(57)【要約】【課題】アルミニウムチタネート（ＡＴ）の本来の特性を損なうことなく、熱膨張係数が小さく、且つ耐熱衝撃性や寸法精度に優れたセラミック構造体を１３５０〜１５００℃の低温焼成で製造することができるセラミック構造体の製造方法及びセラミック構造体を提供する。【解決手段】出発原料として、アルミニウム源をＡｌ2Ｏ3換算で４５質量％以上、そのアルミニウム源のうちベーマイトを５質量％以上、ＴｉＯ2を３０質量％以上含有する混合組成物粉末を、成形、乾燥、１３５０〜１５００℃の温度で焼成し、アルミニウムチタネートからなるセラミック構造体を製造する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
出発原料として、アルミニウム源をＡｌ2Ｏ3換算で４５質量％以上、そのアルミニウム源のうちベーマイトを５質量％以上、ＴｉＯ2を３０質量％以上含有する混合組成物粉末を、成形、乾燥、１３５０〜１５００℃の温度で焼成し、アルミニウムチタネートからなるセラミック構造体を製造するセラミック構造体の製造方法。
【請求項２】
前記ベーマイトのＢＥＴ比表面積が、１００ｍ2／ｇ以上である請求項１に記載のセラミック構造体の製造方法。
【請求項３】
前記アルミニウム源に、アルミナ及び／又は水酸化アルミニウムが更に含有される請求項１又は２に記載のセラミック構造体の製造方法。
【請求項４】
前記セラミック構造体が、６５質量％以上のアルミニウムチタネートの結晶相から構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミック構造体の製造方法。
【請求項５】
前記セラミック構造体の４０〜８００℃間の熱膨張係数が、１．５×１０-6／℃以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミック構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミック構造体の製造方法により製造されたセラミック構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック構造体の製造方法及びセラミック構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＴ（アルミニウムチタネート）セラミック材は、組成分や添加物等で、種々の改良がなされている。具体的には、ＡＴにＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＭｇＯ、ＣａＯ等のうち少なくとも２種以上含有したＡＴセラミック材において、３０〜８００℃の熱膨張係数が０．１×１０-6〜０．８×１０-6／℃である技術が報告されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特に、自動車エンジン用ヘッドポートライナー、エキゾーストマニホールドライナー及び触媒コンバーター、排ガス用フィルタは、エンジンの近傍に設置され、継続的に熱衝撃に曝されることとなる。従って、アルミニウムチタネートセラミック構造体は十分な耐熱衝撃性を有するものであることが要求されるが、そのためには高い焼成温度が要求され、１３５０〜１５００℃の低温焼成における熱膨張の低減は、必ずしも十分であるとはいえなかった。
【特許文献１】特開平８−２９０９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アルミニウムチタネート（ＡＴ）の本来の特性を損なうことなく、熱膨張係数が小さく、且つ耐熱衝撃性や寸法精度に優れたセラミック構造体を１３５０〜１５００℃の低温焼成で製造することができるセラミック構造体の製造方法及びセラミック構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成するため、本発明は、以下のセラミック構造体の製造方法及びセラミック構造体を提供するものである。
【０００６】
［１］  出発原料として、アルミニウム源をＡｌ2Ｏ3換算で４５質量％以上、そのアルミニウム源のうちベーマイトを５質量％以上、ＴｉＯ2を３０質量％以上含有する混合組成物粉末を、成形、乾燥、１３５０〜１５００℃の温度で焼成し、アルミニウムチタネートからなるセラミック構造体を製造するセラミック構造体の製造方法。
【０００７】
［２］  ベーマイトのＢＥＴ比表面積が１００ｍ2／ｇ以上である［１］に記載のセラミック構造体の製造方法。
【０００８】
［３］  アルミニウム源に、アルミナ及び／又は水酸化アルミニウムが更に含有される［１］又は［２］に記載のセラミック構造体の製造方法。
【０００９】
［４］  セラミック構造体が、６５質量％以上のアルミニウムチタネートの結晶相から構成されている［１］〜［３］のいずれかに記載のセラミック構造体の製造方法。
【００１０】
［５］  セラミック構造体の４０〜８００℃間の熱膨張係数が、１．５×１０-6／℃以下である［１］〜［４］のいずれかに記載のセラミック構造体の製造方法。
【００１１】
［６］  ［１］〜［５］のいずれかに記載のセラミック構造体の製造方法により製造されたセラミック構造体。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のセラミック構造体の製造方法は、アルミニウムチタネート（ＡＴ）の本来の特性を損なうことなく、熱膨張係数が小さく、且つ耐熱衝撃性や寸法精度に優れたセラミック構造体を低温焼成で製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明のセラミック構造体の製造方法を具体的な実施形態に基づき詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１４】
本発明に係るセラミック構造体の製造方法は、出発原料として、アルミニウム源をＡｌ2Ｏ3換算で４５質量％以上、そのアルミニウム源のうちベーマイトを５質量％以上、ＴｉＯ2を３０質量％以上含有する混合組成物粉末（以下、ＡＴ化原料とする。）を、成形、乾燥、１３５０〜１５００℃の温度で焼成し、アルミニウムチタネートからなるセラミック構造体を製造するものである。
【００１５】
即ち、本発明のセラミック構造体の製造方法は、ＡＴ化原料を含んでなるスラリーを成形し、得られた成形体を乾燥及び焼成するアルミニウムチタネートからなるセラミック構造体の製造方法であり、ＡＴ化原料（アルミニウムチタネート化原料）に、アルミニウム源としてベーマイトを用いたものである。
【００１６】
ここで、本発明で用いるＡＴ化原料の主な特徴は、アルミニウム源をＡｌ2Ｏ3換算で４５〜５８質量％、アルミニウム源のうちベーマイトを５〜９０質量％含有することにある。これにより、本発明で製造されたセラミック構造体は、熱膨張係数が小さく、耐熱衝撃性に優れた特性を有する。
【００１７】
このとき、ＡＴ化原料に含有されるベーマイトのＢＥＴ比表面積は、８０ｍ2／ｇ以上５００ｍ2／ｇ以下であることが好ましく、１００ｍ2／ｇ以上５００ｍ2／ｇ以下であることがより好ましく、１５０ｍ2／ｇ以上４００ｍ2／ｇ以下であることが更に好ましい。また、ＡＴ化原料に含有されるアルミニウム源の割合は、酸化物基準でＡｌ2Ｏ3が４５〜５８質量％であることが好ましく、５０〜５５質量％であることがより好ましい。
【００１８】
本発明で用いるＡＴ化原料には、平均粒子径が１μｍ以下であるベーマイト（Ａｌ2Ｏ3・Ｈ2Ｏ）が、ＡＴ化原料におけるアルミニウム源に対する割合で５〜９０質量％含有されている。その平均粒子径が１μｍ以下である微粒なベーマイトを、アルミニウム源の少なくとも一部として所定の割合で使用すると、ＡＴ生成反応が促進されるために熱膨張係数が低くなる。ベーマイトの平均粒子径が１μｍ超であると、得られるセラミック構造体の熱膨脹係数を低くすることができない。また、ＡＴ化原料に含有される、平均粒子径が１μｍ以下のベーマイトの、ＡＴ化原料に対する割合が５質量％未満であると、同様の観点から、得られるセラミック構造体の耐熱衝撃性を十分に高めることができない。一方、９０質量％超であると、乾燥及び焼成時の収縮が大きくなり、目的とする構造のセラミック構造体を寸法精度良く製造することが困難になる。
【００１９】
尚、アルミニウム源に含有されるベーマイトは、ベーマイト、擬ベーマイトいずれでもよく、その平均粒子径は、１μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以下であることが更に好ましい。また、アルミニウム源に含有されるベーマイトの割合は、ＡＴ化原料に対する割合で５〜９０質量％であることが好ましく、５〜３０質量％であることが更に好ましい。なお、ベーマイトの含有割合を多くした場合には、得られるセラミック構造体の熱膨張係数を低くすることができるために有利であり、更には焼成温度を低くすることが可能となるために好ましい。
【００２０】
本明細書にいう「平均粒子径」とは、光散乱法を測定原理としたレーザー回折／散乱式粒度測定装置（例えば、商品名「ＬＡ−９１０」（堀場製作所製）等）により測定した、５０％粒子径の値をいう。なお、測定は、原料を水に完全に分散させた状態で実施するものとする。
【００２１】
次に、本発明のセラミック構造体の製造方法の更なる詳細について、各工程毎に説明する。先ず、ＡＴ組成におけるアルミニウム源及びチタニア源となるアルミニウム源原料及びチタニア源原料に、シリカ源原料、マグネシア源原料、とを加えてＡＴ化原料を得る。得られたＡＴ化原料に、水等の分散媒を加え、混合・混練することによって坏土を得る。ＡＴ化原料とは、通常、焼成後の組成がＡＴ（アルミニウムチタネート）の理論組成（Ａｌ2ＴｉＯ5）となるように調合したものをいう。
【００２２】
ここで、本発明で用いるＡＴ化原料の組成比は、特に限定されないが、アルミニウム源をＡｌ2Ｏ3換算で４５〜５８質量％、そのアルミニウム源のうちベーマイトを５〜９０質量％、ＴｉＯ2を３０〜４５質量％を主成分とするものである。
【００２３】
本発明では、上記ＡＴ化原料の組成比を上記範囲となるように調製することにより、焼成後に得られるセラミック構造体の組成比とほぼ同一にすることができる。一方、各組成が上記範囲を外れた場合、アルミニウムチタネート（ＡＴ）の本来の特性を損なったり、または気孔径を大きく、高気孔率化を実現することができなくなったり、更に得られたセラミック構造体の耐熱衝撃性や寸法精度に影響を与えるため好ましくない。
【００２４】
上記各組成の原料としては、アルミニウム源として、ベーマイトを使用することが、本発明の効果を発現させる上で重要である。ＴｉＯ2源としては、特に限定されないが、例えば、ルチル、アナタース等が挙げられる。また、ＳｉＯ2源として、シリカ、シリカを含む複合酸化物、又は焼成によりシリカに変換される物質を使用することができる。具体的には、シリカガラス、カオリン、ムライト、石英等が挙げられる。更に、ＭｇＯ源として、特に限定されないが、例えば、マグネシア、マグネシアを含む複合酸化物、又は焼成によりマグネシアに変換される物質を使用することができる。具体的には、タルク又はマグネサイト等を挙げることができるが、タルクを用いることがより好ましい。
【００２５】
ＡＴ化原料に加える分散媒としては、水、又は水とアルコール等の有機溶媒との混合溶媒等を挙げることができるが、特に水を好適に用いることができる。また、ＡＴ化原料と分散媒とを混合・混練する際には、造孔材、有機バインダ、分散剤等の添加物を更に加えてもよい。
【００２６】
造孔材としては、例えば、グラファイト等のカーボン、小麦粉、澱粉、フェノール樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、又はポリエチレンテレフタレート、吸水性ポリマー、アクリル樹脂等の有機樹脂からなるマイクロカプセル等を好適に用いることができる。
【００２７】
有機バインダとしては、例えば、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ポリビニルアルコール等を好適に用いることができる。また、分散剤としては、界面活性効果を有する物質、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を好適に用いることができる。
【００２８】
尚、ＡＴ化原料と分散媒との混合・混練は、公知の混合・混練方法により行えばよい。但し、混合は、撹拌羽根を５００ｒｐｍ以上（好ましくは１０００ｒｐｍ以上）の高速で回転させることが可能な、撹拌力・分散力に優れた混合機を使用し、剪断力を加えながら撹拌する方法により行うことが好ましい。このような混合方法により、得られるセラミック構造体の欠陥の原因となる、それぞれの原料粒子中に含まれる微粒子の凝集塊を粉砕し消失させることができる。
【００２９】
最後に、得られたセラミック乾燥体を焼成すれば、セラミック構造体を得ることができる。焼成条件（温度・時間）は、セラミック成形体を構成するそれぞれの原料粒子の種類により異なるため、これらの種類に応じて適当に設定すればよい。例えば、１３００〜１５５０℃の温度で、３〜１０時間焼成することが好ましい。焼成条件（温度・時間）が上記範囲未満であると、骨材原料粒子のアルミニウムチタネート（ＡＴ）の結晶化が不十分となる傾向にある。一方、上記範囲を超えると、生成したアルミニウムチタネート（ＡＴ）が溶融する傾向にある。
【００３０】
なお、焼成の前、又は焼成の昇温過程において、セラミック乾燥体中の有機物（造孔材、有機バインダ、分散剤等）を燃焼させて除去する操作（仮焼）を行うと、有機物の除去をより促進させることができるために好ましい。有機バインダの燃焼温度は２００℃程度、造孔材の燃焼温度は３００〜１０００℃程度である。従って、仮焼温度は２００〜１０００℃程度とすればよい。仮焼時間は特に限定されないが、通常は、１０〜１００時間程度である。
【００３１】
また、得られたセラミック構造体は、結晶相がアルミニウムチタネート６５質量％以上９５質量％以下（より好ましくは、７０〜９５質量％）から構成されていることが好ましい。
【００３２】
更に、本発明のセラミック構造体の熱膨張係数は、０．１０×１０-6／℃以上１．５×１０-6／℃以下（より好ましくは、０．１×１０-6〜１．０×１０-6／℃）であることが好ましい。これは、全てのセラミック構造・形状を考慮した場合において優れた耐熱衝撃性を有する範囲であるからである。一方、熱膨張係数が１．５×１０-6／℃を超過する場合、高気孔率及び容量の大きな構造体の場合に十分な耐熱衝撃性が得られなくなる。以上のことから、より優れた耐熱衝撃性を持たせるといった観点からは、得られたセラミック構造体の熱膨張係数が、０．１×１０-6〜１．０×１０-6／℃であることが好ましい。
【００３３】
以上のことから、本発明のセラミック構造体は、例えば、自動車エンジン用ヘッドポートライナー、エキゾーストマニホールドライナー、触媒コンバーター又は排ガス用フィルタとして好適に適用することができる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３５】
（実施例１及び実施例２）
表１に示すように、α−アルミナ（平均粒径：５．０μｍ、ＢＥＴ比表面積：０．８ｍ2／ｇ）、ベーマイト（平均粒径：０．１μｍ、ＢＥＴ比表面積：１６３ｍ2／ｇ）、酸化チタン（平均粒径：０．２μｍ）、高純度カオリン（平均粒径：３μｍ）を調合・混合することにより、アルミニウムチタネート化原料（ＡＴ化原料）を調製した。調製したＡＴ化原料の１００質量部に対して、有機バインダー（メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース）を１．５質量部添加して、さらに混合・真空脱気した。得られた真空脱気した混合物を石膏型で鋳込み成形して、成形体を得た。得られた成形体を、表２に示した焼成温度でそれぞれ常圧焼成して、ＡＴ焼結体を得た。得られた各ＡＴ焼結体について、熱膨張係数を測定した。その結果を表２に示す。
【００３６】
（比較例）
表１に示すように、アルミナ（平均粒径：５．０μｍ、ＢＥＴ比表面積：０．８ｍ2／ｇ）、酸化チタン（平均粒径：０．２μｍ）、高純度カオリン（平均粒径：３μｍ）を調合・混合することにより、アルミニウムチタネート化原料（ＡＴ化原料）を調製した。調製したＡＴ化原料の１００質量部に対して、有機バインダー（メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース）を１．５質量部添加して、さらに混合・真空脱気した。得られた真空脱気した混合物を石膏型で鋳込み成形して、成形体を得た。得られた成形体を、表２に示した焼成温度でそれぞれ常圧焼成して、ＡＴ焼結体を得た。得られた各ＡＴ焼結体について、熱膨張係数を測定した。その結果を表２に示す。
【００３７】
【表１】
2006347793.tif 000002
【００３８】
【表２】
2006347793.tif 000003
【００３９】
（考察：実施例１及び実施例２、比較例）
表２に示すように、実施例１及び実施例２では、ＢＥＴ比表面積の大きいベーマイトをアルミニウム源として使用することにより、アルミニウムチタネートの本来の特性を損なうことなく、比較例と比較して、熱膨張係数を小さくすることができた。より低い焼成温度においても低い熱膨張係数を維持できた（また、実施例１及び実施例２では、比較例と比較して、熱膨張係数が小さいセラミック構造体を製造することができた）。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明のセラミック構造体の製造方法は、アルミニウムチタネート（ＡＴ）の本来の特性を損なうことなく、熱膨張係数が小さく、且つ耐熱衝撃性や寸法精度に優れたセラミック構造体を製造することができるものである。これにより得られたセラミック構造体は、自動車エンジン用ヘッドポートライナー、エキゾーストマニホールドライナー、触媒コンバーター又は排ガス用フィルタとして好適に用いることができる。