DE102016103015A1

DE102016103015A1 - Wärmeisolierendes Material

Info

Publication number: DE102016103015A1
Application number: DE102016103015.5A
Authority: DE
Inventors: Taizo YOSHINAGA; Ryosuke Maekawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2016-02-22
Publication date: 2016-08-25
Also published as: CN105907404A; US20160245450A1; JP2016156055A

Abstract

Wenn hohles Nanosiliciumoxid in einer Menge von nicht weniger als einer vorgeschriebenen Menge in einer quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis eingebaut wird, wird eine Wärmeleitfähigkeit erzielt, die geringer als die Wärmeleitfähigkeit ist, die sich anhand des Mischungsverhältnisses der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis und des hohlen Nanosiliciumoxids vorhersagen lässt. Um die Wärmeisolationseigenschaft weiter zu steigern, wird daher ein wärmeisolierendes Material mit einer quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis angefertigt, in der 17 Masse% oder mehr hohles Nanosiliciumoxid eingemischt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf ein wärmeisolierendes Material, genauer auf ein wärmeisolierendes Material, das durch Mischen einer quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis und eines Oxids erzielt wird.
HINTERGRUND
Das Patentdokument 1 offenbart ein wärmeisolierendes Material, das durch Mischen hohler Nanosiliciumoxidpartikel und eines Bindemittelharzes erzielt wird. Außerdem ist offenbart, dass die Menge des eingemischten hohlen Nanosiliciumoxids von 10 bis 70 Vol% reicht.
Das Patentdokument 2 offenbart eine quasikristalline Legierung, die als eine wärmeisolierende und -reflektierende Platte auf der Innenwand eines Heizofens angeordnet wird.
Darüber hinaus ist im Patentdokument 2 als ein bevorzugtes Beispiel eine quasikristalline Legierung offenbart, die von 5 bis 45 Atom% eines oder mehrerer der Elemente Cu, Cr, Fe, Co, Ni, B, Mn, Ce, Si und Pd enthält und einen Rest an Al und unvermeidbaren Verunreinigungen hat, wobei in Beispielen eine quasikristalline Al₇₀Co₁₀Fe₁₃Cr₇-Legierung und eine quasikristalline Al₆₅Cu₁₉Fe₈Cr₈-Legierung offenbart sind.
Der Quasikristall gibt eine Materialstruktur an, die weder amorph noch kristallin ist, d. h. eine Materialstruktur mit einer Fernordnung aber ohne Translationssymmetrie.
Der Grad an Wärmeleitung in einer normalen Legierung leitet sich von der Periodizität des Kristalls ab. Allerdings fehlt dem Quasikristall, wie oben beschrieben wurde, perfekte Periodizität, und die Wärmeleitfähigkeit einer quasikristallinen Legierung ist gering. Aus diesem Grund wird die quasikristalline Legierung als ein wärmeisolierendes Material verwendet.
STAND DER TECHNIK
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 2014-9261 A
Patentdokument 2: JP 2002-310561 A

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Von der Erfindung zu lösende Probleme
Was das im Patentdokument 1 offenbarte wärmeisolierende Material betrifft, so ist die Wärmeisolationseigenschaft des hohlen Nanosiliciumoxids sehr hoch, doch da die Wärmeisolationseigenschaft des Harzbindemittels gering ist, ist es schwierig, die Wärmeisolationseigenschaft des gesamten wärmeisolierenden Materials zu steigern.
Die quasikristalline Legierung reflektiert Wärme und daher kann, wenn sie als eine wärmeisolierende und -reflektierende Platte auf der Innenwand eines Heizofens verwendet wird, wie es im Patentdokument 2 offenbart ist, der Wärmeisolationswirkungsgrad im Ofen gesteigert werden, doch fehlt es der quasikristallinen Legierung selbst manchmal an der Wärmeisolationseigenschaft.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein wärmeisolierendes Material zur Verfügung zu stellen, das dazu imstande ist, die Wärmeisolationseigenschaft auch dann ausreichend sicherzustellen, wenn eine quasikristalline Legierung enthalten ist.
Mittel zur Lösung der Probleme
Infolge intensiver Untersuchungen haben die Erfinder festgestellt, dass, wenn hohles Nanosiliciumoxid mit einer quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis in einer Menge gemischt wird, die nicht geringer als eine vorbestimmte Menge ist, eine Wärmeleitfähigkeit erzielt wird, die geringer als die Wärmeleitfähigkeit ist, die sich anhand des Mischungsverhältnisses der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis und des hohlen Nanosiliciumoxids vorhersagen lässt.
Die Erfindung ist aufgrund auf der obigen Feststellung erfolgt, und ihr Grundgedanke ist der folgende.

<1> Wärmeisolierendes Material mit einer quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis, in der 17 Masse% oder mehr hohles Nanosiliciumoxid eingemischt sind.
<2> Wärmeisolierendes Material gemäß Punkt <1>, wobei das hohle Nanosiliciumoxid in einer Menge von 40 Masse% oder weniger eingemischt ist.
<3> Wärmeisolierendes Material gemäß Punkt <1> oder <2>, wobei Partikel des hohlen Nanosiliciumoxids gleichmäßig unter Partikeln der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis verteilt sind.
<4> Wärmeisolierendes Material gemäß einem der Punkte <1> bis <3>, wobei sich die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis aus Al, Cu, Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen zusammensetzt.
<5> Wärmeisolierendes Material gemäß Punkt <4>, wobei die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis von 24 bis 26 Atom% Cu und von 12 bis 13 Atom% Fe enthält, wobei der Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen ist.

Wirkungen der Erfindung
Erfindungsgemäß wird hohles Nanosiliciumoxid in einer Menge von nicht weniger als einer vorbestimmten Menge mit einer quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis gemischt, wodurch ein wärmeisolierendes Material mit gesteigerter Wärmeisolationseigenschaft zur Verfügung gestellt werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1: Kurvenbild, das den Zusammenhang zwischen dem prozentualen Mischanteil (Masse%) an hohlem Nanosiliciumoxid im wärmeisolierenden Material und der Wärmeleitfähigkeit darstellt.
2: Ansicht, die ein Beispiel der Analyseergebnisse einer energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) des wärmeisolierenden Materials der Erfindung zeigt.
3: Ansicht, die ein Beispiel der Rasterelektronenmikroskopie-(REM-)Untersuchungsergebnisse hohler Nanosiliciumoxidpartikel zeigt.
4: Ansicht, die das Rasterelektronenmikroskop-(REM-)Untersuchungsergebnis eines Sinterkörpers aus quasikristallinen AlCuFe-Legierungspartikeln und den in 3 gezeigten hohlen Nanosiliciumoxidpartikeln zeigt, der ein Beispiel für das wärmeisolierende Material der Erfindung ist.
Ausführungsart der Erfindung
Unten werden ausführlich die Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen wärmeisolierenden Materials beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht auf die folgenden Ausführungsbeispiele beschränkt.
– Quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis –
Die Wärmeleitfähigkeit der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis beträgt bei Zimmertemperatur 1,1 W/mK. Die bei der Erfindung verwendete quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis gibt eine Legierung auf AlCuFe-Basis an, die zumindest teilweise eine quasikristalline Phase hat, d. h. in der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis der Erfindung hat zumindest ein Teil der Struktur eine Fernordnung aber keine Translationssymmetrie. Aufgrund dieser Struktur hat die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis ungeachtet dessen, dass sie ein metallisches Material ist, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und kann als ein wärmeisolierendes Material verwendet werden.
– Hohles Nanosiliciumoxid –
Das hohle Nanosiliciumoxid hat bei Zimmertemperatur eine Wärmeleitfähigkeit von 0,02 W/mK und wird als ein wärmeisolierendes Material verwendet. Da hohles Nanosiliciumoxid hohl ist, ist die Wärmeleitfähigkeit des hohlen Nanosiliciumoxids geringer als die Wärmeleitfähigkeit von massivem Siliciumoxid (festem Siliciumoxid). Wenn hohles Nanosiliciumoxid in einem wärmeisolierenden Material enthalten ist, verbessert sich daher die Wärmeisolationseigenschaft des wärmeisolierenden Materials.
– Prozentualer Mischanteil an hohlem Siliciumoxid: 17 Masse% oder mehr –
Der prozentuale Mischanteil des hohlen Nanosiliciumoxids beträgt bezogen auf die Masse des gesamten wärmeisolierenden Materials 17 Masse% oder mehr. 1 ist eine Kurvendarstellung, die den Zusammenhang zwischen dem prozentualen Mischanteil (Masse%) an hohlem Nanosiliciumoxid im wärmeisolierenden Material und der Wärmeleitfähigkeit darstellt. In 1 gibt die durchgezogene Linie den Zusammenhang zwischen dem prozentualen Mischanteil (Masse%) an hohlem Nanosiliciumoxid und der Wärmeleitfähigkeit an. Andererseits gibt die Strichellinie den Zusammenhang zwischen dem prozentualen Mischanteil (Masse%) an hohlem Siliciumoxid und der Wärmeleitfähigkeit an, die sich anhand der Maxwellschen Mischungsregel vorhersagen lässt.
Die Wärmeleitfähigkeit, die durch die Maxwellsche Mischungsregel berechnet wird, gibt z. B. eine Wärmeleitfähigkeit k der Gesamtheit eines wärmeisolierenden Materials an, das durch Mischen von Substanzen erzielt wurde, wobei k gemäß der folgenden Formel (A) berechnet wird, wenn die Wärmeleitfähigkeit einer Substanz 1 k₁ ist, die Wärmeleitfähigkeit eine Substanz 2 k₂ ist, der prozentuale Mischanteil der Substanz 1 x₁ ist und der prozentuale Mischanteil der Substanz 2 (1 – x₁) ist: k = k₂ + [{3k₂(k₁ – k₂)}/{2k₂ + k₁ – (k₁ – k₂)·x₁}·x₁] (A)
Wenn der Zusammenhang der Formel (A) grafisch ausgedrückt wird, wobei für die Substanz 1 hohles Nanosiliciumoxid und die Substanz 2 eine quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis angenommen wird und k auf der Ordinate und x₁ auf der Abszisse eingetragen wird, wird die Strichellinie von 1 erzielt.
Andererseits ist die Wärmeleitfähigkeit des gesamten wärmeisolierenden Materials, wie durch die durchgezogene Linie von 1 angegeben ist, kleiner als die durch die Maxwellsche Mischungsregel vorhergesagte Wärmeleitfähigkeit, wenn der prozentuale Mischanteil an hohlem Nanosiliciumoxid innerhalb des Bereichs der Erfindung liegt, d. h. wenn er 17 Masse% oder mehr beträgt, und es zeigt sich eine hervorragende Wärmeisolationseigenschaft.
Als Ursache hierfür wird angenommen, dass sich die Wärmeleitfähigkeit aufgrund von Phononenstreuung, die an der Grenzfläche der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis und des hohlen Nanosiliciumoxids erzeugt wird, unter den Wert absinkt, der sich durch die Maxwellsche Mischungsregel vorhersagen lässt, wenn der prozentuale Mischanteil des hohlen Nanosiliciumoxids 17 Masse% oder mehr beträgt. Der prozentuale Mischanteil des hohlen Nanosiliciumoxids kann 18 Masse% oder mehr, 19 Masse% oder mehr oder 20 Masse% oder mehr betragen.
– Prozentualer Mischanteil an hohlem Nanosiliciumoxid: 40 Masse% oder weniger –
Das Gemisch der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis und des hohlen Nanosiliciumoxids ist vorzugsweise ein Sinterkörper oder eine Beschichtung. Wenn der prozentuale Mischanteil des hohlen Nanosiliciumoxids 40 Masse% oder weniger beträgt, wird die Festigkeit des Sinterkörpers oder der Beschichtung davon abgehalten abzusinken, was Risse hervorruft. Aus diesem Grund beträgt der prozentuale Mischanteil des hohlen Nanosiliciumoxids vorzugsweise 40 Masse% oder weniger. Der prozentuale Mischanteil des hohlen Nanosiliciumoxids beträgt besser noch 38 Masse% oder weniger, 36 Masse% oder weniger oder 33 Masse% oder weniger.
– Anderes Material als das hohle Nanosiliciumoxid und die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis –
Wenn das hohle Nanosiliciumoxid in einer vorbestimmten Menge eingemischt wird, setzt sich der Rest des wärmeisolierenden Materials vorzugsweise aus der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis und unvermeidbaren Verunreinigungen zusammen. Allerdings kann das wärmeisolierende Material auch eine Legierung und/oder ein Oxid enthalten, die von dem hohlen Nanosiliciumoxid und der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis verschieden sind, solange sie nicht die Wärmeisolationseigenschaft beeinträchtigen. Die von der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis verschiedene Legierung ist z. B. eine Legierung, die die Wärmeisolationseigenschaft nicht verschlechtert, d. h. eine andere Legierung als die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis, die eine quasikristalline Phase hat. Das vom hohlen Nanosiliciumoxid verschiedene Oxid ist z. B. Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Zirkon, die jeweils eine Wärmeisolationseigenschaft haben. Ein Oxid, das ein hohler Nanopartikel ist, ist besser.
– Zustand, in dem die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis und das hohle Nanosiliciumoxid vorhanden sind –
Die Verringerung der Wärmeleitfähigkeit auf unter den Wert, der sich durch die Maxwellsche Mischregel vorhersagen lässt, lässt sich, wie oben beschrieben wurde, einer Phononenstreuung zuschreiben, die an der Grenzfläche der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis und des hohlen Nanosiliciumoxids erzeugt wird. Um die Fläche der Grenzfläche zu erhöhen, sind die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis und das hohle Nanosiliciumoxid daher beide vorzugsweise in einem Partikelzustand vorhanden. Außerdem sind Partikel des hohlen Nanosiliciumoxids vorzugsweise gleichmäßig unter Partikeln der quasikristallinen AlCuFe-Legierung verteilt.
2 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Analyseergebnisse durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) des wärmeisolierenden Materials der Erfindung zeigt. Das in 2 gezeigte, wärmeisolierende Material ist ein wärmeisolierendes Material, das erzielt wurde, indem 33 Masse% hohles Nanosiliciumoxids mit einer quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis gemischt und das Gemisch zu einem Sinterkörper gesintert wurde.
Der Ausdruck „Partikel des hohlen Nanosiliciumoxids sind gleichmäßig unter Partikeln der quasikristallinen AlCuFe-Legierung verteilt” gibt an, dass hohles Nanosiliciumoxid vorhanden ist, wie in 2 gezeigt ist.
Die gemischten quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und hohlen Nanosiliciumoxidpartikel werden dann vorzugsweise gesintert. Das Sintern bringt Partikel der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis, Partikel des hohlen Nanosiliciumoxids und genauer einen Partikel der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis und einen Partikel des hohlen Nanosiliciumoxids dazu, aneinander zu haften, wobei die Form des Gemisches beibehalten wird.
Die Form des Gemisches nach dem Sintern kann der Sinterkörper selbst oder eine an einem Substrat angebrachte oder auf ihm aufgebrachte Beschichtung sein.
– Partikeldurchmesser der quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und der hohlen Nanosiliciumoxidpartikel –
Die quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und die hohlen Nanosiliciumoxidpartikel haben beide vorzugsweise einen Partikeldurchmesser von 10 bis 900 nm. Ein Partikeldurchmesser im Bereich von 10 bis 900 nm ist für die Ausbildung eines Sinterkörpers oder einer Beschichtung vorteilhaft.
3 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Rasterelektronenmikroskop-(REM-)Untersuchungsergebnisse von hohlen Nanosiliciumoxidpartikeln zeigt. 4 ist eine Ansicht, die das Rasterelektronenmikroskop-(REM-)Untersuchungsergebnis eines Sinterkörpers aus quasikristallinen AlCuFe-Legierungspartikeln und den in 3 gezeigten hohlen Nanosiliciumoxidpartikeln zeigt, der ein Beispiel des wärmeisolierenden Materials der Erfindung ist.
Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, sind die quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und die hohlen Nanosiliciumoxidpartikel beide besser noch so eingestellt, dass sie einen Partikeldurchmesser von 30 bis 100 nm haben. Indem die Partikeldurchmesser der quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und der hohlen Nanosiliciumoxidpartikel so eingestellt werden, dass sie in den gleichen Bereich fallen, ist es beim Mischen weniger wahrscheinlich, dass eine Segregation auftritt, und es wird leicht ein gleichmäßiges Mischen erreicht. Wenn die Partikeldurchmesser von 30 bis 100 nm reichen, wird außerdem die Festigkeit des Sinterkörpers gesteigert.
– Zusammensetzung der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis –
Solange die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis Al, Cu, Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält und zumindest teilweise eine quasikristalline Phase hat, ist ihre Zusammensetzung nicht besonders beschränkt. Die jeweiligen Gehalte an Al, Cu und Fe, um zumindest teilweise eine quasikristalline Phase auszubilden, unterscheiden sich abhängig vom Herstellungsverfahren und den Herstellungsbedingungen der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis. Der Bereich der jeweiligen Gehalte an Al, Cu und Fe, der unten beschrieben wird, gibt einen bevorzugten Bereich an.
– Cu: von 24 bis 26 Atom% –
Der Cu-Gehalt beträgt vorzugsweise von 24 bis 26 Atom%. Wenn der Cu-Gehalt 24 Atom% oder mehr beträgt, entwickelt sich leicht eine quasikristalline Phase. Wenn der Cu-Gehalt 26 Atom% oder weniger beträgt, ist es andererseits weniger wahrscheinlich, dass sich eine kristalline Phase entwickelt. Die Obergrenze des Cu-Gehalts beträgt besser noch 25,5 Atom%, 25,0 Atom% oder 24,5 Atom%.
– Fe: von 12 bis 13 Atom% –
Der Fe-Gehalt beträgt vorzugsweise von 12 bis 13 Atom%. Wenn der Fe-Gehalt 12 Atom% oder mehr beträgt, entwickelt sich leicht eine quasikristalline Phase. Wenn der Fe-Gehalt 13 Atom% oder weniger beträgt, ist es andererseits weniger wahrscheinlich, dass sich eine kristalline Phase entwickelt. Die Obergrenze des Fe-Gehalts beträgt besser noch 12,5 Atom%.
– Eines oder mehrere der Elemente V, Mo, Ti, Zr, Nb, Cr, Mn, Ru, Rh, Ni, Mg, W, Si und der Seltenerdelemente –
Die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis der Erfindung kann neben Al, Cu und Fe auch eines oder mehrere der Elemente V, Mo, Ti, Zr, Nb, Cr, Mn, Ru, Rh, Ni, Mg, W, Si und der Seltenerdelemente enthalten. Selbst wenn die Legierung ein solches Element enthält, werden die Wirkungen der Erfindung nicht beeinträchtigt.
– Gesamtgehalt an V, Mo, Ti, Zr, Nb, Cr, Mn, Ru, Rh, Ni, Mg, W, Si und Seltenerdelementen: von mehr als 0 Atom% bis 10 Atom% –
Falls neben Al, Cu und Fe auch eines oder mehrere der Elemente V, Mo, Ti, Zr, Nb, Cr, Mn, Ru, Rh, Ni, Mg, W, Si und der Seltenerdelemente enthalten ist/sind, beträgt der Gesamtgehalt dieser Elemente vorzugsweise von mehr als 0 Atom% bis 10 Atom%. Innerhalb dieses Bereichs verschlechtern sich die Wärmeisolationseigenschaft und die anderen charakteristischen Eigenschaften als die Wärmeisolationseigenschaft nicht.
– Rest: Al und unvermeidbare Verunreinigungen –
Die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis ist eine auf Al basierende Legierung, und der Rest besteht aus Al und unvermeidbaren Verunreinigungen. Der Gehalt an unvermeidbaren Verunreinigungen beträgt vorzugsweise 1 Atom% oder weniger. Das für das unvermeidbare Verunreinigungselement repräsentative Element ist O.
– Herstellungsverfahren der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis –
Das Herstellungsverfahren der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis ist nicht besonders beschränkt. Allerdings wird ein Festphasen-Diffusionsverfahren bevorzugt, weil die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis dann als Partikel erzielt wird.
– Festphasen-Diffusionsverfahren –
Das Festphasen-Diffusionsverfahren ist ein Verfahren, bei dem ein Al-Pulver, ein Cu-Pulver und ein Fe-Pulver gemischt werden und das Gemisch erhitzt wird. Das Al-Pulver, Cu-Pulver und Fe-Pulver werden abgewogen, damit sich eine gewünschte Zusammensetzung ergibt, wenn sie zu einer quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis ausgebildet werden, und gemischt.
Die Heiztemperatur ist nicht besonders beschränkt, solange sie eine Temperatur ist, die hoch genug ist, um eine gegenseitige Diffusion von Al, Cu und Fe hervorzurufen. Die Temperatur beträgt vorzugsweise von 670 bis 750°C. Wenn die Temperatur 670°C oder mehr beträgt, schmilzt unter Al, Cu und Fe das Al-Pulver, und Festphasen an Cu und Fe, die in der Al-Lösung vorhanden sind, diffundieren gegenseitig effizient. Wenn die Temperatur 750°C oder weniger beträgt, vergröbert andererseits auch dann, wenn ein Kristall hergestellt wird, der Kristall nicht. Die Heiztemperatur beträgt vorzugsweise 690 bis 710°C.
Die Partikeldurchmesser des Al-Pulvers, Cu-Pulvers und Fe-Pulvers sind nicht besonders beschränkt, solange sie Partikeldurchmesser bei der gegenseitigen Diffusion von Al, Cu und Fe ineinander und der Ausbildung einer quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis eine Größe haben, die ein problemfreies Mischen mit dem hohlen Nanosiliciumoxid ermöglichen. Der Partikeldurchmesser des Al-Pulvers beträgt vorzugsweise von 1 bis 5 μm, der Partikeldurchmesser des Cu-Pulvers beträgt vorzugsweise von 0,5 bis 3 μm, und der Partikeldurchmesser des Fe-Pulvers beträgt vorzugsweise von 3 bis 7 μm.
Wenn der Partikeldurchmesser des Al-Pulvers 1 μm oder mehr beträgt, wird das Al-Pulver daran gehindert, mit wenig Sauerstoff zu oxidieren. Wenn der Partikeldurchmesser des Al-Pulvers 5 μm oder weniger beträgt, schmilzt das Al-Pulver andererseits beim Erhitzen rasch und der Partikeldurchmesser der ausgebildeten quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis nimmt eine Größe an, die ein problemfreies Mischen mit dem hohlen Nanosiliciumoxid ermöglicht. Der Partikeldurchmesser des Al-Pulvers beträgt vorzugsweise von 2 bis 4 μm.
Wenn der Partikeldurchmesser des Cu-Pulvers 0,5 μm oder mehr beträgt, wird das Cu-Pulver daran gehindert, mit wenig Sauerstoff zu oxidieren. Wenn der Partikeldurchmesser des Cu-Pulvers 3 μm oder weniger beträgt, diffundieren andererseits Al, Cu und Fe beim Erhitzen gegenseitig und der Partikeldurchmesser der ausgebildeten quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis nimmt eine Größe an, die ein problemloses Mischen mit dem hohlen Nanosiliciumoxid ermöglicht. Der Partikeldurchmesser des Cu-Pulvers beträgt besser noch 0,5 bis 2 μm.
Wenn der Partikeldurchmesser des Fe-Pulvers 3 μm oder mehr beträgt, wird das Fe-Pulver daran gehindert, mit wenig Sauerstoff zu oxidieren. Wenn der Partikeldurchmesser des Fe-Pulvers 7 μm oder weniger beträgt, diffundieren andererseits Al, Cu und Fe beim Erhitzen gegenseitig und der Partikeldurchmesser der ausgebildeten quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis nimmt eine Größe an, die problemloses Mischen mit dem hohlen Nanosiliciumoxid ermöglicht. Der Partikeldurchmesser des Fe-Pulvers beträgt besser noch von 4 bis 6 μm.
Um beim Erhitzen eine Oxidation des Al-Pulvers, Cu-Pulvers und Fe-Pulvers zu verhindern, erfolgt das Erhitzen vorzugsweise in einer reduzierenden Atmosphäre, besser noch in einer Wasserstoffatmosphäre. Der Druck der Atmosphäre ist nicht besonders beschränkt, solange Al, Cu und Fe gegenseitig ineinander diffundieren, doch beträgt der Druck vorzugsweise von 0,9 bis 1,1 atm. Wenn der Druck 0,9 atm oder mehr beträgt, kommt es zu keinem Eindringen einer großen Menge Luft in den Heizbehälter, die das Al-Pulver, Cu-Pulver und Fe-Pulver oxidiert. Wenn der Druck andererseits 1,1 atm oder weniger beträgt, können das Al-Pulver, Cu-Pulver und Fe-Pulver erhitzt werden, ohne für den Heizbehälter einen Druckbehälter zu verwenden. Der Druck beträgt vorzugsweise von 0,95 bis 1,05 atm.
Die Heizdauer kann passend entsprechend den Mengen des Al-Pulvers, Cu-Pulvers und Fe-Pulvers festgelegt werden, sie beträgt aber vorzugsweise 30 Minuten bis 3 Stunden. Wenn die Heizdauer 30 Minuten oder mehr beträgt, beginnt eine gegenseitige Diffusion von Al, Cu und Fe ineinander. Wenn die Heizdauer 3 Stunden oder weniger beträgt, wird andererseits vermieden, dass nach der Beendigung der gegenseitigen Diffusion von Al, Cu und Fe ineinander nutzloses Erhitzen andauert. Die Heizdauer beträgt vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Stunden.
Falls die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis eines oder mehrere der Elemente V, Mo, Ti, Zr, Nb, Cr, Mn, Ru, Rh, Ni, Mg, W, Si und der Seltenerdelemente enthält, wird das Pulver dieses Elements zusätzlich zugegeben, damit sich eine gewünschte Zusammensetzung ergibt, und vermischt, und das Gemisch wird erhitzt. Der Partikeldurchmesser des Pulvers dieses Elements kann passend festgelegt werden, indem das Diffusionsvermögen des Elements berücksichtigt wird, so dass der Partikeldurchmesser der ausgebildeten quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis eine Größe haben kann, die ein problemloses Mischen mit dem hohlen Nanosiliciumoxid ermöglicht. Allerdings beträgt der Partikeldurchmesser vorzugsweise von 0,5 bis 7 μm. Wenn der Partikeldurchmesser 0,5 μm oder mehr beträgt, kann dieses Element daran gehindert werden, mit wenig Sauerstoff zu oxidieren. Wenn der Partikeldurchmesser 7 μm oder weniger beträgt, diffundieren andererseits dieses Element, Al, Cu und Fe gegenseitig, und gleichzeitig nimmt der Partikeldurchmesser der ausgebildeten quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis eine Größe an, die ein problemloses Mischen mit dem hohlen Nanosiliciumoxid ermöglicht.
Was die quasikristalline Legierung betrifft, kann auch auf das Patentdokument 2 Bezug genommen werden.
– Herstellungsverfahren für hohles Nanosiliciumoxid –
Das Herstellungsverfahren für das hohle Nanosiliciumoxid ist nicht besonders beschränkt und kann ein herkömmliches Verfahren sein. Beispiele davon schließen ein Organokügelchen-Matrizenverfahren, ein Emulsions-Matrizenverfahren, ein Sprühpyrolyseverfahren und ein elektrostatisches Sprühverfahren ein.
Was das hohle Nanosiliciumoxid betrifft, kann auch auf das Patentdokument 1 Bezug genommen werden.
– Herstellungsverfahren für das wärmeisolierende Material der Erfindung –
Das Herstellungsverfahren für das wärmeisolierende Material der Erfindung ist nicht besonders beschränkt, solange eine vorbestimmte Menge an hohlem Nanosiliciumoxid mit einer quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis gemischt werden kann. Falls beabsichtigt wird, die gemischte quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis und das hohle Nanosiliciumoxid als einen Sinterkörper auszubilden, wird z. B. ein Spark-Plasma-Sinterverfahren (SPS) bevorzugt. Falls beabsichtigt wird, das Gemisch als eine Beschichtung auszubilden, wird z. B. thermisches Spritzen bevorzugt.
– Spark-Plasma-Sintern (SPS) –
Wie das Heißpresssinterverfahren ist das Spark-Plasma-Sinterverfahren eine Art Festverdichtungs-/Sinterverfahren und ein Verarbeitungsverfahren, bei dem das zu verarbeitende Material durch mechanische Druckaufbringung und Pulsstromerhitzen gesintert wird.
Die Heiztemperatur beträgt vorzugsweise von 700 bis 800°C. Wenn die Heiztemperatur 700°C oder mehr beträgt, können die quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und die hohle Siliciumoxidpartikel gesintert werden. Wenn die Heiztemperatur 800°C oder weniger beträgt, findet andererseits kein Voranschreiten einer Kristallisation der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis und keine Vergröberung der Kristallkörner statt. Die Heiztemperatur beträgt vorzugsweise von 730 bis 770°C.
Der aufgebrachte Druck beträgt vorzugsweise von 20 bis 100 MPa. Wenn der Druck 20 MPa oder mehr beträgt, können die quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und die hohlen Siliciumoxidpartikel zu einem Presskörper ausgebildet werden. Wenn der Druck 100 MPa oder weniger beträgt, muss keine große Form verwendet werden, um die Druckbeständigkeit der Form sicherzustellen. Der aufgebrachte Druck beträgt besser noch 30 bis 70 MPa.
Die Dauer, während der Wärme und Druck aufgebracht werden, d. h. die Formungsdauer, kann passend entsprechend der Gesamtmenge der quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und der hohlen Nanosiliciumoxidpartikel festgelegt werden. Die Formungsdauer beträgt vorzugsweise von 10 bis 60 Minuten. Wenn die Formungsdauer 10 Minuten oder mehr beträgt, werden die quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und die hohlen Nanosiliciumoxidpartikel gesintert. Wenn die Formungsdauer 60 Minuten oder weniger beträgt, wird andererseits vermieden, dass nach der Beendigung des Sinterns unnützes Formen andauert. Die Formungsdauer beträgt besser noch 20 bis 40 Minuten.
Falls der Sinterkörper durch ein anderes Verfahren als das Spark-Plasma-Sinterverfahren ausgebildet wird, können die Heiztemperatur, der aufgebrachte Druck und die Formungsdauer beruhend auf den oben beschriebenen Bedingungen beim Spark-Plasma-Sinterverfahren festgelegt werden.
– Thermisches Spritzen –
Falls durch thermisches Spritzen eine Beschichtung des wärmeisolierenden Materials der Erfindung ausgebildet wird, werden die quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und die hohlen Nanosiliciumoxidpartikel gleichzeitig thermisch gespritzt.
Die Temperatur der quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und der hohlen Nanosiliciumoxidpartikel beim thermischen Spritzen beträgt vorzugsweise von 700 bis 800°C. Wenn die Temperatur 700°C oder mehr beträgt, wird das wärmeisolierende Material, das durch das thermische Spritzen der quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und der hohlen Nanosiliciumoxidpartikel auf einem Substrat erzielt wird, eine gesinterte Beschichtung. Wenn die Temperatur 800°C oder weniger beträgt, findet andererseits kein Voranschreiten einer Kristallisation der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis und keine Vergröberung der Kristallkörner statt. Die Temperatur beträgt besser noch von 730 bis 770°C.
Die Temperatur des Substrats kann passend entsprechend dem Material des Substrats festgelegt werden. Das Material des Substrats ist nicht besonders beschränkt, doch wird im Allgemeinen ein metallisches Material verwendet.
Falls durch ein anderes Verfahren als das thermische Spritzverfahren eine Beschichtung ausgebildet wird, kann die Temperatur der quasikristallinen Legierungspartikel auf AlCuFe-Basis und der hohlen Nanosiliciumoxidpartikel usw. beruhend auf den oben beschriebenen Bedingungen beim thermischen Spritzverfahren festgelegt werden.
BEISPIELE
Die Erfindung wird unten ausführlicher unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf die Bedingungen beschränkt, die in den folgenden Beispielen verwendet werden.
– Herstellung eines Musters –
Als die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis wurden Partikel einer Legierung angefertigt, die eine Zusammensetzung aus Al₆₃Cu_24,5Fe_12,5 hatte. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Al₆₃Cu_24,5Fe_12,5-Legierung betrug bei Normaltemperatur 1,1 W/mK.
Außerdem wurden hohle Nanosiliciumoxidpartikel angefertigt. Die Wärmeleitfähigkeit dieses hohlen Nanosiliciumoxids betrug bei Normaltemperatur 0,02 W/mK.
Die Al₆₃Cu_24,5Fe_12,5-Legierungspartikel und die hohlen Nanosiliciumoxidpartikel wurden gemischt und durch das Spark-Plasma-Sinterverfahren (SPS) gesintert, um ein wärmeisolierendes Material auszubilden. In den erzielten Partikeln betrug die Menge der eingemischten hohlen Nanosiliciumoxidpartikel 0, 9, 17, 23 und 33 Masse%, und der Rest war in jedem Partikel eine Al₆₃Cu_24,5Fe_12,5-Legierung. Die Menge an unvermeidbaren Verunreinigungen betrug nicht mehr als die Messgrenze. Die Heiztemperatur betrug 750°C, der aufgebrachte Druck betrug 50 MPa, und die Druckaufbringungsdauer betrug 30 Minuten.
– Beurteilung des Musters –
Für jedes Muster wurde bei Normaltemperatur die Wärmeleitfähigkeit gemessen. Außerdem wurde für jedes Muster entsprechend der Formel (A) die aus der Maxwellschen Mischungsregel vorhergesagte Wärmeleitfähigkeit berechnet. Als Referenz wurde die Dichte jedes Musters gemessen.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1

Muster Nr.	Menge eingemischtes hohles Nanosiliciumoxid (Masse%)	Messwerte für Wärmeleitfähigkeit (W/mK)	Dichte (g/cm³)	Bemerkungen
1	0	1,1	4,29	Vergleichsbeispiel
2	9	0,85	3,72	Vergleichsbeispiel
3	17	0,4	2,94	Erfindung
4	23	0,2	2,25	Erfindung
5	33	0,15	1,95	Erfindung

Die Ergebnisse von Tabelle 1 sind in 1 abgebildet. In 1 stellt die Strichellinie die aus der Maxwellschen Mischungsregel vorhergesagte Wärmeleitfähigkeit dar. Wie aus 1 hervorgeht, waren die Messwerte der Wärmeleitfähigkeit der Muster Nr. 3 bis 5, bei denen die Menge des eingemischten hohlen Nanosiliciumoxids 17 Masse% oder mehr betrug, deutlich geringer als die aus der Maxwellschen Mischungsregel vorhergesagte Wärmeleitfähigkeit.
Anhand dieser Ergebnisse konnten die Wirkungen der Erfindung bestätigt werden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Erfindungsgemäß kann ein wärmeisolierendes Material, das eine quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis enthält, zur Verfügung gestellt werden, bei dem die Wärmeisolationseigenschaft weiter gesteigert ist. Daher hat die Erfindung eine hohe gewerbliche Anwendbarkeit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014-9261 A [0007]
JP 2002-310561 A [0007]

Claims

Wärmeisolierendes Material mit einer quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis, in der 17 Masse% oder mehr hohles Nanosiliciumoxid eingemischt sind.
Wärmeisolierendes Material nach Anspruch 1, wobei das hohle Nanosiliciumoxid in einer Menge von 40 Masse% oder weniger eingemischt ist.
Wärmeisolierendes Material nach Anspruch 1 oder 2, wobei Partikel des hohlen Nanosiliciumoxids gleichmäßig unter Partikeln der quasikristallinen Legierung auf AlCuFe-Basis verteilt sind.
Wärmeisolierendes Material nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis Al, Cu, Fe und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.
Wärmeisolierendes Material nach Anspruch 4, wobei die quasikristalline Legierung auf AlCuFe-Basis von 24 bis 26 Atom% Cu, von 12 bis 13 Atom% Fe und einen Rest aus Al und unvermeidbaren Verunreinigungen enthält.