JPH10203880A - 多孔質無機材料およびその製造法 - Google Patents

多孔質無機材料およびその製造法

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JPH10203880A
JPH10203880A JP2195097A JP2195097A JPH10203880A JP H10203880 A JPH10203880 A JP H10203880A JP 2195097 A JP2195097 A JP 2195097A JP 2195097 A JP2195097 A JP 2195097A JP H10203880 A JPH10203880 A JP H10203880A
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JP
Japan
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boron
aluminum
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needle
oxide
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JP2195097A
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Takeoki Ri
建興 李
Takeshi Narita
毅 成田
Junichi Ogawa
純一 小川
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Nichias Corp
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/38Fibrous materials; Whiskers
    • C04B14/46Rock wool ; Ceramic or silicate fibres
    • C04B14/4618Oxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0038Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by superficial sintering or bonding of particulate matter

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウィスカー様の針状結晶からなる新規な高物
性多孔質無機材料およびその製造法を提供する。 【解決手段】 酸化アルミニウムまたは酸化アルミニウ
ム形成性アルミニウム化合物と酸化ホウ素または酸化ホ
ウ素形成性ホウ素化合物とを粉末状態で混合して成形
し、得られた成形物を加熱してアルミニウム化合物とホ
ウ素化合物から9Al23・2B23の針状結晶を生成さ
せ、それらが結合剤によらずに結合してなる多孔質無機
材料を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は多孔質無機材料およ
びその製造法に関するものであり、さらに詳しくは、高
温用の構造材、断熱材、摩擦材、濾材等に有用な、9A
l23・2B23形ホウ酸アルミニウムの針状結晶からな
る多孔質無機材料とその製造法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、ホ
ウ酸アルミニウム、チタン酸カリウム、酸化チタン等か
らなるセラミックス系のウィスカーを結合剤を用いて成
形してなる多孔質成形体は公知である。その代表的な例
としては、金属基複合材料の補強材、いわゆるプリフォ
ームがある。
【0003】これらの多孔質成形体は、ウィスカーを結
合剤と共に水に分散させ、脱水成形して乾燥、焼成を行
う方法により製造されているが、ウィスカーは軽く微細
なため、水に分散させる工程で飛散し易く、それを作業
者が吸入すると健康を害することがあるので、厳重な飛
散防止対策が必要である。また、ウィスカー分散液が脱
水成形される過程で針状のウィスカーが特定の方向に配
向したり偏在したりするのが避けられず、その配向と偏
在はそのまま成形体に引き継がれてしまう。言うまでも
なく、ウィスカーが不均一に分布したり特定方向に配向
している成形体は均一かつ等方性の物性を示さない。加
えて、脱水成形から焼成を終わるまでの間の体積変化が
大きいから、所定の密度と寸法精度を有する成形体を得
ることも困難である。さらに、結合剤によるウィスカー
同士の結合力はあまり強くないので、ウィスカーそのも
のの強度は大きくても成形体の機械的強度は小さいもの
となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、新規
な高物性多孔質無機材料およびその製造法を提供するこ
とにある。
【0005】本発明の他の目的は、9Al23・2B23
からなるウィスカー様の短い針状結晶からなる高物性多
孔質無機材料およびその製造法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明が提供することに
成功した新規多孔質無機材料は、直径が10μm以下で
アスペクト比が10未満の9Al23・2B23の針状結
晶群が均一かつランダムに分布し相互に少なくとも1カ
所で結合してなり、上記針状結晶相互の結合が結合剤に
よることなく針状結晶構成成分を共有することによるも
のであることを特徴とする。
【0007】「直径が10μm以下である針状結晶」の
典型的なものは前述のウィスカーである。ウィスカーは
通常サブミクロンから数十μmの直径と10以上のアス
ペクト比(長さ/直径 の比)を有し、直径が小さいほ
ど、理論強度に近い大きな引張強度を示す。
【0008】本発明による多孔質無機材料は、太さはウ
ィスカーと同程度で大きな引張強度を示すもののアスペ
クト比が10未満の短い針状結晶からなることが第一の
特徴点である。このような針状結晶は、ウィスカーとは
認められず、成形材料として利用された例もなかったも
のである。
【0009】なお、針状結晶の直径についての10μm
という上限値は、9Al23・2B23の針状結晶が直径
の減少にともない引張強度を急激に増すのが直径10μ
m付近にあることから設けられたものにすぎず、本発明
の効果との関係で臨界的な数値というわけではない。
【0010】本発明による無機材料の第二の特徴点は、
9Al23・2B23の針状結晶が結合剤によらずに個々
の針状結晶の構成成分を共有するだけで結合しているこ
とであるが、これは、後に詳述する原料成形物の加熱工
程において9Al23・2B23の針状結晶が成長する過
程で隣接する9Al23・2B23の針状結晶と接触した
とき、接触部分において針状結晶構成物質の一部を共有
しつつさらに成長したことによる。
【0011】したがって、本発明による多孔質無機材料
においては、針状結晶の表面同士の融着に似た結合のほ
か、一方の針状結晶が他方の針状結晶を貫いて交差する
という、あらかじめ作られた針状結晶を結合剤で接着す
るか焼結させた場合には決して見られない態様の結合が
存在する。
【0012】全体が無配向の、まったくランダムに(し
かし均一に)分布した針状結晶のみからなることによ
り、且つ針状結晶相互の結合が結合剤によらずに針状結
晶構成物質を共有することにより形成された結合である
ことにより、本発明の多孔質無機材料は従来の結合剤使
用ウィスカー成形体やウィスカー焼結体とは比較になら
ないほど高い強度と高度の耐熱性および耐食性を示す。
【0013】上記本発明による多孔質無機材料は、酸化
アルミニウムまたは空気中で加熱されると酸化アルミニ
ウムを生成するアルミニウム化合物の粉末と、酸化ホウ
素または空気中で加熱されると酸化ホウ素を生成するホ
ウ素化合物の粉末とを均一に混合し、得られた混合物を
成形し、次いで加熱してアルミニウム化合物とホウ素化
合物から9Al23・2B23の針状結晶を生成させる方
法により製造することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明による多孔質無機材
料の製造法について詳述する。原料とするアルミニウム
化合物は、酸化アルミニウム、または空気中で加熱され
ると酸化アルミニウムを生成するアルミニウム化合物
(以下、酸化アルミニウム前駆体という)である。酸化
アルミニウム前駆体として使用可能なアルミニウム化合
物は、空気中で加熱されたとき望ましくは約1000℃
以下で酸化アルミニウムを生じるものであって、その好
ましい具体例としては、水酸化アルミニウム、硫酸アル
ミニウム、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウムなどが
ある。
【0015】アルミニウム化合物と反応させるホウ素化
合物としては、酸化ホウ素(三酸化ホウ素・B23)ま
たは空気中で加熱されたとき望ましくは約1000℃以
下で酸化ホウ素を生成するホウ素化合物(以下、酸化ホ
ウ素前駆体という)たとえばホウ酸(H3BO3)、四ホ
ウ酸(H247)、メタホウ酸(HBO2)等を用い
る。
【0016】原料のアルミニウム化合物とホウ素化合物
は、望ましくはAl23:B23のモル比が9:2ない
し9:6になる比率で用い、それらを微粉末状にして均
一な混合物とする。
【0017】均一な原料混合物が得られたならば、それ
を粉末成形法、押出成形法、射出成形法、泥漿鋳込み成
形法等により任意の形状に成形する。水や成形助剤を使
用する必要がなく均一な成形物が得られる点で好ましい
のは粉末成形法である。すなわち、原料混合物を粉末の
まま成形用型に入れ、圧縮して成形する。成形圧を大き
くして成形物の密度を高くすれば製品の密度も高くなる
ので、成形圧を調節することにより密度が約0.4〜2.
3g/cm3(空隙率では約86〜20%)の製品を得るこ
とができる。それ以上低密度の製品を得るためには、澱
粉等の粉末状有機物を成形原料に混合しておく方法が有
効である。混入された粉末状有機物は、後の加熱工程で
焼失し、空隙を残して製品密度を低下させる。この方法
により、密度が約0.15g/cm3(空隙率で約95%)ま
での低密度製品を得ることができる。
【0018】原料混合物の成形を容易にするための助剤
は、加熱工程におけるホウ酸アルミニウム針状結晶形成
の妨げにならない範囲で用いることは差し支えないが、
本発明の製造法において必須のものではない。
【0019】型から取り出した成形物は、加熱炉に移し
て加熱する。雰囲気は空気でよい。原料化合物として酸
化アルミニウム前駆体や酸化ホウ素前駆体を用いた場合
は、昇温過程においてそれから酸化物が生じる。酸化ア
ルミニウムと酸化ホウ素から9Al23・2B23の針状
結晶を生じさせるのに必要な温度は約1100℃〜14
00℃である。
【0020】成形物中で酸化アルミニウムと酸化ホウ素
からホウ酸アルミニウムの針状結晶が生じるとき、結晶
成長の起点は原料化合物成形物中に均一に分布し、かつ
成長方向は三次元的にまったくランダムである。緻密な
成形物中で針状結晶の成長が進行するため、成長中の針
状結晶は同様に成長しつつある他の針状結晶と接触し、
接触点では双方の針状結晶に共有される9Al23・2B
23が生成する。これにより、別に結合剤を加えておか
なくても針状結晶同士の強固な結合が生じ、多孔質の成
形体が形成される。
【0021】9Al23・2B23の針状結晶を形成する
反応が終わった後に残った過剰の酸化ホウ素は、引き続
き高温に加熱して気化させるか、最後に熱水で洗浄して
溶解させる方法により、除去することができる。
【0022】以上により、9Al23・2B23の針状結
晶からなる多孔質無機材料が得られる(ただし針状結晶
がウィスカーすなわちアスペクト比10以上の長いもの
に成長することはない)。製品は加熱前の原料成形物と
実質的に同一の形状のものであり、構造変化にともなう
収縮は、大きくても10%程度にとどまる。加熱前成形
物の密度と過剰の酸化ホウ素の量によって決まる微細な
連通空隙が製品中に残り、該空隙の体積は、通常、製品
体積の20〜95%である。その結果、製品の密度は
0.15〜2.3g/cm3程度となる。
【0023】本発明による多孔質無機材料は、製造工程
で原料混合物に与えられた形状のまま、あるいは適宜切
削加工を施して、任意の用途に利用することができる。
たとえば、9Al23・2B23針状結晶の優れた耐熱性
および耐食性、ならびに該針状結晶が結合剤によらずに
その構成物質を共有することにより結合していることに
基づく高強度を生かして、各種複合材料製造用プリフォ
ーム、高温用の構造材、断熱材、濾材等に広く使用する
ことができる。
【0024】
【実施例】
実施例1 酸化アルミニウム前駆体として水酸化アルミニウムを1
0g、酸化ホウ素を1.97g、乳鉢で十分混合してAl
23/B23(モル比)が2.26の原料混合物を調製
した。次いでそれをダイスに充填し圧縮することにより
密度0.42g/cm3の成形物にしたのち、電気炉に入れて
1250℃に6時間加熱した。その後、熱水で洗浄して
残留する酸化ホウ素を除去した。
【0025】上記加熱処理により9Al23・2B23
針状結晶(平均直径1.1μm,長さ約8μm)が生成
し、それらが成長過程で相互に結合してなる多孔質材料
(重量8.01g、密度0.51g/cm3)が得られた。図
1はこの材料の電子顕微鏡写真である。
【0026】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば安価な原
料混合物を成形して加熱、反応させるだけで、アスペク
ト比が小さいことを除けばウィスカーと酷似する9Al2
3・2B23の針状結晶を生成させ、同時に多孔質無機
材料を得ることができる。
【0027】この製造法は、原料として高価なウィスカ
ーを必要としないだけでなく、針状結晶を成形するもの
でもないから、ウィスカーを脱水成形して成形する場合
のようにウィスカーが飛散、不均一分布、配向等するこ
とに基づく種々の不都合がない。
【0028】原料混合物を乾式成形する場合、成形圧を
変えるだけで製品密度を変えることができるので、用途
に応じて製品密度を変えることも容易であり、変更可能
な密度範囲も広い。
【0029】結合剤に依存することなしに完全無配向の
9Al23・2B23の針状結晶群が一体化されてなる本
発明の多孔質無機材料は、結合剤部分が材料の物理的化
学的性質の弱点となることがないから、ウィスカーとほ
とんど相違のない高物性を有する9Al23・2B23
状結晶の特性が高度に生かされて、強度、耐熱性、耐酸
化性等に優れ、且つそれらの特性の均一性にも優れてい
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1による多孔質無機材料の走査電子顕
微鏡写真(倍率2000倍)である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直径が10μm以下でアスペクト比が1
    0未満の9Al23・2B23の針状結晶群が均一かつラ
    ンダムに分布し相互に少なくとも1カ所で結合してな
    り、上記針状結晶相互の結合が結合剤によることなく針
    状結晶構成成分を共有することによるものであることを
    特徴とする多孔質無機材料。
  2. 【請求項2】 酸化アルミニウムまたは空気中で加熱さ
    れると酸化アルミニウムを生成するアルミニウム化合物
    の粉末と、酸化ホウ素または空気中で加熱されると酸化
    ホウ素を生成するホウ素化合物の粉末とを均一に混合
    し、得られた混合物を成形し、次いで加熱してアルミニ
    ウム化合物とホウ素化合物から9Al23・2B23の針
    状結晶を生成させることを特徴とする請求項1記載の多
    孔質無機材料の製造法。
  3. 【請求項3】 酸化アルミニウムまたは空気中で加熱さ
    れると酸化アルミニウムを生成するアルミニウム化合物
    の粉末と、酸化ホウ素または空気中で加熱されると酸化
    ホウ素を生成するホウ素化合物の粉末とを均一に混合
    し、得られた混合物を成形し、次いで1100〜140
    0℃に加熱してアルミニウム化合物とホウ素化合物から
    9Al23・2B23の針状結晶を生成させることを特徴
    とする請求項1記載の多孔質無機材料の製造法。
  4. 【請求項4】 酸化アルミニウムまたは空気中で加熱さ
    れると酸化アルミニウムを生成するアルミニウム化合物
    と、酸化ホウ素または空気中で加熱されると酸化ホウ素
    を生成するホウ素化合物とを、Al23:B23のモル
    比が9:2ないし9:6となる比率で用いる請求項1〜
    請求項3のいずれかに記載の多孔質無機材料の製造法。
  5. 【請求項5】 加熱してアルミニウム化合物とホウ素化
    合物から9Al23・2B23の針状結晶を生成させたの
    ち高温加熱または熱水洗浄により過剰のホウ素化合物を
    除去する請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の多
    孔質無機材料の製造法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114525163A (zh) * 2022-01-24 2022-05-24 济南银河路桥试验检测有限公司 一种纳米复合颗粒润滑油添加剂及其制备方法及在润滑油中的应用

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