JP2007024608A

JP2007024608A - 圧力試験方法及びその装置

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Publication number: JP2007024608A
Application number: JP2005205030A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamawaki; 浩山脇; Yuji Fujihisa; 裕司藤久; Masayuki Chikatsu; 雅之千勝
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】ダイヤモンドアンビル・セルを利用した従来の方法においては、試料中の圧力分布が大きく、温度変化させたときに圧力の変動も大きかった。また、光が試料部を透過しないため試料の光学観察等に不便であり、透過赤外分光などの透過スペクトル測定を同時に行う事はできなかった。
【解決手段】従来、金属ガスケット上に絶縁層と試料を配置していたものをあらため、金属ガスケットに貫通穴をあけ、電気絶縁性の透明固体圧力媒体を詰めて、その上に試料を配置する。圧力媒体の具体例としては、ヨウ化セシウム（CsI）、臭化カリウム（KBr）などのハロゲン化アルカリが挙げられる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、高圧力下に置かれた試料の状態変化を光学観察や物性値測定等を行うのに利用されるダイヤモンドアンビル・セル等に関し、さらに詳細には、燃料電池やセンサー等への応用が期待される固体イオン伝導体の高圧状態における交流インピーダンス測定によるイオン伝導試験および透過赤外分光等の同時試験を可能にする方法に関している。

数百MPaを越える高圧力下に置かれた試料の物性値測定等を行う装置として、ピストンシリンダー型高圧装置やマルチプレス型高圧装置などもあるが、ダイヤモンドアンビル・セルはこれらの装置と比べ非常に小型であり、かつ高圧発生部が小さいため装置破損時の安全性も高い。

ダイヤモンドアンビル・セルを利用したイオン伝導試験は、昨年、本願発明者が学会において発表した以外には見当たらない（下記非特許文献１参照）。

類似技術としてダイヤモンドアンビル・セルを利用した電気抵抗測定が広く知られているが、これは電子伝導を計測するもので目的が異なる。また、室温以下の温度特に超伝導相探索を目的とした極低温環境下での計測が主であった。一方、本願発明で目的とするイオン伝導試験は主として室温以上の高温度域での現象であるため使用材料に耐熱性が求められるなど異なる解決手段を要する。また、流体（液体や超臨界流体）の圧力媒体や不透明な固体圧力媒体の使用例はあるが、透明固体圧力媒体の例は見当たらない。
2004年固体イオニクス討論会講演要旨集

ダイヤモンドアンビル・セルを利用した従来の方法においては、試料中の圧力分布が大きく、温度変化させたときに圧力の変動も大きかった。また、光が試料部を透過しないため試料の光学観察等に不便であり、透過赤外分光などの透過スペクトル測定を同時に行う事はできなかった。

従来、金属ガスケット上に絶縁層と試料を配置していたものをあらため、金属ガスケットに貫通穴をあけ、電気絶縁性の透明固体圧力媒体を詰めて、その上に試料を配置する。その上下を透明な加圧子により挟持する。該透明な加圧子としては、ダイアモンドアンビル・セルが適当である。圧力媒体の具体例としては、ヨウ化セシウム（CsI）、臭化カリウム（KBr）等のハロゲン化アルカリが挙げられる。なお、アンビル・セルとしては、サファイヤアンビル・セルやモアッサナイトアンビル・セル等でもよい。あるいは、ガラス又はプラスチック等の透明な加圧子でもよい。

圧力媒体を導入した効果により、試料中の圧力の不均一性は減少し、より静水圧に近い圧力下の試料物性値の計測が可能となる。従来法とくらべ圧力媒体も含めた試料部体積が増大するため、セル本体の熱膨張による試料部への荷重減少の影響を緩和できる。

透明な圧力媒体を使用する事で背後からの透過照明が可能になり試料の光学観察が容易になる。透過スペクトル測定も可能になり、特にヨウ化セシウム（CsI）、臭化カリウム（KBr）などは赤外光に関しても透明であり透過赤外吸収測定が可能となる。

固体圧力媒体を使用することにより、流体（液体もしくは超臨界流体）である圧力媒体の使用時と比べて、試料が反応や溶解する可能性を減じることができ、また電極を直接試料に固定できない場合においても圧力媒体との間で挟み込むことで電極との接触を保つことができ、試料配置も容易になる。

以下に、本願発明を実施するための最良の形態を示す。

図１に示すように、ダイヤモンドアンビル・セルを用いて圧力を発生させ、組み込んだ電極により試料のイオン伝導度の温度や圧力による相対変化を測定を行う例を示す。試料配置としては、金属ガスケットの中央部に貫通穴をあけ、透明固体圧力媒体としてヨウ化セシウム（CsI）を詰める。

その周囲の金属ガスケット表面にはダイヤモンドパウダーを押し固め電気絶縁層とし、この絶縁層および圧力媒体上に2端子の電極（厚さ5ミクロンの白金箔）を配置する。圧力媒体の中央部で2つの電極間には約50ミクロンの間隙を残す。

この間隙部分に電極間を橋渡すように、あらかじめ板状に押し固めた試料を置き、上下のダイヤモンドアンビルで挟み込むことにより電極と試料を密着させると共に圧力を発生させる。

図２には、硫酸水素セシウムのインピーダンス測定を行った結果を示す。測定は、0.1mm程度の大きさの硫酸水素セシウムを試料として、0.1GPa（100MPa）の圧力下において行った。縦軸は、イオン伝導度の対数に比例する量であり、伝導度の増加と共に増加する。横軸は温度の逆数である。この図から温度が上昇するにつれて試料の伝導度は増加し、特に温度140℃付近で高速プロトン伝導相への転移に伴い飛躍的に伝導度が増加することが示されている。

図３には、リン酸二水素セシウムのインピーダンス測定を行った結果を示す。測定は、0.1mm程度の大きさのリン酸二水素セシウムを試料として、0.4GPa（400MPa）と1.0GPa（1000MPa）の圧力下において行った。縦軸は、伝導度の対数に比例する量であり、横軸は温度の逆数である。試料の伝導度が飛躍的に増大する高速プロトン伝導相への転移温度が圧力により変化することが示されている。

本願発明の試験方法は、燃料電池やセンサーに用いられる固体電解質等の開発研究における、材料の圧力による電気的特性変化の試験やイオン伝導機構解明のための試験方法として用いることができる。

また、地球や惑星内部の高温高圧状態においては、物質によっては高イオン伝導状態となることが予測されているが、本願発明の試験方法は、このような極限環境下における材料の電気的特性変化の試験方法として用いることができる。

本願発明に係る固体イオン伝導体の圧力試験に用いる装置の概略側面図硫酸水素セシウムのインピーダンス測定図リン酸二水素セシウムのインピーダンス測定図

Claims

透明な加圧子を有する高圧発生装置を利用した圧力試験方法であって、シール部材に設けられた貫通穴の中に電気絶縁性の透明な固体圧力媒体を詰め、該媒体の上に試料及び電極を配置し、該穴の上下を該加圧子により加圧することにより、試料を観察しながら該試料の加圧下における電気的特性を調査することを特徴とする圧力試験方法。
高圧発生装置であって、シール部材に設けられた貫通穴の中に電気絶縁性の透明な固体圧力媒体が詰めれており、該媒体の上に試料及び電極が配置され、該穴の上下に透明な加圧子が設けられていることを特徴とする圧力試験装置。
上記加圧子は、ダイヤモンドアンビルであることを特徴とする請求項２に記載の圧力試験装置。
上記圧力媒体は、ハロゲン化アルカリであることを特徴とする請求項２又は３に記載の圧力試験装置。
上記ハロゲン化アルカリは、ヨウ化セシウム又は臭化カリウムであることを特徴とする請求項４に記載の圧力試験装置。
上記試料は、固体イオン伝導体であることを特徴とする請求項２に記載の圧力試験装置。