21世紀に飛躍する材料－新材料とその応用：高気孔率セラミックス多孔体の開発

摘要

フィルター，触媒，触媒坦体，及び分離膜等，多くの用途に用いられている多孔質材料は，最近ますます注目を浴びている．セラミックスは，有機物に比べ，熱的及び化学的安定性に優れ，さらに良好な機械的特性を備えているので，多くの研究者が多孔質セラミックスの研究及び開発に取り組んでいる．そもそも，多孔（質）体に対するのは，緻密（質）体である．耐火物，さらに多くのファインセラミックス等の構造材の開発において，その主たる開発課題は，いかに緻密にするか，すなわち密度を上げるかという場合が多かった．なぜならば，セラミックスを緻密化することで，構造材としての強度や耐蝕性が改善できるからである．一方では，材料の多孔特性を調節するということも，構造材としての材料設計を行う手法でもある．例えば，気孔を導入して，耐熱衝撃性を制御することである．さらには，この多孔特性の調節は機能性を発現させるという点においても有効な方法である．ここで，多孔特性とは，気孔率（開気孔率，閉気孔，または全気孔率），気孔径及びその分布，開気孔か閉気孔かも含めた気孔形状及びその配列，及び比表面積等を示す．上記の多孔特性を具体的目標として多孔体を設計する場合，セラミックス多孔体の調整方法は数多く存在する．この場合，むしろ調整方法によって，多孔特性を制御しているといってもよい．例えば，あらかじめセラミックス原料に可燃物を混合しておき焼成前または焼成後にこれを除去する方法，ウレタン等のフォームを気孔鋳型としたり，スラリーに気体を導入する方法，反応焼結法，熱処理による反応生成物の選択的溶解法，ゲル化法，凍結乾燥法などである．上記方法によって作製されたセラミックス多孔体は，実用化されているものも数多い．このような動向の中で，著者は多孔体の研究開発に約3年間従事してきた（それ以前は，溶融耐火物の開発を行っていた）．多孔体の研究開発においては，新規な多孔体及びその調整方法の開発が，1つの課題であった．その中で，セラミックス（焼成過程を経て合成した無機物の意味）の気孔率をどこまで上げることができるかという，ある面では素朴な疑問を抱いた．いろいろな思索を巡らし，試作をくりかえし，幸いにも気孔率最高99％のセラミックスを調整することに成功した．本稿では，高気孔率セラミックスの調整方法とその多孔特性について述べる．