JPH05310482A - 軽量セラミックス成形体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】軽量体であるにも拘らず一定の強度と高い表面
平滑度を有する軽量セラミックス成形体とこれを製造す
る方法とを提供することを主たる目的とする。 【構成】酸化物系又は非酸化物系セラミックスからなる
成形体であって、その表面の平滑度Ｒ_maxが５μｍ未満
であり、当該表面から５０〜１００μｍの内部までは緻
密質層からなり、当該層から中心部に亘っては気孔率２
０〜８０％で１０〜２０００μｍの気孔が均一に分布す
る多孔質体からなることを特徴とする軽量セラミックス
成形体、およびその製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子材料、セラミック
ス材料、粉末合金材料等の焼成時に用いるセッター、匣
鉢等をはじめ、各種産業分野において幅広く利用するこ
とができる軽量セラミックス成形体とその製造方法に関
する。なお、本発明における発泡液とは、公知の発泡剤
などにより作成された気泡からなる泡状体をいう。

【０００２】

【従来技術とその問題点】一般に電子材料、セラミック
ス材料、粉末合金材料等は、原料粉末を成形・焼成する
ことによって製造され、各種の電子部品、機械部品等に
幅広く利用されている。そして、電気製品等の小型化・
軽量化に伴って、電子部品等の精密化が急速に進んでい
る。

【０００３】これに伴い、これら電子部品等を製造する
際の焼成工程においてセッター、焼成用匣鉢等の製造用
器材として使用されるセラミックス成形体にも精密化が
要求されている。そして、従来よりセラミックス成形体
の表面の平滑度を高めるためにセラミックス成形体の緻
密化が行なわれている。これによってその表面の平滑度
の向上を図ることができるものの、かかる緻密化では成
形体の表面ばかりでなく、その成形体内部の緻密性も同
時に大きくなる。

【０００４】このため、セラミックス成形体の比重が大
きくなると同時に、その熱容量も非常に大きくなるの
で、焼成時に供給する熱エネルギーの大半が上記セラミ
ックス成形体の加熱のために費やされることになる。従
って、焼成工程において、上記成形体では良好な熱効率
が得られず、製造コストの上昇を招くという問題が生じ
る。

【０００５】以上の見地より、上記問題を解消すべく、
下記 (i)〜(iv)に示すような各種の軽量セラミックス成
形体に係る技術が開発されている。

【０００６】(i) セラミックスファイバーとセラミック
ス粉末とを混合し、成形し、焼成してなるファイバー複
合型軽量セラミックス成形体。

【０００７】(ii) セラミックス中空ビーズとセラミッ
クス粉末とを混合し、成形し、焼成してなる中空ビーズ
複合型軽量セラミックス成形体。

【０００８】(iii) セラミックス粉末に予め粒子状又は
ビーズ状の有機物を混合して成形した後、或いはスポン
ジ状の有機物にセラミックス粉末のスラリーを担持させ
た後、これらの有機物を焼成と同時に燃焼させることに
よって気孔を形成させてなる有機物消失型軽量セラミッ
クス成形体。

【０００９】(iv) 熱可塑性バインダーを含むセラミッ
クス原料スラリーを加圧して金型内に射出する際におい
て、射出時に金型内に設けられた多数の気孔を通じて空
気を吹き込みつつ、射出成形し、これを焼成してなる焼
成用匣鉢の製造方法（特開平２−１７６３９０号）。

【００１０】しかしながら、上記の各種技術にも様々な
問題点がある。まず、上記 (i)及び(ii)の複合型軽量セ
ラミックス成形体では、セラミックスファイバー、中空
ビーズ等を用いているため、その表面の平滑度は未だ充
分なものとは言えない。ここで、軽量セラミックス成形
体に表面コーティングを施して利用する方法もあるが、
これでも大幅な平滑度の向上は望めない。しかも、セラ
ミックスファイバー等を用いると得られるセラミックス
成形体のかさ比重の設定範囲が制限されるので、使用目
的に応じた成形体を作成することが困難である。また、
一般にセラミックスファイバー、中空ビーズ等は高価格
であり、経済的不利を伴うことは避けられない。

【００１１】上記(iii) の有機物消失型軽量セラミック
ス成形体では、かさ比重の設定範囲は若干広くとれるも
のの、表面部分に存在する有機物が燃焼することによ
り、表面平滑度の低下は避けることができない。また、
混入させる有機物の微細化にも限界があるので、得られ
る成形体は比較的大きな気孔を有し、強度の向上を図る
ことも困難である。

【００１２】上記(iv)の製造で得られる軽量セラミック
ス成形体では、スラリー中に空気を吹き込む方法である
ので、かさ比重の設定範囲も比較的広くとることが可能
であり、またコスト的にも安く済むという長所をもって
いる。しかし、その製法に起因して成形体表面に多数の
気孔が残存するので、表面平滑度は上記の各種成形体と
同様に低い。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の主な目的は、
軽量体であるにも拘らず一定の強度と高い表面平滑度を
有する軽量セラミックス成形体を提供することにある。
さらに、本発明は、所望のかさ比重に制御でき、比較的
容易に上記成形体を得ることができる軽量セラミックス
成形体の製造方法を提供することも目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記の各軽
量セラミックス成形体のもつ問題点に鑑みて研究を重ね
る過程において、鋳込み成形方法のもつ特性を解明する
ことを試みた。即ち、鋳込み成形方法は、スラリー中の
水分の吸収が速やかに行なわれるので、スラリー中にあ
る気泡がそのまま残留し易いという短所を有しており、
それ故に強度を必要とするセラミックスの成形には適し
ていないとされている。

【００１５】本発明者は、かかる特性を利用すれば軽量
セラミックス成形体の作製が可能となるのではないかと
考えた。そこで、まず発泡液を大量に導入した原料スラ
リーを用い、これを鋳込み成形することを試みた。その
結果、従来の軽量セラミックス成形体とは異なる特異な
構造をもつ成形体が得られ、しかもその成形体は所望の
かさ比重に容易に制御できるものであることが判明し
た。さらに、この成形体は、その主体が多孔質体である
にも拘らず、優れた表面平滑性と一定の強度を発現でき
ることも見出し、本発明を完成するに至った。

【００１６】即ち、本発明は、下記の軽量セラミックス
成形体及びその製造方法を提供するものである； １．酸化物系又は非酸化物系セラミックスからなる成形
体であって、その表面の平滑度Ｒ_maxが５μｍ未満であ
り、当該表面から５０〜１００μｍの内部までは緻密質
層からなり、当該層から中心部に亘っては気孔率２０〜
８０％で１０〜２０００μｍの気孔が均一に分布する多
孔質体からなることを特徴とする軽量セラミックス成形
体。

【００１７】２．酸化物系又は非酸化物系セラミックス
粉末スラリーに、気泡の直径が１０〜２０００μｍであ
る発泡液を加えて撹拌してなるスラリーを鋳込み成形し
た後、脱型し、脱脂し、焼成することを特徴とする軽量
セラミックス成形体の製造方法。 以下、本発明につい
て詳細に説明する。

【００１８】本発明の軽量セラミックス成形体は、酸化
物系又は非酸化物系セラミックスからなる成形体であっ
て、その表面の平滑度Ｒｍａｘが５μｍ未満であり、当
該表面から５０〜１００μｍの内部までは緻密質層から
なり、当該層から中心部に亘っては気孔率２０〜８０％
で１０〜２０００μｍの気孔が均一に分布する多孔質体
からなることを特徴とする成形体である。

【００１９】本発明の成形体の表面は、その表面粗さ
（Ｒ_max）が通常５μｍ未満であるが、好ましくは１〜
５μｍ程度であるのが良い。５μｍを上回る場合には、
この成形体を焼成用匣鉢などとして用いる場合に、被焼
成物との接触面に粗さが転写されるおそれがある。ま
た、１μｍを下回ると経済的に不利となり、工業的な生
産に適さなくなる。

【００２０】緻密質層は、成形体の表面から内部に５０
〜１００μｍの範囲に亘って存在している。５０μｍ未
満の場合には、緻密質層が薄すぎて強度の低下を招く。
１００μｍを上回る場合には、軽量体としての特性が低
下するおそれがあるので好ましくない。なお、本発明で
いう緻密質とは、後記多孔質部との関係上、気孔率が２
０％未満の部分を示す。

【００２１】多孔質部は、上記緻密部から中心部に亘っ
て存在し、気孔率２０〜８０％で１０〜２０００μｍの
気孔が均一に分布している。上記気孔率が２０％未満の
場合には、軽量体としての特性を発揮できなくなること
があり好ましくない。８０％を超えると強度が低下す
る。同様に気孔の大きさが１０μｍを下回る場合には軽
量体としての特性が低下してしまい、１０００μｍを上
回ると強度が低下するおそれがあるので好ましくない。

【００２２】成形体の材質としては、後記に示す製造方
法に適用できるものであればどのような種類のセラミッ
クスでも良く、公知の酸化物系又は非酸化物系の、実質
的にあらゆるセラミックスが本発明の成形体の材質とし
て採用することができる。具体的には、例えば酸化物系
のものとしてはアルミナ系、ムライト系、ジルコニア系
などがある。また、非酸化物系のものとしては炭化ケイ
素系、窒化ケイ素系、窒化アルミニウム系、窒化ホウ素
系、グラファイト系などが挙げられる。

【００２３】次に、本発明の成形体の製造方法について
説明する。

【００２４】最初にセラミックススラリーの調製を行な
う。前記のようなセラミックスの粉末を原料として用
い、水を加えて常法に従ってスラリーを調製する。水の
配合量は、通常セラミックス原料１００重量部に対して
２５〜３５重量部とするのが好ましい。また、本発明で
は必要に応じて、公知の滑剤、分散剤等の各種添加剤を
加えても良い。

【００２５】次に、上記スラリーに、別途に発泡剤によ
り調製された発泡液を加え、撹拌することにより、スラ
リー中に気泡を導入する。本発明で使用する発泡剤は、
気泡をつくることができるものであれば特に限定されな
い。よって、いわゆる発泡剤のみならず、起泡剤、界面
活性剤なども本発明の発泡剤に包含される。具体的に
は、発泡剤としてはアルミニウム微粉末など、起泡剤と
してはタンパク質系起泡剤、卵白など、界面活性剤とし
てはアルキルベンゼンスルホン酸塩などが例示できる。
なお、本発明では、特に低価格という点でタンパク質系
起泡剤を用いるのが好ましい。また、本発明では必要に
応じて、公知の増粘剤、糊剤等を適宜添加することもで
きる。増粘剤、糊剤等の具体例としては、メチルセルロ
ース、ポリビニルアルコール、サッカロース、糖蜜など
が挙げられる。これらを添加することによって、スラリ
ー中の気泡の強度の向上を図り、気泡を安定化すること
ができる。

【００２６】発泡液の調製は、上記発泡剤等を用いて常
法により作製すれば良い。この場合、最終的に焼成され
た成形体中に存在する気泡の直径は、この発泡液調製時
に調製された気泡の直径の０．５〜２倍程度の範囲内で
分布することになるので、このことを考慮しながら最終
的な気孔の直径が５０〜１０００μｍの範囲内になるよ
うに設定を行なう。

【００２７】気泡を導入したスラリーを石膏型などの型
に流し込み、常法に従って鋳込み成形を行なう。この場
合、スラリーは数分〜数十分以内に脱水されるため、気
泡の成長および消泡を抑制乃至阻止することができ、そ
のままの状態で気泡を成形体内に閉じ込めることができ
る。脱水が完了した後、常法に従い脱型、脱脂し、次い
で焼成を行なえば、本発明の軽量セラミックス成形体が
得られる。

【００２８】

【発明の効果】本発明の製造方法では、気泡を大量に導
入したセラミックススラリーを鋳込み成形にて成形を行
なうので、所望のかさ比重に設定された、特有の構造を
もつセラミックス成形体を得ることができる。

【００２９】そして、上記方法により得られた本発明の
軽量セラミックス成形体は、主たる構造が多孔質体であ
るにも拘らず、一定の強度と高い表面平滑度を有する。
従って、その特異な構造を利用して焼成用匣鉢、セッタ
ー、棚板、断熱レンガなどの用途に幅広く活用すること
ができる。

【００３０】

【実施例】以下に実施例及び比較例を示し、本発明の特
徴とするところをより一層明瞭にする。

【００３１】実施例１ 原料としてアルミナ系セラミックス粉末を用いて軽量セ
ラミックス成形体を作製した。

【００３２】まず、アルミナ系セラミックス粉末３００
ｇに対して水７５ｇ、ポリアクリル酸アンモニウム塩系
分散剤１．５ｇおよびパラフィン系ワックス系滑剤０．
３ｇを加え、プロペラ式ミキサーで撹拌することにより
セラミックススラリーを調製した。

【００３３】次いで、別途にタンパク質系起泡剤により
調製した平均約２５０μｍ（分布範囲１２５〜５００μ
ｍ）の大きさの気泡からなる発泡液１００ｍｌを、上記
スラリーに加え、プロペラ式ミキサーで撹拌した。これ
を石膏型に流し込み、鋳込み成形を施した。約６０分後
に脱型し、得られた生成形体のかさ比重を測定したとこ
ろ、１．４（g/cm³ ）であった。また、生成形体の表面
には気泡はなく、高い平滑度を維持していた。生成形体
の破断面を観察すると平均約２５０μｍ（分布範囲１２
５〜５００μｍ）の気泡が均一に導入されていることが
わかった。

【００３４】生成形体を空気中６００℃で５時間加熱し
て脱脂した後、１５００℃で２時間焼成を行なうことに
より、本発明の軽量セラミックス成形体を得た。このと
き、成形体には大きなソリや割れは認められず、表面粗
さＲｍａｘが５μｍ未満で高い平滑度を維持していた。
また生成形体の破断面を観察すると平均約２００μｍ
（分布範囲１００〜４００μｍ）の気泡が均一に導入さ
れていることがわかった。さらに成形体の表面から約５
０〜１００μｍまでの内部は緻密な層が形成されてい
た。

【００３５】得られた成形体の気孔率、気孔の大きさ、
曲げ強さなどについての測定も行なった。その結果を表
１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】実施例２ 発泡液の導入量を３００ｍｌとした以外は、実施例１と
同様にして本発明の成形体を作製した。得られた成形体
の特性を表１に示す。

【００３８】実施例３ 原料として窒化ケイ素系セラミックス粉末を用いて軽量
セラミックス成形体の作製を行った。

【００３９】まず、窒化ケイ素系セラミックス粉末３０
０ｇに対して水７５ｇ、ポリアクリル酸アンモニウム塩
系分散剤１．５ｇおよびパラフィン系ワックス系滑剤
０．３ｇを加え、プロペラ式ミキサーで撹拌することに
よりセラミックススラリーを調製した。

【００４０】次いで、別途に樹脂系起泡剤により調製し
た平均約３００μｍ（分布範囲１５０〜６００μｍ）の
大きさの気泡からなる発泡液１００ｍｌを、上記スラリ
ーに加え、プロペラ式ミキサーで撹拌した。これを石膏
型に流し込み、鋳込み成形を施した。約１０分後に脱型
し、得られた生成形体のかさ比重を測定したところ、
１．７（g/cm³ ）であった。また、生成形体の表面には
気泡はなく、高い平滑度を維持していた。生成形体の破
断面を観察すると平均約３００μｍ（分布範囲１５０〜
６００μｍ）の気泡が均一に導入されていることがわか
った。

【００４１】生成形体を真空中５００℃で１０時間加熱
して脱脂した後、１４００℃で２時間焼成を行なうこと
により、本発明の軽量セラミックス成形体を得た。この
とき、成形体には大きなソリや割れは認められず、表面
粗さＲｍａｘが５μｍ未満で高い平滑度を維持してい
た。また生成形体の破断面を観察すると平均約３００μ
ｍ（分布範囲１５０〜６００μｍ）の気泡が均一に導入
されていることがわかった。さらに成形体の表面から約
５０〜１００μｍまでの内部は緻密な層が形成されてい
た。

【００４２】得られた成形体の気孔率、気孔の大きさ、
曲げ強さなどについての測定も行なった。その結果を表
２に示す。

【００４３】

【表２】

【００４４】実施例４ 発泡液の導入量を３００ｍｌとした以外は、実施例３と
同様にして本発明の成形体を作製した。得られた成形体
の特性を表２に示す。

【００４５】実施例５ 増粘剤としてメチルセルロース３ｇを加えた以外は、実
施例１と同様にして成形体を作製した。得られた成形体
のかさ比重は２．３、曲げ強さは３９ＭＰａであった。

【００４６】比較例１ 発泡液を用いない以外は、実施例１と同様にして本発明
の成形体を作製した。得られた成形体の特性を表１に示
す。

【００４７】比較例２ 発泡液を用いない以外は、実施例４と同様にして本発明
の成形体を作製した。得られた成形体の特性を表２に示
す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酸化物系又は非酸化物系セラミックスから
   なる成形体であって、その表面の平滑度Ｒ_maxが５μｍ
   未満であり、当該表面から５０〜１００μｍの内部まで
   は緻密質層からなり、当該層から中心部に亘っては気孔
   率２０〜８０％で１０〜２０００μｍの気孔が均一に分
   布する多孔質体からなることを特徴とする軽量セラミッ
   クス成形体。
2. 【請求項２】酸化物系又は非酸化物系セラミックス粉末
   スラリーに、気泡の直径が１０〜２０００μｍである発
   泡液を加えて撹拌してなるスラリーを鋳込み成形した
   後、脱型し、脱脂し、焼成することを特徴とする軽量セ
   ラミックス成形体の製造方法。