JP2006347824A - Combustion synthesis method and oxide-based ceramic - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化物系セラミックスを製造する燃焼合成方法、特に燃焼合成時においてガスや昇華物等の副生成物を発生する反応系の燃焼合成方法、および該方法で製造される酸化物系セラミックスに関する。 The present invention relates to a combustion synthesis method for producing oxide-based ceramics, particularly a reaction-based combustion synthesis method for generating by-products such as gas and sublimates during combustion synthesis, and oxide-based ceramics produced by the method. About.
酸化物系セラミックス(一般式ABO3)は、一般式中のA、Bの組み合わせによって、誘電性、超伝導性、プロトン伝導性等に優れるため種々の用途に利用されている。この誘電体セラミックスの代表的なものとしては、セラミックコンデンサーに使用されるBaTiO3、圧電・焦電セラミックスの主要材料であるPZT(PbZrO3−PbTiO3)、燃料電池用の高温型プロトン伝導性酸化物であるSrCeO3、BaCeO3、CaZrO3、SrZrO3、BaZrO3などが挙げられる。 Oxide ceramics (general formula ABO 3 ) are used in various applications because they have excellent dielectric properties, superconductivity, proton conductivity, etc., depending on the combination of A and B in the general formula. Typical dielectric ceramics include BaTiO 3 used for ceramic capacitors, PZT (PbZrO 3 -PbTiO 3 ), which is the main material of piezoelectric and pyroelectric ceramics, and high-temperature proton conductive oxidation for fuel cells. Examples thereof include SrCeO 3 , BaCeO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , and BaZrO 3 .
従来、上記のようなセラミックスの合成には、1000℃から2000℃前後の炉を用いて外部加熱を行なわなくてはならない。このため、セラミックスの合成には、膨大なエネルギーと大型の加熱機構を必要とし、これが製造コストを高くする原因となっている。
外部加熱を行なわない製造方法として、燃焼合成によるセラミックス粉末の合成が提案されている(特許文献1参照)。燃焼合成法は、外部加熱を必要とすることなく、化合時に放出される大量の化学熱反応を利用して連鎖的に物質を合成する方法である。
上記特許文献1による製造方法では、1種類の金属酸化物と2種類の異なる金属元素の計3種類の原料を出発原料とし、金属間化合物あるいは非酸化物セラミックスと酸化物セラミックスの2種類を合成している。例えば、酸化ニッケル粉末とアルミニウム粉末とアルミナ粉末とを混合し金型プレスを用いて円形状の成形体とした後、黒鉛板に乗せ、高圧反応容器内に収納し、アルゴン雰囲気下で該成形体の上端面を着火することによりアルミニウム粉末の酸化燃焼反応を誘導し、還元されたニッケルが過剰に添加したアルミニウムと反応してNiAlを合成しながら、燃焼反応が連鎖的に進行する。その結果、外部加熱なしに金属間化合物の1つであるNiTiのインゴットを製造することができる。
また、上記従来の製造方法では、製造装置の材料の一部として黒鉛板を使用している。黒鉛板に代えて黒鉛坩堝を用いている場合も多く(例えば、特許文献2参照)、図5に示すように、該坩堝2に反応原料となる混合粉末1をパウダーベット状に敷き詰めたり、さらに、敷き詰めた後に圧縮する等して収容している。
Conventionally, in order to synthesize ceramics as described above, external heating must be performed using a furnace at about 1000 ° C. to about 2000 ° C. For this reason, the synthesis of ceramics requires enormous energy and a large heating mechanism, which increases the manufacturing cost.
As a manufacturing method without external heating, synthesis of ceramic powder by combustion synthesis has been proposed (see Patent Document 1). The combustion synthesis method is a method of synthesizing substances in a chain manner by utilizing a large amount of chemical heat reaction released at the time of compounding without requiring external heating.
In the manufacturing method according to
Moreover, in the said conventional manufacturing method, the graphite board is used as a part of material of a manufacturing apparatus. In many cases, a graphite crucible is used instead of the graphite plate (see, for example, Patent Document 2). As shown in FIG. 5, the mixed
しかしながら、上記特許文献1の燃焼合成方法では、酸化物系セラミックスを得ることができない。これに対し、酸素供給源および発熱源を反応原料として用いる等して酸化物系セラミックスを得ることができるが、酸化物系原料の混合粉末1を図5に示すように坩堝2に収容して燃焼合成反応を行なうと、混合粉末1と黒鉛坩堝2とが坩堝内面2aおよび2bの大部分で接触するため接触面積が大きく、該接触部で不要な炭化物が発生するおそれがある。
また、副生成物としてガスまたは昇華物を発生する反応系において、反応原料である混合粉末1を図5に示すように坩堝2に収容している場合、燃焼合成反応は着火点3から燃焼波が同心円的に伝播し連鎖的に進行するので、末端である坩堝2の底内面2bや側内面2aからガスまたは昇華物が抜け難く、一部が合成物内に取り込まれてしまうおそれがある。
Further, in the reaction system that generates gas or sublimate as a by-product, when the mixed
本発明は、このような問題に対処するためになされたものであり、副生成物としてガスまたは昇華物を発生する、酸化物系セラミックスを得るための燃焼合成方法において、該燃焼合成反応時において該副生成物を効率よく主生成物内から排除できるとともに、反応装置等からの影響を低減できる燃焼合成方法、および該方法により得られる酸化物系セラミックスの提供を目的とする。 The present invention has been made in order to cope with such problems, and in a combustion synthesis method for obtaining an oxide-based ceramic that generates a gas or a sublimate as a by-product, the combustion synthesis reaction is performed at the time of the combustion synthesis reaction. An object of the present invention is to provide a combustion synthesis method capable of efficiently removing the by-product from the main product and reducing the influence from a reaction apparatus and the like, and an oxide ceramic obtained by the method.
本発明の燃焼合成方法は、主生成物を構成する元素源となる複数の原料を混合した混合物を反応装置内に収容する原料準備工程と、該反応装置内の混合物を着火させて反応させる着火工程とを備えてなる、副生成物としてガスまたは昇華物を発生する燃焼合成方法であって、上記原料準備工程は、上記混合物を圧縮して原料圧縮体とした後に、上記反応装置内に収納する工程であることを特徴とする。 The combustion synthesis method of the present invention includes a raw material preparation step in which a mixture obtained by mixing a plurality of raw materials serving as an element source constituting a main product is accommodated in a reactor, and an ignition in which the mixture in the reactor is ignited and reacted. Comprising a step of generating a gas or a sublimate as a by-product, wherein the raw material preparation step compresses the mixture into a raw material compressed body and then stores the compressed material in the reactor. It is a process to perform.
上記原料準備工程において、上記原料圧縮体が、上記反応装置内において主生成物と同種のスペーサ材を介して載置されることを特徴とする。なお、同種とは、同組成のみならず、類似組成のものも含む。
また、上記原料圧縮体は、該圧縮体内部に連通孔を形成されてなることを特徴とする。
In the raw material preparation step, the raw material compressed body is placed in the reactor via a spacer material of the same type as the main product. The same type includes not only the same composition but also a similar composition.
The raw material compressed body is characterized in that a communication hole is formed inside the compressed body.
上記着火工程は、上記原料圧縮体に接触する所定量の上記混合物に着火させる工程であることを特徴とする。 The ignition step is a step of igniting a predetermined amount of the mixture in contact with the raw material compressed body.
本発明の酸化物系セラミックスは、酸化物系原料と、酸素供給源となる原料とからなる混合物を反応原料とする酸化物系セラミックスであって、上記記載の燃焼合成方法により得られることを特徴とする。
なお酸化物系原料とは、主生成物である酸化物系セラミックスを構成する元素源を含む原料である。
The oxide-based ceramic of the present invention is an oxide-based ceramic that uses a mixture of an oxide-based material and a material that serves as an oxygen supply source as a reaction material, and is obtained by the combustion synthesis method described above. And
The oxide-based raw material is a raw material including an element source that constitutes an oxide-based ceramic that is a main product.
本発明の燃焼合成方法は、反応原料となる混合物を圧縮して原料圧縮体とした後に、上記反応装置内に収納するので、反応原料と、黒鉛坩堝等の反応装置との接触面積を減らすことができ、該部分での炭化物の発生等を軽減することができる。スペーサ材を介して載置するので、上記接触面積をさらに減らすことができる。また、スペーサ材を主生成物と同種材とすることにより、燃焼合成後における主生成物の組成に影響を与えない。
上記のように圧縮体とすること、さらにはスペーサ材を用いることにより、反応原料と反応装置との接触面積が少なくなるので、燃焼合成時に副生成物としてガスまたは昇華物を生成しても、これら副生成物を原料圧縮体表面から効率よく排除できる。また、原料圧縮体内部に予め連通孔を形成するので、副生成物をより効率よく排除できる。
The combustion synthesis method of the present invention reduces the contact area between the reaction raw material and the reaction device such as a graphite crucible after the mixture as the reaction raw material is compressed into a raw material compressed body and then stored in the reaction device. And the generation of carbides in the portion can be reduced. Since it mounts via a spacer material, the said contact area can further be reduced. In addition, by making the spacer material the same material as the main product, the composition of the main product after combustion synthesis is not affected.
By using a compression body as described above, and further using a spacer material, the contact area between the reaction raw material and the reactor is reduced, so even if a gas or sublimate is generated as a by-product during combustion synthesis, These by-products can be efficiently removed from the surface of the raw material compact. Moreover, since a communicating hole is previously formed in the raw material compression body, a by-product can be eliminated more efficiently.
本発明の酸化物系セラミックスは、上記燃焼合成方法により得られるので、上記副生成物、炭化物等の不純物が少なく純度の高い焼結体として得られる。 Since the oxide-based ceramic of the present invention is obtained by the above combustion synthesis method, it is obtained as a sintered body having a high purity with few impurities such as by-products and carbides.
本発明の燃焼合成方法は、副生成物としてガスまたは昇華物が発生する燃焼化学反応系のものであり、特に主生成物として酸化物系セラミックスを得るための方法である。
本発明の燃焼合成方法における反応系であって、(イ)副生成物としてガスのみを発生するものとしては、例えば、4族元素を含む金属粉末、2族元素を含む元素の炭酸塩、および2族元素を含む元素の過酸化物とを少なくとも含む反応原料を用いる反応系、(ロ)副生成物としてガスおよび昇華物を発生するものとしては、例えば、4族元素を含む金属粉末と、2族元素を含む元素の炭酸塩と、過塩素酸ナトリウムとを少なくとも含む反応原料を用いる反応系が挙げられる。
The combustion synthesis method of the present invention is a combustion chemical reaction system in which gas or sublimate is generated as a by-product, and is a method for obtaining oxide ceramics as a main product.
Examples of the reaction system in the combustion synthesis method of the present invention, wherein (a) only gas is generated as a by-product, for example, metal powder containing a
上記(イ)の反応系としては、4族金属粉末、2族炭酸塩、および2族過酸化物のみ、または、これに4族金属酸化物を加えたものであることが反応生成物が圧電性、誘電特性、コスト面などに優れるので好ましい。また、反応原料はそれぞれ、燃焼合成法における化学反応式を満たす所定割合で配合する。例えば、主生成物としてチタン酸バリウム(BaTiO3 )やチタン酸カルシウム(CaTiO3 )などの酸化物系セラミックスを合成する場合、以下の化学反応式にしたがって生成する。4族金属粉末と、2族炭酸塩と、2族過酸化物とは、下記反応に必要なそれぞれのモル質量に相当する量で配合する。該反応系では副生成物として炭酸ガス(CO2)が発生する。
また、4族金属酸化物を配合する場合は、断熱火炎温度を 1500℃以上に維持できる割合で配合する。該4族金属酸化物の割合を増加させることで断熱火炎温度を下げることができる。
Ti+2TiO2+BaCO3+2BaO2→ 3BaTiO3+CO2↑
Ti+2TiO2+CaCO3+2CaO2→ 3CaTiO3+CO2↑
Ti+2TiO2+BaCO3+2CaO2→ 3(Ba1/3,Ca2/3)TiO3+CO2↑
Ti+2TiO2+CaCO3+2BaO2→ 3(Ba2/3,Ca1/3)TiO3+CO2↑
The reaction system (b) may be a
In addition, when blending
Ti + 2TiO 2 + BaCO 3 + 2BaO 2 → 3BaTiO 3 + CO 2 ↑
Ti + 2TiO 2 + CaCO 3 + 2CaO 2 → 3CaTiO 3 + CO 2 ↑
Ti + 2TiO 2 + BaCO 3 + 2CaO 2 → 3 (Ba 1/3 , Ca 2/3 ) TiO 3 + CO 2 ↑
Ti + 2TiO 2 + CaCO 3 + 2BaO 2 → 3 (Ba 2/3 , Ca 1/3 ) TiO 3 + CO 2 ↑
上記(ロ)の反応系としては、4族金属粉末、2族炭酸塩、およびNaClO4のみ、または、これに4族金属酸化物を加えたものであることが反応生成物が洗浄性に優れ、圧電性、誘電特性に優れるので好ましい。
反応原料はそれぞれ所定割合で配合するが、燃焼合成反応において、例えばチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)の場合、以下の化学反応式にしたがって生成する。各反応原料は、4族金属粉末と2族炭酸塩とは反応に必要なそれぞれのモル質量に相当する量を配合するが、酸素発生物質は反応に必要なモル質量以上を配合できる。
Ti+SrCO3+0.5NaClO4 → SrTiO3+CO2↑+0.5NaCl
The reaction system of (b) above is a
The reaction raw materials are blended at a predetermined ratio. In the combustion synthesis reaction, for example, in the case of strontium titanate (SrTiO 3 ), the reaction raw materials are produced according to the following chemical reaction formula. Each reaction raw material is blended in an amount corresponding to the molar mass required for the reaction between the
Ti + SrCO 3 + 0.5NaClO 4 → SrTiO 3 + CO 2 ↑ + 0.5NaCl
本発明の燃焼合成方法における原料準備工程は、上記酸化物系セラミックス等の主生成物を構成する元素源となる複数の属粉末、炭酸塩、過酸化物等を混合する工程と、該工程で得られた混合粉末を反応装置内に収容する工程とからなる。
反応装置としては、坩堝、坩堝類似の反応容器、セッター等を挙げることができる。
The raw material preparation step in the combustion synthesis method of the present invention includes a step of mixing a plurality of genus powders, carbonates, peroxides, etc., which are element sources constituting the main product such as the oxide ceramics, And the step of accommodating the obtained mixed powder in a reactor.
Examples of the reaction apparatus include a crucible, a reaction vessel similar to a crucible, a setter, and the like.
本発明の燃焼合成方法において、主生成物を構成する元素源となる複数の原料を混合する工程は、上記(イ)または(ロ)の反応系において主生成物が形成できる原子割合で混合した原料をボールミル、乳鉢の公知の混合装置を用いて混合する工程である。
上記(イ)または(ロ)の反応系において、反応原料としての4族元素を含む金属の形状は、微粉末であることが好ましく、比表面積が 0.01〜2 m2/g である。燃焼波が伝播し、かつ取り扱いやすいので好ましい比表面積の範囲は 0.1〜0.6 m2/g である。比表面積が0.01 m2/g 未満の場合、発熱源となる金属粉未と酸素供給源となる過酸化物の接触面積が少ないため、燃焼波が伝播せず、セラミックスが合成できない場合がある。また、比表面積が 2 m2/g をこえる金属粉未は極めて活性であり、取り扱いが困難となるため好ましくない。
本発明において、金属粉未の比表面積は、BET法により測定された値をいう。
In the combustion synthesis method of the present invention, the step of mixing a plurality of raw materials serving as the element source constituting the main product was mixed at an atomic ratio capable of forming the main product in the reaction system of (a) or (b) above. In this step, the raw materials are mixed using a known mixing device such as a ball mill or a mortar.
In the reaction system (a) or (b), the shape of the metal containing a
In the present invention, the specific surface area of the metal powder is a value measured by the BET method.
また、金属微粉末は、平均粒子径が同一であっても、比表面積が異なると反応性に差が認められる。すなわち、球状よりも比表面積が大きくなる形状の金属粉末を用いると燃焼合成反応がより速やかに進行した。比表面積が大きくなる形状としては、球状粒子表面に複数の凹凸が形成された粒子、粒子全体としていびつな形状の粒子、またはこれらの組み合わせがある。
本発明に使用できる平均粒子径としては 150μm 以下、好ましくは 0.1〜100μm である。150μmをこえると、他の原材料との混合が十分でなくなり、燃焼波が伝播しない場合が生じる。表面に凹凸が形成された粒子またはいびつな形状の平均粒子径の測定方法は、画像解析法が好ましい。
Moreover, even if the average particle diameter of the metal fine powder is the same, a difference in reactivity is recognized when the specific surface area is different. That is, when a metal powder having a specific surface area larger than that of a spherical shape was used, the combustion synthesis reaction proceeded more rapidly. As the shape having a large specific surface area, there are a particle having a plurality of irregularities formed on the surface of a spherical particle, a particle having an irregular shape as a whole, or a combination thereof.
The average particle size that can be used in the present invention is 150 μm or less, preferably 0.1 to 100 μm. If it exceeds 150 μm, mixing with other raw materials becomes insufficient, and combustion waves may not propagate. An image analysis method is preferable as a method for measuring the average particle diameter of particles having irregularities formed on the surface or an irregular shape.
反応原料である混合粉末を反応装置(黒鉛坩堝)に収容する工程を以下に説明する。
本発明の一実施例に係る混合粉末の収容方法を図1を参照して説明する。図1は反応原料および坩堝の参考断面図である。
図1に示すように、混合粉末1は、圧縮して原料圧縮体1aとした後に黒鉛製の坩堝2内に載置する。該原料圧縮体1aは、いわゆるペレット状であり、圧縮時にはポリビニルアルコールなどの高分子材料を粘結剤として使用することができる。ペレット状に加工した後、坩堝2内に載置することで、図5に示すように混合粉末を充填する場合よりも大幅に坩堝との接触面積を減らすことができる。
原料圧縮体1aの形状は、図1に示す形状に特に限定されるものではなく、任意の形状とできる。不要な炭化物の発生を抑制できること、および、副生成物の排除が容易になることから、該形状は、坩堝2の側内面2aおよび底内面2bと極力接触面積が少なくなる形状とすることが好ましい。具体的には、坩堝2が円筒形状である場合には、その内径よりも小さい径の円板形状とすることで側内面2aとの接触を避けることができ、底部を湾曲等させることで底内面2bとの接触面積を減らすことができる。
The process of accommodating the mixed powder as the reaction raw material in the reaction apparatus (graphite crucible) will be described below.
A mixed powder storage method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a reference cross-sectional view of a reaction raw material and a crucible.
As shown in FIG. 1, the
The shape of the raw material compressed body 1a is not particularly limited to the shape shown in FIG. 1, and can be any shape. Since generation of unnecessary carbides can be suppressed, and elimination of by-products is facilitated, the shape is preferably a shape that minimizes the contact area with the side inner surface 2a and the bottom
また、図2に示すように、原料圧縮体1aは、主生成物と同種のスペーサ材4を介して坩堝2内に載置することができる。スペーサ材4を坩堝2の底内面2bと、原料圧縮体1aとの間に介在させることで、坩堝2と原料圧縮体1aとの接触を完全に防止できる。また、原料圧縮体1aを単に坩堝2内に載置する場合よりも、底内面2bにおける坩堝2との接触面積を減らすことができる。
スペーサ材4は、その燃焼合成により得ようとする主生成物と同組成または類似組成のものを使用する。主生成物と同種材とすることにより、燃焼合成後における主生成物の組成に影響を与えない。
Moreover, as shown in FIG. 2, the raw material compression body 1a can be mounted in the
The
以上のように、ペレット状にすること、さらにはスペーサ材を用いることにより、反応原料である原料圧縮体1aと坩堝2との接触面積が少なくなる。この結果、上記(イ)または(ロ)の反応系において発生する、ガス(CO2)や昇華物(NaCl)が燃焼合成反応の進行に伴い、逐次、原料圧縮体表面から効率よく排除できる。また、坩堝2との接触面積が少なく、主生成物における炭化物の混入などのおそれも少ない。
As described above, the contact area between the raw material compressed body 1a, which is a reaction raw material, and the
また、原料圧縮体1aの加工時において、内部に予め連通孔を形成することにより、副生成物であるガスや昇華物をより効率よく排除できる。0.5〜1.5トン/cm2の圧力で、予備成形することにより連通孔を有するペレットを作成することができる。また、下パンチに複数のピンを形成し(凸型)、上パンチに複数のピン孔を持たせて(凹型)、圧縮して成形することで、上下に貫通孔を設けることができる。 Further, by forming a communication hole in the interior in advance during the processing of the raw material compressed body 1a, it is possible to more efficiently exclude gas and sublimate as by-products. A pellet having communication holes can be prepared by preforming at a pressure of 0.5 to 1.5 ton / cm 2 . Further, by forming a plurality of pins on the lower punch (convex type), and having a plurality of pin holes on the upper punch (concave type), and compressing and molding, it is possible to provide through holes on the upper and lower sides.
上記原料圧縮体1aに着火して燃焼合成法により反応させる。燃焼合成法の条件について、反応系の断熱火炎温度は1500℃以上である。1500℃以上であれば、燃焼波が伝播するからである。
燃焼合成はチャンバー内で行なうが、その雰囲気としては、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)等の希ガス雰囲気が好ましい。なお、反応生成物の誘電特性を劣化させなければ、窒素ガス、炭酸ガス雰囲気等を利用することも可能である。また、酸素分圧を制御可能であれば、酸素ガスを使用することも可能である。
The raw material compact 1a is ignited and reacted by a combustion synthesis method. Regarding the conditions of the combustion synthesis method, the adiabatic flame temperature of the reaction system is 1500 ° C. or higher. This is because the combustion wave propagates at 1500 ° C. or higher.
Combustion synthesis is performed in a chamber, and the atmosphere is preferably a rare gas atmosphere such as helium (He), neon (Ne), argon (Ar), or krypton (Kr). Note that a nitrogen gas, carbon dioxide atmosphere, or the like can be used as long as the dielectric properties of the reaction product are not deteriorated. Also, oxygen gas can be used if the oxygen partial pressure can be controlled.
上記混合物を着火させて反応させる着火工程は、原料圧縮体1aに着火発熱可能となる方法であれば特に限定されない。カーボンフイルムを通電し着火発熱させて熱源とし、混合粉末に接触させて着火発熱させる方法が取り扱い性に優れているので好ましい。着火点3としては、図1および図2に示す原料圧縮体1aの上表面、図3に示す下表面のいずれであってもよい。
図5に示すように、燃焼合成法における燃焼波は着火点より同心円的に伝播するので、伝播末端に該当する表面側に、副生成物の排出を阻害する要因が少ない方がよい。よって着火点3としては、図3に示すように原料圧縮体1aの下表面から着火し、副生成物を上表面等から排出できるようにすることが好ましい。
The ignition process in which the mixture is ignited and reacted is not particularly limited as long as it is a method that enables the raw material compressed body 1a to generate heat. A method of energizing and igniting a carbon film to generate heat and making it a heat source and bringing it into contact with the mixed powder and igniting and generating heat is preferable because of excellent handling properties. The
As shown in FIG. 5, since the combustion wave in the combustion synthesis method propagates concentrically from the ignition point, it is better that there are few factors inhibiting the discharge of by-products on the surface side corresponding to the propagation end. Therefore, as the
上記カーボンフィルムにおける着火時においては、図4に示すように原料圧縮体1a上に圧縮前の反応原料である混合粉末1を盛り、該混合粉末1にカーボンフィルム5を接触させて着火させることが好ましい。これは、本発明の燃焼合成方法では、反応原料である混合粉末1を原料圧縮体1aに加工していることから、カーボンフィルムにより直接接触させた場合では着火しにくいためである。
When the carbon film is ignited, as shown in FIG. 4, the
以上の原料準備工程および着火工程を経て、外部加熱を必要とすることなく、着火部分より同時多発的に化学反応が進行して反応生成物が得られる。燃焼合成反応は、約1〜60秒で終了する。
該反応生成物である焼結体を粉砕し、この粉末を焼結することにより酸化物系セラミックスが得られる。焼結するとき、ポリビニルブチラールなどの成形用粘結剤を配合できる。焼結条件としては、10〜100 MPaの圧力で成形後、大気雰囲気下、1200〜1500℃の温度で焼成する条件が挙げられる。
また、燃焼合成で得られた合成粉末の結晶構造をさらに安定させたり、微量な不純物を除去するため、900〜1100℃で仮焼することも可能である。
なお、上記(イ)の反応系では、副生成物として発生するのは炭酸ガスのみであるが、上記(ロ)の反応系ではNaClを生じる。この場合では、得られた焼結体を粉砕後、洗浄する等してNaClを除去する。
Through the above raw material preparation step and ignition step, the chemical reaction proceeds simultaneously and frequently from the ignition portion without requiring external heating, and a reaction product is obtained. The combustion synthesis reaction is completed in about 1 to 60 seconds.
Oxide ceramics can be obtained by pulverizing the sintered body as the reaction product and sintering the powder. When sintering, a molding binder such as polyvinyl butyral can be blended. Sintering conditions include a condition of forming at a pressure of 10 to 100 MPa and firing at a temperature of 1200 to 1500 ° C. in an air atmosphere.
Moreover, in order to further stabilize the crystal structure of the synthetic powder obtained by the combustion synthesis and to remove a trace amount of impurities, it is possible to calcine at 900 to 1100 ° C.
In the reaction system (a), only carbon dioxide gas is generated as a by-product, but in the reaction system (b), NaCl is generated. In this case, the obtained sintered body is pulverized and then washed to remove NaCl.
上記燃焼合成方法によって得られた酸化物系セラミックスは、不純物の混入が少なく、理論密度に近く緻密化されて優れた誘電特性を有するので、誘電体アンテナ、コンデンサ、誘電体共振器、フィルター、圧力センサ、超音波モータ等に使用できる。 Oxide ceramics obtained by the above combustion synthesis method have few dielectric impurities, are close to the theoretical density, and have excellent dielectric properties, so dielectric antennas, capacitors, dielectric resonators, filters, pressure It can be used for sensors, ultrasonic motors, etc.
実施例1
配合原料は、Ti金属(比表面積 0.3 m2/g )を 1 モル、SrCO3を 1 モル、NaClO4を 0.5 モル用いた。これらの原材料をボールミルを用いて5時間混合した。混合粉末(100g)を押し固めてペレット状とし、合成装置のチャンバー内の黒鉛製坩堝内に載置した。着火用のカーボンフイルムをペレットの上表面と接触させて着火した。着火により、燃焼波が伝播し、燃焼合成法により合成粉末が得られた。なお、チャンバー内はアルゴン(Ar)ガスを封入し、内圧を0.1MPaとした。
Example 1
As the compounding raw material, 1 mol of Ti metal (specific surface area 0.3 m 2 / g), 1 mol of SrCO 3 and 0.5 mol of NaClO 4 were used. These raw materials were mixed for 5 hours using a ball mill. The mixed powder (100 g) was pressed and solidified into a pellet, and placed in a graphite crucible in the chamber of the synthesis apparatus. A carbon film for ignition was brought into contact with the upper surface of the pellet to ignite. Combustion waves propagated by ignition, and synthetic powder was obtained by combustion synthesis. The chamber was filled with argon (Ar) gas and the internal pressure was 0.1 MPa.
実施例2
実施例1と同じ配合原料と合成装置を用い、混合粉末を得た。該混合粉末(100g)を押し固めてペレット状とし、該ペレットを、塊状のSrTiO3をスペーサ材として介在させて、合成装置のチャンバー内の黒鉛製坩堝内に載置した。着火用のカーボンフイルムをペレットの上表面と接触させて着火した。着火により、燃焼波が伝播し、燃焼合成法により合成粉末が得られた。
Example 2
A mixed powder was obtained using the same blending raw material and synthesis apparatus as in Example 1. The mixed powder (100 g) was pressed and formed into pellets, and the pellets were placed in a graphite crucible in the chamber of the synthesizer, with bulk SrTiO 3 interposed as a spacer material. A carbon film for ignition was brought into contact with the upper surface of the pellet to ignite. Combustion waves propagated by ignition, and synthetic powder was obtained by combustion synthesis.
実施例3
着火用のカーボンフイルムをペレットの下表面と接触させて着火する以外は、実施例2と同じ条件で燃焼合成を行ない合成粉末を得た。
Example 3
Combustion synthesis was performed under the same conditions as in Example 2 except that an ignition carbon film was brought into contact with the lower surface of the pellet and ignited to obtain a synthetic powder.
実施例4
実施例1と同じ配合原料と合成装置を用い、混合粉末を得た。該混合粉末(100g)を1.0トン/cm2の圧力で予備成形して連通孔を有するペレットを作製した。該ペレットを、塊状のSrTiO3をスペーサ材として介在させて、合成装置のチャンバー内の黒鉛製坩堝内に載置した。着火用のカーボンフイルムをペレットの上表面と接触させて着火した。着火により、燃焼波が伝播し、燃焼合成法により合成粉末が得られた。
Example 4
A mixed powder was obtained using the same blending raw material and synthesis apparatus as in Example 1. The mixed powder (100 g) was preformed at a pressure of 1.0 ton / cm 2 to produce pellets having communication holes. The pellets were placed in a graphite crucible in a chamber of a synthesis apparatus with bulk SrTiO 3 interposed as a spacer material. A carbon film for ignition was brought into contact with the upper surface of the pellet to ignite. Combustion waves propagated by ignition, and synthetic powder was obtained by combustion synthesis.
比較例1
配合原料は、Ti金属(比表面積 0.3 m2/g )を 1 モル、SrCO3を 1 モル、NaClO4を 0.5 モル用いた。これらの原材料をボールミルを用いて5時間混合した。混合粉末(100g)を合成装置のチャンバー内の黒鉛製坩堝内に敷き詰め、着火用のカーボンフイルムを混合粉の一部と接触させて着火した。着火により、燃焼波が伝播し、燃焼合成法により合成粉末が得られた。
Comparative Example 1
As the compounding raw material, 1 mol of Ti metal (specific surface area 0.3 m 2 / g), 1 mol of SrCO 3 and 0.5 mol of NaClO 4 were used. These raw materials were mixed for 5 hours using a ball mill. The mixed powder (100 g) was spread in a graphite crucible in the chamber of the synthesizer, and a carbon film for ignition was brought into contact with a part of the mixed powder to ignite. Combustion waves propagated by ignition, and synthetic powder was obtained by combustion synthesis.
実施例1〜実施例4および比較例1で得られた合成粉末を、アルミナ製乳鉢を用いて粉砕し、平均粒子径が1μmのセラミックス粉末を得た。各セラミックス粉末の結晶相の同定をX線回折装置(XRD)を用いて行なった。結果を表1に示す。 The synthetic powders obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were pulverized using an alumina mortar to obtain ceramic powder having an average particle diameter of 1 μm. The crystal phase of each ceramic powder was identified using an X-ray diffractometer (XRD). The results are shown in Table 1.
表1に示すように、各実施例では未反応部等の少ない純度の高いセラミックス(SrTiO3)が得られた。また、比較例1では、TiCを含め未反応部が 3 重量%あった。実施例1でもTiC等が検出されたが、0.3重量%以下であればセラミックスの誘電特性等に影響を及ぼさないと考えられる。 As shown in Table 1, high purity ceramics (SrTiO 3 ) with few unreacted parts and the like were obtained in each example. Further, in Comparative Example 1, the unreacted part including TiC was 3% by weight. TiC or the like was also detected in Example 1, but if it is 0.3% by weight or less, it is considered that the dielectric properties and the like of the ceramic are not affected.
本発明の燃焼合成方法により得られる酸化物系セラミックスは、不純物の混入が少なく理論密度に近く緻密化されて優れた誘電特性を有するので、アンテナ、コンデンサ、共振器、圧力センサ、超音波モータ等の電子部品分野において好適に利用できる。 Oxide ceramics obtained by the combustion synthesis method of the present invention have excellent dielectric properties with less impurities mixed and close to the theoretical density, so that antennas, capacitors, resonators, pressure sensors, ultrasonic motors, etc. Can be suitably used in the field of electronic components.
1 混合粉末
1a 原料圧縮体
2 坩堝
2a 側内面
2b 底内面
3 着火点
4 スペーサ材
5 カーボンフィルム
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記原料準備工程は、前記混合物を圧縮して原料圧縮体とした後に、前記反応装置内に収納する工程であることを特徴とする燃焼合成方法。 Comprising: a raw material preparation step for containing a mixture of a plurality of raw materials serving as an element source constituting the main product in a reaction device; and an ignition step for igniting and reacting the mixture in the reaction device. A combustion synthesis method for generating gas or sublimate as a product,
The raw material preparation step is a step of compressing the mixture into a raw material compressed body and then storing the mixture in the reaction apparatus.
該酸化物系セラミックスは、請求項1ないし請求項4のいずれか一項記載の燃焼合成方法により得られることを特徴とする酸化物系セラミックス。 It is an oxide-based ceramic using a mixture of an oxide-based material and a material serving as an oxygen supply source as a reaction material,
The oxide ceramics obtained by the combustion synthesis method according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxide ceramics.
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