JPH0725658A

JPH0725658A - 傾斜機能成形材とその焼結品

Info

Publication number: JPH0725658A
Application number: JP16821693A
Authority: JP
Inventors: Kenji Morinaga; 健次森永
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1993-07-07
Filing date: 1993-07-07
Publication date: 1995-01-27
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: JP3290000B2

Abstract

(57)【要約】【構成】少くとも２種の粒径の異なる粒子群からなる
傾斜機能成形材であって、より大きな粒径の粒子群に対
する最も小さな粒径の粒子群の平均粒径比が１／５以下
であり、その体積比が２以上で、各粒子群の組成割合は
少くとも一方向で連続的に異っている。【効果】連続的に組成を傾斜させた成形品とその焼結
品の製造が可能となる。しかも、傾斜層の厚み、傾斜パ
ターンを自由に変化させることができ、低コストで、組
成が多様な、大型品の製造が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、傾斜機能成形材とそ
の焼結品に関するものである。さらに詳しくは、この発
明は、航空・宇宙、化学工業、原子力工業等の極限環境
下において使用される高耐熱性材料等として有用な、特
性が連続的に変化する傾斜機能材のための成形品、もし
くは焼結品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】近年、航空・宇宙、化学工
業、原子力工業等の諸分野においては、極限環境条件下
において有効に使用される高耐熱性材料等として、各種
の特性が連続的に変化する傾斜機能材が注目されてい
る。そして、この傾斜機能材については、特性の連続的
変化を実現するために、異種素材の複合化を、その組成
割合が連続的に異っている状態とすることが技術的に大
変に重要な課題になっている。

【０００３】これまでにも、この課題に対応するための
方策が各種検討され、具体的手段としても提案されてき
ている。すなわち、その代表的なものとしては、ＣＶ
Ｄ、プラズマ溶射法等による気相法によるものや、自己
燃焼合成法（ＳＨＳ）によるもの、さらには薄膜積層法
によるものが知られている。ＣＶＤ、プラズマ溶射法等
による気相法の場合には、確かに微小領域での制御が可
能であるとの長所はあるものの、大型化が困難で、対象
となる材質が限られ、しかも高コストになるという欠点
が避けられない。また、自己燃焼合成法（ＳＨＳ）で
は、高融点材料の傾斜化が可能であるものの、対象とな
る材質には限定があり、さらにまた、薄膜積層法の場合
には、たとえばドクターブレード法によるシート形成と
その積層化、その後の焼結によって組成分布を傾斜させ
ており、比較的低コストで生産性が良く、組成の多様性
が得られやすい一方で、肉厚品を得ることは難しく、手
間がかかり、組成が段階的に傾斜するため、積層界面に
おいて劣化、剥離等の不都合が生じやすいという欠点が
ある。

【０００４】このため、従来のいずれの方法にも実用上
の短所があり、特に、傾斜層の厚み、勾配等を自由に変
えることができ、低コストで、組成の多様性が得られ、
かつ、大型品の提供が可能とされるとの課題について
は、依然として満足のできるものではなかった。この発
明は、以上の通りの従来技術の欠点を解消し、上記の通
りの課題を解決することのできる新しい傾斜機能材を提
供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題を
解決するものとして、少くとも２種の粒径の異なる粒子
群からなる傾斜機能材であって、より大きな粒径の粒子
群に対する最も小さな粒径の粒子群の平均粒径比が１／
５以下であり、その体積比が２以上で、各粒子群の組成
割合は少くとも一方向で連続的に異っていることを特徴
とする傾斜機能成形材を提供する。

【０００６】また、この発明は、この成形材の焼結品か
らなる傾斜機能材をも提供する。そして、この発明の成
形品、さらには焼結品については、上記の通りの特徴を
有するものとして規定することができるが、そのための
製造法としては、この発明の発明者がすでに提案してい
るスリップキャスト法を好適に使用することができる。

【０００７】この発明は、このスリップキャスト法によ
る上記成形体および焼結品の製造法をも提供するもので
ある。

【０００８】

【作用】この発明の傾斜機能成形材については、各種の
セラミックス、たとえばアルミナ、ジルコニア、シリ
カ、チタニア、マグネシア、ボリア、トリア等をはじ
め、さらにはチタン酸塩、ジルコン酸塩等の複合酸化
物、炭化物、窒化物等の各種のものや、金属、合金の各
種のものの粒状物、粉体等を使用して構成することがで
きるが、その場合、少くとも２種の粒径の異なる粒子群
を用いることがこの発明においては必須となる。

【０００９】成形体中の組成を連続的に変化させるに
は、より大きな粒径の粒子群（粗粒子）と最も小さな粒
径の粒子群（微粒子）との平均粒径比は、上記の通り１
／５以下とする。これより大きい場合には所望の成形体
を得ることは難しくなる。また、上記粗粒子と微粒子と
の体積比は、２以上となるようにする。その比が２未満
の場合には、やはり所望の成形体を得ることが難しくな
る。

【００１０】通常、この発明の成形体は、上記の通りの
スリップキャスト法により製造するが、この方法では、
まず、異種の粒径の異なる粉末、たとえばセラミックス
と金属の粉末からなる粒子群を、上記の通りの粒子比を
満たすものとして、所要の体積比で混合し、水、さらに
必要に応じて界面活性剤、セルロース類等の分散剤を加
えて混合し、スリップ（スラリー）とする。

【００１１】この時のスリップの粒子濃度については、
通常は４０重量％以下、さらには３０重量％以下とする
のが好ましい。４０％を超える濃度では、同様に所望の
成形体を得ることが難しくなる。次いで得られたスリッ
プを、石膏などの多孔質型に流し込むことで成形する。
石膏などの多孔質型内において、スリップの水分は急速
に除去され、同時に粒子群の沈降によって、組成割合が
厚み方向、すなわち水分の除去方向に沿って連続的に変
化した成形体（グリーン体）が得られることになる。こ
れを乾燥することで所望の成形体が得られる。

【００１２】添付した図面の図１は、このスリップキャ
スト法を、原理的に示した模式図である。たとえばこの
図１に例示したように、石膏等の多孔質型（１）に、非
透水性の型枠（２）を配置し、型（１）内に上記のスリ
ップ（３）を注入する。すると、多孔質型（１）の多孔
細管部（１１）を通じて水分が除去され、スリップ
（３）内の粒子（４）の沈降とともに、キャスティング
層（５）が形成される。水分の大部分が除去された段階
で、生成した成形体（グリーン体）を型（１）および型
枠（２）から脱型し、乾燥すると、所望の成形体とな
る。

【００１３】この成形体においては、粒子の沈降方向、
つまり厚み方向に連続して組成割合が変化した状態とな
る。そして、この組成割合の変化パターンは、粒子の比
重による差ももちろん影響しているが、より大きく作用
する要因としては、多孔質型の吸水速度と、粒子の粒径
およびその粒径分布がある。

【００１４】粒子群の粒径比が上記の通り１／５以下
で、体積比が２以上でなければ、傾斜組成そのものの形
成が難しくなることにかわりはないが、この条件を満た
す場合にも、組成割合の変化パターンは、一般的に、図
２に模式的に例示したような２種のパターン（Ａ）
（Ｂ）を示すことになる。仮に２種類の粒径の異なる粒
子群（ａ，ｂ）を用いてスリップキャストすると、粒子
ａについて、その組成割合はキャスティング方向に沿っ
て図２のパターン（Ａ）（Ｂ）のいずれの態様を示すこ
とになる。

【００１５】パターン（Ａ）は順傾斜組成を示している
が、パターン（Ｂ）の場合には、傾斜層（Ｌ₁）
（Ｌ₂）において逆の傾斜を示し、初期段階において、
逆傾斜層（Ｌ₁）が生成されている。このような逆傾斜
層（Ｌ₁）を有する成形体、およびその焼結品は、それ
自体として特徴のある応用を可能とし、また、逆傾斜層
（Ｌ ₁）と順傾斜層（Ｌ₂）とを適宜に切断して応用す
ることもできる。

【００１６】このパターン（Ｂ）は、比較的均一な粒径
分布を持ち、かつ平均粒径の小さな粒子を用いることに
より簡便に生成させやすい。その理由としては、たとえ
ば図３に例示したように、多孔質型（１）の吸水濾過作
用で形成された組成の均一な粒子（ａ）および粒子
（ｂ）群のキャスト層において、粒子間の隙間に微細な
粒子（ａ）が入り込み、これによって逆傾斜層が形成さ
れやすいためと考えられる。

【００１７】パターン（Ａ）（Ｂ）のいずれのものも、
この発明においては任意に選択できるものであって、よ
り自由度のある傾斜機能材の製造として可能となる。ま
た、この発明においては、スリップキャストにおいて、
粒子の沈降に作用する外力として、メッシュ電極による
電気泳動手段や、金属粒子の場合の磁場印加等の手段に
よって、特徴のある組成割合の変化パターンを形成する
ことも可能となる。

【００１８】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明の傾斜機能成形材とその焼結品について説明する。

【００１９】

【実施例】実施例１イットリアを３ｍｏｌ％添加した、平均粒径約０．３μ
ｍの正方晶ジルコニア（東ソー製：ＴＺ−３ＹＳ）粉末
と、平均粒径約８μｍのニッケル（住友金属鉱山製：Ｓ
ＮＰ−１３０）粉末を用い、これに適量の水と分散剤を
加え、ボールミルで２４時間混合してスリップとした。
表１にスリップの組成を示した。

【００２０】続いて、このスリップを石膏型の上に設置
したガラス管に注ぎ、一方向（動方向）に着肉させた。
得られた成形体を乾燥させたのち、常圧下で焼結した。
焼結後、傾斜組成を有する傾斜機能焼結品を得た。

【００２１】

【表１】

【００２２】焼結温度は１４００℃以下とし、具体的に
は常温から１０００℃まで３時間、１０００℃から１４
００℃まで４時間昇温し、１４００℃で２時間焼成した
後自然放冷した。雰囲気にはニッケルの酸化が起こらな
いガスとしてアルゴンガスを用いた。図４は得られた成
形体中のジルコニアの含有量の変化を表している。表１
のＡ，Ｂスリップを用いた場合には組織が連続的に変化
していることがわかるが、Ｃスリップでは組成は傾斜し
ていない。このようにスリップ濃度が高すぎる場合には
組成、傾斜が達成できず、薄すぎる場合には肉厚品の作
製が難しいので、適度な濃度のスリップを用いることが
望ましい。実施例２実施例１において、傾斜組成層の生成に対する作用因子
について各種検討した。１）体積比平均粒径０．３μｍＺｒＯ₂と平均粒径８μｍのＮｉと
の粉末を用い、スリップ濃度５％で、その体積比を変化
させて成形体の製造を行った。この時の結果は、図５に
示した。図中の黒色部はＺｒＯ₂とＮｉとの混合層を、
斜線部は傾斜組成層を、白色部はＺｒＯ₂層を示してい
る。この図５より明らかなように、ＺｒＯ₂／Ｎｉの体
積比が８０／２０の場合に傾斜組成層が生成し、それ以
下の場合、すなわちＺｒＯ₂の体積比が減少する場合に
は、傾斜組成層が明瞭に生成されないことがわかる。２）ＺｒＯ₂粒径Ｎｉ粉末は平均粒径８μｍとし、ＺｒＯ₂についてのみ
その平均粒径の異なるものを用いてスリップキャストし
た。その結果、図６に示したように、ＺｒＯ₂の平均粒
径がより小さなもの、つまりＮｉ粉末に対して粒径比が
より小さくなるほど傾斜組成層の生成は明瞭になること
がわかった。

【００２３】なお、スリップ濃度は５％、ＺｒＯ₂／Ｎ
ｉの体積比は８０／２０とした。３）スリップ濃度体積比８０／２０において、スリップ濃度のみ変化させ
てスリップキャストした。その結果を図７に示した。こ
の図７から明らかなように、５％、１０％の濃度の場合
のみ傾斜組成層の生成が認められた。実施例３アルミナとタングステン粉末とを用いてスリップキャス
トにより成形体を製造した。アルミナとタングステン粉
末との体積比は８０／２０とした。スリップの濃度は１
０％とした。

【００２４】この際に、アルミナとして、平均粒径０．
２μｍの粒子（Ａ）および平均粒径０．５６μｍの粒子
（Ｂ）を各々使用し、成形体における傾斜組成層の生成
の差異について検討した。アルミナ粒子（Ａ）（Ｂ）の
粒径分布を示したものが図８（Ａ）（Ｂ）である。ま
た、タングステン（平均粒径２．８μｍ）の粒径分布を
示したものが図９である。

【００２５】得られた成形体のアルミナの組成割合を示
したものが図１０である。平均粒径がより大きく、粒径
分布も比較的ブロードなアルミナ粒子（Ｂ）を使用する
場合には、粒子（Ａ）の場合に生成している逆傾斜層が
認められないことがわかる。なお、図１２は、図１１の
アルミナ粒子（Ａ）の場合の焼結品（焼結温度１４５０
℃×３時間）についての硬度を測定し、その結果を示し
たものであって、傾斜特性を有していることがわかる。

【００２６】

【発明の効果】この発明により、以上詳しく説明した通
り、連続的に組成を傾斜させた成形品とその焼結品の製
造が可能となる。しかも、傾斜層の厚み、傾斜パターン
を自由に変化させることができ、低コストで、組成が多
様な、大型品の製造が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の製造法の原理的手法を示した断面図
である。

【図２】傾斜組成の生成パターンを例示した模式図であ
る。

【図３】逆傾斜層が生成される機構を例示した推定図で
ある。

【図４】実施例としての傾斜組成を示した図である。

【図５】体積比を検討した傾斜組成層の生成断面図であ
る。

【図６】ジルコニアの粒径について検討した傾斜組成層
の生成断面図である。

【図７】スリップ濃度について検討した傾斜組成層の生
成断面図である。

【図８】アルミナの粒径分布図である。

【図９】アルミナの粒径分布図である。

【図１０】タングステンの粒径分布図である。

【図１１】実施例としての傾斜組成を示した図である。

【図１２】硬度特性について例示した図である。

【符号の説明】１多孔質型２型枠３スリップ４粒子５キャスティング層１１多孔細管部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少くとも２種の粒径の異なる粒子群から
なる傾斜機能成形材であって、より大きな粒径の粒子群
に対する最も小さな粒径の粒子群の平均粒径比が１／５
以下であり、その体積比が２以上で、各粒子群の組成割
合は少くとも一方向で連続的に異っていることを特徴と
する傾斜機能成形材。
【請求項２】請求項１の成形材の焼結品であることを
特徴とする傾斜機能焼結品。
【請求項３】少くとも２種の粒径の異なる粒子群であ
って、より大きな平均粒径の粒子群に対する最も小さな
平均粒径の粒子群の平均粒径比が１／５以下で、かつ、
その体積比が２以上である粒子群を水と混合して濃度３
０％以下のスリップとし、これを多孔質型に注入し、異
なる粒子群の組成割合が連続的に異っている成形体を生
成させることを特徴とする傾斜機能成形体の製造法。
【請求項４】請求項３の方法により製造した成形体を
焼結することを特徴とする傾斜機能焼結品の製造法。