JP2019064907A - Method of manufacturing glass ceramic article by slurry casting and usage thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、０．５％から５％までの気孔率を有するとともに、主結晶相としてキータイトを有するガラスセラミック物品の製造方法およびその使用に関する。 The present invention relates to a process for the production of a glass-ceramic article having keatite as the main crystalline phase, as well as having a porosity of 0.5% to 5% and its use.
ガラスセラミック物品は、高温安定性、酸およびアルカリに対する良好な化学的耐性、低い熱膨張係数、ひいては非常に良好な熱衝撃抵抗性の点で優れている。これらの特性に基づき、ガラスセラミック物品は、非常に様々な多数の用途において、例えばホブ、望遠鏡反射鏡基板、光学リソグラフィーにおける部材として、高出力レーザーにおいて、または長さ基準として使用される。 Glass-ceramic articles are distinguished by high temperature stability, good chemical resistance to acids and alkalis, low coefficient of thermal expansion and thus very good thermal shock resistance. Based on these properties, glass-ceramic articles are used in a large variety of applications, such as hobs, telescope reflector substrates, parts in optical lithography, in high power lasers, or as length references.
そのような用途のために、ガラスセラミック物品は、まずガラス状態でガラス産業において通常の熱成形法、例えば圧縮、圧延または鋳込みにより所望の形状にされ、引き続いての熱処理によりガラスセラミックに変換される。このようにして、微調整可能な光学特性および熱的特性を有する無孔性ガラスセラミック物品を製造することができる。しかしながら、前記熱成形法は、それにより製造可能な形状が、特に薄肉容器により大幅に制限されるという共通点を有する。 For such applications, the glass-ceramic article is first brought into the desired shape in the glass state by means of the thermoforming processes customary in the glass industry, for example compression, rolling or casting and is converted into a glass-ceramic by subsequent heat treatment . In this way, nonporous glass-ceramic articles with finely adjustable optical and thermal properties can be produced. However, the thermoforming process has in common that the shape that can be produced thereby is largely restricted, in particular by thin-walled containers.
セラミック産業においては、泥漿鋳込み成形は、広く知られた成形方法である。泥漿鋳込み成形では、まずいわゆる泥漿、つまりは分散相として無機粒子または酸化物粒子を含有する大抵は水性の鋳込み可能な懸濁液が多孔質型、例えば石膏製の型中に注入される。気孔の毛細管作用により前記型は、泥漿から液状の分散媒を奪うので、その型壁に泥漿の固体成分が堆積される。生成形体とも呼ばれる堆積物の所望の厚さに達した後に、残りの泥漿は、型から除去され、後に残された生成形体が乾燥される。 In the ceramic industry, slip casting is a widely known forming method. In slip casting, first a so-called slip, that is to say a mostly aqueous castable suspension containing inorganic or oxide particles as the dispersed phase, is poured into a porous mold, for example a mold made of gypsum. By the capillary action of the pores, the mold deprives the slurry of the liquid dispersion medium so that the solid components of the slurry are deposited on the mold wall. After reaching the desired thickness of the deposit, also referred to as the product form, the remaining slurry is removed from the mold and the product form left behind is dried.
この乾燥過程でその生成形体が軽く収縮することにより、該生成形体は多孔質型から引き離されて、そこから取り出すことができる。引き続き、前記生成形体の熱処理が行われ、その際に泥漿中に含まれることがある添加物質は焼失され、該生成形体はセラミック化される。この熱処理は、焼結とも呼ばれる。 By lightly shrinking the product form during the drying process, the product form can be pulled away from the porous mold and removed therefrom. Subsequently, a heat treatment of the product form is carried out, whereby the additives which may be contained in the slurry are burned off and the product form is ceramized. This heat treatment is also called sintering.
独国登録特許第１９６２２５２２号明細書（ＤＥ１９６２２５２２Ｃ１）は、４％までの気孔率を有する複雑に成形されたガラスセラミック物品の製造のための泥漿鋳込み成形法を開示している。この方法では、２つの異なる粒度分級物を有するガラス粒子またはガラスセラミック粒子からなる粉体、すなわち粒子の９０％が６３μｍ未満である第１の粉体および粒子の９０％が７μｍ未満である第２の粉体が使用される。これらの粉体は、２：１から４：１までの比率で混合される。 DE 196 22 522 A1 (DE 196 22 522 C1) discloses a slip casting process for the production of complex shaped glass ceramic articles having a porosity of up to 4%. In this method, a powder consisting of glass particles or glass ceramic particles having two different particle size fractions, ie a first powder wherein 90% of the particles are less than 63 μm and a second powder wherein 90% of the particles are less than 7 μm Powder is used. These powders are mixed in a ratio of 2: 1 to 4: 1.
リチウムイオン電池中のカソードは、リチウムと遷移金属酸化物との化合物、ＬｉwＮｉxＭｎyＣｏzＯ2またはＬｉＦｅＰＯ4からなる。そのようなカソードの通常の製造方法は、粉体工学的な焼結経路だけでなく、ゾルゲル法に続いての焼成もある。両者の方法は、それらが化学的に高反応性の中間物質を含み、該中間物質が焼成治具中で５００℃から１０００℃の間の温度での熱処理により反応されて所望の化合物および形状となるという共通点を有する。リチウム−ニッケル−マンガン−コバルト酸化物（Ｌｉ−ＮＭＣ）からの、特に組成Ｌｉ（Ｎｉ0.58Ｍｎ0.18Ｃｏ0.15Ｌｉ0.09）Ｏ2を有するリチウムイオン電池用のカソードの製造方法は、例えば米国特許第６６７７０８２号明細書（ＵＳ６６７７０８２Ｂ２）に開示されている。 The cathode of the lithium ion battery, a compound of lithium and transition metal oxides, consisting of Li w Ni x Mn y Co z O 2 or LiFePO 4. A common method of making such cathodes is not only powder-engineered sintering paths, but also calcinations following sol-gel methods. In both methods, they contain a chemically highly reactive intermediate, which is reacted by heat treatment at a temperature between 500 ° C. and 1000 ° C. in a firing jig to obtain the desired compound and shape. In common with each other. A method for producing a cathode for lithium ion batteries, in particular having the composition Li (Ni 0.58 Mn 0.18 Co 0.15 Li 0.09 ) O 2 , from lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (Li-NMC) is described, for example, in US Pat. No. 667,7082 B2.
そのような焼成治具は、通常は酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）から泥漿鋳込み成形において引き続き焼結することで製造される。ここではＡｌ2Ｏ3が、とりわけカソードの製造のために使用される材料に対するその化学的耐性および非常に良好な耐熱性のため使用される。しかしながら、Ａｌ2Ｏ3は、比較的高い熱膨張率を有するため、低い熱衝撃抵抗性を有する。それにより制限されて、前記焼成治具は、カソード材料の熱処理の後に非常にゆっくりと冷却せねばならず、これにより、リチウムイオン電池用のカソードの製造に際して低いスループットがもたらされる。 Such firing jigs are usually manufactured from aluminum oxide (Al 2 O 3 ) by subsequent sintering in slip casting. Here, Al 2 O 3 is used, in particular because of its chemical resistance to the materials used for the production of the cathode and its very good heat resistance. However, Al 2 O 3 has low thermal shock resistance because it has a relatively high coefficient of thermal expansion. As a consequence, the firing jig has to be cooled very slowly after heat treatment of the cathode material, which results in low throughput in the production of cathodes for lithium ion batteries.
米国特許出願公開第２０１４／００１７４２４号明細書（ＵＳ２０１４／００１７４２４Ａ１）には、６０質量％から９０質量％までのＡｌ2Ｏ3を有するリチウムイオン電池用のカソードの製造のための焼成治具であって、熱衝撃抵抗性の改善のために１０質量％から２０質量％のＳｉＯ2を含有するとともに、１０％から３０％までの気孔率を有する焼成治具が記載されている。Ａｌ2Ｏ3含量の下限およびＳｉＯ2含量の上限は、その場合に遵守されるべきである。それというのもさもなくば、カソードの製造のために使用される材料と化学的に反応するかもしれないからである。特にこの理由からより低いＳｉＯ2含量が有利になる。該焼成治具は、明示的にＭｇＯ、ＺｒＯ2およびＬｉ化合物を含まないべきである。熱衝撃抵抗性のために必要とされる高い気孔率の欠点は、カソード材料がその焼成治具中に侵入し、これを汚染し得ること、それにより焼成治具の寿命または再利用可能性を制限するということである。 U.S. Patent Application Publication No. 2014/0017424 Pat (US2014 / 0017424A1), a in the firing jig for the cathode of manufacture for lithium-ion batteries with Al 2 O 3 from 60 wt% to 90 wt% A firing jig is described which contains 10% by weight to 20% by weight of SiO 2 and has a porosity of 10% to 30% in order to improve thermal shock resistance. The lower limit of the Al 2 O 3 content and the upper limit of the SiO 2 content should then be observed. Otherwise, it may react chemically with the materials used to make the cathode. In particular, lower SiO 2 contents are advantageous for this reason. The firing jig should explicitly contain no MgO, ZrO 2 and Li compounds. The drawback of the high porosity required for thermal shock resistance is that the cathode material can penetrate into and contaminate the firing jig thereby making the life or reusability of the firing jig It is to limit.
本発明の課題は、複雑な形状を有するガラスセラミック物品であって、
− ５００℃から１０００℃までの範囲の耐熱性と、
− 優れた熱衝撃抵抗性と、
− 良好な化学的耐性と
を有するガラスセラミック物品の製造方法および使用を提供することである。
The subject of the present invention is a glass-ceramic article having a complex shape,
-Heat resistance in the range of 500 ° C to 1000 ° C,
-Excellent thermal shock resistance,
-Providing a method and use of a glass-ceramic article having good chemical resistance.
本発明は、前記課題を独立形式請求項により解決する。本発明の有利な実施態様および実施の形態は、従属形式請求項に示されている。 The invention solves the problem with the independent claims. Advantageous embodiments and embodiments of the invention are indicated in the dependent claims.
本発明によるガラスセラミック物品の製造方法は、少なくとも以下の工程：
− セラミック化可能なガラスおよび／またはガラスセラミックからなる粉体であって、該ガラスまたはガラスセラミックが主成分としてＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3およびＬｉ2Ｏを含有し、１．３μｍから３．５μｍまでの平均粒度ｄ50を有する粉体を準備する工程と、
− 少なくとも前記準備された粉体と、液状の分散媒とから鋳込み可能な泥漿を作製する工程と、
− 前記作製された泥漿を使用した泥漿鋳込み成形により生成形体を形成する工程と、
− 前記生成形体を、２００℃未満の温度で少なくとも１時間にわたり乾燥させる工程と、
− 前記生成形体を、２５０℃から６００℃までの温度で少なくとも１時間にわたり予備焼成する工程と、
− 前記生成形体を、１１００℃から１３００℃までの温度で少なくとも１時間にわたり焼結することで、主結晶相としてキータイトを有するとともに、０．５％から５％までの気孔率を有するガラスセラミック物品を得る工程と
を含む。
The method for producing a glass ceramic article according to the present invention comprises at least the following steps:
Powders of ceramizable glass and / or glass-ceramics, wherein the glass or glass-ceramics contain SiO 2 , Al 2 O 3 and Li 2 O as main constituents, 1.3 μm to 3.5 μm Preparing a powder having an average particle size d 50 of up to
Producing a pourable slurry from at least the prepared powder and a liquid dispersion medium;
-Forming a formed body by slip casting using the produced slurry;
Drying the product form at a temperature below 200 ° C. for at least 1 hour;
Pre-baking the product form at a temperature of 250 ° C. to 600 ° C. for at least 1 hour,
A glass-ceramic article having keatite as the main crystalline phase and sintering porosity of from 0.5% to 5% by sintering said product form at a temperature from 1100 ° C. to 1300 ° C. for at least 1 hour And obtaining.
前記準備された粉体の製造のための出発材料は、本発明によれば、主成分としてＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3およびＬｉ2Ｏを含有し、セラミック化可能なガラスとして、または既にセラミック化されたガラスセラミックとして存在する。この出発材料は、粉砕過程により微粒の粉体へと変換される。本発明によれば、前記粉体は、１．３μｍから３．５μｍまでの、好ましくは１．８μｍから３μｍまでの平均粒径ｄ50を有する粒度分布を有する。前記粉体は、セラミック化可能なガラスおよびガラスセラミックからなる粒子の混合物を含有し得る。 According to the invention, the starting material for the preparation of the prepared powder contains SiO 2 , Al 2 O 3 and Li 2 O as main constituents, as a ceramizable glass or already ceramized Exists as a glass ceramic. This starting material is converted into fine powder by a grinding process. According to the invention, the powder has a particle size distribution with an average particle size d 50 of 1.3 μm to 3.5 μm, preferably of 1.8 μm to 3 μm. The powder may contain a mixture of particles consisting of ceramizable glass and glass ceramic.
その場合に、この平均粒径の比較的低い値は、０．５％から５％までの、有利には１％から３％までの所望の気孔率を有する、つまり固体の理論密度の９５％から９９．５％までの、有利には９７％から９９％までの密度を有するガラスセラミック粒子の効果的な製造を可能にすることが判明した。その場合に、本発明者等は、より大きな粒度の場合に、この密度を達成するのに必要な焼結過程の時間が大幅に増加することを観察した。そのことはおそらく、より粗大な粉体の粒子のより小さな有効表面と関連していると思われる。この推測の証拠に、本発明による粒度をわずかに超過しただけでも焼結時間の劇的な増加が引き起こされる。さらに、約５０μｍより大きなｄ50を有する非常に大幅により粗大な粉体の場合には、焼結時間が長くても理論密度の９５％の密度を達成することはできない。１．３μｍ未満の平均粒径を有する粉体は、製造および取り扱いにおいて明らかにより多くの手間と費用がかかる。さらに、１．３μｍ未満の平均粒径を有する粉体が使用される場合に、経済的な生産のために必要な収率では、主結晶相としてキータイトを有するとともに、少なくとも０．５％の気孔率を有するガラスセラミック物品を製造することができないことが判明した。 In that case, a relatively low value of this average particle size has the desired porosity of 0.5% to 5%, preferably 1% to 3%, ie 95% of the theoretical density of the solid It has been found that it enables efficient production of glass ceramic particles having a density of up to 99.5%, preferably 97% to 99%. In that case, we have observed that for larger particle sizes, the time of the sintering process required to achieve this density is significantly increased. That is probably related to the smaller effective surface of the coarser powder particles. The proof of this speculation is that a slight increase in the particle size according to the invention causes a dramatic increase in the sintering time. Furthermore, in the case of very much coarser powders with ad 50 greater than about 50 μm, a long sintering time can not achieve a density of 95% of the theoretical density. Powders having an average particle size of less than 1.3 μm are obviously more labor and expensive in production and handling. Furthermore, when a powder with an average particle size of less than 1.3 μm is used, the yield required for economical production is that it has keatite as the main crystal phase and at least 0.5% pores. It has been found that it is not possible to produce glass-ceramic articles having a percentage.
その場合に、平均粒径ｄ50とは、粉体の粒子の直径の中央値を表し、つまりは、該粉体中に含まれる粒子の半分がこの値よりも小さい直径を有し、もう半分がこの値よりも大きな直径を有するような値を表す。つまりそれは、すべての粒子の全容積に対して該粒子の５０％が値ｄ50より小さく、かつ該粒子の５０％が値ｄ50よりも大きいことを意味する。粒度は、例えばレーザー粒度計、例えばＣＩＬＡＳ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ社のＣＩＬＡＳ １０６４を用いてレーザー回折により測定することができる。 In that case, the average particle diameter d 50 represents the median value of the diameters of the particles of the powder, that is to say, half of the particles contained in the powder have a diameter smaller than this value and the other half Represents a value such that has a diameter larger than this value. That means that 50% of the particles are smaller than the value d 50 and 50% of the particles are larger than the value d 50 relative to the total volume of all particles. The particle size can be measured, for example, by laser diffraction using a laser granulometer, for example CILAS 1064 from CILAS Instrumentation.
本発明の有利な一実施形態においては、前記セラミック化可能なガラスまたはガラスセラミックは、酸化物基準で質量％で表現して、以下の成分：
ＳｉＯ2 ５０〜７５、
Ａｌ2Ｏ3 １７〜２８、
Ｌｉ2Ｏ ２〜６
を含有する。
In a preferred embodiment of the invention, the ceramizable glass or glass ceramic is expressed in mass% on an oxide basis and comprises the following components:
SiO 2 50-75,
Al 2 O 3 17-28,
Li 2 O 2 to 6
Contains
ＳｉＯ2成分は、この組成物において網目形成剤として働く。有利には、その成分は、ＳｉＯ2＝５５質量％〜７５質量％の割合で存在する。Ａｌ2Ｏ3成分は、ここでは安定化剤として働く。有利には、その成分は、Ａｌ2Ｏ3＝１８質量％〜２５質量％の割合で存在する。Ｌｉ2Ｏ成分は、この組成物において網目修飾成分を形成する。有利には、その成分は、Ｌｉ2Ｏ＝３質量％〜５質量％の割合で存在する。特に有利には、前記ガラスまたは前記ガラスセラミックは、酸化物基準で質量％で表現して、以下の成分：
ＳｉＯ2 ５５〜７５、
Ａｌ2Ｏ3 １８〜２５、
Ｌｉ2Ｏ ３〜５
を含有する。
The SiO 2 component acts as a network former in this composition. Advantageously, the component is present in a proportion of SiO 2 = 55% by weight to 75% by weight. The Al 2 O 3 component acts here as a stabilizer. Advantageously, the component is present in a proportion of Al 2 O 3 = 18% by weight to 25% by weight. The Li 2 O component forms a network modifying component in this composition. Advantageously, the component is present in a proportion of Li 2 O = 3% to 5% by weight. Particularly preferably, the glass or the glass ceramic is expressed in% by weight on an oxide basis and comprises the following components:
SiO 2 55-75,
Al 2 O 3 18-25,
Li 2 O 3-5
Contains
さらに、前記セラミック化可能なガラスのセラミック化、または出発材料としてのガラスセラミックの製造のためには、追加で１種以上の酸化物が核形成剤として、合計で少なくとも２質量％で、有利には少なくとも４質量％で前記ガラスまたは前記ガラスセラミック中に含まれていることがエネルギー的に有利である。特に有利には、前記１種以上の核形成剤は、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＳｎＯ2またはそれらの組み合わせである。しかしながら、これらの核形成剤は焼結挙動に悪影響を及ぼすので、核形成剤は、有利には多くても２０質量％、有利には多くても１６質量％、特に有利には多くても８質量％で含まれることが望ましい。 Furthermore, for the ceramization of said ceramable glass, or for the production of glass ceramics as starting material, additionally one or more oxides are advantageously used as nucleating agents, in total at least 2% by weight, It is energetically advantageous that at least 4% by mass be contained in the glass or the glass ceramic. Particularly preferably, the one or more nucleating agents are TiO 2 , ZrO 2 , SnO 2 or combinations thereof. However, since these nucleating agents adversely affect the sintering behavior, they are preferably at most 20% by weight, preferably at most 16% by weight, particularly preferably at most 8% by weight. It is desirable to be contained by mass%.
前記準備された粉体から、本発明によれば鋳込み可能な泥漿は、少なくとも前記粉体および液状の分散媒を混合することにより製造される。鋳込み可能な泥漿とは、この場合に１０4ｍＰａ・ｓ未満の粘度を有する泥漿を表す。 From the above-prepared powder, according to the invention a castable slurry is produced by mixing at least the powder and the liquid dispersion medium. A castable slurry represents in this case a slurry having a viscosity of less than 10 4 mPa · s.
有利な一実施形態においては、前記鋳込み可能な泥漿は、６０％から７６％までの、有利には６５％から７３％までの、特に有利には６７％から７１％までの固体含量を有する。１．３μｍから３．５μｍの間の平均粒度および７６％より多くの固体含量を有する泥漿が使用される場合には、もはや泥漿の必要とされる鋳込み可能性はもたらされないことが判明した。６０％未満の固体含量を有する泥漿が使用される場合には、型から泥漿を除去した後の生成形体中の残留水分は非常に高いので、該生成形体が型から取り出され得る前に長い乾燥が必要とされる。さらに、高い残留水分は、乾燥の間の不所望な収縮の増大をもたらし、これはさらに乾燥の間の亀裂形成の可能性を高める。 In an advantageous embodiment, the castable slurry has a solids content of from 60% to 76%, preferably from 65% to 73%, particularly preferably from 67% to 71%. It has been found that when a slurry having an average particle size between 1.3 μm and 3.5 μm and a solids content of more than 76% is used, the required pourability of the slurry is no longer provided. If a slurry having a solids content of less than 60% is used, the residual water content in the product form after removal of the slurry from the mold is very high, so that the product form can be dried long before it can be removed from the mold. Is required. In addition, high residual moisture results in an increase in unwanted shrinkage during drying, which further increases the possibility of crack formation during drying.
分散媒としては、特に水が適しており、水は、経済性と環境への優しさに基づいて有利に使用される。さらに、有機溶剤、例えばメチルエチルアセトン、トリクロロエタン、アセトンまたはアルコールの使用も可能である。前記泥漿は、それが例えばレオロジーまたは貯蔵安定性のために必要である場合には複数の分散媒の混合物を含有してもよい。 Water is particularly suitable as the dispersion medium, and water is advantageously used on the basis of economics and environmental friendliness. Furthermore, it is also possible to use organic solvents such as methylethylacetone, trichloroethane, acetone or alcohols. The slurry may contain a mixture of dispersion media if it is necessary, for example for rheology or storage stability.
さらに、前記泥漿は、例えば分散相の凝集もしくは沈降を避けるために、または泥漿のレオロジーを最適化するために、様々な添加物質、例えば界面活性剤、分散剤、結合剤または凝膠剤を含有してよい。 Furthermore, the slurry contains various additives, such as surfactants, dispersants, binders or coagulants, for example to avoid aggregation or settling of the dispersed phase or to optimize the rheology of the slurry. You may
界面活性剤により、極性界面活性剤および非極性界面活性剤、イオン性界面活性剤または非イオン性界面活性剤によっても、例えばエトキシル化されたノニルフェノール、エトキシル化されたトリデシルアルコール、ステアリン酸ナトリウム、ジイソプロピルナフタレン硫酸ナトリウムまたは塩化ドデシルトリメチルアンモニウムによっても、粒子の分散媒による濡れを改善することができる。 Depending on the surfactant, polar and nonpolar surfactants, also ionic surfactants or non-ionic surfactants, for example ethoxylated nonylphenol, ethoxylated tridecyl alcohol, sodium stearate, Sodium diisopropyl naphthalene sulfate or dodecyl trimethyl ammonium chloride can also improve the wetting of the particles by the dispersing medium.
解膠剤および分散剤により、静電気的相互作用または立体的相互作用による分散相の凝集は避けられる。水系環境における無機分散剤は、例えば炭酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、ホウ酸ナトリウムおよびピロリン酸四ナトリウムを基礎とする。有機分散剤は、好ましくはＣ7Ｈ8（トルエン）、トリクロロエタン、アルコール、ポリアリール酸、シュウ酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸アンモニウム、クエン酸ナトリウム、コハク酸ナトリウム、酒石酸ナトリウム、ポリスルホン酸ナトリウム、クエン酸アンモニウム、またはシュウ酸アンモニウムである。市販の解膠剤は、例えばＤａｒｖａｎ（登録商標）またはＤｏｌａｐｉｘ（登録商標）の名称で知られている。解膠剤および分散剤のためのさらなる例は、例えばアルカリ不含の高分子電解質、カルボン酸エステルおよびアルカノールアミンを基礎としている。強力な高分子電解質のための例は、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム（アニオン性）または塩化ポリジアリルジメチルアンモニウム（カチオン性）であり、弱い高分子電解質の代表は、ポリアクリル酸（酸性）またはポリエチレンイミン（塩基性）である。高分子電解質溶液の特性は、ほとんど高分子鎖の同電荷の基の反発性相互作用により決定される。 Peptizers and dispersants avoid aggregation of the dispersed phase by electrostatic or steric interactions. Inorganic dispersants in aqueous environments are based, for example, on sodium carbonate, sodium silicate, sodium borate and tetrasodium pyrophosphate. The organic dispersant is preferably C 7 H 8 (toluene), trichloroethane, alcohol, polyaryl acid, oxalic acid, sodium polyacrylate, ammonium polyacrylate, sodium citrate, sodium succinate, sodium tartrate, sodium polysulfonate, Ammonium citrate or ammonium oxalate. Commercial peptizers are known, for example, under the name Darvan® or Dolapix®. Further examples for peptizers and dispersants are based, for example, on alkali-free polyelectrolytes, carboxylic esters and alkanolamines. Examples for strong polyelectrolytes are sodium polystyrenesulphonate (anionic) or polydiallyldimethylammonium chloride (cationic), and representatives of weak polyelectrolytes are polyacrylic acid (acidic) or polyethylenimine Basic). The properties of the polyelectrolyte solution are mostly determined by the repulsive interactions of the equally charged groups of the polymer chains.
粘度を高めるために、または粒子の沈殿を遅らせるために、結合剤が使用される。さらに、結合剤により生成形体の機械的強度を高めることができる。コロイド状結合剤と分子状結合剤とは区別される。合成結合剤のための例は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ポリビニルメタクリレート（ＰＭＡ）、ヒドロキシプロピルセルロースおよびポリアセタールである。植物を基礎とする結合剤のための例は、パルプ、ワックス、オイルまたはパラフィンである。 Binders are used to increase the viscosity or to delay the precipitation of the particles. Furthermore, the binder can increase the mechanical strength of the product form. A distinction is made between colloidal binders and molecular binders. Examples for synthetic binders are polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polyvinyl methacrylate (PMA), hydroxypropyl cellulose and polyacetal. Examples for plant-based binders are pulp, waxes, oils or paraffins.
可塑剤は、ポリマー結合剤の変態温度を周囲温度を下回る温度に調整するために用いられる。このための例は、軽グリコール、例えばポリエチレングリコールまたはグリセロールおよびフタレート、例えばジブチルフタレートまたはベンジルフタレートである。 Plasticizers are used to adjust the transformation temperature of the polymeric binder to a temperature below ambient temperature. Examples for this are light glycols such as polyethylene glycol or glycerol and phthalates such as dibutyl phthalate or benzyl phthalate.
本発明により調合される泥漿の分散相の小さい粒度に基づき、該泥漿に、分子量３０ｋｇ／ｍｏｌ〜２５０ｋｇ／ｍｏｌである有機添加物質を混加することが特に有利であるとみなされた。特に有利には、この添加物質は、ポリビニルアルコールまたはヒドロキシプロピルセルロースである。これにより、泥漿の粘度は、該泥漿での加工のために望まれる鋳込み可能性に調整され得る。 Based on the small particle size of the dispersed phase of the slurry prepared according to the invention, it was regarded as particularly advantageous to add to the slurry an organic additive having a molecular weight of 30 kg / mol to 250 kg / mol. Particularly preferably, the additive is polyvinyl alcohol or hydroxypropyl cellulose. Thereby, the viscosity of the slurry can be adjusted to the pourability desired for processing on the slurry.
泥漿鋳込み成形により、作製された泥漿の使用下で生成形体が形成される。そのために該泥漿はまず最初に多孔質型中に注入される。次いでこの型壁において、そこで泥漿の固体成分が沈着することにより生成形体が形成される。該生成形体が意図される肉厚に達したら、該泥漿を型から、例えば注ぎ出すことにより除去する。 Slip casting results in the formation of a green body using the produced slip. For that purpose the slurry is first injected into the porous mould. Then in this mold wall a product form is formed by the deposition of solid constituents of the slurry there. Once the product form has reached the intended thickness, the slurry is removed from the mold, for example by pouring it out.
前記多孔質型のための出発材料としては、泥漿鋳込み成形の場合には、通常は石膏、粘土、壌土、樹脂、木材、多孔質セラミック、多孔質プラスチック、例えばＰＭＭＡまたはポリエステルを基礎とする多孔質プラスチック、多孔質ガラスまたはガラスセラミック、および適切な開放気孔構造を有するゼオライト等の材料が使用される。その場合に、孔径は、約２５ｎｍから５０００ｎｍの間にあることが望ましい。 Starting materials for the porous form, in the case of slip casting, are usually gypsum, clay, loam, resins, wood, porous ceramics, porous plastics based on porous plastics such as PMMA or polyester. Materials such as plastics, porous glass or glass ceramics and zeolites with suitable open pore structure are used. In that case, the pore size is preferably between about 25 nm and 5000 nm.
任意に、生成形体を型からより簡単に取り出すことを可能にするために、前記型の表面を離型剤で前処理する必要がある場合がある。通常の離型剤は、例えばタルクまたはワックスである。 Optionally, it may be necessary to pretreat the surface of the mold with a release agent in order to be able to remove the product form from the mold more easily. Conventional release agents are, for example, talc or wax.
泥漿が型内に長く留まるほど、生成形体の肉厚はより厚くなる。本発明による方法により、１ｍｍから約３０ｍｍまでの生成形体の肉厚を達成することができ、その際、ほとんどの用途のためには１ｍｍから８ｍｍまでの厚さが有利となる。 The longer the slurry remains in the mold, the thicker the product form will be. By means of the method according to the invention, a wall thickness of the production profile of 1 mm to about 30 mm can be achieved, with a thickness of 1 mm to 8 mm being advantageous for most applications.
残りの泥漿を型から除去した後に、該型中の生成形体を、２００℃未満で少なくとも１時間にわたり乾燥させる。その際に生成形体は収縮するので、該生成形体は型から簡単に取り出すことができる。その型は引き続き完全に乾燥されて、何度も再利用され得る。 After removing the remaining slurry from the mold, the product form in the mold is dried at less than 200 ° C. for at least 1 hour. In that case, the product form shrinks so that it can be easily removed from the mould. The mold is subsequently completely dried and can be reused many times.
生成形体を型から取り出した後に、その生成形体を熱処理にかけることで、それはガラスセラミック物品に変換される。このために生成形体は、本発明によれば２５０℃から６００℃までの温度で少なくとも１時間にわたり予備焼成される。その後に該生成形体は、１１００℃から１３００℃までの温度で少なくとも１時間にわたり焼結される。この熱処理は、達成されるべき気孔率に至るまでの該物体の緻密化およびそのセラミック化をもたらすので、主結晶相としてキータイトを有するとともに、０．５％から５％までの気孔率を有するガラスセラミック物品が得られる。 After demolding, the formed form is subjected to heat treatment to convert it to a glass-ceramic article. For this purpose, the product form is prefired according to the invention at a temperature of 250 ° C. to 600 ° C. for at least one hour. Thereafter, the green body is sintered at a temperature of 1100 ° C. to 1300 ° C. for at least 1 hour. This heat treatment leads to the densification of the body up to the porosity to be achieved and its ceramification so that it has keatite as the main crystal phase and a glass with a porosity of 0.5% to 5%. A ceramic article is obtained.
主成分としてＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3およびＬｉ2Ｏを含有するとともに、主結晶相としてキータイトを有する、０．５％から５％までの気孔率を有するガラスセラミック物品の本発明による使用は、リチウムイオン電池用のカソードの製造における焼成治具としての使用にある。 The use according to the invention of a glass-ceramic article containing SiO 2 , Al 2 O 3 and Li 2 O as main constituents and having keatite as main crystal phase and having a porosity of 0.5% to 5% Use as a firing jig in the manufacture of cathodes for lithium ion batteries.
その場合に、焼成治具は、物質の加熱のための耐火性かつ化学的耐性の支持材と解釈されるべきである。焼成治具という概念は、本発明の範囲においてそのような支持材の特定の形状に限定されない。有利な一実施形態においては、焼成治具は、１ｍｍから８ｍｍまでの厚さを有する板である。さらなる有利な一実施形態においては、焼成治具は、１ｍｍから８ｍｍまでの肉厚を有する容器である。そのような容器は、例えば丸形または矩形の底面と、上方に延びる壁としての縁部とを有し得る。 In that case, the firing jig should be construed as a refractory and chemically resistant support for heating the material. The concept of a firing jig is not limited to the particular shape of such a support within the scope of the present invention. In an advantageous embodiment, the firing jig is a plate having a thickness of 1 mm to 8 mm. In a further advantageous embodiment, the firing jig is a container having a thickness of 1 mm to 8 mm. Such a container may have, for example, a round or rectangular bottom and an edge as an upwardly extending wall.
主成分としてＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3およびＬｉ2Ｏを含有するガラスセラミック物品は、一般的にその低い熱膨張率に基づき、熱衝撃に対して非常に耐性がある。驚くべきことに、無孔性ガラスセラミック物品に対する熱衝撃抵抗性は、少なくとも０．５％の気孔率でさえも明らかに改善されていることが判明した。これにより、カソードの製造に際して、熱処理に引き続き、特に高い冷却速度を実現することができる。 Glass-ceramic articles containing SiO 2 , Al 2 O 3 and Li 2 O as main components are generally very resistant to thermal shock, due to their low coefficient of thermal expansion. It has surprisingly been found that the thermal shock resistance to non-porous glass ceramic articles is clearly improved even at a porosity of at least 0.5%. In this way, a particularly high cooling rate can be achieved following the heat treatment in the production of the cathode.
しかしながら、５％より大きい気孔率の場合に、リチウムイオン電池用のカソードの製造においてカソード用の反応性出発材料が気孔内に入り込み、それにより相応の焼成治具の寿命が大幅に低下することがある。１％から３％までの気孔率の場合に、焼成治具の熱衝撃抵抗性および寿命は特に大きく改善されている。 However, if the porosity is greater than 5%, reactive starting materials for the cathode may penetrate into the pores in the production of the cathode for lithium ion batteries, which significantly reduces the lifetime of the corresponding firing jig. is there. The thermal shock resistance and the lifetime of the firing jig are particularly greatly improved in the case of a porosity of 1% to 3%.
驚くべきことに、本発明者等は、そのようなキータイトを主結晶相として有するガラスセラミック物品は、それがＬｉ2Ｏおよび２０質量％より明らかに多くの多量のＳｉＯ2を含有するにもかかわらず、カソードの製造のために使用される材料に対して化学的に耐性であることを見出した。 It is surprising that we have found that a glass-ceramic article having such keatite as the main crystal phase, although it contains Li 2 O and a significantly higher amount of SiO 2 than 20% by weight. It has also been found that it is chemically resistant to the materials used for the production of the cathode.
その場合に、ガラスセラミック物品が、酸化物基準で質量％で表現して以下の成分：
ＳｉＯ2 ５０〜７５、
Ａｌ2Ｏ3 １７〜２８、
Ｌｉ2Ｏ ２〜６
を含有する場合に、化学的安定性および熱的安定性について特に有利であることが分かった。
In that case, the glass-ceramic article is expressed in mass% on an oxide basis and the following components:
SiO 2 50-75,
Al 2 O 3 17-28,
Li 2 O 2 to 6
It has been found to be particularly advantageous for chemical stability and thermal stability when containing
特に有利には、前記ガラスセラミック物品は、酸化物基準で質量％で表現して、以下の成分：
ＳｉＯ2 ５５〜７５、
Ａｌ2Ｏ3 １８〜２５、
Ｌｉ2Ｏ ３〜５
を含有する。
Particularly preferably, said glass-ceramic article is expressed in mass% on oxide basis and comprises the following components:
SiO 2 55-75,
Al 2 O 3 18-25,
Li 2 O 3-5
Contains
前記の有利な組成により高められたガラスセラミック物品の安定性の他に、さらに、少なくとも２質量％の、有利には少なくとも３質量％のＬｉ2Ｏ含量が、リチウムイオン電池用のカソードの特性に良い影響を及ぼすことが分かった。これについての正確な原因は、これまでに解明することはできなかった。おそらく、本発明によるガラスセラミック物品のリチウム含量が、公知のＬｉ不含の焼成治具とは異なり、製造の間の拡散過程によるカソードのＬｉ減損に対抗すると思われる。 Other stability of the glass ceramic article which is enhanced by favorable composition of the further, at least 2% by weight, preferably the Li 2 O content of at least 3% by weight, the cathode of the characteristics of the lithium ion battery It turned out that it has a positive effect. The exact cause for this has not been elucidated so far. Presumably, the lithium content of the glass-ceramic article according to the invention appears to be counter to the Li depletion of the cathode due to the diffusion process during production, unlike the known Li-free baking jigs.
本発明による使用のためのガラスセラミック物品は、以下に説明されるように、例えば泥漿鋳込み成形により製造することができる。しかしながら、相応の組成および気孔率を有するガラスセラミック物品を同様にもたらす、例えば圧縮および焼結等のその他の製造方法も、そのために同様に考えることが可能である。 Glass-ceramic articles for use according to the invention can be produced, for example, by slip casting, as described below. However, other production methods, such as, for example, compression and sintering, can likewise be envisaged, which likewise lead to glass-ceramic articles having a corresponding composition and porosity.
以下に、本発明を実施例に基づき図面を参照してより詳細に説明する。 In the following, the invention will be explained in more detail on the basis of examples and with reference to the drawings.
すべての実施例のための出発材料として、酸化物基準で質量％における以下の組成：
ＳｉＯ2 ６５．３３
Ａｌ2Ｏ3 ２０．６０
Ｌｉ2Ｏ ３．８４
Ｎａ2Ｏ ０．５９
Ｋ2Ｏ ０．２８
ＭｇＯ ０．３１
ＣａＯ ０．４２
ＢａＯ ２．２９
ＺｎＯ １．５０
ＴｉＯ2 ３．１２
ＺｒＯ2 １．３６
ＳｎＯ2 ０．２４
Ｖ2Ｏ5 ０．０２
Ｆｅ2Ｏ3 ０．１０
合計 １００．００
を有するＬＡＳガラスセラミックが準備される。
As starting materials for all the examples, the following composition in% by weight on oxide basis:
SiO 2 65.33
Al 2 O 3 20.60
Li 2 O 3.84
Na 2 O 0.59
K 2 O 0.28
MgO 0.31
CaO 0.42
BaO 2.29
ZnO 1.50
TiO 2 3.12
ZrO 2 1.36
SnO 2 0.24
V 2 O 5 0.02
Fe 2 O 3 0.10
100.00 in total
LAS glass ceramic is prepared.
この出発材料を、破片の形で同質量の蒸留水を添加して、セラミック容器中にＡｌ2Ｏ3ボールを有するボールミル中で１分間当たり３３回転の速度で１２時間にわたり粉砕する。こうして達成された粒度分布を、ＣＩＬＡＳ社のＣＩＬＡＳ １０６４レーザー粒度計により測定する。こうして製造された粒子の平均直径は、ｄ50＝２．８μｍであり、その際、最も大きな粒子は、約３６μｍの直径を有する。したがって、所望の粒度分布を達成するために、粉砕に引き続いて粒子を篩別する必要はない。粉砕後に、ボールミルから取り出された水およびガラスセラミック粒子からなる混合物を、箱形乾燥機内のプラスチック製バレル中で乾燥させる。 This starting material is milled for 12 hours at a speed of 33 revolutions per minute in a ball mill with Al 2 O 3 balls in the ceramic vessel, adding the same mass of distilled water in the form of fragments. The particle size distribution thus achieved is measured with a CILAS 1064 laser granulometer. The mean diameter of the particles thus produced is d 50 = 2.8 μm, wherein the largest particles have a diameter of about 36 μm. Thus, there is no need to sift the particles subsequent to milling to achieve the desired particle size distribution. After grinding, the mixture of water and glass ceramic particles removed from the ball mill is dried in a plastic barrel in a box dryer.
泥漿１：
２２５ｇの完全脱灰（ＶＥ）水を、５ｇのレオロジー添加剤ＫＧ１２０１および０．３ｇの結合剤Ｄｏｌａｃａｓｔ ５４と混合する。その混合は５分間にわたり行う。その混合物が油状の粘稠性に変わったら、５００ｇのＬＡＳガラスセラミック粉体をゆっくりと添加する。ガラスセラミック粉体を添加した後に、泥漿を３０分間にわたり撹拌する。引き続き、５ｇの結合剤ＡＣ ９５を添加する。その泥漿をもう一度３０分間にわたり撹拌する。固体含量は、６８．９質量％である。ＫＧ１２０１、Ｄｏｌａｃａｓｔ ５４およびＡＣ ９５は、Ｚｓｃｈｉｍｍｅｒ＆Ｓｃｈｗａｒｚ社の製品である。
Thirsty 1:
225 g of completely decalcified (VE) water are mixed with 5 g of the rheological additive KG 1201 and 0.3 g of the binder Dolacast 54. The mixing is carried out for 5 minutes. When the mixture turns to an oily consistency, slowly add 500 g of LAS glass ceramic powder. After addition of the glass ceramic powder, the slurry is stirred for 30 minutes. Subsequently, 5 g of binder AC 95 are added. The slurry is again stirred for 30 minutes. The solids content is 68.9% by weight. KG1201, Dolacast 54 and AC 95 are products of Zschimmer & Schwarz.
泥漿２：
この実施例では、結合剤としてＫｕｒａｒａｙ社のポリビニルアルコールＭｏｗｉｏｌ（登録商標）を使用する。４５ｇのＶＥ水を９０℃に加熱する。撹拌し続けながら、０．２ｇの１４５ｋｇ／ｍｏｌの分子量を有するＭｏｗｉｏｌ（登録商標）２８−９９を熱水に加える。引き続き、１００ｇのＬＡＳガラスセラミック粉体をゆっくりと添加し、その分散液を３０分間にわたり撹拌する。固体含量は、同様に６８．９質量％である。
Thirsty 2:
In this example, the polyvinyl alcohol Mowiol® from Kuraray is used as the binder. Heat 45 g of VE water to 90 ° C. While continuing to stir, 0.2 g of Mowiol® 28-99 having a molecular weight of 145 kg / mol is added to the hot water. Subsequently, 100 g of LAS glass ceramic powder are slowly added and the dispersion is stirred for 30 minutes. The solids content is likewise 68.9% by weight.
泥漿３：
この実施例では、結合剤として１００ｋｇ／ｍｏｌの分子量を有するヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）を使用する。１ｇのＨＰＣを、撹拌し続けながら４５ｇの水に溶解させる。その溶液を２０分間にわたり撹拌した後に、１００ｇのＬＡＳガラスセラミック粉体をゆっくりと添加し、その分散液をさらに３０分間にわたり撹拌する。固体含量は、同様に６８．９質量％である。
Thirsty 3:
In this example, hydroxypropyl cellulose (HPC) having a molecular weight of 100 kg / mol is used as binder. 1 g of HPC is dissolved in 45 g of water while continuing to stir. After stirring the solution for 20 minutes, 100 g of LAS glass ceramic powder is slowly added and the dispersion is stirred for a further 30 minutes. The solids content is likewise 68.9% by weight.
３種すべての泥漿を、追加的にＺｒＯ2ボールを詰めた容器中でローラー架台の上で回転させることにより一晩さらに均質化する。泥漿容量に対して１０％の容量割合を有する５ｍｍの直径を有するＺｒＯ2ボールは、再加工の前に篩別される。ここで激しく気泡の混じった泥漿は、回転蒸発器において５０ｍｂａｒ未満の圧力で脱ガスされる。 All three types of slurry are further homogenized overnight by rolling on a roller rack in a container additionally packed with ZrO 2 balls. ZrO 2 balls having a diameter of 5 mm, having a volume fraction of 10% of the slurry volume, are sieved before reprocessing. The vigorously bubbling slurry is degassed here at a pressure of less than 50 mbar in a rotary evaporator.
泥漿鋳込み成形のために、１００×１００ｍｍ2の底面および３０ｍｍの深さを有する箱形の中抜き部を有する石膏型を準備する。生成形体をより簡単に取り出すために、その石膏型にタルクを塗る。それぞれの脱ガスされた泥漿を、石膏型に注入して乾燥させる。そのときに、泥漿の固体成分はその石膏型壁に沈着する。約３０分〜６０分後に、達成されるべき生成形体の肉厚に達したら、泥漿のまだ液状の部分を注ぎ出し、まだ湿った生成形体が型内に残る。その生成形体を、まずは石膏型中で室温においてさらに７２時間にわたり乾燥させる。そのときに、約１体積％の最小収縮が起こる。これにより該生成形体は石膏型壁から剥がれ、難なく取り出すことができる。 For slip casting, prepare a plaster mold with a bottom of 100 × 100 mm 2 and a box-shaped core with a depth of 30 mm. The plaster mold is talced to make it easier to remove the preform. Each degassed slurry is poured into a plaster mold and allowed to dry. At that time, the solid components of the slurry are deposited on the gypsum-type wall. After about 30 minutes to 60 minutes, when the thickness of the product form to be achieved is reached, the still liquid part of the slurry is poured out and the still moist product form remains in the mould. The product form is first dried in a plaster mold for a further 72 hours at room temperature. At that time, a minimum contraction of about 1% by volume occurs. This allows the green body to peel off the plaster mold wall and can be removed without difficulty.
次の工程では、本来の焼結過程の前に生成形体からそれぞれの結合剤を除去する。それにより、とりわけ焼結炉の汚染が低減される。このために生成形体を炉内で５００℃で５時間にわたり予備焼成する。生成形体中に大抵存在する有機成分はその際に分解される。この予備焼成の後に、生成形体を室温に冷却するか、または直接的にさらなる熱処理を続けてもよい。 In the next step, each binder is removed from the product form prior to the actual sintering process. Thereby, among other things, contamination of the sintering furnace is reduced. For this purpose, the green body is prefired in a furnace at 500 ° C. for 5 hours. The organic constituents usually present in the product form are then decomposed. After this pre-baking, the product form may be cooled to room temperature or it may be continued directly with further heat treatment.
さらなる熱処理のために、該生成形体を、さらに１時間にわたり５００℃に予熱する。生成形体を５００℃に１時間保持した後に、炉の温度を２Ｋ／分の速度で１２００℃に高め、引き続き３時間にわたり１２００℃に保持する。この３時間の焼結の後に、炉は停止されるので、該生成形体は、ゆっくりと室温に冷却され得る。このようにして、ガラスセラミック製の箱形容器を製造することができる。 The product form is preheated to 500 ° C. for an additional hour for further heat treatment. After holding the product form at 500 ° C. for 1 hour, the furnace temperature is increased at a rate of 2 K / min to 1200 ° C. and subsequently held at 1200 ° C. for 3 hours. After this three hour sintering, the furnace is shut off so that the product form can be slowly cooled to room temperature. In this way, a glass ceramic box can be produced.
それぞれの泥漿の調合を使用してそれにより達成された密度および気孔率は、第１表にまとめられている。この場合に理論密度は、溶融物から鋳込まれた、主結晶相としてキータイトを有する同じ組成の無気泡のガラスセラミック板の密度を指す。密度の測定のために、本発明による方法により１０×１０×２ｍｍ3の寸法を有するガラスセラミック板を製造した。この試料の密度を、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ １１８３に従ってアルキメデスの原理により測定した。気孔率は、理論密度に対する測定された密度の比率から求める。さらに、気孔率は、試料の破断縁の走査型電子顕微鏡での撮像の評価により定性的に見極めた。 The densities and porosities achieved thereby using the respective slurry formulations are summarized in Table 1. In this case, the theoretical density refers to the density of bubble-free glass-ceramic plates of the same composition with keatite as the main crystal phase, cast from the melt. For the measurement of density, glass ceramic plates having dimensions of 10 × 10 × 2 mm 3 were produced by the method according to the invention. The density of this sample was measured according to the principle of Archimedes according to DIN EN ISO 1183. The porosity is determined from the ratio of the measured density to the theoretical density. Furthermore, the porosity was qualitatively determined by evaluation of the imaging with a scanning electron microscope of the broken edge of the sample.
第１表： 種々の泥漿から製造されたガラスセラミック物品の密度および気孔率
本発明により製造されるガラスセラミック物品の熱衝撃抵抗性の調査のために、焼き入れ試験を実施した。１０×１０ｃｍ2の寸法および４ｍｍの厚さを有するガラスセラミック板を、室炉内で１０００℃に加熱し、この温度で１５分間にわたり保持した。１５分が経過した後に、その板を炉から取り出し、水浴中に完全に浸すことにより室温に冷却した。比較のために、溶融物から鋳込みにより、同じ組成を有し、主結晶相としてキータイトを有する無孔性のガラスセラミック板を製造した。この鋳込まれた板（１０×１０×４ｍｍ3）を、同様に焼き入れ試験に供した。鋳込まれたガラスセラミック板においては水浴中への第１の浸漬の直後に既に多くの粗い亀裂が形成されたが、一方で、本発明による方法により製造されたガラスセラミック板は、驚くべきことに、その焼き入れ試験を何度も繰り返した後でも亀裂またはその他の損傷を示さなかった。そのことは、本発明による方法で製造されたガラスセラミック板が、無孔性のガラスセラミック板の非常に良好な熱衝撃抵抗性をなおも明らかに上回っていることを裏付けている。 A quench test was conducted to investigate the thermal shock resistance of the glass ceramic articles produced according to the present invention. A glass ceramic plate having dimensions of 10 × 10 cm 2 and a thickness of 4 mm was heated to 1000 ° C. in a chamber furnace and held at this temperature for 15 minutes. After 15 minutes, the plate was removed from the oven and cooled to room temperature by completely immersing in a water bath. For comparison, casting from the melt produced a non-porous glass ceramic plate having the same composition and keatite as the main crystal phase. The cast plate (10 × 10 × 4 mm 3 ) was similarly subjected to the quenching test. In cast glass ceramic plates, many rough cracks have already been formed immediately after the first immersion in a water bath, while the glass ceramic plates produced by the method according to the invention are surprising. It did not show any cracks or other damage even after repeating the quenching test many times. This confirms that the glass ceramic sheet produced by the method according to the invention still clearly exceeds the very good thermal shock resistance of non-porous glass ceramic sheets.
リチウムイオン電池用のカソードの製造のための材料に対する、本発明により製造されたガラスセラミック物品の化学的耐性を調査するために、ＬＡＳガラスセラミックから焼成治具を作製した。試験のために、それを用いて組成Ｌｉ（Ｎｉ0.58Ｍｎ0.18Ｃｏ0.15Ｌｉ0.09）Ｏ2を有するリチウム−ニッケル−マンガン−コバルト酸化物（Ｌｉ−ＮＭＣ）からカソードを製造した。この場合に、焼成治具中の材料を８００℃で１６時間にわたり熱処理し、その焼成治具を引き続き視覚的に評価し、そして走査型電子顕微鏡により断面の評価をした。 In order to investigate the chemical resistance of the glass-ceramic article produced according to the invention to materials for the production of cathodes for lithium ion batteries, a firing jig was made from LAS glass-ceramic. For the test, it was used to make a cathode from lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (Li-NMC) having the composition Li (Ni 0.58 Mn 0.18 Co 0.15 Li 0.09 ) O 2 . In this case, the material in the firing jig was heat treated at 800 ° C. for 16 hours, the firing jig was subsequently evaluated visually and the cross section was evaluated by scanning electron microscopy.
カソードの製造後に、ガラスセラミック製の焼成治具は視覚的な変化を示さず、さらに走査型電子顕微鏡において焼成治具の微細構造の変化も確認することができなかった。泥漿鋳込み成形において製造されたＳｉＯ2製の支持材で同じ試験を繰り返した。カソードの製造後にこれらの支持材は激しく侵食され、再び使用することはできなかった。それは、視覚的な評価の場合にも一目で、元々は白色のＳｉＯ2製の焼成治具に黒ないし灰色の変色で現れ、断面においても約１ｃｍの深さで焼成治具の容積に入り込んでいた。 After the production of the cathode, the glass ceramic firing jig did not show any visual change, and further, it was not possible to confirm the change in the fine structure of the firing jig in a scanning electron microscope. The same test was repeated with a support made of SiO 2 manufactured in slip casting. After the preparation of the cathode these supports were aggressively attacked and could not be used again. It appears at a glance even in the case of visual evaluation, and appears as a black to gray discoloration in the baking jig made of originally white SiO 2 , and also in the volume of the baking jig at a depth of about 1 cm in cross section It was.
さらに、カソード材料と焼成治具との間の接触面に対して２μｍの距離において、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）により、本発明により製造された焼成治具およびＳｉＯ2製の焼成治具のスペクトルを記録した。使用したカソード材料、つまりＭｎ、ＣｏおよびＮｉは、そのようなＥＤＸスペクトルにおいて約５．８ｋｅＶ（Ｍｎ）、７．０ｋｅＶ（Ｃｏ）および７．５ｋｅＶ（Ｎｉ）でのピークによって検出することができる。図１Ａにおいて、本発明により製造された焼成治具のＥＤＸスペクトルが示されている。そこでは微量のＭｎ、ＣｏまたはＮｉは検出できず、ただ予想されるべきＬＡＳガラスセラミックの成分だけが検出できた。しかしながら、図１Ｂに示されるＳｉＯ2製の焼成治具のＥＤＸスペクトルにおいては、約７．５ｋｅＶでの明らかに際だったピークを観察することができ、それは焼成治具のニッケルによる汚染を立証するものである。さらにまた、このニッケル汚染は、接触面からさらにより大きな距離においても検出することができた。ＭｎおよびＣｏは、ＥＤＸスペクトルによれば、ＳｉＯ2焼成治具の汚染には寄与していないと思われる。 Furthermore, at a distance of 2 μm with respect to the contact surface between the cathode material and the firing jig, the firing jig manufactured according to the present invention and the burning cure made of SiO 2 according to the present invention by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) The spectrum of the tool was recorded. The cathode materials used, namely Mn, Co and Ni, can be detected in such EDX spectra by peaks at about 5.8 keV (Mn), 7.0 keV (Co) and 7.5 keV (Ni). In FIG. 1A, an EDX spectrum of a firing jig made according to the present invention is shown. There, no trace amounts of Mn, Co or Ni could be detected, but only the expected LAS glass ceramic component could be detected. However, in the EDX spectrum of the SiO 2 firing jig shown in FIG. 1B, a distinct and prominent peak at about 7.5 keV can be observed, which demonstrates nickel contamination of the firing jig. It is a thing. Furthermore, this nickel contamination could also be detected at even greater distances from the contact surface. According to the EDX spectrum, Mn and Co do not seem to contribute to the contamination of the SiO 2 baking jig.
本発明が、上記の単に例示されたにすぎない実施形態に限定されずに、特許請求の範囲の主題の範囲内で多岐にわたり変動し得ることは、当業者には自明である。さらに、有利には、本発明による方法の個々のプロセス工程は、何度も続けて行われてもよく、または本発明により必要とされる工程の前、その間、もしくはその後にさらなるプロセス工程が加えられてもよい。 It will be obvious to those skilled in the art that the present invention can be varied in many ways within the scope of the claimed subject matter, without being limited to the above-described merely illustrated embodiments. Furthermore, advantageously, the individual process steps of the process according to the invention may be carried out several times in succession, or additional process steps may be added before, during or after the steps required by the invention. It may be done.
Claims (10)
− セラミック化可能なガラスまたはガラスセラミックからなる粉体であって、該ガラスまたはガラスセラミックが主成分としてＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3およびＬｉ2Ｏを含有し、１．３μｍから３．５μｍまでの平均粒度ｄ50を有する粉体を準備する工程と、
− 少なくとも前記準備された粉体と、液状の分散媒とから鋳込み可能な泥漿を作製する工程と、
− 前記作製された泥漿を使用した泥漿鋳込み成形により生成形体を形成する工程と、
− 前記生成形体を、２００℃未満の温度で少なくとも１時間にわたり乾燥させる工程と、
− 前記生成形体を、２５０℃から６００℃までの温度で少なくとも１時間にわたり予備焼成する工程と、
− 前記生成形体を、１１００℃から１３００℃までの温度で少なくとも１時間にわたり焼結することで、主結晶相としてキータイトを有するとともに、０．５％から５％までの気孔率を有するガラスセラミック物品を得る工程と
を含む、製造方法。 A method of manufacturing a glass ceramic article, comprising at least the following steps:
Powders of ceramizable glass or glass-ceramics, wherein the glass or glass-ceramics contain SiO 2 , Al 2 O 3 and Li 2 O as main constituents, and from 1.3 μm to 3.5 μm preparing a powder having a mean particle size d 50,
Producing a pourable slurry from at least the prepared powder and a liquid dispersion medium;
-Forming a formed body by slip casting using the produced slurry;
Drying the product form at a temperature below 200 ° C. for at least 1 hour;
Pre-baking the product form at a temperature of 250 ° C. to 600 ° C. for at least 1 hour,
A glass-ceramic article having keatite as the main crystalline phase and sintering porosity of from 0.5% to 5% by sintering said product form at a temperature from 1100 ° C. to 1300 ° C. for at least 1 hour Obtaining the step of
ＳｉＯ2 ５０〜７５、有利には５５〜７５、
Ａｌ2Ｏ3 １７〜２８、有利には１８〜２５、
Ｌｉ2Ｏ ２〜６、有利には３〜５、および
合計で少なくとも２質量％、有利には少なくとも４質量％で含まれている核形成剤としての１種以上の酸化物
を含有することを特徴とする、請求項１記載の方法。 The ceramizable glass or the glass ceramic is expressed in mass% on an oxide basis, and the following components:
SiO 2 50-75, preferably 55-75,
Al 2 O 3 17-28, preferably 18-25,
Containing one or more oxides as nucleating agents which are contained in Li 2 O 2-6, preferably 3-5 and in total at least 2% by weight, preferably at least 4% by weight A method according to claim 1, characterized in that.
ＳｉＯ2 ５０〜７５、有利には５５〜７５、
Ａｌ2Ｏ3 １７〜２８、有利には１８〜２５、および
Ｌｉ2Ｏ ２〜６、有利には３〜５、
を含有することを特徴とする、請求項７記載の使用。 The glass-ceramic article is expressed in mass% on an oxide basis and comprises the following components:
SiO 2 50-75, preferably 55-75,
Al 2 O 3 17-28, preferably 18-25, and Li 2 O 2-6, preferably 3-5
The use according to claim 7, characterized in that it contains
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