WO2016152687A1 - Ceramic material and method for producing same - Google Patents
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Definitions
- the pores 3 of the ceramic material 1 of the present invention are not spheres, and there are many interfaces between the pores 3 and the nanoparticles 2.
- the average pore diameter, pore surface area, and pore volume can be measured by mercury porosimetry.
- Phonons and conduction electrons are responsible for heat conduction, but phonons are dominant in ceramic materials.
- the heat conduction by phonons is also affected by the structure having a length close to the free path of phonons. A phonon having a longer free path than the length of the structure is scattered by the structure and hardly transfers heat, and a short phonon can transfer heat without scattering.
- the firing temperature is preferably 1000 to 2000 ° C., more preferably 1000 to 1800 ° C., and further preferably 1200 to 1700 ° C. If it is less than 1000 ° C., the sintering does not proceed sufficiently, the strength of the ceramic material becomes weak, and the thermal conductivity may become too low. Moreover, when the temperature exceeds 2000 ° C., the particle size of the nanoparticles 2 becomes too large, and the thermal conduction of phonons having a long free path may not be suppressed.
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Abstract
Provided are: a ceramic material that is capable of changing the thermal conductivity thereof in accordance with changes in temperature; and a method for producing same. The ceramic material 1 is configured from nanoparticles 2, has a pore surface area, a pore volume, and an average pore size that satisfy 3.5 < (pore surface area × average pore size/pore volume), has a thermal conductivity that increases monotonically from room temperature to 100 °C, and has a thermal conductivity that changes in accordance with changes in temperature. The nanoparticles 2 of the ceramic material preferably bond and form a three-dimensional mesh skeleton structure.
Description
本発明は、温度によって伝熱性能が変化するセラミックス材料、及びその製造方法に関する。
The present invention relates to a ceramic material whose heat transfer performance varies with temperature, and a method for manufacturing the same.
近年CO2の排出規制、エネルギー問題などから熱エネルギーの有効利用が求められている。熱発生源を搭載した装置等において、熱が必要とされる場合と熱が不要とされる場合がある。例えば、EVに搭載される電池バッテリーパックでは、電池の温度が低くなると、抵抗が高くなるため、低温時には断熱性が求められる。その一方で温度が高すぎると電解液の分解による発火が懸念されるため、高温時には放熱性が求められる。従って、同じ箇所で熱の流れを制御する技術が、熱の有効利用に繋がると考えられる。
In recent years, effective use of thermal energy has been required due to CO 2 emission regulations and energy problems. In an apparatus or the like equipped with a heat generation source, heat may be required or heat may be unnecessary. For example, in a battery pack that is mounted on an EV, the resistance increases when the temperature of the battery decreases, so that heat insulation is required at low temperatures. On the other hand, if the temperature is too high, there is concern about ignition due to decomposition of the electrolytic solution, so heat dissipation is required at high temperatures. Therefore, it is thought that the technique of controlling the heat flow at the same location leads to effective use of heat.
このような技術としては、電極に挟まれた転移体にエネルギー(磁場、電場、光、熱など)を印加することで電子相転移を伴う熱伝導率を切り替える素子(特許文献1)、基材とカーボンナノチューブ層を有した基材とが接触する接続状態及び接触しない非接続状態を切り替えるスイッチ(特許文献2)が開示されている。また、電子相転移の一例である絶縁体-金属転移を起こすVO2については、転移温度である70℃付近を境に、熱伝導率が60%増加するという報告がある(非特許文献1)。
As such a technique, an element (Patent Document 1) that switches the thermal conductivity accompanied by an electronic phase transition by applying energy (magnetic field, electric field, light, heat, etc.) to a transition body sandwiched between electrodes. And a switch (Patent Document 2) that switches between a connected state in which the substrate having the carbon nanotube layer contacts and a non-connected state in which the substrate has a carbon nanotube layer are disclosed. In addition, regarding VO 2 that causes an insulator-metal transition, which is an example of an electronic phase transition, there is a report that the thermal conductivity is increased by 60% around a transition temperature of 70 ° C. (Non-patent Document 1). .
しかしながら、特許文献1では、エネルギーを印加してスイッチの切り替えを行うため電極や配線等が必要である。また、特許文献2では、スイッチの接続状態を変化させるためにアクチュエータ等が必要である。このように、特許文献1及び特許文献2に記載のスイッチには、熱伝導率が変化するもの自体の他に、部品が必要となる。従って、スイッチが大型化したり、耐熱性などの観点から搭載場所が制限されたりする。さらに、複雑な形状のものを作製することは難しい。
However, in Patent Document 1, an electrode, wiring, and the like are necessary to switch the switch by applying energy. In Patent Document 2, an actuator or the like is required to change the connection state of the switch. As described above, the switches described in Patent Document 1 and Patent Document 2 require components in addition to the one whose thermal conductivity changes itself. Therefore, the switch is increased in size and the mounting location is restricted from the viewpoint of heat resistance. Furthermore, it is difficult to manufacture a complicated shape.
また、非特許文献1について、電子相転移では熱伝導率の変化量は小さく(VO2では3.5W/(m・K)から5.5W/(m・K)へ変化)、放熱と断熱を切り替えられるほどの特性を得ることはできない。
Regarding Non-Patent Document 1, the amount of change in thermal conductivity is small in the electronic phase transition (change from 3.5 W / (m · K) to 5.5 W / (m · K) in VO 2 ), and heat dissipation and heat insulation. It is not possible to obtain characteristics that can be switched.
本発明の課題は、温度変化に応じて自ら熱伝導率を変化することができるセラミックス材料、及びその製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a ceramic material capable of changing the thermal conductivity by itself according to a temperature change, and a method for manufacturing the same.
本発明者らは、ナノ粒子から構成され、細孔表面積、細孔容積、平均細孔径が3.5<(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)を満たし、熱伝導率が室温から100℃にかけて単調増加するセラミックス材料が、上記課題を解決できることを見出した。上記課題を解決するため、本発明によれば、以下のセラミックス材料、及びその製造方法が提供される。
The present inventors are composed of nanoparticles, satisfying a pore surface area, a pore volume, and an average pore diameter satisfying 3.5 <(pore surface area × average pore diameter / pore volume), and a thermal conductivity from room temperature. It has been found that a ceramic material that monotonously increases over 100 ° C. can solve the above problems. In order to solve the above problems, according to the present invention, the following ceramic material and a method for producing the same are provided.
[1] ナノ粒子から構成され、細孔表面積、細孔容積、平均細孔径が3.5<(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)を満たし、熱伝導率が室温から100℃にかけて単調増加するセラミックス材料。
[1] It is composed of nanoparticles, and the pore surface area, pore volume, and average pore diameter satisfy 3.5 <(pore surface area × average pore diameter / pore volume), and the thermal conductivity is from room temperature to 100 ° C. Monotonically increasing ceramic materials.
[2] 前記ナノ粒子が結合して三次元網目状骨格構造を形成している前記[1]に記載のセラミックス材料。
[2] The ceramic material according to [1], wherein the nanoparticles are bonded to form a three-dimensional network skeleton structure.
[3] 前記ナノ粒子の粒径が10~500nmである前記[1]または[2]に記載のセラミックス材料。
[3] The ceramic material according to [1] or [2], wherein the nanoparticles have a particle size of 10 to 500 nm.
[4] 気孔率が5~70%である前記[1]~[3]のいずれかに記載のセラミックス材料。
[4] The ceramic material according to any one of [1] to [3], wherein the porosity is 5 to 70%.
[5] 前記平均細孔径が10~1000nmである前記[1]~[4]のいずれかに記載のセラミックス材料。
[5] The ceramic material according to any one of [1] to [4], wherein the average pore diameter is 10 to 1000 nm.
[6] 前記セラミックス材料を形成する前記ナノ粒子の結合部のネック太さが5~300nmである前記[1]~[5]のいずれかに記載のセラミックス材料。
[6] The ceramic material according to any one of [1] to [5], wherein a neck thickness of a bonding portion of the nanoparticles forming the ceramic material is 5 to 300 nm.
[7] 前記ナノ粒子がSiC、AlN、Si3N4のいずれかである前記[1]~[6]のいずれかに記載のセラミックス材料。
[7] The ceramic material according to any one of [1] to [6], wherein the nanoparticles are any one of SiC, AlN, and Si 3 N 4 .
[8] 前記ナノ粒子の表面に異種材料が存在する前記[1]~[7]のいずれかに記載のセラミックス材料。
[8] The ceramic material according to any one of [1] to [7], wherein a different material is present on the surface of the nanoparticles.
[9] 前記異種材料はO、B、C、N、Al、SiおよびYからなる群から選ばれる少なくとも一種が含まれるものである前記[8]に記載のセラミックス材料。
[9] The ceramic material according to [8], wherein the different material includes at least one selected from the group consisting of O, B, C, N, Al, Si, and Y.
[10] 100℃における熱伝導率が室温の熱伝導率の1.5倍以上である前記[1]~[9]のいずれかに記載のセラミックス材料。
[10] The ceramic material according to any one of [1] to [9], wherein the thermal conductivity at 100 ° C. is 1.5 times or more the thermal conductivity at room temperature.
[11] 200℃における熱伝導率が室温の熱伝導率の2倍以上である前記[1]~[10]のいずれかに記載のセラミックス材料。
[11] The ceramic material according to any one of [1] to [10], wherein the thermal conductivity at 200 ° C. is at least twice the thermal conductivity at room temperature.
[12] 前記[1]~[11]のいずれかに記載のセラミックス材料の製造方法であって、原料である前記ナノ粒子を有機溶媒を用いて解砕し、乾燥後にプレス成形し、Ar雰囲気または真空中で焼成温度1000~2000℃、焼成圧力0~80MPa、焼成時間1~360分の焼成条件で作製するセラミックス材料の製造方法。
[12] The method for producing a ceramic material according to any one of [1] to [11], wherein the nanoparticles as a raw material are crushed using an organic solvent, press-molded after drying, and Ar atmosphere Alternatively, a method for producing a ceramic material that is produced in a vacuum under a firing temperature of 1000 to 2000 ° C., a firing pressure of 0 to 80 MPa, and a firing time of 1 to 360 minutes.
本発明のセラミックス材料は、低温時は熱伝導率が低く断熱し、高温時は熱伝導率が高く放熱する熱スイッチとして動作する。したがって、周囲の温度変化により熱伝導率が変化するので、自立的な熱スイッチとして動作する。このために、本発明のセラミックス材料を用いた熱スイッチは、駆動部などの部品が必要なく、小型化でき、形状の自由度が高い。
The ceramic material of the present invention operates as a thermal switch that has low thermal conductivity at low temperatures to insulate, and has high thermal conductivity at high temperatures to dissipate heat. Therefore, since the thermal conductivity changes due to a change in ambient temperature, it operates as a self-supporting thermal switch. For this reason, the thermal switch using the ceramic material of the present invention does not require parts such as a drive unit, can be miniaturized, and has a high degree of freedom in shape.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and changes, modifications, and improvements can be added without departing from the scope of the invention.
(セラミックス材料1)
図1はセラミックス材料1の一例を示す模式図である。図2は、ナノ粒子2の表面に異種材料4が存在するセラミックス材料1の一例を示す模式図である。本発明のセラミックス材料1は、ナノ粒子2から構成され、細孔表面積、細孔容積、平均細孔径が3.5<(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)を満たしている。また、熱伝導率が室温から100℃にかけて単調増加する。単調増加とは、室温から100℃の間で、温度が上がれば、熱伝導率が増加する、または変わらないことを意味し、温度が上がったにもかかわらず熱伝導率が減少するという領域がないということである。 (Ceramic material 1)
FIG. 1 is a schematic view showing an example of aceramic material 1. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of the ceramic material 1 in which the different material 4 exists on the surface of the nanoparticle 2. The ceramic material 1 of the present invention is composed of nanoparticles 2 and has a pore surface area, a pore volume, and an average pore diameter satisfying 3.5 <(pore surface area × average pore diameter / pore volume). Further, the thermal conductivity monotonously increases from room temperature to 100 ° C. Monotonic increase means that if the temperature rises between room temperature and 100 ° C., the thermal conductivity increases or does not change, and there is an area where the thermal conductivity decreases even though the temperature increases. That is not.
図1はセラミックス材料1の一例を示す模式図である。図2は、ナノ粒子2の表面に異種材料4が存在するセラミックス材料1の一例を示す模式図である。本発明のセラミックス材料1は、ナノ粒子2から構成され、細孔表面積、細孔容積、平均細孔径が3.5<(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)を満たしている。また、熱伝導率が室温から100℃にかけて単調増加する。単調増加とは、室温から100℃の間で、温度が上がれば、熱伝導率が増加する、または変わらないことを意味し、温度が上がったにもかかわらず熱伝導率が減少するという領域がないということである。 (Ceramic material 1)
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a
図1に、ナノ粒子2同士が結合して構成された本発明のセラミックス材料1を示す。
FIG. 1 shows a ceramic material 1 of the present invention formed by bonding nanoparticles 2 together.
本発明のセラミックス材料1は、ナノ粒子2から構成され、細孔表面積、細孔容積、平均細孔径が3.5<(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)を満たしている。このため、気孔の形状が、閉気孔に近い形状であったり、球であったりしない。例えば、気孔の形状が球の場合、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)=3となる。本発明のセラミックス材料1の気孔3は球ではなく、気孔3とナノ粒子2の界面が多い。なお、平均細孔径、細孔表面積及び細孔容積は、水銀圧入法で計測することができる。
The ceramic material 1 of the present invention is composed of nanoparticles 2 and has a pore surface area, a pore volume, and an average pore diameter satisfying 3.5 <(pore surface area × average pore diameter / pore volume). For this reason, the shape of the pores is not a shape close to closed pores or a sphere. For example, when the pore shape is a sphere, (pore surface area × average pore diameter / pore volume) = 3. The pores 3 of the ceramic material 1 of the present invention are not spheres, and there are many interfaces between the pores 3 and the nanoparticles 2. The average pore diameter, pore surface area, and pore volume can be measured by mercury porosimetry.
熱伝導は、フォノン及び伝導電子が担っているが、セラミックス材料ではフォノンが支配的である。フォノンによる熱伝導は、フォノンの自由行程に近い長さの構造の影響も受ける。その構造の長さより自由行程が長いフォノンは、その構造により散乱されて熱を伝えにくく、短いフォノンは散乱することなく熱を伝えることができる。
伝 導 Phonons and conduction electrons are responsible for heat conduction, but phonons are dominant in ceramic materials. The heat conduction by phonons is also affected by the structure having a length close to the free path of phonons. A phonon having a longer free path than the length of the structure is scattered by the structure and hardly transfers heat, and a short phonon can transfer heat without scattering.
一般にフォノンの自由行程は、0.1nm~1mm程度の範囲で分布を持つ。構造がナノオーダーである場合(ナノ構造である場合)、その構造の長さよりも長いフォノンによる熱伝導は抑制される。したがって、本来その材料がある温度で有する熱伝導率の、数%~数十%程度しか熱を伝えられなくなる。そのため、熱伝導率は低い状態となる。
In general, the free path of phonons has a distribution in the range of about 0.1 nm to 1 mm. When the structure is nano-order (in the case of a nano structure), heat conduction due to phonons longer than the length of the structure is suppressed. Therefore, heat can be transferred only about several% to several tens of% of the thermal conductivity that the material originally has at a certain temperature. Therefore, the thermal conductivity is in a low state.
一方で、フォノンは高温になるほど自由行程は短くなる。このため、高温ではナノ構造によって熱伝導が抑制される割合が、小さくなる。したがって、熱伝導率は、本来その材料がその温度で有する熱伝導率に近い値となる。
On the other hand, the free path of phonons becomes shorter as the temperature increases. For this reason, at a high temperature, the rate at which heat conduction is suppressed by the nanostructure becomes small. Therefore, the thermal conductivity is a value close to the thermal conductivity that the material originally has at that temperature.
また、気孔と粒子の界面は、粒子と粒子の界面よりもフォノンを散乱しやすい。(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値が3に近づくほど、気孔の形が真球に近い形状になる。気孔が真球である場合(上式の値が3の場合)と、気孔が楕円体である場合(上式の値が3よりも大きい場合)とを比べると、細孔容積が同じ場合、楕円体の方が、表面積が大きい。気孔の表面積が大きいと、気孔と粒子の界面が多いため、フォノンが散乱しやすくなる。よって、上式の値が3よりも大きいことが望ましい。ただし、上式の値が3.5以下では、フォノンを散乱する度合いが未だ弱く、熱スイッチとして使用するためには好ましくない。本発明のセラミックス材料1は、ナノ粒子2から構成され、細孔表面積、細孔容積、平均細孔径が3.5<(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)を満たしているため、気孔3とナノ粒子2の界面が多く、フォノンを散乱しやすい。このため、低温時の熱伝導率がより一層低くなりやすく、熱伝導率の温度に対する変化率が向上する。なお、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値は、より好ましくは3.6以上である。
Also, the pore-particle interface is more likely to scatter phonons than the particle-particle interface. As the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) approaches 3, the shape of the pores becomes closer to a true sphere. When the pore is a true sphere (when the value of the above formula is 3) and when the pore is an ellipsoid (when the value of the above formula is larger than 3), The ellipsoid has a larger surface area. When the surface area of the pores is large, there are many interfaces between the pores and the particles, so that phonons are easily scattered. Therefore, it is desirable that the value of the above formula is larger than 3. However, if the value of the above formula is 3.5 or less, the degree of phonon scattering is still weak, which is not preferable for use as a thermal switch. The ceramic material 1 of the present invention is composed of nanoparticles 2 and has a pore surface area, a pore volume, and an average pore diameter satisfying 3.5 <(pore surface area × average pore diameter / pore volume). There are many interfaces between the pores 3 and the nanoparticles 2, and phonons are easily scattered. For this reason, the thermal conductivity at a low temperature tends to be further lowered, and the rate of change of the thermal conductivity with respect to temperature is improved. The value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) is more preferably 3.6 or more.
また、上述したように、フォノンによる熱伝導は、構造の長さの影響も受ける。ここで言う構造の長さとは、代表長さのことである。代表長さとは、気孔3と気孔3の間隔である。したがって、この代表長さを、フォノンの自由行程と照らし合わせながら、適切に制御することにより、低温では熱伝導を抑制し(断熱状態)、高温では熱伝導をほとんど抑制しない(放熱状態)セラミックスを製造できる。
As described above, the heat conduction by phonons is also affected by the length of the structure. The length of the structure referred to here is a representative length. The representative length is the interval between the pores 3. Therefore, by appropriately controlling this representative length against the free path of phonons, it is possible to control ceramics that suppresses heat conduction at low temperatures (adiabatic state) and hardly suppresses heat conduction at high temperatures (heat dissipation state). Can be manufactured.
本明細書において、ナノ粒子2とは、粒径が1nm以上1000nm未満のものを言うが、セラミックス材料1を構成するナノ粒子2の粒径は、10~500nmであることが好ましく、10~300nmがより好ましく、10~200nmが更に好ましい。10nmより小さいと凝集しやすく、均一な焼結体が得られないことがある。特に、1nmより小さいと、ナノ粒子2が非常に凝縮しやすくなるため、分散することが困難であり、均一な焼結体を得ることが難しい。また、500nmより大きいと、長い自由行程のフォノンが散乱され難くなる。
In the present specification, the nanoparticle 2 means a particle having a particle size of 1 nm or more and less than 1000 nm. The particle size of the nanoparticle 2 constituting the ceramic material 1 is preferably 10 to 500 nm, preferably 10 to 300 nm. Is more preferably 10 to 200 nm. If the thickness is smaller than 10 nm, aggregation is likely to occur, and a uniform sintered body may not be obtained. In particular, if it is smaller than 1 nm, the nanoparticles 2 are very likely to condense, so that it is difficult to disperse and it is difficult to obtain a uniform sintered body. On the other hand, if it is larger than 500 nm, long free path phonons are difficult to be scattered.
本発明のセラミックス材料1は、ナノ粒子2が結合して三次元網目状骨格構造を形成していることが好ましい。図1に示すように、ナノ粒子2は数珠繋ぎになった構造をしていることが好ましい。三次元網目状骨格構造を形成していることにより、ナノ粒子2と気孔3の界面が多くなる。
In the ceramic material 1 of the present invention, it is preferable that the nanoparticles 2 are bonded to form a three-dimensional network skeleton structure. As shown in FIG. 1, it is preferable that the nanoparticles 2 have a structure in which beads are connected. By forming the three-dimensional network skeleton structure, the interface between the nanoparticles 2 and the pores 3 increases.
このようなナノ粒子2により構成されるセラミックス材料1の骨格の太さLAは、ナノ粒子1~10個分であることが好ましい。骨格の太さLAとは、網目状骨格構造の太さのことである。骨格の太さLAがナノ粒子1~10個分であることにより、ナノ粒子2と気孔3の界面が多くなるため、フォノンが散乱しやすくなる。したがって、低温では熱伝導を抑制し(断熱状態)、高温では熱伝導をほとんど抑制しない(放熱状態)セラミックスを製造できる。なお、骨格の太さLAとしては、任意に選択した10箇所の骨格の太さの平均値を用いる。
Such thickness L A of the skeleton of the ceramic material 1 composed of nanoparticles 2 is preferably 1 to 10 minutes nanoparticles. The thickness L A of the backbone, is that the thickness of the reticulated skeleton structure. By the thickness L A of the skeleton is 1 to 10 min nanoparticles, because the greater the surface of the nanoparticle 2 and pores 3, phonons is likely to scatter. Accordingly, it is possible to produce ceramics that suppresses heat conduction at low temperatures (insulated state) and hardly suppresses heat conduction at high temperatures (heat dissipation state). As the thickness L A of the backbone, using the average value of the thickness of ten skeletal arbitrarily selected.
また、骨格の太さLAは、ナノ粒子2の結合部のネック太さLBに関連する。ネックとは、ナノ粒子2間の界面のことである。ネック太さLBとは、ナノ粒子2とナノ粒子2の界面の長さであり、例えば、図1に示す部分の太さである。セラミックス材料1を形成するナノ粒子2の結合部のネック太さLBは5~300nmであることが好ましい。より好ましくは5~100nmであり、さらに好ましくは5~50nmである。ネック太さLBが5nm以上であることにより、強度を保つことができる。また、300nm以下であることにより、長い自由行程のフォノンが散乱されやすくなる。なお、ネック太さLBとしては、任意に選択した10箇所のネック太さの平均値を用いる。
The skeleton thickness L A is related to the neck thickness L B of the bonding portion of the nanoparticles 2. A neck is an interface between the nanoparticles 2. Neck The thickness L B, the length of the interface nanoparticle 2 and nanoparticles 2, for example, a thickness of the portion shown in FIG. The neck thickness L B of the bonding part of the nanoparticles 2 forming the ceramic material 1 is preferably 5 to 300 nm. More preferably, it is 5 to 100 nm, and further preferably 5 to 50 nm. By neck thickness L B is 5nm or more, it is possible to maintain the strength. Further, when the thickness is 300 nm or less, phonons having a long free path are easily scattered. Incidentally, the neck as the thickness L B, using the average value of the neck thickness of 10 points arbitrarily selected.
ナノ粒子2の粒径、骨格の太さLA、及びネック太さLBは、セラミックス材料1(焼結体)を電子顕微鏡で観察し、その画像から計測することができる。電子顕微鏡としては、電界放射型走査型電子顕微鏡(FE-SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)等を用いることができる。なお、平均粒径は、任意に選択した10箇所の粒径の平均値を用いる。
The particle diameter, skeleton thickness L A , and neck thickness L B of the nanoparticle 2 can be measured from an image obtained by observing the ceramic material 1 (sintered body) with an electron microscope. As the electron microscope, a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), a transmission electron microscope (TEM), or the like can be used. In addition, the average particle diameter uses the average value of the particle diameter of 10 places selected arbitrarily.
また、ナノ粒子2としては、SiC、AlN、Si3N4のいずれかであることが好ましい。SiC、AlN、Si3N4のような高熱伝導なものが放熱状態と断熱状態との熱伝導率の差が大きくなる。
In addition, the nanoparticle 2 is preferably any one of SiC, AlN, and Si 3 N 4 . A material having high thermal conductivity such as SiC, AlN, or Si 3 N 4 has a large difference in thermal conductivity between the heat radiation state and the heat insulation state.
さらに、セラミックス材料1の気孔率が5~70%であることが好ましい。より好ましくは15~65%であり、さらに好ましくは35~65%である。気孔率が5%以上であることにより、気孔3と粒子の界面が多くなるためフォノンを散乱しやすくなる。また、気孔率が70%以下であることにより、強度を保つことができる。
Furthermore, the porosity of the ceramic material 1 is preferably 5 to 70%. More preferably, it is 15 to 65%, and further preferably 35 to 65%. When the porosity is 5% or more, the interface between the pores 3 and the particles increases, so that phonons are easily scattered. Further, when the porosity is 70% or less, the strength can be maintained.
また、平均細孔径は10~1000nmであることが好ましい。より好ましくは10~500nmであり、更に好ましくは20~300nmである。平均細孔径が10nm以上であることにより、熱伝導率が小さくなりすぎない。平均細孔径が1000nm以下であることにより、強度を高くすることができる。
The average pore diameter is preferably 10 to 1000 nm. More preferably, it is 10 to 500 nm, and still more preferably 20 to 300 nm. When the average pore diameter is 10 nm or more, the thermal conductivity does not become too small. When the average pore diameter is 1000 nm or less, the strength can be increased.
本発明のセラミックス材料1は、熱伝導率が室温から100℃にかけて単調増加する。具体的には、100℃における熱伝導率が室温の熱伝導率の1.5倍以上であることが、熱スイッチとして利用するために好ましい。100℃における熱伝導率が室温の熱伝導率の1.5倍以上であることにより、効果的に放熱と断熱を切り替えることができる。さらに、200℃での熱伝導率が室温の熱伝導率の2倍以上であることが好ましい。200℃での熱伝導率が室温の熱伝導率の2倍以上であることにより、さらに効果的に放熱と断熱を切り替えることができる。
The ceramic material 1 of the present invention has a monotonous increase in thermal conductivity from room temperature to 100 ° C. Specifically, it is preferable that the thermal conductivity at 100 ° C. is 1.5 times or more the thermal conductivity at room temperature in order to use as a thermal switch. When the thermal conductivity at 100 ° C. is 1.5 times or more the thermal conductivity at room temperature, it is possible to effectively switch between heat dissipation and heat insulation. Furthermore, it is preferable that the thermal conductivity at 200 ° C. is at least twice the thermal conductivity at room temperature. When the thermal conductivity at 200 ° C. is at least twice the thermal conductivity at room temperature, it is possible to more effectively switch between heat dissipation and heat insulation.
図2に、ナノ粒子2の表面に異種材料4が存在し、ナノ粒子2同士が結合して構成されたセラミックス材料1を示す。図2のセラミックス材料1は、異種材料4がナノ粒子2の表面(ナノ粒子2とナノ粒子2の界面、気孔3とナノ粒子2の界面)を覆っている複合材料である。
FIG. 2 shows a ceramic material 1 in which different materials 4 exist on the surface of the nanoparticles 2 and the nanoparticles 2 are bonded to each other. The ceramic material 1 in FIG. 2 is a composite material in which a different material 4 covers the surface of the nanoparticle 2 (the interface between the nanoparticle 2 and the nanoparticle 2 and the interface between the pore 3 and the nanoparticle 2).
異種材料4が存在することにより、ナノ粒子2とナノ粒子2の界面に異相が存在する。異相が存在する界面では、異相が存在しない界面よりもフォノンを散乱しやすい。このために、低温時の熱伝導率が低くなり、熱伝導率の温度に対する変化率が向上する。
Due to the presence of the heterogeneous material 4, a heterogeneous phase exists at the interface between the nanoparticle 2 and the nanoparticle 2. At the interface where the heterogeneous phase exists, phonons are more easily scattered than at the interface where the heterogeneous phase does not exist. For this reason, the thermal conductivity at low temperatures is lowered, and the rate of change of the thermal conductivity with respect to temperature is improved.
また、異種材料4はナノ粒子2の表面を10%以上覆っていることが好ましい。10%以上覆われていれば、フォノンを散乱しやすくなる。
Moreover, it is preferable that the dissimilar material 4 covers the surface of the nanoparticles 2 by 10% or more. If it is covered by 10% or more, it becomes easy to scatter phonons.
異種材料4はO、B、C、N、Al、SiおよびYからなる群から選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。これらの異種材料4はフォノンが担う熱伝導の割合が高いために好ましい。
The dissimilar material 4 preferably contains at least one selected from the group consisting of O, B, C, N, Al, Si and Y. These dissimilar materials 4 are preferable because the ratio of heat conduction carried by phonons is high.
(セラミックス材料の製造方法)
本発明のセラミックス材料1は、原料である前記ナノ粒子2を、有機溶媒を用いて解砕し、乾燥後にプレス成形し、Ar雰囲気または真空中で焼成温度1000~2000℃、焼成圧力0~80MPa、焼成時間1~360分の焼成条件で作製することが好ましい。 (Manufacturing method of ceramic material)
Theceramic material 1 of the present invention comprises the above-mentioned nanoparticles 2 as a raw material, pulverized using an organic solvent, press-molded after drying, a firing temperature of 1000 to 2000 ° C. in an Ar atmosphere or vacuum, a firing pressure of 0 to 80 MPa. It is preferable to fabricate under baking conditions of 1 to 360 minutes.
本発明のセラミックス材料1は、原料である前記ナノ粒子2を、有機溶媒を用いて解砕し、乾燥後にプレス成形し、Ar雰囲気または真空中で焼成温度1000~2000℃、焼成圧力0~80MPa、焼成時間1~360分の焼成条件で作製することが好ましい。 (Manufacturing method of ceramic material)
The
焼成温度は1000~2000℃が好ましく、より好ましくは1000~1800℃であり、さらに好ましくは1200~1700℃である。1000℃未満では焼結が十分に進まず、セラミックス材料の強度が弱くなり、熱伝導率が低くなりすぎることがある。また、2000℃を超える温度では、ナノ粒子2の粒径が大きくなりすぎてしまい、自由行程の長いフォノンの熱伝導が抑制できないことがある。
The firing temperature is preferably 1000 to 2000 ° C., more preferably 1000 to 1800 ° C., and further preferably 1200 to 1700 ° C. If it is less than 1000 ° C., the sintering does not proceed sufficiently, the strength of the ceramic material becomes weak, and the thermal conductivity may become too low. Moreover, when the temperature exceeds 2000 ° C., the particle size of the nanoparticles 2 becomes too large, and the thermal conduction of phonons having a long free path may not be suppressed.
焼成圧力は0~80MPaが好ましく、より好ましくは0~60MPaであり、さらに好ましくは0~40MPaである。焼成圧力が0~80MPaであるため、ナノ粒子2の粒径が大きくなりすぎず、自由行程の長いフォノンの熱伝導を抑制することができる。
The firing pressure is preferably 0 to 80 MPa, more preferably 0 to 60 MPa, and still more preferably 0 to 40 MPa. Since the firing pressure is 0 to 80 MPa, the particle size of the nanoparticles 2 does not become too large, and heat conduction of phonons with a long free path can be suppressed.
焼成時間は1~360分が好ましく、より好ましくは1~240分であり、さらに好ましくは1~120分である。焼成時間が1分以上であるため、均一な焼結体を得ることができる。また、焼成時間が360分以下であるため、コストを抑えることができる。
The firing time is preferably 1 to 360 minutes, more preferably 1 to 240 minutes, and further preferably 1 to 120 minutes. Since the firing time is 1 minute or longer, a uniform sintered body can be obtained. Further, since the firing time is 360 minutes or less, the cost can be suppressed.
なお、ナノ粒子2の表面に異種材料4を存在させる場合、成形前の原料に、異種材料4の粉末や異種材料4を含む液体を混ぜて成形し、焼成することが好ましい。あるいは、焼成する際に、成形体の上に異種材料4を含む固体を載せ、真空焼成することが好ましい。
In the case where the different material 4 is present on the surface of the nanoparticle 2, it is preferable that the raw material before molding is mixed with the powder of the different material 4 or a liquid containing the different material 4 and then molded and fired. Alternatively, when firing, it is preferable to place a solid containing the different material 4 on the molded body and perform vacuum firing.
(熱スイッチ)
上記のようなセラミックス材料1は、温度によって熱伝導率が大きく変化するため、熱スイッチとして用いることができる。例えば、室温以上のある温度を境に、急激に熱伝導率が増加する。熱スイッチとは、熱伝導率が低い状態(断熱状態)と、高い状態(伝熱状態)とを切り替えられる材料である。温度が上昇した場合に熱伝導率が高くなる熱スイッチは、ある温度(第1温度)以下では、熱伝導率が低いため、OFFの状態と言える。一方、熱スイッチは、第1温度より高い第2温度以上では、熱伝導率が高くなり、ONの状態と言える。 (Thermal switch)
Theceramic material 1 as described above can be used as a thermal switch because the thermal conductivity greatly changes depending on the temperature. For example, the thermal conductivity increases rapidly at a certain temperature above room temperature. A thermal switch is a material that can switch between a low thermal conductivity state (adiabatic state) and a high state (heat transfer state). It can be said that the thermal switch whose thermal conductivity increases when the temperature rises is in an OFF state because the thermal conductivity is low below a certain temperature (first temperature). On the other hand, the thermal switch has a high thermal conductivity above the second temperature higher than the first temperature, and can be said to be in an ON state.
上記のようなセラミックス材料1は、温度によって熱伝導率が大きく変化するため、熱スイッチとして用いることができる。例えば、室温以上のある温度を境に、急激に熱伝導率が増加する。熱スイッチとは、熱伝導率が低い状態(断熱状態)と、高い状態(伝熱状態)とを切り替えられる材料である。温度が上昇した場合に熱伝導率が高くなる熱スイッチは、ある温度(第1温度)以下では、熱伝導率が低いため、OFFの状態と言える。一方、熱スイッチは、第1温度より高い第2温度以上では、熱伝導率が高くなり、ONの状態と言える。 (Thermal switch)
The
本発明のセラミックス材料1を用いた熱スイッチを、熱を発生する熱発生源の周囲に備えることにより、温度調整構造を作製することができる。温度調整構造とは、熱発生源からの熱を有効利用しつつ、温度を調整する機能を有する構造をいう。熱を発生する熱発生源とは、熱を発生するもののことをいい、特に限定されるものではない。温度調整構造は、第1温度と、それより高温または低温の第2温度とで、放熱状態を変化させる。これにより、熱発生源の熱による温度を調整して、温度調整構造を備えたものの性能を向上させることができる。具体的には、熱発生源の例として、バッテリーパック、モーター、CPU、制御回路、エンジン、ブレーキ、ギアボックスなどが挙げられる。これらの周囲に熱スイッチを備えた構造が、温度調整構造である。熱発生源を太陽光とした場合には、建材、窓、サッシに熱スイッチを備える。
A temperature control structure can be produced by providing a thermal switch using the ceramic material 1 of the present invention around a heat generation source that generates heat. The temperature adjustment structure refers to a structure having a function of adjusting temperature while effectively using heat from a heat generation source. The heat generation source that generates heat refers to the one that generates heat, and is not particularly limited. The temperature adjustment structure changes the heat dissipation state between the first temperature and the second temperature higher or lower than the first temperature. Thereby, the temperature by the heat of a heat generation source can be adjusted and the performance of what was equipped with the temperature adjustment structure can be improved. Specifically, examples of the heat generation source include a battery pack, a motor, a CPU, a control circuit, an engine, a brake, and a gear box. A structure provided with a thermal switch around these is a temperature adjustment structure. When the heat generation source is sunlight, the building material, window, and sash are equipped with a heat switch.
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
平均粒径20nmの炭化ケイ素粉末を、分散剤の入ったエタノールを用いて分散させ、ビーズミルで解砕した。これを乾燥し、プレス成形して、直径30mm、厚さ6mmの円盤状の成形体を準備した。この成形体を放電プラズマ焼結法(SPS)で1400℃、10分焼成し、多結晶で多孔質な炭化ケイ素焼結体を得た。なお、これらの焼成条件を表1に示す。 (Example 1)
Silicon carbide powder having an average particle diameter of 20 nm was dispersed using ethanol containing a dispersant and pulverized by a bead mill. This was dried and press-molded to prepare a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 6 mm. This molded body was fired at 1400 ° C. for 10 minutes by a discharge plasma sintering method (SPS) to obtain a polycrystalline and porous silicon carbide sintered body. These firing conditions are shown in Table 1.
平均粒径20nmの炭化ケイ素粉末を、分散剤の入ったエタノールを用いて分散させ、ビーズミルで解砕した。これを乾燥し、プレス成形して、直径30mm、厚さ6mmの円盤状の成形体を準備した。この成形体を放電プラズマ焼結法(SPS)で1400℃、10分焼成し、多結晶で多孔質な炭化ケイ素焼結体を得た。なお、これらの焼成条件を表1に示す。 (Example 1)
Silicon carbide powder having an average particle diameter of 20 nm was dispersed using ethanol containing a dispersant and pulverized by a bead mill. This was dried and press-molded to prepare a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 6 mm. This molded body was fired at 1400 ° C. for 10 minutes by a discharge plasma sintering method (SPS) to obtain a polycrystalline and porous silicon carbide sintered body. These firing conditions are shown in Table 1.
この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している炭化ケイ素の粒径、ネック太さLBについて計測した。図3は電界放射型走査型電子顕微鏡(FE-SEM)の写真である。図4は透過型電子顕微鏡(TEM)の写真である。任意に選択した10個の炭化ケイ素粒子の粒径の平均値は29nmであった。また、任意に選択した10箇所のネック太さLBは20nmであった。さらに、図3、図4から得られた焼結体は、三次元網目構造であることを確認した。
This sintered body was observed with an electron microscope, and the particle diameter and neck thickness L B of the silicon carbide constituting the sintered body were measured from the image. FIG. 3 is a photograph of a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). FIG. 4 is a photograph of a transmission electron microscope (TEM). The average value of the particle size of 10 silicon carbide particles arbitrarily selected was 29 nm. Further, the neck thickness L B of 10 points arbitrarily selected were 20 nm. Furthermore, it was confirmed that the sintered body obtained from FIGS. 3 and 4 has a three-dimensional network structure.
また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、及び気孔率を水銀圧入法で計測したところ、細孔表面積は44m2/g、細孔容積は0.32mL/g、平均細孔径は30nm、気孔率は52%であった。これらの測定結果により、細孔表面積×平均細孔径/細孔容積=4.1であった。焼結体についてのこれらの測定結果を表2に示す。
Moreover, when the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by mercury porosimetry, the pore surface area was 44 m 2 / g, the pore volume was 0.32 mL / g, The average pore diameter was 30 nm, and the porosity was 52%. From these measurement results, pore surface area × average pore diameter / pore volume = 4.1. These measurement results for the sintered body are shown in Table 2.
さらに、この焼結体の熱伝導率を測定したところ、室温(25℃)では4.0W/(m・K)、100℃では6.5W/(m・K)、200℃では9.4W/(m・K)であった。なお、熱伝導率(W/(m・K))=熱拡散率×比熱×密度である。この式において、「熱拡散率」は、レーザーフラッシュ法により測定した。また、「比熱」は、示差走査熱量測定により測定した。「密度」は、アルキメデス法で測定した。熱伝導率が室温(25℃)から100℃にかけて増加していることを確認できた。また、100℃の熱伝導率は室温の熱伝導率の1.5倍以上であり、200℃の熱伝導率は室温の熱伝導率の2倍以上であった。このような熱伝導率の結果を表3に示した。なお、100℃の熱伝導率が室温の熱伝導率の1.5倍以上であればA(良)とし、1.5倍未満であればB(不良)とした。また、200℃の熱伝導率は室温の熱伝導率の2倍以上であればA(良)とし、2倍未満であればB(不良)とした。
Furthermore, when the thermal conductivity of this sintered body was measured, it was 4.0 W / (m · K) at room temperature (25 ° C.), 6.5 W / (m · K) at 100 ° C., and 9.4 W at 200 ° C. / (M · K). Note that thermal conductivity (W / (m · K)) = thermal diffusivity × specific heat × density. In this equation, “thermal diffusivity” was measured by a laser flash method. The “specific heat” was measured by differential scanning calorimetry. “Density” was measured by Archimedes method. It was confirmed that the thermal conductivity increased from room temperature (25 ° C.) to 100 ° C. Further, the thermal conductivity at 100 ° C. was 1.5 times or more of the thermal conductivity at room temperature, and the thermal conductivity at 200 ° C. was twice or more than the thermal conductivity at room temperature. The results of such thermal conductivity are shown in Table 3. In addition, when the thermal conductivity at 100 ° C. was 1.5 times or more of the thermal conductivity at room temperature, it was set as A (good), and when it was less than 1.5 times, it was set as B (bad). The thermal conductivity at 200 ° C. was A (good) if the thermal conductivity at room temperature was 2 times or more, and B (bad) if it was less than 2 times.
(実施例2~6)
実施例1と同様にして、成形体を準備した。その成形体を焼成し、多結晶で多孔質な炭化ケイ素焼結体を得た。焼成条件を表1に示す。この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している炭化ケイ素粒子の粒径及びネック太さLBについて計測し、任意に選択した10個の炭化ケイ素粒子の粒径の平均値と、任意に選択した10箇所のネック太さLBを求めた。また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、気孔率を水銀圧入法で計測し、この測定結果により、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値を求めた。焼結体についてのこれらの結果を表2に示す。さらに、この焼結体の熱伝導率を測定した。熱伝導率の結果を表3に示す。 (Examples 2 to 6)
A molded body was prepared in the same manner as in Example 1. The molded body was fired to obtain a polycrystalline and porous silicon carbide sintered body. The firing conditions are shown in Table 1. The sintered body was observed by an electron microscope, from the image, and measured for the particle diameter and the neck thickness L B of the silicon carbide particles constituting the average particle size of 10 silicon carbide particles arbitrarily selected value was determined neck thickness L B of 10 points arbitrarily selected. In addition, the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by the mercury intrusion method, and the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) was determined from the measurement result. Asked. Table 2 shows these results for the sintered body. Furthermore, the thermal conductivity of this sintered body was measured. The results of thermal conductivity are shown in Table 3.
実施例1と同様にして、成形体を準備した。その成形体を焼成し、多結晶で多孔質な炭化ケイ素焼結体を得た。焼成条件を表1に示す。この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している炭化ケイ素粒子の粒径及びネック太さLBについて計測し、任意に選択した10個の炭化ケイ素粒子の粒径の平均値と、任意に選択した10箇所のネック太さLBを求めた。また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、気孔率を水銀圧入法で計測し、この測定結果により、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値を求めた。焼結体についてのこれらの結果を表2に示す。さらに、この焼結体の熱伝導率を測定した。熱伝導率の結果を表3に示す。 (Examples 2 to 6)
A molded body was prepared in the same manner as in Example 1. The molded body was fired to obtain a polycrystalline and porous silicon carbide sintered body. The firing conditions are shown in Table 1. The sintered body was observed by an electron microscope, from the image, and measured for the particle diameter and the neck thickness L B of the silicon carbide particles constituting the average particle size of 10 silicon carbide particles arbitrarily selected value was determined neck thickness L B of 10 points arbitrarily selected. In addition, the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by the mercury intrusion method, and the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) was determined from the measurement result. Asked. Table 2 shows these results for the sintered body. Furthermore, the thermal conductivity of this sintered body was measured. The results of thermal conductivity are shown in Table 3.
(実施例7)
平均粒径40nmの窒化アルミニウム粉末をプレス成形して、直径30mm、厚さ6mmの円盤状の成形体を準備した。この成形体を窒素雰囲気中で1400℃、120分焼成し、多孔質な窒化アルミニウム焼結体を得た。焼成条件を表1に示す。この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している窒化アルミニウム粒子の粒径及びネック太さLBについて計測し、任意に選択した10個の窒化アルミニウム粒子の粒径の平均値と、任意に選択した10箇所のネック太さLBを求めた。また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、気孔率を水銀圧入法で計測し、この測定結果により、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値を求めた。焼結体についてのこれらの結果を表2に示す。さらに、この焼結体の熱伝導率を測定した。熱伝導率の結果を表3に示す。 (Example 7)
An aluminum nitride powder having an average particle diameter of 40 nm was press-molded to prepare a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 6 mm. This molded body was fired at 1400 ° C. for 120 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain a porous aluminum nitride sintered body. The firing conditions are shown in Table 1. The sintered body was observed by an electron microscope, from the image, and measured for the particle diameter and the neck thickness L B of the aluminum nitride particles constituting an average particle size of 10 aluminum nitride particles arbitrarily selected value was determined neck thickness L B of 10 points arbitrarily selected. In addition, the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by the mercury intrusion method, and the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) was determined from the measurement result. Asked. Table 2 shows these results for the sintered body. Furthermore, the thermal conductivity of this sintered body was measured. The results of thermal conductivity are shown in Table 3.
平均粒径40nmの窒化アルミニウム粉末をプレス成形して、直径30mm、厚さ6mmの円盤状の成形体を準備した。この成形体を窒素雰囲気中で1400℃、120分焼成し、多孔質な窒化アルミニウム焼結体を得た。焼成条件を表1に示す。この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している窒化アルミニウム粒子の粒径及びネック太さLBについて計測し、任意に選択した10個の窒化アルミニウム粒子の粒径の平均値と、任意に選択した10箇所のネック太さLBを求めた。また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、気孔率を水銀圧入法で計測し、この測定結果により、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値を求めた。焼結体についてのこれらの結果を表2に示す。さらに、この焼結体の熱伝導率を測定した。熱伝導率の結果を表3に示す。 (Example 7)
An aluminum nitride powder having an average particle diameter of 40 nm was press-molded to prepare a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 6 mm. This molded body was fired at 1400 ° C. for 120 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain a porous aluminum nitride sintered body. The firing conditions are shown in Table 1. The sintered body was observed by an electron microscope, from the image, and measured for the particle diameter and the neck thickness L B of the aluminum nitride particles constituting an average particle size of 10 aluminum nitride particles arbitrarily selected value was determined neck thickness L B of 10 points arbitrarily selected. In addition, the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by the mercury intrusion method, and the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) was determined from the measurement result. Asked. Table 2 shows these results for the sintered body. Furthermore, the thermal conductivity of this sintered body was measured. The results of thermal conductivity are shown in Table 3.
(実施例8)
平均粒径25nmの窒化珪素粉末をプレス成形して、直径30mm、厚さ6mmの円盤状の成形体を準備した。この成形体を窒素雰囲気中で1400℃、120分焼成し、多孔質な窒化珪素焼結体を得た。焼成条件を表1に示す。この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している窒化珪素粒子の粒径およびネック太さLBについての値を計測し、任意に選択した10個の窒化珪素粒子の粒径の平均値と任意に選択した10箇所のネック太さLBを求めた。また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、気孔率を水銀圧入法で計測し、この測定結果により、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値を求めた。焼結体についてのこれらの結果を表2に示す。さらに、この焼結体の熱伝導率を測定した。熱伝導率の結果を表3に示す。 (Example 8)
A silicon nitride powder having an average particle size of 25 nm was press-molded to prepare a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 6 mm. This molded body was fired at 1400 ° C. for 120 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain a porous silicon nitride sintered body. The firing conditions are shown in Table 1. The sintered body was observed by an electron microscope, from the image, measures the value of the particle diameter and the neck thickness L B of the silicon nitride particles constituting the particle of the arbitrarily selected 10 pieces of the silicon nitride particles neck average and optionally 10 locations selected diameter was determined thickness L B. In addition, the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by the mercury intrusion method, and the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) was determined from the measurement result. Asked. Table 2 shows these results for the sintered body. Furthermore, the thermal conductivity of this sintered body was measured. The results of thermal conductivity are shown in Table 3.
平均粒径25nmの窒化珪素粉末をプレス成形して、直径30mm、厚さ6mmの円盤状の成形体を準備した。この成形体を窒素雰囲気中で1400℃、120分焼成し、多孔質な窒化珪素焼結体を得た。焼成条件を表1に示す。この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している窒化珪素粒子の粒径およびネック太さLBについての値を計測し、任意に選択した10個の窒化珪素粒子の粒径の平均値と任意に選択した10箇所のネック太さLBを求めた。また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、気孔率を水銀圧入法で計測し、この測定結果により、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値を求めた。焼結体についてのこれらの結果を表2に示す。さらに、この焼結体の熱伝導率を測定した。熱伝導率の結果を表3に示す。 (Example 8)
A silicon nitride powder having an average particle size of 25 nm was press-molded to prepare a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 6 mm. This molded body was fired at 1400 ° C. for 120 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain a porous silicon nitride sintered body. The firing conditions are shown in Table 1. The sintered body was observed by an electron microscope, from the image, measures the value of the particle diameter and the neck thickness L B of the silicon nitride particles constituting the particle of the arbitrarily selected 10 pieces of the silicon nitride particles neck average and optionally 10 locations selected diameter was determined thickness L B. In addition, the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by the mercury intrusion method, and the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) was determined from the measurement result. Asked. Table 2 shows these results for the sintered body. Furthermore, the thermal conductivity of this sintered body was measured. The results of thermal conductivity are shown in Table 3.
(実施例9)
平均粒径20nmの炭化ケイ素粉末を、分散剤の入ったエタノールを用いて分散させ、ビーズミルで解砕した。これを乾燥し、TiO2を10質量%添加した。この混合粉末をプレス成形して、直径30mm、厚さ6mmの円盤状の成形体を準備した。この成形体を真空中で1400℃、120分焼成し、多結晶で多孔質な炭化ケイ素焼結体を得た。焼成条件を表1に示す。この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している炭化ケイ素粒子の粒径及びネック太さLBについて計測し、任意に選択した10個の炭化ケイ素粒子の粒径の平均値と、任意に選択した10箇所のネック太さLBを求めた。また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、気孔率を水銀圧入法で計測し、この測定結果により、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値を求めた。焼結体についてのこれらの結果を表2に示す。さらに、この焼結体の熱伝導率を測定した。熱伝導率の結果を表3に示す。 Example 9
Silicon carbide powder having an average particle diameter of 20 nm was dispersed using ethanol containing a dispersant and pulverized by a bead mill. It was dried, and the TiO 2 was added 10 wt%. This mixed powder was press-molded to prepare a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 6 mm. This molded body was fired in vacuum at 1400 ° C. for 120 minutes to obtain a polycrystalline and porous silicon carbide sintered body. The firing conditions are shown in Table 1. The sintered body was observed by an electron microscope, from the image, and measured for the particle diameter and the neck thickness L B of the silicon carbide particles constituting the average particle size of 10 silicon carbide particles arbitrarily selected value was determined neck thickness L B of 10 points arbitrarily selected. In addition, the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by the mercury intrusion method, and the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) was determined from the measurement result. Asked. Table 2 shows these results for the sintered body. Furthermore, the thermal conductivity of this sintered body was measured. The results of thermal conductivity are shown in Table 3.
平均粒径20nmの炭化ケイ素粉末を、分散剤の入ったエタノールを用いて分散させ、ビーズミルで解砕した。これを乾燥し、TiO2を10質量%添加した。この混合粉末をプレス成形して、直径30mm、厚さ6mmの円盤状の成形体を準備した。この成形体を真空中で1400℃、120分焼成し、多結晶で多孔質な炭化ケイ素焼結体を得た。焼成条件を表1に示す。この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している炭化ケイ素粒子の粒径及びネック太さLBについて計測し、任意に選択した10個の炭化ケイ素粒子の粒径の平均値と、任意に選択した10箇所のネック太さLBを求めた。また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、気孔率を水銀圧入法で計測し、この測定結果により、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値を求めた。焼結体についてのこれらの結果を表2に示す。さらに、この焼結体の熱伝導率を測定した。熱伝導率の結果を表3に示す。 Example 9
Silicon carbide powder having an average particle diameter of 20 nm was dispersed using ethanol containing a dispersant and pulverized by a bead mill. It was dried, and the TiO 2 was added 10 wt%. This mixed powder was press-molded to prepare a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 6 mm. This molded body was fired in vacuum at 1400 ° C. for 120 minutes to obtain a polycrystalline and porous silicon carbide sintered body. The firing conditions are shown in Table 1. The sintered body was observed by an electron microscope, from the image, and measured for the particle diameter and the neck thickness L B of the silicon carbide particles constituting the average particle size of 10 silicon carbide particles arbitrarily selected value was determined neck thickness L B of 10 points arbitrarily selected. In addition, the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by the mercury intrusion method, and the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) was determined from the measurement result. Asked. Table 2 shows these results for the sintered body. Furthermore, the thermal conductivity of this sintered body was measured. The results of thermal conductivity are shown in Table 3.
(比較例1)
平均粒径5μmの炭化ケイ素粉末をプレス成形して、直径30mm、厚さ6mmの円盤状の成形体を準備した。この成形体をAr雰囲気中で2200℃、120分焼成し、多孔質な炭化ケイ素焼結体を得た。焼成条件を表1に示す。この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している炭化ケイ素粒子の粒径及びネック太さLBについて計測し、任意に選択した10個の炭化ケイ素粒子の粒径の平均値と、任意に選択した10箇所のネック太さLBを求めた。また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、気孔率を水銀圧入法で計測し、この測定結果により、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値を求めた。焼結体についてのこれらの結果を表2に示す。さらに、この焼結体の熱伝導率を測定した。熱伝導率の結果を表3に示す。 (Comparative Example 1)
A silicon carbide powder having an average particle diameter of 5 μm was press-molded to prepare a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 6 mm. This molded body was fired at 2200 ° C. for 120 minutes in an Ar atmosphere to obtain a porous silicon carbide sintered body. The firing conditions are shown in Table 1. The sintered body was observed by an electron microscope, from the image, and measured for the particle diameter and the neck thickness L B of the silicon carbide particles constituting the average particle size of 10 silicon carbide particles arbitrarily selected value was determined neck thickness L B of 10 points arbitrarily selected. In addition, the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by the mercury intrusion method, and the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) was determined from the measurement result. Asked. Table 2 shows these results for the sintered body. Furthermore, the thermal conductivity of this sintered body was measured. The results of thermal conductivity are shown in Table 3.
平均粒径5μmの炭化ケイ素粉末をプレス成形して、直径30mm、厚さ6mmの円盤状の成形体を準備した。この成形体をAr雰囲気中で2200℃、120分焼成し、多孔質な炭化ケイ素焼結体を得た。焼成条件を表1に示す。この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している炭化ケイ素粒子の粒径及びネック太さLBについて計測し、任意に選択した10個の炭化ケイ素粒子の粒径の平均値と、任意に選択した10箇所のネック太さLBを求めた。また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、気孔率を水銀圧入法で計測し、この測定結果により、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値を求めた。焼結体についてのこれらの結果を表2に示す。さらに、この焼結体の熱伝導率を測定した。熱伝導率の結果を表3に示す。 (Comparative Example 1)
A silicon carbide powder having an average particle diameter of 5 μm was press-molded to prepare a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 6 mm. This molded body was fired at 2200 ° C. for 120 minutes in an Ar atmosphere to obtain a porous silicon carbide sintered body. The firing conditions are shown in Table 1. The sintered body was observed by an electron microscope, from the image, and measured for the particle diameter and the neck thickness L B of the silicon carbide particles constituting the average particle size of 10 silicon carbide particles arbitrarily selected value was determined neck thickness L B of 10 points arbitrarily selected. In addition, the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by the mercury intrusion method, and the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) was determined from the measurement result. Asked. Table 2 shows these results for the sintered body. Furthermore, the thermal conductivity of this sintered body was measured. The results of thermal conductivity are shown in Table 3.
(比較例2)
平均粒径0.5μmの炭化ケイ素粉末をプレス成形して、直径30mm、厚さ6mmの円盤状の成形体を準備した。この成形体を真空中で1500℃、120分焼成し、多孔質な炭化ケイ素焼結体を得た。焼成条件を表1に示す。この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している炭化ケイ素粒子の粒径及びネック太さLBについて計測し、任意に選択した10個の炭化ケイ素粒子の粒径の平均値と、任意に選択した10箇所のネック太さLBを求めた。また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、気孔率を水銀圧入法で計測し、この測定結果により、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値を求めた。焼結体についてのこれらの結果を表2に示す。さらに、この焼結体の熱伝導率を測定した。熱伝導率の結果を表3に示す。 (Comparative Example 2)
A silicon carbide powder having an average particle size of 0.5 μm was press-molded to prepare a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 6 mm. This molded body was fired in a vacuum at 1500 ° C. for 120 minutes to obtain a porous silicon carbide sintered body. The firing conditions are shown in Table 1. The sintered body was observed by an electron microscope, from the image, and measured for the particle diameter and the neck thickness L B of the silicon carbide particles constituting the average particle size of 10 silicon carbide particles arbitrarily selected value was determined neck thickness L B of 10 points arbitrarily selected. In addition, the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by the mercury intrusion method, and the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) was determined from the measurement result. Asked. Table 2 shows these results for the sintered body. Furthermore, the thermal conductivity of this sintered body was measured. The results of thermal conductivity are shown in Table 3.
平均粒径0.5μmの炭化ケイ素粉末をプレス成形して、直径30mm、厚さ6mmの円盤状の成形体を準備した。この成形体を真空中で1500℃、120分焼成し、多孔質な炭化ケイ素焼結体を得た。焼成条件を表1に示す。この焼結体を電子顕微鏡で観察し、その画像から、構成している炭化ケイ素粒子の粒径及びネック太さLBについて計測し、任意に選択した10個の炭化ケイ素粒子の粒径の平均値と、任意に選択した10箇所のネック太さLBを求めた。また、この焼結体の細孔表面積、細孔容積、平均細孔径、気孔率を水銀圧入法で計測し、この測定結果により、(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)の値を求めた。焼結体についてのこれらの結果を表2に示す。さらに、この焼結体の熱伝導率を測定した。熱伝導率の結果を表3に示す。 (Comparative Example 2)
A silicon carbide powder having an average particle size of 0.5 μm was press-molded to prepare a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 6 mm. This molded body was fired in a vacuum at 1500 ° C. for 120 minutes to obtain a porous silicon carbide sintered body. The firing conditions are shown in Table 1. The sintered body was observed by an electron microscope, from the image, and measured for the particle diameter and the neck thickness L B of the silicon carbide particles constituting the average particle size of 10 silicon carbide particles arbitrarily selected value was determined neck thickness L B of 10 points arbitrarily selected. In addition, the pore surface area, pore volume, average pore diameter, and porosity of this sintered body were measured by the mercury intrusion method, and the value of (pore surface area × average pore diameter / pore volume) was determined from the measurement result. Asked. Table 2 shows these results for the sintered body. Furthermore, the thermal conductivity of this sintered body was measured. The results of thermal conductivity are shown in Table 3.
実施例1~9のセラミックス材料1は、ナノ粒子2から構成され、細孔表面積、細孔容積、平均細孔径が3.5<(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)を満たし、熱伝導率が室温から100℃にかけて単調増加する。したがって、実施例1~9のセラミックス材料1は、低温時は熱伝導率が低く断熱し、高温時は熱伝導率が高く放熱する熱スイッチとして動作する。一方で、比較例1は、ナノ粒子2から構成されておらず、細孔表面積×平均細孔径/細孔容積=3.4であり、熱伝導率は、室温では33W/(m・K)であり、200℃では25W/(m・K)である。このために、断熱状態と放熱状態を切り替えるような熱スイッチとして機能しなかった。また、比較例2は、ナノ粒子2から構成されているものの、細孔表面積×平均細孔径/細孔容積=3.3であるため、熱伝導率が室温から100℃にかけて単調増加していない。したがって、熱スイッチとして機能しなかった。
The ceramic materials 1 of Examples 1 to 9 are composed of nanoparticles 2, and the pore surface area, pore volume, and average pore diameter satisfy 3.5 <(pore surface area × average pore diameter / pore volume). The thermal conductivity increases monotonically from room temperature to 100 ° C. Therefore, the ceramic materials 1 of Examples 1 to 9 operate as a thermal switch that has a low thermal conductivity at low temperatures to insulate, and has a high thermal conductivity at high temperatures to dissipate heat. On the other hand, Comparative Example 1 is not composed of nanoparticles 2 and has pore surface area × average pore diameter / pore volume = 3.4, and the thermal conductivity is 33 W / (m · K) at room temperature. It is 25 W / (m · K) at 200 ° C. For this reason, it did not function as a heat switch that switches between a heat insulation state and a heat radiation state. Moreover, although Comparative Example 2 is composed of nanoparticles 2, since the pore surface area × the average pore diameter / pore volume = 3.3, the thermal conductivity does not increase monotonically from room temperature to 100 ° C. . Therefore, it did not function as a thermal switch.
本発明のセラミックス材料、及びその製造方法は、温度によって熱の伝えやすさが変化する熱スイッチとして利用することができる。
The ceramic material of the present invention and the manufacturing method thereof can be used as a heat switch in which the ease of transferring heat changes depending on the temperature.
1:セラミックス材料、2:ナノ粒子、3:気孔、4:異種材料。
1: Ceramic material, 2: Nanoparticle, 3: Pore, 4: Dissimilar material.
Claims (12)
- ナノ粒子から構成され、細孔表面積、細孔容積、平均細孔径が3.5<(細孔表面積×平均細孔径/細孔容積)を満たし、熱伝導率が室温から100℃にかけて単調増加するセラミックス材料。 Composed of nanoparticles, pore surface area, pore volume, and average pore diameter satisfy 3.5 <(pore surface area × average pore diameter / pore volume), and thermal conductivity increases monotonically from room temperature to 100 ° C. Ceramic material.
- 前記ナノ粒子が結合して三次元網目状骨格構造を形成している請求項1に記載のセラミックス材料。 The ceramic material according to claim 1, wherein the nanoparticles are bonded to form a three-dimensional network skeleton structure.
- 前記ナノ粒子の粒径が10~500nmである請求項1または2に記載のセラミックス材料。 The ceramic material according to claim 1 or 2, wherein the nanoparticles have a particle size of 10 to 500 nm.
- 気孔率が5~70%である請求項1~3のいずれか一項に記載のセラミックス材料。 The ceramic material according to any one of claims 1 to 3, having a porosity of 5 to 70%.
- 前記平均細孔径が10~1000nmである請求項1~4のいずれか一項に記載のセラミックス材料。 The ceramic material according to any one of claims 1 to 4, wherein the average pore diameter is 10 to 1000 nm.
- 前記セラミックス材料を形成する前記ナノ粒子の結合部のネック太さが5~300nmである請求項1~5のいずれか一項に記載のセラミックス材料。 The ceramic material according to any one of claims 1 to 5, wherein a neck thickness of a joint portion of the nanoparticles forming the ceramic material is 5 to 300 nm.
- 前記ナノ粒子がSiC、AlN、Si3N4のいずれかである請求項1~6のいずれか一項に記載のセラミックス材料。 The ceramic material according to any one of claims 1 to 6, wherein the nanoparticles are any one of SiC, AlN, and Si 3 N 4 .
- 前記ナノ粒子の表面に異種材料が存在する請求項1~7のいずれか一項に記載のセラミックス材料。 The ceramic material according to any one of claims 1 to 7, wherein a different material is present on the surface of the nanoparticle.
- 前記異種材料はO、B、C、N、Al、SiおよびYからなる群から選ばれる少なくとも一種が含まれるものである請求項8に記載のセラミックス材料。 The ceramic material according to claim 8, wherein the dissimilar material includes at least one selected from the group consisting of O, B, C, N, Al, Si, and Y.
- 100℃における熱伝導率が室温の熱伝導率の1.5倍以上である請求項1~9のいずれか一項に記載のセラミックス材料。 The ceramic material according to any one of claims 1 to 9, wherein a thermal conductivity at 100 ° C is 1.5 times or more of a thermal conductivity at room temperature.
- 200℃における熱伝導率が室温の熱伝導率の2倍以上である請求項1~10のいずれか一項に記載のセラミックス材料。 The ceramic material according to any one of claims 1 to 10, wherein the thermal conductivity at 200 ° C is at least twice that of room temperature.
- 請求項1~11のいずれか一項に記載のセラミックス材料の製造方法であって、原料である前記ナノ粒子を有機溶媒を用いて解砕し、乾燥後にプレス成形し、Ar雰囲気または真空中で焼成温度1000~2000℃、焼成圧力0~80MPa、焼成時間1~360分の焼成条件で作製するセラミックス材料の製造方法。 The method for producing a ceramic material according to any one of claims 1 to 11, wherein the nanoparticles as a raw material are pulverized using an organic solvent, dried and press-molded, and in an Ar atmosphere or a vacuum. A method for producing a ceramic material produced under firing conditions of a firing temperature of 1000 to 2000 ° C., a firing pressure of 0 to 80 MPa, and a firing time of 1 to 360 minutes.
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