(57)【要約】【課題】充分な強度と耐熱衝撃性を有する深くて細い櫛歯状流路を持ったマイクロリアクターとその製造方法を提供する。【解決手段】β分率が30〜100％、酸素量が0.5ｗｔ％以下、平均粒子径が0.2〜10μm及びアスペクト比が10以下である窒化ケイ素質粉末１〜50重量部と、平均粒子径が0.2〜４μmのα型窒化ケイ素粉末99〜50重量部とを配合し、これに焼結助剤、潤滑剤等のバインダーを添加し、混連して坏土となし、当該坏土を用いてフィン部の幅(a)、溝部の幅(b)、フィン部及び溝部の高さ(H)としたとき、0.1≦a、b≦1.0mm、a/b=0.1〜1、H/b=2〜20の関係にある櫛歯状流路を有し、両端が開放された箱型の成形体を押出し成形し、この成形体を焼結して焼結体となし、両端の壁材を接着してなることを特徴とする櫛歯状通路を有するセラミック焼結体の製造方法。【選択図】      図２
2004202813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基体内にフィン部と溝部からなる櫛歯状の流路を備えた櫛歯状通路を有するセラミック焼結体の製造方法であって、β分率が30〜100％、酸素量が0.5ｗｔ％以下、平均粒子径が0.2〜10μm及びアスペクト比が10以下である窒化ケイ素質粉末１〜50重量部と、平均粒子径が0.2〜４μmのα型窒化ケイ素粉末99〜50重量部とを配合し、これに焼結助剤、潤滑剤等のバインダーを添加し、混連して坏土となし、当該坏土を用いてフィン部の幅(a)、溝部の幅(b)、フィン部及び溝部の高さ(H)としたとき、0.1≦a、b≦1.0mm、a/b=0.1〜1、H/b=2〜20の関係にある櫛歯状流路を有し、両端が開放された箱型の成形体を押出し成形し、この成形体を焼結して焼結体となしたことを特徴とする櫛歯状通路を有するセラミック焼結体の製造方法。
【請求項２】
絶縁基体にフィン部と溝部からなる櫛歯状の流路を備えた櫛歯状通路を有するセラミック焼結体の製造方法であって、β分率が30〜100％、酸素量が0.5ｗｔ％以下、平均粒子径が0.2〜10μm及びアスペクト比が10以下である窒化ケイ素質粉末１〜50重量部と、平均粒子径が0.2〜４μmのα型窒化ケイ素粉末99〜50重量部とを配合し、これに焼結助剤、潤滑剤等のバインダーを添加し、混連してスラリーとなし、当該スラリーを用いてグリーンシートを成形し、このグリーンシートの上に細長い貫通溝を複数列にわたって形成したグリーンシートを複数枚積層し、前記貫通溝が積層された結果、フィン部の幅(a)、溝部の幅(b)、フィン部及び溝部の高さ(H)としたとき、0.1≦a、b≦1.0mm、a/b=0.1〜1、H/b=2〜20の関係にある櫛歯状流路を形成し、この成形体を焼結して焼結体となしたことを特徴とする櫛歯状通路を有するセラミック焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、櫛歯状の流路を備えたセラミック焼結体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、いわゆるマイクロリアクターと称される装置がファインケミカル分野、バイオケミカル分野等で用いられるようになり、大きな発展を遂げている。マイクロリアクターは、マイクロスケールの複数の流路（チャンネル）を有する反応装置を一般に総称するものであり、たとえば二種類の液体が異なる流路を通る間に、極めて薄い液膜として互いに接触することにより、その間に層の界面を通して物質移動が行われ反応が生ずるが、このときの反応装置として用いられる。また、マイクロリアクターは化学反応だけでなく、２種以上の液体を混合したりあるいは分離を行うことにも利用される。
マイクロリアクターの基材としては、金属、シリコン、石英、ガラス、セラミックスまたはプラスチックスなどが用いられ、マイクロ流路を作製する微細加工技術としては、Ｘ線リソグラフィ法、マイクロ放電加工法、レーザ加工法及びマイクロ工具を用いた機械的マイクロ切削加工法などがある。なお、細い溝状の流路を形成した後は、必要に応じてカバーを装着し溝状の流路を管状の流路となし、液体流路、流路状反応槽、分離用チャンネルなどとして用いられる。
【０００３】
例えば、特許文献１では感熱記録材料に用いるマイクロカプセル製造において、マイクロカプセルの製造工程の一工程である乳化分散工程とその後のマイクロカプセル化の工程で、等価直径が1mm以下の複数の流路を有するマイクロリアクターを用いる技術が開示されている。
また、反応場所が非常に小さい空間であるので高温・高圧の反応場が容易に形成され得る。このような用途においては機械的強度に優れ、かつ熱伝導性の優れた材質を用いることが好ましい。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２８２６７９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロリアクターの流路の形態として、例えばフィン部分と溝部分とを交互に設けて断面櫛歯状の流路としたものがある。フィン幅ならびに溝幅を数百μｍ以下と狭いピッチで形成し、そのフィン高さを出来るだけ高くすれば、小さな体積のマイクロリアクター内に長い流路が確保でき、かつ流路の断面積も大きくすることができるので、反応の活性度が高く、かつ処理量の大きなマイクロリアクターを作製することができる。しかしながら、このように細くて深い（高い）フィン部分を連続して形成することは困難を伴う。特に高温・高圧サイクルを受けるような場合は、隔壁となるフィンの強度と共に耐熱衝撃性等が問題となる。
従来、基材をセラミックスで構成しうることの開示はあるが、具体的に高い強度と耐熱衝撃性を満足する材料に言及した例は見当たらない。通常セラミックスにおいて数百μmオーダの櫛歯を形成することには限界がある。上記した加工手段のうち可能な方法はマイクロ切削加工法である。この場合、溝を切削加工するのであるが困難な切削でありフィンの欠損やチッピングが発生しやすく問題がある。
以上のことより高い強度と耐熱衝撃性を満足すると共に量産性に優れたマイクロリアクター等に適用される櫛歯状通路を有するセラミックス焼結体の製造方法が求められていた。
【０００６】
本発明は、このような問題を解消するもので、深くて細いフィンでありながら充分な強度と耐熱衝撃性を有するマイクロリアクター等に適用可能な櫛歯状通路を有するセラミック焼結体の製造方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、絶縁基体内にフィン部と溝部からなる櫛歯状の流路を備えた櫛歯状通路を有するセラミック焼結体の製造方法であって、β分率が30〜100％、酸素量が0.5ｗｔ％以下、平均粒子径が0.2〜10μm及びアスペクト比が10以下である窒化ケイ素質粉末１〜50重量部と、平均粒子径が0.2〜４μmのα型窒化ケイ素粉末99〜50重量部とを配合し、これに焼結助剤、潤滑剤等のバインダーを添加し、混連して坏土となし、当該坏土を用いてフィン部の幅(a)、溝部の幅(b)、フィン部及び溝部の高さ(H)としたとき、0.1≦a、b≦1.0mm、a/b=0.1〜1、H/b=2〜20の関係にある櫛歯状流路を有し、両端が開放された箱型の成形体を押出し成形し、この成形体を焼結して焼結体となした櫛歯状通路を有するセラミック焼結体の製造方法である。
【０００８】
また本発明は、絶縁基体にフィン部と溝部からなる櫛歯状の流路を備えた櫛歯状通路を有するセラミック焼結体の製造方法であって、β分率が30〜100％、酸素量が0.5ｗｔ％以下、平均粒子径が0.2〜10μm及びアスペクト比が10以下である窒化ケイ素質粉末１〜50重量部と、平均粒子径が0.2〜４μmのα型窒化ケイ素粉末99〜50重量部とを配合し、これに焼結助剤、潤滑剤等のバインダーを添加し、混連してスラリーとなし、当該スラリーを用いてグリーンシートを成形し、このグリーンシートの上に細長い貫通溝を複数列にわたって形成したグリーンシートを複数枚積層し、前記貫通溝が積層された結果、フィン部の幅(a)、溝部の幅(b)、フィン部及び溝部の高さ(H)としたとき、0.1≦a、b≦1.0mm、a/b=0.1〜1、H/b=2〜20の関係にある櫛歯状流路を形成し、この成形体を焼結して焼結体となした櫛歯状通路を有するセラミック焼結体の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明による櫛歯状通路を有するセラミック焼結体は、窒化ケイ素質焼結体を絶縁基体に用いたものである。この焼結体については、中でも焼結体に含有するMgを酸化マグネシウム（MgO）換算し、また含有するLa、YおよびYbを含む希土類元素（RE）から選択される少なくとも１種の元素を酸化物（REｘOｙ）換算し、それら酸化物換算含有量の合計が0.6〜７ｗｔ％である窒化ケイ素焼結体からなるものである。これにより安定して80W/(m・K)以上の熱伝導率と600MPa以上の曲げ強度を有し高強度、高耐熱衝撃性の基体となる。このときフィン部の幅(a)と溝部の幅(b)及びこれらの高さ(H)が、0.1≦a、b≦1.0mm、a/b=0.1〜1、H/b=2〜20の関係の関係にある、細くて深いフィン部であっても欠陥なく加工できる。例えば、図１に示すようなフィン部の幅a=0.25mm、溝部の幅b=0.25mm、ピッチ0.5mmで高さH=2.0mm、の櫛歯を48列にわたって、その溝部をマイクロ切削加工により切削することによって形成したが、フィン部欠損や途中にチッピング等が生じることはなかった。尚、流路の長さは限定されるものではないが、ここでは正方形の箱型のものを作製した。
【００１０】
窒化ケイ素質焼結体からなる絶縁基材は、酸化物換算含有量の合計が0.6ｗｔ％未満では焼結時の緻密化作用が不十分で相対密度が95％未満となり好ましくない。他方７ｗｔ％以上では窒化ケイ素質焼結体の第２のミクロ組織成分である熱伝導率の低い粒界相の量が過剰となり焼結体の熱伝導率が80W/(m・K)未満になるので好ましくない。これら窒化ケイ素質含有量の合計は0.6〜４ｗｔ％がより好ましい。この窒化ケイ素質焼結体によれば常温における熱伝導率が100〜300W/（m・K）であり、常温における３点曲げ強度が600〜1500MPaの高強度・高熱伝導性に富んでいる。よって、数百μｍオーダのフィンを数ミリ深さにわたって形成することが可能となるし、熱サイクルによる熱衝撃に対しても強いものが得られる。
【００１１】
また、前記窒化ケイ素質焼結体は、含有するMgを酸化マグネシウム（MgO）換算し、また含有するLa、YおよびYbを含む希土類元素（RE）から選択される少なくとも１種の元素を酸化物（REｘOｙ）換算し、それら酸化物換算含有量の合計が0.6〜７ｗｔ％であり、かつMgO／RExOyで表される重量比が１〜70である場合に、特に高強度・高熱伝導性が向上する。（MgO／REｘOｙ）（重量比）が１未満では、粒界相中の希土類酸化物の割合が増大するため焼結過程で液相線温度が上昇し難焼結性となり緻密な焼結体が得られない。他方（MgO／REｘOｙ）（重量比）が70以上では、焼成時におけるMgの拡散を抑制することができず焼結体表面に色むらの発生を生じる。MgO／RExOy（重量比）が１〜70の範囲にある場合、1650〜1850℃の焼結温度で成形体を予備焼成し、次いで1850〜1900℃の熱処理を行うと高熱伝導化が顕著になり120w/(m・K)を超える窒化ケイ素質焼結体を得られ特に好ましい。この熱処理による高熱伝導化は窒化ケイ粒子の成長と、蒸気圧の高いMgO基とした粒界相成分が効率よく窒化ケイ素質焼結体外へ揮発することの複合効果による。
【００１２】
次に、本発明の櫛歯状通路を有するセラミック焼結体の製造方法について説明する。
本発明の製造方法は量産レベルの生産性に重点を置いている。即ち、第1の製造方法は押出し成形の手段を用いるものである。下記する材料を用いた押出し成形によれば櫛歯状の流路を構成する多数の隔壁を等ピッチで容易に作製することが可能である。
図２は製造過程の概略を示すフロー図である。まず、下記する窒化ケイ素質焼結体の原料粉末にバインダーと潤滑剤を添加し、水を加えて混練し坏土となし、この坏土を用いて押出し成形し、所定の櫛歯状成形体を作製する。これによって、図２（ａ）に示す両端が開放され内部に多数の隔壁を有する箱状の成形体が得られる。これを乾燥させた後1750〜1900℃、0.9MPa（９気圧）の窒素ガス雰囲気中で５時間焼成し燒結体（ｂ）となす。次に箱型の必要に応じて上面を切削して取り除いた箱体（ｃ）とし、この箱体の両端を図３に示すような別成形の壁板を接着し上面が開放された櫛歯状の流路を備えたセラミックス焼結体（ｄ）を構成する。以上によって量産的に成形することが出来る。なお、必要に応じて上面をそのまま残した形状で、或いは両端に取り付ける壁板の溝形状を工夫することで流路を一本にしたり、複数本化することが可能である。
【００１３】
また、第２の製造方法は、シート成形を用いた積層手段を用いるものである。即ち、図３に概略を示すようにシート成形によれば櫛歯状の流路となる部分は並列する多数の貫通溝を持ったシートを積層することによって作製される。この製造方法では、（ａ）下記する材料からなるスラリーを用いて２００μｍ程度のグリーンシートを作成し、（ｂ）成形したグリーンシートに貫通溝をパンチ成形し、流路の一例を図５に示す。（ｃ）このシートを順次積層し、圧着する。（ｄ）その後、上記方法と同様に焼成して焼結体を得るものである。この製造方法によれば、上面の開放された箱状成形体が当初より成形され、これを燒結することで上面が開放された櫛歯状の流路を備えたセラミックス焼結体を量産的に成形することが出来る。或いは上面に無垢のシートを配置すれば上面が閉塞した構造の櫛歯状の流路を備えたセラミックス焼結体の形成も可能である。
【００１４】
上記第１、第２の製造方法において基材原料は共通している。この窒化ケイ素質の原料粉は、β分率が30〜100％であり、酸素量が0.5ｗｔ％以下であり、平均粒子径が0.2〜10μｍであり、アスペクト比が10以下である窒化ケイ素質粉末１〜59重量部と、平均粒子径が0.2〜４μmのα型窒化ケイ素質粉末99〜50重量部とを配合したものである。この窒化ケイ素質粉末のβ分率が30％未満では成長核としての効果はあるものの部分的に核として作用するため、異常粒成長が起こり、最終的に得られる窒化ケイ素質焼結体のミクロ組織中に大きな粒子を均一分散できなくなり曲げ強度が低下する。従って、窒化ケイ素質粉末のβ分率は30％以上が望ましい。また窒化ケイ素質粉末の平均粒子径が0.2μm未満では同様に柱状粒子が均一に発達したミクロ組織を得られず、熱伝導率および曲げ強度を高めることが困難である。他方窒化ケイ素質粉末の平均粒子径が10μmより大きいと焼結体の窒化ケイ素質緻密化が阻害される。よって、窒化ケイ素質粉末の平均粒子径は0.2〜10μmが好ましい。また、アスペクト比が10以上の場合は、窒化ケイ素質焼結体の緻密化が阻害され、結果として、常温における３点曲げ強度は600MPa未満になる。したがって、窒化ケイ素質粉末のアスペクト比を10以下とすることが好ましい。
【００１５】
また、原材料粉に添加する焼結助剤としては、ＭｇおよびＹが有用であり、窒化ケイ素質原料粉末の緻密化に有効である。これらの元素は窒化ケイ素質焼結体を構成する第１ミクロ組織成分である窒化ケイ素質粒子に対する固溶度が小さいので、窒化ケイ素粒子、ひいては窒化ケイ素質焼結体の熱伝導率を高い水準に保つことができる。Ｙと同様に窒化ケイ素質粒子に対する固溶度が小さく、焼結助剤として有用な元素として、Ｌａ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，ＹｂおよびＬｕの群から選択される少なくとも１種の希土類元素が挙げられる。そのうち、温度および圧力が高くなり過ぎずに焼成ができる点でＬａ，Ｃｅ，Ｇｄ，ＤｙおよびＹｂの群から選択される少なくとも１種の希土類元素が好ましい。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の製造方法による櫛歯状の流路を備えたセラミックス焼結体は、高強度かつ高熱伝導性、耐熱衝撃性を具備するので、細くて深いフィン部と溝部を交互に形成した櫛歯状流路を欠陥なく製造することが出来る。また、高温・高圧反応に用いても熱サイクルによってクラックが発生することが少なく、耐熱サイクル性を著しく向上することができる。また、本発明の製造方法によれば、箱状のマイクロリアクター等に適用できる櫛歯状の流路を備えたセラミックス焼結体を量産的に成形することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の櫛歯状流路の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の櫛歯状の流路を備えたセラミックス焼結体の第1の製造方法を示す概略フロー図である。
【図３】図２のセラミックス焼結体の壁の例を示す斜視図である。
【図４】本発明の櫛歯状の流路を備えたセラミックス焼結体の第2の製造方法を示す概略フロー図である。
【図５】図４のグリーンシートの一例を示す斜視図である。
【図１】
2004202813.tif 000003
【図２】
2004202813.tif 000004
【図３】
2004202813.tif 000005
【図４】
2004202813.tif 000006
【図５】
2004202813.tif 000007