JPH0582002B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は500〜600℃の高温状態において、大き
な静的機械的強度と、優れた熱的および機械的衝
撃強度とを保持する絶縁性耐熱材料の製造方法に
関する。 ［従来の技術］ 使用温度が300℃以上で経年変化が少なく、絶
縁性と機械的強度とを保持する絶縁性耐熱材料と
いうと、おおむね無機質材料に限定される。静的
な機械的強度と絶縁特性のみを対象特性にする
と、磁器材質はきわめて好ましい特性を有する。 しかしながら、高周波用コイルを保持するスペ
ーサーのように、温度の上昇下降が激しく大きな
熱衝撃を受ける用途や、使用時高温になる金属部
品を精密な間隔、寸法および絶縁性を保持して組
立てる際に使用する楔のごとき形状を有する板材
のように、大きな機械的衝撃強度を必要とする用
途などに対しては、磁器材質は熱的および機械的
衝撃強度が本質的に乏しいため、使用不可能であ
るという致命的な欠陥がある。 その点、ガラス−マイカ塑造体は本質的に熱的
および機械的衝撃強度が大きい材料であるため、
上記のような用途には好適に使用される。 ガラス−マイカ塑造体とは、ガラス質の粉末
と、剥片状に粉砕されたマイカの粉末との混合粉
末を原料として、この混合粉末を、ガラス質粉末
が溶融軟化して加圧により流動可能な温度まで加
熱し、加熱状態で加圧成形してえられる絶縁性に
富む複合材料のことである。 このガラス−マイカ塑造体が、熱的および機械
的衝撃強度に対して、きわめて優れた特性を保持
するのは、主原料であるマイカ粉末の性質に起因
する。つまりマイカ粉末は前記のように剥片状で
あり、粉末の表面積の径と厚さとの比は平均して
30〜50：１である。そして成形品中ではマイカ剥
片が積層状に配列されているので、磁器質とはま
つたく異なつた状態にあり、弾性を有しているた
めである。 ガラス−マイカ塑造体が本質的に保持する熱的
および機械的衝撃強度は、マイカ粉末の粒度およ
び含有量ならびに成形条件、とくに成形時の加熱
温度に大きく支配される。 まず使用するマイカ粉末であるが、マイカ粉末
には天然系のものと合成系のものとがあり、天然
系のものは結晶構造中に水酸基（OH）を含有す
るため、高温に加熱すると水酸基（OH）が分解
してH₂Oを発生し、結晶構造が破壊される。こ
の分解する温度はマイカの構成成分によりそれぞ
れ異なるが、この傾向はどのような天然系のマイ
カにも共通する現象である。なおガラス質の粉末
を共存させて加熱するときにはガラス質の粉末と
の反応がおこるため、単独で加熱したときよりも
分解する温度はより低くなる。その点合成系のも
のは結晶構造中に水酸基（OH）が存在しないた
め、単独の加熱では分割することはないが、ガラ
ス質の粉末と共存して加熱されるとガラス質の粉
末との反応により浸食されるようになる。 上記のように天然系のマイカは分割現象がある
ため加熱温度に制約があり、溶融温度の高いガラ
ス質の粉末を使用することは困難であり、使用可
能なガラス質の粉末はおのずと制限される。合成
系のマイカのばあいには上記のような制約はない
が、高温になるほど浸食されやすくなるため、加
熱温度は低い方が望ましいことになる。 さて、マイカの分解あるいは浸食と静的機械的
強度、ならびに熱的および機械的衝撃強度との関
係であるが、マイカ粉末は前記のように薄い剥片
形状をしているため、分割を生じたときには層間
剥離現象を生じ、浸食を受けたときにはその厚さ
が薄くなるので、上記の特性、すなわちマイカ剥
片が積層状に配列されているため成形品が弾性を
有しており、そのため静的機械的強度が大きいと
いう特性はおのずと急激に低下する。 つぎにガラス−マイカ塑造体の耐熱温度と原料
ガラスとの関係であるが、原料ガラスの特性、と
くに溶融軟化する温度に直接関係し、原料ガラス
の溶融軟化する温度が高いものほど耐熱温度は高
くなるが成形時の加熱温度も必然的に高くなる。
このことはマイカの静的機械的強度ならびに熱的
および機械的衝撃強度が逆に必然的に低くなるこ
とを意味する。つまり成形時の加熱温度は、使用
するガラス質の粉末の溶融軟化する温度と密接に
関係し、低い溶融軟化温度のときには熱的および
機械的衝撃強度の高いものがえられるが、耐熱温
度は低いものしかえられない。逆に高い溶融軟化
温度のときには耐熱温度の高いものがえられるが
熱的および機械的衝撃強度は低下する傾向にあ
る。上記の関係はガラス質の粉末とマイカ粉末と
の反応によりマイカ粉末が分解、浸食されること
によるものと考えられる。 ［発明が解決しようとする問題点］ 従来の製造方法により製造したガラス−マイカ
塑造体では、耐熱温度の上昇にともない、必然的
に静的機械的強度ならびに熱的および機械的衝撃
強度が低下するという、不可避の致命的欠陥があ
る。 本発明は前記致命的欠陥を除去し、耐熱温度が
高いものでありながら、実用的に価値のある静的
機械的強度ならびに熱的および機械的衝撃強度の
高いガラス−マイカ塑造体をうることを目的とし
たものであり、成形時の加熱温度を低くして成形
する方法を確立することを目的としたものであ
る。 ［問題点を解決するための手段］ 本発明は、ガラス転移温度が高いガラス質の粉
末の一部をガラス転移温度が低いガラス質の粉末
で置換したガラス質粉末をガラス原料とし、マイ
カの粉末と混合して原料粉末を調製する工程、原
料粉末を冷間加圧により予備成形体を作成する工
程、ガラス質の粉末が加圧により流動する温度ま
で予備成形体を加熱する工程、加熱状態の予備成
形体をあらかじめガラス転移温度が低いガラス質
のガラス転移温度よりも50℃高い温度〜550℃に
加熱した成形用金型に装填して加圧する工程、冷
却後、成形用金型を分解して成形体を取り出す工
程よりなる絶縁性耐熱材料の製造方法に関する。 ［実施例］ 本発明に用いるガラス転移温度が高いガラス質
の粉末としては、ガラス転移温度が400〜700℃、
好ましくは500〜600℃程度で粒度200メツシユ以
下のものが使用され、材質的には特別な限定はな
く、一般の市販品を使用することができる。 ガラス−マイカ塑造体では、含有されるガラス
質の粉末が溶融して粘度が低下する温度まで原料
粉末を加熱し、加熱状態で加圧すると、溶融した
ガラス質の粉末が流動して、薄いフイルム状とな
つてマイカ剥片の表面に介在し、接着剤として作
用する。 しかし、成形品の温度が上昇すると、このガラ
ス質は軟化して接着剤としての役割をはたさなく
なる。そのために耐熱温度の高い成形品をうるに
は必然的にガラス転移温度が高く、軟化する温度
の高いものを使用する必要がある。 本発明に用いるガラス転移温度が低いガラス質
の粉末としては、ガラス転移温度が290〜400℃、
好ましくは300〜400℃の程度の200メツシユ以下
のガラス質粉末で、硼酸鉛系ガラスあるいは硼硅
酸鉛系ガラスのような低融点ガラスであればよ
く、とくに成分組成的な限定はなく、市販品で上
記条件を満すものであつても使用しうる。 高融点ガラスと低融点ガラスとを混合して加熱
し、温度を上昇させると、まず低融点ガラスが溶
融し、温度の上昇とともに粘度は低下する。高融
点ガラスもガラス転移温度よりも高い温度になる
と粘性は低下するようになるが、加熱により流動
してフイルム状になり接着性があらわれる状態に
するには、きわめて高温に加熱する必要がある。
しかし低融点ガラスと混在させて加熱すると、高
融点ガラスに接着性があらわれない温度でも、粒
は加圧より変形可能になる。この温度で加圧成形
すると、高融点ガラスは剥片状に変形し（接着性
はない）、充分に粘度が低下している低融点ガラ
スが流動して、マイカ剥片を接着するようにな
る。その結果、高密度の成形品がえられるように
なる。また、このようにしてえられた成形品の耐
熱温度は、低融点ガラスがきわめて薄いフイルム
として存在しているので、温度が上昇しても膨れ
るようなことがなく、膨れ現象が発生するのは高
融点ガラスが変形したときである。 ガラス転移温度が低いガラス質の粉末で置換さ
れるガラス転移温度が高いガラス質の粉末の量
は、ガラス転移温度が高いガラス質の粉末中の３
〜20％（容量％、以下同様）、好ましくは４〜15
％である。 本発明に用いるマイカ粉末は、合成マイカに限
定される。合成マイカのなかでも含フツ素金マイ
カが好適である。 マイカ粉末の大きさは大きいほど望ましいが、
あまり粗大な粉末になるとマイカ粉末相互間の装
着状態がわるくなる傾向が生ずる。マイカ粉末の
大きさとしては50〜200メツシユが好ましく、50
〜100メツシユがさらに好ましい。 マイカ粉末の含有量は多いほど熱的および機械
的衝撃強度を増す傾向を示すが、逆に静的機械的
強度は減ずる傾向にあり、容量比にして全体の35
〜65％が総合的に好ましい。 ガラス転移温度が高いガラス質の粉末、ガラス
転移温度が低いガラス質の粉末およびマイカの粉
末を任意の順序で混合して原料粉末が調製される
が、混合方法にはとくに制限はなく、一般的な混
合手段により混合される。 このようにして調製された原料粉末から冷間加
圧により予備成形体が製造される。 つぎに、予備成形体をガラス転移温度が高いガ
ラス質のガラス転移温度よりも高い温度で400℃
を起点に25℃ずつ上昇した温度に設定した電気炉
中に40分間程度保持し、ついで該予備成形体を、
あらかじめガラス転移温度が低いガラス質のガラ
ス転移温度よりも50℃高い温度に（ただし最高温
度550℃）加熱した成形用金型に装填して、全圧
力38.5t程度で加圧して、ガラス転移温度が低い
ガラス質のガラス転移温度よりも20℃程度低い温
度まで加圧を継続しながら冷却する。 このようにして本発明の方法による絶縁性耐熱
材料が製造される。 つぎに本発明の方法を実施例にもとづき説明す
る。 実施例１〜４および比較例１〜７ 200メツシユに粉砕した第１表に示すガラス質
粉末および50〜200メツシユの粒度の合成含フツ
素金マイカを第２表に示す割合になるように配合
し、配合物に対して、５％の水分を加えて湿潤状
態にし、直径68mmの円板成形型を用い、冷間加圧
成形により円板を成形した。そののち、乾燥して
水分を除去し、円板状の予備成形を作製した。 えられた予備成形体を、実施例１〜４ではガラ
ス転移温度が高いガラス質のガラス転移温度より
も高い温度で、また比較例１〜７では用いられた
ガラス質のガラス転移温度よりも高い温度で400
℃を起点に25℃ずつ高い温度に設定した第２表に
示す加熱温度の電気炉中に40分間保持したのち、
成形用金型に装填し、全圧力38.5tで加圧して成
形した。 なお、成形用金型としては内径70mmの分割構造
の壁部、壁部を締付ける枠、壁部に嵌合する受金
および加圧金で構成された金型を用い、実施例１
〜４ではガラス転移温度が低いガラス質の粉末の
ガラス転移温度、また比較例１〜７では用いたガ
ラス質の粉末のガラス転移温度が500℃以下のば
あいには、実施例１〜４ではガラス転移温度が低
いガラス質の粉末のガラス転移温度よりも50℃高
い温度に、また比較例１〜７では用いたガラス質
の粉末のガラス転移温度よりも50℃高い温度に、
ただしいずれのばあいにも最高温度は550℃に制
限し、加熱が完了した時点で予備成形体を装填し
た。 成形は実施例１〜４ではガラス転移温度が低い
各ガラス質粉末のガラス転移温度よりも20℃低い
温度、また比較例１〜７では用いたガラス質粉末
のガラス転移温度よりも20℃低い温度まで加圧を
接続して冷却し、直径70mmで厚さ14mmの板を成形
した。 えられた成形板の上下面をそれぞれ２mm研磨し
て厚さ10mmの板に仕上げたのち、中央部から厚さ
が10mmで15×30mmの板を取り出し、金属のヒビ、
成形体のヒビ、気孔などを調べる方法であるカラ
ーチエツクを実施し、カラーが発生しない最低の
温度を加熱温度とした。 加熱温度を測定した板を試料とし、310℃を起
点として15℃ずつ高い温度に設定した電気炉に８
時間保持し、冷却後常温で厚さを計測し、10mmの
厚さが変化しない最高温度を耐熱温度として測定
した。 これらの結果および実施例１〜４ではガラス転
移温度が高いガラス質のガラス転移温度、また比
較例１〜７では用いたガラス質のガラス転移温度
と加熱温度との差、実施例１〜４ではガラス転移
温度が高いガラス質のガラス転移温度、また比較
例１〜７では用いたガラス質のガラス転移温度と
耐熱温度との差を第２表に示す。また実施例１〜
４については、ガラス転移温度が低いガラスを用
いたことによる加熱温度の低下をもあわせて第２
表に示す。

【表】

【表】

【表】 第２表に示すように、比較列１のばあいにはガ
ラス転移温度は304℃であり、加熱温度は450℃で
その差は146℃であるが、比較例２ではその差が
205℃、比較例３では316℃で、ガラス転移温度が
高くなるほどその差が大きくなつている。しかし
比較例４〜７ではガラス転移温度が483〜582℃と
高くなつているが、その差は337〜343℃の間にあ
り、比較例１〜７に関しては直線的な差の増加は
ない。 つぎに耐熱温度であるが、比較例１では340℃
でガラス転移温度の304℃よりも36℃高くなつて
いるが、比較例６では耐熱温度595℃で32℃高く、
比較例７では610℃で28℃高く、その差は最小で、
比較例２では43℃と差が最大であるが、大きな変
動は示さない。 比較例１〜７において用いたガラスのガラス転
移温度と、加熱温度および耐熱温度それぞれとの
差がばらついているが、これは各ガラスの温度に
対する粘度特性によることはもちろん、加熱温度
については25℃、耐熱温度については15℃の温度
上昇条件を設定した影響もあると考えられる。 比較例１〜７における耐熱温度と加熱温度との
関係であるが、耐熱温度610℃のものをうるため
には、ガラス転移温度580℃程度のガラスを使用
し、加熱温度925℃程度にする必要がある。しか
し、加熱温度が900℃程度になると、合成マイカ
粉末とガラスとの反応が急激に進行するようにな
り、合成マイカ粉末は大きな浸食を受ける。その
ため静的機械的強度ならびに熱的および機械的衝
撃強度は極端に低下し、ガラス−マイカ塑造体の
特徴はほとんど消失するようになる。このことは
使用価値のある機械的強度を保持する耐熱温度が
高いものがえられないことを意味し、致命的な欠
陥である。 実施例１のばあいには加熱温度は650℃になり、
比較例３のばあいと比較して75℃低下している。
実施例２のばあいには加熱温度775℃、実施例３
のばあいには800℃、実施例４のばあいには825℃
になり、それぞれ比較例５〜７のばあいと比較し
て各加熱温度が100℃低下している。 また耐熱温度は実施例１では445℃、実施例４
では610℃を示し、いずれもガラス転移温度が低
いガラスNo.１を用いない比較例３、７のばあいと
同等の耐熱特性を示している。 たとえば、比較例７の組成のものを加熱温度
825℃で成形すると厚さは約14mmに成形され、ガ
ラス質が変形したことはわかるが、カラーチエツ
クによると完全に着色し、気孔の残存が観察され
る。この加熱温度825℃は用いたガラスのガラス
転移温度よりも242℃度く、ガラス粉末単体を鉄
板上に塗布して、825℃の電気炉中に40分間保持
すると、表面は光沢のある平滑な面になり溶融す
るが、粘度の低下が充分でなく、加圧により流動
してマイカ剥片を完全に接着する状態にないもの
である。 これに対し、加熱温度925℃の成形品がカラー
チエツクにより全く着色しないのは、ガラス質の
粘度が低下してマイカ剥片を完全に接着する状態
にあるための考えられる。ただし、ガラス質の含
有率が30％以下のばあいには、加熱温度を925℃
にしてもカラーチエツクにより着色する。また加
熱温度825℃のばあいには、ガラス質の含有率を
70℃にしてもカラーチエツクで着色し、ガラス質
自体の粘度の関係が顕著にあらわれる。 本発明の方法による実施例４では、加熱温度
825℃の成形でカラーチエツクで全く着色しない
成形品がえられているが、これは粘度が大きく低
下したガラスNo.１がマイカ剥片相互間および加圧
により変形したガラスNo.７とマイカ剥片とを完全
に接着し、気泡が存在しえない状態にしたものと
考えられる。なお実施例４ではガラス転移温度が
高いガラスNo.７の20％をガラス転移温度が低いガ
ラスNo.１で置換し、ガラスNo.１が全体の８％存在
する状態になつているが、多くの実験をかさねた
結果、加熱温度の低下に直接関係するのはガラス
合計量中の含有率ではなく、原料粉末中の低ガラ
ス転移温度ガラスの含有率にあることが明らかに
なつている。ガラス転移温度が低いガラスが３％
以上存在することにより、その効果がえられる。
その含有比率が増大し、20％になると、加熱温度
の低下には有効であるが、耐熱温度に影響があら
われるようになる。 つぎにガラス転移温度が低いガラスの含有比率
と耐熱温度との関係であるが、その含有率が10％
以下のばあいには、加熱温度を低くして成形した
成形品はこのガラス転移温度が低いガラスを含有
せずに高い温度で成形した成形品と同等の耐熱温
度を保持する。 なお本発明の説明にあたつては、板材を対象に
したが、このガラス−マイカ塑造体は金属体を埋
め込んだ構造絶縁物、たとえば耐熱性気密端子類
などにも広く使用されているものであり、このよ
うな用途にも有効に使用されるものである。 ［発明の効果］ 本発明の製造方法においては、原料ガラスとし
てガラス転移温度が高いガラスの一部をガラス転
移温度が低いガラスで置換したものを使用し、こ
れとマイカ粉末とを混合して原料を調製するの
で、従来の成形方法と同様の工程により製造する
ことができ、原料の加熱温度が低下し、しかも耐
熱温度が同等のものがえられる。原料の加熱温度
が低下するためマイカ粉末がガラス質に浸食され
ることが少なくなり、静的機械的強度ならびに熱
的および機械的衝撃強度の低下が少なくなる。そ
の結果、高い耐熱特性を保持しながら大きな機械
的強度を保持するものがえられ、従来の耐熱温度
が高くなると必然的に機械的強度が低下するとい
う致命的欠陥が除去される。それゆえ、前記の高
周波コイルを保持するスペーサーや、高温になる
金属部品を精密な間隔と絶縁性とを保持して組立
てるさいに使用する楔用材料などに有効に使用さ
れる、優れた静的機械的強度ならびに熱的および
機械的衝撃強度を保持した絶縁性耐熱材料がえら
れるようになり、その実用的および技術的効果は
きわめて大きい。 また加熱温度の低下は加熱設備の長寿命化はも
ちろん生産コストの低下に直結し、副次的効果も
大きい。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ガラス転移温度が高いガラス質の粉末の一部
   をガラス転移温度が低いガラス質の粉末で置換し
   たガラス質粉末をガラス原料とし、マイカの粉末
   と混合して原料粉末を調製する工程、原料粉末を
   冷間加圧により予備成形体を作製する工程、ガラ
   ス質の粉末が加圧により流動する温度まで予備成
   形体を加熱する工程、加熱状態の予備成形体をあ
   らかじめガラス転移温度が低いガラス質のガラス
   転移温度よりも50℃高い温度〜550℃に加熱した
   成形用金型に装填して加圧する工程、冷却後、成
   形用金型を分解して成形体を取り出す工程よりな
   る絶縁性耐熱材料の製造方法。