(57)【要約】  セラミック複合材料、デバイス及び方法が示されている。選択された例では、セラミック材料は、ポリマー成分等の低温成分の組み込みを可能にする低温で加工される。製造方法は、それらに限定されないが、射出成形する工程、オートクレーブにかける工程及びカレンダー加工する工程を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結セラミック複合成分を形成する方法であって:
冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末を金型に置く工程と;
或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子を金型に置く工程と;
金型内の粉末に対して活性化溶媒を適用する工程と;
第1の温度まで加熱し、粉末、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子、及び溶媒に十分な圧力をかけて、粉末の焼結を活性化する工程と;
第2の温度まで加熱して、焼結セラミック複合成分のポリマー相にアニーリングを施す工程と
を含む、方法。
【請求項２】
第2の温度は、非晶質ポリマー相のガラス転移温度以上である、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
第2の温度は、半結晶性ポリマー相の溶融温度以上である、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
室温に冷却しながら焼結セラミック複合成分を圧力に保つ工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
ポリマー相はポリエーテルイミド(PEI)を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
冷間易焼結性セラミック粉末は酸化亜鉛を含む、請求項5に記載の方法。
【請求項７】
粉末に十分な圧力をかける工程は、500MPa以下の圧力をかける工程を含む、請求項6に記載の方法。
【請求項８】
第1の温度まで加熱する工程は、200℃以下且つ活性化溶媒の沸点を超える温度に加熱する工程を含む、請求項7に記載の方法。
【請求項９】
第2の温度まで加熱する工程は、約220から260℃の間の温度まで加熱する工程を含む、請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子を金型に置く工程は、焼結セラミック複合成分中にポリマーの20%〜50%体積分率が得られるように、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子を置く工程を含む、請求項6に記載の方法。
【請求項１１】
焼結前に或る量の粉末を乾燥させる工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
焼結後に焼結セラミック複合成分を乾燥させる工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１３】
冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末を金型に置く工程は、30μmより小さい平均直径を有する粉末を置く工程を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１４】
複数の成分が単一の金型内に積層され、十分な熱及び圧力が複数の成分に同時に適用される、請求項1に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、2016年8月26日出願、米国仮特許出願第62/379,858号について優先権の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、セラミック複合材料、セラミック複合材料を使用して作製された応用例及び製品、並びにセラミック複合材料を伴うデバイスを製造する方法に関する。一例では、本発明は、焼結微細構造内に一体化された少なくとも1つのポリマーを含むセラミック複合材料に関する。
【背景技術】
【０００３】
セラミック材料の焼結は、通常は、ポリマー結合剤を使用して、未焼結状態でセラミック粉末をくっつけさせることを含む。セラミック粉末及びポリマー結合剤は非常に高温に加熱され、ここで、ポリマー結合剤は燃焼除去されてセラミック材料のみがあとに残る。高温では、セラミック粉末のグレインは接触点で一緒に融合し始め、その結果、セラミック材料のみの焼結微細構造を形成する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】JJ Swabら、Int J Fract(2011) 172: 187〜192
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
焼結セラミック複合材料は、マトリックス相と分散相との両方からの材料特性の可能な組合わせによるものであることが望ましい。しかし、未焼結状態製造でのポリマー結合剤の燃焼除去と同様に、焼結におけるセラミック粉末の高温処理により、多くのセラミック複合材料が無効となる。セラミックとポリマーとの複合材料等の、種々の複合体の組合わせを可能にするより低い温度で焼結セラミック構造物を形成できることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、焼結セラミック複合成分を形成する方法であって:
冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末を金型に置く工程と;
或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子を金型に置く工程と;
金型内の粉末に対して活性化溶媒を適用する工程と;
第1の温度まで加熱し、粉末、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子、及び溶媒に十分な圧力をかけて、粉末の焼結を活性化する工程と;
第2の温度まで加熱して、焼結セラミック複合成分のポリマー相にアニーリングを施す工程と
を含む、方法に関する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１Ａは、本発明の一例による、加熱工程前の粉末粒子の混合物を示す図である。図１Ｂは、本発明の一例による、ある程度の加熱工程後の図1Aの材料を示す図である。
【図２】図２Ａは、本発明の一例による製造方法の一工程におけるツールを示す図である。図２Ｂは、本発明の一例による製造方法の別の工程における図2Aからのツール及び加工物材料を示す図である。図２Ｃは、本発明の一例による製造方法の別の工程における図2Aからのツール及び加工物材料を示す図である。図２Ｄは、本発明の一例によって形成された複合セラミック物体を示す図である。
【図３】本発明の一例による製造方法の一部分を示す図である。
【図４】本発明の一例による製造方法の一部分を示す図である。
【図５】本発明の一例による焼結セラミック成分を形成する方法を示す図である。
【図６】本発明の一例による焼結セラミック成分を形成する方法を示す図である。
【図７】本発明の一例による焼結セラミック成分を形成する方法を示す図である。
【図８】本発明の一例による焼結セラミック成分を形成する方法を示す図である。
【図９】図９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一例による圧裂引張試験設定及び横方向歪みマップを示す図である。
【図１０】本発明の一例による試料の顕微鏡写真を示す図である。
【図１１】本発明の一例による試料のさらなる顕微鏡写真を示す図である。
【図１２】本発明の一例による金型構成を示す図である。
【図１３】本発明の一例による試料のさらなる顕微鏡写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の詳細な説明においては、本明細書の一部を形成し、且つ本発明を実施されうる特定の実施形態が例示によって示されている、添付の図面が参照される。図面では、いくつかの図を通して同一の番号は実質的に類似の成分を云う。これらの実施形態は、当業者であれば本発明を実施できるように十分に詳細に記載されている。その他の実施形態を採用することができ、構造的、又は論理的な変更等は本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。
【０００９】
本文書全体を通して、範囲形式で表現された値は、範囲の限界として明確に示した数値を包含するばかりでなく、また、あたかも各数値及び部分的範囲が明確に記載されているかのように、その範囲内に含まれる個々の数値も部分的範囲も全部包含するといった、柔軟な様式で解釈されるべきである。例えば、「約0.1%〜約5%」又は「約0.1%〜5%」の範囲には約0.1%〜約5%ばかりでなく、また、その示した範囲内の個々の値(例えば1%、2%、3%及び4%)及び部分範囲(例えば0.1%〜0.5%、1.1%〜2.2%、3.3%〜4.4%)も含まれると解釈されるべきである。記載「約X〜Y」とは、別段の指定がない限り、「約X〜約Y」と同じ意味を有する。同様に、記載「約X、Y、又は約Z」とは、別段の指定がない限り、「約X、約Y、又は約Z」と同じ意味を有する。
【００１０】
本文書において、用語「1つの(a)」、「1つの(an)」又は「その(the)」とは、文脈上明確に他の指示がある場合を除き、1つ又は2つ以上を含めるために使用される。用語「又は(or)」とは、別段の指示がない限り非排他的な「又は(or)」を指すために使用される。記載「AとBのうちの少なくとも1つ」とは、「A、B、又はAとB」と同じ意味を有する。加えて、本明細書において採用され、別途定義されていない表現又は語法は、説明のみを目的としたものであり、限定を目的としたものではないことが理解されるべきである。節見出しの使用は、本文書を読みとく際の助けとなることを意図したものであり、限定するものと解釈すべきではない。ある節見出しに関連する情報が、その特定の節の中に現れることもあれば外に現れることもある。
【００１１】
本明細書に記載する方法において、動作は、時間的順序又は操作順序が明示的に記載されている場合を除いて、本発明の原理から逸脱することなく任意の順序で実施することができる。更に、特定の動作は、明示的な請求項の文言が別々に実施されることを述べていない限り、同時に実施することができる。例えば、Xを行う特許請求された動作とYを行う特許請求された動作とは、単一の操作において同時に実施することができ、結果として生じる方法は、特許請求された方法の文字通りの範囲内に含まれる。
【００１２】
用語「約」とは、本明細書で使用する場合、値又は範囲においてある程度、例えば、記載された値又は範囲の記載された限界の10%以内、5%以内、又は1%以内の変動を許容することができ、且つ正確な記載された値又は範囲を含む。用語「実質的に」とは、本明細書で使用する場合、少なくとも約50%、60%、70%、80%、90%、95%、96%、97%、98%、99%、99.5%、99.9%、99.99%、又は少なくとも約99.999%以上というような、大多数又は大部分を、或いは100%を指す。
【００１３】
本明細書で使用する場合、用語「ポリマー」とは、少なくとも1つの反復単位を有する分子を指し、コポリマーを含むことができる。
【００１４】
本明細書に記載のポリマーは、適切な任意の方法で終結させることができる。一部の実施形態では、ポリマーは、適切な重合開始剤、-H、-OH、-O-、置換若しくは非置換-NH-、及び-S-から独立して選択される0、1、2、又は3つの基で中断されている置換又は非置換(C1〜C20)ヒドロカルビル(例えば、(C1〜C10)アルキル又は(C6〜C20)アリール)、ポリ(置換又は非置換(C1〜C20)ヒドロカルビルオキシ)、並びにポリ(置換又は非置換(C1〜C20)ヒドロカルビルアミノ) から独立して選択される末端基で終結させることができる。
【００１５】
本明細書で使用する場合、用語「射出成形」とは、熱可塑性、熱硬化性、又はそれらの組み合わせである1つ又は複数のポリマーを含む組成物を成形金型キャビティに注入することによって成型パーツ又は成形品を生産する方法を指し、ここで、組成物は冷却し、キャビティの構成に硬化する。射出成形は、射出前に成形金型を加熱するための蒸気ヒーター、誘導ヒーター、カートリッジヒーター、又はレーザー処理等のソースによる加熱工程の使用、及び射出後の成形金型を冷却するための水等の冷却ソースの使用を含むことができ、これによって、成形サイクルがより速いこと及び成型パーツ又は成形品がより高品質であることが可能となる。射出成形金型用のインサートは、成形金型内に適切な任意の面、例えば、成形金型の外壁の一部分等の、又は射出成形材料がその周辺で成形される成形金型の内側部分のうちの少なくとも一部等の、射出成形材料のうちの少なくとも一部に接触する面を形成することができる。射出成形金型用のインサートは、射出成形プロセスの終わりに射出成形材料から取り外されるように設計されているインサートとすることができる。射出成形金型用インサートは、射出成形体(例えば、射出成形材料に接合されたインサートを含む異形射出成形体)の一部であるように設計されているインサートとすることができ、ここで、射出成形体は射出成形材料とインサートとの間にジャンクションを含む。
【００１６】
図1Aに、本発明の一例による加熱工程前の粉末粒子の混合物100を示す。混合物100は、接触点106で互いに接触しているいくつかのセラミック粒子102を含む。接触点106での粒子102どうしの間の干渉の結果として、いくつかの空隙104がいくつかのセラミック粒子102の間に示されている。いくつかの二次粒子110も混合物100の一部として示されている。焼結後、いくつかの二次粒子110は最終材料の微細構造内に残留し、焼結セラミックマトリックス相内の分散相となって、焼結セラミック複合材料を形成する。
【００１７】
一例として丸い粉末顆粒が図1A及び図1Bの例示に使用されているが、本発明はそのようには限定されない。セラミック粒子102及び二次粒子110の両方について粒子の他の形状には、ウィスカー、ロッド、フィブリル、繊維、小板、及び図1Aに例示の互いに接触点を提供する他の物理的形態が含まれてよい。
【００１８】
一例では、セラミック粒子102は、酸化モリブデン(MoO3)等の二元セラミックを含む。他の例では、セラミック粒子102は、酸化物、フッ化物、塩化物、ヨウ化物、炭酸塩、及びリン酸塩系からなる、二元、三元、四元等の化合物を含んでよい。三元セラミック粒子の一例としては、K2Mo2O7が挙げられる。こういった例のセラミック系を例として使用しているが、リストは網羅的なものではない。本開示に記載の冷間焼結を行うことができるあらゆるセラミックが本発明の範囲内である。
【００１９】
冷間焼結を行うことができるセラミック材料の選択された例としては、それらに限定されないが、BaTiO3、Mo2O3、WO3、V2O3、V2O5、ZnO、Bi2O3、CsBr、Li2CO3、CsSO4、LiVO3、Na2Mo2O7、K2Mo2O7、ZnMoO4、Li2MoO4、Na2WO4、K2WO4、Gd2(MoO4)3、Bi2VO4、AgVO3、Na2ZrO3、LiFeP2O4、LiCoP2O4、KH2PO4、Ge(PO4)3、Al2O3、MgO、CaO、ZrO2、ZnO-B2O3-SiO2、PbO-B2O3-SiO2、3ZnO-2B2O3、SiO2、27B2O3-35Bi2O3-6SiO2-32ZnO、Bi24Si2O40、BiVO4、Mg3(VO4)2、Ba2V2O7、Sr2V2O7、Ca2V2O7、Mg2V2O7、Zn2V2O7、Ba3TiV4O15、Ba3ZrV4O15、NaCa2Mg2V3O12、LiMg4V3O12、Ca5Zn4(VO4)6、LiMgVO4、LiZnVO4、BaV2O6、Ba3V4O13、Na2BiMg2V3O12、CaV2O6、Li2WO4、LiBiW2O8、Li2Mn2W3O12、Li2Zn2W3O12、PbO-WO3、Bi2O3-4MoO3、Bi2Mo3O12、Bi2O-2.2MoO3、Bi2Mo2O9、Bi2MoO6、1.3Bi2O3-MoO3、3Bi2O3-2MoO3、7Bi2O3-MoO3、Li2Mo4O13、Li3BiMo3O12、Li8Bi2Mo7O28、Li2O-Bi2O3-MoO3、Na2MoO4、Na6MoO11O36、TiTe3O8、TiTeO3、CaTe2O5、SeTe2O5、BaO-TeO2、BaTeO3、Ba2TeO5、BaTe4O9、Li3AlB2O6、Bi6B10O24、Bi4B2O9、が挙げられる。個々のセラミック材料が列挙されているが、本開示はそのように限定されない。選択された例では、セラミック成分は、それらに限定されないが、上に列挙のセラミック材料を含む、2つ以上のセラミック材料の組み合わせを含むことができる。
【００２０】
一例では、本開示に記載の冷間焼結操作で使用されるセラミック材料は、ある程度の圧電挙動を保有してよい。一例では、本開示に記載の冷間焼結操作で使用されるセラミック材料は、ある程度の強誘電的挙動を保有してよい。そのような材料の一例としては、それに限定されないが、上の例の非限定的なリストに含まれているように、BaTiO3を挙げることができる。
【００２１】
一例では、二次粒子110はポリマー粒子を含む。ポリマー粒子の一例では、ポリマー110は、ポリプロピレン等の熱可塑性ポリマーを含んでよい。ポリマー粒子の一例では、ポリマー110は、エポキシ等などの熱硬化性ポリマーを含んでよい。ポリマー粒子の一例では、ポリマー110は非晶質ポリマーを含んでよい。ポリマー粒子の一例では、ポリマー110は結晶性ポリマーを含んでよい。ポリマー粒子の一例では、ポリマー110は半結晶性ポリマーを含んでよい。ポリマー粒子の一例では、ポリマー110は、混和性又は非混和性ブレンドポリマー等のブレンドを含んでよい。ポリマー粒子の一例では、ポリマー110はホモポリマーを含んでよい。ポリマー粒子の一例では、ポリマー110は、ランダムコポリマー又はブロックコポリマー等のコポリマーを含んでよい。ポリマー粒子の一例では、ポリマー110は分枝ポリマーを含んでよい。ポリマー粒子の一例では、ポリマー110はイオン性又は非イオン性ポリマーを含んでよい。
【００２２】
許容されるポリマーの一部の具体例としては、それらに限定されないが、ポリエチレン、ポリエステル、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリカーボネート(PC)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリブチルテレフタレート(PBT)、イソフタレートテレフタレート(ITR)、ナイロン、HTN、ポリフェニルスルフィド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、ポリアリールエーテルケトン(PAEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリイミド(PI)、フルオロポリマー、PES、ポリスルホン(PSU)、PPSU、SRP(Paramax(商標))、PAI(Torlon(商標))、及びそれらのブレンド、が挙げられる。
【００２３】
一例では、混合物100は、混合物100の他の成分と共に、射出成形金型等の金型内、又は他のツーリング面内で重合してもよい1つ若しくは複数の樹脂又はオリゴマーを含んでよい。一例では、樹脂は流動性である。例である流動性樹脂は、混合物100の組成物の適切な任意の割合、例えば約50wt%〜約100wt%、約60wt%〜約95wt%、又は約50wt%以下、又は60wt%、62、64、66、68、70、72、74、76、78、80、82、84、86、88、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、99.9、99.99よりも小さいか、それに等しいか、若しくはそれより大きい、又は約99.999wt%以上、を形成することができる。流動性樹脂内に1つ又は複数の硬化性樹脂を含ませてよい。流動性樹脂中の1つ又は複数の硬化性樹脂は、任意の1つ又は複数の硬化性樹脂、例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)ポリマー、アクリルポリマー、セルロイドポリマー、セルロースアセテートポリマー、シクロオレフィンコポリマー(COC)、エチレン-酢酸ビニル(EVA)ポリマー、エチレンビニルアルコール(EVOH)ポリマー、フッ素樹脂、アイオノマー、アクリル/PVCアロイ、液晶ポリマー(LCP)、ポリアセタールポリマー(POM又はアセタール)、ポリアクリレートポリマー、ポリメチルメタクリレートポリマー(PMMA)、ポリアクリロニトリルポリマー(PAN又はアクリロニトリル)、ポリアミドポリマー(PA、例えばナイロン)、ポリアミド-イミドポリマー(PAI)、ポリアリールエーテルケトンポリマー(PAEK)、ポリブタジエンポリマー(PBD)、ポリブチレンポリマー(PB)、ポリブチレンテレフタレートポリマー(PBT)、ポリカプロラクトンポリマー(PCL)、ポリクロロトリフルオロエチレンポリマー(PCTFE)、ポリテトラフルオロエチレンポリマー(PTFE)、ポリエチレンテレフタレートポリマー(PET)、ポリシクロヘキシレンジメチレンテレフタレートポリマー(PCT)、ポリカーボネートポリマー(PC)、ポリ(1,4-シクロヘキシリデンシクロヘキサン-1,4-ジカルボキシレート)(PCCD)、ポリヒドロキシアルカノエートポリマー(PHA)、ポリケトンポリマー(PK)、ポリエステルポリマー、ポリエチレンポリマー(PE)、ポリエーテルエーテルケトンポリマー(PEEK)、ポリエーテルケトンケトンポリマー(PEKK)、ポリエーテルケトンポリマー(PEK)、ポリエーテルイミドポリマー(PEI)、ポリエーテルスルホンポリマー(PES)、ポリエチレンクロリネートポリマー(PEC)、ポリイミドポリマー(PI)、ポリ乳酸ポリマー(PLA)、ポリメチルペンテンポリマー(PMP)、ポリフェニレンオキシドポリマー(PPO)、ポリフェニレンスルフィドポリマー(PPS)、ポリフタルアミドポリマー(PPA)、ポリプロピレンポリマー、ポリスチレンポリマー(PS)、ポリスルホンポリマー(PSU)、ポリトリメチレンテレフタレートポリマー(PTT)、ポリウレタンポリマー(PU)、ポリ酢酸ビニルポリマー(PVA)、ポリ塩化ビニルポリマー(PVC)、ポリ塩化ビニリデンポリマー(PVDC)、ポリアミドイミドポリマー(PAI)、ポリアリレートポリマー、ポリオキシメチレンポリマー(POM)、及びスチレン-アクリロニトリルポリマー(SAN)、とすることができる。流動性樹脂組成物としては、ポリカーボネート(PC)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリ(p-フェニレンオキシド)(PPO)、ポリアミド(PA)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエチレン(PE)(例えば、超高分子量ポリ���チレン(UHMWPE)、超低分子量ポリエチレン(ULMWPE)、高分子量ポリエチレン(HMWPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、高密度架橋ポリエチレン(HDXLPE)、架橋ポリエチレン(PEX又はXLPE)、中密度ポリエチレン(MDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)及び超低密度ポリエチレン(VLDPE)、ポリプロピレン(PP)、又はそれらの組み合わせ、を挙げることができる。流動性樹脂は、ポリカーボネート、ポリアクリルアミド、又はそれらの組合せとすることができる。
【００２４】
種々の実施形態では、流動性樹脂組成物はフィラーを含む。流動性樹脂は1つのフィラー又は2つ以上のフィラーを含むことができる。1又は複数のフィラーは、流動性樹脂組成物の約0.001wt%〜約50wt%、又は約0.01wt%〜約30wt%、又は約0.001wt%以下、又は約0.01wt%、0.1、1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、35、40、45wt%、又は約50wt%以上を形成することができる。フィラーは流動性樹脂組成物中に均一に分布することができる。フィラーは繊維状又は粒子状とすることができる。フィラーは、ケイ酸アルミニウム(ムライト)、合成ケイ酸カルシウム、ケイ酸ジルコニウム、溶融シリカ、結晶質シリカグラファイト、天然ケイ砂等;ホウ素粉末、例えば窒化ホウ素粉末、ケイ酸ホウ素粉末等;酸化物、例えばTiO2、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム等;硫酸カルシウム(その無水物、脱水物又は三水和物として);炭酸カルシウム、例えばチョーク、石灰石、大理石、合成沈降炭酸カルシウム等;繊維状の、モジュラーの、針状の、薄板状のタルク等を含むタルク;珪灰石;表面加工済み珪灰石;ガラス球、例えば中空の及び中実のガラス球、ケイ酸塩の球、セノスフェア、アルミノケイ酸塩(アルモスフェア(armospheres))等;カオリン、これには、硬質カオリン、軟質カオリン、焼成カオリン、ポリマーマトリクス樹脂との相溶性を促進する、当技術分野で知られている種々のコーティング剤を含むカオリン等がある;単結晶繊維又は「ウィスカー」、例えば炭化ケイ素、アルミナ、炭化ホウ素、鉄、ニッケル、銅等;繊維(連続繊維及び短繊維を含む)、例えばアスベスト、炭素繊維、ガラス繊維;硫化物、例えば硫化モリブデン、硫酸亜鉛等;バリウム化合物、例えばチタン酸バリウム、バリウムフェライト、硫酸バリウム、重晶石等;金属及び金属酸化物、例えば微粒子の又は繊維状のアルミニウム、青銅、亜鉛、銅及びニッケル等;フレーク状フィラー、例えばガラスフレーク、フレーク状炭化ケイ素、二ホウ化アルミニウム、アルミニウムフレーク、スチールフレーク等;繊維状のフィラー、例えば、ケイ酸アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、及び硫酸カルシウムの半水化物等のうちの少なくとも1つを含んでいる混紡由来のもの等の無機短繊維;天然のフィラー及び
強化剤、例えば木材を微粉砕することにより得られる木粉、繊維製品、例えばケナフ、セルロース、綿、サイザル麻、ジュート、亜麻、デンプン、トウモロコシ粉、リグニン、ラミー、籐、アガベ、竹、タイマ、粉砕ナッツ殻、トウモロコシ、ココナッツ(コイア)、米のもみ殻等;有機フィラー、例えばポリテトラフルオロエチレン、繊維を形成することが可能である有機ポリマーより形成される強化用の有機繊維状フィラー、例えば、ポリ(エーテルケトン)、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリ(硫化フェニレン)、ポリエステル、ポリエチレン、芳香族ポリアミド、芳香族ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、アクリルレジン(アクリル樹脂)、ポリ(ビニルアルコール)等;並びに、フィラー、例えばマイカ、クレイ、長石、煙塵、フィライト、石英、珪岩、パーライト、トリポリ石、珪藻土、カーボンブラック等、或いは前述のフィラーのうちの少なくとも1つを含む組合せ、とすることができる。フィラーはタルク、ケナフ繊維、又はそれらの組合わせとすることができる。フィラーは、導電性を促進するために金属材料の層で、又は、流動性樹脂組成物との接着性及び分散性の改善へとシラン、シロキサン、又はシランとシロキサンとの組み合わせで処理した面で、コーティングすることができる。フィラーは、炭素繊維、鉱物フィラー、又はそれらの組み合わせから選択することができる。フィラーは、マイカ、タルク、クレイ、珪灰石、硫化亜鉛、酸化亜鉛、炭素繊維、ガラス繊維、セラミックコーティンググラファイト、二酸化チタン、又はそれらの組み合わせから選択することができる。
【００２５】
一例では、二次粒子110は1つ又は複数の金属を含んでよい。使用可能な金属の例としては、それらに限定されないが、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、インジウム、スズ、セシウム、バリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、タリウム、鉛、ビスマス、ポロニウム、フランシウム、ラジウム、アクチニウム、トリウム、プロトアクチニウム、ウラン、ネプツニウム、プルトニウム、アメリシウム、キュリウム、ベルケリウム、カリホルニウム、アインスタイニウム、フェルミウム、メンデレビウム、ノーベリウム、ローレンシウム、ラザホージウム、ドブニウム、シーボーギウム、ボーリウム、ハッシウム、マイトネリウム、ダームスタチウム、レントゲニウム、コペルニシウム、ウンウントリウム、フレロビウム、ウンウンペンチウム、及びリバモリウム、が挙げられる。
【００２６】
一例では、混合物100は、2種以上の二次粒子110を含む。例えば、二次粒子110は、金属粒子とポリマー粒子との両方を含んでよい。別の例では、二次粒子110は、ポリマー粒子と、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン等などの炭素粒子との両方を含んでよい。別の例では、二次粒子110は、ポリマー粒子と、ガラス繊維若しくは他の繊維等の、調整粒子又は強化粒子との両方を含んでよい。
【００２７】
図1Aに、混合物100の微細構造内に少なくとも部分的に、存在する活性化溶媒108を更に示す。一例では、活性化溶媒108は水を含む。導入してよい、水及び/又は水適用の種々の形態には、液体の水、霧状の水又は噴霧水、水蒸気等が含まれる。一例では、活性化溶媒108はアルコールを含む。その他の例は、活性化溶媒108を形成する様々な液体又は気体の混合物を含む。本開示の利益を得る当業者であれば、活性化溶媒108の選択は、セラミック粒子102の選択及び二次粒子110の選択によって変わることを認識するであろう。効果的な活性化溶媒108は、セラミック粒子102どうしの間の接触点106における低温拡散及び/又は材料輸送を活性化することが可能になる。効果的な活性化溶媒108はまた、二次粒子110の材料特性に悪影響を及ぼさないであろう。例えば、セラミック粒子102の焼結又は活性化温度より下で二次粒子110が揮発性であるように、効果的な活性化溶媒108は二次粒子110と反応しないであろう。
【００２８】
図1Bに、図1Aによる混合物100を処理した後に形成された複合材料101を示す。図1Bに示す微細構造によって、焼結又は部分焼結微細構造が例示されている。図1Aに示す接触点106で材料は移行して、焼結前にはかつては隔てられていた焼結領域103をセラミック粒子102とつなげる接合領域107を形成する。一例では、活性化溶媒108によって、活性化溶媒108が無い場合可能となるよりも低い温度で、セラミック粒子102から接合領域107へと材料を移動させるメカニズムを提供する。一例では、活性化溶媒108によって焼結に必要な温度が十分に低く低下するので、ポリマーを含む二次粒子110が焼結中に気化しないことになり、且つ、図1Bに示すように、最終的な微細構造内に残留することになる。低い焼結温度を必要とするポリマーとは別にその他の材料もまた、低温焼結の結果として残留する場合もある。
【００２９】
焼結後、図1Bの微細構造は、実質的に連続したマトリックス相として焼結領域103と接合領域107とを含む複合材料101である。二次粒子110の少なくとも一部は居残り、複合材料101の残留している気孔105内に分散相111を形成する。上述のように、低温焼結の結果として、二次粒子110の少なくとも一部分、例えばポリマー粒子は気化せず、微細構造内に残留している。
【００３０】
図1Bに示す例では、セラミックマトリックス相はある程度の独立気泡気孔性を含む。換言すると、焼結後、いくつかの残留している気孔105はセラミックマトリックス相によって完全に囲まれ、もはや微細構造の外側からはアクセスできない。ポリマー粒子等の残留しているあらゆる二次粒子110は、焼結中に混合物100内に位置し、且つ、気化を下回る焼結温度の結果として存在したままでいるので、独立気泡孔内にのみ存在することができる。焼結後に独立気泡孔の内部に分散相材料を導入することは不可能である。
【００３１】
一例では、ポリマー二次粒子110は、焼結中に、ポリマーのガラス転移温度(Tg)を超えるがポリマーの揮発温度を超えない温度に引き上げられる。一例では、ポリマー二次粒子110は、焼結中に、ポリマーの溶融温度(Tm)を超えるがポリマーの揮発温度を超えない温度に引き上げられる。揮発温度を超えない能力に加えて、選択された例では、ポリマー二次粒子110は、焼結中に、破壊温度を超えない温度に上げられ、ここで、所望の分子量が低下する可能性がある。
【００３２】
ポリマー二次粒子110が、残留している気孔105内を流動し、焼結中にその空間を埋めることが望ましい場合もある。分散相111と周囲のセラミックマトリックスとの間のより大きい接触面積を、かかる構成で提供してもよい。接触面積が拡大する利点としては、靭性の上昇、破壊強度の改善、破壊歪みの改善等の機械特性の改善、及び/又は物体はひび割れるが崩壊しない等の、より望ましい破損モードを挙げてよい。一例では、選択されたポリマーのガラス転移温度(Tg)又は溶融温度(Tm)を超えることで、こういった特徴を提供しうる。
【００３３】
本開示の利益を得る当業者であれば、十分な活性化温度及び圧力が、セラミック材料の選択及び活性化溶媒の選択等のいくつかの要因によって変わることを認識するであろう。非限定的な1例は、活性化溶媒としての水の使用、及び系を活性化するための100℃を上回る温度を含む。
【００３４】
図1Bに、少なくともある程度の独立気泡気孔性、及び焼結微細構造の独立気泡の少なくとも一部内の、ポリマー分散相等の分散相111を例示する。分散相111はもともとの二次粒子110から主として生じるので、分散相111の材料は上記の二次粒子110の材料と実質的に類似又は同一である。
【００３５】
他の例では、独立気泡気孔性が存在しなくてもよいが、冷間焼結微細構造が物理的に観察可能となり、且つ従来の高温焼結と区別可能となる。一例では、X線回折を使用して焼結領域103内の結晶構造を検出することができる。高温焼結は、焼結領域103の微細構造の結晶構造の変化をもたらす場合もある。こういった結晶変化は、冷間焼結微細構造には存在しないことになる。
【００３６】
別の例では、元素分析を使用して、水酸化物及び炭酸塩等の化合物の有無を検出することができる。高温焼結プロセスでは、こういった化合物は燃焼除去され、微細構造には見いだされないことになる。冷間焼結構造では、焼結中の温度がかかる化合物を燃焼除去するのに十分高い点に達していなかったことになるので、水酸化物及び炭酸塩等の化合物が依然として存在し、且つ検出可能となり、このことは、冷間焼結技法を使用して焼結微細構造が形成されたことを示している。
【００３７】
別の例では、緻密化の量を測定することができる。高温焼結プロセスでは、セラミック成分は冷間焼結プロセスにおけるよりも十分に緻密になる可能性がある。更に、冷間焼結微細構造におけるグレイン成長は、高温焼結プロセスにおけるよりも低い可能性があり、個々のグレイン自体におけるよりも冷間焼結における接触点で比例的に多くの成長がある。
【００３８】
図2A〜図2Dに、製造方法及び上記のセラミック複合材料を使用して形成された結果として得られる製品の一例を示す。図2Aに、第1のツール202及び合わせツール206を示す。一例では、第1のツール202及び合わせツール206は成形金型の一部分である。第1のツール202は第1のツール面204を含み、そして合わせツール206は合わせツール面208を含む。一例では、1つ又は複数のツール面(204、208)は静電的に帯電している。
【００３９】
図2Bでは、上の例に記載の冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末が、1つ又は複数のツール面(204、208)上の電荷と反対に静電的に帯電している。或る量の粉末が1つ又は複数のツール面(204、208)に導入されると、反対の電荷間の静電引力の結果としてコーティングが形成される。コーティング214は第1のツール面204を覆って示されており、コーティング218は合わせツール面208を覆って示されている。
【００４０】
上の例で述べたように、或る量の粉末は冷間易焼結性セラミック粉末のみを含んでよい。他の例では、或る量の粉末は、上の例に記載の、ポリマー、炭素、金属等などの二次粒子を含んでよい。一例では、或る量の粉末上の電荷は、上の例に記載のポリマー二次粒子中に保持されている。選択されたセラミック粒子はそれだけで十分な電荷を保持することができない場合があり、ポリマー二次粒子の添加によってコーティングプロセスを促進しうる。一例では、ポリマー粒子に加えて他の二次粒子によってコーティングプロセスを促進しうる。一例では、グラファイト、カーボンブラック、グラフェン、フラーレン等などのカーボン粒子によって、電荷を保持する能力の改善を提供することができ、結果としてコーティングプロセスを促進しうる。
【００４１】
一例では、1つ又は複数のツール面(204、208)がコーティングされた後、或る量の活性化溶媒が適用される。上記のように、一例では、活性化溶媒は水を含む。導入してよい、水及び/又は水適用の種々の形態には、液体の水、霧状の水又は噴霧水、水蒸気等が含まれる。一例では、活性化溶媒はアルコールを含む。その他の例は、活性化溶媒を形成する様々な液体又は気体の混合物を含む。
【００４２】
図2Cでは、第1のツール202と合わせツール206とが一緒に閉じられて、コーティング214とコーティング218とによって完全に囲まれている内部空間220を形成する。一例では、内部空間220は、次いで、ポリマーコア222で充填される。次いで、十分な熱と圧力がコーティング(214、218)及び活性化溶媒へと向かい、コーティング(214、218)中の粉末の焼結を活性化する。
【００４３】
焼結プロセスは上記の活性化溶媒を使用するので、焼結はポリマーコア222の気化温度より低い温度で行ってよい。結果として、図2Dは、ここで焼結した連続コーティング(214、218)と、焼結セラミックシェル内のポリマーコア222とから形成されている、実質的に中実の焼結セラミックシェルを含む複合材料物体230を示す。複合材料物体230は、上記の低温焼結プロセスを使用しなければ不可能である。他の高温焼結手順では、ポリマーコア222は焼結中に揮発性となり、焼結後に内部空間220内に保持されないと思われる。
【００４４】
本開示の利益を得る当業者であれば、十分な活性化温度及び圧力が、セラミック材料の選択及び活性化溶媒の選択等のいくつかの要因によって変わることを認識するであろう。非限定的な1例は、活性化溶媒としての水の使用、及び系を活性化するための100℃を上回る温度を含む。射出成形における圧力の非限定的な例は、0.5トンから7000トンの型締圧の範囲に及んでよい。圧縮成形における圧力の非限定的な例は、10,000psiから87,000psiの型締圧の範囲に及んでよい。
【００４５】
一例では、ポリマー樹脂、モノマー、オリゴマー、又は同様の前駆体ポリマー分子を、或る量の冷間易焼結性セラミック粉末に導入し、図2A〜図2Cのブロック図形式に示すツール等の、射出成形金型ツール内で熱及び/又は圧力にかけてよい。一例では、前駆体ポリマー分子は、冷間易焼結性セラミック粉末が焼結されるのと同時に重合及び/又は硬化されてよい。一例では、例えばスクリューラムを使用して、或る量の部分硬化ポリマーを射出成形金型に注入してよい。一例では、部分硬化ポリマーを使用すると、スクリューラムの使用がより容易になる。スクリューラムを使用して射出成形金型へと置くのが困難な場合がある液体モノマーとは異なり、この方法の場合、部分硬化ポリマーは、その部分的に硬化した状態で十分な機械的構造を有しうる。
【００４６】
一例では、第1の温度及び圧力を使用して冷間焼結プロセスを活性化してよく、一方、第2の温度及び圧力を使用してポリマー前駆体分子の重合及び/又は硬化を活性化してよい。他の例では、単一の温度及び圧力を使用してポリマー前駆体分子の重合及び/又は硬化を活性化し、同時に冷間焼結プロセスを活性化してよい。
【００４７】
一例では、圧力をかける工程は、成形金型中の流動性樹脂組成物を、適切な任意の圧力に、例えば約1MPa〜約5,000MPa、約20MPa〜約80MPa、又は例えば約0.1MPa以下、又は0.5MPa、1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、90、100、125、150、175、200、250、300、400、500、750、1,000、1,500、2,000、2,000、3,000、4,000、よりも小さいか、それに等しいか、若しくはそれより大きい、又は約5,000MPa以上に圧縮する工程を含んでよい。方法は、所定の期間、例えば、約0.1秒〜約10時間、約1秒から約5時間、又は約5秒から約1分、又は約0.1秒以下、又は約0.5秒、1、2、3、4、5、10、20、30、45秒、1分、2、3、4、5、10、15、20、30、45分、1時間、2、3、4、又は約5時間以上、(流動性樹脂組成物及び冷間易焼結性セラミック粉末と共に)成形金型キャビティを圧縮状態に保つ工程を含んでよい。
【００４８】
図3に、製造方法及び上記のセラミック複合材料を使用して形成された結果として得られる製品の別の例を示す。製造系300を示す。図3では、冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末304を第1のツール面302と接触させて置く。上の例で述べたように、或る量の粉末304は冷間易焼結性セラミック粉末のみを含んでよい。他の例では、或る量の粉末304は、上の例に記載の、ポリマー、炭素、金属等などの二次粒子を含んでよい。
【００４９】
或る量の活性化溶媒を或る量の粉末304に適用する。上記のように、一例では、活性化溶媒は水を含む。導入してよい、水及び/又は水適用の種々の形態には、液体の水、霧状の水又は噴霧水、水蒸気等が含まれる。一例では、活性化溶媒108はアルコールを含む。その他の例は、活性化溶媒を形成する様々な液体又は気体の混合物を含む。
【００５０】
一例では、合わせツール面306を、第1のツール面302と合わせツール面306との間に粉末304を伴って第1のツール面302を覆って置く。一例では、第1のツール面302、合わせツール面306、及び粉末304を真空バッグ308内に置いて、アセンブリ312を形成する。一例では、次いで、アセンブリ312をオートクレーブ310に置き、粉末及び溶媒に十分な熱及び圧力をかけて、粉末304の焼結を活性化する。
【００５１】
図3の例では、真空バッグ308によって圧力の適用が促進され、一方、オートクレーブによって熱が供給されて系を活性化する。圧力適用の一例として真空バギングを使用しているが、金型と金型との間の機械的圧力等などの、他の方法及びツールを使用してよい。熱を適用する方法の一例としてオートクレーブを使用しているが、本発明はそのように限定されない。本発明の範囲から逸脱することなく他の熱源を使用してよい。
【００５２】
真空バギング技法を使用することの1つの利点として、複雑な形状を有するツーリング及び/又は粉末圧縮体に均一な圧力をかける能力が挙げられる。図3に例として2つの平らなプレートが示されているが、湾曲プレート、非平面構成及び複雑な形状を、真空バギングを使用して形成してもよい。
【００５３】
本開示の利益を得る当業者であれば、十分な活性化温度及び圧力が、セラミック材料の選択及び活性化溶媒の選択等のいくつかの要因によって変わることを認識するであろう。非限定的な1例は、活性化溶媒としての水の使用、及び系を活性化するための100℃を上回る温度を含む。オートクレーブにかける工程における圧力の非限定的な例は、最大0.137MPaの範囲に及んでよい。オートクレーブにかける工程における期間の非限定的な例は、約20から約360分の範囲に及んでよい。
【００５４】
図4に、製造方法及び上記のセラミック複合材料を使用して形成された結果として得られる製品の別の例を示す。製造系400を示す。図4では、冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末404を第1のツール面402と接触させて置く。上の例で述べたように、或る量の粉末404は冷間易焼結性セラミック粉末のみを含んでよい。他の例では、或る量の粉末404は、上の例に記載の、ポリマー、炭素、金属等などの二次粒子を含んでよい。
【００５５】
図4に、積層405を一緒に形成する第1のツール面402及び或る量の粉末404を示す。或る量の活性化溶媒412を或る量の粉末404に適用する。ディスペンサ410のブロック図を示すが、任意数の適用デバイスを使用して活性化溶媒412を導入してよい。上記のように、一例では、活性化溶媒は水を含む。導入してよい、水及び/又は水適用の種々の形態には、液体の水、霧状の水又は噴霧水、水蒸気等が含まれる。一例では、活性化溶媒108はアルコールを含む。その他の例は、活性化溶媒を形成する様々な液体又は気体の混合物を含む。
【００５６】
図4に、1つ又は複数のカレンダーロールを通して積層を走行させる工程を更に示す。図4の例では、第1のカレンダーロール406及び第2のカレンダーロール408が示されている。例示を容易とするために、積層405は実質的に平らに示されており、且つ2つのカレンダーロール(406、408)のみが示されている。他の構成は、カレンダーロールの少なくとも部分的な弧の周りに可撓性積層405を走行させる工程、及び必要に応じてさらなるカレンダーロールの使用、を含んでよい。
【００５７】
一例では、十分な熱及び圧力を積層405に適用して、粉末404の焼結を活性化する。加熱されたカレンダーロールを使用してよい。一例では、ロール(例えば406、408)を一緒にプレスして、必要な圧力を提供し、その結果、粉末404の焼結を活性化する。
【００５８】
本開示の利益を得る当業者であれば、十分な活性化温度及び圧力が、セラミック材料の選択及び活性化溶媒の選択等のいくつかの要因によって変わることを認識するであろう。非限定的な1例は、活性化溶媒としての水の使用、及び系を活性化するための100℃を上回る温度を含む。カレンダー加工における圧力の非限定的な例は、直線インチ当たり約100から約1000ポンドの範囲に及んでよい。
【００５９】
一例では、第1のツール面402への或る量の粉末404の適用は、上記の図2A〜図2Dに関連して説明の静電的方法を使用して行ってもよい。上記のように、選択された例では、粉末404への二次粒子の添加を使用して静電的な例において電荷保持を改善することが、有利であるとしてよい。一例では、ポリマー粒子が、電荷を保つことよってコーティングプロセスを促進しうる。一例では、グラファイト、カーボンブラック、グラフェン、フラーレン等などのカーボン粒子によって、電荷を保持する能力の改善を提供することができ、結果としてコーティングプロセスを促進しうる。
【００６０】
一例では、本開示に記載の複合材料の熱膨張率(CTE)は、それぞれの量の冷間焼結セラミック成分及びポリマー第2相成分を選択することによって改変してもよい。複合材料におけるCTEの改変によって、隣接する成分とのCTEの整合を促進して、隣接する成分におけるCTEの不整合によって引き起こされる可能性がある疲労骨折又は他の破損を防止しうる。
【００６１】
選択された例の複合誘電材料を試験して、それらのCTEを決定した。一例では、冷間焼結ハイブリッド材料のCTEをTA instruments社の熱機械分析計TMA Q400を使用して測定し、データをTA instruments社製のUniversal Analysis V4.5Aを使用して解析した。
【００６２】
試料は形状を変えて、TMA Q400装置に適合するように、円の直径13mm、厚さ2mmのペレットを形成した。試料を、一旦TMA Q400に置き、150℃(@20℃/分)に加熱し、その点で水分ストレスを取り除き、次いで-80℃(@20℃/分)に冷却して、実際の熱膨張率測定を開始した。温度にわたって変異が測定される、毎分5℃で-80℃から150℃に試料を加熱した。
【００６３】
次いで、測定データを分析ソフトウェアにロードし、Alpha x1-x2法を使用して熱膨張率を計算した。この方法によって、温度T1から温度T2までの寸法変化を測定したが、次式
【００６４】
【数１】
2019528232.tif 000002
【００６５】
を使用して寸法変化を熱膨張率の値に変換する。
(式中:
ΔL=長さの変化(μm)
ΔT=温度の変化(℃)
L0=試料の長さ(m)
【００６６】
LiMn2O4(LMO)冷間焼結試料においてそれぞれ、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリスチレン(PS)及びポリエステルを含む、3つのポリマーの熱膨張率を、異なるレベルで、TMA Q400を用いて試験した。結果は下のTable 1(表1)
【００６７】
【表１】
2019528232.tif 000003
【００６８】
に見いだすことができる。
【００６９】
図5に、本発明の一実施形態による製造の一方法のフロー図の一例を示す。操作502では、ツール面を第1の電荷で帯電させる。操作504では、冷間易焼結性セラミック粉末を含む、粉末を、第1の電荷と反対の第2の電荷で帯電させる。操作506では、或る量の粉末をツール面と接触させて置き、第1の及び第2の電荷の結果として粉末をツール面上に保持する。操作508では、活性化溶媒を粉末に適用する。最後に、操作510では、粉末及び溶媒に十分な熱及び圧力をかけて、粉末の焼結を活性化する。
【００７０】
図6に、本発明の一実施形態による製造の一方法のフロー図の別例を示す。操作602では、冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末を、第1のツール面と接触させて置く。操作604では、活性化溶媒を粉末に適用する。操作606では、合わせツール面を、第1のツール面と合わせツール面との間に粉末を伴って第1のツール面を覆って置く。操作608では、第1のツール面、合わせツール面、及び粉末を真空バッグ内に置いて、アセンブリを形成する。最後に、操作610では、アセンブリをオートクレーブに置き、粉末及び溶媒に十分な熱及び圧力をかけて、粉末の焼結を活性化する。
【００７１】
図7に、本発明の一実施形態による製造の一方法のフロー図の別例を示す。操作702では、冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末を、平らなキャリアー面上に置いて、積層を形成する。操作704では、活性化溶媒を粉末に適用する。操作706では、1つ又は複数のカレンダーロールを通して積層を走行させる。操作708では、積層に十分な熱及び圧力をかけて、粉末の焼結を活性化する。
【００７２】
図8に、本発明の一実施形態による製造の一方法のフロー図の別例を示す。操作802では、冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末を、射出成形金型ツールに置く。操作804では、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子を、射出成形金型ツールに置く。操作806では、粉末に対して活性化溶媒を射出成形金型ツール内で適用する。操作808では、粉末、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子、及び溶媒に十分な熱及び圧力をかけて、粉末の焼結を活性化する。
【００７３】
選択された例では、本開示に記載の任意の冷間易焼結性セラミック粉末は、加工前に乾燥してもよい。水等の溶媒を選択された例で使用して冷間焼結を促進してよいが、溶媒及び圧力をかける工程の前に、冷間易焼結性セラミック粉末を乾燥させるさらなるプロセスによって、それらに限定されないが、破壊応力、破壊歪み、破壊靱性等を含む機械的特性を改善しうる。
【００７４】
選択された例では、本開示に記載の任意の冷間易焼結性セラミック粉末は、冷間焼結後にアニーリング（アニール、焼きなまし）を施されてよい。選択された例では、アニーリングプロセスは、本開示に記載の冷間焼結セラミック複合体を、冷間焼結後の所与の時間の間ポリマー成分のガラス転移温度(Tg)以上の温度に保つ工程を含んでよい。選択された例では、アニーリングプロセスは、本開示に記載の冷間焼結セラミック複合体を、冷間焼結後の所与の時間の間ポリマー成分の溶融温度(Tm)以上の温度に保つ工程を含んでよい。ガラス転移温度は、一般に、非晶質ポリマー又はポリマーの非晶質成分に適用されうる。溶融温度は、一般に、結晶性若しくは半結晶性ポリマー又はポリマーの結晶性若しくは半結晶性成分に適用されうる。
【００７５】
選択された例では、アニーリングを施す工程によって、冷間焼結セラミック複合体の微細構造を変化させて、ポリマーとセラミックとの間の界面面積を拡大する。選択された例では、アニーリングを施す工程によって、冷間焼結セラミック複合体の微細構造を変化させて、ポリマーの領域を冷間焼結セラミック複合体内のより凝集性の高いポリマー相へとつなげる。例えば、アニーリングされたポリマーは、ガラス転移温度を超えることによって、又は部分的若しくは完全に溶融することによってのいずれかで、流動しうる。ポリマー相中のある程度の流動は、冷間焼結セラミック複合体の機械的特性にプラスに影響を及ぼす可能性がある。
【００７６】
選択された加工技法及び結果として得られる特性を実証するために、いくつかの非限定的な例を下に示し説明する。本開示では、他に特定されない限り、LMOとは、Li2MoO4を指す。例としてLMOが使用されているが、本発明はそのように限定されず、上に開示の焼結がある程度可能なあらゆるセラミックが本発明の範囲内である。
【００７７】
圧裂引張試験
圧裂引張試験法では、円形ディスクを2枚の平らな金属プレートによってその直径に沿って圧縮する。直径に沿った圧縮によって、検体の中央平面において荷重方向に対して垂直である最大引張応力を生じさせる[参考文献を参照されたい。JJ Swabら、Int J Fract(2011) 172: 187〜192]。セラミックの破壊強度(σf)は
【００７８】
【数２】
2019528232.tif 000004
【００７９】
によって計算できる。
【００８０】
式中、Pは破壊荷重、Dは円板の直径、及びtは円板の厚さである。
【００８１】
全ての試験は、5000Nロードセルを備えたElectroPlus(商標)E3000全電動式動的試験装置(Instron社)で室温で行った。検体を2枚の平らな金属プレートの間に載せ、5Nの小さな予荷重を適用した。圧裂引張試験は、変位制御(0.5mm/分)下で行われ、時間、圧縮変位及び荷重データを250Hzで捉えた。
【００８２】
試験前に、全ての検体を黒色スプレー塗料を使用して斑点を付けた。圧裂引張中、斑点を付した面の連続した画像を、INSTRON社のビデオ伸び計AVE(Fujinon 35mm)を使用して50Hzの周波数で捉えた。試験後、全画像をDIC再生ソフトウェア(Instron社)を使用して解析して全視野歪みマップを作成した。横歪み(εx)を各検体の中間平面の6mm×3mm領域で解析し、横歪み(εx)を計算した。最大負荷で破壊歪み(εf)を計算した。
【００８３】
図9A及び図9Bに、圧裂引張試験構成を示す。(9A)圧裂引張下で荷重された検体。矢印は適用された荷重の方向を示す。検体面は黒い塗料で斑点が付してある。(9B)全視野横歪み(εx)マップ。中央平面の長方形の箱は、横歪みが計算された領域を表す。
【実施例】
【００８４】
(実施例A)
LMO/PEI複合体の機械的特性に対する冷間焼結温度の影響。
LMO試料
LMO粉末2gを乳鉢に添加し、ここで、脱イオン水100μl/gを添加した。次いで、結果として生じる混合物を乳棒を使用してペースト様の稠度にすりつぶした。この物質をステンレス鋼金型に添加し、268MPaの圧力及び150℃の温度で30分間、セラミックペレットにプレスする。
【００８５】
LMO/PEI複合体試料
PEI(ULTEM(商標)1010;平均粒径Dv50=15.4μm;分子量=51000g/mol;分子数=21000;Tg=218℃)2gを充填したLMO粉末を乳鉢に添加し、ここで、脱イオン水100μl/gを添加した。次いで、結果として生じる混合物を乳棒を使用してペースト様の稠度にすりつぶした。この物質をステンレス鋼金型に添加し、268MPaの圧力及び150℃の温度で30分間、セラミックペレットにプレスする。同じプロセスを繰り返し、それぞれ1つのペレットを180、200及び240℃の温度でも作製した。150、180、200及び240℃でのセラミックポリマー複合体の微細構造を図10に示す。圧裂引張試験から得られた機械的特性をTable 1(表2)
【００８６】
【表２】
2019528232.tif 000005
【００８７】
に示す。GPC分析から得られたポリマーの分子量及び分子数をTable 2(表3)
【００８８】
【表３】
2019528232.tif 000006
【００８９】
に列挙する。
【００９０】
図10に、150、180、200及び240℃でのLMO/PEI複合体の光学顕微鏡観察及びSEM顕微鏡観察を示す。
【００９１】
(実施例B)
LMO/PEI複合体の分子量及び微細構造に対するポリマーのTgより高い温度での熱処理の影響。
LMO/PEI複合体試料
PEI(ULTEM(商標)1010;平均粒径Dv50=1μm)2gを充填したLMO粉末を乳鉢に添加し、ここで、脱イオン水100μl/gを添加した。次いで、結果として生じる混合物を乳棒を使用してペースト様の稠度にすりつぶした。この物質をステンレス鋼金型に添加し、268MPaの圧力及び120℃の温度で30分間、セラミックペレットにプレスする。2つのペレットは、それぞれ10vol%のULTEM(商標)1010と90vol%のLMOとを使用して作製した。1つのペレットをオーブンに240℃で1時間置いた。分子量で解析した場合の両方のペレット。熱処理及び非熱処理(対照)のGPC結果をTable 3(表4)
【００９２】
【表４】
2019528232.tif 000007
【００９３】
に列挙する。結果が示したところによれば、ULTEM(商標)1010の分子量の著しい低下(>85%)をもたらした240℃での冷間焼結とは異なり、240℃でのオーブンでの熱処理によって分子量においてより小さい<5%の変化がもたらされた。
【００９４】
LMO/PEI複合体試料
PEI(ULTEM(商標)1010;平均粒径Dv50=1μm)2gを充填したLMO粉末を乳鉢に添加し、ここで、脱イオン水100μl/gを添加した。次いで、結果として生じる混合物を乳棒を使用してペースト様の稠度にすりつぶした。この物質をステンレス鋼金型に添加し、268MPaの圧力及び120℃の温度で30分間、セラミックペレットにプレスする。1つのペレットを、40vol%(21.7wt%)のULTEM(商標)1010と60vol%のLMOとを使用して作製した。試料を液体窒素中で破砕し、半分をオーブン中260℃で1時間熱処理した。アニーリングを施す工程の後、破断面の両半分をSEMの下で撮像し、比較した。結果として得られる画像が図11に示されているが、ポリマー粒子の形態が120℃で球状形態から260℃で溶融様形態へと明らかに変化したことを実証している。
【００９５】
図11に、120℃での冷間焼結により作製された(左)LMO/PEI複合体を示す。(右)260℃でアニーリングを施された試料の半分。複合体は、60%volのLMO及び40%volのULTEM(商標)1010である。
【００９６】
(実施例C)
LMO及びLMO/PEI複合体の機械的特性に対する乾燥の影響。
LMO試料
LMO粉末2gを乳鉢に添加し、ここで、脱イオン水100μl/gを添加した。次いで、結果として生じる混合物を乳棒を使用してペースト様の稠度にすりつぶした。この物質をステンレス鋼金型に添加し、268MPaの圧力及び150℃の温度で30分間、セラミックペレットにプレスする。一方のペレットをそのまま試験し、他方を125℃で一晩乾燥して水分を除去し、次いで圧裂引張下で試験した。
【００９７】
LMO/PEI複合体試料
PEI(ULTEM(商標)1010;平均粒径Dv50=15.4μm;分子量=51000g/mol;分子数=21000;Tg=218℃)2gを充填したLMO粉末を乳鉢に添加し、ここで、脱イオン水100μl/gを添加した。次いで、結果として生じる混合物を乳棒を使用してペースト様の稠度にすりつぶした。この物質をステンレス鋼金型に添加し、268MPaの圧力及び240℃の温度で30分間、セラミックペレットにプレスする。一方のペレットをそのまま試験し、他方を125℃で一晩乾燥して水分を除去した。圧裂引張試験の結果をTable 4(表5)
【００９８】
【表５】
2019528232.tif 000008
【００９９】
に示す。
【０１００】
(実施例D)
の機械的特性に対する焼結圧力の影響
LMO/PEI複合体試料
PEI(ULTEM(商標)1010;平均粒径Dv50=15.4μm;分子量=51000g/mol;分子数=21000;Tg=218℃)2gを充填したLMO粉末を乳鉢に添加し、ここで、脱イオン水100μl/gを添加した。次いで、結果として生じる混合物を乳棒を使用してペースト様の稠度にすりつぶした。この物質をステンレス鋼金型に添加し、134MPa、268MP又は402MPaの圧力及び240℃の温度で30分間、セラミックペレットにプレスする。4つのペレットを134MPaの圧力で作製し、2つのペレットを268MPaの圧力で作製し、そして3つのペレットを402MPaの圧力で作製した。全てのペレットをオーブン中125℃で一晩乾燥した。圧裂引張試験の結果をTable 5(表6)
【０１０１】
【表６】
2019528232.tif 000009
【０１０２】
に示す。268MPaの圧力で冷間焼結したLMO/PEI複合体は、134及び402MPaの圧力で作製した試料と比べて、最も高い平均破壊応力及び平均破壊歪みを呈することが、実証された。
【０１０３】
(実施例E)
例5: LMO/PEI複合体の機械的特性に対するポリマーvol%の変化の影響。
LMO試料
LMO粉末2gを乳鉢に添加し、ここで、脱イオン水100μl/gを添加した。次いで、結果として生じる混合物を乳棒を使用してペースト様の稠度にすりつぶした。この物質をステンレス鋼金型に添加し、268MPaの圧力及び150℃の温度で30分間、セラミックペレットにプレスする。LMOペレットをオーブン中125℃で一晩乾燥し、圧裂引張下で試験した。
【０１０４】
LMO/PEI複合体試料
PEI(ULTEM(商標)1010;平均粒径Dv50=15.4μm;分子量=51000g/mol;分子数=21000;Tg=218℃)2gを充填したLMO粉末を乳鉢に添加し、ここで、脱イオン水100μl/gを添加した。次いで、結果として生じる混合物を乳棒を使用してペースト様の稠度にすりつぶした。この物質をステンレス鋼金型に添加し、268MPaの圧力及び240℃の温度で30分間、セラミックペレットにプレスする。ペレットをオーブン中125℃で一晩乾燥した。圧裂引張試験の結果をTable 6(表7)
【０１０５】
【表７】
2019528232.tif 000010
【０１０６】
及び図16に示す。
【０１０７】
(実施例F)
LMO/PEI複合体の機械的特性に対するポリマー粒径の影響。
LMO試料
LMO粉末2gを乳鉢に添加し、ここで、脱イオン水100μl/gを添加した。次いで、結果として生じる混合物を乳棒を使用してペースト様の稠度にすりつぶした。この物質をステンレス鋼金型に添加し、268MPaの圧力及び150℃の温度で30分間、セラミックペレットにプレスする。LMOペレットをオーブン中125℃で一晩乾燥し、圧裂引張下で試験した。
【０１０８】
LMO/PEI複合体試料
PEI(ULTEM(商標)1010)2gを充填したLMO粉末を乳鉢に添加し、ここで、脱イオン水100μl/gを添加した。2つの異なる平均粒径を有するPEIを使用した。大きいPEIは、体積平均粒子径Dv50=15.4μm及び数平均径Dn50=1.8μmを有する球状粒子と定義される。小さいPEIは、体積平均粒子径Dv50=1.4μm及び数平均粒径Dn50=18.7nmを有する球状粒子と定義される。次いで、結果として生じる混合物を乳棒を使用してペースト様の稠度にすりつぶした。この物質をステンレス鋼金型に添加し、268MPaの圧力及び180℃の温度で30分間、セラミックペレットにプレスする。ペレットをオーブン中125℃で一晩乾燥した。圧裂引張試験の結果をTable 7(表8)
【０１０９】
【表８】
2019528232.tif 000011
【０１１０】
に示す。
【０１１１】
(実施例G)
マルチ-検体の冷間焼結
LMO試料
LMO粉末6gを乳鉢に添加し、ここで、脱イオン水100μl/gを添加した。次いで、結果として生じる混合物を乳棒を使用してペースト様の稠度にすりつぶした。LMO脱イオン水混合物2gを、混合物の上下にステンレス鋼金型ペレット1804を備えるステンレス鋼金型1808に添加した。LMO脱イオン水混合物の別の2gをステンレス鋼金型1808に添加し、別のステンレス鋼金型ペレット1804をその上面に挿入した。最後に、LMO脱イオン水混合物の別の2gをステンレス鋼金型に添加し、ステンレス鋼金型ペレット1804をその上面に挿入し、積層全体を268MPaの圧力及び180℃の温度で30分間プレスした(図18)。各試料とスチール金型ペレットとの間に、直径13mm、厚さ125ミクロンのポリイミドフィルム(Dupont(商標)社のKapton(登録商標)HN)を挿入した。各ペレットの結果として得られる密度をTable 8(表9)
【０１１２】
【表９】
2019528232.tif 000012
【０１１３】
に列挙し、同じ温度で作製した単一LMOペレットと比較した。
【０１１４】
図12に、複数の冷間焼結パーツを調製するための上記の構成の一例を示す。いくつかの成分1802がブロック図形式で示されており、いくつかの金型ペレット1804によって隔てられている。
【０１１５】
(実施例H)
ミルにかけたセラミック対ミルにかけていないセラミック
到着したままのLMOは>100μmのd50を有するが、ミルにかけたLMOははるかに小さいd50(<30μm)を有する。ミルにかけた種類は、高密度(>95%)を得るために、ミルにかけていない種類より圧力がはるかに少なくてすむ。したがって、圧力依存性は粒径の関数と思われる。
【０１１６】
下のTable 9に、120℃及びミルにかけた及びミルにかけてないセラミックを含む100μl/g溶媒での適用圧力の関数としての、Li2MoO4に関する相対密度を示す。
【表１０】
2019528232.tif 000013
【０１１７】
冷却中の圧力の影響
【０１１８】
LMO-PEI複合体において、冷却中に圧力を維持することによって、冷却中に圧力無しを維持することに対して、より高い相対密度をもたらした。図14に、240℃で焼結した、10vol%及び40vol%PEIのLMOに関するデータを示す。Table 11(表11)
【０１１９】
【表１１】
2019528232.tif 000014
【０１２０】
に、240℃での相対密度に対する冷却条件及び溶媒含有量の影響を示す。図15に、図14及びTable 11(表11)の試験からのLMO/PEI複合体のSEM顕微鏡写真を示す。
【０１２１】
図13に、a)120℃で冷間焼結とb)260℃で冷間焼結及びアニーリングとの間の微細構造の変化を例示する。一例では、図13b)に示すアニーリングによって、アニーリングの結果としてのポリマーの流れが示され、これによって、複合材料の機械的特性を改善しうる。
【０１２２】
本明細書に開示の方法及び装置をよりよく例示するために、実施形態の非限定的なリストをここに提供する。
【０１２３】
例1は、焼結セラミック複合成分を形成する方法を含む。方法は、冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末を金型に置く工程と、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子を金型に置く工程と、金型の粉末に対して活性化溶媒を適用する工程と、第1の温度に加熱し、且つ粉末、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子及び溶媒に十分な圧力をかけて、粉末の焼結を活性化する工程と、第2の温度に加熱し、焼結セラミック複合成分のポリマー相にアニーリングを施す工程と、を含む。
【０１２４】
例2は、例1の方法を含み、この場合、第2の温度は、非晶質ポリマー相のガラス転移温度以上である。
【０１２５】
例3は、例1又は2の方法を含み、この場合、第2の温度は半結晶性ポリマー相の溶融温度以上である。
【０１２６】
例4は、例1〜3のいずれか一つの方法を含み、室温に冷却しながら焼結セラミック複合成分を圧力に保つ工程を更に含む。
【０１２７】
例5は、例1〜4のいずれか一つの方法を含み、この場合、ポリマー相はポリエーテルイミド(PEI)を含む。
【０１２８】
例6は、例1〜5のいずれか一つの方法を含み、この場合、冷間易焼結性セラミック粉末は酸化亜鉛を含む。
【０１２９】
例7は、例1〜6のいずれか一つの方法を含み、この場合、粉末に十分な圧力をかける工程は500MPa以下の圧力をかける工程を含む。
【０１３０】
例8は、例1〜7のいずれか一つの方法を含み、この場合、第1の温度に加熱する工程は200℃以下且つ活性化溶媒の沸点を超える温度に加熱する工程を含む。
【０１３１】
例9は、例1〜8のいずれか一つの方法を含み、この場合、第2の温度に加熱する工程は、約220から260℃間の温度に加熱する工程を含む。
【０１３２】
例10は、例1〜9のいずれか一つの方法を含み、この場合、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子を金型に置く工程は、焼結セラミック複合成分中にポリマーの20%〜50%体積分率が得られるように、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子を置く工程を含む。
【０１３３】
例11は、例1〜10のいずれか一つの方法を含み、焼結前に或る量の粉末を乾燥させる工程を更に含む。
【０１３４】
例12は、例1〜11のいずれか一つの方法を含み、焼結後に焼結セラミック複合成分を乾燥させる工程を更に含む。
【０１３５】
例13は、例1〜12のいずれか一つの方法を含み、この場合、冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末を金型に置く工程は、30μmより小さい平均直径を有する粉末を置く工程を含む。
【０１３６】
例14は、例1〜13のいずれか一つの方法を含み、この場合、複数の成分が単一の金型内に積層され、十分な熱及び圧力が複数の成分に同時に適用される。
【０１３７】
例15は、複合材料物体を含む。複合材料物体は、実質的に中実の焼結セラミックシェル、及び焼結セラミックシェル内のポリマーコアを含む。
【０１３８】
例16は、例15の複合材料物体を含み、この場合、実質的に中実の焼結セラミックシェルは、ある程度の独立気泡気孔性と、焼結微細構造の独立気泡の少なくとも一部内に分散相ポリマーとを含む、焼結微細構造を有する。
【０１３９】
例17は、例15又は16の複合材料物体を含み、この場合、分散相ポリマーはポリプロピレンを含む。
【０１４０】
例18は、例15〜17のいずれか一つの複合材料物体を含み、この場合、ポリマーコアは熱可塑性ポリマーコアである。
【０１４１】
例19は、例15〜18のいずれか一つの複合材料物体を含み、この場合、ポリマーコアは熱硬化性ポリマーコアである。
【０１４２】
例20は、例15〜19のいずれか一つの複合材料物体を含み、この場合、ポリマーコアは半結晶性ポリマーコアである。
【０１４３】
例21は、例15〜20のいずれか一つの複合材料物体を含み、この場合、ポリマーコアは非晶質ポリマーコアである。
【０１４４】
例22は、例15〜21のいずれか一つの複合材料物体を含み、この場合、ポリマーはポリプロピレンを含む。
【０１４５】
例23は、焼結セラミック成分を形成する方法を含む。方法は、ツール面を第1の電荷で帯電させる工程と、冷間易焼結性セラミック粉末を含む、粉末を、第1の電荷と反対の第2の電荷で帯電させる工程と、或る量の粉末をツール面と接触させて置く工程と、第1の及び第2の電荷の結果として粉末をツール面上に保持する工程と、活性化溶媒を粉末に適用する工程と、粉末及び溶媒に十分な熱及び圧力をかけて、粉末の焼結を活性化する工程と、を含む。
【０１４６】
例24は、例23の方法を含み、この場合、粉末を帯電させる工程は、易焼結性セラミック粉末とポリマー粉末との粉末混合物を帯電させる工程を含む。
【０１４７】
例25は、例23又は24の方法を含み、この場合、粉末を帯電させる工程は、易焼結性セラミック粉末と、ポリマー粉末と、炭素粉末との粉末混合物を帯電させる工程を含む。
【０１４８】
例26は、例23〜25のいずれか一つの方法を含み、この場合、活性化溶媒を粉末に適用する工程は、霧状の活性化溶媒を粉末に適用する工程を含む。
【０１４９】
例27は、例23〜26のいずれか一つの方法を含み、この場合、活性化溶媒を粉末に適用する工程は、気相活性化溶媒を粉末に適用する工程を含む。
【０１５０】
例28は、例23〜27のいずれか一つの方法を含み、この場合、活性化溶媒を粉末に適用する工程は、水を粉末に適用する工程を含む。
【０１５１】
例29は、例23〜28のいずれか一つの方法を含み、この場合、水を粉末に適用する工程は、粉末を或る程度の時間、周囲の湿度よりも高くへとさらす工程を含む。
【０１５２】
例30は、例23〜29のいずれか一つの方法を含み、この場合、ツール面を帯電させる工程は、射出成形金型の内面を帯電させる工程を含む。
【０１５３】
例31は、例23〜30のいずれか一つの方法を含み、ポリマーを射出成形金型に注入してポリマーコアを有する焼結セラミックシェルを形成する工程を更に含む。
【０１５４】
例32は、例23〜31のいずれか一つの方法を含み、この場合、十分な熱及び圧力をかける工程は真空バッグ成分をオートクレーブにかける工程を含む。
【０１５５】
例33は、例23〜32のいずれか一つの方法を含み、この場合、十分な熱及び圧力をかける工程は、キャリアー面と粉末の層を含む積層をカレンダー加工する工程を含む。
【０１５６】
例34は、焼結セラミック成分を形成する方法を含む。方法は、冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末を第1のツール面と接触させて置く工程と、活性化溶媒を粉末に適用する工程と、合わせツール面を、第1のツール面と合わせツール面との間に粉末を伴って第1のツール面を覆って置く工程と、第1のツール面、合わせツール面、及び粉末を真空バッグ内に置いて、アセンブリを形成する工程と、アセンブリをオートクレーブに置く工程と、粉末及び溶媒に十分な熱及び圧力をかけて、粉末の焼結を活性化する工程と、を含む。
【０１５７】
例35は、例34の方法を含み、この場合、或る量の粉末を第1のツール面と接触させて置く工程は、平らなツール面上に置く工程を含む。
【０１５８】
例36は、例34又は35の方法を含み、この場合、或る量の粉末を第1のツール面と接触させて置く工程は、湾曲したツール面上に置く工程を含む。
【０１５９】
例37は、例34〜36のいずれか一つの方法を含み、この場合、或る量の粉末を第1のツール面と接触させて置く工程は、易焼結性セラミック粉末とポリマー粉末との粉末混合物を置く工程を含む。
【０１６０】
例38は、焼結セラミック成分を形成する方法を含む。方法は、冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末を平らなキャリアー面上に置いて積層を形成する工程と、活性化溶媒を粉末に適用する工程と、1つ又は複数のカレンダーロールを通して積層を走行させる工程と、積層に十分な熱及び圧力をかけて、粉末の焼結を活性化する工程と、を含む。
【０１６１】
例39は例38の方法を含み、この場合、或る量の粉末を平らなキャリアー上に置く工程は、易焼結性セラミック粉末とポリマー粉末との粉末混合物を置く工程を含む。
【０１６２】
例40は、例38又は39の方法を含み、この場合、或る量の粉末を平らなキャリアー上に置く工程は、平らなキャリアー面を第1の電荷で帯電させる工程、及び粉末を第1の電荷と反対の第2の電荷で帯電させる工程を含む。
【０１６３】
例41は、例38〜40のいずれか一つの方法を含み、この場合、粉末を第1の電荷と反対の第2の電荷で帯電させる工程は、易焼結性セラミック粉末とポリマー粉末との粉末混合物を帯電させる工程を含む。
【０１６４】
例42は、例38〜41のいずれか一つの方法を含み、この場合、粉末を第1の電荷と反対の第2の電荷で帯電させる工程は、易焼結性セラミック粉末と、ポリマー粉末と、炭素粉末との粉末混合物を帯電させる工程を含む。
【０１６５】
例43は、焼結セラミック成分を形成する方法を含む。方法は、冷間易焼結性セラミック粉末を含む、或る量の粉末を射出成形金型ツールに置く工程と、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子を射出成形金型ツールに置く工程と、射出成形金型ツール内の粉末に対して活性化溶媒を適用する工程と、粉末、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子、及び溶媒に、十分な熱及び圧力をかけて、粉末の焼結を活性化する工程と、を含む。
【０１６６】
例44は、例43の方法を含み、この場合、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子を射出成形金型ツールに置く工程は、或る量の熱可塑性ポリマーを射出成形金型ツールに置く工程を含む。
【０１６７】
例45は、例43又は44の方法を含み、この場合、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子を射出成形金型ツールに置く工程は、或る量の樹脂を射出成形金型ツールに置く工程を含み、且つ、粉末、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子、及び溶媒に、十分な熱及び圧力をかける工程は、十分な熱及び圧力をかけて或る量の樹脂を重合させる工程を含む。
【０１６８】
例46は、例43〜45のいずれか一つの方法を含み、この場合、第1の温度及び圧力をかけて粉末の焼結を活性化し、且つ第2の温度及び圧力をかけて或る量の樹脂の重合を活性化する。
【０１６９】
例47は、例43〜46のいずれか一つの方法を含み、この場合、或る量のポリマー又はポリマー前駆体分子を射出成形金型ツールに置く工程は、スクリューラムを使用して或る量の部分硬化ポリマーを射出成形金型ツール内に注入する工程を含む。
【０１７０】
本セラミック複合デバイス、材料、及び関連する方法のこれらの及び他の例並びに特徴は、上の詳細な説明において一部は記載されているであろう。この概要は、本主題の非限定的な例を提供することを意図するものであり、それは、排他的又は網羅的な説明を提供することを意図するものではない。
【０１７１】
上の詳細な説明は、詳細な説明の一部を形成する添付の図面への参照を含む。図面は、例示のために、本発明が実施をされうる特定の実施形態を示す。これらの実施形態は、本明細書において「例」とも称される。このような例は、示された又は説明された要素以外の要素を含んでもよい。ただし、本発明者は、示された又は説明された要素のみが提供される例も企図する。更に、本発明者は、本明細書において示された若しくは説明された、特定の例(又は、その1つ若しくは複数の態様)に関してであれ、又は他の例(又は、その1つ若しくは複数の態様)に関してであれ、示された又は説明された要素の任意の組合せ又は入替(又は、その1つ若しくは複数の態様)を使用する例も企図する。
【０１７２】
本文書においては、用語「1つの(a)」又は「1つの(an)」は、特許文献において一般的であるように、「少なくとも1つの」又は「1つ又は複数の」という任意の他の例又は使用法とは独立して、1つ又は2つ以上を含めるために使用される。本文書においては、用語「又は(or)」とは、別段の指定がなければ、非排他的であること、又は、「A又はB(A or B)」が「BではなくA(A but not B)」、「AではなくB(B but not A)」及び「A及びB(A and B)」を含むことを、指すために使用される。本文書においては、用語「含む(including)」及び「における(in which)」とは、用語「含む(comprising)」及び「における(wherein)」それぞれのわかりやすい英語の均等表現として使用される。また、以下の請求項においては、用語「含む(including)」及び「含む(comprising)」とは、オープンエンドであって、即ち、請求項において当該用語の後に記載されたものに加えて、更に要素を含む系、デバイス、物品、組成物、製剤若しくはプロセスは、当該請求項の範囲内に収まると依然として見なされる。更には、以下の請求項においては、用語「第1の(first)」、「第2の(second)」及び「第3の(third)」等は単なるラベルとして使用されるにすぎず、それらの対象物に数値的要件を課すことを意図するものではない。
【０１７３】
上の説明は、例示的なものであって、限定することを意図するものではない。例えば、上記の例(又は、その1つ若しくは複数の態様)は、互いに組み合わせて使用されてもよい。上の説明を再考することによって、例えば当業者によって他の実施形態が使用することができる。要約書は、読者が技術的な開示内容の本質を迅速に確認することができるように、提供されている。要約書は、特許請求の範囲の範囲又は意味を解釈又は限定するために要約書が使用されないという理解の下で、提出されている。また、上の発明を実施するための形態において、様々な特徴は、本開示内容の無駄をなくすように一緒にくくられていることがある。このことは、特許請求の範囲に記載されていない開示された特徴が任意の請求項に対して必須であることを意図すると解釈されるべきではない。むしろ、発明の主題は、特定の開示された実施形態の全ての特徴に満たないところに存在しうる。したがって、下記の特許請求の範囲は、各請求項をそれ自体が別個の実施形態であるものとして、発明を実施するための形態に援用され、このような実施形態は、様々な組合せ又は入替において互いに組み合わされてもよいと考えられる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に与えられる均等物の完全な範囲と共に、添付の特許請求の範囲への参照により決定されるべきものである。
【符号の説明】
【０１７４】
100  粉末粒子の混合物
101  複合材料
102  セラミック粒子
103  焼結領域
104  空隙
105  気孔
106  接触点
107  接合領域
108  活性化溶媒
110  二次粒子
111  分散相
202  第1のツール
204  第1のツール面
206  合わせツール
208  合わせツール面
214  コーティング
218  コーティング
220  内部空間
222  ポリマーコア
230  複合材料物体
300  製造系
302  第1のツール面
304  或る量の粉末
306  合わせツール面
308  真空バッグ
310  オートクレーブ
312  アセンブリ
400  製造系
402  第1のツール面
404  或る量の粉末
405  積層
406  第1のカレンダーロール
408  第2のカレンダーロール
410  ディスペンサ
412  或る量の活性化溶媒
1802  成分
1804  ステンレス鋼金型ペレット
1808  ステンレス鋼金型
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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