 적어도, 공정 2 에 있어서 세라믹스 물품 (21) 의 표면에 탄소 분말 함유층 (22) (도 1C) 을 형성했을 때에 세라믹스 물품 (21) 이 붕괴되지 않고, 또한 공정 3 에 있어서 레이저 소결했을 때에 세라믹스 물품 (21) 이 붕괴되지 않을 정도의 강도가 되도록 GD 의 값을 설정한다. GD 는, 바람직하게는 0.5 g/㎤ 이상 2.0 g/㎤ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.9 g/㎤ 이상 1.9 g/㎤ 이하이다. GD 의 값이 이 범위 내에 있으면, 공정 2 및 공정 3 에 있어서 세라믹스 물품 (21) 이 핸들링되기 쉽고, 또, 세라믹스 물품 (21) 의 소결 후에 얻어지는 다공질 세라믹스 소결체가, 보다 작은 상대 밀도와 보다 높은 강도를 구비할 수 있다.

세라믹스 물품 (21) 의 GD 는, 사용하는 세라믹스 분말의 중장 부피 밀도에 영향을 받는다. 또, GD 는, 세라믹스 물품 (21) 의 성형시의 성형 압력에 의해 제어할 수 있다.

GD 는, 세라믹스 물품 (21) 의 중량 (g) 을 세라믹스 물품 (21) 의 체적 (㎤) 으로 나눔으로써 산출한다.

[공정 2 : 적층물 (20) 을 얻는 공정]

공정 2 에서는, 세라믹스 물품 (21) 의 표면 (21a) 에 탄소 분말 함유층 (22) 을 형성한다. 이로써, 세라믹스 물품 (21) 및 탄소 분말 함유층 (22) 이 적층된 적층물 (20) 이 얻어진다. 탄소 분말 함유층 (22) 에 포함되는 탄소 분말은 레이저 흡수재로서 기능한다. 다음의 [공정 3] 에 있어서, 조사되는 레이저광을 탄소 분말이 흡수하여 발열함으로써, 탄소 분말 함유층 (22) 의 하측에 있는 세라믹스 물품 (21) 이 소결된다.

탄소 분말 함유층 (22) 은, 예를 들어, 탄소 분말만, 탄소 분말과 바인더를 함유하는 조성물, 및 탄소 분말과 유기 용제를 함유하는 조성물 중 어느 하나를 사용하여, 공지된 방법 (스프레이 등에 의한 산포법, 스크린 인쇄 등의 인쇄법, 닥터 블레이드법, 스핀 코트법, 커튼 코터법 등의 도포법 등) 으로 형성할 수 있다. 탄소 분말 함유층 (22) 은, 도 1C 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 물품 (21) 의 표면 (21a) 의 전체면에 형성해도 되고, 또는 표면 (21a) 의 소정 위치에만 부분적으로 형성해도 된다. 탄소 분말 함유층 (22) 에 포함되는 탄소 분말은, 레이저 조사시의 발열에 의해 소실되므로, 소성 후의 다공질 세라믹스 소결체 (40) 에는 실질적으로 잔존하지 않는다.

탄소 분말 함유층 (22) 에 포함되는 탄소 분말의 함유 비율은, 레이저광의 흡수능을 높이는 관점에서, 바람직하게는 50 질량％ 이상, 보다 바람직하게는 80 질량％ 이상이다. 탄소 분말 함유층 (22) 의 두께는, 레이저광의 흡수능을 높이는 관점에서, 바람직하게는 5 ㎚ ∼ 30 ㎛, 보다 바람직하게는 100 ㎚ ∼ 10 ㎛ 이다.

또한, 다공질 세라믹스 소결체 (40) 의 물성에 영향을 미치지 않는 범위이면, 탄소 분말 함유층 (22) 은, 탄소 분말 이외의 레이저 흡수재를 포함하고 있어도 된다. 예를 들어, 탄소 분말 함유층 (22) 은, 탄소 분말 함유층 (22) 에 포함되는 레이저 흡수재의 전체량에 대하여 25 ％ 이하이면, 탄소 분말 이외의 레이저 흡수재 (예를 들어 흑색 이트리아) 를 함유해도 된다.

[공정 3 : 다공질의 세라믹스 소결부 (41) 를 형성하는 공정]

공정 3 은, 세라믹스 물품 (21) 을 소결하는 공정이다. 공정 3 에서는, 세라믹스 물품 (21) 과 탄소 분말 함유층 (22) 을 포함하는 적층물 (20) 에 대해, 탄소 분말 함유층 (22) 의 표면 (22a) 에 레이저광 (31) 을 조사하여, 다공질 세라믹스 소결부 (41) 를 포함하는 다공질 세라믹스 소결체 (40) 를 제조한다. 본 명세서에 있어서는, 「다공질 세라믹스 소결체 (40)」 란, 다공질 세라믹스 소결부 (41) 를 적어도 일부에 포함하는 것을 의미한다. 따라서, 다공질 세라믹스 소결체 (40) 의 다른 부분에 비소결부 (42) 를 포함해도 된다. 다공질 세라믹스 소결체 (40) 는, 다공질 세라믹스 소결부 (41) 만으로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 1C 에 나타내는 바와 같이, 레이저 장치 (30) 로부터의 레이저광 (31) 을, 적층물 (20) 의 탄소 분말 함유층 (22) 의 표면 (22a) 의 소정의 위치에 조사하면, 레이저광이 조사된 조사 위치 (31E) 에서는, 탄소 분말 함유층 (22) 중의 탄소 분말이 레이저광의 에너지를 흡수하여 발열한다. 조사 위치 (31E) 에 존재하는 탄소 분말 함유층 (22) 은, 발열함과 동시에 순시에 소실된다. 그리고, 탄소 분말 함유층 (22) 의 하측에 있는 세라믹스 물품 (21) 중, 조사 위치 (31E) 의 직하 (直下) 의 영역 (이것을 「직하 영역 (31R)」 이라고 칭한다) 내에 존재하는 부분 (21P) 은, 800 ℃ 이상 (추정 온도) 으로 예열된다. 세라믹스 물품 (21) 의 부분 (21P) (부분 (21P) 의 표면 상에 있던 탄소 분말 함유층 (22) 은 이미 소실되어 있으므로, 부분 (21P) 의 표면은 노출되어 있다) 에, 추가로 레이저광 (31) 이 조사됨으로써, 부분 (21P) 의 온도 상승이 진행된다. 그 결과, 부분 (21P) 내에 있는 세라믹스 분말이 소결되어, 다공질 세라믹스 소결부 (41) 가 형성된다 (도 1D). 이로써, 세라믹스 물품 (21) 의 원하는 위치 (부분 (21P)) 에만, 국소적으로 다공질 세라믹스 소결부 (41) 를 형성할 수 있다.

또한, 세라믹스 물품 (21) 은, 조사 위치 (31E) 의 직하 영역 (31R) 의 범위 외에 있는 부분에서는 소결되지 않기 때문에, 소결되지 않았던 부분은 비소결부 (42) 가 된다. 비소결부 (42) 는, 필요에 따라 제거해도 되고, 또한 추가적인 레이저 조사를 실시하여 비소결부 (42) 를 소결하여, 다공질 세라믹스 소결부 (41) 를 확대해도 된다.

레이저광 (31) 은, 도 1C 에 나타내는 바와 같이, 탄소 분말 함유층 (22) 의 표면 (22a) 의 일부 (소정 위치) 에만 조사해도 되고, 또는 탄소 분말 함유층 (22) 의 표면 (22a) 의 전체면에 조사해도 된다. 탄소 분말 함유층 (22) 의 표면 (22a) 의 전체면에 레이저 조사를 실시함으로써, 세라믹스 물품 (21) 전체를 소결부 (41) 로 할 수 있다. 레이저광 (31) 을, 표면 (22a) 의 전체면에 조사하는 방법으로는, 스폿 직경이 큰 레이저광 (31) 을 사용하여 동시에 전체면 조사하는 방법 (일제 조사) 과, 스폿 직경이 작은 레이저광 (31) 의 조사 위치 (31E) 를 상대적으로 이동시킴으로써, 표면 (22a) 의 전체면에 조사하는 방법 (주사 조사) 이 있다. 주사 조사로는, 예를 들어, 적층물 (20) 을 고정시킨 상태에서 레이저를 스캔시키는 방법, 광 확산 렌즈를 통해서 레이저의 광로를 변화시키면서 조사하는 방법, 또는 레이저의 광로를 고정시키고, 적층물 (20) 을 이동시키면서 레이저를 조사하는 방법을 들 수 있다.

사용하는 레이저광의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 레이저광의 흡수 효율을 높이는 관점에서, 탄소 분말에 의한 흡수율이 높은 파장역 (500 ㎚ ∼ 11 ㎛) 의 레이저광을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, Nd : YAG 레이저, Nd : YVO 레이저, Nd : YLF 레이저, 티탄 사파이어 레이저, 탄산 가스 레이저 등을 사용할 수 있다.

레이저광의 조사 조건은, 소결 면적, 소결 깊이 등에 따라 적절히 선택된다. 평균 레이저 밀도는, 소결을 적절히 진행시키는 관점에서, 바람직하게는 150 W/㎠ 이상 600 W/㎠ 이하이고, 보다 바람직하게는 200 W/㎠ 이상 550 W/㎠ 이하이다.

평균 레이저 밀도는, 레이저 출력 (W) 을 레이저광의 스폿 면적 (㎠) 으로 나누어 구한다.

일제 조사의 경우, 레이저광의 조사 시간은, 세라믹스 물품 (21) 이 충분히 소결되는 시간으로 설정하면 된다. 레이저광의 조사 시간은, 주로 레이저 밀도에 기초하여 설정되고, 예를 들어 1 초간 이상 60 분간 이하로 설정할 수 있다.

주사 조사의 경우, 세라믹스 물품 (21) 에 대한 레이저 스폿의 상대 이동 속도 (이것을 「스캔 스피드」 라고 부른다) 는, 세라믹스 물품 (21) 이 충분히 소결 되는 속도로 설정하면 된다. 레이저광의 스캔 스피드는, 주로 레이저 밀도에 기초하여 설정되고, 예를 들어 10 ㎜/s 이상 1000 ㎜/s 이하로 설정할 수 있다.

탄소 분말 함유층 (22) 에 레이저광을 조사할 때의 분위기는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 대기, 질소, 아르곤, 헬륨, 진공 등으로 할 수 있다. 또, 레이저광을 조사하기 전에, 세라믹스 물품 (21) 및/또는 탄소 분말 함유층 (22) 을 예열해도 된다. 예열 온도는, 바람직하게는 300 ℃ 이상, 보다 바람직하게는 400 ℃ 이상이고, 예열 온도의 상한은, 통상, 소결용 세라믹스의 융점보다 200 ℃ 이상 낮은 온도이다. 예열은, 예를 들어, 적외선 램프, 할로겐 램프, 저항 가열, 고주파 유도 가열, 마이크로파 가열 등으로 실시할 수 있다.

<실시형태 2 : 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법>

도 2A ∼ 도 2C 는, 실시형태 2 에 관련된 다공질 세라믹스 소결체 (40) 의 제조 방법을 설명하기 위한 개략 단면도이다. 실시형태 2 에서는, 세라믹스 물품 (21) 을, 기재 (23) 의 위에 형성하고 있는 점에서 실시형태 1 과 상이하지만, 그 밖의 점에 대해서는 실시형태 1 과 동일하다. 이하, 실시형태 1 과 상이한 점을 중심으로 설명한다.

[공정 1 : 세라믹스 물품 (21) 을 얻는 공정]

도 2A 에 나타내는 바와 같이, 기재 (23) 상에서 세라믹스 분말 (10) 을 성형하여, 기재 (23) 상에 성형체 (세라믹스 물품 (21)) 를 제조한다.

기재 (23) 는, 금속, 합금 및 세라믹스에서 선택된 적어도 1 종으로 이루어지는 것이 바람직하다. 기재 (23) 상에 세라믹스 물품 (21) 을 형성하는 방법으로는, 용사법, 전자빔 물리 증착법, 레이저 화학 증착법, 콜드 스프레이법 외에, 슬러리 (소결용 세라믹스 분말, 분산매 및 필요에 따라 사용되는 고분자 바인더를 포함한다) 를 도포, 건조, 및 탈지하여 형성하는 방법 등의, 종래 공지된 방법으로 형성할 수 있다. 기재 (23) 와 세라믹스 물품 (21) 은, 접합되어 있어도 되고, 접합되지 않고, 세라믹스 물품 (21) 이 기재 (23) 의 위에 재치 (載置) 되어 있어도 된다.

[공정 2 : 적층물 (200) 을 얻는 공정]

도 2B 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 물품 (21) 의 표면 (21a) 에 탄소 분말 함유층 (22) 을 형성한다. 이로써, 기재 (23), 세라믹스 물품 (21) 및 탄소 분말 함유층 (22) 이 적층된 적층물 (200) 이 얻어진다.

[공정 3 : 다공질의 세라믹스 소결부 (41) 를 형성하는 공정]

도 2B 및 도 2C 에 나타내는 바와 같이, 적층물 (200) 의 탄소 분말 함유층 (22) 의 표면 (22a) 에 레이저광 (31) 을 조사하여, 세라믹스 물품 (21) 중에 다공질 세라믹스 소결부 (41) 를 형성한다. 이로써, 기재 (23) 상에, 다공질 세라믹스 소결부 (41) 와 비소결부 (42) 를 포함하는 다공질 세라믹스 소결체 (40) 가 형성된다.

<실시형태 3 : 다공질 세라믹스 소결체>

실시형태 3 은, 실시형태 1 또는 2 에 기재한 방법에 의해 세라믹스 물품을 레이저 조사로 소결시켜 얻어진, 다공질 세라믹스 소결체에 관한 것이다. 실시형태 3 에서는, 비소결부를 포함하지 않는 (요컨대, 다공질 세라믹스 소결부만으로 이루어지는) 다공질 세라믹스 소결체를 대상으로 한다.

실시형태 3 에 관련된 다공질 세라믹스 소결체는, 평균 세공경이 0.01 ㎛ 이상 1.00 ㎛ 이하이고, 하기 식 (1) ∼ (3) 을 만족하고 있다.

여기서,

D 는, 다공질 세라믹스 소결체의 상대 밀도 (％) 이고,

P 는, 다공질 세라믹스 소결체의 굽힘 강도 (㎫) 이다.

이하에, 상기의 특징에 대해 순차 설명한다.

·평균 세공경에 대해

실시형태 3 의 다공질 세라믹스 소결체는, 조공재를 사용하지 않고 소결함으로써, 세공경이 작고, 평균 세공경이 0.01 ㎛ 이상 1.00 ㎛ 였다. 이로써, 비표면적이 크고, 상대 밀도가 작은 다공질 세라믹스 소결체가 얻어진다.

평균 세공경은, 수은 압입법 (JIS R 1655 : 2003 에 준거) 으로 측정한다.

·식 (1) 에 대해

다공질 세라믹스 소결체는, 다공질이기 때문에, 상대 밀도 D (％) 는 어느 정도 낮은 것이 필요하다. 실시형태 3 에서는, 상대 밀도 D 는 35 ％ 이상 75 ％ 이하이다. 이것을 식 (1) 에 나타낸다.

상대 밀도 D 는, 바람직하게는 40 ％ 이상 70 ％ 이하이고, 보다 바람직하게는 42 ％ 이상 60 ％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 45 ％ 이상 55 ％ 이하이다.

상대 밀도 D 는, 다공질 세라믹스 소결체의 부피 밀도와, 당해 소결체를 구성하는 세라믹스의 이론 밀도로부터 산출한다. 먼저, JIS R 1634 : 1998 에 준거하여, 부피 밀도를 산출한다. 이어서, 부피 밀도를, 다공질 세라믹스 소결체를 구성하는 세라믹스의 이론 밀도 (예를 들어, 알루미나이면, 이론 밀도는 3.95 g/㎤) 로 나눔으로써, 상대 밀도 D 를 산출한다.

·식 (2) 에 대해

본 발명자들은, 특허문헌 1 과 같이, 종래의 전기로에서 소성한 다공질 세라믹스 소결체와, 실시형태 1 과 같이, 레이저 조사로 소결한 다공질 세라믹스 소결체를 제조하고, 그것들을 검토하였다. 실시예에서 제조한 다공질 세라믹스 소결체 (다공질 알루미나 소결체) 에 대해, 상대 밀도 D 에 대한 굽힘 강도 P 를 플롯한 결과, 도 3 에 나타내는 바와 같은 결과가 되었다. 전기로에서 소성한 다공질 알루미나 소결체 (▲ 표) 에 비해, 레이저 소결한 다공질 알루미나 소결체 (● 표) 는, 동일한 상대 밀도 D 여도 굽힘 강도 P 가 높은 경향이 있는 것을 알 수 있었다. 본 발명자들은, 상대 밀도 D 와 굽힘 강도 P 의 관계를 표현할 수 있는 관계식을 예의 검토한 결과, 이하의 전제 조건 i) ∼ iii) 을 만족한다고 가정한 경우, 시그모이드형의 함수를 사용하여 표현할 수 있는 것을 알아내었다.

(전제 조건)

i) 소결 전의 세라믹스 물품 (알루미나 물품)

전제 조건 i) 는, 도 3 의 그래프에 있어서, 상대 밀도 35 ％ 에서의 굽힘 강도와, 거의 동등한 굽힘 강도를 나타내고 있는 범위에 관한 전제 조건이다.

대상물은, 세라믹스 분말 (알루미나 분말) 을 성형 (예를 들어 프레스 성형) 하여 얻어진 세라믹스 물품 (알루미나 물품) 이다. 상대 밀도가 35 ％ 이상인 영역에서는, 세라믹스 물품의 강도는, 낮은 강도로 거의 일정해진다고 가정한다. 또, 이 단계에서는 소결 전이기 때문에, 전기로 소성용의 세라믹스 물품과 레이저 소결용의 세라믹스 물품은 강도가 동일한 값이 되고, 또한 그들의 강도가 일정해진다.

ii) 상대 밀도가 낮은 다공질 세라믹스 소결체 (다공질 알루미나 소결체)

전제 조건 ii) 는, 도 3 의 그래프에 있어서, 상대 밀도의 증가에 수반하여 굽힘 강도가 증가하는 범위에 관한 전제 조건이다.

대상물은, 세라믹스 물품의 소결을 개시한 후부터, 충분히 소결되기 전까지의 사이에 형성될 수 있는 다공질 세라믹스 소결체를 상정하고 있다. 소결이 충분히 진행되어 있지 않기 때문에, 상대 밀도는 낮다. 소결이 진행됨에 따라, 세라믹스 소결체의 상대 밀도와 굽힘 강도가 함께 상승한다. 또한, 상대 밀도가 어느 정도 커지면, 굽힘 강도가 급격하게 상승한다.

iii) 상대 밀도가 높은 다공질 세라믹스 소결체 (다공질 알루미나 소결체)

전제 조건 iii) 은, 도 3 의 그래프에 있어서, 상대 밀도 75 ％ 에 있어서의 굽힘 강도와 거의 동등한 굽힘 강도를 나타내고 있는 범위에 관련되는 전제 조건이다.

대상물은, 충분히 소결된 다공질 세라믹스 소결체이고, 높은 굽힘 강도를 가지고 있다. 굽힘 강도는, 비교적 치밀한 알루미나 소결체의 굽힘 강도 (400 ∼ 500 ㎫ 정도) 에 가까운 값으로 거의 일정해진다고 상정된다. 도 3 의 그래프에서는, 굽힘 강도는 약 400 ㎫ 가 되는 것으로 한다.

도 3 에 나타내는 바와 같이, 전기로에서 소성한 다공질 알루미나 소결체의 상대 밀도와 굽힘 강도의 플롯을 시그모이드형의 함수로 피팅한 그래프 (일점 쇄선) 와, 레이저 소결한 다공질 알루미나 소결체의 상대 밀도와 굽힘 강도의 플롯을 피팅한 그래프 (이점 쇄선) 를 각각 그린다. 그리고, 그들 그래프 사이를 지나는 그래프 (실선) 를 그린다. 이 실선의 그래프가, 실시형태 3 의 다공질 세라믹스 소결체의 상대 밀도-굽힘 강도의 임계값을 나타내는 그래프인 것으로 한다.

실선의 그래프로부터, 상대 밀도가 약 65 ％ 이상이 되면, 굽힘 강도는 거의 일정해진다고 추측할 수 있다. 또한, 레이저 조사의 실측값의 그래프 (이점 쇄선) 에서는, 상대 밀도가 약 61 ％ 이상이 되면 굽힘 강도는 거의 일정해진다고 추측할 수 있다. 전기로 소성의 실측값의 그래프 (일점 쇄선) 에서는, 상대 밀도가 약 67 ％ 이상이 되면, 굽힘 강도는 거의 일정해진다고 추측할 수 있다.

실시형태 3 의 다공질 세라믹스 소결체 (● 표) 는, 도 3 의 실선의 그래프보다 좌측에 있기 때문에, 다공질 세라믹스 소결체의 굽힘 강도를, 실선의 그래프(시그모이드 함수) 로부터 구한 굽힘 강도로 나눈 값은 1 보다 커진다. 이것을 식으로 나타내면, 식 (2) 와 같이 된다.

여기서,

D 는, 다공질 세라믹스 소결체의 상대 밀도 (％) 이고,

P 는, 다공질 세라믹스 소결체의 굽힘 강도 (㎫) 이다.

또한, 본 발명자들은, 상기 ii) 「상대 밀도가 낮은 다공질 세라믹스 소결체」 의 범위를 적절히 표현하는 것을 주안에 두고, 시그모이드형의 함수를 선택하였다.

·식 (3) 에 대해

비교적 치밀한 세라믹스 소결체 (예를 들어 알루미나 소결체) 의 굽힘 강도는, 일반적으로 400 ∼ 500 ㎫ 정도이다. 실시형태 3 은, 다공질 세라믹스 소결체 (예를 들어 다공질 알루미나 소결체) 이기 때문에, 굽힘 강도는 500 ㎫ 보다 작아진다. 또, 도 3 에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 다공질 세라믹스 소결체의 굽힘 강도는 400 ㎫ 전후의 값을 취한다고 가정한다. 실시형태 3 에서는, 다공질 세라믹스 소결체의 굽힘 강도 P (㎫) 의 상한을, 그들 굽힘 강도의 값 (500 ㎫ 와 400 ㎫) 의 중간의 값인 450 ㎫ 로 하였다. 이것을 식 (3) 으로 나타낸다.

P < 450 ㎫ ···(3)

실시형태 3 의 다공질 세라믹스 소결체는, 세공경이 작고, 상대 밀도가 낮고, 또한 굽힘 강도가 높기 때문에, 다공질 세라믹스 소결체의 고비표면적과 경량화를 달성할 수 있다. 또, 굽힘 강도가 높은 점에서, 세라믹스 입자간의 결합력이 높은, 요컨대, 세라믹스 입자간의 넥이 어느 정도 성장하고 있다고 추측된다. 그 때문에, 종래의 다공질 세라믹스 소결체에 있어서, 동일한 정도의 상대 밀도를 갖는 것에 비해, 상대적으로 높은 열전도도를 가질 것으로 기대된다. 그 때문에, 경량화된 방열성 필러로서의 용도에 적합할 수 있다.

다공질 세라믹스 소결체는, 개기공률이 35 ％ 이상 60 ％ 미만인 것이 바람직하고, 40 ％ 이상 60 ％ 미만인 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는, 45 ％ 이상 58 ％ 이하이고, 특히 바람직하게는 50 ％ 이상 55 ％ 이하이다.

개기공률이 상기 범위에 있으면, 촉매용의 담체로서의 용도, 또는 분리막으로서의 용도에 적합한 다공질 세라믹스 소결체가 얻어진다.

예를 들어, 다공질 세라믹스 소결체를 촉매용의 담체로서 사용하는 경우, 개기공률이 상기 범위에 있으면, 개기공의 내부에 있어서도 촉매를 담지할 수 있다. 담지한 촉매를 사용하여 촉매 반응을 일으키게 할 때, 반응 물질을 포함하는 유체가 개기공의 내부에 출입하여, 개기공의 내부에서 촉매 반응이 일어나기 때문에, 반응 효율을 높일 수 있다. 또, 다공질 세라믹스 소결체는, 촉매용의 담체로서 사용하는 데에 충분한 강도를 확보할 수도 있다.

또, 다공질 세라믹스 소결체를 분리막으로서 사용하는 경우, 개기공률이 상기 범위에 있으면, 액체의 투과성능이 향상된다고 생각된다. 또, 다공질 세라믹스 소결체는, 분리막으로서 사용하는 데에 충분한 강도를 확보할 수도 있다.

개기공률은, 물체의 표면에 접속되어 있는 기공이고, JIS R 1634 : 1998 (아르키메데스법) 에 준거하여 측정한다.

실시예

(실시예 1 ∼ 2, 비교예 1 ∼ 5)

(1) 다공질 세라믹스 소결체의 제조

실시예 1 ∼ 2 및 비교예 1 ∼ 5 에서 사용한 세라믹스 분말 원료의 종류 및 물성 (중장 부피 밀도, 메디안경), 세라믹스 분말 원료를 가압 성형하여 제조한 세라믹스 물품의 성형 조건, 세라믹스 물품의 소결 방법 및 소결 조건을, 표 1 ∼ 2 에 기재하였다. 또한, 표 2 에 있어서, 「-」 는, 그 처리를 실시하지 않았던 것을 의미한다.

또, 표 중에서 밑줄을 그은 것은, 본 발명의 실시형태의 요건을 만족하고 있지 않은 것을 나타낸다.

원료 분말에는, 시판되고 있는 α-알루미나 분말 (AKP-3000, AKP-20 : 스미토모 화학 주식회사 제조) 의 것을 사용하였다.

중장 부피 밀도는, JIS R 9301-2-3 (1999) 「알루미나 분말- 제 2 부 : 물성 측정 방법-3 : 경장 부피 밀도 및 중장 부피 밀도」 에 준거하여 측정하였다. 먼저, 진동을 방지하고, 정치시킨 용적 기지의 용기 (실린더) 중에, 원료 분말을 자유롭게 낙하시켜 모았다. 그 후, 시료가 들어간 실린더를 3 ㎝ 의 높이로부터 100 회 낙하시키고 태핑 (압축) 을 실시하여, 압축 후의 시료의 체적을 판독하고, 질량을 체적으로 나누어 중장 부피 밀도를 산출하였다. 또한, 100 회의 태핑의 도중에 분말의 압축 후의 체적이 포화되어 있는 것을 확인한 후에 측정을 실시하였다.

원료 분말의 입경 (메디안경) 은, 입도 분포를 측정하여, D50 의 값을 구하였다. 입도 분포 측정은, 레이저 입도 분포 측정 장치 [마이크로 트랙·벨 (주) 제조 「마이크로 트랙 MT3300EXII」] 를 사용하여 실시하였다. 측정하는 세라믹스 분말을 0.2 질량％ 의 헥사메타인산소다 수용액 (이하 「분산액」 이라고도 칭한다) 에 소량 첨가하고, 장치 내장의 초음파에 40 W 로 5 분간 가하여, 원료 분말을 분산시켰다. 또한, 알루미나의 굴절률은 1.76 으로 하였다.

원료 분말을 300 mg 나누어 취하고, 펠릿 성형용의 금형 (내경이 펠릿 직경과 동등한 원통형) 에 장전하고, 1 축 프레스기로 표 1 에 기재된 성형 압력으로 30 초 가압하여, 소결용의 알루미나 펠릿 (알루미나 물품 시료) 을 얻었다.

레이저 소결을 실시한 실시예 및 비교예에서는, 먼저, 카본 도포를 실시하였다. 알루미나 물품 시료의 표면에, 니혼 선박 공구 유한 회사 제조 에어졸 건성 흑연 피막 형성 윤활제 「DGF 스프레이」 (상품명) 의 분사를 약 1 초간 실시하였다. 그 후, 이것을, 30 초간 방치하여, 두께가 약 5 ㎛ 인 탄소 분말 함유층을 구비하는 적층물 시료를 얻었다.

다음으로, 적층물 시료의 탄소 분말 함유층의 표면에, 파장 1070 ㎚ 의 레이저광을 조사하였다. 레이저 출력, 스폿 사이즈, 스캔 스피드는, 표 2 에 기재하였다.

전기로 소성을 실시한 비교예에서는, 고온 소성 전기로 (슈퍼번 : 주식회사 모토야마 제조) 를 사용하여, 2 ℃/min 으로 소성 온도까지 승온시키고, 소성 온도에서 2 시간 가열하였다.

얻어진 다공질 알루미나 소결체 시료 (이하 「소결체 시료」 라고 칭한다) 에 대해, 이하의 물성을 측정하였다.

(상대 밀도)

상대 밀도의 측정에서는, 먼저, JIS R 1634 : 1998 에 준거하여, 아르키메데스법에 의해 부피 밀도를 산출하였다. 부피 밀도는 하기 식 (4) 에 의해 구하였다. 이어서, 부피 밀도를 알루미나의 이론 밀도 (3.95 g/㎤) 로 나눔으로써, 상대 밀도를 산출하였다.

부피 밀도 (g/㎤) = W1 ÷ (W3 - W2) × ρ ···(4)

여기서, W1 은 소결체 시료의 건조 질량 (g), W2 는 소결체 시료의 액 중 질량 (g), W3 은 소결체 시료의 함액 (含液) 질량 (g), ρ 는 시험시의 액체 (매액 (媒液)) 의 밀도 (g/㎤) 이다.

또한, 시험시의 액체 (매액) 로는, 물 (비중 ρ = 1.00 g/㎤) 을 사용하였다. 이하에 설명하는 아르키메데스법을 사용한 각종 측정에 있어서도, 액체로서 물을 사용하였다.

(개기공률)

개기공률은, JIS R 1634 : 1998 에 준거하여, 아르키메데스법에 의해 구하였다. 개기공률은, 하기 식 (5) 에 의해 산출하였다.

개기공률 (％) = (W3 - W1) ÷ (W3 - W2) × 100 ···(5)

여기서, W1 은 소결체 시료의 건조 질량 (g), W2 는 소결체 시료의 액중 질량 (g), W3 은 소결체 시료의 함액 질량 (g) 이다.

(평균 세공경)

평균 세공경은, JIS R 1655 : 2003 에 준거하여, 수은 압입식 포로시미터를 사용하여 압력과 액량의 관계식으로부터 세공 분포를 평가하였다.

(3 점 굽힘)

3 점 굽힘은, JIS R 1601 : 2008 에 준거하여 측정하였다. 먼저, φ15 ㎜ 의 소결체 시료를 절삭 가공하여, 표준 시험편 I (길이 12 ㎜, 폭 4 ㎜, 두께 1.1 ㎜) 의 형상을 갖는 다공질 세라믹스 소결체의 시험편을 제조하였다. 얻어진 시험편을, 일정 거리 (8 ㎜) 를 두고 배치된 2 개의 지점 위에 둔다. 지점간의 중앙 위치에서, 시험편에 대해 위에서부터 하중을 가하여, 시험편이 파괴되었을 때의 최대 하중을 측정하였다. 측정 결과를 사용하여, 이하의 식 (6) 으로부터 굽힘 강도를 산출하였다.

σ_b3 = 3PL ÷ 2wt² ···(6)

여기서, σ_b3 은 3 점 굽힘 강도 (㎫) 이고, P 는 시험편이 파괴되었을 때의 최대 하중 (N) 이고, L 은 지점간 거리 (8 ㎜) 이고, w 는 시험편의 폭 (4 ㎜) 이고, t 는 시험편의 두께 (1.1 ㎜) 이다.

실시예 1 및 2 의 소결체 시료는, 실시형태의 요건을 만족하는 알루미나 입자를 사용하여, 실시형태의 제조 공정을 만족하는 제조 방법으로 제조했기 때문에, 낮은 상대 밀도와 높은 열전도율을 함께 달성하고 있었다.

비교예 1 ∼ 4 는, 소결 공정에 있어서 전기로를 사용했기 때문에, 얻어진 소결체 시료는, 식 (2) 를 만족하지 않고, 상대 밀도에 대한 굽힘 강도가 충분히 향상되어 있지 않았다.

비교예 5 는, 원료의 세라믹스 분말 (알루미나 분말) 의 중장 부피 밀도가 컸기 때문에, 얻어진 세라믹스 소결체 (알루미나 소결체) 는 상대 밀도가 높았다. 또, 레이저 조사하여 소결했을 때의 수축률이 높았다. 그 때문에, 소결 후, 알루미나 소결체는 균열되어 버렸다.

(실시예 3 ∼ 4, 비교예 6)

(1) 다공질 세라믹스 소결체의 제조

실시예 3 ∼ 4 및 비교예 6 에서 사용한 세라믹스 분말 원료의 종류 및 물성 (중장 부피 밀도, 메디안경), 세라믹스 분말 원료를 가압 성형하여 제조한 세라믹스 물품의 성형 조건, 세라믹스 물품의 소결 방법 및 소결 조건을, 표 4 ∼ 5 에 기재하였다. 또한, 표 5 에 있어서, 「-」 는, 그 처리를 실시하지 않았던 것을 의미한다.

각종 측정 방법, 세라믹스 물품의 성형 조건, 세라믹스 물품의 소결 방법 및 소결 조건에 대해서는, 「실시예 1 ∼ 2, 비교예 1 ∼ 5」 에 기재한 소결 방법 및 소결 조건과 동일하게 하였다. 열전도율의 측정은 이하와 같이 하였다.

(열전도율)

열전도율 (λ) 은, 열확산율, 비열 용량 및 부피 밀도를 각각 측정하고, 그들 측정값의 곱으로부터 산출하였다.

부피 밀도는, 「실시예 1 ∼ 2, 비교예 1 ∼ 5」 에 기재한 측정 방법을 사용하였다. 열확산율 및 비열 용량의 측정 방법은 이하와 같았다.

열확산율은 JIS R 1611 : 2010 에 준거하여, 플래시법에 의해 구하였다.

비열 용량은, JIS R 1672 : 2006 에 준거하여, DSC 법으로 측정하였다.

실시예 3 및 4 의 소결체 시료는, 실시형태의 요건을 만족하는 알루미나 입자를 사용하여, 실시형태의 제조 공정을 만족하는 제조 방법으로 제조했기 때문에, 낮은 상대 밀도와 높은 열전도율을 함께 달성하고 있었다. 이러한 점에서, 얻어진 다공질 세라믹스 소결체는, 상대 밀도가 낮음에도 불구하고, 세라믹스 입자간의 결합력이 높다고 추측된다.

비교예 6 은, 소결 공정에 있어서 전기로를 사용했기 때문에, 얻어진 소결체 시료는, 상대 밀도는 낮았지만, 열전도율도 낮았다. 이러한 점에서, 얻어진 다공질 세라믹스 소결체는, 세라믹스 입자간의 결합력이 낮다고 추측된다.

본 출원은 출원일이 2021년 4월 21일인 일본 특허출원, 일본 특허출원 제2021-072062호를 기초 출원으로 하는 우선권 주장을 수반한다. 일본 특허출원 제2021-072062호는 참조함으로써 본 명세서에 받아들여진다.

10 : 세라믹스 분말
20, 200 : 적층물
21 : 세라믹스 물품
22 : 탄소 분말 함유층
23 : 기재
30 : 레이저 조사 수단
31 : 레이저광
31E : 조사 위치
31R : 조사 위치의 직하 영역
40 : 다공질 세라믹스 소결체
41 : 다공질 세라믹스 소결부
42 : 비소결부
60 : 금형
61 : 가압 지그

Claims

중장 부피 밀도가 1.0 g/㎤ 이하인 세라믹스 분말을 성형하여, 세라믹스 물품을 얻는 공정과,
상기 세라믹스 물품의 표면에 탄소 분말 함유층을 형성하여 적층물을 얻는 공정과,
상기 적층물의 상기 탄소 분말 함유층의 표면에 레이저광을 조사하여, 다공질의 세라믹스 소결부를 형성하는 공정을 포함하는, 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 세라믹스 분말은, 산화알루미늄, 산질화알루미늄, 및 질화알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택된 1 종으로 이루어지는 분말인, 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
조사하는 상기 레이저광의 평균 레이저 밀도가 150 W/㎠ 이상 600 W/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법.
평균 세공경이 0.01 ㎛ 이상 1.00 ㎛ 이하이고, 하기 식 (1) ∼ (3) 을 만족하는, 다공질 세라믹스 소결체.

여기서,
D 는, 다공질 세라믹스 소결체의 상대 밀도 (％) 이고,
P 는, 다공질 세라믹스 소결체의 굽힘 강도 (㎫) 이다.
제 4 항에 있어서,
개기공률이 35 ％ 이상 60 ％ 미만인, 다공질 세라믹스 소결체.