JP2004182542A

JP2004182542A - セラミックスへの電気伝導性付与方法及び電気伝導性セラミックス

Info

Publication number: JP2004182542A
Application number: JP2002352764A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Okada; 能彦岡田; Tomoko Ando; 智子安藤; Osamu Machinaga; 治町長; Yuichi Otsuka; 雄一大塚
Original assignee: WICERA CO Ltd
Current assignee: WICERA CO Ltd
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2004-07-02
Anticipated expiration: 2022-12-04
Also published as: JP4112959B2

Abstract

【課題】本発明は、セラミックス自体の強度や気密性を維持した状態で電気伝導性を付与することが出来るセラミックスへの電気伝導性付与方法及びそれにより作成された電気伝導性セラミックスを提供することを可能にすることを目的としている。
【解決手段】焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸した後、熱処理して該セラミックスの微細空隙に亜鉛酸化物を充填して電気伝導性を付与することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスの微細空隙に電気伝導性物質を埋めることによって絶縁体であるセラミックスに電気伝導性を付与する方法及びそれにより作成された電気伝導性セラミックスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気伝導性を有するセラミックスとして、例えば、炭化ケイ素等の素材自体が電気伝導性を有するセラミックスがある。しかしながら、その特性が実用に適していない等で更なる研究開発がなされており、その一例としては超伝導材料として研究されている稀金属を使用したものや、ガンマ−アルミナとナトリウムを組み合わせたもの、或いは各種の金属及びその酸化物を使用したもの等の研究報告がある。
【０００３】
例えば、アルコールを分散媒とする水酸化亜鉛及び水酸化アルミニウムのゾルを調製し、得られたゾルをゲル化させると同時に成形し、形成されたゲルの成形物を焼成して含アルミナ酸化亜鉛セラミックスを作成するものもある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２６８２３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来例では、原料セラミックスに金属等の電気伝導性物質を粉末で混合した後に焼成するものであり、焼成の難易度、添加材料の不均一性等が課題である。また、ガラス系以外のセラミックスは、微結晶の集合体であり、マトリックス内部に微細空隙が存在する。従来の電気伝導性セラミックスは異種材料の混合物であるため焼成後の微細空隙がより大きく、より多くなり、セラミックスの気密性が一層低下することが懸念される。
【０００６】
また、従来の電気伝導性セラミックスは、焼成前の原料の段階で電気伝導性物質を混合した後、焼成したものであるが、この場合、電気伝導性を制御することが比較的困難であり、細かな制御は出来ない。また添加する電気伝導性物質の量も多くなるという問題がある。
【０００７】
本発明は前記課題を解決するものであり、その目的とするところは、セラミックス自体の強度や気密性を維持した状態で電気伝導性を付与することが出来るセラミックスへの電気伝導性付与方法及びそれにより作成された電気伝導性セラミックスを提供せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、焼成後のセラミックスを加工し、且つ、少量の材料で電気伝導性を付与することを目標として種々の実験及び検討を行い、焼成後のセラミックスに存在する微細空隙を充填し、且つその充填物が電気伝導特性を有する物質を模索した結果、亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を用いると好ましいことに至り、本発明を完成させたものである。
【０００９】
本発明に関連する技術として、本出願人は、有機珪酸化合物を用いてセラミックス内の微細な空隙を埋め、尚且つセラミックス表面をシリカガラスでコーティングする技術を開発し、特許出願している（特開２００２−１７３３８３号公報参照）。この技術は、焼成後のセラミックスに存在する細孔径が１０μｍ程度以下の空隙を処理するものである。
【００１０】
そこで、前記目的を達成するための本発明に係るセラミックスへの電気伝導性付与方法は、焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸した後、熱処理して該セラミックスの微細空隙に亜鉛酸化物を充填して電気伝導性を付与することを特徴とする。
【００１１】
また、前記焼成後のセラミックスを亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液に浸した状態で、所定時間、真空状態を維持すれば好ましい。
【００１２】
また、前記亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液の濃度が、亜鉛として０．３ｍｍｏｌ以上、且つ０．５ｍｍｏｌ以下であれば好ましい。この錯体溶液に特開２００２−１７３３８３号公報に記載されたように有機珪酸のアルコール溶液を混合して使用することが出来る。
【００１３】
また、前記焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させた後、アルコール洗浄して余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を除去すれば好ましい。
【００１４】
また、前記焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させて乾燥する工程を１回以上、且つ５回以下で繰り返して含浸する亜鉛量を調整した後、アルコール洗浄して余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を除去すれば好ましい。
【００１５】
また、前記焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させた後、アルコール洗浄して余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を除去し、８０℃以上、且つ４００℃以下で熱処理すれば好ましい。
【００１６】
また、前記焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させた後、アルコール洗浄して余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を除去し、その後、室温以上、且つ１００℃以下で、真空状態で乾燥処理するか、または大気圧状態で乾燥処理して脱アルコール処理を行った後、２００℃以上、且つ４００℃以下で熱処理すれば好ましい。焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸処理した後、直ちに熱処理を行なった場合、急激な乾燥のために含浸液の偏在、セラミックス表面の亀裂等の原因となる。
【００１７】
また、本発明に係る電気伝導性セラミックスは、前述のセラミックスへの電気伝導性付与方法により電気伝導性を付与したことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図により本発明に係るセラミックスへの電気伝導性付与方法及びそれにより作成された電気伝導性セラミックスの一実施形態を具体的に説明する。図１は焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させて乾燥する工程の処理回数と焼成体セラミックス表面の亜鉛量との関係を示す図、図２は４００℃での熱処理時間の影響をセラミックスの表面に分布するＺｎＯをＸ線回折（ｄ＝２．６１）線強度で評価した様子を示す図である。
【００１９】
本発明に係るセラミックスへの電気導電性付与方法は、焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させて、該セラミックスの微細空隙に電気伝導性物質となる亜鉛を埋めることで、電気絶縁性セラミックスであっても電気伝導性を付与することが出来、これにより電気伝導性セラミックスを作成することが出来るものである。
【００２０】
亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液は、浸透性が高く、焼成後のセラミックスに存在する微細空隙に良好に含浸させることが出来る。また、亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液は分解性の材料であり、室温以上（例えば、１０℃以上）で熱すると、有機成分が蒸発してセラミックスの微細空隙内に酸化亜鉛が残り、電気絶縁性の高いセラミックスに電気伝導性が付与される。
【００２１】
ここで、使用される電気伝導性を付与する物質は、分解後に電気伝導性を持つ物質でなければならなず、亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液が最適である。
【００２２】
本発明に用いられた亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液は、硝酸亜鉛溶液にアンモニア水溶液を滴下し、ｐＨ＝７で生成する塩基性硝酸亜鉛を精製した後、メチルアルコールまたはエチルアルコールに分散した懸濁溶液にアセチルアセトンを加え懸濁溶液が透明になるまで攪拌して調整した。
【００２３】
本発明に係るセラミックスへの電気伝導性付与方法は、前述したように本出願人が開発し、特許出願（特開２００２−１７３３８３号公報参照）したセラミックスの細孔処理方法に類似しており、焼成後のセラミックスを亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液に浸した状態で１時間程度、真空状態（減圧状態）を維持し、メチルシリケート内に気泡が発生しなくなるまで続けた後に徐々に昇圧し、大気圧に戻す過程でセラミックス内の微細空隙に存在する空気や水蒸気等が亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液に置換される。
【００２４】
また、亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液の濃度が、亜鉛として０．３ｍｍｏｌ以上、且つ０．５ｍｍｏｌ以下である場合には好ましい。更に好ましい亜鉛とアセチルアセトン錯体溶液の濃度は、０．４ｍｍｏｌである。
【００２５】
亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液の濃度を低く設定した場合は、粘度が下がり、セラミックス内部への浸透性を向上することが出来、処理時間の短縮化を図ると共に、より微細な空隙内にも充填することが出来る。
【００２６】
また、焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させた後、該亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液の乾燥前にアルコール洗浄して余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を除去することが好ましい。
【００２７】
余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液をセラミックスの表面に残したまま乾燥させると、セラミックスの表面に酸化亜鉛が白く残るため、これを除去する目的でアルコール洗浄する。亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液はアルコールで希釈されて容易に除去することが出来る。
【００２８】
また、焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させて乾燥する工程を１回以上、且つ５回以下で繰り返して含浸する亜鉛量を調整した後、アルコール洗浄して余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を除去すれば好ましい。
【００２９】
また、焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させた後、該亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液の乾燥前にアルコール洗浄して余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を除去し、８０℃以上、且つ４００℃以下で熱処理すれば好ましい。この熱処理温度で更に好ましくは１００℃以上、且つ４００℃以下である。
【００３０】
また、焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させた後、該亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液の乾燥前にアルコール洗浄して余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を除去し、アルコール洗浄したセラミックスを重ならないように並べた後、室温（例えば、１０℃）以上、且つ１００℃以下で、真空状態（減圧状態）で乾燥処理するか、或いは大気圧状態で乾燥処理して脱アルコール処理を行った後、１００℃以上、且つ４００℃以下で熱処理すれば好ましい。この熱処理温度で更に好ましくは２００℃以上、且つ４００℃以下である。尚、この熱処理時間は処理するセラミックスの種類によって異なる。
【００３１】
このようなセラミックスへの電気伝導性付与方法により電気伝導性を付与した電気伝導性セラミックスを作成することが出来る。以下に具体的な実施例を示す。
【００３２】
＜実施例１＞
先ず、１ｍｏｌ／ｄｍ^３の硝酸亜鉛溶液に５ｍｏｌ／ｄｍ^３のアンモニア水を添加してｐＨ＝７に調整した溶液に生成した沈殿をイオン交換水で洗浄した後、水分を充分に乾燥した粉末をエタノールに分散し、この懸濁溶液を亜鉛量に対して４倍ｍｏｌ量のアセチルアセトンと混合し、懸濁液が透明になるまで攪拌して調整した錯体溶液（含浸液）に１４００℃で焼成したアルミナセラミックスを浸漬し、真空下でアルミナセラミックス内の空気と錯体溶液（含浸液）を置換した。
【００３３】
図１は焼成したアルミナセラミックスに錯体溶液（含浸液）を含浸させて乾燥する工程を繰り返す処理回数と、４００℃で熱処理した後のセラミックス表面のＺｎ原子の量を分析電子顕微鏡（ＥＰＭＡ）で測定した結果であり、以下の表１に処理回数とそのアルミナセラミックスの電気抵抗値を示す。尚、電気抵抗値を測定したアルミナセラミックスの試料の大きさは、厚さ１ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ５０ｍｍである。
【００３４】
図１及び表１に示すように、真空下での処理回数は５回程度までは処理回数の増加に伴ってＺｎ（亜鉛量）が増加し、電気抵抗値も減少するが、処理回数が５回よりも多くなると、逆に亜鉛量が低下し、電気抵抗値が増大した。従って、処理回数は１回以上、且つ５回以下程度が最適である。
【００３５】
【表１】

【００３６】
図２は４００℃での熱処理時間の影響をセラミックスの表面に分布するＺｎＯをＸ線回折（ｄ＝２．６１）線強度で評価したものである。図２に示すように、熱処理時間が６０分まではアルミナセラミックスの表面に分布するＺｎＯは徐々に増加するが、７５分を過ぎるとアルミナセラミックスの表面に分布するＺｎＯは低下する。図１及び表１に示したように、Ｚｎの量がアルミナセラミックスの電気抵抗値に影響することから４００℃での熱処理は１時間以内が最適である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、上述の如き構成と作用とを有するので、焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸した後、熱処理して該セラミックスの微細空隙に亜鉛酸化物を充填して電気伝導性を付与することで、セラミックス自体の強度や気密性を維持した状態で電気伝導性を付与することが出来るセラミックスへの電気伝導性付与方法及びそれにより作成された電気伝導性セラミックスを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させて乾燥する工程の処理回数と焼成体セラミックス表面の亜鉛量との関係を示す図である。
【図２】４００℃での熱処理時間の影響をセラミックスの表面に分布するＺｎＯをＸ線回折（ｄ＝２．６１）線強度で評価した様子を示す図である。

Claims

焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸した後、熱処理して該セラミックスの微細空隙に亜鉛酸化物を充填して電気伝導性を付与することを特徴とするセラミックスへの電気伝導性付与方法。
前記焼成後のセラミックスを亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液に浸した状態で、所定時間、真空状態を維持することを特徴とする請求項１に記載のセラミックスへの電気伝導性付与方法。
前記亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液の濃度が、亜鉛として０．３ｍｍｏｌ以上、且つ０．５ｍｍｏｌ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミックスへの電気伝導性付与方法。
前記焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させた後、アルコール洗浄して余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を除去したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックスへの電気伝導性付与方法。
前記焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させて乾燥する工程を１回以上、且つ５回以下で繰り返して含浸する亜鉛量を調整した後、アルコール洗浄して余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を除去したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックスへの電気伝導性付与方法。
前記焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させた後、アルコール洗浄して余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を除去し、８０℃以上、且つ４００℃以下で熱処理したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックスへの電気伝導性付与方法。
前記焼成後のセラミックスに亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を含浸させた後、アルコール洗浄して余剰の亜鉛とアセチルアセトンとの錯体溶液を除去し、その後、室温以上、且つ１００℃以下で、真空状態で乾燥処理するか、または大気圧状態で乾燥処理して脱アルコール処理を行った後、２００℃以上、且つ４００℃以下で熱処理したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックスへの電気伝導性付与方法。
請求項１〜７のいずれか１項に記載のセラミックスへの電気伝導性付与方法により電気伝導性を付与したことを特徴とする電気伝導性セラミックス。