JP2000086361A

JP2000086361A - 耐熱材料及びその作製方法

Info

Publication number: JP2000086361A
Application number: JP10252451A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kimura; 康一木村; Yoshihiko Goto; 嘉彦後藤; Nobuhiro Torii; 信宏鳥居; Hirota Watabe; 裕太渡部; Tetsuya Mihara; 徹也三原
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 1998-09-07
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 2000-03-28
Anticipated expiration: 2018-09-07
Also published as: JP3606744B2

Abstract

(57)【要約】【課題】不発塵性と共に耐熱衝撃性や耐久性を併せ持
つ耐熱材料及びその作製方法を提供すること。【解決手段】無機繊維質材料４を主成分とする基材２
に、ガラス材料５を主成分とするガラス層３を接して設
けてなり、基材２はバインダーとしてガラス材料５を含
むと共に、ガラス層３は補強材として無機繊維質材料４
を含み、ガラス層３を形成するための加熱処理をする過
程で、基材２中のガラス材料５とガラス層３のガラス材
料５とが融着して、これらの間に物性的な連続性や一体
性を付与して、ガラス層３により基材２表面からの発塵
を抑え、かつ応力がガラス層３の物性の不均一な部分に
集中するような状況が緩和され、ガラス層３にクラック
が生じたり、基材２からの剥がれ現象が生じることが抑
制されて、耐熱衝撃性や耐久性を併せ持つことができ
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、耐熱材料及びその
作製方法に関し、より詳しくは、無機繊維質材料を主成
分とする基材にバインダーとしてガラス材料を含ませる
と共に、ガラス材料を主成分とするガラス層に補強材と
して無機繊維質材料を含ませて、基材とガラス層との間
に一体性を付与させた耐熱材料及びその作製方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の耐熱材料は、シリカ繊維やアルミ
ナ繊維等の耐熱性のある無機繊維質材料で専ら構成さ
れ、例えば、無機繊維質材料が有機バインダーや無機バ
インダーにより、ブロック、板、タイル等の所定形状に
成形されている。これら所定形状の耐熱材料は、耐熱性
のレンガやキャスタブルと比較して、次の点で優位性が
ある。低熱容量である、低熱伝導率である、熱衝
撃に強い、軽量である、熱膨張率が低い。

【０００３】一方、近年、ガラス基板を用いた液晶ディ
スプレイやプラズマディスプレイが多用され、これらは
ガラス基板上に半導体素子や配線等を直接作製すること
から、ガラス基板表面は極めて厳しいクリーン度が要求
される。ガラス基板は焼成する必要があり、また、縮み
や歪み除去のため予め各種熱処理が施される。このガラ
ス基板に対する焼成、各種熱処理は加熱炉が利用され、
当然のことながら加熱炉の内壁や棚板を構成する耐熱材
料からの発塵に対し極めて厳しい条件が課せられる。こ
れは、上記の極めて厳しいクリーン度が課せられるガラ
ス基板表面に、焼成や各種熱処理中に加熱炉の内壁や棚
板を構成する耐熱材料から飛散した塵が付着したので
は、その後の液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ
の作製段階で不良発生の大きな要因となるからである。

【０００４】上記従来の無機繊維質材料で専ら構成され
た耐熱材料は、上記の優位性からガラス基板に対する焼
成、各種熱処理をする加熱炉に適しているが、無機繊維
質材料に起因する発塵に難がある。そこで、無機繊維質
材料で専ら構成された耐熱材料の表面をガラス層で被覆
して発塵を防ぐものとして、特公昭５７−１３５１４
号公報や、特開平１−２１９０３８号公報がある。

【０００５】の耐熱材料は、高融点と低融点とを有す
る２種以上の耐火性無機繊維質材料０．５〜４重量％、
有機繊維質材料０．５〜５重量％、結合剤４〜２０重量
％、耐火性物質５０〜９０重量％及び０．５重量％以上
の耐火耐食性物質を有する成形物の表面に、更にロウ石
微粉末と水ガラス及びガラス繊維とを含む酸化防止被覆
層、すなわち、ガラス層を形成してなるものである。従
って、ガラス層に相当する上記酸化防止被覆層により、
２種以上の耐火性の無機繊維質材料に起因する発塵を防
ぐことができるものである。の耐熱材料は、耐熱性無
機繊維質材料と耐火性粉末と無機結合剤とからなる多孔
質焼結体の表面の少なくとも一部に釉薬を塗布し、熱処
理させることにより、ガラス層を形成してなるものであ
る。従って、上記ガラス層により、耐熱性の無機繊維質
材料や耐火性粉末に起因する発塵を防ぐことができるも
のである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記特公昭５７−１
３５１４号公報や、特開平１−２１９０３８号公報に
よる公知例は、いずれもガラス層により無機繊維質材料
で専ら構成された耐熱材料の表面からの発塵を防ぐた
め、その点では都合がよい。しかしながら、これらの耐
熱材料は耐熱衝撃性や耐久性が弱く、急激な加熱や長期
間の使用ができない。急激な加熱をすれば、ガラス層に
クラックが生じ、基材からの剥がれ現象が生じてしま
う。また、長期間の使用により、やはりガラス層にクラ
ックが生じ、剥がれ現象が生じてしまう。すなわち、ガ
ラス基板に対する焼成、各種熱処理が加熱炉で絶えず行
われるから、加熱炉の内壁や棚板に使用される耐熱材料
は、不発塵性と共に耐熱衝撃性や耐久性を併せ持つこと
が要求されるのである。

【０００７】従って、本発明の目的は、不発塵性と共に
耐熱衝撃性や耐久性を併せ持つ耐熱材料及びその作製方
法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かかる実情において、本
発明者らは鋭意検討を行った結果、無機繊維質材料を主
成分とする基材とガラス材料を主成分とするガラス層と
は、熱膨張率が異なり、これに起因して基材とガラス層
との間に応力が発生し、一方、ガラス層の物性は、層厚
の不均一、密度の不均一、固さの不均一、組成の不均一
等の不均一性があり、上記応力はガラス層の物性の不均
一な部分に集中して、そのためガラス層にクラックが生
じたり、基材からの剥がれ現象が生じてしまうことを知
見した。そして、基材の主成分である無機繊維質材料を
ガラス層の補強材とし、ガラス層の主成分であるガラス
材料を基材のバインダーとして使用すれば、ガラス層を
形成するための加熱処理をする過程で、基材中のバイン
ダーであるガラス材料とガラス層のガラス材料とが融着
して、これら基材とガラス層との間に物性的な連続性や
一体性を付与することになり、応力がガラス層の物性の
不均一な部分に集中するような状況が緩和され、ガラス
層にクラックが生じたり、基材からの剥がれ現象が生じ
ることが抑制されることを見い出し、本発明を完成する
に至った。

【０００９】すなわち、本発明は、無機繊維質材料を主
成分とする基材に、ガラス材料を主成分とするガラス層
を接して設けてなり、前記基材はバインダーとして前記
ガラス材料を含むと共に、前記ガラス層は補強材として
前記無機繊維質材料を含むことを特徴とする耐熱材料を
提供するものである。

【００１０】本発明において、耐熱材料１は、図１に示
すように、多孔質材料である基材２にそれを被覆する緻
密質材料であるガラス層３からなり、基材２の主成分で
ある無機繊維質材料４をガラス層３に含ませて補強材と
して機能させ、ガラス層３の主成分であるガラス材料５
を基材２に含ませてバインダーとして機能させるべく、
加熱処理してガラス層３を形成して、なるものである。
すなわち、基材２とガラス層３との界面６で、図では省
略するが基材２中のガラス材料５とガラス層３中のガラ
ス材料５とが融着し、これら基材２とガラス層３との間
に物性的な連続性や一体性が付与され、上記のとおり応
力がガラス層３の物性の不均一な部分に集中するような
状況が緩和される。

【００１１】無機繊維質材料４としては、特に制限され
ないが、シリカアルミナ系セラミックスファイバーを挙
げることができる。具体的には、Ａｌ₂Ｏ₃が４０〜６
０重量％、ＳｉＯ₂が４０〜６０重量％からなる非晶質
シリカアルミナ系セラミックス、Ａｌ₂Ｏ₃が７０〜９
９重量％、ＳｉＯ₂が１〜３０重量％からなる結晶性シ
リカアルミナ系セラミックスが使用される。平均繊維長
は５０〜１５０μm 、平均繊維径は１〜５μm のものが
好ましい。これらの無機繊維質材料は単独又は混合して
使用してもよい。なお、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との組成
比は用途により適宜選択することができる。

【００１２】ガラス材料５としては、特に制限されない
が、ホウ珪酸ガラス、カリソーダガラス、鉛カリガラ
ス、石英ガラス、アルミノ珪酸ガラス等が挙げられる。
これらのガラス材料は単独又は混合して使用してもよ
い。また、ガラス材料のうち、ホウ珪酸ガラスが特に好
ましい。従って、本発明の耐熱材料としては、無機繊維
質材料４はシリカアルミナ系セラミックスファイバーを
用い、ガラス材料５はホウ珪酸ガラスを用いることが好
ましく、これらの組み合わせによれば、シリカアルミナ
系セラミックスファイバーのシリカ成分とホウ珪酸ガラ
スのガラス成分との馴染みが良く、ガラス層３のクラッ
ク発生及びガラス層３の基材２からの剥離を極めてよく
抑制することができる。

【００１３】また、ガラス層３中の無機繊維質材料４の
含有量は、５〜１５重量％の範囲のものがよく、８〜１
５重量％の範囲のものがより好ましい。無機繊維質材料
４が５重量％に満たないと、ガラス層３におけるクラッ
クの発生を抑制する効果が期待できない。逆に無機繊維
質材料４が１５重量％を越えると、無機繊維質材料４同
士が絡み合いガラス層３中に物性の不均一な部分が形成
され、所謂繊維のダマが発生し、逆にガラス層３におけ
るクラックの発生や剥離の要因となってしまい好ましく
ない。

【００１４】また、基材２中のガラス材料５の含有量
は、１０〜３０重量％の範囲のものがよい。ガラス材料
が１０重量％に満たないと、ガラス層３のガラス材料と
融着する部分が少なくなり、物性的な連続性や一体性を
保持できない。逆にガラス材料５が３０重量％を越える
と、耐熱材料としての優位な特性が発揮されない。

【００１５】本発明において、基材の主成分である無機
繊維質材料と、ガラス層の補強材である無機繊維質材料
とは、同一材料であっても、異なる材料であってもよい
が、同一材料とすることが好ましい。また、ガラス層の
ガラス材料と、基材のバインダーであるガラス材料と
は、同一材料であっても、異なる材料であってもよい
が、同一材料とすることが融着強度の点からも好まし
い。

【００１６】次に、本発明の耐熱材料の作製方法につい
て説明する。すなわち、本発明の耐熱材料の作製方法
は、ガラス材料、有機バインダー、無機繊維質材料及び
水を混合し、糊状又はペースト状の出発材料を作製する
工程と、前記無機繊維質材料を主成分とし、前記ガラス
材料をバインダーとする基材の表面の少なくとも一部に
前記出発材料を塗布する工程と、前記ガラス材料を加熱
処理によりガラス層に変成させる工程と、を有すること
を特徴とする。

【００１７】まず、基材２は、塗布工程前にガラス材料
５を無機バインダーとして無機繊維質材料４を結合さ
せ、かつ所定形状に成形加工し、乾燥させ、更に焼成す
ることにより、予め作製される。例えば、シリカアルミ
ナ系無機繊維質材料１００重量部、硼酸１０〜３０重量
部、コロイダルシリカ１０〜３０重量部、アルミナゾル
０．３〜１重量部、有機バインダー０．５〜１．５重量
部を混合し、濃度３〜４重量％のスラリーを得る。次
に、このスラリーを脱水成形し、１００〜１５０℃、３
〜８時間の乾燥を行い、更に１０００〜１２００℃、数
時間〜数十時間焼成する。これにより、シリカアルミナ
系無機繊維質材料を主成分とする基材を得ることができ
る。

【００１８】出発材料の作製工程では、有機バインダー
が使用される。有機バインダーとしては、例えば、ポリ
エチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、メチルセ
ルロース等が挙げられ、これらは単独又は混合して使用
される。また、有機バインダーの混合量はガラス材料１
００重量部に対して、１〜５重量部とすることが好まし
い。上記の各原料を混合する際、出発材料が無機繊維質
材料４を５〜１５重量％の範囲で含むように調整するこ
とが重要となるが、有機バインダーを使用することによ
り、無機繊維質材料４の分散性を付与しそれを可能にし
ている。すなわち、有機バインダーを使用しない場合
は、出発材料がスラリー状となり、無機繊維質材料４の
分散性が悪く、３重量％程度までしか出発材料に含ませ
ることができない。例え、３重量％を超えて添加しても
無機繊維質材料４が偏在してしまい、ガラス層３におけ
るクラックの発生を抑制する効果は期待できない。な
お、これら有機バインダーのうち、ガラス材料５にホウ
珪酸ガラスを使用した場合は、ポリエチレンオキサイド
を用いることが、良好な結果が再現性よく得られる点で
好ましい。

【００１９】出発材料の作製工程における混合例として
は、ほう珪酸ガラス粉末２０〜３０重量部、有機バイン
ダー０．２〜０．４重量部、シリカアルミナ系無機繊維
質材料１〜４．５重量部、水２０〜４０重量部を混合す
ることにより得られるペースト状又は糊状物が挙げられ
る。

【００２０】次に、塗布工程で基材２の表面に上記出発
材料を塗布する。出発材料は、上述のように、有機バイ
ンダーが使用されているから、伸びが良く基材２の表面
に刷毛等で均一に塗布でき、更に多孔質材料である無機
繊維質材料４を主成分とする基材２内への浸透も適度に
抑えることができ、平滑な表面を有する塗布皮膜を形成
することができる。基材への塗布は、基材の全ての面に
対して行ってもよく、また、一部に対して行ってもよ
い。塗布皮膜が形成された基材は、乾燥後、熱処理が行
われる変成工程でガラス層が形成される。

【００２１】変成工程で出発材料の塗布皮膜を形成した
基材２に加熱処理を施すと、塗布皮膜がガラス層３にな
る。この際、ガラス層３は、出発材料中のガラス材料５
が溶融し、出発材料中に含まれている無機繊維質材料４
を補強材としたものになる。同時に、基材２にはこれを
予め作製する過程で無機バインダーとしてガラス材料５
を含んでいるから、ガラス層３を形成する出発材料中の
ガラス材料５と基材２中のガラス材料５とが溶融して融
着する。加熱処理は、加熱温度１０００〜１２００℃、
加熱時間２０〜６０分間の条件で行えばよい。また、ガ
ラス層の厚さは、特に制限されないが、例えば、１００
〜２００μm 程度の厚さである。なお、出発材料中の有
機バインダー及び水は、加熱処理により気散する。

【００２２】このようにして作製された耐熱材料１は、
基材２とガラス層３との界面６で、両者のガラス材料５
同士が融着した状態のものとなり、これら基材２とガラ
ス層３との間に物性的な連続性や一体性を付与すること
になり、しかもガラス層３中にも補強材としての無機繊
維質材料４を含んでいる。従って、応力がガラス層３の
物性の不均一な部分に集中するような状況が緩和され、
ガラス層３にクラックが生じたり、基材２からガラス層
３が剥離するようなことが無くなる。

【００２３】

【実施例】次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に
説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限す
るものではない。参考例１（基材の作製）先ず、基材を次に示す原料及び配合割合で調製した。シリカアルミナ系セラミックスファイバー（シリカ成分５１重量％、アルミナ成分４９重量％で、繊維長平均５０μｍ、繊維径平均２．５μｍ）１００重量部硼酸４重量部コロイダルシリカ２５重量部アルミナゾル０．６重量部ポリアクリルアミド系バインダー０．８重量部上記配合の原料を混合し、濃度３．５重量％のスラリー
とし、脱水成形法により正方形のタイル形状とした。こ
れを１２５℃で５時間乾燥し、更に１１００℃で１０時
間焼成して、２００mm角×２５mm厚みの基材を得た。上
記焼成により、硼酸、コロイダルシリカ、アルミナゾル
が反応し、ほう珪酸ガラスが生成され、該ほう珪酸ガラ
スが無機バインダーとなって、シリカアルミナ系セラミ
ックスファイバーが互いに結合して基材を形成する。

【００２４】実施例１参考例１により得られた基材に、以下により作製した出
発材料を塗布し、焼成してガラス層を作製して耐熱材料
を得た。先ず、ほう珪酸ガラス粉末２０ｇ、ポリエチレ
ンオキサイド０．２５ｇを混合し、更に、水１８ｇを加
えて攪拌し、それにシリカアルミナ系セラミックスファ
イバー２．０ｇ及び水１０ｇを加え攪拌して、出発材
料、すなわち、シリカアルミナ系セラミックスファイバ
ー９重量％含んだ出発材料を得た。次に、この出発材料
を参考例１の基材の表面のみに、塗布量が９．３ｇ（ほ
う珪酸ガラス粉末）／１００cm²となるように刷毛塗り
により塗布した。乾燥後、塗布後の基材を１１５０℃で
６０分間焼成して、耐熱材料を得た。焼成後のガラス層
の厚みは１００〜２００μｍの範囲であった。得られた
耐熱材料についてスポーリング試験を行った。結果を表
１に示す。

【００２５】（スポーリング試験）急熱急冷試験であ
る。先ず、試験材料を常温（２０℃）の状態からいきな
り５００℃に保たれた試験炉内に投入する。そして、こ
の試験材料を５００℃の雰囲気に３０分間保持した後、
試験炉内から取り出し、３０分間自然空冷する。これを
１サイクルとして５サイクル行い、その結果を目視観察
する。この急熱急冷試験の温度を６００℃、７００℃、
８００℃、９００℃と１００℃単位で上げて、クラック
の発生や剥離等の障害が生ずるまで行う。

【００２６】実施例２出発材料がシリカアルミナ系セラミックスファイバーを
５重量％含んでいること以外、実施例１と同様にして耐
熱材料を得た。この耐熱材料につき実施例１と同様の急
熱急冷試験を行った。

【００２７】実施例３出発材料がシリカアルミナ系セラミックスファイバーを
７重量％含んでいること以外、実施例１と同様にして耐
熱材料を得た。この耐熱材料につき実施例１と同様の急
熱急冷試験を行った。

【００２８】実施例４出発材料がシリカアルミナ系セラミックスファイバーを
１４重量％含んでいること以外、実施例１と同様にして
耐熱材料を得た。この耐熱材料につき実施例１と同様の
急熱急冷試験を行った。

【００２９】比較例１シリカアルミナ系セラミックスファイバーを全く含んで
いない出発材料とした以外は実施例１と同様の出発材料
とした。この出発材料を実施例１の基材の表面のみに、
塗布量が９．３ｇ（ほう珪酸ガラス粉末）／１００cm²
となるように、刷毛塗りにより塗布した。そして、塗布
後の基材を乾燥後、１１５０℃で６０分間焼成して、耐
熱材料を得た。得られた耐熱材料についてスポーリング
試験を行った。実施例２〜４、比較例１のスポーリング
試験結果を表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１によれば、実施例１は８００℃まで全
く変化がなく、９００℃になって基材の層間が割れた
が、ガラス層には変化がなった。実施例２及び実施例３
は６００℃の１サイクル目でガラス層にクラックが生じ
た。実施例４は、８００℃まで全く変化がなく、９００
℃になって基材の層間が割れたが、ガラス層には変化が
なった。これに対して、比較例１では、５００℃の１サ
イクル目でガラス層にクラックが生じ、実施例１〜４と
の間に明確な差が認められた。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、基材表面にガラス層を
形成することで、基材表面からの発塵性を抑えることが
できる。そして、このガラス層は、基材の主成分である
無機繊維質材料を補強材とし、ガラス層の主成分である
ガラス材料を基材のバインダーとしているから、ガラス
層を形成するための加熱処理をする過程で、基材中のガ
ラス材料とガラス層のガラス材料とが融着して、これら
の間に物性的な連続性や一体性を付与して、応力がガラ
ス層の物性の不均一な部分に集中するような状況が緩和
され、ガラス層にクラックが生じたり、基材からの剥が
れ現象が生じることが抑制されて、耐熱衝撃性や耐久性
を併せ持つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における耐熱材料を示す断
面図である。

【符号の説明】

１耐熱材料２基材３ガラス層４無機繊維質材料５ガラス材料６界面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鳥居信宏静岡県浜松市新都田１−８−１ニチアス株式会社浜松研究所内 (72)発明者渡部裕太静岡県浜松市新都田１−８−１ニチアス株式会社浜松研究所内 (72)発明者三原徹也東京都港区芝大門１−１−26 ニチアス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】無機繊維質材料を主成分とする基材に、
ガラス材料を主成分とするガラス層を接して設けてな
り、前記基材はバインダーとして前記ガラス材料を含む
と共に、前記ガラス層は補強材として前記無機繊維質材
料を含むことを特徴とする耐熱材料。
【請求項２】前記ガラス層に含んだ前記無機繊維質材
料の含有量が、５〜１５重量％であることを特徴とする
請求項１記載の耐熱材料。
【請求項３】前記無機繊維質材料がシリカアルミナ系
セラミックスファイバーであり、前記ガラス材料がホウ
珪酸ガラスであることを特徴とする請求項１記載の耐熱
材料。
【請求項４】前記基材と前記ガラス層との界面で、前
記基材中のガラス材料と前記ガラス層中のガラス材料と
が融着していることを特徴とする請求項１又は２記載の
耐熱材料。
【請求項５】ガラス材料、有機バインダー、無機繊維
質材料及び水を混合し、糊状又はペースト状の出発材料
を作製する工程と、前記無機繊維質材料を主成分とし、
前記ガラス材料をバインダーとする基材の表面の少なく
とも一部に前記出発材料を塗布する工程と、前記ガラス
材料を加熱処理によりガラス層に変成させる工程と、を
有することを特徴とする耐熱材料の作製方法。
【請求項６】前記有機バインダーが、ポリエチレンオ
キサイドであることを特徴とする請求項５記載の耐熱材
料の作製方法。