JP2004506589A - ケイ酸バリウムランタンガラスセラミック - Google Patents

Abstract

本発明は、粉末経路を介した加工処理に適し、且つ熱処理後に高熱膨張及び優れた耐熱性の組合せを有するＢａＯ−Ｌａ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスセラミック材料に関する。本発明の前駆体ガラス粉末は、１０〜５５重量％のＢａＯ、３〜５０重量％のＬａ_２Ｏ_３、２５〜４８％のＳｉＯ_２及び任意に合計で３０重量％以下のその他の相溶性金属酸化物の組成を有する。その粉末は、ガラスセラミック材料の耐熱性を低下させないよう、実質的にはアルカリ金属酸化物及び酸化ホウ素を含有しない。当該材料は、高膨張の他の材料と直接組合せて高温で有利に用いることができるか、又は同様の高膨張を示すその他の材料から製造される構成部品を接合若しくは気密的にシールするために用いることができる。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１０×１０^−６℃^−１を超える熱膨張率（２０〜１０００℃）及び１０００℃を超える膨張測定軟化点を有するＢａＯ−Ｌａ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスセラミック材料に関する。これらの材料は、高膨張を示す他の材料と直接組合せて高温で有利に用いられるか、又は同様の高膨張を示す他の材料から製造される構成部品を接合若しくは気密シールするために用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
高温、例えば、７００℃より高い温度での機能性セラミック材料の働きに依存している多数の重要な技術、例えば、高温センサー（例えば、酸素センサー）；酸素発生、合成ガス生成又は気体−液体（ＧＴＬ）変換のための混合イオン／電子伝導セラミック膜を用いた電気化学反応器；固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）等が存在する。これらのすべての場合において、機能材料は、他の材料、例えば、シーリング機能、マニホールド機能又は支持機能のために用いられるものと堅く接合することを求められる系にまとめられる。ほとんどの場合、その系の種々の部分は気密的にシールされる必要があり、そして集成体は、広い温度範囲にわたって熱サイクルされても、性能の損失を伴うべきではない。このような場合、系の異なる構成部品間の熱膨張率によく合致するものが存在するということが極めて重要である。合致してない場合、１個又は数個の構成部品が熱サイクル中に割れたり、系の一部分から別の部分への気体漏出によりユニットの効率が低下したりする可能性が大きい。
【０００３】
他分野の用途では、高温で操作し得る気密性電気的フィードスルーシール（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｆｅｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｅａｌ）用、例えば、安定化ジルコニアが電解質として用いられる電気駆動酸素発生装置や高温センサーの電流導線用に必要とされている。これらの場合、シール材料又は周囲材料が、金属質のフィードスルー材料の場合と同様であるか又はそれよりやや高い膨張率（それが調和フィードスルーシール又は圧縮フィードスルーシールであるかに依る）を有することが必要である。特に、酸化種を含有する大気中での、例えば、１０００℃を超える高温操作には、白金又は白金合金のような貴金属導体を選択する必要がある。この場合、シール材料及び周囲材料は、１０×１０^−６℃^−１を超える熱膨張率（２０〜１０００℃）を有し、所望の温度で長時間操作し得るのに十分な耐熱性を有する必要がある。
【０００４】
高膨張ガラスセラミックは、特に金属フィードスルーシールのためのガラスセラミック分野やニッケルベース合金上の酸化耐性コーティングにおいてよく知られている。
【０００５】
金属フィードスルーシールのための気密性ガラスセラミックの場合、通常選択されるシール材料は、ＭｃＭｉｌｌｉａｎ及びＰａｒｔｒｉｄｇｅ（米国特許第３１７０８０５号）により記載されたＬｉ_２Ｏ−ＺｎＯ−ＳｉＯ_２系のような系を含むアルカリに基づくものである。これらの系では、アルカリ金属酸化物含量が高いとガラスセラミックの耐熱性が低下するので、フィードスルーシールの最大操作温度はかなり制限される。
【０００６】
合金基板のための酸化耐性コーティングとして開発された高熱膨張率を有するガラスセラミックの多数の例がある。これらの１つ（米国特許第３４６７５３４号）において、ＭａｃＤｏｗｅｌｌは、コーティング材料として、一連のケイ酸バリウムベースのガラスセラミックを用いた被覆金属製品を記載している。これらにおいて、ＢａＯ含量は２０〜７０重量％の範囲であり、ＳｉＯ_２含量は３０〜８０重量％である。これらのコーティング材料中の主な結晶相は、ケイ酸バリウムである。他の例（米国特許第５２５０３６０号）では、Ａｎｄｒｕｓ及びＭａｃＤｏｗｅｌｌは、合金基板を保護するための、ＢａＯ−ＳｉＯ_２又はＳｒＯ−ＳｉＯ_２系に基づいた一連のガラスセラミックコーティングを開示している。これらのコーティング材料は、コーティング工程における流動特性を強化するために添加剤を含有する。これらの添加剤としては、以下の酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＦｅＯ及びＭｇＯから１つ又はそれ以上が選択される。Ａｎｄｒｕｓ及びＭａｃＤｏｗｅｌｌによる他の特許（欧州特許第０４１４４５８Ａ１号）では、チタンアルミニド基板の酸化保護のためのガラスセラミックコーティングが開示されている。これらは、アルカリ土類ケイ酸塩系、ＢａＯ−ＳｉＯ_２、ＳｒＯ−ＳｉＯ_２及びＣａＯ−ＳｉＯ_２又はそれらの混合物に基づくものである。好ましい組成物では、３５重量％以下の（ＭｎＯ＋ＦｅＯ＋ＭｇＯ＋ＺｒＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３）の総添加量が、コーティング性能に有益であることが確認されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主な目的は、高熱膨張率及び高温安定性の組合せを有するガラスセラミック材料に到達することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、高膨張の他の材料と直接組合せて高温で用いるか、又は同様の高膨張を示す他の材料からなる構成部品を接合若しくは気密シールするために用いられるガラスセラミック材料に到達することである。
【０００９】
一定のガラス原料を選定経路に従って加工処理することにより、上記の特性を有するガラスセラミック材料が得られることを本発明者は見出した。
【００１０】
本発明による材料は、高熱膨張率及び高温安定性の所望の組合せを有することを本発明者が見出したＢａＯ−Ｌａ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系からのガラスセラミックである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、その最も広い範囲において、高軟化温度（１０００℃まで、又はそれ以上）及び１０×１０^−６℃^−１を超える熱膨張率（２０〜１０００℃の範囲にわたって測定）を有するガラスセラミック材料であって、前記材料は、９００℃を超える温度への前駆体ガラス粉末の制御熱処理により調製され、上記粉末が１０〜５５重量％のＢａＯ、３〜５０重量％のＬａ_２Ｏ_３及び２５〜４８％のＳｉＯ_２を含有する材料を包含する。さらに、本発明は、そのガラスセラミック材料の使用を含む。
【００１２】
ガラスセラミック材料は、粉末経路を介して、即ち、適切な組成の前駆体ガラス粉末の焼結及びその後の結晶化により調製される。本発明に包含される材料組成の全範囲内で、結晶化速度に顕著なばらつきがあるので、シール材料又は接合材料としては、より遅く結晶化するガラス材料が用いられ、最も迅速に結晶化するものは、熱処理中にかなりの剛性を保持するので、このような目的のためには相応しくない。熱処理工程時の結晶化前の材料の変形又は流動し易さに関係なく、調製したガラスセラミックは、熱処理後は１０００℃未満では軟化又は変形しない。さらに、そのガラスセラミックは、２０〜１０００℃の温度範囲にわたって測定された１０×１０^−６℃^−１を超える熱膨張率を有する。
【００１３】
本発明によるガラスセラミック材料中の有益且つ不可欠な成分である酸化ランタンは、合金又はチタンアルミニド基板上に酸化耐性コーティングを提供するための高膨張、耐熱性ガラスセラミックに関する上記特許公報の何れにも言及されていない。しかしながら、酸化ランタンを必要成分とする特許公報に開示された多数のケイ酸塩ベースの無機コーティングがある。例えば、米国特許第４７４６５７８号及び第４８３９３１３号（ともにＫｏｎｄｏ等）では、特に５５〜７５モル％のＳｉＯ_２、１〜１５モル％のＡｌ_２Ｏ_３、３〜２０ｍｏｌ％のＣａＯ、１〜１３モル％のＢａＯ及び０．５〜５モル％のＬａ_２Ｏ_３を含有するグレーズ（ｇｌａｚｅｓ）が記載されている。これらはセラミック基板のためのガラス質コーティングとして開発され、それらは故意に失透させていないので、本発明のものより明らかに低い軟化点を示す。この他に、それらは比較的低い熱膨張率（８×１０^−６℃^−１）を有する。さらに前の開示（米国特許第３５０１３２２号）において、Ｄｕｍｂａｕｇｈ及びＭａｌｍｅｎｄｉｅｒは、高アルミナセラミック基板のグレーズのためのＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｌａ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系のある範囲にあるガラス組成物を記載しているが、この場合、グレーズ材料は２．５〜１０モル％の酸化ランタンを含有する。これらのグレーズは、比較的低い熱膨張率も有し、それらは失透熱処理されていないので、特に耐熱性のあるものではなかった。
【００１４】
耐熱性アルミノ−ケイ酸塩ベースのガラスセラミック中に含有される酸化ランタンについては、ＭａｃＤｏｗｅｌｌ及びＦｒａｓｉｅｒによるＤＥ１４９６０９０で言及されている。この場合は、冷却中にガラス溶融体を失透させ難くするために用いられる多数の酸化物のうちの１つであると考えられる。ＭａｃＤｏｗｅｌｌ及びＦｒａｓｉｅｒによるＤＥ１４９６０９０で言及されたガラスセラミックは非常に耐熱性があり、１４００℃という高温で用いることができるが、熱処理中に発達した主結晶相がムライトであるために、比較的低い膨張を示した。このように高熱膨張が不可欠な要件であるため、これらの材料は、本発明のガラスセラミックと同一適用分野において用いることができない。
【００１５】
本発明の材料の必須構成成分である酸化ランタンは、二つの機能を果たすものである。少量、例えば、３〜１０重量％の添加では結晶化過程を遅らせるので、熱工程時の前駆体ガラス粉末の焼結（及び流動）特性を改善する。しかし、アルカリ土類ケイ酸塩ベースのガラスセラミック中により一般的に用いられる他の結晶化阻害剤、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３及びＺｒＯ_２とは違って、低熱膨張の結晶相が発達するために、熱処理後の材料の熱膨張率を著しく低下させることがない。アルカリ土類ケイ酸塩ベースの材料に用いる結晶化遅延剤に代わるもの、例えば、ＭｎＯ、ＮｉＯ、ＦｅＯ及びＭｇＯの添加よる共通の問題は、耐熱性の著しい低下が認められるということである。これは、結晶化を遅延するために酸化ランタンを少量添加することにより殆ど回避できる。
【００１６】
より多量の即ち１０重量％より多くの酸化ランタンを用いる場合、ケイ酸ランタンＬａ_２Ｓｉ_２Ｏ_７が、ガラスセラミック中の主結晶相の１つとして生じる。このケイ酸ランタンは非常に耐熱性があり、１７５０℃程度の融点を有する。このように、ケイ酸ランタンは、優れた高温安定性の点からガラスセラミックの総合的な性能に寄与する。
【００１７】
本発明によるガラスセラミックは、ガラスセラミック材料の耐熱性を低下させないよう、アルカリ金属酸化物及び酸化ホウ素を実質的に含有しない（＜１重量％）。本発明のガラスセラミックが酸化アルミニウムを限られた量（＜５重量％）だけしか含有しないのは、この成分がガラスセラミックの熱膨張率を著しく低下させることが知られているからである。
【００１８】
本発明による材料の製造の第１段階は、前駆体ガラスの溶融である。金属酸化物及び炭酸塩のような適切な原料を適当な割合で十分に混合し、ガラスバッチを形成し、そして１４００℃〜１７００℃の温度で溶融させる。十分な程度の均質性がガラス溶融体で達成されたら、材料は冷却されて、さらに加工処理される固体ガラスが形成される。次に、固体ガラスは機械的に破壊されて、適切な粒子径分布を有する粉末が形成される。
【００１９】
次に、十分に確立されたセラミック粉末加工手段、例えば、スリップ注型法、静水圧圧縮成形法などを用いて、好ましくは必ずしも加工助剤を添加することなく、ガラス粉末が形づくられる。材料がシール材料又は接合材料として直接用いられるものである場合には、それは接合される表面に適用されるか、あるいは接合間隙に直接配置される。次に圧縮粉は１つ又はそれ以上の段階で熱処理を施され、全熱処理の途中で、少なくとも９００℃、好ましくはそれより高い温度に曝されて、それにより高熱膨張率及び優れた耐熱性の組合せを有する実質的に結晶の材料に変換される。熱処理工程における加熱速度は、熱処理する構成部品又は構成部品の集成体のサイズ及び複雑さに適合する必要がある。例えば、大きい若しくは厚い壁の未加工体を熱処理する場合、又は大きい構成部品、特に高膨張セラミック材料から製造された構成部品が一緒にシール若しくは接合される場合には、熱処理における最大加熱速度は、過度の温度勾配による破断を回避するように制御しなければならない。
【００２０】
以下の実施例及び図面において、本発明をさらに説明し明らかにする。
【００２１】
【実施例】
例として、以下の表１に多数の異なるガラスセラミック組成を示す。表１では、ガラスセラミックがシール材料又は接合材料として用いるのに適しているか否かの指標として、異なる材料の変形特性を示す。極めて小さい軸方向応力（０．１ｋＰａ）下、１２℃／分で加熱する時の円筒型圧縮粉の全線状変形（軸方向）を測定することにより、流動挙動を特性化した。この特定の試験において、４０％未満の軸方向変形を示す材料は、接合用途又はシール用途に用いるのに適していないということが経験的に分かっている。しかしながら、６０％を超える軸方向変形を示すものは、広範囲の熱加工条件下で接合剤又はシーラントとして容易に用いることができる。４０〜６０％の範囲の軸方向変形を有する材料は、より限定された範囲の熱処理条件下ではあるが、接合又はシールのために用いることができる。
【００２２】
１１００〜１２００℃の範囲の温度で熱処理しておいた４０〜５０ｍｍの長い試料で、ガラスセラミックの熱膨張率を測定した。６℃／分で１１００℃を超える温度に加熱する時の膨張特性を測定した。
【００２３】
【表１】

【００２４】
これらの材料を一つの特定分野の用途で用いる方法の一例として、良好な流動特性を有する１つの材料を用いて、他のガラスセラミック材料からなる厚さ５ｍｍの支持体上に直径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍのランタンニッケラート（Ｌａ_２ＮｉＯ_４）円板（ＣＴＥ_{２０−１０００ ℃}ＳＹＭＢＯＬ ６４ ￥ｆ ”Ｓｙｍｂｏｌ” ￥ｓ １２１４×１０^−６℃^−１）をシールした。ランタンニッケラート（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｎｉｃｋｅｌａｔｅ）は、この混合イオン／電子伝導性セラミックが高温電子−化学反応器中で酸素選択性膜材料であるものとして用いた。シール材料及び支持材料として選択したガラスセラミック（それぞれ表１のＮｏ．１３及び２）は、ランタンニッケラートとの優れた膨張適正に基づいて選定した（図１）。
【００２５】
１重量％ポリアクリル系接合剤（アクリロイドＢ−７２、Ｒｏｈｍ＆Ｈａａｓ、Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ）を含有するガラス粉末Ｎｏ．２の直径１３ｍｍの円板を一軸ダイ（ｕｎｉａｘｉａｌ ｄｉｅ）で３０ＭＰａにプレスして、ガラスセラミック支持体を調製した。次に、有機接合剤を除去するために、プレス体を空気中でゆっくり４５０℃まで加熱し、その後、６℃／分で１２５０℃の温度に加熱して、焼結／結晶化した。１２５０℃で２時間保持後、試料を６℃／分で７００℃まで冷却し、次に炉を室温まで冷却した。円板の平坦面の１つを、ランタンニッケラートとの接合に備えて研削した。
【００２６】
ガラス粉末Ｎｏ．１３を、２重量％ポリアクリル系接合剤（アクリロイドＢ−７２）を含有する有機液体担体（酢酸ペンチル）と混合して、易流動性ペーストを作製した。このガラス粉末ペーストの薄層をガラスセラミック材料支持体及びランタンニッケラート円板の表面に塗布して、これらを接合し、乾燥させた。次に接合部の２つの半分体を集めて、熱処理炉に移した。熱処理中に接合部の発達を十分促すために、集成接合部に約２００ｇの小負荷を掛けた。次に、アクリル接合剤を焼き取るために、集成体を２℃／分で４５０℃まで加熱し、次に５℃／分で空気中で１１００℃に加熱して接合した。試料を１１００℃で１時間保持した後、５℃／分で室温に冷却した。接合体を切断し、研磨して、後方散乱電子モードを用いて走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で検査して、接合の質を評価した。接合部の横断面（図２）は、異なる材料間に優れた接合が達成されたことを示し、そして亀裂が存在しないことから、２つのガラスセラミック及びランタンニッケラート間の膨張特性がよく合致していることが示された。
【００２７】
上記の実施例を特定の一つの分野の用途に限定してきたが、これらの材料を適用することができるのは、この領域のみではないことは明らかである。高熱膨張率及び優れた高温安定性の組合せを用いて、例えば、高温電子化学反応器における構造的構成部品若しくはガスマニホールド、又は高温で操作し得る気密性電気的フィードスルーシールを必要とする系における絶縁／シール構成部品といった、これらのガラスセラミック材料を有利に用いることができる多数のその他の潜在的な適用分野が存在する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ガラスセラミック支持体、ガラスセラミックシーラント及びランタンニッケラートセラミック間の膨張がほぼ合致していることを示す図である。
【図２】
ガラスセラミックシーラントを用いたガラスセラミック支持体（下部）及びランタンニッケラート（上部）間に作られた無亀裂接合部の研磨切片の後方散乱電子画像を示す図である。支持体材料は、ガラスセラミックＮｏ．２であり、シーラントはガラスセラミックＮｏ．１３である（表１に記載）。

Claims (7)

1. 高軟化温度（１０００℃まで、又はそれ以上）及び１０×１０^−６℃^−１を超える熱膨張率（２０〜１０００℃の範囲にわたって測定）を有するガラスセラミック材料であって、前記材料は、本質的にＢａＯ、Ｌａ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２よりなり、且つ９００℃を超える温度への前駆体ガラス粉末の制御熱処理により調製され、その際、前記粉末は、１０〜５５重量％のＢａＯ、３〜５０重量％のＬａ_２Ｏ_３及び２５〜４８％のＳｉＯ_２を含有することを特徴とする材料。
2. 前記前駆体粉末は、１０〜５５重量％のＢａＯ、３〜５０重量％のＬａ_２Ｏ_３、２５〜４８％のＳｉＯ_２及び３０重量％以下の他の相溶性金属酸化物又は金属酸化物の混合物を含有することを特徴とする請求項１に記載のガラスセラミック材料。
3. 前記前駆体ガラス粉末は、５重量％未満の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を含有することを特徴とする請求項１に記載のガラスセラミック材料。
4. 前記前駆体ガラス粉末中のアルカリ金属酸化物の総含量は、１重量％未満であることを特徴とする請求項１に記載のガラスセラミック材料。
5. 前記前駆体ガラス粉末は、１重量％未満の酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）を含有することを特徴とする請求項１に記載のガラスセラミック材料。
6. 他の材料から製造された構成部品を接合するか又はシールするための請求項１〜５のいずれか一項に記載のガラスセラミック材料の使用。
7. 高膨張の他の材料と高温で直接組合せるための請求項１〜５のいずれか一項に記載のガラスセラミック材料の使用。

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