JP2003321278A - 複合セラミックス材料およびその製造方法 - Google Patents
複合セラミックス材料およびその製造方法Info
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- JP2003321278A JP2003321278A JP2002132597A JP2002132597A JP2003321278A JP 2003321278 A JP2003321278 A JP 2003321278A JP 2002132597 A JP2002132597 A JP 2002132597A JP 2002132597 A JP2002132597 A JP 2002132597A JP 2003321278 A JP2003321278 A JP 2003321278A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高温ガスを扱う熱交換装置などに用いるのに
好適な気密性を備えた複合セラミックス材料を提供す
る。 【解決手段】 セラミックス繊維からなる織布と、無機
質粒子を含むマトリックスからなる複合セラミックス材
料において、前記無機質粒子の一部に酸化膨張する粒子
が含まれていることを要旨とする。 【効果】 前記構成のセラミックス材料を焼成または使
用時に高温に晒した場合、酸化膨張する材料が酸化膨張
して、マトリックスの粒子間またはマトリックスと織布
との間に形成されている微細な空隙がその膨張により埋
められ、気密性が高められる。
好適な気密性を備えた複合セラミックス材料を提供す
る。 【解決手段】 セラミックス繊維からなる織布と、無機
質粒子を含むマトリックスからなる複合セラミックス材
料において、前記無機質粒子の一部に酸化膨張する粒子
が含まれていることを要旨とする。 【効果】 前記構成のセラミックス材料を焼成または使
用時に高温に晒した場合、酸化膨張する材料が酸化膨張
して、マトリックスの粒子間またはマトリックスと織布
との間に形成されている微細な空隙がその膨張により埋
められ、気密性が高められる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、骨格となるセラミ
ックス繊維からなる織布と、無機質粒子を含むマトリッ
クスとからなる複合セラミックス材料およびその製造方
法の改良に関する。
ックス繊維からなる織布と、無機質粒子を含むマトリッ
クスとからなる複合セラミックス材料およびその製造方
法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、燃焼機器等で発生した熱エネル
ギーを回収するために、燃焼によって生じた高温ガスに
接触する耐熱部材を介して空気や水などの媒体へ熱エネ
ルギーを移す熱交換装置が知られている。こういった熱
交換装置においては、特に焼却炉といった高温ガスを扱
う場合などは、ダイオキシンなどの有害成分を含むガス
が外部へ流出することは回避しなければならない。した
がって、上記のような環境で使用する配管部材、隔壁部
材、熱交換装置において熱の交換を担う耐熱部材には、
高い気密性が要求される。従来、こうした目的で使用さ
れる耐熱部材としては、一般にステンレスや銅に代表さ
れる金属製部材が挙げられる。しかし、１０００℃を超
えるような高温ガスを扱う場合には、耐熱性や、発生す
る塩基性などの腐食成分に起因する腐食が問題となる。
また、緻密質セラミックにより高い気密性を確保するこ
とが考えられるが、必要な強度を得るためにある程度の
厚みが必要になり、薄いものが得られにくく、軽量化に
は向かない。また、緻密質セラミックでは、熱衝撃に弱
く、運転・停止を繰り返す焼却炉などでの使用は困難で
あることが予想される。
ギーを回収するために、燃焼によって生じた高温ガスに
接触する耐熱部材を介して空気や水などの媒体へ熱エネ
ルギーを移す熱交換装置が知られている。こういった熱
交換装置においては、特に焼却炉といった高温ガスを扱
う場合などは、ダイオキシンなどの有害成分を含むガス
が外部へ流出することは回避しなければならない。した
がって、上記のような環境で使用する配管部材、隔壁部
材、熱交換装置において熱の交換を担う耐熱部材には、
高い気密性が要求される。従来、こうした目的で使用さ
れる耐熱部材としては、一般にステンレスや銅に代表さ
れる金属製部材が挙げられる。しかし、１０００℃を超
えるような高温ガスを扱う場合には、耐熱性や、発生す
る塩基性などの腐食成分に起因する腐食が問題となる。
また、緻密質セラミックにより高い気密性を確保するこ
とが考えられるが、必要な強度を得るためにある程度の
厚みが必要になり、薄いものが得られにくく、軽量化に
は向かない。また、緻密質セラミックでは、熱衝撃に弱
く、運転・停止を繰り返す焼却炉などでの使用は困難で
あることが予想される。
【０００３】そこで、特開２００１−８９２５４公報に
記載されるような、骨格となるセラミックス繊維からな
る織布と、無機質粒子を含むマトリックスとからなる複
合セラミックス材料を使用することが提案されている。
こうした複合セラミックス材料によれば、優れた耐熱性
と熱の伝導性とを備えた耐熱部材を実現することができ
る。
記載されるような、骨格となるセラミックス繊維からな
る織布と、無機質粒子を含むマトリックスとからなる複
合セラミックス材料を使用することが提案されている。
こうした複合セラミックス材料によれば、優れた耐熱性
と熱の伝導性とを備えた耐熱部材を実現することができ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た複合セラミックス材料中には、マトリックスの粒子間
またはマトリックスの粒子と織布との間に微細な空隙が
形成される。ガスはこうした微細な空隙を透過すること
ができる。その結果、上述した複合セラミックス材料が
例えば熱交換装置などに用いられた場合には、ガスが流
出してしまうことが懸念される。また加熱によるクリー
プ変形量は、上述した複合材料においても多いとは言え
ないが、複合材料を構成する材料として使用する場合に
は、より少ないことが好ましい。
た複合セラミックス材料中には、マトリックスの粒子間
またはマトリックスの粒子と織布との間に微細な空隙が
形成される。ガスはこうした微細な空隙を透過すること
ができる。その結果、上述した複合セラミックス材料が
例えば熱交換装置などに用いられた場合には、ガスが流
出してしまうことが懸念される。また加熱によるクリー
プ変形量は、上述した複合材料においても多いとは言え
ないが、複合材料を構成する材料として使用する場合に
は、より少ないことが好ましい。
【０００５】本発明は、上述した問題に鑑み、例えば高
温ガスを扱う、配管、隔壁材、熱交換装置に用いるのに
好適な高い気密性を備えた複合セラミックス材料および
その製造方法を提供することを目的とする。
温ガスを扱う、配管、隔壁材、熱交換装置に用いるのに
好適な高い気密性を備えた複合セラミックス材料および
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】上記目的を達成するため
に、本発明は、セラミックス繊維からなる織布と、無機
質粒子を含むマトリックスからなる複合セラミックス材
料において、前記無機質粒子の一部に酸化膨張する材料
が含まれていることを要旨とする。
に、本発明は、セラミックス繊維からなる織布と、無機
質粒子を含むマトリックスからなる複合セラミックス材
料において、前記無機質粒子の一部に酸化膨張する材料
が含まれていることを要旨とする。
【０００７】上記構成によれば、セラミックス繊維の織
布と、酸化膨張する無機質粒子を含むマトリックスとか
らなる複合セラミックス材料を大気中で焼成または使用
時に高温に晒した場合、無機質粒子に含まれている酸化
膨張する粒子が酸化膨張して、マトリックスの粒子間ま
たはマトリックスの粒子と織布との間に形成されている
微細な空隙がその膨張により埋められる。その結果、複
合セラミックス材料の気密性が高められる。また、マト
リックスの粒子が膨張することにより、微細な間隙は埋
められると同時に、マトリックスすなわちセラミックス
の粒子同士の接触面積が増加する。したがって、界面で
のセラミックス粒子同士の滑りは抑制される。その結
果、界面で生じるセラミックス粒子同士の滑りに起因す
るクリープ変形量は減少する。
布と、酸化膨張する無機質粒子を含むマトリックスとか
らなる複合セラミックス材料を大気中で焼成または使用
時に高温に晒した場合、無機質粒子に含まれている酸化
膨張する粒子が酸化膨張して、マトリックスの粒子間ま
たはマトリックスの粒子と織布との間に形成されている
微細な空隙がその膨張により埋められる。その結果、複
合セラミックス材料の気密性が高められる。また、マト
リックスの粒子が膨張することにより、微細な間隙は埋
められると同時に、マトリックスすなわちセラミックス
の粒子同士の接触面積が増加する。したがって、界面で
のセラミックス粒子同士の滑りは抑制される。その結
果、界面で生じるセラミックス粒子同士の滑りに起因す
るクリープ変形量は減少する。
【０００８】上記の酸化膨張する粒子としては、炭化ア
ルミニウムや窒化アルミニウムといった酸化アルミニウ
ム前駆体、あるいは炭化珪素や窒化珪素といった酸化珪
素前駆体が用いられればよい。こうした構成によれば、
焼成または使用時に高温に晒された場合に、前記粒子は
酸化して酸化アルミニウム成分または酸化珪素成分が生
成する。その結果、粒子が膨張してマトリックスの粒子
間またはマトリックスの粒子と織布との間に形成されて
いる微細な空隙がその膨張により埋められる。その結
果、複合セラミックス材料の気密性が高められる。これ
らの構成では、酸化アルミニウム前駆体や酸化珪素前駆
体などの酸化物前駆体粒子が、大気中で酸化膨張するこ
とで気密性や低変形などの特性が得られる。また、酸化
アルミニウム前駆体や酸化珪素前駆体などの酸化物前駆
体粒子が酸化物となることで化学的な安定性をも獲得で
きる。上記の構成物が、大気やその他の酸化雰囲気では
ない雰囲気中で使用される場合には、あらかじめ大気中
で酸化させることで目的の物性を得ることができる。
ルミニウムや窒化アルミニウムといった酸化アルミニウ
ム前駆体、あるいは炭化珪素や窒化珪素といった酸化珪
素前駆体が用いられればよい。こうした構成によれば、
焼成または使用時に高温に晒された場合に、前記粒子は
酸化して酸化アルミニウム成分または酸化珪素成分が生
成する。その結果、粒子が膨張してマトリックスの粒子
間またはマトリックスの粒子と織布との間に形成されて
いる微細な空隙がその膨張により埋められる。その結
果、複合セラミックス材料の気密性が高められる。これ
らの構成では、酸化アルミニウム前駆体や酸化珪素前駆
体などの酸化物前駆体粒子が、大気中で酸化膨張するこ
とで気密性や低変形などの特性が得られる。また、酸化
アルミニウム前駆体や酸化珪素前駆体などの酸化物前駆
体粒子が酸化物となることで化学的な安定性をも獲得で
きる。上記の構成物が、大気やその他の酸化雰囲気では
ない雰囲気中で使用される場合には、あらかじめ大気中
で酸化させることで目的の物性を得ることができる。
【０００９】前記酸化膨張する粒子は、マトリックス１
００重量％に対して３〜３０重量％含まれることが好ま
しい。３０重量％より多いと膨張が大きすぎてクラック
の原因になるので好ましくない。３重量％より少ないと
期待される効果が得られない。
００重量％に対して３〜３０重量％含まれることが好ま
しい。３０重量％より多いと膨張が大きすぎてクラック
の原因になるので好ましくない。３重量％より少ないと
期待される効果が得られない。
【００１０】また、前述したマトリックスを構成する主
な無機質粒子および酸化膨張する無機質粒子には、平均
粒子径の異なる少なくとも２種類が用いられてもよい。
こうした構成によれば、マトリックス中には、平均粒子
径の大きい無機質粒子同士の間に形成された隙間に、平
均粒子径の小さい無機質粒子が容易に入り込むことがで
きる。したがって、より効率的にマトリックスの粒子間
またはマトリックスの粒子と織布との間に形成される微
細な空隙が埋められる。その結果、複合セラミックス材
料の気密性をさらに高めることができる。
な無機質粒子および酸化膨張する無機質粒子には、平均
粒子径の異なる少なくとも２種類が用いられてもよい。
こうした構成によれば、マトリックス中には、平均粒子
径の大きい無機質粒子同士の間に形成された隙間に、平
均粒子径の小さい無機質粒子が容易に入り込むことがで
きる。したがって、より効率的にマトリックスの粒子間
またはマトリックスの粒子と織布との間に形成される微
細な空隙が埋められる。その結果、複合セラミックス材
料の気密性をさらに高めることができる。
【００１１】さらに、この場合、平均粒子径の小さい無
機質粒子には、前述した酸化膨張する材料が選択される
ことが好ましい。こうした構成によれば、平均粒子径の
大きい無機質粒子同士の間に形成された隙間に、平均粒
子径の小さく、かつ、酸化膨張する無機質粒子が容易に
入り込むことができる。また、膨張係数が同じセラミッ
クス粒子において、粒子が膨張する絶対量は粒子の大き
さに比例する。したがって、平均粒径が大きな粒子に酸
化膨張する粒子を選択する場合には、平均粒子径を小さ
な粒子に選択する場合と比較して、膨張する際に、既に
密に充填した粒子が、その配列を崩されるように再配列
されて、気密性が得られない場合がある。以上のような
ことを鑑みて、平均粒径が小さな粒子に酸化膨張する粒
子を選択することで、マトリックスの粒子間またはマト
リックスの粒子と織布との間に形成される細かい空隙に
入り込んだ酸化膨張する無機質粒子が、焼成または使用
時に高温に晒された場合に、前記空隙が埋められる。そ
の結果、複合セラミックス材料の気密性はなお一層高め
ることができる。
機質粒子には、前述した酸化膨張する材料が選択される
ことが好ましい。こうした構成によれば、平均粒子径の
大きい無機質粒子同士の間に形成された隙間に、平均粒
子径の小さく、かつ、酸化膨張する無機質粒子が容易に
入り込むことができる。また、膨張係数が同じセラミッ
クス粒子において、粒子が膨張する絶対量は粒子の大き
さに比例する。したがって、平均粒径が大きな粒子に酸
化膨張する粒子を選択する場合には、平均粒子径を小さ
な粒子に選択する場合と比較して、膨張する際に、既に
密に充填した粒子が、その配列を崩されるように再配列
されて、気密性が得られない場合がある。以上のような
ことを鑑みて、平均粒径が小さな粒子に酸化膨張する粒
子を選択することで、マトリックスの粒子間またはマト
リックスの粒子と織布との間に形成される細かい空隙に
入り込んだ酸化膨張する無機質粒子が、焼成または使用
時に高温に晒された場合に、前記空隙が埋められる。そ
の結果、複合セラミックス材料の気密性はなお一層高め
ることができる。
【００１２】ここで例えば、前述したマトリックスを構
成する主な無機質粒子および前記無機質粒子は、平均粒
子径が４．０〜１０．０μｍの第１無機質粒子群と、平
均粒子径が０．２〜１．０μｍの第２無機質粒子群とか
ら構成されればよい。こうした構成によれば、前記第１
無機質粒子群は、一般的にこうした分野で用いられる織
布に形成される平均目開き寸法より十分に小さく、さら
に、織布を構成する平均繊維径よりも小さいので、織布
の目開き部に前記第１無機質粒子群は容易に入り込むこ
とができる。したがって、織布とマトリックスの間に形
成される隙間は極力少なくすることができる。その結
果、複合セラミックス材料の気密性は完全に確保され
る。また、一般に、前記第２無機質粒子群のような微細
粒子は高価である。上述した構成によれば、高価な微細
粒子の使用量を抑えることができる。その結果、製造コ
ストは低減される。
成する主な無機質粒子および前記無機質粒子は、平均粒
子径が４．０〜１０．０μｍの第１無機質粒子群と、平
均粒子径が０．２〜１．０μｍの第２無機質粒子群とか
ら構成されればよい。こうした構成によれば、前記第１
無機質粒子群は、一般的にこうした分野で用いられる織
布に形成される平均目開き寸法より十分に小さく、さら
に、織布を構成する平均繊維径よりも小さいので、織布
の目開き部に前記第１無機質粒子群は容易に入り込むこ
とができる。したがって、織布とマトリックスの間に形
成される隙間は極力少なくすることができる。その結
果、複合セラミックス材料の気密性は完全に確保され
る。また、一般に、前記第２無機質粒子群のような微細
粒子は高価である。上述した構成によれば、高価な微細
粒子の使用量を抑えることができる。その結果、製造コ
ストは低減される。
【００１３】また、前記第２無機質粒子は、第１無機質
粒子同士の間に形成される間隙に容易に入り込む大きさ
である。したがって、織布とマトリックスの間およびマ
トリックス中に形成される隙間は極力少なくすることが
できる。その結果、複合セラミックス材料の気密性はさ
らに高められる。
粒子同士の間に形成される間隙に容易に入り込む大きさ
である。したがって、織布とマトリックスの間およびマ
トリックス中に形成される隙間は極力少なくすることが
できる。その結果、複合セラミックス材料の気密性はさ
らに高められる。
【００１４】ここで、前記第１無機質粒子群と前記第２
無機質粒子群との混合割合は、９０：１０〜７０：３０
であればよい。この場合、マトリックス中において、第
１無機質粒子群同士の間に形成される隙間と、該隙間に
入り込む第２無機質粒子との量的なバランスが適当にな
り、織布の目開き部または織布とマトリックスの間並び
にマトリックス中に形成される隙間は極力少なくするこ
とができる。その結果、複合セラミックス材料の気密性
を高めることができる。
無機質粒子群との混合割合は、９０：１０〜７０：３０
であればよい。この場合、マトリックス中において、第
１無機質粒子群同士の間に形成される隙間と、該隙間に
入り込む第２無機質粒子との量的なバランスが適当にな
り、織布の目開き部または織布とマトリックスの間並び
にマトリックス中に形成される隙間は極力少なくするこ
とができる。その結果、複合セラミックス材料の気密性
を高めることができる。
【００１５】さらにまた、上述した複合セラミックス材
料の表面には、無機コロイド溶液が塗布されていてもよ
い。このような構成によれば、表面に形成され、粒径の
異なる粒子の配合によっても埋めきれない細かい気孔に
無機コロイド粒子が入り込むことができ、複合セラミッ
クス材料の気密性をさらに高めることができる。ここ
で、例えば、無機コロイド溶液としては、コロイダルシ
リカ、アルミナゾル等を用いればよい。
料の表面には、無機コロイド溶液が塗布されていてもよ
い。このような構成によれば、表面に形成され、粒径の
異なる粒子の配合によっても埋めきれない細かい気孔に
無機コロイド粒子が入り込むことができ、複合セラミッ
クス材料の気密性をさらに高めることができる。ここ
で、例えば、無機コロイド溶液としては、コロイダルシ
リカ、アルミナゾル等を用いればよい。
【００１６】上述した複合セラミックス材料は、配管、
隔壁、熱交換用途の緻密質耐熱部材、熱交換部材などに
用いられる耐熱部材として用いられてもよい。こうした
構成によれば、厚さ数ｍｍ程度の薄肉のものでも、十分
な強度を有した耐熱部材を得ることができる。さらに、
気密性が高いことから、熱源となるガスを含む領域から
隔離されたクリーンなガスを含む領域へ熱を伝える熱交
換部材として好ましいものとなる。
隔壁、熱交換用途の緻密質耐熱部材、熱交換部材などに
用いられる耐熱部材として用いられてもよい。こうした
構成によれば、厚さ数ｍｍ程度の薄肉のものでも、十分
な強度を有した耐熱部材を得ることができる。さらに、
気密性が高いことから、熱源となるガスを含む領域から
隔離されたクリーンなガスを含む領域へ熱を伝える熱交
換部材として好ましいものとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態とし
ては、アルミナ、シリカを主成分とし、焼成後あるいは
使用時にムライト成分が９４重量％以上となるアルミナ
シリカ繊維製織布を用い、これに粒径の異なるアルミナ
粒子と、酸化珪素粒子、酸化膨張粒子、バインダー等か
らなるマトリックスを塗布含浸させ、乾燥して複合セラ
ミックス材料を構成する。
ては、アルミナ、シリカを主成分とし、焼成後あるいは
使用時にムライト成分が９４重量％以上となるアルミナ
シリカ繊維製織布を用い、これに粒径の異なるアルミナ
粒子と、酸化珪素粒子、酸化膨張粒子、バインダー等か
らなるマトリックスを塗布含浸させ、乾燥して複合セラ
ミックス材料を構成する。
【００１８】
【実施例】本実施例および比較例では、セラミックス繊
維製織布として、アルミナが６８重量％、シリカが２７
重量％、酸化ホウ素が５重量％の組成を有し、焼成後あ
るいは使用時においてムライト成分が９４重量％以上と
なるアルミナシリカ繊維製織布（ニチアス社製CP-20）
を用いる。このシリカアルミナ繊維製織布は、１１μｍ
の平均繊維径の単繊維が約４２０本緩く撚られたヤーン
で構成されている。織布の目開きはおよそ２００〜３０
０μｍである。また、繊維を結束している集束剤を除去
する処理を施し、予め繊維を良く解しておく。
維製織布として、アルミナが６８重量％、シリカが２７
重量％、酸化ホウ素が５重量％の組成を有し、焼成後あ
るいは使用時においてムライト成分が９４重量％以上と
なるアルミナシリカ繊維製織布（ニチアス社製CP-20）
を用いる。このシリカアルミナ繊維製織布は、１１μｍ
の平均繊維径の単繊維が約４２０本緩く撚られたヤーン
で構成されている。織布の目開きはおよそ２００〜３０
０μｍである。また、繊維を結束している集束剤を除去
する処理を施し、予め繊維を良く解しておく。
【００１９】本実施例では、第１無機質粒子群として粒
径が５μｍのアルミナ粒子を用い、第２無機質粒子群と
して粒径１μｍのアルミナ粒子またはシリカ粒子および
炭化珪素粒子または窒化珪素粒子を用いる。 （実施例１） まず、下記配合のマトリックスを得る。 アルミナ粒子（粒径５μｍ） ７０重量％ アルミナ粒子（粒径１μｍ） ２０重量％ 炭化珪素粒子（粒径１μｍ）（酸化膨張粒子） １０重量％ アルミナゾル（バインダー） ２０重量％（外掛け） 有機バインダー（５％水溶液） ５重量％（外掛け）
径が５μｍのアルミナ粒子を用い、第２無機質粒子群と
して粒径１μｍのアルミナ粒子またはシリカ粒子および
炭化珪素粒子または窒化珪素粒子を用いる。 （実施例１） まず、下記配合のマトリックスを得る。 アルミナ粒子（粒径５μｍ） ７０重量％ アルミナ粒子（粒径１μｍ） ２０重量％ 炭化珪素粒子（粒径１μｍ）（酸化膨張粒子） １０重量％ アルミナゾル（バインダー） ２０重量％（外掛け） 有機バインダー（５％水溶液） ５重量％（外掛け）
【００２０】次に円筒形状のステンレス製の型にアルミ
ナシリカ繊維製織布を巻き付け、上記配合によるペース
ト状のマトリックス材をアルミナシリカ繊維製織布の表
面に塗布する。この上に、さらにアルミナシリカ繊維製
織布を巻き付け、マトリックス材を塗布して３層の積層
体を得た。１００℃で乾燥した後、脱型し外面及び内面
にシリカゾルを塗布する。ここで塗布量は５０ｇ/cm２
とする。次に１０００℃、３時間の焼成を空気雰囲気中
で行う。こうして円筒形状の複合セラミックス材料が得
られる。この複合セラミックス材料は、厚みが１．５m
m、密度が２．３ｇ/cm３であり、通気量は５．０ｍ３/
ｍ２h(８００mmAq)であった。また、約１２００℃の高
温ガス流を３０分流し、次に１５分停止する、というサ
イクルを１００回繰り返しても破損や変形は認められ
ず、また変形も無かった。さらに、より厳しい条件での
耐熱変形試験として、下記に示すような方法で変形量を
算出した。図１に示すように、片持ち梁とした試料の突
き出し長さ１２０ｍｍ、１４００℃で加熱後の先端部の
下方向への変位量を測定し、次式（１）から変形量
（ｙ）を算出した。その結果、変形量は５７ｍｍであっ
た。ここで、試料は、１５０ｍｍ×２５ｍｍ×１．５ｍ
ｍとした。 ｙ ∝ ２ＷＬ３／Ｅｂｄ３ （式１） （Ｌ：突き出し量、ｂ：幅、ｄ：厚さ、Ｗ：重さ（自
重）、Ｅ：ヤング率） さらにまた、都市ゴミを焼却した際に発生するような塩
基性の高温ガス（１０００℃）に２４時間曝しても全く
腐食されることはなかった。
ナシリカ繊維製織布を巻き付け、上記配合によるペース
ト状のマトリックス材をアルミナシリカ繊維製織布の表
面に塗布する。この上に、さらにアルミナシリカ繊維製
織布を巻き付け、マトリックス材を塗布して３層の積層
体を得た。１００℃で乾燥した後、脱型し外面及び内面
にシリカゾルを塗布する。ここで塗布量は５０ｇ/cm２
とする。次に１０００℃、３時間の焼成を空気雰囲気中
で行う。こうして円筒形状の複合セラミックス材料が得
られる。この複合セラミックス材料は、厚みが１．５m
m、密度が２．３ｇ/cm３であり、通気量は５．０ｍ３/
ｍ２h(８００mmAq)であった。また、約１２００℃の高
温ガス流を３０分流し、次に１５分停止する、というサ
イクルを１００回繰り返しても破損や変形は認められ
ず、また変形も無かった。さらに、より厳しい条件での
耐熱変形試験として、下記に示すような方法で変形量を
算出した。図１に示すように、片持ち梁とした試料の突
き出し長さ１２０ｍｍ、１４００℃で加熱後の先端部の
下方向への変位量を測定し、次式（１）から変形量
（ｙ）を算出した。その結果、変形量は５７ｍｍであっ
た。ここで、試料は、１５０ｍｍ×２５ｍｍ×１．５ｍ
ｍとした。 ｙ ∝ ２ＷＬ３／Ｅｂｄ３ （式１） （Ｌ：突き出し量、ｂ：幅、ｄ：厚さ、Ｗ：重さ（自
重）、Ｅ：ヤング率） さらにまた、都市ゴミを焼却した際に発生するような塩
基性の高温ガス（１０００℃）に２４時間曝しても全く
腐食されることはなかった。
【００２１】（実施例２）実施例２では、マトリックス
の出発原料として、下記配合のものを用いた。 アルミナ粒子（粒径５μｍ） ７３重量％ シリカ粒子（粒径１μｍ） ２０重量％ 窒化珪素粒子（粒径１μｍ）（酸化膨張材） ７重量％ 燐酸アルミニウム液（バインダー） ２０重量％（外掛け） 有機バインダー（５％水溶液） ５重量％（外掛け） （燐酸アルミニウム液は、Al２O３とP２O５のモル比が１：４のものを用いた） 上記配合によるペースト状のマトリックス材をアルミナ
シリカ繊維製織布に塗布したものを用意した。これを円
筒形状のステンレス製の型に巻き付けた。このとき、成
形型の円周長の３倍の長さを有するアルミナシリカ繊維
製織布を用いて、巻き付けることで３層の積層複合セラ
ミックス材料を作製した。本実施例で得られる複合セラ
ミックス材料は、第１の実施例の場合と同様な耐久試験
を課しても全く問題がなかった。また、上記のより厳し
い条件での加熱後の変形量は、６１ｍｍであった。
の出発原料として、下記配合のものを用いた。 アルミナ粒子（粒径５μｍ） ７３重量％ シリカ粒子（粒径１μｍ） ２０重量％ 窒化珪素粒子（粒径１μｍ）（酸化膨張材） ７重量％ 燐酸アルミニウム液（バインダー） ２０重量％（外掛け） 有機バインダー（５％水溶液） ５重量％（外掛け） （燐酸アルミニウム液は、Al２O３とP２O５のモル比が１：４のものを用いた） 上記配合によるペースト状のマトリックス材をアルミナ
シリカ繊維製織布に塗布したものを用意した。これを円
筒形状のステンレス製の型に巻き付けた。このとき、成
形型の円周長の３倍の長さを有するアルミナシリカ繊維
製織布を用いて、巻き付けることで３層の積層複合セラ
ミックス材料を作製した。本実施例で得られる複合セラ
ミックス材料は、第１の実施例の場合と同様な耐久試験
を課しても全く問題がなかった。また、上記のより厳し
い条件での加熱後の変形量は、６１ｍｍであった。
【００２２】（比較例）比較例では、マトリックスの出
発材料として、下記配合のものを用いた。他の条件は実
施例１の場合と同じである。 アルミナ粒子（粒径５μｍ） ７０重量％ アルミナ粒子(粒径１μｍ) ２０重量％ シリカ粒子（粒径１μｍ） １０重量％ アルミナゾル（バインダー） ２０重量％（外掛け） 有機バインダー（５％水溶液） ５重量％（外掛け） 本比較例で得られた複合セラミックス材料は、耐熱性、
スポーリング性、耐食性、機械的な強度は、第１または
２実施例で得たものと同等であった。しかし、通気量は
１００ｍ３/ｍ２h(８００mmAq)と大きく、気密部材とし
ての性能で大きく劣るものであった。また、上記のより
厳しい条件での加熱後の変形量は、１００ｍｍ以上であ
り、片持ち梁の支持点から完全に変形していた。これ
は、第２無機質粒子群に酸化膨張する粒子を用いなかっ
たので、マトリックスの粒子間またはマトリックスの粒
子と織布との間に形成される細かい空隙が埋められなか
ったためである。
発材料として、下記配合のものを用いた。他の条件は実
施例１の場合と同じである。 アルミナ粒子（粒径５μｍ） ７０重量％ アルミナ粒子(粒径１μｍ) ２０重量％ シリカ粒子（粒径１μｍ） １０重量％ アルミナゾル（バインダー） ２０重量％（外掛け） 有機バインダー（５％水溶液） ５重量％（外掛け） 本比較例で得られた複合セラミックス材料は、耐熱性、
スポーリング性、耐食性、機械的な強度は、第１または
２実施例で得たものと同等であった。しかし、通気量は
１００ｍ３/ｍ２h(８００mmAq)と大きく、気密部材とし
ての性能で大きく劣るものであった。また、上記のより
厳しい条件での加熱後の変形量は、１００ｍｍ以上であ
り、片持ち梁の支持点から完全に変形していた。これ
は、第２無機質粒子群に酸化膨張する粒子を用いなかっ
たので、マトリックスの粒子間またはマトリックスの粒
子と織布との間に形成される細かい空隙が埋められなか
ったためである。
【００２３】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、例えば高
温ガスを扱う、配管、隔壁材、熱交換装置に用いるのに
好適な高い気密性を備えた複合セラミックス材料および
その製造方法を提供することができる。また、本発明に
係る複合セラミックス材料は、薄肉でもある程度の強度
を保つことができる。さらに、気密性の向上により、固
体伝導を増加させると同時に対流伝導を低減することが
できるので、より一層優れた熱伝導性を発現させること
ができる。さらにまた、軽量でまた物理的な衝撃に対す
る耐性も優れているので、取り扱いが容易である。ま
た、多様な形状のものを容易に作製することができるの
で、設計の自由度が高いという優位性もある。
温ガスを扱う、配管、隔壁材、熱交換装置に用いるのに
好適な高い気密性を備えた複合セラミックス材料および
その製造方法を提供することができる。また、本発明に
係る複合セラミックス材料は、薄肉でもある程度の強度
を保つことができる。さらに、気密性の向上により、固
体伝導を増加させると同時に対流伝導を低減することが
できるので、より一層優れた熱伝導性を発現させること
ができる。さらにまた、軽量でまた物理的な衝撃に対す
る耐性も優れているので、取り扱いが容易である。ま
た、多様な形状のものを容易に作製することができるの
で、設計の自由度が高いという優位性もある。
【図１】複合セラミックス材料の耐熱変形試験の説明図
である。
である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 成田 毅
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
Claims (8)
- 【請求項１】 セラミックス繊維からなる織布と、無機
質粒子を含むマトリックスからなる複合セラミックス材
料において、前記無機質粒子の一部に酸化膨張する粒子
が含まれていることを特徴とする複合セラミックス材
料。 - 【請求項２】 請求項１に記載の複合セラミックス材料
において、前記酸化膨張する粒子として、酸化アルミニ
ウム前駆体または酸化珪素前駆体が用いられることを特
徴とする複合セラミックス材料。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の複合セラミッ
クス材料において、前記酸化膨張する粒子は、マトリッ
クス１００重量％に対して３〜３０重量％含まれること
を特徴とする複合セラミックス材料。 - 【請求項４】 請求項１〜３いずれかに記載の複合セラ
ミックス材料において、前記無機質粒子は平均粒子径の
異なる少なくとも２種類が用いられることを特徴とする
複合セラミックス材料。 - 【請求項５】 請求項４に記載の複合セラミックス材料
において、前記無機質粒子は、平均粒子径が４．０〜１
０．０μｍの第１無機質粒子群と、平均粒子径が０．２
〜１．０μｍの第２無機質粒子群とからなることを特徴
とする複合セラミックス材料。 - 【請求項６】 請求項５に記載の複合セラミックス材料
において、前記第１無機質粒子群と前記第２無機質粒子
群との混合割合は９０：１０〜７０：３０であることを
特徴とする複合セラミックス材料。 - 【請求項７】 請求項１〜６いずれかに記載の複合セラ
ミックス材料を用いた耐熱部材。 - 【請求項８】 織布を構成するセラミックス繊維の単繊
維の間隙に、無機質粒子の一部に酸化膨張する粒子が含
まれるマトリックスを塗布する工程を備えることを特徴
とする複合セラミックス材料の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP2002132597A JP4547697B2 (ja) | 2002-05-08 | 2002-05-08 | 複合セラミックス材料およびその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003321278A true JP2003321278A (ja) | 2003-11-11 |
| JP4547697B2 JP4547697B2 (ja) | 2010-09-22 |
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| JP2002132597A Expired - Lifetime JP4547697B2 (ja) | 2002-05-08 | 2002-05-08 | 複合セラミックス材料およびその製造方法 |
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|---|---|
| JP (1) | JP4547697B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012153601A (ja) * | 2012-04-11 | 2012-08-16 | Covalent Materials Corp | 長繊維強化セラミックス複合材料およびその製造方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000154066A (ja) * | 1998-09-16 | 2000-06-06 | Senshin Zairyo Riyo Gas Generator Kenkyusho:Kk | 高性能セラミックス基複合材料用マトリックス |
| JP2001089254A (ja) * | 1999-09-21 | 2001-04-03 | Nichias Corp | 複合セラミックス材料およびその作製方法 |
| JP2001181061A (ja) * | 1999-12-24 | 2001-07-03 | Nichias Corp | 無機繊維質成形体、断熱材及びこれらの製造方法 |
| JP2001206783A (ja) * | 2000-01-26 | 2001-07-31 | Nichias Corp | 無機繊維質成形体、断熱材及びこれらの製造方法 |
-
2002
- 2002-05-08 JP JP2002132597A patent/JP4547697B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000154066A (ja) * | 1998-09-16 | 2000-06-06 | Senshin Zairyo Riyo Gas Generator Kenkyusho:Kk | 高性能セラミックス基複合材料用マトリックス |
| JP2001089254A (ja) * | 1999-09-21 | 2001-04-03 | Nichias Corp | 複合セラミックス材料およびその作製方法 |
| JP2001181061A (ja) * | 1999-12-24 | 2001-07-03 | Nichias Corp | 無機繊維質成形体、断熱材及びこれらの製造方法 |
| JP2001206783A (ja) * | 2000-01-26 | 2001-07-31 | Nichias Corp | 無機繊維質成形体、断熱材及びこれらの製造方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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