JP2024525219A - 複数の層を有する焼結多孔質体 - Google Patents

Abstract

異なる金属粒子から作製された複数の層を備え、多孔質ろ過膜として有用となり得る、金属多孔質焼結体、ならびに金属多孔質焼結体の作製および使用の方法が、記載される。
【選択図】図１

Description

本開示は、異なる金属粒子から作製された複数の層を備え、ろ過膜として有用となり得る、金属多孔質焼結体に関し、金属多孔質焼結体の作製および使用の方法にも関する。

金属の多孔質焼結体は、製造業で使用される流体をろ過することを含む、多様な産業的適用での使用を見出す。多くの製造プロセスは、非常に純粋な流体を原材料として、または処理流体として必要とする。例えば、半導体および微細電子工学装置の製造の多くの異なるフェーズは、原材料として高度に純粋な気体または液体、および洗浄、エッチングおよび他の表面調製工程等の工程のための、高度に純粋な処理流体の使用を必要とする。製造中に、高度に純粋な流体を提供するため、流体の使用の直前に流体から夾雑物を除去するために、フィルターをしばしば使用する。

流体は、気体もしくは液体、または超臨界流体の形態であってよい。超臨界二酸化炭素は、洗浄および溶媒抽出の適用のためを含み、産業において多様に使用される。高度に純粋な超臨界二酸化炭素は、電子機器および半導体製造産業において使用することができ、非常に高度な清浄度および材料の純度を必要とする。一つのかかる適用では、超臨界二酸化炭素を、半導体ウエハの表面からフォトレジスト材料を除去するために使用することができる。例えば、ろ過して１０もしくは２０ナノメートル、またはそれより小さいサイズ範囲の粒子を除去することにより、低いナノスケールレベルで粒子不純物を含まないように、一般的には、超臨界二酸化炭素の供給を、使用の前にろ過する。

二酸化炭素（ＣＯ_２）は、その臨界温度（３１．１０℃、８７．９８°Ｆ、３０４．２５Ｋ）、ならびに臨界圧力（７．３９ＭＰａ、７２．９気圧、１，０７１ポンド／平方インチ、７３．９バール）を上回る温度および圧力の超臨界流体として、存在する。超臨界二酸化炭素をろ過するプロセスのための典型的な操作条件は、摂氏７０、９０、または１００度を超える温度、および２５、３０、３５、または４０メガパスカル（ＭＰａ）を超える圧力を含む。

超臨界二酸化炭素を処理およびろ過するために使用される機器は、超臨界状態で二酸化炭素を維持するために必要な温度および圧力で、存続し、機能するよう設計しなければならない。これらの条件は、多くの他の種類の、産業用原材料またはプロセス流体をろ過するために使用される条件より、顕著により厳密である。他の流体の多くのろ過する工程は、周囲のまたはほんのわずかに上昇した温度で、およびおよそ大気圧である、大気圧をわずかに上回る、または大気圧をはるかに下回る圧力で、生じる。その結果として、機器およびろ過膜等の部品は、有用である稼働耐用期間にわたって、相対的に高い圧力および温度での、安定性と耐久性がなければならないために、超臨界二酸化炭素等の超臨界流体をろ過するための、新しく、有用であり、改良された方法および機器を開発することは、特に難題となり得る。

以下の記載は、新規発明の多孔質焼結体、ろ過膜、多孔質焼結体を調製する方法、および多孔質焼結体をろ過膜として使用する方法に関する。

記載される多孔質焼結体は、多様な異なる流体をろ過するための、ならびに広い範囲の温度および圧力にわたるろ過膜として、効果的であり得る。流体は、気体、液体、または超臨界状態における流体であってよい。圧力は、周囲のもの、上昇したまたは下降したものであってよい。および、温度は、周囲のもの、上昇したまたは下降したものであってよい。特定の例として、ある特定の現在の好ましい多孔質焼結体は、超臨界二酸化炭素等の超臨界流体をろ過する方法と同様に、相対的に高い温度および圧力の条件で流体をろ過することについて有用となり得る。

超臨界流体の特性は、それらの使用中ならびに取り扱いおよび処理中に変化することがあり得る。流体は、液体、蒸気、または超臨界の相の間で相転移を経ることがあり得、それにより急速な圧力および温度変更をもたらし得る。

その上、超臨界流体は、プロセスの材料、または流体取扱いシステムの構造と化学的に非適合性であり得る。超臨界流体の低い表面張力により、流体を、流体取扱いシステムの構造の材料の内部に注入することができるようになる（例えば、フィルター）。注入された材料は、構造を破断させ、またはそうでなければ損傷させ得るように、急速に膨張し得る。超臨界二酸化炭素に曝露されたテフロン材料は、超臨界二酸化炭素を吸収し、次いでそれが急速に膨張し、テフロンを破断させ得る。他の例では、流体取扱いシステムの構造は、超臨界流体と化学的に相互作用して流体に侵入する夾雑物をもたらし得るか、または構造を分解し、固体粒子の不純物を生成する化学反応を生じ得る。単一の例としては、痕跡量レベルの、超臨界二酸化炭素気体中に存在する一酸化炭素（ＣＯ）が、ろ過膜の成分であるニッケルと反応して、Ｎｉカルボニル法を介し、固体のＮｉ材料を形成し得る。

超臨界流体をろ過するために使用する、ろ過機器は、高い圧力および温度の条件で、耐久性があるべきであるが、総コストを低減するために、相対的に小型になるように設計されている。相対的に小型のろ過ユニットおよびろ過膜を含む、小径の導管およびフロー制御が好ましい。その結果として、超臨界流体を処理するために設計されたろ過膜の表面積は、流体を、より低い圧力条件で、非常によく似た流量および流体粘度で処理するために設計されたフィルターの表面積と比較して、典型的には小型になるであろう。低減したフィルター表面積は、１桁レベル分等、顕著である。水を数リットル／分でろ過するよう設計したフィルターは一般に、同様の範囲の流量で超臨界二酸化炭素をろ過するためのフィルターよりも、１０～１００倍多くのろ過材（膜）を有するであろう。したがって、超臨界二酸化炭素を処置するために使用されるフィルターは、一般的な水用フィルターよりも、顕著に高い差圧を操作するので、例えば、ろ過膜全体にわたる圧力差への曝露による、破裂等、物理的故障に対する抵抗など、より高い強度を有するフィルターを必要とすることが予想される。

流体を処理するためのろ過膜として有用となり得る多孔質焼結体が、本特許出願において記載される。流体は、気体、液体、または超臨界流体であってよく、高いもしくは低い温度（顕著に常温を上回るもしくは下回る）で、または高いもしくは低い圧力（顕著に周囲圧力を上回るもしくは下回る）で、ろ過膜を通って流れることができる。特定の適用では、上昇した温度、圧力、または両方で、流体をろ過するために使用されるシステムおよび方法において、例えば、超臨界二酸化炭素等の超臨界流体をろ過するため、多孔質焼結体は、ろ過膜として有用となり得る。

一態様では、本発明は、多孔質膜に関する。膜が、少なくとも１ミクロンの粒径を有する粗い金属粒子を含む第１の層、および焼結金属粒子の組み合わせを含む第２の層を備え、それらの粒子は、少なくとも１ミクロンの粒径を有する粗い金属粒子と、金属繊維粒子と、２００ナノメートル未満の粒径を有する微細な金属粒子と、を含む。

別の態様では、本発明は、多層構造多孔質膜を形成する方法に関する。方法は、少なくとも１ミクロンからの粒径を有する粗い金属粒子を含む第１の前駆体を調製すること、金属粒子のブレンドが、少なくとも１ミクロンの粒径を有する粗い金属粒子と、金属繊維粒子と、２００ナノメートル未満の粒径を有する微細な金属粒子とを含み、その金属粒子のブレンドを第１の前駆体の表面に適用することによって多層構造の前駆体を調製すること、を含む。方法は、複合材料前駆体を焼結することを更に含む。

更に別の態様では、本発明は、焼結金属粒子を含む第１の層、および金属繊維粒子を含む焼結金属粒子の組み合わせを含む第２の層を備える、管状の多孔質膜に関する。膜は、少なくとも３０，０００ｐｓｉである破裂時のフープ応力を有する。

記載される実施例の金属多孔質体の断面図を示す模式図である。この模式図は例示的であり、必ずしも正確な縮尺ではない。 記載される実施例の金属多孔質体の顕微鏡写真である。 記載される実施例の金属多孔質体の顕微鏡写真である。 記載される実施例の金属多孔質体の顕微鏡写真である。 記載される実施例の金属多孔質体の顕微鏡写真である。 フィルターハウジングおよび多層構造多孔質焼結体を備える、記載されるフィルターアセンブリの実施例を示す図である。

ここでは、流体の流れをろ過して流体から不純物を除去するろ過膜として有用となり得る、新規の金属多孔質焼結体（例えば、本明細書では、「多孔質体」、「多孔質焼結体」、または時には単に「物体」）について記載する。

記載される多孔質焼結体は、焼結金属粒子で作製された、２つの（少なくとも）層、大部分がまたは全体的に粗い金属粒子に由来する第１の層、および粗い金属粒子と、微細な金属粒子と、金属繊維（本明細書では「金属繊維粒子」と称される）と、を含む金属粒子のブレンドに由来する第２の層を含有する、金属多孔質体の形態である。それぞれの層は、焼結工程により、粒子の表面で相互接続するようになる金属粒子のマトリックスで作製される。

第１の層は、多層構造膜のための支持物の構造的基礎として実質的に機能し、良好な流動特性、ならびに十分な強度および第２の層を支持するための構造を呈する。第２の層は、ろ過膜層としておよび強化層として機能する。強度およびろ過する機能を両方提供するために、第２の層は、組み合わさって、ろ過する機能性を担い、多層構造膜の強度を増加させる第２の層を形成する３種類の粒子（粗い、微細なおよび繊維）を含有する。第２の層における粗い粒子は、微細な粒子と、金属繊維粒子とを内部に含有する多孔質構造を提供する。第２の層の微細な粒子は、多孔質体を通過する流体を効果的にろ過することを提供する。金属繊維粒子は、細長い形状と、層全体にわたって伸長して、層内のいくつもの他の粒子と結合し、第２の層および（多層構造）多孔質焼結体全体の強度を増加させる長さとを有する。増加した強度は、破断することのないフープ応力の耐久力の増加量として、円筒状の（管状の）形状を有する多層構造膜に見出すことができる。

記載される多孔質焼結体を調製するための新規発明の方法、および流体の流れをろ過することのために、記載される多孔質焼結体を使用する新規発明の方法もまた、記載される。

記載される多孔質焼結体は、粒子を焼結する工程によって、それらの表面で共に接続した（例えば、「相互接続した」）に由来し、したがって金属粒子「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」（例えば、～を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）、～からなる、または～から本質的になる）と称される、金属マトリックス（または単に「マトリックス」）を含む多孔質金属構造である。粒子を共に融合または結合して、未焼結の、場合により圧縮された状態の金属粒子を含有する前駆物体を焼結する工程によって、相互接続したマトリックスを形成する。

本明細書で使用される、用語「焼結」は、金属ろ過膜として有用となり得る種類の多孔質焼結金属膜等、多孔質焼結金属構造体の技術分野において使用される場合、この用語が与えられるという意味で一致する意味を有する。それと一致して、用語「焼結」は、粒子（例えば、「前駆体」）を含む未焼結体に熱を加えることによって、１つまたは複数の異種（サイズ、組成物、形状、等）の小金属粒子の一群を共に結合する（例えば、「溶接する」または「融合する」）プロセスを指すのに使用することができるが、それにより、粒子は、２つの異なる隣接する粒子の表面の間の金属結合によって、粒子が共に融合される、すなわち、共に溶接されるようになる温度に達するが、その温度により、粒子のいずれかを溶融させず、すなわち、金属粒子のどれもその溶融温度に達せず、または流動性液体とならない。

本明細書で使用される場合、金属粒子の「焼結点」または「焼結温度」は、金属粒子を焼結することができる温度、すなわち、接触面を有する粒子の一群内部の粒子が溶融することなく、大気圧で等、特定の圧力で共に融合することができる温度である。金属粒子の焼結点は、金属が液体になる温度を意味する、粒子の溶融温度を通常下回る。

好ましくは、本明細書の多孔質な被ろ過体を調製するために使用される金属粒子の全てまたは実質的に全てを、焼結工程において使用することができる単一温度で、溶融することなく焼結することができる。多孔質体を調製するために使用される全ての異なる種類の金属粒子は、摂氏５、１０または２０度のかかる範囲の、相対的に近い範囲内の焼結温度を有し得る。その範囲は、公知の金属粒子の焼結温度の典型である温度、摂氏７００、８００または９００度を上回る温度等を包含し得る。

また好ましくは、記載される多孔質な被ろ過体を調製するために使用される粒子の全てまたは実質的に全てが、類似の膨張係数を有するであろうし、粒子は、同様の、または全てが相対的に狭い範囲内にある膨張係数を有する。

物体の、第１の層または第２の層の異なる種類の金属粒子のいずれかとして有用となり得る金属粒子の非限定的な例は、任意の金属（純粋な金属および合金を含む）で作製された金属粒子、例えばステンレス鋼、別の鉄または鋼合金、ニッケルまたはニッケル合金、チタンまたはチタン合金等を含む。特定の例の膜によると、物体の異なる層の大部分のまたは全ての粒子は、ステンレス鋼等、単一の種類の金属で作製される。ある特定の適用については、例えば、超臨界二酸化炭素等の超臨界流体をろ過するためのろ過膜として使用される焼結体については、有用なまたは好ましいろ過膜は、実質的にまたは全体的にステンレス鋼で作製し得るが、ステンレス鋼は、二酸化炭素が、物体を通過する流体中に導入されることとなる不純物を生成するように、ニッケルと反応し得る痕跡量の一酸化炭素を含有するので、他の金属、特にニッケルまたはニッケル合金より好まれ得るからである。

記載される多孔質焼結体、ならびにその前駆体は、異なる金属粒子から作製される、２つの特定可能な部分または「層」を含む。異なる層の機能を限定することなく、「第１の」層は、時には、「粗い層」または「支持層」と本明細書では称され、「第２の」層は、時には、「微細層」または「ろ過する層」と称される。第１の層は、大部分がまたは全体的に粗い金属粒子から作製される。第２の層は、粗い金属粒子と、微細な金属粒子と、金属繊維粒子と、を含む金属粒子のブレンドを使用して作製する。多孔質焼結体を調製するために使用される前駆物体（未焼結）はまた、異なる種類の金属粒子を用いて作製された２つの層を含有する。

２つの異なる層は、拡大を使用して視覚的に検知し得る。大部分がまたは全体的に粗い粒子を使用して作製した第１の層は、焼結工程によって粒子表面で共に結合した粗い粒子のみを、または大部分がその粗い粒子を含有するように見えるであろう。第１の層は、第２の層と比較して、相対的に高い多孔性を有するであろう。

粗い粒子と、微細な粒子と、金属繊維粒子と、の混合物を用いて作製した第２の層は、焼結工程によって粒子表面で共に結合した、粗い粒子と、微細な粒子と、金属繊維粒子と、の３つ全てを含有するように見えるであろう。第２の層は、第１の層と比べて、相対的により低い多孔性を有するであろう。

図１は、多孔質焼結体の一部分の、側面の、断面図を概略的に示す。物体１０は、大部分がまたは全体的に粗い粒子２２で作製された第１の層２０を含む。物体１０はまた、大部分がまたは全体的に、粗い粒子３２（粗い粒子２２と同様の、またはそれとは異なる）と、微細な粒子３４と、金属繊維粒子３６と、で作製された第２の層３０を含む。多孔質焼結体中に形成される場合、粒子は、粒子の表面で相互接続する。

図２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄは、概略的に図１で示される多孔質焼結体の顕微鏡写真画像である。物体１０、大部分がまたは全体的に粗い粒子２２で作製された第１の層２０、および大部分がまたは全体的に、粗い粒子３２（粗い粒子２２と同様の、またはそれとは異なる）と、微細な粒子３４と、金属繊維粒子３６と、で作製された第２の層３０が、図示されている。多孔質焼結体中に形成される場合、粒子は、粒子の表面で相互接続する。

記載される多層構造体では、時には「粗い層」と本明細書では称される第１の層は、大部分がまたは全体的に、金属多孔質体を調製するために使用される一部の他の粒子と比べて、相対的に大型である金属粒子から作製される。第１の層は、多孔質体の第２の層の多孔性と比べて、相対的に高い多孔性を有して多孔質体を通る流体の効果的な流れを可能にする一方、第２の層のための剛性の支持物を提供する。

実施例の粗い金属粒子は、同様のまたは異なる種類の小型の（ミクロンまたはサブミクロンスケールの）粒子の一群を意味する、粉末の形態である。第１の層をもたらすために使用される粗い金属粒子は、粒子が金属多孔質焼結体を形成するのに焼結時に効果的である、記載される方法に基づき、記載される第１の層を形成する際に、粒子が有用であることを可能にする形状およびサイズを有することができる。

粗い金属粒子の形状は、規則的（例えば、粉末の範囲内で一致する）、または不規則な、円形のもしくは球形の、球状の、分岐の、もしくは、好ましくは、樹枝状の、等であることができる形状または表面を含むことができる。特定の例では、第１の層の粗い粒子は、異方性の高い樹枝状粒子と称される種類のもの、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，８１４，２７２号（「‘２７２特許」）に記載されるもの等であってよい。

‘２７２特許によると、本明細書で使用される場合、用語「樹枝状」は、金属粒子が、１つ、または典型的には複数のフィラメントまたは分岐を含む構造を有する、金属粒子の、異方性の高い、不規則的な形態学を指し、それぞれのフィラメントまたは分岐は個々に、そのフィラメントの他の２つの寸法よりも大きい、（３つの寸法のうちの）１つの寸法を有する。１つまたは複数の分岐またはフィラメントは、独立して直線または曲線であってよく、分岐または非分岐であってよい。樹枝状粒子は、より規則的な形態学の粒子と比べて低いパッキング効率によって特徴付けられ、したがって、同様の化学組成であるが、より規則的な形態学を有する粒子によって形成された粉末と比べて、より低い見かけ密度の粉末を形成する。拡大下では、樹枝状粒子は、非樹枝状の出発粒子のアグリゲートまたはアグロメレートのように見え得る。‘２７２特許の図６を参照されたい。

樹枝状粉末は、自立性の前駆物体（例えば、成形形態、以下を参照されたい）ならびに同等な非樹枝状粉末で作製された前駆物体および焼結体と比べて、相対的により低い密度および高い多孔性の焼結体を形成する。

樹枝状粒子は、粉末等の粒子の一群の一部である、非樹枝状粒子または部分的に樹枝状の粒子を共に融合することにより形成することができる。簡潔には、樹枝状粒子の粉末は、‘２７２特許に記載される方法により形成することができる。したがって、樹枝状粒子の粉末は、初期段階の焼結に好適な条件下、非樹枝状粉末を加熱して軽度に焼結した材料を形成することにより、実質的に非樹枝状の粉末から形成することができる。次いで、軽度に焼結した材料を処理し、焼結し、結合した粒子の一部を分裂して樹枝状粒子を形成することができる。これらの工程は、所望であれば、反復することができる。

用語「軽度に焼結した材料」は、Ｒａｎｄａｌｌによって定義されるとおり、焼結の初期段階を経る金属粉末粒子の融合によって創出された材料を指す（Randall in “Powder Metallurgy Science”, second edition, German, ed., Metal Powder Federation Industry (1994)、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる）。焼結または短い範囲の拡散焼結の初期段階では、結合が、粒子の接触面で粒子間に形成され、直接隣接する粒子のみとの金属粉末粒子の融合が生じる。このように、焼結の初期段階では、低い機械的強度の脆弱な構造を生じさせる。所与の材料については、焼結は、この初期段階を越えて、材料の焼結範囲のより下端の温度で徐々に進行する。本明細書の目的のために、用語「初期段階の焼結」は、焼結が、実質的に初期段階を越えて進行しない条件下での粉末の焼結を指す。

用語「実質的に非樹枝状の粉末」は、大部分がまたは全体的に（例えば、少なくとも８０、９０または９５質量パーセント）の非樹枝状の形態学を有する金属粒子を含有する粉末を指す。

第１の層での使用のための粗い粒子は、記載される多孔質焼結体の第１の層を提供する任意の粒径（平均粒径）を有し得る。例えば、粗い粒子の平均粒径は、少なくとも１ミクロン、１～２０ミクロンの範囲、例えば、１～５、１０もしくは１５ミクロン、または約２～５ミクロンの間の範囲の平均粒径等であってよい。金属粒子の粒径は、ＡＳＴＭ Ｂ８２２－１７によって測定することができる（Standard Test Method for Particle Size Distribution of Metal Powders and Related Compounds by Light Scattering）。第１の層を調製するのに有用となり得る粗い金属粒子の粉末は、任意の有用な見かけ密度（ＡＤ）を有し得る。相対的に低いＡＤを有する粉末は、相対的に高い多孔性を呈するであろう第１の層を生成し、多孔質体を通る流体流れに対する抵抗の低減を可能にすることが、典型的には好ましい場合がある。例えば、第１の層をもたらすために使用される粗い金属粒子の粉末は、２グラム／立方センチメートル（ｇ／ｃｃ）を下回る、例えば、１．５ｇ／ｃｃを下回る、例えば１．０～１．５グラム／立方センチメートルの範囲の見かけ密度を有し得る。

粉末または顆粒（例えば、金属粒子）の見かけ（かさ）密度は、所与の体積に関する粉末または顆粒の一群の質量を指し、体積は、粉末を構成する固体顆粒の間の中間空間および開放空間を含む。見かけ（かさ）密度を測定するための方法は、周知であり、ＡＳＴＭ Ｂ７０３－１７「Standard Test Method for Apparent Density of Metal Powders and Related Compounds Using the Arnold Meter」を含む。

実施例の金属焼結体によると、物体の第１の層は、例えば、第１の層の全金属粒子の総質量に基づき、本明細書に記載される粗い粒子の少なくとも８０、９０、９５または９９質量パーセントを、粗い金属粒子から調製することができ、したがって大部分が粗い金属粒子を含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）（～を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）、～から本質的になる、または～からなる）ことができる。第１の層は、例えば、低量で、他の種類の粒子を含有してもよいが、第１の層のある特定の例では、他の種類の粒子（記載される「粗い粒子」ではない粒子）は大部分がまたは全体的に除外され得、第１の層は、粗い粒子からなる、またはそれから本質的になると考えることができる。本明細書に記載されるとおり、一般的な意味では、材料または材料の組み合わせ「から本質的になる」として記載される組成物は、同定される材料または材料の組み合わせ、および任意の他の材料のわずかな量以下を含有する組成物、例えば、同定される材料または材料の組み合わせ、および任意の他の材料の５、３、１、０．５または０．１質量パーセント以下を含有する組成物である。特定の例としては、粗い金属粒子から本質的になる組成物（粉末）または層は、粗い金属粒子および任意の他の材料の５、３、１、０．５または０．１質量パーセント以下を含有する組成物または層である。

多孔質焼結体およびその第１の層は、所望の使用に対して、例えば、ろ過膜として、効果的である多孔質焼結体を可能にするであろう多孔性を有し得る。ろ過膜としての使用について、特に、所望の流量で流体の流れをろ過することにおける使用については、記載される多孔質焼結体の第１の層は、好ましくは、少なくとも４０パーセントの多孔性、例えば、４０～６０パーセントの範囲の多孔性を有することができる。

本明細書で使用される場合、および多孔質焼結体の技術において、多孔質焼結体の「多孔性」（また、時には空隙比と称される）は、物体の総体積の、物体における空隙（すなわち、「中身の無い」）空間の、パーセントとしての尺度であり、物体の総体積に対する物体の空隙の体積の比として計算される。零パーセントの多孔性を有する物体は、完全な固体である。

多孔質焼結体の第２の層は、時には、「微細層」と本明細書では称されるが、大部分がまたは全体的に、金属粒子の３種類のブレンドから作製される。粒子は、粗い金属粒子と、微細な金属粒子と、金属繊維（本明細書では「金属繊維粒子」と称される）と、を含む。非常に一般的な用語では、いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、異なる種類の粒子は、多層構造多孔質焼結体に対して、ろ過する機能性および増加した強度の両方を提供するために機能する物体の第２の層を形成するのに共に役立つと考えられている。第２の層における粗い粒子は、微細な粒子と、金属繊維粒子と、を内側に含有する多孔質な基本構造を提供する。粗い粒子は、多孔質体を通る流体の流れを極度に制限しない所望の多孔性、ならびに微細な粒子がろ過する機能を担うために位置するための粗い粒子間の空間を提供する。微細な粒子は、多孔質体を通過する流体を効果的にろ過することを提供する。金属繊維粒子は、第２の層のマトリックスの一部として含まれる場合その長さに沿って伸長し、マトリックスのいくつかの他の粒子に接触し、結合して、第２の層の、および（多層構造）多孔質焼結体全体の強度を増加させる細長い形状を有する。

第２の層の粗い金属粒子として有用となり得る金属粒子は、第１の層の粗い粒子について一般的および具体的に上記に記載される種類の粒子であってよい。第２の層の粗い粒子は、上に記載される粗い粒子の異なる種類、サイズおよび形状のいずれかであってよい。第２の層の粗い粒子は、任意の有用な金属材料で作製することができる。ある特定の例では、第２の層の粗い粒子は、第１の層の粗い粒子と同様の組成物、例えば、ステンレス鋼であってよい。

第２の層の実施例の粗い粒子は、樹枝状または非樹枝状であり得る。実施例の非樹枝状粒子は、少なくとも２グラム／立方センチメートル（ｇ／ｃｃ）、例えば、２～３ｇ／ｃｃの範囲の見かけ密度を有し得る。

第２の層の実施例の粗い粒子は、少なくとも１ミクロンの平均粒径、１～２０ミクロンの範囲、例えば、１～５、１０もしくは１５ミクロン、または約２～５ミクロンの間の範囲の平均粒径等を有し得る。

なおその上、第２の層は、第２の層の粗い粒子と比較して、実質的により小さいサイズを有する、例えば、ナノメートルのスケールである微細な粒子を含有する。微細な粒子は、第２の層の一部として存在する場合、ろ過機能を担って、非常に小型の（例えば、ミクロンスケールまたはナノスケールの）不純物または夾雑物を、第２の層を通る流体の流れから除去するのに効果的である。

微細な金属粒子は、同様のまたは異なる種類の小型の（ナノメートルスケールの）粒子の一群を意味する粉末の形態である。第２の層の一部として使用される微細な金属粒子は、粒子が金属多孔質焼結体を形成するのに焼結時に効果的である、記載される方法に基づき、記載される第２の層を形成する際に、粒子が有用であることを可能にする形状およびサイズを有することができる。有用な微細な粒子の例は、一般に、ナノスケールのサイズ範囲の、円形の、高くないアスペクト比の粒子であり得る。粒子は、典型的には、円形の、非樹枝状であり、高いアスペクト比を呈さず、例えば、アスペクト比１０を下回る、５を下回る、もしくは４を下回るまたは平均３のアスペクト比を呈する。

第２の層における使用のための微細な粒子は、記載される多孔質焼結体の第２の層に、具体的には、良好なろ過する性能および良好な流動特性を提供するであろう任意の粒径（平均粒径）を有することができる。微細な粒子の平均粒径は、２００ナノメートル未満、２５または５０～１５０または２００ナノメートルの範囲、例えば、６０～１００ナノメートルの範囲の平均粒径等であってよい。微細な粒子の粒径は、ＡＳＴＭ Ｂ８２２－１７（Standard Test Method for Particle Size Distribution of Metal Powders and Related Compounds by Light Scattering）を使用して測定することができる。

第２の層に含まれる金属粒子の第３の種類は、金属繊維粒子である。金属繊維粒子は、第２の層の一部として存在する場合、金属繊維粒子の長さに沿った距離にわたって、第２の層の強度を増すように、第２の層の、複数の粗いまたは微細な粒子に結合するのに効果的である。金属繊維粒子は、微細層において多数の他の粒子に物理的に接触し、直接的および間接的にそれらに接続して、金属粒子の強化された融合マトリックスを形成する。微細層は、粗い層と比較して、膜のより強い層となり、微細な粒子を支持することができ、ろ過機能を担うことができる、多孔質な基礎または足場としてさらに機能する。

金属繊維粒子は一般に、細長い軸および実質的に直径よりも長い長さを有する粒子である。金属繊維粒子は、「繊維」の形態（「ストランド」、「ピラー」、「フィラメント」、「スレッド」または同種のものとしても既知である）を有すると考えられ得る。金属繊維粒子は、記載される第２の層におけるそれらの使用を可能にする形状を有し得、記載される方法では、金属繊維は、多孔質焼結体を通って繊維の長さに沿って伸長することにより多孔質焼結体に含まれ、第２の層の複数の他の粒子に接続して高度に接続されたマトリックスを形成する。金属繊維粒子は細長く、少なくとも２５：１、例えば少なくとも、５０：１、例えば、５０：１～３００：１の範囲であるアスペクト比（長さの幅に対する比）を有し得る。

金属繊維粒子の実施例の厚さ（断面の直径、実質的により長い長さと比較した幅および厚さの寸法を含む）は、ミクロンのスケールであり得るが、例えば、金属繊維粒子は、１０ミクロンを下回る、１～５ミクロン、例えば、１～２または１～３ミクロンの範囲等である平均厚さ（直径）を有してよい。金属繊維粒子の実施例の長さ（例えば、平均長さ）は、ミクロンのスケール、例えば、数十ミクロン、５０～３００ミクロン、または７５～１５０ミクロンの範囲等であり得る。第２の層の金属繊維粒子の寸法は、直接的に、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して決定することができる。

第２の層は、所望の使用に対して、例えば、ろ過膜として効果的である多孔質焼結体を可能にするであろう多孔性を有し得る。ろ過膜としての使用について、特に、所望の流量での流体の流れをろ過することにおける使用については、記載される多孔質焼結体の第２の層は、約１５～約３０パーセントの範囲の多孔性を有することができる。

第２の層は、粗い粒子と、微細な粒子と、金属繊維粒子と、の任意の効果的な相対量を使用して作製することができる。ある特定の例の物体では、第２の層の総質量に基づき、第２の層は、３０～７０または４０～６０質量パーセントの粗い粒子と、３０～７０または４０～６０質量パーセントの微細な粒子と、２０質量パーセント未満の金属繊維粒子、例えば、１５または１０質量パーセント未満の金属繊維粒子、０．５～８質量パーセントまたは１～６質量パーセントの金属繊維粒子等と、で作製することができる。

第２の層は、例えば、低量で、他の種類の粒子を含有してもよいが、好ましくは、大部分がまたは全体的に、粗い粒子と、微細な粒子と、金属繊維粒子と、のブレンドを含有することができ、３種類の金属粒子の記載されるブレンドからなる、またはそれらから本質的になると考えることができる。粗い粒子と、微細な粒子と、金属繊維粒子と、「から本質的になる」微細層は、これらの３種類の粒子および任意の他の材料（異なる種類の粒子等）のわずかな量以下、例えば、任意の他の材料（異なる種類の粒子等）の５、３、１、０．５または０．１質量パーセント以下を含有する。

金属焼結体は、第１の層および第２の層を、記載されるとおりに含む（すなわち、～を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）、～からなる、または～から本質的になる）ことができる。物体の第１のおよび第２の層の焼結体の全厚さ、ならびに相対的な厚さは、有用な任意のものとすることができる。第１の層は、物体を通る流体流れを極度に制限することなく第２の層に支持物を提供する厚さを有し得る。第２の層は、所望のろ過する性能を提供する、膜、特に、管状の膜において、良好な強度も提供する厚さを有し得る。

ろ過膜としての使用のための多孔質焼結体の全厚さは、相対的に薄く、例えば、大きさが相対的に小さい厚さを有し得る。薄いろ過膜は、質量の低減および使用中のフィルター前後の圧力損失の低減を含む、ろ過膜の一定の所望の特性をもたらすことができる。ろ過膜としての使用、例えば、超臨界流体をろ過するために適した、有用なまたは好ましい多孔質焼結体の例は、１．５または２ミリメートルを下回る、例えば、１、０．９または０．８ミリメートルを下回る、例えば、０．４～１ミリメートルの範囲の厚さを有することができる。

実施例の多孔質焼結体では、第１の（粗い）層は、第２の層より、より厚いまたはより薄いのいずれかであってよい。ある特定の例によると、記載される物体は、物体の全厚さの少なくとも５０パーセント、例えば、少なくとも物体の全厚さの５５、６０、７０または８０パーセントである第１の（粗い）層の厚さを有することができる。第２の層は、最大で物体の全厚さの５０パーセント（すなわち、全厚さの５０パーセント以下）、最大で物体の全厚さの２０、３０、４０、４５、または５０パーセント等である厚さを有することができる。

多孔質焼結体は、第１の層、第２の層を含有する、およびそれらを含有してもよいが、他の層または材料を必要としない。ある特定の実施形態によると、多孔質焼結体は、第１のおよび第２の層のみからなるまたはそれらのみから本質的になることができる。第１の層および第２の層「から本質的になる」多孔質焼結体は、これらの２つの層および任意の他の層または材料のわずかな量以下、例えば、任意の他の層または材料の５、３、１、０．５または０．１質量パーセント以下を含有する。

記載される多孔質焼結体で作製されたろ過膜は、流体が流れ通る有用な表面積を含むことができ、その表面積を、好ましくは、低い圧力損失、フィルターを通る流体の望ましい流量および所望の除去の効率（ＬＲＶによる測定）等、使用中の所望のろ過する性能特質を可能にするほど、十分に高くすることができる。例示的な多孔質焼結体は、平坦なシート、またはカップ、錐体、開放管（２つの対向した端で開放）、もしくは閉鎖管（１つの密閉端および１つの開放端を有する管もしくは円筒を意味する「密閉円筒」としても既知）の形態で等、交互に三次元の形状としての形態であるろ過膜に構成することができる。超臨界二酸化炭素をろ過するのに有用なろ過用物体の特定の例は、開放円筒のろ過膜、すなわち、１０～１００ミリメートルの範囲の長さ、および０．５～２インチの範囲、０．７５～１．５インチの範囲等の直径を有する管であり得る。
本明細書の多孔質体は、流体、例えば超臨界二酸化炭素等の超臨界流体をろ過するのに、効果的となり得るために有用な泡立ち点を有することができる。膜の有用なまたは好ましい泡立ち点の例は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を使用する泡立ち点試験法ＡＳＴＭ Ｆ３１６によって測定される、少なくとも２００キロパスカル（ｋＰａ）、例えば、少なくとも２２５または２５０ｋＰａであり得る。

例えば、超臨界二酸化炭素をろ過するためのろ過膜として調製され、使用される、記載される多孔質体は、以前の多孔質金属ろ過膜と比較して、同等であるまたは改良されている、ろ過する特性および流動特性を呈するであろう。記載されるろ過膜、具体的には、管状のろ過膜は、特定の金属粒子から作製される本明細書に記載される２つの特定の層を含まない、以前の同等な多孔質金属ろ過膜と比較して、有利には、増加した強度を呈し得る。理論に拘束されることなく、第２の層の金属繊維粒子は、微細層において多数の他の粒子に物理的に接触し、直接的および間接的にそれらに接続して、第２の層において強化された融合粒子の網状組織を形成する。第１の（粗い）層および第２の（微細な）層を含有する記載される金属膜は、微細層が、融合粒子の網状組織の一部として繊維粒子を含有し、粗い粒子および微細な粒子を同等な相対量で含有するが、金属繊維粒子を含まない微細層を有する同様の粗い層から作製される同等な金属膜と比べて、（客観的に、破裂強度試験等の試験に基づき）増加した強度を呈する。

記載される多孔質焼結体を、ろ過膜として使用して、ろ過膜を通って導かれる流体の流れから粒子または汚染物質を除去することができる。流体は、気体、液体、または超臨界流体を含む、任意の種類の流体であってよい。流体は、特定の例として、低いレベルで不純物を含有する超流体二酸化炭素を含み、任意の供給源からろ過することを必要とする任意の流体であってよい。超臨界二酸化炭素は、半導体および微細電子工学装置を処理するまたは生産するのに有用である。多孔質焼結体は、ふるい分けもしくは非ふるい分けのろ過機構または両方によって、効果的に流体流から夾雑物を除去することができる。流体が超臨界二酸化炭素である場合、ろ過は、大部分が非ふるい分けのろ過機構によって行われ得る。

記載されるろ過膜を使用して流体をろ過する工程中、ろ過するシステムによって取り扱われる流体の圧力は、所望のとおりであり得る。ある特定の種類の、超臨界二酸化炭素を含む、流体をろ過するために使用される方法および機器については、ろ過するシステム内部の流体、例えば、ろ過膜を通過する流体圧力は、少なくとも１０、２０、または最大で３０メガパスカル（ＭＰａ）もしくはそれを超過する等、相対的に高い。

記載されるろ過膜の厚さ（フィルターの上流の側面とフィルターの下流の側面との間）を貫く、ろ過膜の使用中の圧力差（または「圧力損失」）は、（例えば、流体の所与の流量の）ろ過する工程中の所望の有効性（例えば、粒子の保持）を可能にし、また、商業的に実行可能である、任意の圧力差であり得る。超臨界二酸化炭素をろ過するための使用については、上昇した圧力でのろ過膜全体にわたる差異は、少なくとも１、２または３メガパスカル（ＭＰａ）であり得る。

ろ過する工程中にろ過膜を通って流れる（フィルターを通る体積／時間）流体の量は、ろ過する工程中の所望の有効性（例えば、粒子の保持）を可能にする、また、商業的に実行可能である、量であり得る。

記載されるろ過膜を通る流体の流れの温度は、商業的に効果的にろ過することを可能にする任意の温度であり得る。超臨界二酸化炭素をろ過することについては、温度は、少なくとも、摂氏１００、１５０または２００度の温度等、相対的に高くてよい。

記載される金属焼結体を、記載される第１の層および第２の層を含有する前駆体を形成した後、前駆体を焼結し、各層の粒子を相互に結合させて、多孔質焼結体を形成する、多段プロセスによって調製することができる。ある特定の例の方法では、前駆体を、任意のポリマーまたは他の液体成分が粉末内部に存在する必要性がない、金属粒子の乾燥粉末を使用する乾式の方法によって形成し得る。前駆体の第１の層は、粗い金属粒子の第１の乾燥粉末から、例えば、アイソタクチック成形技法を使用して、第１の層を成形して、第１の層の成形体を形成することにより、形成することができる。第１の層の成形体を形成した後、第２の層（粗い粒子と、微細な粒子と、金属繊維粒子）のための、記載される３つの異なる金属粒子のブレンドを含有する乾燥粉末は、再度アイソタクチック成形技法によって、第１の層の成形体の表面に均一に適用され、その表面に対して圧縮される。第１の（粗い）層および第２の（微細な）層を有する、生成した成形体は、次いで焼結して、本明細書に記載される第１のおよび第２の層を有する焼結多孔質体を生成する。

一実施例の工程によると、大部分がまたは全体的に粗い粒子を含む乾燥粉末形態の粒子の一群を、加圧下で成形し、粒子を圧縮して、薄膜を形成する。１つの技法によると、成形工程は、アイソタクチック成形、またはアイソタクチック湿式加圧成形と称されるタイプであり得る。（例えば、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第７，５３４，２８７号を参照されたい。）成形工程によって共に圧縮される、大部分または全体が粗い粒子を含有する、作製膜は、多孔質焼結体の第１の層となるであろう。薄膜は、粒子の圧縮によって粒子間に生じる接触によって一緒に保持される。薄膜は、「前駆体」または「成形体」と称されるが、具体的にここでは、「第１の層前駆体」であり、自立的であるが、脆弱である。

粒子の第２の一群は、第２の層に有用であると本明細書に記載される３種類の金属粒子のブレンドとして形成され、そのブレンドは、粗い粒子と、微細な粒子と、金属繊維粒子とを含む。次いで、この粒子のブレンドは、第１の層前駆体の表面にわたって均一で一様な量のブレンドを配置するように、第１の層前駆体の１つの表面に適用される。粒子のブレンドを第１の層前駆体の表面に適用する効果的な方法は、公知であり、第１の層の表面にわたってスクリーンまたはメッシュを配置し、次いで、粒子のブレンドにスクリーンを通過させ、場合により粒子を一様に分布させるためにブラシが使用される等の「エアレイ」技法と称される、方法を含む。

第１の層の表面にわたって粒子のブレンドを一様に配置した後、生成した成形体を、再度加圧下で成形し、ブレンドの粒子を圧縮して、第１の層の表面上に圧縮した第２の層を形成する。第１の層の表面上で粒子のブレンドを成形し、そのブレンドを圧縮することは、アイソタクチック成形技法、例えば、アイソタクチック湿式加圧成形技法によって行い得る。生成した前駆体（「成形体」）は、粗い粒子から作製される圧縮済み、未焼結の第１の層、および少なくとも３種類の粒子を含有するブレンドから作製される圧縮済み、焼結済みの第２の層を含有する。後続の工程では、前駆体を、両方層の粒子を結合して単一の多孔質焼結体にするのに効果的であろう焼結温度で焼結する。

以下の実施例の方法では、本明細書の実施例の多孔質焼結体が調製された。物体を、好ましくは３１６Ｌである、ステンレス鋼合金を使用して作製したが、好適なサイズおよび形態学の、粒子が利用可能である他の金属および合金を用いて物体を作製する方法を、使用することができる。二酸化炭素気体は、痕跡量の一酸化炭素（ＣＯ）を有する場合があるが、３１６Ｌ合金におけるニッケル（Ｎｉ）原子は、確実に合金中で結合し、一酸化炭素と反応しないため、二酸化炭素気体との良好な適合性のために、３１６Ｌを選択する。

粒子を使用して、３つの異なる粉末および１つの種類の繊維（全て３１６Ｌ）からなる物体をもたらした。

粉末材料１
基礎、またはより多孔質な支持層、すなわち、多孔質焼結体の「第１の層」は、ろ過層、すなわち、「第２の層」と比べて、相対的により高い多孔性を有するべきである。望ましく高い多孔性を達成するために、低い見かけ密度（例えば、ＳＳについて１．５ｇ／ｃｃ未満）を有する粉末を使用して、第１の層を形成することができる。第１の層の粒子のサイズ範囲は、１～１０ミクロンの範囲であってよい。しかしながら、これらの材料自身が、しばしば２～３ｇ／ｃｃの範囲の見かけ密度を有し、大型過ぎて望ましく高い多孔性（例えば、５０パーセントよりも大きい多孔性）をもたらすことができない。したがって、粒子の見かけ密度を、粒子の形状、サイズ、または形態を変化させる有用な方法によって、例えば、米国特許第５，８１４，２７２号に記載される「Method for forming Dendritic metal powders」のとおり、低減することができる。有用な非樹枝状粉末を、かかる方法で処理して、およそ１～１．５ｇ／ｃｃの範囲の見かけ密度を有する樹枝状粒子の粉末をもたらすことができる。

粉末材料２
粉末材料２は、粉末材料１で使用されるのと同様の原材料であるが、原材料粒子の見かけ密度を低減するために処理していない。粉末材料２を、粉末材料３および繊維材料１とブレンドして、微細なろ過層（「第２の層」）を調製するために使用される粒子のブレンドを形成する。

粉末材料３
粉末材料３は、５０～２００ナノメートルの範囲の粒径を有するナノスケールの粒子の粉末である。

繊維材料１
繊維材料１は、１．５ｕｍの直径および５０～２００ｕｍの長さを有する金属繊維粒子で作製された粉末である。繊維材料１は、粉末材料２および粉末材料３とブレンドして、微細層を調製するために使用される粉末ブレンドをもたらすが、その微細層は、ナノメートルスケールの、例えば、１０～２０ナノメートルのスケールの粒子のろ過を担うために、多孔質焼結体の一部として効果的である。

繊維粒子の目的は、コンクリートにおける繊維強化材の目的と類似であり、多孔質焼結体の強度を増加させること、ならびに加工および焼結のプロセス中に微細層が割れることを防ぐことである。

多孔質焼結体を調製するために、管の形状の粉末材料１（「第１の成形体」）の成形形態（すなわち、「成形体」または「前駆体」）は、従来の湿式等方圧加圧成形使用して加工される。生成した前駆体は脆弱である一方、自立的であり、凝集性である。

別個に、粉末材料２を、少量の繊維材料１（一般に、繊維は、第２の微細なろ過する層の１～１０質量パーセント）とブレンドして、粒子の均一なブレンドを達成する。有用なブレンドプロセスが、米国特許出願第２０１３０３０５６７３Ａ１号に記載されるが、その全体の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。結果は、粉末／繊維ブレンドと称される。

粉末／繊維ブレンドを、次いで慎重に粉末材料３である、ナノスケールの粒子とブレンドして、「第２の層のブレンド」をもたらす。粉末／繊維ブレンドに添加する粉末材料３の量（質量割合）は、所望の最終膜の特性、すなわち、多孔質焼結体の細孔径および透過性に基づき決定することができる。粉末材料３の質量パーセントを増加させると、生成する多孔質焼結体は、細孔径が小さくなり、透過性が低くなるであろう。

第１の成形体を、等方圧加圧成形中に使用されるモールド内径と、一致しているまたはほとんど一致している（例えば、それよりわずかに大きい）内側の直径を有する型工具に配置して、第１の成形体を形成する。特に、その型工具は、市販鋼の内部マンドレルおよび外部ゴムの等方圧バッグを含む。環状の空隙空間が、第１の成形体の管の外表面とそのアイソタクチックバッグの内表面との間に存在する。第２の層のブレンドを、第１の成形体の外表面に対して圧縮する場合、第２の層の厚さまたは密度を増加または減少させるために、等方圧バッグのサイズ（内径）を選択して、所望のサイズの空隙空間をもたらすことができる。

第２の成形体を、第１の成形体を使用して形成し、第１の成形体の外表面で、第２の層のブレンドから作製される第２の層を形成する。（第２の層を第１の成形体上に形成する前に、第１の成形体を焼結しない。）上記の環状の空隙は、第２の層のブレンドで充填し、その後、第１の成形体に対して第２の層のブレンドを圧縮して、未焼結の第２の層を形成する工程が続き得る。有用なプロセスは、米国特許第７，５３４，２８７Ｂ２号に記載され、その全体は参照により本明細書に組み込まれる。

この第２の成形形態は、第１の成形体を形成するために使用される圧力より実質的に高い圧力で、第１の成形体に対して第２の層のブレンドを圧縮することによって形成される。第２の成形形態は、強固で、非常に凝集性である一方、それにもかかわらず脆弱であり、手で破壊することができる。第２の成形形態は、第１および第２の層、それぞれ未焼結の、内部の「支持」層（記載される「第１の層」）および外側の「ナノ層の」ろ過層（記載される「第２の層」）を含む。

意図した半導体ツールの配管システムのサイズの制約を所与として、管状のろ過膜のサイズは、一般に、２～３ｃｍの直径範囲であってよく、長さは、典型的には１０ｃｍ未満である。

第２の成形体を、好ましくは、できるだけ低く、必要な焼結結合を創出して、凝集性がある十分な焼結多孔質体を形成するために十分な期間の焼結温度で、焼結することができる。焼結温度は、ナノスケールの材料（微細な粒子）の大量の溶融を防ぐために低いが、ナノスケールの材料の高表面積が、溶融を開始するために必要な温度を大きく低下させる。

特定の前駆体の焼結に有用な焼結温度は、前駆体の異なる粒子のサイズ、形状および化学組成を含む、前駆体の粒子の種類に依存するであろう。ここで議論される、例えば、ステンレス鋼で作製された粉末および繊維材料については、有用な焼結条件は、水素と真空の環境、および一般に、摂氏９００～１１００度の範囲の焼結温度の組み合わせを含むことができる。この範囲の温度での有用な焼結工程の期間は、およそ２０分～数時間であり得る。

第２の層のブレンドにおける「より大きい」粉末（粉末材料２）の存在は、第２の層の細孔径および透過性を定義するのに役立つことに加え、また第２の層のブレンドの微細な（ナノスケール）粒子の焼結速度を制御するのを手助けし、それにより、第２の層のブレンドは、焼結中、ミクロンスケールの低減した見かけ密度の粗い粒子で作製される基礎の層と類似のやり方で挙動する。

生成する多孔質焼結体の最大細孔径は、ＩＰＡ泡立ち点試験によって決定することができる。

生成する多孔質焼結体の透過性は、空気または水の透過性試験を使用して測定することができ、細孔径分布は、ポロシメトリ試験を使用して測定することができる。

ろ過膜および付属のハウジングは、超臨界二酸化炭素等の超臨界流体をろ過することに必要とされる高い圧力範囲で操作するよう設計し、そのために有用となり得る。ろ過膜の透過性は公知であり、温度および圧力の条件は公知であり、所望の体積または質量の流量は公知であり、ろ過膜を通る流体の所望の流れを持続するために必要とされる圧力の差は、計算することができる。

ろ過膜は、流体流れの場所でろ過膜を収容し、支持するフィルターハウジングを含むろ過システムまたはろ過装置中に含めることにより、流体がフィルターハウジングを通過する場合に流体が膜を通って流れるようにすることができる。フィルターハウジングは、入口、出口およびろ過膜を収容する内部体積を有し得る。

フィルターハウジングの実施例（横断面）は、図３で示される。実施例のフィルターハウジング１００は、ハウジング本体１１０、流体入口１１２、流体出口１１４および内部１２０を含む。管状の多層構造多孔質焼結体１３０は、例えば、ハウジング基礎１２４に、接合部１３０で溶接することによって、内部１２０に収容される。使用時には、流体（示されていない）は、入口１１２への矢印によって表されるとおり内部１２０を通るろ過膜１３０を通って流れ、出口１１４を通ってフィルターハウジングを出る。

管状のろ過膜は、破断し、歪むことなく、また降伏強度を超えることなく、超臨界二酸化炭素ろ過プロセスで使用される差圧に耐えることができなければならない。多孔質焼結の管状のろ過膜の強度を決定する簡易な手段は、反対側面を一定の低い圧力で（大気圧で等）保つ一方、内部または外部のいずれかに圧力をかけて膜を破裂させることである。安全率を、この破裂圧力に適用することができ、典型的には、管状のろ過膜は、膜に対する試験破裂圧力の３分の１（１／３）以下の圧力での使用を推奨し得るが、推奨する使用圧力は、変化し得る。

実施例の使用では、記載されるろ過膜は、温度および圧力が変化する結果、相（液体／気体／超臨界および潜在的に固体）を含む特性が広く変化する、超臨界流体をろ過するプロセスにおける使用のために設計することができる。流体の粘度もまた広く変化し、より粘性のある流体ほど、低い粘性の状態よりも、流れを維持するためにより強い圧力による力を必要とする。追加の課題は、バルブ、開口部等の開放中に行われる、ろ過膜に接続されるシステム内部の、顕著に異なる圧力を有する流体取扱いシステムの２つの体積の間での、急速な圧力変更によるものである。例えば、大気圧のプロセスチャンバを数メガパスカルの超臨界流体で充填することは、システム内の顕著な圧力変化を生み出し得る。システム内部で徐々に圧力を増加させる「ソフト始動」を開始することは可能であるが、半導体加工プロセスにおいては、コストおよび時間的な見地から、できるだけ急速にチャンバを充填することが好ましい。

記載されるろ過膜は、かかる条件に耐え、超臨界二酸化炭素をろ過する方法に有用であるように設計することができる。

強度
比較例の目的については、記載される円筒形状のろ過膜の強度を試験し、発明ではない（先行技術の）ろ過膜の測定される強度と比べることであった。これを遂行するために、円筒形状の（管状の）多孔質膜を内圧に曝し、それぞれの円筒が破断した圧力を測定した。

変化する寸法の試料については、薄壁の円筒のフープ応力についての簡略化した式を使用して（薄壁は、直径の厚さに対する比＞２０を必要とした）、破裂時のフープ応力を決定することができる
破裂時のフープ応力＝破裂圧力×直径／（２×厚さ）

最初に微塵（２０ｕｍを下回る粒径）のスラリーを管の内部に注入し、多孔質膜の細孔を効果的にブロックすることによって、管を破裂に備える。次いで、円筒が破断するまで、水圧を掛け、増加させた。破断が起こった圧力を、破裂圧力として記録したが、計算したフープ応力を「破裂時のフープ応力」と呼ぶ。

開放端の管の形態の、記載される好ましい膜は、少なくとも３０，０００ｐｓｉで、少なくとも３５，０００ｐｓｉで、または少なくとも４０，０００ｐｓｉで、例えば、３０，０００～５０，０００ｐｓｉ、３０，０００～４５，０００ｐｓｉ、３０，０００～４０，０００ｐｓｉ、３５，０００～５０，０００ｐｓｉ、３５，０００～４５，０００ｐｓｉ、４０，０００～５０，０００ｐｓｉの範囲の、または任意のおよび全ての範囲ならびにその間の部分的な範囲の、破裂時のフープ応力を有し得る。

試験した本明細書の管形状の多孔質体は、およそ１７ｍｍの直径および０．５６ｍｍの膜厚（その厚さの１／３が、粗い粒子と、微細な粒子と、金属繊維粒子と、のブレンドで作製された第２の層である）を有した。試料は、３５ｍｍの長さ（フープ応力の計算には無関係）を有した。試料に加圧すると、２９００ｐｓｉの圧力で破裂した。

米国特許第７，５３４，２８７Ｂ２号に記載されるように調製した、ほぼ同一寸法の管エレメントを同様に試験すると、１６７８ｐｓｉの圧力で破断した。

フープ応力は、破裂圧力に正比例するため、本開示の破裂時のフープ応力は、先行技術の管状の膜の破裂時のフープ応力よりも、２倍より高いことが分かる。

材料強度を２倍にすることにより、操作中に印加する差圧の増加、およびより高い流量の達成を可能にする。それにより、また、フィルター円筒の直径を＞２倍に増加すること、および同様の破裂時のフープ応力を維持すること（厚さが同様のままという条件で）をできるようにする。本明細書の管状のろ過膜は、相対的な表面積で構成され得、より低い強度を呈する膜と比べて相対的に高い差圧で操作され得る。

粗い粒子と、微細な粒子と、金属繊維粒子と、を含有する第２の層を有する管形状の膜は、金属繊維粒子を含有しない第２の層を有する類似の管形状の膜と比べて、破裂時のフープ応力として測定される改良された強度を呈することを、データが示す。

第１の態様では、管状の多孔質膜は、焼結金属粒子を含む第１の層、金属繊維粒子を含む焼結金属粒子の組み合わせを含む第２の層を備え、膜が、少なくとも３０，０００ｐｓｉである破裂時のフープ応力を有する。

第２の層が、少なくとも１ミクロンの粒径を有する粗い金属粒子と、金属繊維粒子と、２００ナノメートル未満の粒径を有する微細な金属粒子と、を含む、第１の態様に従う第２の態様もまた、開示される。

第３の態様では、多孔質膜が、少なくとも１ミクロンの粒径を有する粗い金属粒子を含む第１の層、少なくとも１ミクロンの粒径を有する粗い金属粒子と、金属繊維粒子と、２００ナノメートル未満の粒径を有する微細な金属粒子と、を含む焼結金属粒子の組み合わせを含む第２の層を備える。

粗い金属粒子が、２～５ミクロンの範囲の粒径を有する、第２または第３の態様に従う第４の態様もまた、開示される。

微細な金属粒子が、６０～１００ナノメートルの範囲の粒径を有する、第２から第４の態様のいずれかに従う第５の態様もまた、開示される。

金属繊維粒子が、少なくとも２５：１のアスペクト比（長さ：直径）を有する、先行する態様に従う第６の態様もまた、開示される。

第２の層が、少なくとも３０質量パーセントの粗い金属粒子と、少なくとも３０質量パーセントの微細な金属粒子と、２０質量パーセント未満の金属繊維粒子と、を含む焼結金属粒子の組み合わせを含む、第２から第６の態様のいずれかに従う第７の態様もまた開示される。

第２の層が、４０～６０質量パーセントの粗い金属粒子と、少なくとも４０～６０質量パーセントの微細な金属粒子と、０．５～８質量パーセントの金属繊維粒子と、を含む焼結金属粒子の組み合わせを含む、第２から第６の態様のいずれかに従う第８の態様もまた開示される。

第２の層が、４０～６０質量パーセントの粗い金属粒子と、少なくとも４０～６０質量パーセントの微細な金属粒子と、１～６質量パーセントの金属繊維粒子と、を含む焼結金属粒子の組み合わせを含む、第２から第６の態様のいずれかに従う第９の態様もまた開示される。

第１の層の粗い金属粒子がステンレス鋼であり、第２の層の粗い金属粒子がステンレス鋼であり、金属繊維粒子がステンレス鋼であり、微細な金属粒子がステンレス鋼である、第２から第９の態様のいずれかに従う第１０の態様もまた、開示される。

イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を使用することによって測定された、ＡＳＴＭ Ｆ３１６による測定で、少なくとも２７５キロパスカルである泡立ち点を有する、先行する態様のいずれかに従う第１１の態様もまた、開示される。

第１の層の粗い粒子が樹枝状である、第３から第１１の態様のいずれかに従う第１２の態様もまた、開示される。

粗い粒子が、１．０～１．５グラム／立方センチメートルの範囲の見かけ密度を有する、第３から第１２の態様のいずれかに従う第１３の態様もまた、開示される。

膜の厚さが０．４～１ミリメートルの範囲である、先行する態様のいずれかに従う第１４の態様もまた、開示される。

第２の層が、膜の全厚さの１０～５０パーセントの範囲である厚さを有する、先行する態様のいずれかに従う第１５の態様もまた、開示される。

膜が管を構成する、第３から第１５の態様のいずれかに従う第１６の態様もまた、開示される。

膜が、少なくとも３０，０００ｐｓｉである破裂時のフープ応力を有する、第１６の態様に従う第１７の態様もまた、開示される。

管が、０．７５～１．５インチの範囲の直径を有する、第１、第２、第１６または第１７の態様に従う第１８の態様もまた、開示される。

第１９の態様では、フィルターアセンブリが、先行する態様のいずれかのろ過膜を収容するフィルターハウジングを備える。

第２０の態様では、超臨界二酸化炭素を処理する方法が、第１から第１８の態様のいずれかの膜を、超臨界二酸化炭素が通過することを含む。

第１の層の粗い金属粒子がステンレス鋼から本質的になり、第２の層の粗い金属粒子がステンレス鋼から本質的になり、金属繊維粒子がステンレス鋼から本質的になり、微細な金属粒子がステンレス鋼から本質的になる、第２０の態様に従う第２１の態様もまた、開示される。

膜全体にわたる圧力差が、少なくとも１メガパスカルである、第２０または第２１の態様に従う第２２の態様もまた、開示される。

第２３の態様では、多層構造多孔質膜を形成する方法は、少なくとも１ミクロンからの粒径を有する粗い金属粒子を含む第１の前駆体を調製すること、金属粒子のブレンドが、少なくとも１ミクロンの粒径を有する粗い金属粒子と、金属繊維粒子と、２００ナノメートル未満の粒径を有する微細な金属粒子と、を含み、その金属粒子のブレンドを第１の前駆体の表面に適用することによって多層構造の前駆体を調製すること、および複合材料前駆体を焼結すること、を含む。

粗い金属粒子が、２～５ミクロンの範囲の粒径を有する、第２３の態様に従う第２４の態様もまた、開示される。

微細な金属粒子が、６０～１００ナノメートルの範囲の粒径を有する、第２３または第２４の態様に従う第２５の態様もまた、開示される。

金属繊維粒子が、少なくとも２５：１のアスペクト比（長さ：直径）を有する、第２３から第２５の態様のいずれかに従う第２６の態様もまた、開示される。

膜がステンレス鋼から本質的になる、第２３から第２６の態様のいずれかに従う第２７の態様もまた、開示される。

第１の前駆体の粗い粒子が樹枝状である、第２３から第２７の態様のいずれかに従う第２８の態様もまた、開示される。

第１の前駆体の粗い粒子が、１．０～１．５グラム／立方センチメートルの範囲の見かけ密度を有する、第２３から第２８の態様のいずれかに従う第２９の態様もまた、開示される。

Claims (29)

1. 焼結金属粒子を含む第１の層；
   金属繊維粒子を含む焼結金属粒子の組み合わせを含む第２の層
   を備え、
   少なくとも３０，０００ｐｓｉである破裂時のフープ応力を有する、
   管状の多孔質膜。
2. 第２の層が、
   少なくとも１ミクロンの粒径を有する粗い金属粒子と、
   金属繊維粒子と、
   ２００ナノメートル未満の粒径を有する微細な金属粒子と
   を含む、請求項１に記載の膜。
3. 少なくとも１ミクロンの粒径を有する粗い金属粒子を含む第１の層と；
   少なくとも１ミクロンの粒径を有する粗い金属粒子、
   金属繊維粒子、および
   ２００ナノメートル未満の粒径を有する微細な金属粒子
   を含む焼結金属粒子の組み合わせを含む第２の層と
   を備える多孔質膜。
4. 粗い金属粒子が、２～５ミクロンの範囲の粒径を有する、請求項２または３に記載の膜。
5. 微細な金属粒子が、６０～１００ナノメートルの範囲の粒径を有する、請求項２から４のいずれか一項に記載の膜。
6. 金属繊維粒子が、少なくとも２５：１のアスペクト比（長さ：直径）を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の膜。
7. 第２の層が、
   少なくとも３０質量パーセントの粗い金属粒子と、
   少なくとも３０質量パーセントの微細な金属粒子と、
   ２０質量パーセント未満の金属繊維粒子と
   を含む焼結金属粒子の組み合わせを含む、請求項２から６のいずれか一項に記載の膜。
8. 第２の層が、
   ４０～６０質量パーセントの粗い金属粒子と、
   少なくとも４０～６０質量パーセントの微細な金属粒子と、
   ０．５～８質量パーセントの金属繊維粒子と
   を含む焼結金属粒子の組み合わせを含む、請求項２から６のいずれか一項に記載の膜。
9. 第２の層が、
   ４０～６０質量パーセントの粗い金属粒子と、
   少なくとも４０～６０質量パーセントの微細な金属粒子と、
   １～６質量パーセントの金属繊維粒子と
   を含む焼結金属粒子の組み合わせを含む、請求項２から６のいずれか一項に記載の膜。
10. 第１の層の粗い金属粒子がステンレス鋼であり、
    第２の層の粗い金属粒子がステンレス鋼であり、
    金属繊維粒子がステンレス鋼であり、
    微細な金属粒子がステンレス鋼である、
    請求項２から９のいずれか一項に記載の膜。
11. ＡＳＴＭ Ｆ３１６により測定した場合、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を使用することによって測定された、少なくとも２７５キロパスカルである泡立ち点を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の膜。
12. 第１の層の粗い粒子が樹枝状である、請求項３から１１のいずれか一項に記載の膜。
13. 粗い粒子が、１．０～１．５グラム／立方センチメートルの範囲の見かけ密度を有する、請求項３から１２のいずれか一項に記載の膜。
14. 膜の厚さが、０．４～１ミリメートルの範囲である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の膜。
15. 第２の層が、膜の全厚さの１０～５０パーセントの範囲である厚さを有する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の膜。
16. 膜が管を構成する、請求項３から１５のいずれか一項に記載の膜。
17. 膜が、少なくとも３０，０００ｐｓｉである破裂時のフープ応力を有する、請求項１６に記載の膜。
18. 管が、０．７５～１．５インチの範囲の直径を有する、請求項１、２、１６または１７に記載の膜。
19. 請求項１から１８のいずれか一項に記載のろ過膜を収容するフィルターハウジングを備える、フィルターアセンブリ。
20. 超臨界二酸化炭素を処理する方法であって、請求項１から１８のいずれか一項に記載の膜に、超臨界二酸化炭素を通過させることを含む、方法。
21. 第１の層の粗い金属粒子がステンレス鋼から本質的になり、
    第２の層の粗い金属粒子がステンレス鋼から本質的になり、
    金属繊維粒子がステンレス鋼から本質的になり、
    微細な金属粒子がステンレス鋼から本質的になる、
    請求項２０に記載の方法。
22. 膜全体にわたる圧力差が、少なくとも１メガパスカルである、請求項２０または２１に記載の方法。
23. 多層構造多孔質膜を形成する方法であって、
    少なくとも１ミクロンからの粒径を有する粗い金属粒子を含む第１の前駆体を調製することと；
    少なくとも１ミクロンの粒径を有する粗い金属粒子、
    金属繊維粒子、および
    ２００ナノメートル未満の粒径を有する微細な金属粒子
    を含む金属粒子のブレンドを、第１の前駆体の表面に適用することによって多層構造の前駆体を調製することと、
    複合材料前駆体を焼結することと
    を含む、方法。
24. 粗い金属粒子が２～５ミクロンの範囲の粒径を有する、請求項２３に記載の方法。
25. 微細な金属粒子が６０～１００ナノメートルの範囲の粒径を有する、請求項２３または２４に記載の方法。
26. 金属繊維粒子が、少なくとも２５：１のアスペクト比（長さ：直径）を有する、請求項２３から２５のいずれか一項に記載の方法。
27. 膜がステンレス鋼から本質的になる、請求項２３から２６のいずれか一項に記載の方法。
28. 第１の前駆体の粗い粒子が樹枝状である、請求項２３から２７のいずれか一項に記載の方法。
29. 第１の前駆体の粗い粒子が、１．０～１．５グラム／立方センチメートルの範囲の見かけ密度を有する、請求項２３から２８のいずれか一項に記載の方法。

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