JP3876984B2

JP3876984B2 - Functionally gradient material, and method and apparatus for producing functionally gradient material

Info

Publication number: JP3876984B2
Application number: JP2002249396A
Authority: JP
Inventors: 輝臣中谷; 正道松嶋; 修岡本; 誠三鈴木; 浩一武内; 昭夫福永; 博徳野口; 好康梁瀬
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; Nagasaki Prefectural Government; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; Nagasaki Prefectural Government; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP2004082618A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、２種以上の固体粒子が液体中に分散した混合物から、固体成分の存在比率が連続的に変化する組成遷移層を含む構造に成形される傾斜機能材料、並びに傾斜機能材料の製造方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、懸濁液や泥漿に遠心力を作用させてセラミックスや複合材料を製造する方法が知られている。これらの方法では、遠心力で沈積させたり沈積物の充填率（かさ比重）を高めるため、超高速の回転による大きな遠心力を利用したり、石膏型の吸水性を利用して成形体の高密度化を図っている。また、乾燥後の成形体の取扱いを容易にするため、沈積物を固定するための結合材（バインダ）を添加している。
【０００３】
遠心力を利用したセラミックスや複合材の製造方法の例として、特許第３００５６６０号明細書、特開平５−６５５０４号公報又は特開平３−３６３４０号に開示されているものがある。特許第３００５６６０号には、超伝導体の完全反磁性を利用して磁束遮蔽をする磁気シールド体の製造方法が開示されている。この製造方法は、焼成により高温超伝導体となる結晶形態が板状結晶であり、仮焼粉末の泥漿を遠心成形し、得られた円筒形成形体を焼成することから成っている。遠心力によって管状鋳型の内部に仮焼粉末の泥漿を均一な厚みで着肉させ、固化した後に鋳型から円筒形成形体を取り出すので、円筒形成形体は密度、厚さが均一であり、焼成して得られた磁気シールド体も密度が均一となる。
【０００４】
特開平１１−７１５７６号公報には、金属酸化物からなる原料粉末を含む泥漿について、遠心力を利用して固液の分離を行って固形成形体を得て、得られた固形成形体を解砕して粒状としたものにマイクロ波を照射し、平均粒径が１μｍ以下、且つマイクロビッカース硬度が１８ＧＰａ以上である焼結砥粒を得る高速遠心成形法が開示されている。この高速遠心成形法によれば、成形と同時に脱泡も行われるので、原理的に欠陥のない高品質な成形体が得られ、１μｍ以下の原料を均一且つ高充填度に成形するファインセラミックスの複雑形状製品の作成に適している。また、金型を使用できるので、形状の自由度や寸法精度に優れるという特徴を持っている。
【０００５】
特開平５−６５５０４号公報には、金属、セラミックス等の粉体を液体に混練してなる泥漿、懸濁液などの流動体を底部が密閉された型内に入れ、型の底部を遠心機の回転方向外方に向けて遠心機を回転させた後、型の上部に分離された液体を除去して、固形状の成形体を得る成形方法が開示されている。また、粉体光学学会誌３５，５５５−５５９（１９９８）には、液中沈降法を用いた傾斜成分充填層の作製と題して、粉粒体粒子の粒径や密度によって液中沈降速度が異なることを利用して、遠心沈降によって、傾斜成分粒子充填層を簡単に作製することが開示されている。
【０００６】
しかしながら、上記の従来の方法では、沈積物、即ち成形体の充填率を高めるためには、１０Ｇ以上の大きな遠心力が好ましいとされており、小さな遠心力で沈降した沈積物は、充填率が小さいために乾燥過程での乾燥収縮が大きくなり、成形体にひびや層間剥離が生じるという問題がある。しかしながら、１０Ｇ以上の大きな遠心力を生じさせるには、回転数を高くしたり回転半径を大きくすることにより遠心力発生装置が大規模化する等の問題点もある。また、乾燥収縮によるこれらの問題を解決するため、調合物にバインダを添加して成形体の強度を高めることも行われているが、バインダの添加量が多くなると焼成前に脱脂工程が必要となる等、工程数が増加し、コスト上昇要因となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
固体分の沈積のために作用させる遠心力が小さければ、沈積物の充填率が小さくなることが予想される。そうした充填率が小さい沈積物であっても、固体成分の組成比率が連続的に変化する組成遷移層を有しながら、バインダを添加することなく均質で高品質な成形体を得ることができれば、傾斜機能材料としては勿論のこと、遠心力発生装置を小型化・低速回転化可能となる等、傾斜機能材料の製造上好ましい。そこで、組成比率が連続的に変化した組成遷移層を有する傾斜機能材料とその製造において、充填率が小さい沈積物からでも乾燥収縮を起こさないように水分を除去可能にする点で解決すべき課題がある。
【０００８】
この発明の目的は、組成比率が連続的に変化した組成遷移層を有する傾斜機能材料とその製造において、小さい遠心力を用いて得られた充填率の小さい沈積物からでも、安価で且つ簡単な方法でひび割れや層間剥離或いは型崩れを生じることのない均質で高品質な成形体を得る傾斜機能材料、並びにその製造方法及び装置を提供することである。また、そうして得られた成形体を成型して各種形状・構造を有する傾斜機能材料を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明による傾斜機能材料は、一種類又は複数種類の金属粒子と一種類又は複数種類のセラミックス粒子の組み合わせからなる２種以上の固体粒子が液体中に凝集状態になっているスラリー状の混合物に遠心力を作用させて、該遠心力により比重の重い固体粒子が先に沈積して形成される組成層と比重の軽い固体粒子が後に沈積して形成される組成層との間で金属とセラミックスとの組成比率が連続的に変化した組成遷移層を含む沈積物として沈積させ、該沈積物を凍結して真空雰囲気下で液体成分を昇華させて取り除くことにより乾燥して得られていることから成っていることを特徴とする。
【００１０】
この傾斜機能材料においては、沈積物は固体粒子の粒度や比重の差に起因して先後に時間差を置いて沈積し、組成遷移層は一方の組成比率を持つ第１組成層と他方の組成比率を持つ第２組成層との間において、両組成比率間で組成比率が連続的に変化している。固体粒子の組成成分は２種類に限らず３種類以上であって良いが、第１組成層と第２組成層との間の組成遷移層は、遠心力の作用によって、着目する組成比率が一方の組成比率から他方の組成比率へと連続的に変化した層として形成される。沈積物を凍結して真空雰囲気下で液体成分を昇華させて取り除くことにより、沈積物の内部も乾燥状態とすることができ、全体として乾燥が進んだ沈積物が得られる。この傾斜機能材料において、固体成分を粉末状の金属及びセラミックスとすることによって、強度や加工性に優れると共に電磁特性を示す金属層と、保温性、耐熱性或いは耐腐食性を備えたセラミックス層との利点をそれぞれ発揮させた複合材料を、組成遷移層によって相互になじませながら結合させると共に温度、応力、変位等の金属層とセラミックス層との間に生じる急激な変化を緩和させることが可能な傾斜機能材料が得られる。金属粒子とセラミックス粒子とについては、それぞれ沈積の速度を決定付ける比重（金属種類）と粒度について複数種類とすることができる。
【００１１】
この傾斜機能材料において、乾燥された前記沈積物を成形して得られた成形体を焼成することにより、又は乾燥された前記沈積物を成形と同時に焼成することにより、焼成物として得ることができる。凍結乾燥によって得られた成形体は、一軸加圧成型、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）等による二次的な成型を行うことができ、また、ホットプレス（ＨＰ）、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）等による成型と焼成とを同時に行う成型で行うこともできる。
【００１２】
この傾斜機能材料において、外周部を金属層とし、内周部をセラミックス層とし、前記外周部と前記内周部との間の中間層を前記組成遷移層とした円筒パイプ状に成形することができる。このようにして形成された円筒パイプ状の傾斜機能材料は、そのまま、配管等として利用可能であると共に、切断して切り出した湾曲辺を平坦に加工して平板状の傾斜機能材料としても利用することができる。
【００１３】
この傾斜機能材料において、外周部が金属層であり、内周部がセラミックス層であり、前記外周部と前記内周部との間の中間層が前記組成遷移層である円筒容器状に成形することができる。
【００１４】
また、この発明による傾斜機能材料は、金属部と、前記金属部の周囲を取り囲むセラミックス部と、前記金属部と前記セラミックス部とを一体的に接続し且つ金属とセラミックスとの組成比率が前記両部の間で連続的に変化する組成遷移部とから成り、誘導加熱又はマイクロ波加熱によって前記金属部が発熱する発熱モジュールとして適用可能である。誘導加熱又はマイクロ波加熱することによって金属部が発熱して発熱モジュールが高温化するが、金属部は金属とセラミックスとの組成比率が連続的に変化する組成遷移部を介してセラミックス部と一体化されているので、組成遷移部が、セラミックスと金属との熱膨張差により発生する熱応力を緩和し、層間亀裂の発生を抑制するため、高い強度と耐衝撃性を有し且つ誘導加熱やマイクロ波加熱によって発熱する金属の特性と、熱伝導率が小さく保温性を有するセラミックスの特性を併せ持つ、発熱モジュールが得られる。発熱モジュールは、金属粒子とセラミックス粒子とを含む２種以上の固体粒子が液体中に分散した混合物から遠心沈積法と凍結乾燥法とを適用することによって、金属層、組成遷移層及びセラミックス層を有する傾斜機能材料として成形することができる。金属層同士を背中合わせに成型して、金属層の両側で組成遷移層を介してセラミックス層で挟んだ構造にすることができる。更に、そうした挟み込み構造の周辺部を塑性変形加工することにより、互いに接触した前記金属層を前記金属部とし、前記組成遷移層及び前記セラミックス層をそれぞれ繋げて前記組成遷移部及び前記セラミックス部として、中心側の金属部を組成遷移部を介して外周をセラミックス部で覆った発熱モジュールが得られる。
【００１５】
発熱モジュールとして適用可能な傾斜機能材料において、前記発熱モジュールは、電磁調理用又は電子レンジ調理用の容器に埋め込むことにより、調理用容器の発熱体として適用することができる。発熱モジュールを埋め込んだ調理用容器は、誘導加熱することで金属部を発熱させて電磁調理器用として使用することができ、また、マイクロ波加熱することで金属部を発熱させて電子レンジ調理用の容器として使用することができる。発熱モジュールを調理用容器に埋め込むことによって、容器中に食材や飲料を収容した状態のままで調理が可能になり、調理後の再加熱に便利であり且つ長時間の保温性にも優れている。
【００１６】
発熱モジュールとして適用可能な傾斜機能材料において、前記発熱モジュールについては、前記金属部が円板、矩形板、十字形、升形、ダブルリング形等の平面で見て幾何学的な面状又は線状パターンにて形成されている円盤状駒、前記金属部が中心軸に沿って棒状に形成されている串、又は前記金属部が中心部に位置する塊状に形成されている球とすることができる。発熱モジュールを円盤状駒に形成する場合、金属部を円板、矩形板等の平面で見て面状のパターンにて形成したときには、発熱モジュールは、誘導加熱にもマイクロ波加熱にも用いることができる。円板、矩形板、十字形、升形、ダブルリング形等の平面で見て幾何学的な線状パターンに形成された金属部は、磁力線の向きに対応して形成することができ、発熱モジュールに生じる電流と効率的に作用して発熱する。発熱モジュールを串に形成する場合には、串を食肉のような加熱品の内部に一部又は全部を差し込んで使用することができ、また、発熱モジュールを球に形成する場合には、球を加熱品の内部に詰め物又は敷物として使用することができる。このように、発熱モジュールを埋め込んだ調理用容器は、特に、誘導加熱又はマイクロ波加熱で内部の金属部を加熱したり、電気・ガスオーブンで一度外部から加熱してセラミック部の保温性を利用することで、電磁調理器用容器として使用することができる。
【００１７】
この発明による傾斜機能材料の製造方法は、比重の異なる２種以上の固体粒子と液体を混合してスラリーを得、該スラリー中の固体粒子が凝集状態となるようにスラリーの調整を行なってスラリー状の混合物を得る泥漿調整工程、前記混合物を型枠内に収容する混合物収容工程、前記型枠を回転させるときに作用する遠心力によって前記混合物から固体の組成比率が連続的に変化した組成遷移層を含む沈積物として前記固体粒子を前記型枠内に沈積させる遠心沈積工程、前記沈積物を凍結し前記沈積物に含まれる凍結状態の前記液体成分を真空下で昇華させて取り除くことにより前記沈積物を乾燥させる凍結乾燥工程から成っている。
【００１８】
この傾斜機能材料の製造方法によれば、先ず、泥漿調整工程において比重の異なる２種以上の固体粒子と液体を混合してスラリーを得、該スラリー中の固体粒子が凝集状態となるようにスラリーの調整を行なってスラリー状の混合物を得、次いで混合物収容工程において、２種以上の固体粒子が液体中に分散した混合物が型枠内に収容される。この混合物は、固体粒子が液体の中に浮かぶ懸濁液や泥漿となる。次の遠心沈積工程において、型枠を回転させるときに作用する遠心力によって混合物中の固体を型枠内に沈積させると、比重差に基づいて、比重の重い方の固体が先に多量に沈積し、軽い比重の固体ほど後に沈積するので、容器内には、実質的に比重の重い固体のみの層、実質的に比重の軽い固体のみの層、及び両層に連続的に堆積し且つ固体の存在比率が連続的に変化した組成遷移部から成る沈積物が形成される。この際、スラリー中の固体粒子が分散状態にあると比重差による沈降速度差が明確になりすぎて、組成遷移層を形成し難い。そこで、スラリー中の固体粒子が凝集状態となるようにスラリーの調整を行うことにより、組成遷移層を形成し、傾斜機能材料を形成することが可能となる。その後の凍結乾燥工程においては、沈積された固体の沈積物に凍結乾燥法が適用され、乾燥収縮を抑制した成形体が形成される。凍結乾燥法を用いて乾燥させるので、混合物を沈積させるときの遠心力を比較的小さくすることが可能である。遠心力が小さいと成形体の固体成分の充填率が小さくなるが、凍結乾燥法の適用によって乾燥収縮が小さくて済み、ひび、剥離及び型崩れのない成形体が得られる。
【００１９】
この傾斜機能材料の製造方法において、前記混合物は、添加される分散剤量を調整することにより、凝集状態とすることができる。混合物を凝集状態とすることにより、遠心沈積工程における、固体成分の沈積を効率良く行うことが可能になる。
【００２０】
この傾斜機能材料の製造方法において、前記固体粒子を一種類又は複数種類の金属粒子と一種類又は複数種類のセラミックス粒子とし、前記遠心沈積工程において、前記遠心力による沈積の際に先に沈積して成る金属層と後に沈積して成るセラミックス層との間で金属とセラミックスとの組成比率が連続的に変化した層として前記組成遷移層を形成することができる。固体成分を比重と粒度で沈積速度が調整可能な金属粒子とセラミックス粒子とすることによって、電磁特性を示し強度や加工性に優れた金属層と、保温性、耐熱性及び耐腐食性を備えたセラミックス層との利点をそれぞれ併せ持つ複合材料を、組成遷移層によって相互になじませながら結合させ、且つ金属層とセラミックス層とに生じる、熱、応力や歪み等の負荷の急激な変化を緩和させた傾斜機能材料を製造することができる。
【００２１】
この傾斜機能材料の製造方法において、前記凍結乾燥工程において、前記沈積物の凍結を液体窒素等の極低温液体を用いた急速凍結によって行い、前記沈積物の乾燥を真空下での昇華によって行うことができる。沈積物は、例えば型枠内に沈積され、沈積物は液体窒素のような極低温の流体に晒すことによって凍結される。凍結した液体成分は、例えば、真空雰囲気下に置くことで直接に昇華させることによって取り除かれる。従って、バインダーを用いなくてもひび割れ、剥離、或いは型崩れのない乾燥した成形体が得られる。
【００２２】
この傾斜機能材料の製造方法において、凍結乾燥工程の後に、乾燥された前記沈積物を成形して成形体を得る成形工程、及び前記成形工程の後に前記成形体を焼成する焼成工程を備えること、又は乾燥された前記沈積物を成形と同時に焼成する成形・焼成工程を備えることができる。凍結乾燥工程によって得られた沈積物は、成形工程によって所望の成形体に成形することができ、更に、焼成工程によって成形体を焼成し、固体粒子同士を焼成によって固く結合させることで、一方の成分から組成遷移層を経て他方の成分に至るまで、強度や剛性を備えた傾斜機能製品が得られる。
【００２３】
この傾斜機能材料の製造方法において、厚み方向に前記金属層、前記セラミックス層及び前記組成遷移層とが積層された二枚の前記成形体を前記金属層同士を背中合わせにした状態で成型することにより、前記金属部の誘導加熱又はマイクロ波加熱によって発熱する発熱モジュールの製造に適用することができる。二枚の成形体については、個々の底の浅い筒状型枠を利用する方法の他に、例えば、円筒状型枠を用いて成型される円筒状成形体を大径で且つ薄肉の円筒状成形体とすることで、そこから湾曲度の小さい板状成形体に切り出すこともできる。そうした板状の成形体の金属層同士を背中合わせに突き合わせた状態にして両板状成形体を、例えば、モジュールの外形に対応した型枠内で成形することにより、両金属層が重なって形成された金属部を中央に置き、組成遷移層が繋がって形成される組成遷移部を介して、両成形体のセラミックス層を両外側に配置したセラミックス部とした発熱モジュールが得られる。発熱モジュールは、焼成することにより傾斜機能製品化することができ、金属部の誘導加熱又はマイクロ波加熱によって発熱させることができる。
【００２４】
発熱モジュールは、特にマイクロ波加熱をする場合、金属部を直接に外部に曝すことは避けることが好ましい。そのため、焼成する前に、両金属層から形成される金属部の全周囲を組成遷移層が繋がって形成される組成遷移部で囲み、更にその外側をセラミックス層が繋がって形成されるセラミックス部で取り囲む形に成形し、セラミックス部で包み込んだ発熱モジュール用の成形体を得ることが好ましい。また、発熱モジュールを、成形体の状態又は焼成されたものを容器成形体に埋め込んだ状態で容器成形体と共に焼成すれば、電磁調理器用又は電子レンジ調理用の容器の製造に適用することができる。発熱モジュール用の成形体については、陶磁器原料から製作された容器成形体の、例えば底部内部に埋め込んだ状態で容器成形体と共に焼成させることで、発熱モジュールを備えた調理器用容器を製作することが可能になる。発熱モジュール用の成形体の焼成を陶磁器原料から製作された容器成形体の焼成と同時に行えば、発熱モジュール用成形体を単独で焼成する必要がなく、焼成終了時には発熱モジュールを容器と一体化させることが可能になる。
【００２５】
更に、この発明による傾斜機能材料の製造装置は、公転回転用の第１モータ、前記第１モータによって回転される水平回転板、前記水平回転板の外周部に周方向にそれぞれ隔置して配置され且つ弦方向に延びる水平ヒンジ軸の回りに回動自在な複数の自転ユニット、及び前記自転ユニットへ凍結用液体を供給する凍結手段を備え、前記自転ユニットは、自転回転用の第２モータ、前記第２モータによって前記水平ヒンジ軸と直交する自転軸の回りに回転駆動される回転ドラム、及び前記回転ドラムに同心状に支持され２種以上の固体粒子が液体中に分散された混合物を収容可能な型枠を有しており、前記第１モータと前記第２モータの少なくとも一方を駆動することにより前記型枠を公転回転又は自転回転させるときに作用する遠心力によって前記混合物から前記固体の組成比率が連続的に変化した組成遷移部を含む沈積物として前記固体を前記型枠内に沈積させることから成っている。
【００２６】
この傾斜機能材料の製造装置によれば、第１モータを駆動することにより水平回転板が回転し、水平回転板の外周部に周方向にそれぞれ隔置して配置されている複数の自転ユニットが公転する。自転ユニットに働く遠心力によって、各自転ユニットは水平ヒンジ軸の回りに回動し、自転ユニットの型枠内に注入・収容されている２種以上の固体と液体とから成る混合物は遠心分離機と同様の作用を受けて、横向きに回動状態にある自転ユニットに支持された型枠内の外方寄り底壁部に沿って、固体成分が組成遷移部を中間に置いて層状に分離する。また、第２モータを駆動することにより、自転ユニットは自転軸の回りに回転し、自転ユニットの回転ドラムと、回転ドラムに同心状に支持された型枠とが回転し、型枠内に注入・収容された２種以上の固体と液体とから成る混合物の固体成分は型枠内の周壁部に沿って組成遷移部を中間に置いて層状に分離する。第１モータと第２モータとを同時に駆動することにより、自転ユニットは水平回転板によって公転して水平ヒンジ軸回りに回動して横向きの状態となり、その状態のまま自転軸の回りに自転する。従って、型枠内に注入・収容された２種以上の固体と液体とから成る混合物の固体成分は、回転ドラムに同心状に支持された型枠内において内壁部に沿って組成遷移部を介して層状に分離する。型枠を自転軸方向に一方が開口した器状型枠とし、器状型枠を自転軸回りに自転させつつ公転軸の周りに公転回転させることによって、固体成分を器状型枠の底壁と周壁とに渡る内壁面に沿って連続的な層状の器状沈積物として遠心沈積させ、器状沈積物をそのまま凍結乾燥させることにより器状成形体を得て、その後、器状成形体を焼成することで器状製品を得ることができる。
【００２７】
この傾斜機能材料の製造装置において、前記各自転ユニットに対応して、前記沈積物を凍結乾燥して形成された成形体を前記型枠との間で成型する成型機構を配設することができる。遠心力による固体の沈積作用のみでは、直ちに焼成を行うことが可能な程度の形状にまで成形されていることは稀であるので、成型機構によって、沈積物を凍結乾燥して形成された成形体を型枠との間で成型することが好ましい。成型機構は、自転ユニットから製造装置の外に取り外した部分と組み合わせて用いることができる。前記成型機構については、前記自転ユニットの前記型枠の外側に直接又は間接的に嵌合するガイド体と、前記ガイド体が前記型枠に案内されるときに前記型枠内に侵入して前記型枠との間で前記成形体を成型する成型用雄型とを備えていることができる。自転ユニットの型枠の外側に直接又は間接的に嵌合するガイド体を設けることにより型枠に対する成型用雄型の位置が規定されるので、凍結乾燥された成形体を型枠と成型用雄型との間で所定の形に整形することができる。
【００２８】
この傾斜機能材料の製造装置には、水平回転板と同軸に同じ速度で回転し且つ凍結用液体の供給源に接続された供給通路が形成されている回転体と、回転体に取り付けられ各自転ユニットにそれぞれ対応して各自転ユニットの型枠にまで延びて凍結用液体を注入可能な可動供給ノズルとを備えた凍結手段を備えることができる。
【００２９】
前記可動供給ノズルを、水平回転板と同軸に同じ速度で回転する回転体に、各自転ユニットの型枠にまで延びる状態に取り付けることにより、可動供給ノズルの位置は、常に、各自転ユニットの型枠に対応しており、凍結用液体を可動供給ノズルから各自転ユニットの型枠内に確実に注ぐことができる。
【００３０】
また、凍結手段は、水平回転板の回転軸に対向した位置において機枠に固定され且つ凍結用液体の供給源に接続された中央供給通路が形成されているアダプタと、自転ユニットの数に合わせた個数でアダプタに取り付けられ且つそれぞれが中央供給通路に接続すると共に各自転ユニットの型枠に相当する位置まで延びて凍結用液体を注入可能な固定供給ノズルとを備えた構成とすることもできる。固定供給ノズルを、水平回転板に対して別個に且つ機構的な関連無しに、位置のみ回転軸に対向した位置に配設することにより、凍結手段を簡素な構造で構成することができる。凍結用液体の注出は、各固定供給ノズルをそれぞれ自転ユニットの型枠に位置合わせしてから行われる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、この発明による傾斜機能材料とその製造方法及び製造装置についての実施例を説明する。図１はこの発明による傾斜機能材料の製造装置の一例を示す平面図、図２は図１に示した傾斜機能材料の製造装置のＡ−Ａ及びＢ−Ｂ断面図である。図１及び図２に示す傾斜機能材料の製造装置１は、遠心分離装置を応用した装置であって、固定のハウジング２は、円板状の基台３と、基台３上に載置固定されている円筒状ケース４と、円筒状ケース４の上側開口側に掛け渡された架橋板５とから成っており、ハウジング２の内部６には後述する遠心駆動機構７が配設されている。
【００３２】
遠心駆動機構７は、固体と液体の混合物であるスラリーが注入される型枠を有する自転ユニット８を自転させることができると共に、複数の自転ユニット８を備えた水平回転板９を回転させることで各自転ユニット８を公転させることもできる機構である。基台３の中心位置には、水平回転板９を回転させるための第１モータ１０が立設されている。第１モータ１０の出力軸１１は、水平回転板９に固定されていると共に軸端部において架橋板５に回転自在に支持された回転体１２を有している。自転ユニット８は水平回転板９の周囲に等間隔に隔置して配置されており、各自転ユニット８は、水平回転板９の外周部に外方に向かって開いた状態に切り欠かれた切欠き部１３に回動可能に支持されている。各自転ユニット８の詳細については後述する。
【００３３】
第１モータ１０は、電源に接続されれている電源コード１４から供給される電力で回転される。電源コード１４は、スリップリング１５と電線１６を介して自転ユニット８に備わる第２モータ３２に電力を供給している。架橋板５には、スラリーの凍結を行うための凍結用液体である液体窒素をその供給源から給送する配管１７が備わっている。架橋板５の中央部に設けられた接続体１８の中心孔１９、回転体１２の中心孔２０及び中心孔２０に繋がる複数の放射孔２１は、配管１７に繋がる凍結用液体の供給通路となっており、この供給通路は、回転体１２に放射状に配設された複数の可動供給ノズル２２のそれぞれに接続されている。各可動供給ノズル２２は、個々の自転ユニット８に対応しており、各自転ユニット８の型枠３７（後述する）にまで延びて凍結用液体を型枠３７内に注入可能である。回転体１２と接続体１８との間での液体窒素の漏れを防止するために、シール２３が配設されている。水平回転板９と同軸に同じ速度で回転し且つ凍結用液体の供給通路が形成された回転体１２と、回転体１２に取り付けられた可動供給ノズル２２とは、この発明の凍結手段を構成している。
【００３４】
傾斜機能材料の製造装置１の基台３には、排泥液を受ける受け皿２４が設けられている。受け皿２４は、第１モータ１０の外側に配置される内周壁部２５と、内周壁部２５に対して同心状の外周壁部２６と、両周壁部を繋ぐ底壁部２７とから成る環状構造に形成されている。底壁部２７には、受けた排泥液を製造装置１の外部に排出する排出管２８が開口している。受け皿２４は、遠心沈積工程が終了して、スラリーに含まれる液体成分のうち沈積物の上部の溜まった上澄み液を受け取ることができる。
【００３５】
第１モータ１０を運転して水平回転板９を回転すると自転ユニット８は角速度ω１で公転し、符号８ａで示す自転ユニットに見られるように、作用する遠心力によって切欠き部１３内において回動し、角度θ（通常は９０度）まで底部側が外側に振り上げられる。また、自転ユニット８は第２モータ３２によって自身の中心軸の回りにも角速度ω２で自転可能である。第１モータ１０の駆動によって自転ユニット８を公転のみをさせることで、収容した混合物から固体成分を型枠の底壁に沿って組成遷移部を含む層状に沈積させることが可能である。また、第２モータ３２によっての駆動によって自転ユニット８を自転のみで回転させることで、型枠に収容した混合物から固体成分を型枠の周壁に沿って組成遷移部を含む層状に沈積させることが可能である。更に、第１モータ１０と第２モータ３２とを共に駆動することにより、自転ユニット８を公転しながら自転させることもできる。この場合、型枠に収容した混合物の固形成分は型枠の底壁と周壁とに沿って組成遷移部を含む層状に遠心分離される。
【００３６】
図３はこの発明による傾斜機能材料の別の製造装置の一例を示す断面図である。図３に示す傾斜機能材料の製造装置５０は、図１及び図２に示す傾斜機能材料の製造装置１と比較して、凍結用液体を供給する凍結手段が異なる以外は同じ構造であるので、同じ構成要素には同じ符号を付すことによって再度の説明を省略する。傾斜機能材料の製造装置５０において、固定のハウジング２に掛け渡された架橋板５の水平回転板９の回転中心に対向した位置にアダプタ５１が取り付けられており、アダプタ５１の内部には配管１７に接続される中央供給通路５２が形成されている。アダプタ５１の外周部には自転ユニット８の数に合わせた個数の固定供給ノズル５３が等間隔に隔置して放射状に取り付けられており、各固定供給ノズル５３は、中央供給通路５２に接続して自転ユニット８の型枠に相当する位置まで延びている。遠心沈積工程が終了して水平回転板９の回転と自転ユニット８の回転を停止し、上澄み液の排出をし、更に自転ユニット８の型枠の位置を固定供給ノズル５３の噴射位置に合わせた後に、固定供給ノズル５３からの凍結用液体の噴射が行われる。配管１７、アダプタ５１及び固定供給ノズル５３は、傾斜機能材料の製造装置５０の凍結手段を構成している。固定供給ノズル５３を、水平回転板９に対して別個に且つ機構的な関連無しに、回転中心に対向した位置に配設することにより、凍結手段を簡素な構造で構成することができる。
【００３７】
図４は、遠心沈積工程の終了後に、自転ユニットを傾転させてスラリーの上澄みを排出する状況を示す断面図である。スラリー中の固体粒子が遠心沈積されたとき、スラリー中の液体部分は、一部が吸水性の型枠３７（詳細は図５に基づいて説明）に吸収されるが、大部分は型枠３７内に上澄み２９として残される。図４に示すように、自転ユニット８の自転及び公転が停止された後、沈積物７０を凍結乾燥させる前に、適宜の手段によって自転ユニット８を水平ヒンジ軸３１の周りに傾転させることにより、上澄み２９を受け皿２４に流し出すことで、こうした上澄み２９を取り除くことができる。
【００３８】
図５は、傾斜機能材料の製造装置に用いられる自転ユニットの詳細を示す断面図である。自転ユニット８は、水平回転板９に水平ヒンジ軸３１，３１で回動自在に支持された外枠３０と、外枠３０に対して水平ヒンジ軸３１，３１から遠い側の端部に取り付けられた第２モータ３２と、外枠３０の内部に配置され且つ第２モータ３２によって自転回転される回転ドラム３６を備えている。水平ヒンジ軸３１，３１は水平回転板９の切欠き部１３において弦方向に延びており、水平回転板９の回転時に、自転ユニット８は遠心力を受けて水平ヒンジ軸３１，３１の回りに真に径方向外側に向けて回動する。第２モータ３２の回転出力は、カップリング３３を経て回転駆動軸３４に伝達され、回転駆動軸３４は軸受３５によって外枠３０に回転支持されている。回転駆動軸３４の回転は、回転中心が回転駆動軸３４と同心に固定されている回転ドラム３６に伝達される。回転ドラム３６内には、回転中心が回転駆動軸３４と同心状であって自転軸方向に一方が開口しコップ状の型枠３７が収容されている。コップ状の型枠３７内に注入されたスラリー状の混合物中の固体成分は、遠心沈積工程において、コップ状の型枠３７を回転駆動軸３４と同心の自転軸回りに自転させつつ公転軸の周りに公転させることによって型枠３７の内壁面に沿って沈積物７０として沈積する。
【００３９】
遠心沈積工程で得られた沈積物７０は、円筒容器状の型枠３７の内壁面に沿って沈積した円筒容器状沈積物である。固体成分を鉄粉のような金属粉末とセラミックスの粉末とするとき、沈積物７０は、遠心分離作用によって固体成分のうち先に沈積した外側の金属層７１ａと、後に沈積した最内側のセラミックス層７２ａと、両層の間に、金属とセラミックスとの組成比率が連続的に変化した組成遷移層７３ａとからなる回転体形状を呈している。即ち、沈積物７０の組成遷移層７３ａは、第１組成層として一方（金属）の組成比率を持つ金属層７１ａと、第２組成層として他方（セラミックス）の組成比率を持つセラミックス層７２ａの間で組成比率が両組成比率間で連続的に変化して形成されている。図５に示すように、遠心沈積工程が終了し、上澄み２９を排出（図４）した後に、第２モータ３２を稼働させて型枠３７を自転させながら、可動供給ノズル２２又は固定供給ノズル５３から凍結用液体である液体窒素を噴射することにより、混合物から遠心沈積した沈積物７０は液体窒素の噴流３９によって急速に凍結される。凍結乾燥工程において、凍結された沈積物７０を真空環境下に置くと、凍結した液体成分は昇華によって直接に蒸発し、成形体として円筒容器状の成形体７５（図６参照）が得られる。なお、固体の組成成分は２種類に限らず３種類以上であってよいが、第１組成層と第２組成層との間の組成遷移層は、遠心力の作用によって、着目する組成比率が一方の組成比率から他方の組成比率へと連続的に変化した層として形成することができる。
【００４０】
図６は、凍結乾燥によって得られた成形体を成型する工程を示す説明図である。図６の下側部分は自転ユニット８から型枠３７や成形体７５と共に取り出した回転ドラム３６を示す図である。図６の上方部分は、各自転ユニット８について凍結乾燥によって得られた成形体７５を成型するための成型機構４０を示している。遠心力による固体成分の沈積作用のみでは、直ちに焼成を行うことが可能な程度の形状にまで成形されていることは稀である。従って、型枠３７と協働して成形体７５の内面を成型するため、成型機構４０が設けられる。成型機構４０は、雌型としての型枠３７よりも一回り小さい底面４２と外形面４３とを有する円筒状の成型用雄型４１を備えている。成型用雄型４１の上部には、支持部４４及び取付け部４５を介して予め定められた位置にガイド体４６が取り付けられている。ガイド体４６は、回転ドラム３６の外周面３８に対して内周面４７において嵌合する。従って、成型機構４０を回転ドラム３６に対して嵌め合わせるときに、ガイド体４６が回転ドラム３６に案内されつつ移動し、成型用雄型４１が型枠３７に対して所定の位置関係に規定された状態で侵入し、凍結乾燥された成形体７５を内側から成形する。沈積物７０の金属層７１ａ，セラミックス層７２ａ及び組成遷移層７３ａは、成形体７５においてそれぞれ金属層７１ｂ，セラミックス層７２ｂ及び組成遷移層７３ｂとなる。この例では、ガイド体４６は、回転ドラム３６の外側に嵌合しているが、これに代えて、型枠３７の外側に直接に嵌合させるようにしてもよい。
【００４１】
図７は、図６に示す成形体の成型用雄型による成型状態を示す断面図である。成型用雄型４１が回転ドラム３６に完全に嵌合され、型枠３７と成型用雄型４１との間の隙間に成形体７５がプレスされる。成形体７５の金属層７１ｂ，セラミックス層７２ｂ及び組成遷移層７３ｂは、成型体７６においてそれぞれ金属層７１ｃ，セラミックス層７２ｃ及び組成遷移層７３ｃとなる。図８は、型成形された成型体を焼成した傾斜機能製品を示す断面図である。図７に示す成形体７５の成型後、型枠３７と成型用雄型４１とを分離することによって得られた円筒容器状の成型体７６を焼成することによって、セラミックスが傾斜機能部分である組成遷移部を含めて焼き固められ、コップ状の傾斜機能製品７７が得られる。成型体７６の金属層７１ｃ，セラミックス層７２ｃ及び組成遷移層７３ｃは、傾斜機能製品７７においてそれぞれ金属層７１ｄ，セラミックス層７２ｄ及び組成遷移層（傾斜機能部）７３ｄとなる。
【００４２】
図９は、傾斜機能材料の製造装置に別の例を示す図である。図９（ａ）は傾斜機能材料の製造装置の一部を破断して示す側面図、図９（ｂ）は図９（ａ）に示す傾斜機能材料の製造装置の正面図、図９（ｃ）はこの製造装置によって得られた傾斜機能を持つ円筒状製品の一部を破断して示す側面図である。図９に示す傾斜機能材料の製造装置６０は、回転軸を横置きした円筒形遠心分離装置であって、基台６１と、基台６１に回転自在に横置き状態に支持された回転ドラム６２とを備えている。回転ドラム６２はその一端（図では右端）においては軸部６３となっており、軸部６３は基台６１に立設された支持枠６４に設けられた軸受によって回転自在に支持されている。また、回転ドラム６２の他側（図では左端）は、基台６１に立設された支持枠６５の四隅に設けられたローラ６６によって回転自在に支持されている。回転ドラム６２の内部には、環状の溝６２ａを置いて、成形用の型として自転軸回りに回転対象な円筒状型枠６７が配置されており、円筒状型枠６７は両端で回転ドラム６２に固定されている。基台６１には、また、駆動モータ６８が載置されており、ベルト等の無端伝動帯６９が駆動モータ６８と軸部６３とに巻掛けられている。回転ドラム６２の他側の端部及びそれに対応した円筒状型枠６７の自転軸方向他方の端部は、閉鎖可能な開口６２ｂとなっており、その開口６２ｂを通して、固体粒子を液体中に分散させた混合物や液体窒素等の凍結用液体の注入を可能にしている。即ち、凍結用液体は、開口６２ｂを通して回転ドラム６２の軸方向に進退可能であると共に管中心回りに回転可能な可動供給管２２ａと、その先端部に接続し、径方向に延びた供給ノズル２２ｂとを備えている。
【００４３】
図９（ａ）及び（ｂ）に示す製造装置６０によれば、混合物収容工程においては、開口６２ｂを通して固体と液体との混合物が円筒状型枠６７内に注入され、その後の遠心沈積工程において、駆動モータ６８を駆動することによって無端伝動帯６９を介して回転ドラム６２及び円筒状型枠６７を自転軸である水平回転軸の回りに速度ω２’で回転する。この場合、混合物の固体成分は、遠心力の作用によって、円筒状型枠６７の内壁面に沿って円筒状沈積物８０として沈積する。固体成分を金属粉末とセラミックス粉末のような２種類以上の成分とすると、円筒状沈積物８０は、遠心分離作用により、円筒状型枠６７の内壁面寄りから、先に沈積する外側の金属層、金属とセラミックスとの組成比率が連続的に変化した組成遷移層、最後に沈積する内側のセラミックス層とが層状に積層して形成される。次の凍結乾燥工程において、開口６２ｂから挿入した可動供給管２２ａが回転しながら進退させて供給ノズル２２ｂから液体窒素等の凍結用液体を注入することにより、円筒状沈積物８０が凍結され、凍結された円筒状沈積物８０を真空環境下に置くことにより凍結した液体成分が直接に昇華して乾燥され、その結果、成形体として、ひび割れ、層間剥離や型崩れのない乾燥した円筒状成形体が得られる。円筒状成形体は、その後の焼成工程において、適宜に成型・焼成されて傾斜機能を持つ円筒状製品８７とされる。
【００４４】
図９（ｃ）に示す円筒状製品８７は、外周側の金属層８１と、その内側に金属成分と他方の固形成分であるセラミックス成分とが組成比率を連続的に変化させた傾斜機能を持つ中間層８３と、最も内側の焼成されたセラミックス層８２とから成る円筒状製品である。外側の金属層８１は、他の金属構造物に溶接やロー付けが可能であり、セラミックス層８２は、その耐熱性、耐腐食性、多孔性を備えていることを利用して、円筒状製品８７は、外周側を金属製のリングに嵌合し内周側で軸を回転又は摺動支持する回転用又は摺動用軸受の外筒部、ピストン機構のピストン又はシリンダライナ、化学機器用の反応容器又は配管、熱交換器等に適用可能である。円筒状製品８７については、湾曲した切断片に切り出し、切り出した切断片をそのまま、或いは平坦に加工して、湾曲状又は平板状の傾斜機能材料として用いることも可能である。
【００４５】
図１０は、この発明によって得られた傾斜機能材料を調理機能を持つ飲食物用容器に適用した例を示す図であり、図１０（ａ）は全体が傾斜機能構造を有する調理器用容器の断面図、図１０（ｂ）は傾斜機能を持つ発熱モジュールが埋め込まれた調理器用容器の断面図である。図１０（ａ）に示す調理器用容器９０は、外側の金属層９１、内側のセラミックス層９２、及び金属とセラミックスとの組成比率が連続的に変化する組成遷移層９３が積層されて構成されている椀形の容器である。調理器用容器９０を、誘導コイルに交流電流を流すことで生じる磁力線の中に置くことにより、主として金属層９１に渦電流が生じて調理器用容器９０を誘導加熱によって発熱させることができる。調理器用容器９０を電子レンジ内においてマイクロ波加熱することによっても金属層９１が発熱するので、調理器用容器９０は電子レンジ調理用容器とすることもできる。調理器用容器９０は、図１〜図７に示す製造装置によって得られた成形体をプレス等によって器状に成型し、その成型体を焼成することによって製造することができるが、予め容器９０の形状に合わた型枠を用いて混合物を遠心沈積及び凍結乾燥することにより得られた成形体を、成型することなく直ちに焼成して製造することもできる。
【００４６】
図１０（ｂ）に示す調理器用容器１００は、傾斜機能を持つ円盤形駒としての発熱モジュール１０３を、陶磁器材であるセラミックス材から成形された容器本体１０１の糸尻部１０２に埋め込んだ容器である。発熱モジュール１０３は、内部の金属部１０４、金属部１０４を取り囲む外側のセラミックス部１０５、及び金属部１０４とセラミックス部１０５との間に組成比率が連続的に変化する組成遷移部１０６とから成っている。調理器用容器１００を変動磁場内に置くことによる誘導加熱、又は電子レンジ内に置くことによるマイクロ波加熱によって、金属部１０４が発熱する。保温性のあるセラミックス部１０５が金属部１０４を取り囲んでいるので、金属部１０４で発生した熱は徐々に放熱され容器１００の保温性が向上する。また、調理器用容器１００内の調理品が冷えたときには、容器１００ごとの再加熱も容易である。発熱する金属部１０４の周囲はセラミックス部１０５で覆われているので、マイクロ波加熱する際にも安全であると共に高温になった金属部１０４に直接触れることがない。従って、火傷の虞がないと共に、遠赤外線を徐放する等のセラミックスの保温性が利用され、長時間に渡って熱を徐々に放出することができる。
【００４７】
図１１は、図１０（ｂ）に示す発熱モジュールの製造方法を示す工程図である。図１１（ａ）は、遠心分離機によって遠心沈積させた後に凍結乾燥させた成形体の状態にある傾斜機能駒１１１を示している。型枠１１２内の傾斜機能駒１１１は概略円盤形状を有しており、厚み方向の一側面側に金属層１１３が他側面側にセラミックス層１１４が形成され、両層間に金属とセラミックスとの組成比率が連続的に変化した組成遷移層１１５が形成されている。傾斜機能駒１１１の周縁部では、後工程での変形分を考慮して、金属層１１３側が内寄りに後退したアール部１１６となっている。図１１（ｂ）は、成形体としての傾斜機能駒１１１を型枠１１２から取り出した状態を示している。図１１（ｃ）に示すように、一対の傾斜機能駒１１１，１１１は金属層１１３，１１３側を背中合わせに重ね合わされて重ね駒１１７とされ、図１１（ｄ）に示すように上型と下型とから成る成形型１１８内に置かれる。重ね駒１１７は、図１１（ｅ）に示すように成形型１１８内でプレスされ、成形型１１８から取り出した平面図としての図１１（ｆ）及び（ｆ）のＤ−Ｄ断面図である図１１（ｇ）に示すように、重ね合わせた金属層１１３，１１３からひと回り小さい円盤状の金属部１２１が形成される。組成遷移層１１５，１１５及びセラミックス層１１４，１１４がそれぞれ互いに繋がって組成遷移部１２３、セラミック部１２２を形成し、両傾斜機能駒１１１，１１１は、金属部１２１がその全周囲において組成遷移部１２３、セラミック部１２２で包み囲まれた円盤状の発熱モジュール用成形体１２０となる。
【００４８】
図１２は、この発明による傾斜機能製品としての発熱モジュール成形体の別の実施例を示す図である。図１２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ金属部１３１が十字形の平面パターンを有している発熱モジュール成形体１３０の平面図及びそのＥ−Ｅ断面図である。図１２（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ金属部１３６が升形平面パターンを有している発熱モジュール成形体１３５の平面図及びそのＥ−Ｅ断面図である。更に、図１２（ｅ）及び（ｆ）は、金属部１４１がダブルリング形の平面パターンを有している発熱モジュール成形体１４０の平面図及びそのＧ−Ｇ断面図である。発熱モジュール成形体１３０，１３５，１４０において、金属部１３１，１３６，１４１の全周囲がそれぞれ金属とセラミックスの組成が連続的に変化する組成遷移部１３３，１３８，１４３で覆われ、更にその外側が円盤状の形状を持つまでセラミックス部１３２，１３７，１４２となっている。平面での金属部のパターンはこれらに限られず、磁力線の向きに対応し、誘導される電流によって効率的に誘導加熱することができる任意の線状または面状パターンに形成することができる。図１２の各例に示すような面状又は線状パターンを持つ発熱モジュール成形体を遠心沈積法及び凍結乾燥法を適用して製造するには、そのようなパターンを有する凹部又は溝を有する型枠を用いて、金属粒子が主にそうした凹部又は溝に厚く沈積した金属層を形成し、金属層の上に組成遷移層及びセラミックス層を沈積することで成形体を形成し、そうした成形体を対にして凹部又は溝に厚く沈積した金属部分同士を突き合わせて、金属部を組成遷移層とセラミック層とで包み込むように成型する。
【００４９】
図１１に示す発熱モジュール用成形体１２０及び図１２に示す発熱モジュール用成形体１３０，１３５，１４０については、焼成して傾斜機能製品としての発熱モジュールとし、得られた発熱モジュールを器状容器に埋め込んで使用してもよい。また、これらの発熱モジュール用成形体１２０〜１４０を焼成せずに成形体の状態のまま陶磁器原料から製作された容器成形体に埋め込み、発熱モジュール用成形体１２０〜１４０を容器成形体と共に焼成してもよい。調理器用容器を、その内部に飲食物を収容した状態で誘導加熱又はマイクロ波加熱をすることで、発熱モジュールを発熱させ、発熱後にはセラミックスの保温性によって徐々に放熱することによって長時間に渡って調理品を保温することができる。なお、傾斜機能駒１１１は、図１１に示したように個々に遠心沈積・凍結乾燥を行うのに代えて、大径で且つ薄肉の円筒状成形体から湾曲度の小さい板状成形体を切り出すことによっても得ることができる。
【００５０】
図１３は、図１０に示す傾斜機能製品としての調理用容器と同様の調理用容器の製造方法を示す図である。図１３に示す調理用容器は、器状容器の本体部と糸尻部とを別個に製作してそれらを合体成型して製造したものである。図１３（ａ）は、型枠として、中央底部１５１を有する浅底器状型枠１５０を用いて、金属粒子とセラミックス粒子とが液体中に分散したスラリー状の混合物を遠心分離機によって浅底器状型枠１５０に沈積させて、浅底の器状本体沈積物１６０を形成している。浅底器状型枠１５０の中央底部１５１とその近傍に金属層１６１ａが集中して沈積し、金属層１６１ａの上に組成遷移層１６３ａを介してセラミックス層１６２ａが沈積している。同様に、図１３（ｂ）は、型枠として、中央底部１５５を有する糸尻型枠１５４を用いて、同様のスラリー状の混合物を遠心分離機によって糸尻型枠１５４に沈積させて糸尻沈積物１６４を形成している。中央底部１５３とその近傍に金属層１６５ａが沈積し、金属層１６５ａの上に組成遷移層１６７ａを介してセラミックス層１６６ａが沈積している。糸尻型枠１５４は、金属層が底側に沈積させるように上下反転した状態で成形する型枠である。
【００５１】
器状本体沈積物１６０と糸尻沈積物１６４とは、それぞれ、凍結用液体によって凍結し真空環境下で乾燥させて、器状本体成形体１７０と糸尻成形体１７１とに成形される。器状本体成形体１７０と糸尻成形体１７１とは、図１３（ｃ）に示すように、両金属層１６１ｂ，１６５ｂを突き合わせた状態で重ね合わされる。重ね合わされた器状本体成形体１７０と糸尻成形体１７１とは、図１３（ｄ）に示すように、上下の型枠１７２ａ，１７２ｂから成る成形型１７２を用いた型成形によって器状成型体１７３に型成形される。このとき、互いに当接していた両金属層１６１ｂ，１６５ｂは型成形に伴って金属部１７４となり、金属部１７４は、組成遷移層１６３ｂ及び１６７ｂが繋がった組成遷移部１７８を介して、外側のセラミックス層１６２ｂ，１６６ｂの変形・繋がりによって得られるセラミックス部である器状成型体１７３の内部に包み込まれる。その後、器状成型体１７３は成形型１７２から取り出されて焼成されることにより、図１３（ｅ）に示すように、器本体１７６に発熱体である金属部１７４が内包された器状製品１７５として製作される。金属部１７４は、糸尻１７７の上方で且つ飲食物が載る中央底部１７９の内部に位置するので、器状製品１７５は調理品の加熱、再加熱及び保温に有利である。
【００５２】
図１４は、調理用器具に適用されたこの発明による傾斜機能製品の別の実施例を示す断面図である。図１４に示す傾斜機能製品は、調理用器具としての串１８０に適用されており、内部の金属部１８１がその全周囲を組成遷移部１８３を介してセラミック部１８２で覆われている。串１８０は、肉のような加熱品の内部に一部又は全部を差し込んだ状態で、金属部１８１を誘導加熱する電磁調理器、又は金属部１８１をマイクロ波加熱する電子レンジにおいて使用される。串１８０を電気・ガスオーブンにて加熱するだけでも、セラミック部１８２の蓄熱作用にてその後も長い時間に渡って徐々に放熱することができる。このように、串１８０が直接加熱されることから、加熱品を内部から均一に効率良く加熱することができる。また、セラミックス部１８２からの余熱作用及び赤外線放射作用も期待できる。
【００５３】
図１５は、調理用器具に適用されたこの発明による傾斜機能製品の更に別の実施例を示す断面図である。図１５に示す傾斜機能製品は、調理用器具としての石焼きの加熱石のような働きをする球１９０に適用されている。球１９０の内部の金属部１９１がその全周囲を組成遷移部１９３を介してセラミック部１９２で覆われている。球１９０は、鳥の丸焼きの場合ように、加熱品の内部に詰め物又は敷き詰めた状態で使用される。球１９０は、串１８０と同様、金属部１９１を誘導加熱する電磁調理器、マイクロ波加熱する電子レンジ、或いは直接加熱する電気・ガスオーブンにおいて使用することができ、加熱品を内部から均一に効率良く加熱することができる。また、セラミックス部１９２からの余熱作用及び赤外線放射作用も期待できる。図１４及び図１５に示す例では、固形成分、特に遠心沈積用の形枠に予め形成しておいた溝や円形凹部に金属粒子を集中的に沈積させて成形体を作り、金属層を突き合わせ状態にして、セラミックス層や組成遷移層をプレス等で金属部を包み込むように整形し、更に焼成することで、串形や球形の発熱モジュールを製造することができる。
【００５４】
この傾斜機能材料において、器状製品１７５（７７，９０，１００も含む）は、グラス、コップ、椀、丼、樽等の飲食物用容器として用いることができる。器状製品においては、製品の外側に金属層を配置し、飲食物が触れる製品の内側には、従来の陶磁器と同様にセラミックス層とすることが好ましい。加工性の良い外側の金属層には、凹凸をも含む装飾を施すことができ、製品の付加価値を高めることができる。器状製品を床等に落下させることがあっても、直接に衝撃を受ける金属層は傷を受けにくく、他方、セラミックス層は直接に衝撃を受けないので破損し難い。また、飲食物用容器は、既に説明したように、金属層を、変化する磁力線内に置いたときに生じる渦電流等の誘導電流に基づいて発熱する発熱体として用いることによって、電磁調理器用、保温用の各種容器とすることができる。更に、この傾斜機能材料において、器状製品は、燭台、反応容器、ピストン、シリンダライナ、軸受部品等の工業部品として用いることもできる。強度のある金属層を外側に置き、耐熱性や耐腐食性を備えるセラミックス層を内側に置くことにより、この傾斜機能材料を反応容器や軸受部品等の工業部品として用いることができる。更にまた、この傾斜機能製品は、行火や懐炉等の使い捨てではなく、再使用可能な暖房用部品としても適用可能である。
【００５５】
図１６は、この発明によって得られた傾斜機能材料を発熱モジュールとして具体化した例と、それの調理器具への適用例を示す概略図である。図１６（ａ）は、基本的な構造を有する発熱モジュールの一例を示す側面断面図であり、発熱モジュール２００は、一側で層状となった金属部２０１と、他側で層状となったセラミックス部２０３と、両部間を一体的に積層した組成遷移部２０２とからなっている。図１６（ｂ）及びその一部の拡大図である図１６（ｃ）に示すように、発熱モジュール２００は、土鍋等の調理容器２０４の底部２０５に粘土やセラミック用接着剤２０６で取り付けられる。発熱モジュール２００付きの調理容器２０４を誘導加熱調理器具２０７に置いて、発熱モジュール２００を発熱させることにより、調理をすることができる。また図１７は、この発明によって得られた傾斜機能材料を発熱モジュールとして具体化した別の例と、それの調理器具への適用例を示す概略図である。図１７（ａ）は、発熱モジュール２１０の側面断面図であり、図１６（ａ）に示す傾斜機能材料を二つ用意し、金属部２０１同士を背中合わせに貼り合わせて、組成遷移部２０２，２０２を介して上下両側をセラミックス部２０３，２０３とした構造を有している。図１７（ｂ）及びその一部の拡大図である図１７（ｃ）に示すように、発熱モジュール２１０は誘導加熱調理器具２０７にセットされており、土鍋等の調理容器２０４を発熱モジュール２１０上に載せることにより、調理をすることができる。図１７に示す発熱モジュール２１０は、特に、調理容器２０４が発熱性において必ずしも充分ではないが熱電導性について優れている場合に、特に有効である。
【００５６】
【実施例】
以下、この発明による傾斜機能材料の製造方法の実施例を説明する。この発明による実施例は、ジルコニアとステンレスを用いて、一方がジルコニア層、他方がステンレス層で、その間に両方の組成が連続的に変化する組成遷移層を有する傾斜機能材料の作製例である。原料には、比重８．１、平均粒径４．４μｍ、比表面積１．６m²／ｇのステンレス鋼粉末と、比重６．１、平均粒径０．３４μｍ、比表面積１７m²／ｇのイットリア部分安定化ジルコニア粉末とが使用された。混合物であるスラリーの分散状態を調整するために、分散剤としてポリアクリル酸アンモニウムが使用された。傾斜機能材料は、以下の１〜４の工程を経て製作された。
【００５７】
１．泥漿調整工程
ジルコニア３３．３ｗｔ％、ステンレス１６．７ｗｔ％、蒸留水５０ｗｔ％を配合して、その混合物に、分散剤をジルコニアとステンレスの合量に対して、０．０４ｗｔ％、０．０８ｗｔ％、０．１６ｗｔ％、０．３２ｗｔ％、０．４０ｗｔ％、０．６４ｗｔ％を添加して６種類の調合物（サンプル）を得た。これらの調合物をアルミナ製ポットミルで５時間混合し、スラリーを得た。得られたスラリーは、分散剤量が０．４ｗｔ％以上で良好に分散し、それ以下では凝集状態となった。なお、ジルコニアとステンレスとの配合割合を変えて、ステンレスの分量を多くすると比較的少量の分散剤添加量で二層分離が生じ、ジルコニアが多くなると分散剤添加量が０．５％以下では二層分離が生じないという傾向がある。上記スラリーが、２０ｍｌのポリエチレン製のビーカーに注入される。
【００５８】
２．遠心沈積工程
スラリーが注入されたビーカーを遠心機で１０００〜３０００回転の範囲で遠心分離させ、沈積物を得た。実験に用いた遠心機では、１０００回転で約１８０Ｇ、２０００回転で約７００Ｇ、３０００回転で約１６００Ｇの遠心力が発生する（Ｇは地表での標準重力）。上記にて調整したスラリーのうち沈積分離が生じていない分散性が良好であった分散剤量０．４ｗｔ％以上のサンプルではステンレスとジルコニアとの境界が明確となり、組成比率が沈積方向に変化する傾斜層は確認できなかった。凝集状態であった０．３２ｗｔ％添加品にて良好な傾斜層が見られた。
【００５９】
３．凍結乾燥工程
遠心沈積した沈積物から成形体を取り出すため、凍結乾燥を行った。遠心沈積後の沈積物の上部にはうわ水が生じているので、うわ水を捨てて水位を沈積物表面まで下げ、試料容器ごと液体窒素に浸漬して急速凍結を行った。試料温度が十分に低下してから試料を凍結乾燥機に移し、約１２時間の乾燥を行った。凍結乾燥が試料に生じさせる乾燥収縮は小さいため、成形体に乾燥割れが発生し難い。凍結乾燥された試料と室温での普通乾燥された試料との外観を観察してみると、普通乾燥試料では、遠心沈積時に容器内の沈積物に生じたひび割れが乾燥するに従って拡大し、成形体には大きなひび割れが生じていたが、凍結乾燥試料では、成形体にはそのような割れ目の拡大は生じていないことが確認された。
【００６０】
４．焼成工程
凍結乾燥物を容器から取り出し、雰囲気炉で仮焼成した。試料はモリブデン板の上に置き、炭素製容器に入れた。焼成条件は、１２５０℃、アルゴンガス雰囲気；０．５気圧、キープ時間；１時間で行った。サンプルは、良好な傾斜層が見られた分散剤量０．３２ｗｔ％のものを用いた。仮焼成物は、チョーク程度の強度があり、切断や切削等の加工が可能である。
上記の仮焼物に対してホットプレス焼結を行った。焼成条件は、１３００℃、加圧力；１トン、アルゴンガス雰囲気；１気圧、キープ時間；１時間であった。ホットプレスした試料を切断して断面を研磨後、反射顕微鏡と走査型電子顕微鏡で備構造を観察した。Ｚｒを主成分に持つ左側のジルコニア層の中に、Ｆｅ及びＮｉを主成分として持つ右側のステンレス層から明るいステンレス粒子が徐々に拡散し、組成比率が連続的に変化した傾斜構造が形成されていることが確認された。
【００６１】
【発明の効果】
この発明による傾斜機能材料、並びにその製造方法及び装置は、上記のように遠心沈積した沈積物に凍結乾燥法を適用しているので、成形型の観点からすれば吸水性の成形型を使用する必要がなく、また、成形体の観点では、乾燥収縮が殆どないので成形体のひび割れや層間剥離、或いは型崩れ等の不都合がなく、歩留りを向上することができ、更に、得られた生成体及び焼成して製作された最終製品である傾斜機能材料の品質も良好となる。また、従来、生成体の強度を向上するために必要であったバインダ等の樹脂が不要であり、製造工程を簡素化することができ、製造装置としても簡素に且つ安価に構築可能である。更に、従来、沈積して形成された沈積物に熱風を吹きかけたり、除湿乾燥した空気に晒したり、あるいはマイクロ波乾燥では、ひびや剥離が生じて製造することができなかったような沈積物でも、問題なく成形体を製作することができる。また、遠心沈積過程を用いているが、遠心機の回転数が小さくてもよいので、遠心力を発生させる装置が簡単になりかつ安価に入手可能となる。従って、大きな傾斜機能材料の製造にも対応することができる。
【００６２】
本発明の傾斜機能材料によれば、固体成分が液体中に浮遊するスラリー状の混合物を構成する固体成分として金属粒子を含めることにより、沈積した金属層から形成される金属部は、誘導電流による誘導加熱又はマイクロ波加熱されて発熱可能な発熱体となる。金属粒子に加えて他の固体成分としてセラミックス粒子を用いることにより、そうした発熱体を持つ傾斜機能材料は、直接に容器や調理器に整形することができる。また、発熱体の全周囲を組成遷移部、即ち傾斜機能を奏する部位にて覆い、更に最外側をセラミックス部で覆うことで、取扱いが便利な発熱モジュールが得られ、容器や調理器内に組み込むことにより、陶磁器感覚でありながら調理可能な容器や、串形又は球形の調理具を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による傾斜機能材料の製造装置の一例を示す平面図である。
【図２】図１に示した傾斜機能材料の製造装置のＡ−Ａ及びＢ−Ｂ断面図である。
【図３】この発明による傾斜機能材料の別の製造装置の一例を示す断面図である。
【図４】遠心沈積工程の終了後に、自転ユニットを傾転させてスラリーの上澄みを排出する状況を示す断面図である。
【図５】この発明による傾斜機能材料の製造装置に用いられる自転ユニットの詳細を示す断面図である。
【図６】凍結乾燥によって得られた成形体の整形工程を示す説明図である。
【図７】図６に示す成形体の整形用雄型による整形状態を示す断面図である。
【図８】図７に示す整形状態から得られた整形体を示す断面図である。
【図９】傾斜機能材料の製造装置に別の例を示す図であり、（ａ）は傾斜機能材料の製造装置の一部を破断して示す側面図、（ｂ）は（ａ）に示す傾斜機能材料の製造装置の正面図、（ｃ）はこの製造装置によって得られた円筒状の傾斜機能製品の一部を破断して示す側面図である。
【図１０】この発明によって得られた傾斜機能材料を電磁調理機能を持つ飲食物用容器に適用した例を示す図であり、（ａ）は全体が傾斜機能構造を有する電磁調理器用容器の断面図、（ｂ）は傾斜機能を持つ発熱モジュールが埋め込まれた電磁調理器用容器の断面図である。
【図１１】図１０（ｂ）に示す発熱モジュールを製作するための製造方法を示す工程図である。
【図１２】平面パターンで形成された金属部を備える傾斜機能材料としての発熱モジュールの例を示す図である。
【図１３】この発明による傾斜機能材料として電磁調理用容器の別の製造方法を示す工程図である。
【図１４】この発明によって得られた傾斜機能材料を串に応用した例を示す断面図である。
【図１５】この発明によって得られた傾斜機能材料を球形の調理具に応用した例を示す断面図であ
る。
【図１６】この発明によって得られた傾斜機能材料としての発熱モジュールの例と、それの調理器具への適用例を示す概略図である。
【図１７】この発明によって得られた傾斜機能材料としての発熱モジュールの別の例と、それの調理器具への適用例を示す概略図である。
【符号の説明】
１傾斜機能材料の製造装置２ハウジング３基台
５架橋板６ハウジングの内部７遠心駆動機構
８，８ａ自転ユニット９水平回転板１０第１モータ
１１出力軸１２回転体１３切欠き部
１７配管２２可動供給ノズル
２２ａ可動供給管２２ｂ供給ノズル
２４受け皿２９上澄み
３０外枠３１水平ヒンジ軸
３２第２モータ３４回転駆動軸３６回転ドラム
３７型枠３９噴流
４０成型機構４１成型用雄型４６ガイド体
５０傾斜機能材料の製造装置５３固定供給ノズル
６０傾斜機能材料の製造装置６１基台６２回転ドラム
６７円筒状型枠６８駆動モータ７０沈積物
７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ金属層
７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄセラミックス層
７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄ組成遷移層
７５成形体７６成型体７７傾斜機能製品
８０円筒状沈積物８１金属層８２セラミックス層
８３中間層８７円筒状製品
９０電磁調理器用容器９１金属層９２セラミックス層
９３組成遷移層
１００電磁調理器用容器１０１容器本体１０３発熱モジュール
１０４金属部１０５セラミックス部１０６組成遷移部
１１１傾斜機能駒１１２型枠１１３金属層
１１４セラミックス層１１５組成遷移層１１７重ね駒
１１８成形型１２０発熱モジュール用成形体
１２１金属部１２２セラミック部１２３組成遷移部
１３０，１３５，１４０発熱モジュール用成形体
１３１，１３６，１４１金属部１３２，１３６，１４２セラミックス部
１３３，１３７，１４３組成遷移部
１５０浅底器状型枠１５１中央底部１５４糸尻型枠
１５５中央底部１６０器状本体沈積物１６１ａ，１６１ｂ金属層
１６２ａ，１６２ｂセラミックス層１６３ａ組成遷移層
１６４糸尻沈積物１６５ａ，１６５ｂ金属層
１６６ａ，１６６ｂセラミックス層１６７ａ組成遷移層
１７０器状本体成形体１７１糸尻成形体１７２成形型
１７３器状成型体１７４金属部１７５器状製品
１８０串形調理具１８１金属部１８２セラミックス部
１８３組成遷移部
１９０球形調理具１９１金属部１９２セラミックス部
１９３組成遷移部
２００，２１０発熱モジュール
２０１金属部２０２組成遷移部２０３セラミックス部
２０４調理容器２０７誘導加熱調理器具[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a functionally gradient material molded from a mixture in which two or more kinds of solid particles are dispersed in a liquid into a structure including a composition transition layer in which the abundance ratio of solid components continuously changes, and the production of the functionally gradient material The present invention relates to a method and an apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a method for producing a ceramic or a composite material by applying a centrifugal force to a suspension or slurry is known. In these methods, in order to deposit by centrifugal force or to increase the filling rate (bulk specific gravity) of the deposit, a large centrifugal force due to ultra-high speed rotation is used, or the water absorption of the gypsum mold is used to increase the height of the molded body. We are trying to increase the density. Moreover, in order to make handling of the molded object after drying easy, the binder (binder) for fixing a deposit is added.
[0003]
Examples of methods for producing ceramics and composite materials using centrifugal force include those disclosed in Japanese Patent No. 3005660, Japanese Patent Laid-Open No. 5-65504, or Japanese Patent Laid-Open No. 3-36340. Japanese Patent No. 3005660 discloses a method of manufacturing a magnetic shield body that shields magnetic fluxes using the complete diamagnetism of a superconductor. In this manufacturing method, the crystal form that becomes a high-temperature superconductor by firing is a plate-like crystal, and the obtained cylindrical formed body is fired by centrifugally forming a slurry of calcined powder. Since the slurry of the calcined powder is made to have a uniform thickness inside the tubular mold by centrifugal force and solidified, the cylindrical formed form is taken out of the mold, so the cylindrical formed form has a uniform density and thickness and is fired. The resulting magnetic shield also has a uniform density.
[0004]
In JP-A-11-71576, solid slurry is obtained by separating solid and liquid using centrifugal force for slurry containing raw material powder made of metal oxide, and the obtained solid molded body is solved. A high-speed centrifugal molding method is disclosed in which crushed particles are irradiated with microwaves to obtain sintered abrasive grains having an average particle diameter of 1 μm or less and a micro Vickers hardness of 18 GPa or more. According to this high-speed centrifugal molding method, defoaming is also performed at the same time as molding, so that a high-quality molded body that is free of defects in principle can be obtained, and a fine ceramic that molds raw materials of 1 μm or less uniformly and with a high filling degree Suitable for creating complex shaped products. In addition, since a mold can be used, it has a feature that it is excellent in freedom of shape and dimensional accuracy.
[0005]
In Japanese Patent Laid-Open No. 5-65504, a fluid such as slurry or suspension obtained by kneading metal, ceramics or the like powder into a liquid is placed in a mold whose bottom is sealed, and the bottom of the mold is centrifuged. A molding method is disclosed in which the centrifuge is rotated outward in the rotation direction of the mold and the liquid separated in the upper part of the mold is removed to obtain a solid molded body. In addition, the Journal of Powder Optics Society 35, 555-559 (1998), titled “Preparation of gradient component packed layer using submerged sedimentation method”, shows the submerged sedimentation rate depending on the particle size and density of the granular particles. It is disclosed that a gradient component particle packed layer can be easily produced by centrifugal sedimentation using the difference.
[0006]
However, in the above-described conventional method, in order to increase the filling rate of the deposit, that is, the compact, a large centrifugal force of 10 G or more is preferable, and the sediment deposited by a small centrifugal force has a filling rate of Since it is small, there is a problem that drying shrinkage during the drying process increases, and cracks and delamination occur in the molded body. However, in order to generate a large centrifugal force of 10 G or more, there is a problem that the centrifugal force generator becomes large-scale by increasing the rotational speed or increasing the rotational radius. In addition, in order to solve these problems due to drying shrinkage, a binder is added to the preparation to increase the strength of the molded body, but if the amount of the binder added increases, a degreasing step is required before firing. For example, the number of processes increases, which causes an increase in cost.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
If the centrifugal force applied to deposit the solid component is small, the filling rate of the deposit is expected to be small. Even if such a deposit with a small filling rate has a composition transition layer in which the composition ratio of the solid component continuously changes, a homogeneous and high-quality molded product can be obtained without adding a binder. Of course, the functionally gradient material is preferable in terms of manufacturing the functionally gradient material, such that the centrifugal force generator can be downsized and rotated at a low speed. Therefore, in functionally graded materials having a composition transition layer with a continuously changing composition ratio and the production thereof, a problem to be solved in that moisture can be removed so as not to cause drying shrinkage even from a deposit with a small filling rate. There is.
[0008]
The object of the present invention is to provide a functionally graded material having a composition transition layer with a continuously changing composition ratio and its manufacture, even from a deposit with a small filling rate obtained by using a small centrifugal force. It is an object of the present invention to provide a functionally gradient material that obtains a homogeneous and high-quality molded product that does not cause cracks, delamination or loss of shape, and a method and apparatus for producing the same. Another object of the present invention is to provide a functionally gradient material having various shapes and structures by molding the molded body thus obtained.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, the functionally gradient material according to the present invention is:A slurry-like mixture in which two or more kinds of solid particles composed of a combination of one or more kinds of metal particles and one or more kinds of ceramic particles are in an aggregated state in a liquidApply centrifugal force toThe composition ratio between the metal and the ceramic is continuous between the composition layer formed by the solid particles having a higher specific gravity deposited by the centrifugal force and the composition layer formed by the subsequent deposition of the solid particles having a lower specific gravity. Deposited as a deposit containing an altered compositional transition layer,Freeze the sludgeBy sublimating and removing liquid components in a vacuum atmosphereConsists of what is obtained by dryingIt is characterized by being.
[0010]
  In this functionally graded material, the deposit is deposited with a time lag ahead due to the difference in particle size and specific gravity of the solid particles, and the composition transition layer is composed of the first composition layer having one composition ratio and the other composition ratio. The composition ratio continuously changes between the two composition ratios between the second composition layer and the second composition layer. The composition component of the solid particles is not limited to two types, but may be three or more types. However, the composition transition layer between the first composition layer and the second composition layer has a composition ratio of interest by the action of centrifugal force. It is formed as a layer continuously changing from one composition ratio to the other composition ratio. SludgeBy freezing and removing the liquid components by sublimation in a vacuum atmosphere, the inside of the deposit can be dried.A dried deposit is obtained as a body.In this functionally gradient material, by making the solid component a powdery metal and ceramic, a metal layer having excellent strength and workability and exhibiting electromagnetic characteristics, and a ceramic layer having heat retention, heat resistance or corrosion resistance, It is possible to combine the composite materials that have demonstrated the advantages of each of the above while being combined with each other by the composition transition layer, and to relieve abrupt changes that occur between the metal layer and the ceramic layer, such as temperature, stress, and displacement. A functionally gradient material is obtained. Regarding metal particles and ceramic particles, there can be a plurality of types of specific gravity (metal type) and particle size that determine the deposition rate.
[0011]
  In this functionally graded material, it can be obtained as a fired product by firing the molded body obtained by molding the dried deposit, or by firing the dried deposit simultaneously with molding. . The molded body obtained by freeze-drying can be subjected to secondary molding by uniaxial pressure molding, cold isostatic pressing (CIP) or the like, and can also be hot pressed (HP), hot isostatic pressing ( HIP) or the like can be performed by molding and firing at the same time.
[0012]
  In this functionally graded material, the outer peripheral part is a metal layer, the inner peripheral part is a ceramic layer, and the intermediate layer between the outer peripheral part and the inner peripheral part is formed into a cylindrical pipe shape having the composition transition layer. it can. The thus formed cylindrical pipe-shaped functionally gradient material can be used as it is as a pipe or the like, and can also be used as a flat-shaped functionally graded material by processing a curved side cut and cut flat. be able to.
[0013]
  In this functionally gradient material, the outer peripheral portion is a metal layer, the inner peripheral portion is a ceramic layer, and the intermediate layer between the outer peripheral portion and the inner peripheral portion is formed into a cylindrical container shape that is the composition transition layer. be able to.
[0014]
In addition, the functionally gradient material according to the present invention includes a metal part, a ceramic part surrounding the metal part, the metal part and the ceramic part integrally connected, and a composition ratio of the metal and the ceramic is the both. It can be applied as a heating module in which the metal part generates heat by induction heating or microwave heating. Induction heating or microwave heating causes the metal part to generate heat and the heating module to become high temperature, but the metal part is integrated with the ceramic part via a composition transition part in which the composition ratio of metal to ceramic changes continuously. Therefore, the composition transition part has high strength and impact resistance, and also has induction heating and micro resistance in order to relieve the thermal stress generated by the thermal expansion difference between ceramics and metal and suppress the generation of interlayer cracks. A heat generating module having both the characteristics of a metal that generates heat by wave heating and the characteristics of a ceramic having low thermal conductivity and heat retention can be obtained. The heat generating module applies a metal layer, a composition transition layer, and a ceramic layer by applying a centrifugal deposition method and a freeze drying method from a mixture in which two or more kinds of solid particles including metal particles and ceramic particles are dispersed in a liquid. It can shape | mold as a functionally gradient material which has. The metal layers can be molded back to back and sandwiched between ceramic layers via a composition transition layer on both sides of the metal layer. Furthermore, by plastically deforming the peripheral part of such sandwich structure, the metal layers in contact with each other are used as the metal part, and the composition transition layer and the ceramic layer are connected to each other as the composition transition part and the ceramic part. A heat generating module is obtained in which the metal part on the center side is covered with the ceramic part through the composition transition part.
[0015]
In the functionally gradient material applicable as a heat generating module, the heat generating module can be applied as a heating element of a cooking container by being embedded in a container for electromagnetic cooking or microwave cooking. The cooking container in which the heat generating module is embedded can be used for an electromagnetic cooker by induction heating to heat the metal part, and the metal part can be heated by microwave heating for microwave cooking. Can be used as a container. By embedding the heat generating module in the cooking container, cooking can be performed with the food and beverage contained in the container, which is convenient for reheating after cooking and has excellent long-term heat retention. .
[0016]
In the functionally gradient material applicable as a heat generating module, for the heat generating module, the metal part has a geometrical surface shape or linear shape when viewed in a plane such as a disk, a rectangular plate, a cross shape, a bowl shape, a double ring shape, etc. It can be a disk-shaped piece formed in a pattern, a skewer in which the metal part is formed in a rod shape along a central axis, or a sphere formed in a lump shape in which the metal part is located in the center part. . When the heat generating module is formed in a disk-shaped piece, the heat generating module should be used for induction heating and microwave heating when the metal part is formed in a planar pattern when viewed in a plane such as a disk or rectangular plate. Can do. Metal parts formed in a geometrical linear pattern when viewed from a plane such as a circular plate, rectangular plate, cross shape, bowl shape, double ring shape, etc. can be formed corresponding to the direction of the magnetic field lines, and the heating module It generates heat by acting efficiently with the current generated in the. When the heat generating module is formed on a skewer, the skewer can be used by inserting a part or all of the skewer into a heated product such as meat. It can be used as a stuffing or rug inside a heated product. In this way, the cooking container in which the heat generating module is embedded particularly uses the heat retaining property of the ceramic part by heating the internal metal part by induction heating or microwave heating, or by heating from the outside once in an electric / gas oven. By doing so, it can be used as a container for an electromagnetic cooker.
[0017]
  The method for producing a functionally gradient material according to the present invention includes:A slurry adjustment step of obtaining a slurry by mixing two or more kinds of solid particles having different specific gravities and a liquid to obtain a slurry, and adjusting the slurry so that the solid particles in the slurry are in an aggregated state,A mixture containing step of containing the mixture in a mold, and the solid particles as a deposit including a composition transition layer in which the composition ratio of the solid from the mixture is continuously changed by a centrifugal force acting when the mold is rotated. Centrifugal deposition step of depositing in the mold, freezing the deposit, and freezing the liquid component contained in the depositSublimate under vacuumIt consists of a freeze-drying step in which the deposit is dried by removing it.
[0018]
  According to the manufacturing method of this functionally gradient material, first,In the slurry adjustment step, two or more kinds of solid particles having different specific gravities and a liquid are mixed to obtain a slurry, and the slurry is adjusted so that the solid particles in the slurry are in an aggregated state to obtain a slurry-like mixture,In the mixture storing step, a mixture in which two or more kinds of solid particles are dispersed in a liquid is stored in the mold. This mixture becomes a suspension or slurry in which solid particles float in the liquid. In the next centrifugal sedimentation process, if the solid in the mixture is deposited in the mold by the centrifugal force that acts when the mold is rotated, the solid with the higher specific gravity first deposits in large quantities based on the specific gravity difference. However, since solids having a lighter specific gravity are deposited later, a solid-only layer having a substantially higher specific gravity, a layer having only a lighter specific gravity, and a layer having a substantially lower specific gravity are continuously deposited on both layers. A deposit composed of a composition transition portion in which the abundance ratio is continuously changed is formed. At this time, if the solid particles in the slurry are in a dispersed state, the difference in sedimentation speed due to the difference in specific gravity becomes too clear, and it is difficult to form a composition transition layer. Therefore, by adjusting the slurry so that the solid particles in the slurry are in an aggregated state, it is possible to form the composition transition layer and form the functionally gradient material. In the subsequent freeze-drying process, the freeze-drying method is applied to the deposited solid deposit.And dryA molded body in which shrinkage is suppressed is formed. Since drying is performed using a freeze-drying method, it is possible to relatively reduce the centrifugal force when the mixture is deposited. When the centrifugal force is small, the filling rate of the solid component of the molded body is reduced, but by applying the freeze-drying method, the drying shrinkage can be reduced, and a molded body free from cracks, peeling and losing shape can be obtained.
[0019]
In this method for producing a functionally gradient material, the mixture can be brought into an agglomerated state by adjusting the amount of dispersant added. By making the mixture into an agglomerated state, it becomes possible to efficiently deposit the solid component in the centrifugal deposition step.
[0020]
In this method of manufacturing a functionally gradient material, the solid particles are one or more types of metal particles and one or more types of ceramic particles, and in the centrifugal deposition step, the solid particles are first deposited at the time of deposition by the centrifugal force. The composition transition layer can be formed as a layer in which the composition ratio of metal to ceramic is continuously changed between the metal layer formed later and the ceramic layer deposited later. By making the solid component metal particles and ceramic particles whose deposition rate can be adjusted by specific gravity and particle size, it has a metal layer that exhibits electromagnetic properties and excellent strength and workability, and has heat retention, heat resistance, and corrosion resistance. Composite materials that combine the advantages of ceramic layers are combined while being blended with each other by the composition transition layer, and abrupt changes in heat, stress, strain, and other loads that occur in the metal layer and ceramic layer are alleviated. Functionally gradient materials can be manufactured.
[0021]
  In this method of manufacturing a functionally graded material, in the freeze-drying step, the deposit is frozen by rapid freezing using a cryogenic liquid such as liquid nitrogen, and the deposit is dried by sublimation under vacuum. Can do. The deposit is deposited, for example, in a mold, and the deposit is frozen by exposure to a cryogenic fluid such as liquid nitrogen.. FreezingThe liquid component thus removed is removed, for example, by sublimation directly by placing it in a vacuum atmosphere. Therefore, a dry molded body free from cracks, peeling or losing shape can be obtained without using a binder.
[0022]
In the manufacturing method of the functionally gradient material, the freeze-drying step includes a molding step of molding the dried deposit to obtain a molded body, and a firing step of firing the molded body after the molding step. Alternatively, it may include a molding / firing step in which the dried deposit is fired simultaneously with the molding. The deposit obtained by the freeze-drying process can be formed into a desired molded body by the molding process, and further, the molded body is fired by the firing process, and solid particles are firmly bonded together by firing. A functionally graded product having strength and rigidity is obtained from the component through the composition transition layer to the other component.
[0023]
In this method of manufacturing a functionally gradient material, by molding the two molded bodies in which the metal layer, the ceramic layer, and the composition transition layer are laminated in the thickness direction, with the metal layers back to back. The present invention can be applied to manufacture of a heat generating module that generates heat by induction heating or microwave heating of the metal part. For two molded bodies, in addition to a method using a cylindrical mold with a shallow bottom, for example, a cylindrical molded body molded using a cylindrical mold has a large diameter and a thin cylindrical shape. By making it a molded body, it can be cut out from there to a plate-shaped molded body with a small degree of curvature. By forming both plate-shaped molded bodies in a mold corresponding to the outer shape of the module, for example, by forming both plate-shaped molded bodies in a state where the metal layers of the plate-shaped molded bodies are back-to-back. A heat generating module having a ceramic part in which the ceramic layers of both molded bodies are arranged on both outer sides is obtained through the composition transition part formed by placing the metal part in the center and connecting the composition transition layers. The heat generating module can be made into a functionally gradient product by firing, and can generate heat by induction heating or microwave heating of a metal part.
[0024]
It is preferable to avoid exposing the metal part directly to the outside, particularly when the heating module performs microwave heating. Therefore, before firing, the entire periphery of the metal part formed from both metal layers is surrounded by the composition transition part formed by connecting the composition transition layers, and the outside is further surrounded by the ceramic part formed by connecting the ceramic layers. It is preferable to obtain a molded body for a heat generating module that is molded into a surrounding shape and is encased in a ceramic part. Further, if the heat generating module is baked together with the container molded body in a state of the molded body or a baked product embedded in the container molded body, it can be applied to the manufacture of a container for an electromagnetic cooker or microwave cooking. . For the molded body for the heat generating module, the container molded body manufactured from the ceramic raw material can be fired together with the container molded body in a state of being embedded in the bottom portion, for example, so that the cooker container having the heat generating module can be manufactured. It becomes possible. If firing of the molded body for the heat generating module is performed simultaneously with the firing of the container molded body made from the ceramic raw material, it is not necessary to fire the molded body for the heat generating module alone, and the heat generating module is integrated with the container at the end of firing. It becomes possible.
[0025]
Furthermore, the functionally gradient material manufacturing apparatus according to the present invention includes a first motor for revolving rotation, a horizontal rotating plate rotated by the first motor, and an outer peripheral portion of the horizontal rotating plate spaced apart in the circumferential direction. A plurality of rotation units rotatable around a horizontal hinge shaft extending in the chord direction, and freezing means for supplying a freezing liquid to the rotation unit, the rotation unit comprising a second motor for rotation rotation, A rotary drum that is driven to rotate about a rotation axis orthogonal to the horizontal hinge axis by the second motor, and a mixture in which two or more kinds of solid particles are concentrically supported by the rotary drum and dispersed in a liquid are contained. And a centrifugal force acting when the mold is rotated or revolved by driving at least one of the first motor and the second motor. And consisted of depositing the solid into the mold as a deposit containing composition transition portion in compositional ratio is continuously changed in the solid from the mixture.
[0026]
According to this functionally gradient material manufacturing apparatus, the horizontal rotating plate is rotated by driving the first motor, and the plurality of rotation units arranged in the circumferential direction on the outer peripheral portion of the horizontal rotating plate are respectively provided. Revolve. Due to the centrifugal force acting on the rotation unit, each rotation unit rotates around the horizontal hinge shaft, and the mixture of two or more kinds of solid and liquid injected and contained in the mold of the rotation unit is a centrifuge. The solid component is separated into a layer with the composition transition portion in the middle along the outer bottom wall portion in the mold supported by the rotation unit that is rotated in the horizontal direction. . Also, by driving the second motor, the rotation unit rotates around the rotation axis, and the rotation drum of the rotation unit and the mold supported concentrically by the rotation drum rotate and are injected into the mold. The solid component of the mixture composed of two or more kinds of contained solid and liquid is separated into layers along the peripheral wall portion in the mold with the composition transition portion in the middle. By simultaneously driving the first motor and the second motor, the rotation unit revolves around the horizontal hinge shaft by the horizontal rotation plate, turns into a horizontal state, and rotates around the rotation shaft in that state. . Therefore, the solid component of the mixture composed of two or more kinds of solids and liquid injected and accommodated in the mold is passed through the composition transition portion along the inner wall portion in the mold concentrically supported by the rotating drum. Separated into layers. The mold is a container-shaped mold with one opening in the direction of the rotation axis, and the solid component is revolved around the revolution axis while rotating around the rotation axis. And centrifugally deposited as a continuous layered vessel-like deposit along the inner wall surface, and the vessel-like deposit is freeze-dried as it is to obtain a vessel-like molded product. A bowl-shaped product can be obtained by baking.
[0027]
In this functionally gradient material manufacturing apparatus, a molding mechanism for molding a molded body formed by freeze-drying the deposit to the mold can be disposed corresponding to each of the rotation units. . Since it is rare that a solid is deposited by centrifugal force, it is rarely formed into a shape that can be immediately fired, so a molded body formed by freeze-drying the deposit by a molding mechanism. Is preferably molded between the molds. The molding mechanism can be used in combination with a portion removed from the rotation unit to the outside of the manufacturing apparatus. About the molding mechanism, a guide body that fits directly or indirectly to the outside of the mold frame of the rotation unit, and the guide body enters the mold frame when guided by the mold frame, and A molding male mold for molding the molded body between the mold and the mold can be provided. Since the position of the molding male mold with respect to the mold is defined by providing a guide body that fits directly or indirectly outside the mold frame of the rotation unit, the freeze-dried molded article is used as the mold and the molding male. It can be shaped into a predetermined shape with the mold.
[0028]
  The functionally graded material manufacturing apparatus includes a rotating body that is coaxially rotated with a horizontal rotating plate at the same speed and has a supply passage connected to a supply source of a freezing liquid, and each rotating body that is attached to the rotating body. Corresponding to each unit, it can be provided with a freezing means including a movable supply nozzle that extends to the mold of each rotation unit and can inject a freezing liquid..
[0029]
  By attaching the movable supply nozzle to a rotating body that rotates coaxially with the horizontal rotation plate at the same speed so as to extend to the mold of each rotation unit, the position of the movable supply nozzle is always the mold of each rotation unit. Corresponding to the frame, the freezing liquid can be reliably poured into the mold of each rotating unit from the movable supply nozzle.
[0030]
  The freezing means is adapted to the number of rotation units and adapters that are fixed to the machine frame at positions facing the rotation axis of the horizontal rotating plate and have a central supply passage connected to the supply source of the freezing liquid. A fixed number of nozzles attached to the adapter and connected to the central supply passage and extending to positions corresponding to the molds of the respective rotation units to inject the freezing liquid can be used. . The freezing means can be configured with a simple structure by disposing the fixed supply nozzle separately from the horizontal rotating plate and without mechanical relation, only at the position facing the rotating shaft. The freezing liquid is poured out after aligning each fixed supply nozzle with the mold of the rotation unit.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a functionally gradient material, a manufacturing method thereof, and a manufacturing apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing an example of a functionally gradient material manufacturing apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along lines AA and BB of the functionally gradient material manufacturing apparatus shown in FIG. A functionally gradient material manufacturing apparatus 1 shown in FIG. 1 and FIG. 2 is an apparatus using a centrifugal separator, and a fixed housing 2 is mounted on a disk-shaped base 3 and a base 3. A cylindrical case 4 and a bridging plate 5 spanned on the upper opening side of the cylindrical case 4, and a centrifugal drive mechanism 7, which will be described later, is disposed inside the housing 2. .
[0032]
The centrifugal drive mechanism 7 can rotate a rotation unit 8 having a mold into which slurry, which is a mixture of solid and liquid, is poured, and rotate a horizontal rotation plate 9 including a plurality of rotation units 8. This is a mechanism capable of revolving each rotation unit 8. A first motor 10 for rotating the horizontal rotating plate 9 is provided upright at the center position of the base 3. The output shaft 11 of the first motor 10 has a rotating body 12 that is fixed to the horizontal rotating plate 9 and that is rotatably supported by the bridging plate 5 at the shaft end. The rotation units 8 are arranged at equal intervals around the horizontal rotation plate 9, and each rotation unit 8 is notched in an outwardly opened state on the outer periphery of the horizontal rotation plate 9. The notch 13 is rotatably supported. Details of each rotation unit 8 will be described later.
[0033]
The first motor 10 is rotated by electric power supplied from a power cord 14 connected to a power source. The power cord 14 supplies power to the second motor 32 provided in the rotation unit 8 via the slip ring 15 and the electric wire 16. The bridge plate 5 is provided with a pipe 17 for supplying liquid nitrogen, which is a freezing liquid for freezing the slurry, from its supply source. The central hole 19 of the connecting body 18 provided at the center of the bridge plate 5, the central hole 20 of the rotating body 12, and the plurality of radiation holes 21 connected to the central hole 20 serve as a supply path for the freezing liquid connected to the pipe 17. The supply passage is connected to each of a plurality of movable supply nozzles 22 arranged radially on the rotating body 12. Each movable supply nozzle 22 corresponds to an individual rotation unit 8, extends to a mold 37 (described later) of each rotation unit 8, and can inject freezing liquid into the mold 37. In order to prevent leakage of liquid nitrogen between the rotating body 12 and the connecting body 18, a seal 23 is provided. The rotating body 12 that rotates coaxially with the horizontal rotating plate 9 at the same speed and in which a supply passage for the freezing liquid is formed, and the movable supply nozzle 22 attached to the rotating body 12 constitute the freezing means of the present invention. ing.
[0034]
The base 3 of the functionally gradient material manufacturing apparatus 1 is provided with a receiving tray 24 for receiving the waste liquid. The saucer 24 has an annular structure including an inner peripheral wall portion 25 disposed outside the first motor 10, an outer peripheral wall portion 26 concentric with the inner peripheral wall portion 25, and a bottom wall portion 27 that connects the two peripheral wall portions. Is formed. In the bottom wall portion 27, a discharge pipe 28 for discharging the received waste mud liquid to the outside of the manufacturing apparatus 1 is opened. The saucer 24 can receive the supernatant liquid accumulated in the upper part of the deposit among the liquid components contained in the slurry after the centrifugal sedimentation process is completed.
[0035]
When the first motor 10 is operated and the horizontal rotating plate 9 is rotated, the rotation unit 8 revolves at an angular velocity ω1 and rotates in the notch 13 by the acting centrifugal force as seen in the rotation unit indicated by reference numeral 8a. The bottom side is swung up to the angle θ (usually 90 degrees). Further, the rotation unit 8 can be rotated by the second motor 32 around its own central axis at an angular velocity ω2. By causing only the revolution unit 8 to revolve by driving the first motor 10, it is possible to deposit a solid component from the contained mixture into a layer including a composition transition portion along the bottom wall of the mold. Moreover, by rotating the autorotation unit 8 only by autorotation by driving by the second motor 32, the solid component can be deposited from the mixture contained in the mold into a layer including the composition transition portion along the peripheral wall of the mold. Is possible. Further, by driving the first motor 10 and the second motor 32 together, the rotation unit 8 can be rotated while revolving. In this case, the solid component of the mixture accommodated in the mold is centrifuged in a layer shape including a composition transition portion along the bottom wall and the peripheral wall of the mold.
[0036]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of another apparatus for producing a functionally gradient material according to the present invention. The functionally gradient material manufacturing apparatus 50 shown in FIG. 3 has the same structure as the functionally gradient material manufacturing apparatus 1 shown in FIGS. 1 and 2 except that the freezing means for supplying the freezing liquid is different. The same components are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. In the functionally gradient material manufacturing apparatus 50, an adapter 51 is attached at a position facing the rotation center of the horizontal rotating plate 9 of the bridge plate 5 spanned on the fixed housing 2, and the pipe 17 is provided inside the adapter 51. A central supply passage 52 connected to is formed. A fixed number of fixed supply nozzles 53 corresponding to the number of the rotation units 8 are radially attached to the outer peripheral portion of the adapter 51, and each fixed supply nozzle 53 is connected to the central supply passage 52. Thus extending to a position corresponding to the mold of the rotation unit 8. After the centrifugal deposition process is completed, the rotation of the horizontal rotating plate 9 and the rotation of the rotation unit 8 are stopped, the supernatant liquid is discharged, and the position of the mold of the rotation unit 8 is adjusted to the injection position of the fixed supply nozzle 53. Later, freezing liquid is ejected from the fixed supply nozzle 53. The pipe 17, the adapter 51, and the fixed supply nozzle 53 constitute a freezing unit of the functionally gradient material manufacturing apparatus 50. By disposing the fixed supply nozzle 53 at a position facing the rotation center separately and without mechanical relation to the horizontal rotation plate 9, the freezing means can be configured with a simple structure.
[0037]
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a state in which the rotation unit is tilted and the supernatant of the slurry is discharged after the centrifugal sedimentation process is completed. When the solid particles in the slurry are centrifugally deposited, a part of the liquid in the slurry is absorbed by the water-absorbing mold 37 (details will be described based on FIG. 5), but most of the liquid is contained in the mold 37. It is left as a supernatant 29 inside. As shown in FIG. 4, after rotation and revolution of the rotation unit 8 are stopped, before the deposit 70 is freeze-dried, the rotation unit 8 is tilted around the horizontal hinge shaft 31 by an appropriate means. The supernatant 29 can be removed by pouring the supernatant 29 into the receiving tray 24.
[0038]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing details of the rotation unit used in the functionally graded material manufacturing apparatus. The rotation unit 8 is attached to an outer frame 30 rotatably supported on the horizontal rotating plate 9 by horizontal hinge shafts 31, 31 and an end portion on the side far from the horizontal hinge shafts 31, 31 with respect to the outer frame 30. The second motor 32 and a rotating drum 36 disposed inside the outer frame 30 and rotated by the second motor 32 are provided. The horizontal hinge shafts 31, 31 extend in the chord direction at the notch 13 of the horizontal rotating plate 9, and the rotating unit 8 receives centrifugal force around the horizontal hinge shafts 31, 31 when the horizontal rotating plate 9 rotates. It turns to the outside in the radial direction. The rotation output of the second motor 32 is transmitted to the rotation drive shaft 34 through the coupling 33, and the rotation drive shaft 34 is rotatably supported on the outer frame 30 by the bearing 35. The rotation of the rotary drive shaft 34 is transmitted to a rotary drum 36 whose center of rotation is fixed concentrically with the rotary drive shaft 34. In the rotary drum 36, a rotation center is concentric with the rotation drive shaft 34, and one cup is opened in the direction of the rotation axis, and a cup-shaped mold 37 is accommodated. The solid component in the slurry-like mixture injected into the cup-shaped mold 37 is rotated around the rotation axis concentric with the rotation drive shaft 34 while rotating the cup-shaped mold 37 in the centrifugal sedimentation process. By revolving around, it deposits as a deposit 70 along the inner wall surface of the mold 37.
[0039]
  The deposit 70 obtained in the centrifugal deposition step is a cylindrical container-like deposit deposited along the inner wall surface of the cylindrical container-shaped mold 37. When the solid component is a metal powder such as iron powder and a ceramic powder, the deposit 70 includes an outer metal layer 71a deposited first by solidification and an innermost ceramic layer deposited later. A rotating body is formed of 72a and a composition transition layer 73a in which the composition ratio of the metal and the ceramic is continuously changed between the two layers. That is, the composition transition layer 73a of the deposit 70 is formed between the metal layer 71a having one (metal) composition ratio as the first composition layer and the ceramic layer 72a having the other (ceramics) composition ratio as the second composition layer. The composition ratio is continuously changed between the two composition ratios. As shown in FIG. 5, after the centrifugal sedimentation process is completed and the supernatant 29 is discharged (FIG. 4), the movable supply nozzle is operated while the second motor 32 is operated to rotate the mold 37.22Alternatively, by ejecting liquid nitrogen as a freezing liquid from the fixed supply nozzle 53, the sediment 70 centrifugally deposited from the mixture is rapidly frozen by the jet 39 of liquid nitrogen.The FreezingIn the drying step, when the frozen deposit 70 is placed in a vacuum environment, the frozen liquid component is directly evaporated by sublimation, and a cylindrical container-shaped molded body 75 (see FIG. 6) is obtained as a molded body. The composition component of the solid is not limited to two, but may be three or more, but the composition transition layer between the first composition layer and the second composition layer has a composition ratio of interest due to the action of centrifugal force. It can be formed as a layer continuously changing from one composition ratio to the other composition ratio.
[0040]
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a process of molding a molded body obtained by freeze-drying. The lower part of FIG. 6 is a view showing the rotary drum 36 taken out from the autorotation unit 8 together with the mold 37 and the molded body 75. The upper part of FIG. 6 shows a molding mechanism 40 for molding the molded body 75 obtained by freeze-drying for each rotation unit 8. It is rare that the solid component is formed to such a shape that it can be immediately fired only by the sedimentation action of the solid component by centrifugal force. Therefore, a molding mechanism 40 is provided to mold the inner surface of the molded body 75 in cooperation with the mold 37. The molding mechanism 40 includes a cylindrical molding male mold 41 having a bottom surface 42 and an outer surface 43 that are slightly smaller than a mold 37 serving as a female mold. A guide body 46 is attached to a predetermined position on the upper part of the molding male die 41 via a support portion 44 and an attachment portion 45. The guide body 46 is fitted on the outer peripheral surface 38 of the rotary drum 36 on the inner peripheral surface 47. Therefore, when the molding mechanism 40 is fitted to the rotary drum 36, the guide body 46 moves while being guided by the rotary drum 36, and the molding male die 41 is defined in a predetermined positional relationship with respect to the mold 37. Then, the molded body 75 that has entered and is lyophilized is molded from the inside. The metal layer 71a, the ceramic layer 72a, and the composition transition layer 73a of the deposit 70 become the metal layer 71b, the ceramic layer 72b, and the composition transition layer 73b in the formed body 75, respectively. In this example, the guide body 46 is fitted to the outside of the rotary drum 36, but instead of this, the guide body 46 may be fitted directly to the outside of the mold 37.
[0041]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a molded state of the molded body shown in FIG. 6 by a molding male mold. The molding male mold 41 is completely fitted into the rotary drum 36, and the molded body 75 is pressed into the gap between the mold frame 37 and the molding male mold 41. The metal layer 71b, the ceramic layer 72b, and the composition transition layer 73b of the molded body 75 become the metal layer 71c, the ceramic layer 72c, and the composition transition layer 73c in the molded body 76, respectively. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a functionally gradient product obtained by firing a molded body that has been molded. After the molding 75 shown in FIG. 7 is molded, the cylindrical container-shaped molding 76 obtained by separating the mold 37 and the molding male 41 is fired, so that the ceramic is a functionally graded composition. A cup-shaped functionally graded product 77 is obtained by baking and hardening including the transition portion. The metal layer 71c, the ceramic layer 72c, and the composition transition layer 73c of the molded body 76 become the metal layer 71d, the ceramic layer 72d, and the composition transition layer (gradient function part) 73d in the gradient functional product 77, respectively.
[0042]
  FIG. 9 is a diagram showing another example of the functionally gradient material manufacturing apparatus. 9A is a side view showing a partially broken functional material manufacturing apparatus, FIG. 9B is a front view of the functional gradient material manufacturing apparatus shown in FIG. 9A, and FIG. ) Is a side view showing a part of a cylindrical product having a tilting function obtained by this manufacturing apparatus. The functionally gradient material manufacturing apparatus 60 shown in FIG. 9 is a cylindrical centrifuge with a rotating shaft placed horizontally, and a base 61 and a rotating drum 62 supported by the base 61 in a horizontally placed state. And. The rotating drum 62 has a shaft portion 63 at one end (right end in the figure), and the shaft portion 63 is rotatably supported by a bearing provided on a support frame 64 erected on the base 61. Further, the other side (the left end in the figure) of the rotary drum 62 is rotatably supported by rollers 66 provided at four corners of a support frame 65 provided upright on the base 61. Inside the rotary drum 62, an annular groove 62a is placed, and a cylindrical mold 67 to be rotated around the rotation axis is disposed as a molding die. The cylindrical mold 67 is arranged at both ends of the rotary drum 62. It is fixed to. A driving motor 68 is also placed on the base 61, and an endless transmission band 69 such as a belt is wound around the driving motor 68 and the shaft portion 63. The other end portion of the rotating drum 62 and the other end portion in the rotation axis direction of the cylindrical mold 67 corresponding to the rotation drum 62 are closable openings 62b, and the solid particles are dispersed in the liquid through the openings 62b. It is possible to inject a frozen liquid such as a mixed mixture or liquid nitrogen. That is, the freezing liquid can move forward and backward in the axial direction of the rotary drum 62 through the opening 62b and can rotate around the center of the pipe, and the supply nozzle 22b connected to the tip of the supply pipe 22a and extending in the radial direction. And.
[0043]
According to the manufacturing apparatus 60 shown in FIGS. 9A and 9B, in the mixture containing step, the mixture of the solid and the liquid is injected into the cylindrical mold 67 through the opening 62b, and in the subsequent centrifugal deposition step. By driving the drive motor 68, the rotary drum 62 and the cylindrical mold 67 are rotated at a speed ω2 ′ around the horizontal rotation axis, which is the rotation axis, via the endless transmission band 69. In this case, the solid component of the mixture is deposited as a cylindrical deposit 80 along the inner wall surface of the cylindrical mold 67 by the action of centrifugal force. When the solid component is two or more kinds of components such as a metal powder and a ceramic powder, the cylindrical deposit 80 is separated from the inner wall surface of the cylindrical mold 67 by the centrifugal separation action. The composition transition layer in which the composition ratio of the metal and the ceramic is continuously changed, and the inner ceramic layer that is finally deposited are formed in a layered manner. In the next lyophilization step, the movable supply pipe 22a inserted through the opening 62b is rotated forward and backward to inject a freezing liquid such as liquid nitrogen from the supply nozzle 22b, so that the cylindrical deposit 80 is frozen. The frozen liquid component is directly sublimated and dried by placing the cylindrical deposit 80 in a vacuum environment, and as a result, a dried cylindrical molded body free from cracks, delamination and loss of shape as a molded body. Is obtained. The cylindrical molded body is formed into a cylindrical product 87 having an inclination function by being appropriately molded and fired in the subsequent firing step.
[0044]
The cylindrical product 87 shown in FIG. 9C has a gradient function in which the metal layer 81 on the outer peripheral side and the metal component and the ceramic component which is the other solid component are continuously changed in composition ratio. This is a cylindrical product comprising an intermediate layer 83 and an innermost fired ceramic layer 82. The outer metal layer 81 can be welded or brazed to other metal structures, and the ceramic layer 82 is provided with its heat resistance, corrosion resistance, and porosity. 87 is a reaction for an outer cylinder part of a rotating or sliding bearing for fitting an outer peripheral side to a metal ring and rotating or slidingly supporting a shaft on the inner peripheral side, a piston or cylinder liner of a piston mechanism, a chemical device Applicable to containers or piping, heat exchangers, etc. The cylindrical product 87 can be cut into a curved cut piece, and the cut cut piece can be processed as it is or flatly and used as a functional material having a curved or flat shape.
[0045]
FIG. 10: is a figure which shows the example which applied the functional gradient material obtained by this invention to the container for food / drinks which has a cooking function, Fig.10 (a) is a cross section of the container for cookers in which the whole has a functional gradient structure. FIG. 10 and FIG. 10B are cross-sectional views of a cooking vessel container in which a heating module having a tilt function is embedded. The cooker container 90 shown in FIG. 10 (a) is configured by laminating an outer metal layer 91, an inner ceramic layer 92, and a composition transition layer 93 in which the composition ratio of the metal and the ceramic changes continuously. It is a bowl-shaped container. By placing the cooker container 90 in a magnetic field line generated by passing an alternating current through the induction coil, an eddy current is generated mainly in the metal layer 91 and the cooker container 90 can be heated by induction heating. Since the metal layer 91 also generates heat by microwave heating the cooking vessel 90 in the microwave oven, the cooking vessel 90 can be a microwave cooking vessel. The cooker container 90 can be manufactured by molding the molded body obtained by the manufacturing apparatus shown in FIGS. 1 to 7 into a container shape by a press or the like, and firing the molded body. A molded body obtained by centrifugal deposition and freeze-drying of the mixture using a mold that matches the shape can be immediately fired and manufactured without molding.
[0046]
A cooker container 100 shown in FIG. 10 (b) is a container in which a heating module 103 as a disc-shaped piece having a tilting function is embedded in a thread bottom portion 102 of a container body 101 formed from a ceramic material which is a ceramic material. is there. The heat generating module 103 includes an inner metal part 104, an outer ceramic part 105 surrounding the metal part 104, and a composition transition part 106 in which the composition ratio continuously changes between the metal part 104 and the ceramic part 105. Yes. The metal part 104 generates heat by induction heating by placing the cooking vessel 100 in a variable magnetic field or microwave heating by placing it in a microwave oven. Since the ceramic part 105 having heat insulation surrounds the metal part 104, the heat generated in the metal part 104 is gradually dissipated to improve the heat insulation of the container 100. In addition, when the cooked product in the cooker container 100 is cooled, reheating of each container 100 is easy. Since the periphery of the metal part 104 that generates heat is covered with the ceramic part 105, it is safe even when microwave heating is performed and the metal part 104 that has become hot is not directly touched. Therefore, there is no risk of burns, and the heat retaining properties of ceramics, such as slow release of far-infrared rays, are utilized, and heat can be gradually released over a long period of time.
[0047]
FIG. 11 is a process diagram showing a method for manufacturing the heat generating module shown in FIG. FIG. 11 (a) shows the functionally graded piece 111 in a state of a molded body that has been freeze-dried after being centrifugally deposited by a centrifuge. The functionally graded piece 111 in the mold 112 has a substantially disk shape, a metal layer 113 is formed on one side surface in the thickness direction, and a ceramic layer 114 is formed on the other side surface. A composition transition layer 115 having a continuously changing ratio is formed. In the peripheral portion of the functionally graded piece 111, in consideration of the deformation in the later process, the metal layer 113 side is a rounded portion 116 that is retracted inward. FIG. 11B shows a state in which the functionally graded piece 111 as a molded body is taken out from the mold 112. As shown in FIG. 11 (c), the pair of functionally graded pieces 111, 111 are overlapped with the metal layers 113, 113 back to back to form an overlapping piece 117, and as shown in FIG. It is placed in a mold 118 consisting of a mold. 11 (e) is a cross-sectional view taken along the line DD in FIGS. 11 (f) and 11 (f) as a plan view taken out from the mold 118, as shown in FIG. 11 (e). As shown in FIG. 11 (g), a disk-shaped metal portion 121 that is slightly smaller than the overlapped metal layers 113 and 113 is formed. The composition transition layers 115 and 115 and the ceramic layers 114 and 114 are connected to each other to form the composition transition portion 123 and the ceramic portion 122. In the functionally graded pieces 111 and 111, the metal portion 121 is disposed around the entire periphery of the composition transition portion 123. Thus, the disk-shaped molded body for heat generating module 120 surrounded by the ceramic portion 122 is obtained.
[0048]
FIG. 12 is a view showing another embodiment of a heat generating module molded body as a functionally graded product according to the present invention. 12A and 12B are a plan view and a cross-sectional view taken along line E-E, respectively, of the heat generating module molded body 130 in which the metal part 131 has a cross-shaped plane pattern. FIGS. 12C and 12D are a plan view and a cross-sectional view taken along line E-E, respectively, of the heat generating module molded body 135 in which the metal portion 136 has a bowl-shaped plane pattern. Further, FIGS. 12E and 12F are a plan view and a GG sectional view of the heat generating module molded body 140 in which the metal part 141 has a double ring-shaped plane pattern. In the heat generating module molded bodies 130, 135, and 140, the entire circumferences of the metal portions 131, 136, and 141 are covered with composition transition portions 133, 138, and 143 in which the compositions of the metal and the ceramic are continuously changed, respectively, and the outer sides thereof are further covered. The ceramic portions 132, 137, and 142 are formed until they have a disk shape. The pattern of the metal part in the plane is not limited to these, and can be formed in any linear or planar pattern that corresponds to the direction of the magnetic field lines and can be efficiently induction-heated by the induced current. In order to manufacture a heat generating module molded body having a planar or linear pattern as shown in each example of FIG. 12 by applying the centrifugal deposition method and the freeze-drying method, a mold having a recess or groove having such a pattern. Using a frame, a metal layer in which metal particles are mainly deposited thickly in such recesses or grooves is formed, and a molded body is formed by depositing a composition transition layer and a ceramic layer on the metal layer. The metal parts thickly deposited in the recesses or grooves as a pair are butted together, and the metal parts are molded so as to be wrapped with the composition transition layer and the ceramic layer.
[0049]
The heat generating module molded body 120 shown in FIG. 11 and the heat generating module molded bodies 130, 135, and 140 shown in FIG. 12 are fired to form a heat generating module as a functionally graded product, and the obtained heat generating module is used as a container. You may use it embedded. Further, these heat generating module molded bodies 120 to 140 are embedded in a container molded body manufactured from a ceramic raw material without being fired, and the heat generating module molded bodies 120 to 140 are fired together with the container molded body. May be. The heating module is heated by induction heating or microwave heating while the food container is contained in the cooking container, and after the heat generation, heat is gradually dissipated by the heat retaining properties of the ceramics for a long time. Can keep food warm. In addition, instead of performing centrifugal deposition and freeze-drying individually as shown in FIG. 11, the functionally gradient piece 111 cuts out a plate-shaped molded body having a small curvature from a large-diameter and thin-walled cylindrical molded body. Can also be obtained.
[0050]
FIG. 13 is a diagram showing a cooking container manufacturing method similar to the cooking container as the functionally gradient product shown in FIG. The cooking container shown in FIG. 13 is manufactured by separately manufacturing a main body part and a thread bottom part of a container-like container and combining them. FIG. 13A shows a case where a shallow mixture having a central bottom 151 is used as a mold, and a slurry-like mixture in which metal particles and ceramic particles are dispersed in a liquid is centrifuged by a centrifuge. A shallow vessel-shaped body deposit 160 is formed by depositing on the vessel-shaped form 150. The metal layer 161a is concentrated and deposited on the central bottom portion 151 and the vicinity thereof in the shallow container mold 150, and the ceramic layer 162a is deposited on the metal layer 161a via the composition transition layer 163a. Similarly, FIG. 13B shows a case where a thread tail mold 154 having a central bottom 155 is used as a mold, and a similar slurry-like mixture is deposited on the thread bottom mold 154 by a centrifugal separator. A deposit 164 is formed. A metal layer 165a is deposited at the center bottom 153 and its vicinity, and a ceramic layer 166a is deposited on the metal layer 165a via a composition transition layer 167a. The yarn end formwork 154 is a formwork formed in a state where the metal layer is turned upside down so that the metal layer is deposited on the bottom side.
[0051]
The container-like main body deposit 160 and the yarn tail deposit 164 are respectively frozen by a freezing liquid and dried in a vacuum environment, and formed into a container-like main body molded body 170 and a yarn tail molded body 171. As shown in FIG. 13C, the container-shaped main body molded body 170 and the thread tail molded body 171 are overlapped with each other with the two metal layers 161b and 165b abutting each other. As shown in FIG. 13 (d), the instrumental body molded body 170 and the thread tail molded body 171 that are superposed are formed by molding using a molding die 172 including upper and lower mold frames 172 a and 172 b. 173 is molded. At this time, the metal layers 161b and 165b that are in contact with each other become a metal portion 174 as the mold is formed, and the metal portion 174 is connected to the outer ceramics via the composition transition portion 178 in which the composition transition layers 163b and 167b are connected. It is encased in a container-like molded body 173 which is a ceramic part obtained by deformation and connection of the layers 162b and 166b. Thereafter, the container-shaped molded body 173 is taken out of the mold 172 and fired, whereby a container-shaped product 175 in which a metal portion 174 as a heating element is included in the container main body 176 as shown in FIG. 13 (e). As produced. Since the metal part 174 is located above the yarn tail 177 and inside the central bottom part 179 on which food and drink are placed, the bowl-shaped product 175 is advantageous for heating, reheating and keeping warm of the cooked product.
[0052]
FIG. 14 is a sectional view showing another embodiment of the functionally gradient product according to the present invention applied to a cooking utensil. The functionally gradient product shown in FIG. 14 is applied to a skewer 180 as a cooking utensil, and an inner metal portion 181 is covered with a ceramic portion 182 with a composition transition portion 183 around the entire periphery. The skewer 180 is used in an electromagnetic cooker that induction-heats the metal part 181 or a microwave oven that microwaves the metal part 181 with a part or the whole inserted into a heated product such as meat. Even if the skewer 180 is only heated in an electric / gas oven, heat can be gradually dissipated over a long period of time by the heat storage action of the ceramic portion 182. Thus, since the skewer 180 is directly heated, the heated product can be uniformly and efficiently heated from the inside. Moreover, the preheating action and infrared radiation action from the ceramic part 182 can also be expected.
[0053]
FIG. 15 is a sectional view showing still another embodiment of the functionally gradient product according to the present invention applied to a cooking utensil. The functionally gradient product shown in FIG. 15 is applied to a sphere 190 that functions like a stone-fired heating stone as a cooking utensil. The metal part 191 inside the sphere 190 is covered with the ceramic part 192 through the composition transition part 193 around the entire periphery. The sphere 190 is used in a state of being stuffed or laid inside the heated product as in the case of roasted birds. Like the skewer 180, the sphere 190 can be used in an electromagnetic cooker that induction-heats the metal part 191, a microwave oven that heats the microwave, or an electric / gas oven that directly heats the heated portion. It can be heated well. Moreover, the preheating effect and infrared radiation action from the ceramic part 192 can also be expected. In the example shown in FIG. 14 and FIG. 15, metal particles are intensively deposited in solid grooves, especially grooves or circular recesses previously formed in a form for centrifugal deposition to form a molded body, and the metal layers are butted together. In this state, the ceramic layer or the composition transition layer is shaped so as to wrap the metal part with a press or the like, and further fired, whereby a skewer-shaped or spherical heat generating module can be manufactured.
[0054]
In this functionally graded material, the container-like product 175 (including 77, 90, 100) can be used as a container for food and drink such as glasses, cups, bowls, bowls, and barrels. In a bowl-shaped product, it is preferable to arrange a metal layer on the outside of the product and to make a ceramic layer on the inside of the product that is touched by food and drink, as in the case of conventional ceramics. The outer metal layer with good processability can be decorated with irregularities, and the added value of the product can be increased. Even if the bowl-shaped product is dropped on the floor or the like, the metal layer that is directly impacted is not easily damaged, whereas the ceramic layer is not directly damaged and is not easily damaged. In addition, as already described, the food and drink container is used for an electromagnetic cooker by using a metal layer as a heating element that generates heat based on an induced current such as an eddy current generated when the metal layer is placed in a changing magnetic field line. It can be set as various containers for heat insulation. Furthermore, in this functionally gradient material, the container-like product can also be used as industrial parts such as candlesticks, reaction vessels, pistons, cylinder liners, bearing parts and the like. By placing a strong metal layer on the outside and a ceramic layer having heat resistance and corrosion resistance on the inside, this functionally gradient material can be used as an industrial part such as a reaction vessel or a bearing part. Furthermore, this functionally graded product can be applied as a reusable heating part, not disposable, such as a fire or a hood.
[0055]
FIG. 16 is a schematic view showing an example in which the functionally gradient material obtained by the present invention is embodied as a heat generating module and an application example thereof to a cooking utensil. FIG. 16A is a side sectional view showing an example of a heat generating module having a basic structure. The heat generating module 200 includes a metal part 201 layered on one side and a ceramic layered on the other side. It consists of a part 203 and a composition transition part 202 in which the two parts are laminated together. As shown in FIG. 16B and FIG. 16C, which is an enlarged view of a part thereof, the heat generating module 200 is attached to the bottom 205 of a cooking container 204 such as a clay pot with clay or ceramic adhesive 206. Cooking can be performed by placing the cooking container 204 with the heating module 200 on the induction heating cooking appliance 207 and causing the heating module 200 to generate heat. FIG. 17 is a schematic view showing another example in which the functionally gradient material obtained by the present invention is embodied as a heat generating module and an example of application thereof to a cooking utensil. FIG. 17A is a side cross-sectional view of the heat generating module 210. Two functionally gradient materials shown in FIG. 16A are prepared, and the metal portions 201 are bonded back to back, and the composition transition portions 202, 202 are prepared. The ceramic parts 203, 203 are provided on the upper and lower sides through the. As shown in FIG. 17 (b) and FIG. 17 (c), which is an enlarged view of a part thereof, the heating module 210 is set in the induction heating cooking appliance 207, and the cooking container 204 such as an earthenware pan is placed on the heating module 210. It can cook by putting it on. The heat generating module 210 shown in FIG. 17 is particularly effective when the cooking container 204 is not necessarily sufficient in heat generation but is excellent in heat conductivity.
[0056]
【Example】
Examples of the method for producing a functionally gradient material according to the present invention will be described below. The embodiment according to the present invention is an example of producing a functionally graded material using zirconia and stainless steel, one of which is a zirconia layer and the other is a stainless steel layer, and has a composition transition layer in which both compositions continuously change. The raw material includes a specific gravity of 8.1, an average particle size of 4.4 μm, and a specific surface area of 1.6 m.²/ G stainless steel powder, specific gravity 6.1, average particle size 0.34 μm, specific surface area 17 m²/ G yttria partially stabilized zirconia powder was used. In order to adjust the dispersion state of the slurry as a mixture, ammonium polyacrylate was used as a dispersant. The functionally gradient material was manufactured through the following steps 1 to 4.
[0057]
1. Sludge adjustment process
33.3 wt% of zirconia, 16.7 wt% of stainless steel, and 50 wt% of distilled water are blended, and the mixture is mixed with 0.04 wt%, 0.08 wt%,. Six types of preparations (samples) were obtained by adding 16 wt%, 0.32 wt%, 0.40 wt%, and 0.64 wt%. These preparations were mixed in an alumina pot mill for 5 hours to obtain a slurry. The obtained slurry was well dispersed when the amount of the dispersant was 0.4 wt% or more, and became agglomerated below that amount. Note that when the blending ratio of zirconia and stainless steel is changed and the amount of stainless steel is increased, two-layer separation occurs with a relatively small amount of dispersant added, and when the amount of zirconia increases, the amount of dispersant added is less than 0.5%. There is a tendency that layer separation does not occur. The slurry is poured into a 20 ml polyethylene beaker.
[0058]
2. Centrifugal deposition process
The beaker into which the slurry was injected was centrifuged in a range of 1000 to 3000 revolutions with a centrifuge to obtain a deposit. The centrifuge used in the experiment generates a centrifugal force of about 180 G at 1000 revolutions, about 700 G at 2000 revolutions, and about 1600 G at 3000 revolutions (G is standard gravity on the ground surface). Of the slurries prepared as described above, in the sample having a good dispersibility in which no sedimentation separation occurred, the boundary between stainless steel and zirconia becomes clear and the composition ratio changes in the deposition direction. An inclined layer could not be confirmed. A good graded layer was seen in the 0.32 wt% additive that was in an aggregated state.
[0059]
3. Freeze drying process
In order to take out the molded body from the sediment deposited by centrifugation, freeze drying was performed. Since wrinkled water was generated in the upper part of the sediment after centrifugal deposition, the wrinkled water was discarded and the water level was lowered to the surface of the deposited material, and the sample container was immersed in liquid nitrogen for quick freezing. After the sample temperature was sufficiently lowered, the sample was transferred to a freeze dryer and dried for about 12 hours. Since the drying shrinkage caused by freeze-drying on the sample is small, dry cracking hardly occurs in the molded body. When observing the appearance of the freeze-dried sample and the normal-dried sample at room temperature, in the normal-dried sample, the cracks generated in the deposit in the container during centrifugal deposition expand as it dries. However, in the freeze-dried sample, it was confirmed that such cracks did not expand in the molded product.
[0060]
4). Firing process
The freeze-dried product was taken out from the container and calcined in an atmosphere furnace. The sample was placed on a molybdenum plate and placed in a carbon container. Firing conditions were 1250 ° C., argon gas atmosphere; 0.5 atm, keep time; 1 hour. The sample used was one having a good gradient layer and a dispersant amount of 0.32 wt%. The pre-fired product has a strength as high as chalk and can be processed by cutting or cutting.
Hot press sintering was performed on the calcined product. Firing conditions were 1300 ° C., applied pressure; 1 ton, argon gas atmosphere; 1 atm, keep time; 1 hour. After cutting the hot-pressed sample and polishing the cross section, the prepared structure was observed with a reflection microscope and a scanning electron microscope. In the left zirconia layer containing Zr as the main component, bright stainless particles gradually diffused from the right stainless steel layer containing Fe and Ni as the main components, and an inclined structure in which the composition ratio was continuously changed was formed. It was confirmed that
[0061]
【The invention's effect】
Since the functionally gradient material according to the present invention and the manufacturing method and apparatus thereof apply the freeze-drying method to the sediment deposited as described above, a water-absorbing mold is used from the viewpoint of the mold. There is no need, and from the viewpoint of the molded body, there is almost no drying shrinkage, so there is no inconvenience such as cracking, delamination, or loss of shape of the molded body, yield can be improved, and the obtained product And the quality of the functionally gradient material, which is the final product manufactured by firing, is also good. Further, conventionally, a resin such as a binder, which has been necessary for improving the strength of the product, is unnecessary, the manufacturing process can be simplified, and the manufacturing apparatus can be constructed simply and inexpensively. Furthermore, even deposits that could not be manufactured due to cracking or peeling by conventional methods such as blowing hot air on deposits formed by deposition, exposing them to dehumidified dry air, or microwave drying. The molded body can be manufactured without any problem. Moreover, although the centrifugal sedimentation process is used, since the rotational speed of the centrifuge may be small, an apparatus for generating centrifugal force becomes simple and can be obtained at low cost. Accordingly, it is possible to cope with the production of a large functionally gradient material.
[0062]
According to the functionally gradient material of the present invention, by including metal particles as a solid component that constitutes a slurry-like mixture in which the solid component floats in the liquid, the metal portion formed from the deposited metal layer is induced by an induced current. A heating element capable of generating heat by induction heating or microwave heating. By using ceramic particles as other solid components in addition to the metal particles, the functionally gradient material having such a heating element can be directly shaped into a container or a cooker. In addition, by covering the entire periphery of the heating element with a composition transition part, that is, a part having a gradient function, and further covering the outermost part with a ceramic part, a heat generating module that is convenient to handle can be obtained and incorporated in a container or a cooker Thus, it is possible to obtain a container that can be cooked while having a ceramic sensation, and a skewer-shaped or spherical cooker.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing an example of a functionally gradient material manufacturing apparatus according to the present invention.
2 is a cross-sectional view of the functionally gradient material manufacturing apparatus shown in FIG. 1 taken along the lines AA and BB.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of another production apparatus for a functionally gradient material according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a situation in which the supernatant is discharged after the rotation unit is tilted after the centrifugal sedimentation step is completed.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing details of a rotation unit used in the functionally gradient material manufacturing apparatus according to the present invention.
FIG. 6 is an explanatory view showing a shaping process of a molded body obtained by freeze-drying.
7 is a cross-sectional view showing a shaping state of the shaped body shown in FIG. 6 by a shaping male mold.
8 is a cross-sectional view showing a shaped body obtained from the shaped state shown in FIG. 7. FIG.
FIGS. 9A and 9B are diagrams showing another example of the functionally gradient material manufacturing apparatus, in which FIG. 9A is a side view showing a partially broken functional material manufacturing apparatus, and FIG. The front view of the manufacturing apparatus of a functional gradient material, (c) is a side view which fractures | ruptures and shows a part of cylindrical functional gradient product obtained by this manufacturing apparatus.
FIG. 10 is a view showing an example in which the functionally gradient material obtained by the present invention is applied to a food and drink container having an electromagnetic cooking function, (a) is a cross section of an electromagnetic cooker container having an overall functionally inclined structure FIG. 4B is a cross-sectional view of a container for an electromagnetic cooker in which a heat generating module having an inclination function is embedded.
11 is a process diagram showing a manufacturing method for manufacturing the heat generating module shown in FIG.
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a heat generating module as a functionally gradient material including a metal portion formed in a planar pattern.
FIG. 13 is a process diagram showing another method of manufacturing an electromagnetic cooking container as a functionally gradient material according to the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an example in which the functionally gradient material obtained by the present invention is applied to skewers.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example in which the functionally gradient material obtained by the present invention is applied to a spherical cooking utensil.
The
FIG. 16 is a schematic view showing an example of a heat generating module as a functionally graded material obtained by the present invention and an application example thereof to a cooking utensil.
FIG. 17 is a schematic view showing another example of a heat generating module as a functionally gradient material obtained by the present invention and an application example thereof to a cooking utensil.
[Explanation of symbols]
  DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Production apparatus of functionally gradient material 2 Housing 3 Base
  5 Bridge plate 6 Inside of housing 7 Centrifugal drive mechanism
  8, 8a Rotating unit 9 Horizontal rotating plate 10 First motor
11 Output shaft 12 Rotating body 13 Notch
17 Piping 22 Movable supply nozzle
22a Movable supply pipe 22b Supply nozzle
24 saucer 29 supernatant
30 Outer frame 31 Horizontal hinge shaft
32 Second motor 34 Rotation drive shaft 36 Rotating drum
37 Formwork 39 Jet
40 Molding Mechanism 41 Male Mold for Molding 46 Guide Body
50 Production apparatus for functionally graded material 53 Fixed supply nozzle
60 Production equipment for functionally graded materials 61 Base 62 Rotating drum
67 Cylindrical form 68 Drive motor 70 Sediment
71a, 71b, 71c, 71d metal layer
72a, 72b, 72c, 72d ceramic layer
73a, 73b, 73c, 73d Composition transition layer
75 Molded body 76 Molded body 77 Functionally graded product
80 Cylindrical deposit 81 Metal layer 82 Ceramic layer
83 Intermediate layer 87 Cylindrical product
90 container for electromagnetic cooker 91 metal layer 92 ceramic layer
93 Composition transition layer
100 Electromagnetic Cooker Container 101 Container Body 103 Heating Module
104 Metal part 105 Ceramic part 106 Composition transition part
111 functionally graded piece 112 formwork 113 metal layer
114 Ceramic layer 115 Composition transition layer 117 Stack piece
118 Mold 120 Molded body for heating module
121 Metal part 122 Ceramic part 123 Composition transition part
130,135,140 Molded body for heat generating module
131,136,141 Metal part 132,136,142 Ceramic part
133, 137, 143 Composition transition part
150 Shallow-bottomed formwork 151 Center bottom 154 Thread bottom formwork
155 Center bottom 160 Container-like body deposit 161a, 161b Metal layer
162a, 162b Ceramic layer 163a Composition transition layer
164 Itoji deposit 165a, 165b Metal layer
166a, 166b Ceramic layer 167a Composition transition layer
170 Molded body 171 Thread end molded body 172 Mold
173 Molded object 174 Metal part 175 Instrumental product
180 Skewer-shaped cookware 181 Metal part 182 Ceramic part
183 Composition transition part
190 Spherical cooker 191 Metal part 192 Ceramic part
193 Composition transition part
200,210 Heat generation module
201 Metal part 202 Composition transition part 203 Ceramic part
204 Cooking container 207 Induction heating cooker

Claims

Centrifugal force is applied to a slurry-like mixture in which two or more kinds of solid particles comprising a combination of one or more kinds of metal particles and one or more kinds of ceramic particles are in an aggregated state in a liquid , The composition ratio of metal and ceramic is continuously between the composition layer formed by first depositing solid particles with higher specific gravity by centrifugal force and the composition layer formed by depositing solid particles with lower specific gravity later. A functionally gradient material obtained by depositing as a deposit containing a changed composition transition layer, and drying the deposit by sublimating and removing a liquid component in a vacuum atmosphere .

A functionally gradient material obtained by firing a molded body obtained by molding the functionally gradient material according to claim 1 , or obtained as a fired product by firing the functionally gradient material simultaneously with molding. .

The outer peripheral portion is a metal layer, the inner peripheral portion is a ceramic layer, and the intermediate layer between the outer peripheral portion and the inner peripheral portion is formed into a cylindrical pipe shape that is the composition transition layer. Item 3. A functionally gradient material according to item 1 or 2 .

The outer peripheral portion is a metal layer, the inner peripheral portion is the ceramic layer, and the intermediate layer between the outer peripheral portion and the inner peripheral portion is formed into a cylindrical container shape that is the composition transition layer. The functionally gradient material according to claim 1 or 2.

A composition in which a metal part, a ceramic part surrounding the metal part, the metal part and the ceramic part are integrally connected, and a composition ratio of the metal and the ceramic continuously changes between the two parts. A functionally graded material comprising a transition part and being applicable as a heat generating module in which the metal part generates heat by induction heating or microwave heating.

6. The functionally gradient material according to claim 5, wherein the heating module is applied as a heating element of a cooking container by being embedded in a container for electromagnetic cooking or microwave cooking.

The heat generating module is a disk-shaped piece in which the metal part is formed in a geometrical plane or linear pattern when viewed in a plane such as a disc, a rectangular plate, a cross, a bowl, a double ring, etc. The functionally gradient material according to claim 5 or 6, wherein the metal part is a skewer formed in a rod shape along a central axis, or a sphere formed in a lump shape in which the metal part is located in the central part.

A slurry adjustment step of obtaining a slurry by mixing two or more kinds of solid particles having different specific gravities and a liquid, and adjusting the slurry so that the solid particles in the slurry are in an agglomerated state, the mixture The solid particles as a deposit including a composition transition layer in which the composition ratio of solids from the mixture is continuously changed by centrifugal force acting when the mold is rotated. Inclination comprising a centrifugal deposition step of depositing in a mold, and a freeze-drying step of drying the deposit by freezing the deposit and sublimating and removing the frozen liquid component contained in the deposit. A method for producing functional materials.

The method for producing a functionally gradient material according to claim 8, wherein the mixture is agglomerated by adjusting an amount of a dispersant to be added.

The solid particles are one or more kinds of metal particles and one or more kinds of ceramic particles, and in the centrifugal deposition step, the composition transition layer is a metal that is first deposited when deposited by the centrifugal force. The method for producing a functionally gradient material according to claim 8, wherein the composition ratio of the metal and the ceramic is continuously changed between the layer and the ceramic layer deposited later.

In the above lyophilization process, manufacturing method of the functionally gradient material according to claim 8 freezing of the deposits consisting Rukoto done by rapid freezing with cryogenic liquid such as liquid nitrogen.

In addition to the method for producing a functionally gradient material according to claim 8, the method includes a molding step of molding the dried deposit to obtain a molded body, and a firing step of firing the molded body after the molding step. it, or dry process for the preparation of adult Ru inclined swash functional material since it has a molding and firing step of firing the deposit molding and simultaneously.

In addition to the method for producing a functionally gradient material according to claim 10, the metal layers are back-to-back with the two molded bodies in which the metal layer, the ceramic layer, and the composition transition layer are laminated in the thickness direction. by molding in a state, the production method of the applied Ru FGM in the manufacture of the heating module that generates heat by induction heating or microwave heating of the metal part.

A first motor for revolving rotation, a horizontal rotating plate rotated by the first motor, and a horizontal hinge shaft that is arranged circumferentially spaced on the outer periphery of the horizontal rotating plate and extends in the chord direction. And a freezing means for supplying a freezing liquid to the rotation unit. The rotation unit includes a second motor for rotation and a rotation perpendicular to the horizontal hinge axis by the second motor. A rotating drum that is driven to rotate around an axis; and a mold that is supported concentrically by the rotating drum and that can contain a mixture in which two or more kinds of solid particles are dispersed in a liquid. The composition ratio of the solid is continuously changed from the mixture by a centrifugal force acting when the mold is rotated or rotated by driving at least one of the motor and the second motor. Apparatus for producing and functionally gradient material consists of depositing the solid into the mold in as deposits containing composition transition portions.

15. The inclination according to claim 14, wherein a molding mechanism for molding a molded body formed by freeze-drying the deposit with the mold is provided corresponding to each of the rotation units. Functional material manufacturing equipment.