JPH06293572A - 軽量焼成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】 発泡液と誘導タンパク質を添加することによ
って、軽量であるにも拘わらず高い強度と高い表面平滑
度を有し、且つ、耐熱衝撃性に非常に優れた軽量セラミ
ックス成形体及びその製造方法を提供することを目的と
し、特に大型、肉厚、複雑形状品の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
る焼成成形体であって、該成形体は気孔率が20〜95％
で、10〜2000μm からなる気孔を有する多孔質からな
り、該気孔の60〜100 ％が連続気孔であることを特徴と
する軽量焼成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
る軽量焼成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、既知の発泡剤な
どにより作製された気泡からなる泡状体をいう。

【０００２】

【従来の技術】一般に電子材料、セラミックス材料、粉
末合金材料等を製造する際の焼成過程におけるセッタ
ー、焼成用匣鉢等の製造用器材として使用されている焼
成セラミックス成形体の製造方法は、酸化物系又は非酸
化物系セラミックス粉末をバインダーとともに溶媒中に
分散させてスラリーを作製し、石膏型を用いて鋳込み成
形あるいは振動鋳込み成形にて成形し、乾燥・焼成させ
るものであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにして製造された焼成セラミックス成形体は緻密質で
あるため比重が大きく、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。従って、焼
成工程において、上記セラミックス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。また、耐熱衝撃性も悪く、炉内での急加熱や急
冷却には対応できないという問題点もある。

【０００４】通常の鋳込み成形では、石膏型を使用する
ために肉厚・複雑形状品の製造が困難であり、少量多品
種の製造には向いているが、量産にはあまり向いていな
い。石膏型を用いる通常鋳込み法において、発泡液にて
作製した軽量焼成セラミックス成形体では表面平滑度の
優れたものが得られるが、表面緻密層と内部多孔層との
熱伝導度の違いにより、熱衝撃性にやや劣る。一方、セ
ラミックスファイバーに少量のセラミックス粉末をバイ
ンダーとして用い成形した軽量焼成セラミックス成形体
があるが、熱伝導度が悪く焼成時にセッター上で温度む
らが生じるという問題が残る。また、有機ビーズを入れ
て、焼失させた軽量セラミックスでは低密度化の問題が
ある。また、これらセラミックスファイバーや有機ビー
ズを使用すると製造コストが高くなることは避けられな
い。

【０００５】本発明、こうした従来の問題を解決し、低
比重で熱容量が少なく、熱伝導度や熱衝撃性の良い軽量
焼成セラミックス成形体を提供し、特に、肉厚・複雑形
状品の製造に対応でき、低コストで量産が可能な軽量焼
成セラミックス成形体およびその製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、誘導タンパク
質水溶液がゲル化する性質を利用し、発泡液と誘導タン
パク質とを加えて攪拌したスラリーを使用し、該気泡ス
ラリーが気泡を有したままゲル化することを見いだし
た。本発明に係るこの軽量焼成セラミックス成形体はス
ラリーに対する発泡液の添加量を調節することによって
その成形体の比重を容易にコントロールできる。また、
誘導タンパク質の添加量を調整することによってゲル化
時間がコントロールでき、ゲル化時間が変わることによ
って気泡の成長時間が変わり、気泡の大きさもコントロ
ールできる。これらの発泡液添加量や気泡の大きさのコ
ントロールにより、焼失型軽量焼成セラミックス成形体
に比べて容易に低密度化が可能である。また、気孔を含
んだ軽量素地は強度が弱く、通常の鋳込み成形法におい
ては、軽量素地の離型が困難であったが、素地の自己硬
化により離型性が向上するため、肉厚・複雑形状品の作
製が可能であり、量産に向いていることを見い出した。
また、添加した誘導タンパク質は、ゼラチンや寒天等の
コストの低いものが利用できる。本発明の軽量セラミッ
クスは気孔以外は緻密質から構成されており、ファイバ
ー混合軽量焼成セラミックスに比べて高い熱伝導度を有
している。

【０００７】本発明は下記の軽量焼成セラミックス成形
体および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、該成形体は気孔率が20〜95％で、10〜2000
μm からなる気孔を有する多孔質体からなり、該気孔の
60〜100 ％が連続気孔であることを特徴とする軽量焼成
セラミックス成形体。好ましくは、気孔率が50−85％、
気孔の分布は100 −500 μm である。なお、平均気孔径
は好ましくは、50−1950μm である

【０００８】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
液とゼラチンや寒天等に代表される誘導タンパク質を加
えて攪拌して作製したスラリーを型に流し込み、スラリ
ーに含まれる誘導タンパク質のゲル化後、脱型及び脱水
し、脱脂し、焼成することを特徴とする軽量焼成セラミ
ックス成形体の製造方法。

【０００９】上記２の方法によれば、大型・肉厚・複雑
形状品の生産ができ、セラミックスファイバーや有機物
ビーズを使用した軽量焼成セラミックスに比べて低コス
トで量産可能であることを特徴とする軽量焼成セラミッ
クス成形体の製造方法。

【００１０】以下に本発明による軽量焼成セラミックス
成形体について説明する。本発明の軽量焼成セラミック
ス成形体は、酸化物系又は非酸化物系セラミックスから
なる焼成成形体であって、該成形体が気孔率が20〜95％
で、10〜2000μmからなる気孔を有する多孔質体からな
ることを特徴とする軽量焼成セラミックス成形体であ
る。気孔構造は気孔径が10〜2000μm の気孔が均一に分
布し、該気孔の60％以上が１〜500 μm の穴でつながっ
た連続気孔を有している。

【００１１】上記気孔構造は、熱容量が小さく、気孔以
外は緻密質から成っているために高温下では輻射伝熱や
内部の対流伝熱により見かけ上、熱伝導度が向上すると
いう利点をもつ。上記気孔率が20％未満の場合は、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。95％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、2000μm を上回ると強度が低下するので
好ましくない。また、表層に緻密層がなく、連続気孔を
有することは表層部と内部との熱伝導の差を小さくし、
熱収縮の差も小さくなり、熱衝撃性を向上させる。

【００１２】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。

【００１３】次に、本発明の成形体の製造方法について
説明する。最初にセラミックススラリーの調製を行う。
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25〜50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物を加えても良
い。

【００１４】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と誘導タンパク質とを加え、攪拌す
ることにより、スラリー中に気泡と誘導タンパク質を導
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これに限定されない。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、シリコン微粉末など、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、高級アルキルアミノ
酸などが例示できる。本発明で使用する誘導タンパク質
はゼラチンや寒天などで、温水に溶けて非常に粘いゾル
になり、室温で弾性のあるゲルに成るものであれば良
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、糖密などが挙げられる。これらを添
加することによって、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。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。

【００１５】気泡および誘導タンパク質を導入したスラ
リーを金型やプラスチック型などの非吸湿性型に鋳込み
成形を行った後、室温または低温にてゲル化させる。ゲ
ル化時間、誘導タンパク質の添加量や温度によって異な
るが、40分〜３時間ほどでゲル化する。このとき、誘導
タンパク質のゲ化に伴い素地の強度が向上し、離型が可
能となる。その後、脱水、乾燥、脱脂を行い、次いで焼
成を行えば、本発明の軽量焼成セラミックス成形体が得
られる。

【００１６】

【発明の効果】本発明の製造方法では、誘導タンパク質
のゲル化を利用した鋳込み成形を行うことにより、低比
重で熱容量が少なく、熱伝導度や熱衝撃性の良い軽量焼
成セラミックス成形の製造ができ、かつ大型で肉厚・複
雑形状品を低コストで量産することもできる。

【００１７】

【実施例】次に、実施例および比較例にて、本発明の方
法を詳述する。 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焼
成セラミックス成形体を製造した。まず、アルミナ系セ
ラミックス粉末300gに対して水80g 、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1.5gを加え、プロペラ式ミキサーで攪拌すること
によりセラミックススラリー調製した。

【００１８】次いで、別途にタンパク質系気泡剤（商品
名「プロフォーム」、ニシダ商会製造）により調製した
平均約200 μm （分布範囲100 〜300 μm)の大きさの気
泡からなる発泡液300ml を上記スラリーに加え、プロペ
ラ式ミキサーで攪拌した。次に、ゼラチン７g を20mlの
温水に溶かしたゾル液を気泡スラリーに加え、プロペラ
式ミキサーで攪拌した。これを金型に流し込み、冷蔵庫
中でゲル化させ、約１時間後離型し、脱水を行った。得
られた成形体のかさ比重を測定したところ、0.65(g/c
m³) であった。成形体破断面を観察すると平均約250 μ
m （分布範囲125〜400 μm)の気孔が均一に導入されて
いることがわかった。成形体を空気中600 ℃で５時間加
熱して脱脂した後、1500℃で２時間焼成を行うことによ
り、本発明の軽量焼成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、成形
体の破断面を観察すると平均約200 μm （分布範囲100
〜300 μm)の気孔が均一に導入されていることがわかっ
た。得られた焼成成形体の気孔率、気孔の大きさ、曲げ
強さなどについての測定も行った。その結果を表１に示
す。なお、以下の実施例、比較例も含め評価は、嵩比
重、気孔率はアルキメデス法、平均気孔径はＳＥＭ観
察、室温曲げ強さは３点曲げで評価し（ＪＩＳ Ｒ１６
０１による）、スポーリング特性は1000℃15分加熱・15
分空冷サイクルでのクラック発生を目視観察によった。
また、連続気孔率はアルキメデス法により計算で算出し
た。

【００１９】実施例２ 発泡液の導入量を430ml とした以外は、実施例１と同様
にして本発明の焼成成形体を作製した。得られた焼成成
形体の特性を表１に示す。

【００２０】実施例３ 発泡液の導入量を120ml とした以外は、実施例１と同様
にして本発明の焼成成形体を作成した。得られた特性を
表１に示す。

【００２１】実施例４ 発泡液の平均気孔率を1800μm （分布範囲1600〜2000μ
m)とした以外は、実施例１と同様にして本発明の焼成成
形体を作成した。得られた特性を表１に示す。

【００２２】実施例５ 発泡液の平均気孔径を3000μm （分布範囲2500〜3500μ
m)とした以外は、実施例１と同様にして本発明の焼成成
形体を作成した。得られた特性を表１に示す。

【００２３】実施例６ 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
焼成セラミックス成形体を製造を行った。まず、窒化ケ
イ素系セラミックス粉末300gに対して水100g、ポリアク
リル酸アンモニウム系分散剤3.5gおよびパラフ系ワック
ス系滑剤1.5gを加え、プロペラ式ミキサーで攪拌するこ
とによりセラミックススラリーを調製した。

【００２４】次いで、別途に樹脂系気泡剤（製品名「ネ
オゲンＲ」、第一工業製薬（株）製造）により調製した
平均約250 μm （分布範囲150 〜400 μm)の大きさの気
泡からなる発泡液300ml を上記スラリーに加え、プロペ
ラ式ミキサーで攪拌した。次に、ゼラチン７g を20mlの
温水に溶かしたゾル液を気泡スラリーに加え、プロペラ
式ミキサーで攪拌した。これを金型に流し込み、冷蔵庫
中でゲル化させ、約１時間後に脱型し、脱水を行った。
得られた成形体の嵩比重を測定したところ、0.80(g/c
m³) であった。成形体破断面を観察すると平均約300 μ
m （分布範囲175〜500 μm)の気孔が均一に導入されて
いることがわかった。

【００２５】成形体を空気中500 ℃で10時間加熱して脱
脂した後、窒素雰囲気中1400℃で２時間焼成を行うこと
により、本発明の軽量焼成セラミックス成形体を得た。
このとき、該成形体には大きなソリや割れは認められ
ず、該成形体の破断面を観察すると平均約250 μm （分
布範囲150 〜350 μm)の気孔が均一に導入されているこ
とがわかった。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った。その結果を
表２に示す。

【００２６】実施例７ 発泡液の導入量を430ml とした以外は、実施例３と同様
にして本発明の焼成成形体を作成した。得られた焼成成
形体の特性を表２に示す。

【００２７】実施例８ 発泡液の導入量を120ml とした以外は、実施例３と同様
にして本発明の焼成成形体を作成した。得られた特性を
表２に示す。

【００２８】実施例９ 発泡液の平均気孔径を1700μm （分布範囲1500〜1900μ
m)とした以外は、実施例３と同様にして本発明の焼成成
形体を作成した。得られた特性を表２に示す。

【００２９】実施例１０ 発泡液の平均気孔径を2900μm （分布範囲2400〜3500μ
m)とした以外は、実施例３と同様にして本発明の焼成成
形体を作成した。得られた特性を表２に示す。

【００３０】実施例１１ 実施例２と同様にして本発明の焼成成形体を作製した。
得られた焼成成形体のＳＥＭ観察を行い、構造を撮影
し、連続気孔であることを確認した。気孔の92％が連結
気孔であった。ＳＥＭ顕微鏡写真（20KV, ×35）による
該構造を図に示す。

【００３１】比較例１ 発泡液を用いない以外は、実施例１と同様にして実施例
１と同組成の緻密質体を作製した。得られた焼成成形体
の特性を表１に示す。

【００３２】比較例２ ゼラチンを添加しない以外は、実施例１と同様にして気
泡スラリーを作製し、鋳込み型として石膏型を用いて軽
量焼成セラミックス成形体を作製した。得られた焼成成
形体の特性を表１に示す。

【００３３】比較例３ 発泡液を用いない以外は、実施例３と同様にして実施例
１と同組成の緻密質体を作製した。得られた焼成成形体
の特性を表２に示す。

【００３４】比較例４ ゼラチンを添加しない以外は、実施例３と同様にして気
泡スラリーを作製し、鋳込み型として石膏型を用いて軽
量焼成セラミックス成形体を作製した。得られた焼成成
形体の特性を表２に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】表１，表２の結果から、本発明に係る実施
例１〜実施例11の軽量焼成セラミック成形体は、嵩比重
が低く、気孔率・平均気孔径が大きく、耐熱衝撃性を示
す耐スポーリング特性（室温⇔1000℃耐久回数) に優れ
ていることが分かる。一方、発泡液及び誘導タンパク質
（ゼラチン）を加えてなかった比較例１は、嵩比重が高
く緻密質で、耐スポーリング特性に劣ることが分かる。
また、ゼラチンを用いず、鋳込み型として石膏型を用い
た比較例２は、曲げ強度が大きく、耐スポーリング特性
に劣ることが分かる。発泡液を用いなかった比較例３で
は、嵩比重が高く、緻密で、耐スポーリング特性に劣
り、本発明の目的とする耐熱衝撃性に優れた軽量焼成セ
ラミックス成形体は得られていないことが分かる。ま
た、ゼラチンを用いなかった鋳込み型として石膏型を用
いた比較例４も、本発明の意図する耐熱衝撃性を示さな
いことが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る軽量焼成セラミック成形体のＳＥ
Ｍ顕微鏡写真による組織図を示す。

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【手続補正書】

【提出日】平成５年１０月１８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る軽量焼成セラミック成形体のセラ
ミック材料の組織図を示すＳＥＭ顕微鏡写真。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 四方 良一 大阪府貝塚市二色中町８番１ 大阪セメン ト株式会社新材料研究部内 (72)発明者 山本 泰次 大阪府貝塚市二色中町８番１ 大阪セメン ト株式会社新材料研究部内 (72)発明者 神原 雄三 大阪府堺市浜寺諏訪森町西２丁113−19 (72)発明者 三木 康夫 大阪府貝塚市二色２丁目13−３−406

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
   らなる焼成成形体であって、該成形体は気孔率が20〜95
   ％で、10〜2000μm からなる気孔を有する多孔質からな
   り、該気孔の60〜100 ％が連続気孔であることを特徴と
   する軽量焼成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
   と誘導タンパク質を加えて攪拌して作製したスラリーを
   型に流し込み、該スラリーに含まれる誘導タンパク質を
   ゲル化した後、成形体を脱型及び脱水し、脱脂し、焼成
   することを特徴とする軽量焼成セラミックス成形体の製
   造方法。