JP2004315344A - 単結晶セラミックス粒子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 原料粉体をキャリアガスとともに加熱処理領域に供給し、加熱処理領域に供給された原料粉体に最終的に作製したいセラミックスの融点未満であってかつ当該融点−200℃以上の温度の加熱処理を施し、加熱処理で得られた生成物を冷却する。
【選択図】図1
Description
セラミックス粒子を磁器コンデンサ用の材料として使用する場合、誘電率が高く、損失の小さいものが望まれる。また磁性フェライト材料として使用する場合は、損失が小さく、透磁率がフラットに高周波域まで伸びているものが望まれる。これら特性はセラミックス粒子の形状、粒径、純度、反応性等の物性に依存する。例えば、セラミックス粒子が多結晶や不定形の粒子であると、局部的異常粒成長を起こし、あるいは組成の不均一を生じやすくなり、磁気的特性や電気的特性の劣化を招くことになる。したがってセラミックス粒子は結晶粒界や不純物を有せず、単相であり、また単結晶であることが好ましい。また、さらに優れた特性を得るため、セラミックス粒子は2種類以上の金属と酸素の化合物であることが好ましい。
しかし、前記した共沈法で得られるセラミックス粒子は粒径が微細すぎて樹脂材料に対する分散性、充填性を確保することができない。また、前記した固相反応法により得られたセラミックス粒子は、粉砕により得られるものであるため粒子の形態が不定形となり、樹脂材料に対する分散性、充填性を確保することができない。また、特許文献2に記載の単結晶のチタン酸バリウムは粒径が大きいので、高い充填性を得ることが難しい。
本発明は、非晶質状態の粒子の発生を抑制するとともに、樹脂材料への分散性、充填性に優れた球状の単結晶粒子を容易に得るために好適な方法を提供することを目的とする。
特願2002−160798号においては、加熱温度が融点よりも低い場合、例えば、不定形な一塊の粉砕粉であれば不定形のまま、微粒子が凝集した形の顆粒であれば、加熱領域を通過後、中空孔および各粒子が凝集したセラミック粒子が形成されると説明がなされている。
ところが本発明者等の検討によると、出発原料粉体の性状によっては、加熱温度が融点未満の場合であっても単結晶の粒子を得ることができることを確認した。
本発明は原料粉体をキャリアガスとともに加熱処理領域に供給し、加熱処理領域に供給された原料粉体に最終的に作製したいセラミックスの融点未満であってかつ当該融点−200℃以上の温度の加熱処理を施し、この加熱処理で得られた生成物を冷却することを特徴とする単結晶セラミックス粒子の製造方法である。
本発明の単結晶セラミックス粒子の製造方法において、原料粉体は、顆粒から構成することもできるし、又は顆粒のような集合体としてではなく単独で存在する粒子から構成することもできる。原料粉体が顆粒の場合、浮遊状態で、顆粒を構成する一次粒子同士が加熱処理により固相拡散する。また、原料粉体が単独の粒子から構成される場合には、単独の粒子同士が浮遊状態で接触し、かつ接触した状態で単独の粒子同士が加熱処理により固相拡散する。また、この固相拡散により、複数の粒子から1つの単結晶粒子が構成されることになる。
本発明による単結晶セラミックス粒子の製造工程概略の一例を図1に基づき説明する。図1に示すように、本発明の製造方法は、原料を粉砕して1次粒子を得る。次いで、1次粒子から顆粒を形成し、この顆粒を加熱処理領域に供給する。加熱処理領域で所定温度に加熱されて生成された生成物は冷却され、その後に後処理に移行する。なお、ここでは顆粒からなる粉体を加熱処理する例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
本実施の形態おいては、セラミックス成分から成る粉体の噴霧は乾燥状態であっても、水分等を含んだ湿潤状態であってもよい。
加熱温度としては、最終的に作製したいセラミックスの融点未満に設定する。本発明は、活性度の高い原料粉体を用いているために、融点未満の加熱温度であっても、単結晶を得ることができる点に特徴を有している。加熱処理の温度は、低すぎると固相拡散が行なわれないため、融点−200℃以上、望ましくは融点−100℃以上とする。ただし、この温度は処理される原料粉体の組成によって適宜設定されるべきである。
本発明は、固相拡散反応を利用するが、加熱時間が長いほど固相拡散反応を進めるのに有利である。原料粉体の大きさにも影響されるが、本発明が志向する粒径であれば、0.1〜10秒程度の加熱時間を採用すればよい。
なお、加熱温度が融点未満であるために、得られる粒子には球形度の低いものも存在するが、完全に溶融させる温度を与えた後に冷却して作製する方法と比較し、非晶質な粒子が混在することを避けられる。しかし、溶液法などによる合成粉を出発原料として用いる場合は内部にイグロス成分を多く含んでいるため、粉体を作製すると内部に多くのポアが生じる。イグロス成分を除去するためには、700℃前後に加熱する脱培処理を行なうことが有効で、この処理を行った原料を用いることでポアの無い単結晶粒子を作製できる。
溶液法で得られた原料を用いて単結晶粒子を作製した場合は、固相反応法による仮焼き体から得られる粉砕粉を原料とした場合と比較し、表面が綺麗な単結晶粒子が作製される傾向がある。溶液法で得られた原料の活性度が高いことの影響ではないかと推測される。
本実施の形態のように、固相状態にある原料粉体を乾燥状態で加熱炉に供給すると、固相状態にある原料粉体を液体に分散させて供給する噴霧熱分解法と比較して、液体の存在による減熱がなくなるため、より少ないエネルギーで単結晶粒子を製造することができる。この場合、例えば作製された顆粒を、一旦保持・保管されることなく、直接キャリアガスと共に加熱処理工程の加熱炉に供給することができる。
冷却工程後には、例えばサイクロンやバグフィルタによって粒子を捕集する一方、キャリアガスについては適切な排ガス処理を行った後に排気される。
また本実施の形態に記載の方法で単結晶セラミックス粒子を形成すると、従来の方法で使用されている酸や有機溶媒を使用しないので、有害ガス等の発生もなく、また比較的安価な設備によって製造することができる。さらに本発明において、加熱処理領域に供給される原料粉体は、顆粒に限らず、単独で存在する粒子を含み、また、その形状も限定されない。
以上の考え方は、単結晶セラミックス粒子が磁性体材料から構成される場合にも適用することができる。つまり、相対的に融点の低い磁性体材料中に、相対的に融点の高い磁性体材料からなる単結晶セラミックス粒子が分散、保持された複合磁性材料を得ることができる。
<第1実施例>
出発原料として、市販されている高純度炭酸バリウム(日本化学工業(株)製 F03:純度 99.9、平均粒径0.3μm)と高純度酸化チタン(東邦チタニウム(株)製 HT2301、平均粒径0.2μm)とをmol比で1対1となるように秤量し、純水を加えてスラリを得た。このスラリをボールミルにて12時間混合処理した。スラリを乾燥処理して得た混合粒子を1000℃で2時間仮焼きした後に、ボールミルを用いて5時間及び24時間粉砕を行った。5時間の粉砕処理で得られた粒子は平均粒径が0.6μm(粒度分布が0.2〜1.5μm)、 24時間の粉砕処理で得られた粒子は平均粒径が0.3μm(粒度分布が0.1〜1μm)である。
原料粉体の粒度分布が0.1〜1μmであるのに対して、加熱処理された粒子の粒度分布の上限が5μmなのは、単独で存在する複数の原料粉体が加熱処理中により集まった状態で固相拡散をして1つの新たな粒子を形成したためである。
平均粒径が0.3μmの原料粉体を1500℃で加熱処理した場合の粒子の粒度分布は0.1〜5μmである。この中で、0.1〜1μmの粒径を有する球状の粒子は、上記と同様のSEM観察により単結晶であることが確認された。また、この粒子の球形度は0.95であった。
平均粒径が0.3μmの原料粉体を1600℃で加熱処理した場合の粒子の粒度分布は0.1〜5μmである。この中で、0.1〜2μmの粒径を有する球状の粒子は、上記と同様のSEM観察により単結晶であることが確認された。また、この粒子の球形度は0.98であった。
水熱合成法により作製されているチタン酸バリウム(堺化学工業(株)製 BT05、平均粒径0.5μm)と表面処理剤(TSL8113:GE東芝シリコーン(株)、2wt%)を混合・分散機に投入して混合、分散することにより、粒子に表面処理を行ない、原料粉体を得た。原料粉体は、供給機を用いて、供給機中にある分散機で分散しながらキャリアガス(酸素ガス、流量4l/min)で加熱炉へ供給した。加熱炉は内径が55mmのアルミナ炉心管を用い、炉内の加熱温度は1500及び1600℃の2種類とした。
1500℃の加熱処理及び1600℃の加熱処理において捕集された粒子の粒度を測定したところ、1500℃、1600℃の加熱処理したものはともに、0.5〜5μmの粒度分布を有していた。SEM観察により、捕集された粒子のほとんどは単結晶粒子であることが確認された。この単結晶粒子はファセットがあり、かつ1500℃の加熱処理のものは0.5〜1μm程度、1600℃の加熱処理のものは0.5〜2μm程度の粒径を有する球形粒子である。なお、この粒子の球形度はそれぞれ0.95、0.97であった。
捕集された粒子の中には単結晶粒子よりも粒径が大きい多結晶粒子が一部存在している。このように粒径の大きな粒子が作製されるのは、原料粉体の分散状態が不十分のままにキャリアガスにより加熱処理領域に運ばれることが要因と考えられる。また、作製された球状単結晶粒子の中には非晶質粒子と思われる粒子は観察されなかった。これは、粒子作製のための加熱温度が融点未満のためであり、融点以上で単結晶粒子を作製する方法と比較し、単結晶粒子となるメカニズムが異なっているためと思われる。
図10に示すように1500℃の加熱処理により得られた粒子についてX線回折により正方晶のチタン酸バリウムのピークが観察されたことから、粒径が1μm及び粒径が2μmの粒子のTEM(透過型電子顕微鏡)観察を行った。その電子線透過回折結果から、これら粒子は正方晶のチタン酸バリウム単結晶からなることが確認された。
水熱合成法により作製されているチタン酸バリウム(堺化学工業(株)製 BT01、平均粒径0.1μm)と表面処理剤(TSL8113:GE東芝シリコーン(株)、2wt%)を混合・分散機に投入して混合、分散することにより、粒子に表面処理を行ない、原料粉体を得た。原料粉体は、供給機を用いて、供給機中にある分散機で分散しながらキャリアガス(酸素ガス、流量4l/min)で加熱炉へ供給した。加熱炉は実施例1と同様であり、その加熱温度を1420℃に設定した。
得られた粒径が0.1μm及び粒径が0.3μmの単結晶粒子についてTEM観察を行ったところ、電子線透過回折の結果から、これら粒子は正方晶のチタン酸バリウム単結晶から構成されることが確認された。
水熱合成法により作製されているチタン酸バリウム(堺化学工業(株)製 BT03、平均粒径0.3μm)と表面処理剤(TSL8113:GE東芝シリコーン(株)、2wt%)を混合・分散機に投入して混合、分散することにより、粒子に表面処理を行ない、原料粉体を得た。原料粉体を、供給機を用いて、供給機中にある分散機で分散しながらキャリアガス(酸素ガス、流量4l/min)で加熱炉へ供給した。加熱炉は実施例1と同様であり、その加熱温度を1400℃及び1420℃の2種類に設定した。
1420℃で加熱処理された粒子は、0.1〜3μmの粒度分布を有していた。SEM観察により、0.1〜0.5μmの粒径を有する粒子は単結晶粒子であることが確認された。また、この粒子の球形度は、0.97であった。
一方、1400℃で加熱処理された粒子は、0.1〜0.5μmの粒径を有するものは一部単結晶になっているのが観察されたが、ほとんどが多結晶凝集体であった。
水熱合成法により作製されているチタン酸バリウム(堺化学工業(株)製 BT01、平均粒径0.1μm)を出発原料とし、以下に示す方法により、平均粒径0.7μmの顆粒を作製した。
上記チタン酸バリウムからなる粉体に対して、分散剤(A−30SL:東亞合成(株))を粉体全重量に対して10.0wt%、結合剤としてのポリビニルアルコールを粉体全重量に対して0.5wt%添加するとともに、粉体の濃度が50.0wt%になるように水を加えた後に、ボールミル(ジルコニアボール使用)で12時間撹拌して水分散スラリを作製した。
噴霧ノズル:4流体ノズル(藤崎電機(株):SF4003)
ガス(空気)流量:80l/min
送液ポンプ速度:50ml/min
スプレー・ドライヤ内部温度:200℃
1400℃で加熱処理された粒子は、SEM観察により、大部分が単結晶化されることなく多結晶凝集体をなしていることが確認された。1500℃で加熱処理された粒子は、0.5〜3μmの粒度分布を有していた。0.5〜1.2μmの粒径を有する球状の粒子は、上記と同様のSEM観察により、単結晶粒子であることが確認された。
出発原料として、市販されている高純度酸化マグネシウム(宇部マテリアルズ(株)製 MH−V05P、平均粒径0.3μm)と高純度酸化チタン(東邦チタニウム(株)製 HT2301、平均粒径 0.2μm)とを、化学量論的にチタン酸マグネシウムを構成するように、mol比で1対1に秤量した。さらに炭酸マンガン(中央電気工業(株)製 C2−SP、平均粒径0.5μm)を、当該チタン酸マグネシウムに対し0.5mol%になるように秤量し、純水を粉体と同重量入れて固形分が50wt%のスラリを得た。なお、これらの出発原料は、いずれも固相法により作製されたものである。このスラリをボールミルにて12時間混合処理した。スラリを乾燥処理して得た混合粒子を1000℃で5時間仮焼きした後に、再びボールミルを用いて24時間粉砕を行ない平均粒径0.4μmの粒子を作製した(粒度分布が0.2〜1μm)。
また、1640℃で加熱処理した粒子をSEMで観察した。その1例を図11に示しておくが、3μm以下の粒子の中に単結晶粒子が観察された。この単結晶粒子の球形度は0.95であった。なお、この単結晶粒子は、原料粉体として酸化マグネシウム及び酸化チタンを用いていることから、チタン酸マグネシウム(融点 1650℃)から構成されている。
アルコキシド法により、粒子径100nm以下からなるチタン酸マグネシウムを作製し、焼成・粉砕工程により平均粒径0.3μm(粒度分布0.1〜1μm)の出発原料を作製した。この出発原料と表面処理剤(TSL8113:GE東芝シリコーン(株)、2wt%)を混合・分散機に投入して混合、分散することにより、粒子に表面処理を行い、原料粉体を得た。原料粉体は供給機を用いて、供給機中にある分散機で分散しながらキャリアガス(酸素ガス、流量4l/min)で加熱炉へ供給した。加熱炉は内径が55mmのアルミナ炉芯管を用い、炉内の温度は1600℃、1640℃の2種類とした。
1640℃で加熱処理した粒子のSEM像を図12に示す。また、6μm以下の粒子について行ったX線回折チャートを図13に、さらにTEM(透過型電子顕微鏡)像及び電子回折像を図14に示す。以上の結果より、この粒子は正方晶のチタン酸マグネシウムからなる単結晶であることが確認された。また、この単結晶粒子の球形度は0.97であった。
出発原料として、市販されている高純度酸化鉄(堺化学工業(株)製 FRO−6、平均粒径0.06μm)、高純度酸化ニッケル(森村商事(株)製、平均粒径2μm)及び高純度酸化亜鉛(本荘ケミカル(株)製、平均粒径0.4μm)、高純度酸化銅(古河機械金属(株)、平均粒径0.8μm)をmol比で50対25対15対10となるように秤量し、純水を加えて固形分が50wt%のスラリを得た。このスラリをボールミルにて12時間混合処理した。スラリを乾燥処理して得た混合粒子を800℃で4時間仮焼きした後に、再びボールミルを用いて24時間粉砕を行ない平均粒径0.5μmの粒子(粒度分布が0.2〜1.5μm)を作製した。
以上の粒子を表面処理剤(TSL8113:GE東芝シリコーン(株)、2wt%)を混合・分散機に投入して混合、分散することにより、粒子に表面処理を行い、原料粉体を得た。原料粉体は供給機を用いて、供給機中にある分散機で分散しながらキャリアガス(酸素ガス、流量4l/min)で加熱炉へ供給した。加熱炉は内径が55mmのアルミナ炉芯管を用い、炉内の温度は1350℃、1550℃の2種類とした。
Claims (5)
- 原料粉体をキャリアガスとともに加熱処理領域に供給し、
前記加熱処理領域に供給された前記原料粉体に最終的に作製したいセラミックスの融点未満であってかつ当該融点−200℃以上の温度の加熱処理を施し、
前記加熱処理で得られた生成物を冷却することを特徴とする単結晶セラミックス粒子の製造方法。 - 前記原料粉体を浮遊させながら前記加熱処理を施し、かつ前記生成物を冷却することを特徴とする請求項1記載の単結晶セラミックス粒子の製造方法。
- 前記原料粉体は、顆粒又は単独で存在する粒子からなることを特徴とする請求項1又は2記載の単結晶セラミックス粒子の製造方法。
- 浮遊状態で、前記顆粒を構成する一次粒子同士が前記加熱処理により固相拡散することを特徴とする請求項3に記載の単結晶セラミックス粒子の製造方法。
- 前記単独で存在する粒子同士が浮遊状態で接触し、かつ接触した状態で前記単独の粒子同士が前記加熱処理により固相拡散することを特徴とする請求項3に記載の単結晶セラミックス粒子の製造方法。
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