JP2007141531A - Combustion synthesis method and dielectric ceramic - Google Patents

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Akinari Ohira
晃也 大平
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a combustion synthesis method for easily eliminating cracked gas and salt as by-products and obtaining high-quality oxide dielectric ceramics; and to provide dielectric ceramics such as BaRe<SB>2</SB>Ti<SB>5</SB>O<SB>14</SB>and Ca0-SrO-Li<SB>2</SB>O-Re<SB>2</SB>O<SB>3</SB>-TiO<SB>2</SB>manufactured by this method. <P>SOLUTION: This combustion synthesis method for dielectric ceramics uses reaction materials including at least metal powder containing an element of the fourth group with a specific surface area of 0.01-2 m<SP>2</SP>/g and a substance serving as an oxygen supply source. The combustion synthesis method comprises a mixing process for mixing the metal powder and the substance serving as the oxygen supply source together to form material powder, and a combustion synthesis process for turning the material powder obtained in the mixing process into a sintered body by a combustion synthesis reaction performed in a pressure condition below an atmospheric pressure at adiabatic flame temperature 1500°C or more. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、大気圧未満の圧力条件下で行なう誘電体セラミックスの燃焼合成方法であって、特に誘電体セラミックスとして、BaRe2Tim2m+4系(式中 3 ≦ m ≦ 7 ; m は整数 Re は希土類元素 )、または、CaO−SrO−Li2O−Re23−TiO2系の誘電体セラミックスの製造に利用する燃焼合成方法に関する。 The present invention relates to a method for combustion synthesis of dielectric ceramics performed under a pressure condition below atmospheric pressure. In particular, as a dielectric ceramic, BaRe 2 Ti m O 2m + 4 system (wherein 3 ≦ m ≦ 7; m is The integer Re is a rare earth element), or a CaO—SrO—Li 2 O—Re 2 O 3 —TiO 2 dielectric ceramic used for the production of a combustion synthesis method.

アンテナ、コンデンサ、共振器、フィルター、圧力センサ、超音波モータ等の電子部品において利用される良好な誘電特性を有する誘電体セラミックスとして、BaRe2Ti514 、BaRe2Ti412 、CaO−SrO−Li2O−Re23−TiO2系等の酸化物系セラミックスが知られている。 BaRe 2 Ti 5 O 14 , BaRe 2 Ti 4 O 12 , CaO − are used as dielectric ceramics having good dielectric properties used in electronic parts such as antennas, capacitors, resonators, filters, pressure sensors, and ultrasonic motors. Oxide ceramics such as SrO—Li 2 O—Re 2 O 3 —TiO 2 are known.

従来の上記のような誘電体セラミックスの合成には、1000℃から 2000℃前後に加熱できる炉を用いて長時間、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。例えば、BaRe2Ti514系の誘電体セラミックスを製造する場合では、BaO、Nd23 、TiO2 の各粉末をボールミルで湿式混合し、乾燥粉を 1100℃×5 時間の仮焼処理し、粉砕して誘電体セラミックス粉末としている。同様に、CaO−SrO−Li2O−Re23−TiO2系の誘電体セラミックスを製造する場合では、CaCO3と、SrCO3と、Li2Oと、Re23と、TiO2の各粉末をボールミルで湿式混合し、乾燥粉を 1100℃×5 時間の仮焼処理し、粉砕して誘電体セラミックス粉末としている。 In order to synthesize conventional dielectric ceramics as described above, external heating must be performed for a long time using a furnace capable of heating from 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. For example, when manufacturing BaRe 2 Ti 5 O 14- based dielectric ceramics, BaO, Nd 2 O 3 and TiO 2 powders are wet mixed in a ball mill, and the dried powder is calcined at 1100 ° C. for 5 hours. And pulverized into dielectric ceramic powder. Similarly, in the case of producing CaO—SrO—Li 2 O—Re 2 O 3 —TiO 2 dielectric ceramics, CaCO 3 , SrCO 3 , Li 2 O, Re 2 O 3 and TiO 2 are used. Each powder is wet-mixed with a ball mill, and the dried powder is calcined at 1100 ° C for 5 hours and pulverized to obtain a dielectric ceramic powder.

これに対して外部加熱を行なわない製造方法として、燃焼合成法(自己伝播高温合成(self propagating high temperature synthesis:SHS))によるセラミックス粉末の合成が提案されている。この方法は、金属間化合物やセラミックスの生成時の発熱を利用するものであり、化合物の構成元素となる粉体をよく混合して圧粉体をつくり、その一部に高熱を与えると着火して、生成熱を発しながら合成反応が進行することで焼結体を得る方法である。
燃焼合成法を利用するものとして、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種類を合成する方法が提案されている(特許文献1参照)。また、2種以上の金属酸化物粉末からなる混合粉末を所定時間、高周波加熱して燃焼合成することにより、酸化物系セラミックスを製造する方法が提案されている(特許文献2参照)。
On the other hand, synthesis of ceramic powder by a combustion synthesis method (self propagating high temperature synthesis (SHS)) has been proposed as a manufacturing method without external heating. This method uses the heat generated during the formation of intermetallic compounds and ceramics. Powders that are constituent elements of the compound are mixed well to make a green compact. When high temperature is applied to a part of the powder, it ignites. This is a method of obtaining a sintered body by proceeding a synthesis reaction while generating heat of formation.
Combining two types of materials, intermetallic compounds or non-oxide ceramics and oxide ceramics, using three types of raw materials as a starting material: one type of metal oxide and two different types of metal elements. Has been proposed (see Patent Document 1). In addition, there has been proposed a method for producing oxide ceramics by subjecting a mixed powder composed of two or more kinds of metal oxide powders to high frequency heating for a predetermined time to perform combustion synthesis (see Patent Document 2).

しかしながら、特許文献1の燃焼合成方法では酸化物系の誘電体セラミックスを得ることはできない。特許文献2の燃焼合成方法では、従来の長時間焼成を行なう製造方法と比較すれば、短時間で酸化物系の誘電体セラミックスの製造が可能であるが、金属酸化物のみを反応原料とするため反応系の反応熱が小さく、外部から加熱を行なう高周波加熱装置が必要になる。また、上記特許文献1および特許文献2の燃焼合成法では、BaRe2Tim2m+4系やCaO−SrO−Li2O−Re23−TiO2系の誘電体セラミックスは得られていない。燃焼合成法において、外部加熱を一切行なわず、最初の着火のみで燃焼波を完全に伝播させるためには、各構成元素源となる粉体の配合割合や、発熱源となる金属粉末等の物性(比表面積)、合成物中に残存する分解ガスや塩の除去等が重要となり、該方法により所望組成のセラミックスを高品位で製造することは容易ではない。 However, the oxide-based dielectric ceramics cannot be obtained by the combustion synthesis method of Patent Document 1. In the combustion synthesis method of Patent Document 2, it is possible to produce oxide-based dielectric ceramics in a short time as compared with the conventional production method in which firing is performed for a long time, but only a metal oxide is used as a reaction raw material. Therefore, the reaction system has a small reaction heat and requires a high-frequency heating device that performs heating from the outside. Further, in the combustion synthesis methods of Patent Document 1 and Patent Document 2, BaRe 2 Ti m O 2m + 4 and CaO—SrO—Li 2 O—Re 2 O 3 —TiO 2 dielectric ceramics have been obtained. Absent. In the combustion synthesis method, in order to completely propagate the combustion wave with only the first ignition without any external heating, the mixing ratio of the powder as each constituent element and the physical properties such as the metal powder as the heat source (Specific surface area), the removal of decomposition gas and salt remaining in the composite, etc. are important, and it is not easy to produce ceramics having a desired composition with high quality by this method.

本発明者等は、BaRe2Tim2m+4系やCaO−SrO−Li2O−Re23−TiO2系の誘電体セラミックスの燃焼合成方法について出願をしている(特願2005−177001、特願2005−282394)。これらの燃焼合成反応時において、原料粉から多量に分解ガスである炭酸ガスや副生塩であるNaClが発生し、冷却するとNaClが固化して炉内や合成物表面を覆う現象が認められた。また、分解ガスの圧力で炉内圧が上昇し、原料粉からの分解ガスの生成が抑えられ、合成反応が断続的になるという現象も認められた。
特開平5−9009号公報 特開2002−211907号公報
The present inventors have applied for a method for combustion synthesis of BaRe 2 Ti m O 2m + 4 and CaO—SrO—Li 2 O—Re 2 O 3 —TiO 2 dielectric ceramics (Japanese Patent Application No. 2005). -177001, Japanese Patent Application No. 2005-282394). During these combustion synthesis reactions, a large amount of carbon dioxide gas as decomposition gas and NaCl as a by-product salt was generated from the raw material powder, and when cooled, NaCl solidified and covered the furnace and the surface of the composite. . It was also observed that the pressure inside the furnace increased with the pressure of the cracked gas, the generation of cracked gas from the raw material powder was suppressed, and the synthesis reaction became intermittent.
Japanese Patent Laid-Open No. 5-9009 JP 2002-211907 A

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、副生する分解ガスや副生塩の除去を容易に行なうことができ、高品位な酸化物系の誘電体セラミックスが得られる燃焼合成方法、および、該方法で製造されるBaRe2Ti514 系、または、CaO−SrO−Li2O−Re23−TiO2系の誘電体セラミックスの提供を目的とする。 The present invention has been made to cope with such a problem, and it is possible to easily remove a by-product decomposition gas and a by-product salt, and to obtain a high-quality oxide-based dielectric ceramic. It is an object of the present invention to provide a combustion synthesis method and a BaRe 2 Ti 5 O 14 -based or CaO-SrO-Li 2 O-Re 2 O 3 -TiO 2 -based dielectric ceramic produced by the method.

本発明の燃焼合成方法は、比表面積が 0.01 m2/g〜2 m2/g の4族元素を含む金属粉末と、酸素供給源となる物質とを少なくとも含む反応原料を用いた誘電体セラミックスの燃焼合成方法であって、該燃焼合成方法は、少なくとも上記金属粉末と、上記酸素供給源となる物質とを混合して原料粉末とする混合工程と、該混合工程で得られた原料粉末を、大気圧未満の圧力条件下において、断熱火炎温度が 1500℃以上の燃焼合成反応により焼結体とする燃焼合成工程とを備えてなることを特徴とする。なお、大気圧とは 101.325 kPaである。 The combustion synthesis method of the present invention is a dielectric ceramic using a reaction raw material containing at least a metal powder containing a Group 4 element having a specific surface area of 0.01 m 2 / g to 2 m 2 / g and a substance serving as an oxygen supply source. A combustion synthesis method comprising: mixing a raw material powder by mixing at least the metal powder and the substance serving as the oxygen supply source; and a raw material powder obtained in the mixing step. And a combustion synthesis step of forming a sintered body by a combustion synthesis reaction with adiabatic flame temperature of 1500 ° C. or higher under a pressure condition of less than atmospheric pressure. The atmospheric pressure is 101.325 kPa.

上記燃焼合成工程は、真空ポンプに接続されたチャンバー内で上記原料粉末を燃焼合成させる工程であることを特徴とする。   The combustion synthesis step is a step of combustion synthesis of the raw material powder in a chamber connected to a vacuum pump.

上記誘電体セラミックスは、BaRe2Tim2m+4系(式中 3 ≦ m ≦ 7 ; m は整数 Re は希土類元素 )のセラミックスであって、上記4族元素はTiであり、上記反応原料として、Re23またはRe(OH)2と、BaO2とが含まれることを特徴とする。なお、各元素記号は、それぞれBa(バリウム)、Ti(チタン)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Li(リチウム)、O(酸素)である。 The dielectric ceramic is a BaRe 2 Ti m O 2m + 4 type ceramic (where 3 ≦ m ≦ 7; m is an integer Re is a rare earth element), and the Group 4 element is Ti, and the reaction raw material As described above, Re 2 O 3 or Re (OH) 2 and BaO 2 are included. In addition, each element symbol is Ba (barium), Ti (titanium), Ca (calcium), Sr (strontium), Li (lithium), and O (oxygen), respectively.

上記誘電体セラミックスは、CaO−SrO−Li2O−Re23−TiO2系(Re は希土類元素)のセラミックスであって、上記4族元素はTiであり、上記反応原料として、CaCO3と、SrCO3と、Li2CO3と、Re23とが含まれることを特徴とする。 The dielectric ceramic is a CaO—SrO—Li 2 O—Re 2 O 3 —TiO 2 (Re is a rare earth element) ceramic, wherein the Group 4 element is Ti, and the reaction raw material is CaCO 3. And SrCO 3 , Li 2 CO 3 , and Re 2 O 3 .

本発明の誘電体セラミックスは、酸化物系の誘電体セラミックスであって、上記の燃焼合成方法により製造されることを特徴とする。   The dielectric ceramic of the present invention is an oxide-based dielectric ceramic and is manufactured by the combustion synthesis method described above.

本発明の燃焼合成方法は、酸化物系の誘電体セラミックスを外部加熱を一切行なわず最初の着火のみで合成できるとともに、減圧下で燃焼合成反応を行なうので副生する分解ガスや副生塩が系外に排出されやすくなり、合成物中に残存する分解ガスや副生塩を低減することができる。その結果、合成物から副生塩を除去するための洗浄工程を簡素化することができ、合成物である誘電体セラミックスの品質を向上させることができる。   The combustion synthesis method of the present invention can synthesize oxide-based dielectric ceramics by only the first ignition without any external heating, and performs a combustion synthesis reaction under reduced pressure, so that by-product decomposition gas and by-product salt are not generated. It becomes easy to discharge out of the system, and it is possible to reduce decomposition gas and by-product salt remaining in the composite. As a result, the cleaning process for removing by-product salts from the composite can be simplified, and the quality of the dielectric ceramic as the composite can be improved.

本発明の誘電体セラミックスは、上記製造方法により製造されるので、短時間で製造することができ、量産性に優れる。また、比表面積が 0.01 m2/g〜2 m2/g のTi粉末等を用い、断熱火炎温度が 1500℃以上の燃焼合成により得られるので焼結体特性に優れる。 Since the dielectric ceramic of the present invention is manufactured by the above manufacturing method, it can be manufactured in a short time and is excellent in mass productivity. In addition, it uses a Ti powder having a specific surface area of 0.01 m 2 / g to 2 m 2 / g and is obtained by combustion synthesis with an adiabatic flame temperature of 1500 ° C. or higher, so it has excellent sintered body characteristics.

本発明の燃焼合成方法は、比表面積が 0.01 m2/g〜2 m2/g の4族元素を含む金属粉末と、酸素供給源となる物質とを少なくとも含む反応原料を用い、これらの反応原料を混合する混合工程と、この混合工程で得られた原料粉末を、大気圧未満の圧力条件下において、断熱火炎温度が 1500℃以上の燃焼合成反応により焼結体とする燃焼合成工程とにより、誘電体セラミックスを合成する方法である。 The combustion synthesis method of the present invention uses a reaction raw material containing at least a metal powder containing a Group 4 element having a specific surface area of 0.01 m 2 / g to 2 m 2 / g and a substance serving as an oxygen supply source. A mixing step of mixing raw materials, and a combustion synthesis step of converting the raw material powder obtained in this mixing step into a sintered body by a combustion synthesis reaction with an adiabatic flame temperature of 1500 ° C. or higher under a pressure condition of less than atmospheric pressure. This is a method of synthesizing dielectric ceramics.

本発明に使用できる発熱源となる4族元素を含む金属粉末としては、4族A元素の金属粉末が好ましい。具体的には、Ti(チタン)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)が挙げられ、その中でも特にTiが誘電特性に優れるセラミックスが得られるので好ましい。なお、Tiとしては、Ti金属粉末の他、水素化Ti金属粉末を使用することもできる。また、4族A元素は単独でもあるいは混合しても使用できる。   As the metal powder containing a Group 4 element serving as a heat source that can be used in the present invention, a Group 4 A element metal powder is preferable. Specific examples include Ti (titanium), Zr (zirconium), and Hf (hafnium). Among these, Ti is preferable because ceramics having excellent dielectric properties can be obtained. As Ti, in addition to Ti metal powder, hydrogenated Ti metal powder can be used. The Group 4 A element can be used alone or in combination.

本発明に使用できる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 m2/g〜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 m2/g〜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との接触面積が少ないため、燃焼波が伝播せず、誘電体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。
The shape of the metal containing Group 4 element that can be used in the present invention is preferably a fine powder, a specific surface area of 0.01 m 2 / g~2 m 2 / g. Combustion wave propagates, and the preferred range of the specific surface area so easy to handle a 0.1 m 2 /g~0.6 m 2 / g . When the specific surface area is less than 0.01 m 2 / g, the contact area between the metal powder that is the heat source and the peroxide that is the oxygen supply source is small, so the combustion wave does not propagate and the dielectric ceramics cannot be synthesized. There is. In addition, metal powders having a specific surface area exceeding 2 m 2 / g are not preferable because they are extremely active and difficult to handle.
In the present invention, the specific surface area of the metal powder is a value measured by the BET method.

燃焼合成に使用できる金属粉末は、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た。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 150 μm 以下、好ましくは 0.1μm〜100 μm である。150 μm 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。
Even when the average particle diameter of the metal powder that can be used for combustion synthesis is the same, a difference in reactivity was recognized when the specific surface area was 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. Examples of the shape having a large specific surface area include particles having a plurality of irregularities formed on the surface of spherical particles, particles 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 μm 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.

また、金属粉末の一部を、同種の4族元素の金属酸化物に置き換えて、これらを併用することができる。TiO2 等の金属酸化物は、燃焼合成反応において反応希釈剤として働き、該金属酸化物の配合量を調整することで断熱火炎温度を制御できる。具体的には、金属酸化物の配合割合を上げると、反応の進行速度が低下し、断熱火炎温度が下がる。
また、一般に金属単体とするためには精製が必要であり、例えば、Ti粉末はコストが高いので、該Ti粉末とTiO2 粉末とを併用することにより、コスト削減を図れるという効果も有する。
ただし、TiO2 等の金属酸化物粉末を多量に使用すると、反応生成物への不純物の混入のおそれがあり、また、所定量をこえて使用すると燃焼波が伝播しなくなるので、コスト面、反応に必要な断熱火炎温度等を考慮して、併用することが好ましい。
Further, a part of the metal powder can be replaced with the same kind of Group 4 element metal oxide, and these can be used together. A metal oxide such as TiO 2 acts as a reaction diluent in the combustion synthesis reaction, and the adiabatic flame temperature can be controlled by adjusting the blending amount of the metal oxide. Specifically, when the blending ratio of the metal oxide is increased, the progress rate of the reaction is lowered and the adiabatic flame temperature is lowered.
Further, purification is generally required to form a single metal. For example, since Ti powder is expensive, there is an effect that cost reduction can be achieved by using the Ti powder and TiO 2 powder in combination.
However, if a large amount of metal oxide powder such as TiO 2 is used, impurities may be mixed into the reaction product, and if it is used over a predetermined amount, the combustion wave will not propagate. It is preferable to use in combination in consideration of the adiabatic flame temperature required for the heat treatment.

本発明に用いる酸素供給源となる物質としては、加熱により酸素を発生させるイオン結合性物質が配合される。該イオン結合性物質としては、KClO3、NaClO3、NH4ClO3等の塩素酸塩類、KClO4、NaClO4、NH4ClO4等の過塩素酸塩類、NaClO2などの亜塩素酸塩類、KBrO3などの臭素酸塩類、KNO3、NaNO3、NH4NO3等の硝酸塩類、NaIO3、KIO3等のよう素酸塩類、KMnO4、NaMnO4・3H2Oの過マンガン酸塩類、K2Cr27、(NH42Cr27等の重クロム酸塩類、NaIO4などの過よう素酸塩類、HIO4・2H2Oなどの過よう素酸類、CrO3などのクロム酸類、NaNO2などの亜硝酸塩類、Ca(ClO)2・3H2Oなどの次亜塩素酸カルシウム三水塩類等が挙げられる。
これらの中で過塩素酸塩類、塩素酸塩類、亜塩素酸塩類が好ましく、繰り返し純水で洗浄することで副生成物であるNaCl、KClを除去できるNaClO4、KClO4を用いることがより好ましい。さらにコストの面で有利なNaClO4を用いることが特に好ましい。なお、過塩素酸塩類の場合、生成する炭酸ガスがガス化するため、合成粉末には残存しない。
As the substance serving as the oxygen supply source used in the present invention, an ion-binding substance that generates oxygen by heating is blended. Examples of the ion binding substance include chlorates such as KClO 3 , NaClO 3 and NH 4 ClO 3 , perchlorates such as KClO 4 , NaClO 4 and NH 4 ClO 4 , and chlorites such as NaClO 2 , Bromates such as KBrO 3 , nitrates such as KNO 3 , NaNO 3 and NH 4 NO 3 , iodates such as NaIO 3 and KIO 3 , permanganates such as KMnO 4 and NaMnO 4 .3H 2 O, Dichromates such as K 2 Cr 2 O 7 , (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 , Periodates such as NaIO 4 , Periodic acids such as HIO 4 · 2H 2 O, CrO 3, etc. Examples thereof include chromic acids, nitrites such as NaNO 2 , calcium hypochlorite trihydrate such as Ca (ClO) 2 .3H 2 O, and the like.
Among these, perchlorates, chlorates and chlorites are preferable, and it is more preferable to use NaClO 4 and KClO 4 which can remove by-products NaCl and KCl by repeatedly washing with pure water. . Further, it is particularly preferable to use NaClO 4 which is advantageous in terms of cost. In the case of perchlorates, the generated carbon dioxide gasifies, so it does not remain in the synthetic powder.

目的生成物である誘電体セラミックスが希土類元素Reを含む場合、該希土類元素Reの供給源として、希土類元素の酸化物(Re23)または水酸化物(Re(OH)2)を使用する。Reとしては、Nd(ネオジム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユウロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)、Lu(ルテチウム)が挙げられる。これらの中で工業的に特に重要となるのは、La、Pr、Nd、Sm等である。
また、本発明の誘電体セラミックスにおけるReは、上記希土類元素が1種単独であっても、2種以上を混合したものであってもよい。また、上記以外でも、誘電特性を向上させることができる元素を配合することも可能である。
When the dielectric ceramic as the target product contains a rare earth element Re, a rare earth element oxide (Re 2 O 3 ) or hydroxide (Re (OH) 2 ) is used as a supply source of the rare earth element Re. . As Re, Nd (neodymium), Y (yttrium), La (lanthanum), Ce (cerium), Pr (praseodymium), Pm (promethium), Sm (samarium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Tb (Terbium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Yb (ytterbium), Lu (lutetium). Of these, La, Pr, Nd, Sm and the like are particularly important industrially.
Further, Re in the dielectric ceramic of the present invention may be a single rare earth element or a mixture of two or more rare earth elements. In addition to the above, an element capable of improving the dielectric characteristics can be blended.

本発明の燃焼合成方法により得られる誘電体セラミックスとしては、(イ)BaRe2Tim2m+4系(式中 3 ≦ m ≦ 7 ; m は整数 Re は希土類元素 )、(ロ)CaO−SrO−Li2O−Re23−TiO2系(Re は希土類元素)などの酸化物系の誘電体セラミックスが挙げられる。これらは、上記金属粉末および酸素供給源となる物質に、適宜必要な反応原料を配合して燃焼合成することで得られる。 The dielectric ceramics obtained by the combustion synthesis method of the present invention include (a) BaRe 2 Ti m O 2m + 4 system (where 3 ≦ m ≦ 7; m is an integer Re is a rare earth element), (b) CaO— Examples thereof include oxide-based dielectric ceramics such as SrO—Li 2 O—Re 2 O 3 —TiO 2 (Re is a rare earth element). These can be obtained by combusting and synthesizing the above-mentioned metal powder and the substance serving as the oxygen supply source with necessary reaction raw materials as appropriate.

本発明の燃焼合成方法により得られる誘電体セラミックスとして、上記(イ)のBaRe2Tim2m+4系(式中 3 ≦ m ≦ 7 ; m は整数 Re は希土類元素 )において、m=5、ReがNd(ネオジム)であるBaNd2Ti514を合成する場合の反応系を例示する。
該反応系においてBaNd2Ti514は、金属粉末としてTi粉末を、酸素供給源となる物質として過塩素酸ナトリウム(NaClO4)を用い、他の反応原料として、Re23またはRe(OH)2と、BaO2とを用い、これらの反応原料を所定割合で混合した後、大気圧未満の圧力条件下で、断熱火炎温度が 1500℃以上である燃焼合成法により得られる。この燃焼合成反応の化学反応式は下記式(1)または(2)に示すとおりである。

Figure 2007141531
As a dielectric ceramic obtained by combustion synthesis method of the present invention, the BaRe 2 Ti m O 2m + 4 system (a); in (3 ≦ m ≦ 7 wherein m is an integer Re is a rare earth element), m = 5 A reaction system in the case of synthesizing BaNd 2 Ti 5 O 14 in which Re is Nd (neodymium) is illustrated.
In the reaction system, BaNd 2 Ti 5 O 14 uses Ti powder as the metal powder, sodium perchlorate (NaClO 4 ) as the oxygen source, and Re 2 O 3 or Re ( OH) 2 and BaO 2 are used, and after these reaction raw materials are mixed in a predetermined ratio, they are obtained by a combustion synthesis method in which the adiabatic flame temperature is 1500 ° C. or higher under a pressure condition of less than atmospheric pressure. The chemical reaction formula of this combustion synthesis reaction is as shown in the following formula (1) or (2).
Figure 2007141531

上記式(1)および(2)において、BaO2は、Ba供給源であると同時に酸素供給源でもある。また、Ba供給源としてBaCO3 も使用可能である。
反応希釈剤としてTiO2 を含む場合には、上記式(1)および(2)において x ≠10 である。x =1である場合、Ti粉末の量が少なく発熱源が不足するため、燃焼波が伝播せず焼結体を得ることができない。また、TiO2 を完全に含有しない場合 x =10 では、反応が急激に進行し、合成粉がチャンバー内に飛散するため、合成粉の回収が困難となる場合がある。
In the above formulas (1) and (2), BaO 2 is not only a Ba supply source but also an oxygen supply source. BaCO 3 can also be used as a Ba supply source.
When TiO 2 is included as a reaction diluent, x ≠ 10 in the above formulas (1) and (2). When x = 1, since the amount of Ti powder is small and the heat source is insufficient, the combustion wave does not propagate and a sintered body cannot be obtained. In addition, when TiO 2 is not completely contained, when x = 10, the reaction proceeds rapidly and the synthetic powder is scattered in the chamber, which may make it difficult to collect the synthetic powder.

各反応原料を所定割合で配合するとは、上記式を満たすモル質量比で配合することをいう。すなわち、上記式(1)の場合、Ti粉末の配合モル質量を x モルとすると、TiO2 は(10-x)モル、NaClO4 は(x-1)/2モルとなり、Ti粉末の配合モル質量に関係なく、BaO2 は 2 モル、Nd23 は 2 モル配合する。上記式(2)の場合は、Nd23の代わりにNd(OH)2を 4 モル、NaClO4 を x/2 モル配合する。
この割合で各反応原料を配合して燃焼合成することにより、目的のBaRe2Ti514を容易に短時間で得ることができる。また、副生成物も分解ガスは殆んどが減圧下で吸引除去され、合成物中に残存するのは副生塩であるNaClのみであり、このNaClは後述する水洗浄により容易に合成物から分離・除去することができる。
Mixing each reaction raw material at a predetermined ratio means mixing at a molar mass ratio satisfying the above formula. That is, in the case of the above formula (1), if the molar mass of Ti powder is x mol, TiO 2 is (10-x) mol, NaClO 4 is (x-1) / 2 mol, Regardless of the mass, 2 mol of BaO 2 and 2 mol of Nd 2 O 3 are blended. In the case of the above formula (2), 4 mol of Nd (OH) 2 and x / 2 mol of NaClO 4 are blended in place of Nd 2 O 3 .
The target BaRe 2 Ti 5 O 14 can be easily obtained in a short time by blending each reaction raw material at this ratio and performing combustion synthesis. Further, most of the by-product decomposition gas is removed by suction under reduced pressure, and only the by-product salt NaCl remains in the synthesized product. This NaCl is easily synthesized by water washing described later. Can be separated and removed.

上記のようにTi粉末と、TiO2 との配合比は上記式(1)または(2)中における x の値で決定される。BaNd2Ti514 合成時における好ましい x の範囲としては、2 ≦ x ≦ 8 である。x が 2 未満であると、発熱源であるTi粉末が不足するとともに、反応希釈剤であるTiO2 が多すぎるため、燃焼波が完全には伝播しないこと等により焼結体特性に劣る可能性がある。また、x が 8 を越えると発熱源量が多く反応の進行が急激になり合成粉が飛散する等の問題が生じる可能性がある。 As described above, the blending ratio of Ti powder and TiO 2 is determined by the value of x in the above formula (1) or (2). A preferable range of x during the synthesis of BaNd 2 Ti 5 O 14 is 2 ≦ x ≦ 8. If x is less than 2, the heat generation source Ti powder is insufficient and the reaction diluent is too much TiO 2 . There is. In addition, if x exceeds 8, there is a possibility that the amount of heat source is so large that the reaction proceeds rapidly and the synthetic powder is scattered.

本発明の燃焼合成方法により得られる誘電体セラミックスとして、(ロ)CaO−SrO−Li2O−Re23−TiO2系(Re は希土類元素)のセラミックスを合成する場合の反応系を例示する。
該反応系においてCaO−SrO−Li2O−Re23−TiO2系セラミックスは、金属粉末としてTi粉末を、酸素供給源となる物質として過塩素酸ナトリウム(NaClO4)を、反応原料として、CaCO3粉末と、SrCO3粉末と、Li2CO3粉末と、Re23とを用い、これらの反応原料を所定割合で混合した後、断熱火炎温度が 1500℃以上である燃焼合成法により得られる。
Examples of dielectric ceramics obtained by the combustion synthesis method of the present invention include (b) a reaction system for synthesizing CaO—SrO—Li 2 O—Re 2 O 3 —TiO 2 (where Re is a rare earth element) ceramic. To do.
In the reaction system, the CaO—SrO—Li 2 O—Re 2 O 3 —TiO 2 ceramic is composed of Ti powder as a metal powder, sodium perchlorate (NaClO 4 ) as a material serving as an oxygen supply source, and a reaction raw material. Combustion synthesis method using CaCO 3 powder, SrCO 3 powder, Li 2 CO 3 powder and Re 2 O 3 , mixing these reaction raw materials at a predetermined ratio, and then adiabatic flame temperature of 1500 ° C. or higher Is obtained.

酸素供給源となる物質は、分子内部から放出できる酸素原子によりTi金属を酸化してTiO2 にすることができる量を配合する。具体的には、Ti金属粉末 2 モルに対して、NaClO4 粉末 1 モルの割合で配合する。
また、各金属炭酸塩の配合量は、NaClO4 を除く原料全体に対してCaCO3 粉末と、SrCO3粉末との合計量が 16 モル%、Li2CO3 粉末が 9 モル%である。CaCO3 粉末の配合量を(16−x)モル%(0<x<16)とすると、各種誘電特性に優れることから xは 0.5〜6 であることが好ましく、最も好ましくはx=1 である。
The substance serving as the oxygen supply source is blended in such an amount that the Ti metal can be oxidized to TiO 2 by oxygen atoms that can be released from the inside of the molecule. Specifically, with respect to Ti metal powder 2 mol, in a proportion of NaClO 4 powder 1 mol.
The amount of the metal carbonate, a CaCO 3 powder for the entire raw materials except NaClO 4, a total amount of 16 mole% of SrCO 3 powder, Li 2 CO 3 powder is 9 mol%. When the blending amount of the CaCO 3 powder is (16−x) mol% (0 <x <16), x is preferably 0.5 to 6 and most preferably x = 1 because various dielectric properties are excellent. .

Re23 粉末の配合量はNaClO4 を除く原料全体に対して 12 モル%である。Re23 粉末は、Sm23 粉末と、他のRe’23(Re’はSm以外の希土類元素)) 粉末とを併用することが好ましい。ここで、他のRe23 粉末としては、La23 粉末、Nd23 粉末等があり、誘電特性の改善効果の大きいNd23 粉末を用いることが好ましい。NaClO4 を除く原料全体に対してSm23 粉末、Nd23 粉末の配合量をそれぞれ(12−y)モル%およびyモル%(0<y<12)とすると、yは 3〜9 であることが好ましく、最も好ましくはy=6 である。 The blending amount of the Re 2 O 3 powder is 12 mol% with respect to the whole raw material excluding NaClO 4 . The Re 2 O 3 powder is preferably a combination of Sm 2 O 3 powder and other Re ′ 2 O 3 (Re ′ is a rare earth element other than Sm) powder. Here, as other Re 2 O 3 powders, there are La 2 O 3 powder, Nd 2 O 3 powder and the like, and it is preferable to use Nd 2 O 3 powder having a large effect of improving the dielectric properties. Sm 2 O 3 powder to the entire raw materials except NaClO 4, when the Nd 2 O 3 powder in the amount of each (12-y) mol% and y mole% (0 <y <12) , y is 3 9 is preferred, most preferably y = 6.

(ロ)CaO−SrO−Li2O−Re23−TiO2系(Re は希土類元素)において最適組成の誘電体セラミックスを得るための燃焼合成反応の一例を下記式(3)〜(6)に示す。

Figure 2007141531
(B) An example of a combustion synthesis reaction for obtaining a dielectric ceramic having an optimum composition in the CaO—SrO—Li 2 O—Re 2 O 3 —TiO 2 system (Re is a rare earth element) ).
Figure 2007141531

上記反応式に示す配合割合で各反応原料を混合した後、大気圧未満の圧力条件下で、断熱火炎温度が 1500℃以上である燃焼合成法により、目的のCaO−SrO−Li2O−Sm23−Nd23−TiO2系の誘電体セラミックスを容易に短時間で得ることができる。
副生成物であるCO2ガスは殆んどが減圧下で吸引除去され、合成物中に残存するのは副生塩であるNaClのみであり、このNaClは後述する水洗浄により容易に合成物から分離・除去することができる。
After mixing each reaction raw material at the blending ratio shown in the above reaction formula, the target CaO—SrO—Li 2 O—Sm is produced by a combustion synthesis method in which the adiabatic flame temperature is 1500 ° C. or higher under a pressure condition of less than atmospheric pressure. A 2 O 3 —Nd 2 O 3 —TiO 2 dielectric ceramic can be easily obtained in a short time.
Most of the CO 2 gas as a by-product is removed by suction under reduced pressure, and only the by-product salt NaCl remains in the composition, and this NaCl is easily synthesized by water washing described later. Can be separated and removed.

Ti粉末(x モル%)と、TiO2粉末((63−x)モル%)との配合比は、 x の値で決定される。好ましい x の範囲としては、15≦ x ≦50 である。反応式(6)に示すように x が 15 未満であると、発熱源であるTi粉末が不足するとともに、反応希釈剤であるTiO2 が多すぎるため、燃焼波が完全には伝播しないこと等により焼結体特性に劣る可能性がある。また反応式(5)に示すようにTiO2を配合しない場合を含め、x が 50 を越えると発熱源量が多く反応の進行が急激になり、原料粉末や反応生成物の飛散等の問題が生じる可能性がある。 The compounding ratio of Ti powder (x mol%) and TiO 2 powder ((63-x) mol%) is determined by the value of x. A preferable range of x is 15 ≦ x ≦ 50. When x is less than 15 as shown in the reaction formula (6), the Ti powder as the heat source is insufficient and the reaction diluent is too much TiO 2 , so that the combustion wave does not propagate completely. Therefore, the sintered body characteristics may be inferior. In addition, as shown in Reaction Formula (5), when x exceeds 50, including the case where TiO 2 is not blended, the amount of heat source increases and the reaction proceeds rapidly, causing problems such as scattering of raw material powder and reaction products. It can happen.

本発明における混合工程において、反応原料の混合方法は、撹拌機による混合、または、乳鉢と乳棒を用いた混合等、特に制限されることなく採用できる。撹拌機としては、タンブラー、ヘンシェルミキサ、ボールミル等が挙げられる。量産性に優れるとともに、金属粉末や過酸化物粉末に対してせん断力等の負荷が少ないヘンシェルミキサやボールミル等を使用することが好ましい。   In the mixing step in the present invention, the method of mixing the reaction raw materials can be employed without any particular limitation, such as mixing with a stirrer or mixing using a mortar and pestle. Examples of the stirrer include a tumbler, a Henschel mixer, and a ball mill. It is preferable to use a Henschel mixer, a ball mill, or the like that is excellent in mass productivity and has less load on the metal powder or peroxide powder such as shearing force.

混合された原料は、るつぼに投入して燃焼合成を行なうが、そのるつぼの材質としては好ましくは非酸化物である炭素(C)、炭化珪素(SiC)、窒化珪素Si34 等が使用できる。これらの中で炭素(C)材が熱伝導と形状加工性に優れているので好ましい。
混合された原料粉末をるつぼへ投入する方法としては、原料粉末をパウダーベット状に敷き詰めたり、敷き詰めた後圧縮したり、ペレット状に押し固めたものをるつぼへ投入する方法等が使用できる。
The mixed raw material is put into a crucible and subjected to combustion synthesis. The material of the crucible is preferably non-oxide such as carbon (C), silicon carbide (SiC), silicon nitride Si 3 N 4 or the like. it can. Among these, a carbon (C) material is preferable because it is excellent in heat conduction and shape workability.
As a method for charging the mixed raw material powder into the crucible, there can be used a method in which the raw material powder is laid down in a powder bed shape, compressed after being laid down, or pressed into a crucible into a crucible.

燃焼合成法の条件については、大気圧未満の減圧下で行ない、燃焼合成反応の断熱火炎温度は 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、炭酸ガス等の不活性ガス雰囲気等を利用することも可能である。
The combustion synthesis method is performed under a reduced pressure below atmospheric pressure, and the adiabatic flame temperature of the combustion synthesis reaction 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). It should be noted that an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or carbon dioxide gas can be used as long as the dielectric properties of the reaction product are not deteriorated.

燃焼合成はチャンバー内を大気圧(101.325kPa = 1 気圧)よりも低い減圧下で行なう。好ましい減圧度は 0.003気圧〜0.1気圧(0.3kPa 〜 10.1kPa)である。燃焼合成時に混合原料から発生する分解ガスや副生塩をチャンバー内から吸引除去することによって、燃焼合成反応における圧力平衡が合成物生成側に進み、分解ガスや副生塩も合成物中から脱ガス、脱塩しやすくなり、合成物中に残存する副生塩を減少でき、合成物を脱塩処理するための洗浄工程を簡素化できる。
チャンバー内を減圧する手段として真空ポンプを用い、配管にてチャンバーと真空ポンプとを接続し、チャンバー内を減圧に保つ。チャンバーと真空ポンプとを結ぶ配管には粉末を捕捉するためのフィルターやトラップ装置を設けることによって、燃焼合成反応の進行に伴いチャンバー内から、吸引される副生塩等が真空ポンプ内に閉塞するのを防止することができる。
Combustion synthesis is performed under reduced pressure in the chamber lower than atmospheric pressure (101.325kPa = 1 atm). The preferred degree of vacuum is 0.003 atm to 0.1 atm (0.3 kPa to 10.1 kPa). By removing the decomposition gas and by-product salt generated from the mixed raw material during combustion synthesis from the chamber, the pressure equilibrium in the combustion synthesis reaction proceeds to the product generation side, and the decomposition gas and by-product salt are also removed from the product. Gas and desalting are facilitated, by-product salt remaining in the composition can be reduced, and the washing step for desalting the composition can be simplified.
A vacuum pump is used as means for depressurizing the inside of the chamber, and the chamber and the vacuum pump are connected by piping to keep the inside of the chamber at a reduced pressure. By installing a filter and trap device to capture the powder in the pipe connecting the chamber and the vacuum pump, by-product salt sucked from the chamber is blocked in the vacuum pump as the combustion synthesis reaction proceeds. Can be prevented.

燃焼合成を開始させるための混合粉末への着火方法は、金属粉が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に優れているので好ましい。燃焼合成反応は、約 1秒〜60 秒で終了する。   The method for igniting the mixed powder for initiating combustion synthesis is not particularly limited as long as the metal powder can ignite and generate heat. A method in which a carbon film is ignited to generate heat and used as a heat source and brought into contact with the mixed powder to ignite and generate heat is preferable because it is excellent in handling. The combustion synthesis reaction is completed in about 1 to 60 seconds.

反応生成物は、るつぼ中において塊状である。該反応生成物の粉砕は、平均粒子径が 100μm 以下となる粉砕方法であれば特に限定されず、ジェットミル、ボールミル、乳鉢と乳棒等で行なうことができる。平均粒子径が 100μm をこえると、後工程の洗浄工程での洗浄が十分でなくなり、副生塩であるイオン結合性塩が残留しやすくなる。   The reaction product is agglomerated in the crucible. The pulverization of the reaction product is not particularly limited as long as the average particle diameter is 100 μm or less, and can be carried out with a jet mill, a ball mill, a mortar and a pestle. When the average particle size exceeds 100 μm, the washing in the subsequent washing step is not sufficient, and the ion-binding salt that is a by-product salt tends to remain.

粉砕工程後の微粉末には、副生塩であるイオン結合性塩が含まれている。例えばNaClO4 を原料に用いた場合はNaClが、KClO4 を原料に用いた場合はKClがそれぞれ生成する。水で洗浄することでこれらの副生塩を除去できる。
副生塩類が燃焼合成反応後の合成粉末に存在すると焼結性が阻害される。焼結性を阻害しない程度まで副生塩類を減らす基準としては、洗浄液の電気伝導率が 150 μS/cm 以下である。すなわち洗浄回数、洗浄量の如何にかかわらず、上記合成粉末を水で洗浄したとき洗浄後の洗浄水の電気伝導率が 150μS/cm 以下であればよい。
The fine powder after the pulverization step contains an ion-binding salt that is a by-product salt. For example, when NaClO 4 is used as a raw material, NaCl is generated, and when KClO 4 is used as a raw material, KCl is generated. These by-product salts can be removed by washing with water.
When by-product salts are present in the synthetic powder after the combustion synthesis reaction, the sinterability is hindered. The standard for reducing by-product salts to such an extent that the sinterability is not hindered is that the electrical conductivity of the cleaning solution is 150 μS / cm or less. That is, regardless of the number of washings and the amount of washing, the electric conductivity of the washing water after washing should be 150 μS / cm or less when the synthetic powder is washed with water.

上記合成粉末は、洗浄乾燥後、焼結することにより、誘電体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 MPa〜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。
The synthetic powder is washed and dried and then sintered to obtain a dielectric ceramic. When sintering, a molding binder such as polyvinyl butyral can be blended. Examples of the sintering conditions include conditions of molding at a pressure of 10 MPa to 100 MPa and firing at a temperature of 1200 ° C. 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 or to remove a trace amount of impurities, it is possible to calcine at 900 ° C. to 1100 ° C.

上記燃焼合成法により得られる誘電体セラミックスは、燃焼合成後の焼結体特性に優れ、理論密度に近く緻密化されるので、誘電体アンテナ、コンデンサ、共振器、圧力センサ、超音波モータ等に好適に使用できる。   Dielectric ceramics obtained by the above combustion synthesis method have excellent sintered body properties after combustion synthesis and are densified close to the theoretical density, so they can be used in dielectric antennas, capacitors, resonators, pressure sensors, ultrasonic motors, etc. It can be used suitably.

実施例1〜実施例4
表1に示す各成分を所定のモル配合比(モル%)でボールミルを用いて 5 時間、乾式混合することにより中間原料粉末を得た。得られた中間原料粉末が収容されているボールミルにTi粉末を加えて、5 時間、乾式混合することにより混合原料粉末を得た。
燃焼合成装置内のチャンバー内にカーボンるつぼを設置し、混合原料粉末(100 g )をカーボンるつぼ内で敷き詰め、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、チャンバーを閉じた。真空ポンプを用いてチャンバー内の残留酸素を減少させた後、アルゴン(Ar)ガスを封入し、チャンバーの内圧を 0.1 MPa とした。次に真空ポンプを連続稼動させチャンバーの内圧を 0.3 kPa に減圧した。
実施例1〜実施例4の組成物について燃焼波が伝播し、燃焼合成法により合成粉末が得られた。反応中のチャンバー内の圧力は 10 kPa未満に保たれた。アルミナ製乳鉢を用いて合成粉末を粉砕し、平均粒子径が 1μm の未洗浄誘電体セラミックス粉末を得た。
Examples 1 to 4
The intermediate raw material powder was obtained by dry-mixing each component shown in Table 1 for 5 hours using a ball mill at a predetermined molar blending ratio (mol%). Ti powder was added to a ball mill containing the obtained intermediate raw material powder, and dry mixed for 5 hours to obtain mixed raw material powder.
A carbon crucible was installed in the chamber in the combustion synthesizer, mixed raw material powder (100 g) was spread in the carbon crucible, and the carbon film for ignition was brought into contact with a part of the mixed powder to close the chamber. After reducing the residual oxygen in the chamber using a vacuum pump, argon (Ar) gas was sealed, and the internal pressure of the chamber was set to 0.1 MPa. Next, the vacuum pump was continuously operated to reduce the internal pressure of the chamber to 0.3 kPa.
Combustion waves propagated through the compositions of Examples 1 to 4, and synthetic powders were obtained by the combustion synthesis method. The pressure in the chamber during the reaction was kept below 10 kPa. The synthetic powder was pulverized using an alumina mortar to obtain an unwashed dielectric ceramic powder having an average particle size of 1 μm.

なお、表1中において、Ti粉末は住友チタニウム社製TSP−350を、TiO2、NaClO4は和光純薬工業社製、各試薬を、BaO2は関東化学工業社製、試薬を、Nd23は信越化学工業社製品を、それぞれ用いた。 In Table 1, Ti powder is TSP-350 manufactured by Sumitomo Titanium Co., Ltd., TiO 2 and NaClO 4 are manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., each reagent is BaO 2 is manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., and Nd 2 For O 3 , Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. products were used.

比較例1〜比較例3
チャンバー内を 0.1 MPa の大気圧状態で燃焼合成反応を開始し、燃焼合成反応の進行とともにチャンバー内圧は最大で500kPa まで上昇し、燃焼波の伝播が断続的に行なわれた。比較例1および比較例2では、実施例1と同様に処理して平均粒子径が 1μm の粉砕セラミックス粉末を得た。なお、比較例3では燃焼波が伝播せず、合成粉末を得ることができなかった。
Comparative Examples 1 to 3
The combustion synthesis reaction was started at atmospheric pressure of 0.1 MPa in the chamber. As the combustion synthesis reaction progressed, the chamber internal pressure increased to a maximum of 500 kPa, and the propagation of combustion waves occurred intermittently. In Comparative Example 1 and Comparative Example 2, ground ceramic powder having an average particle diameter of 1 μm was obtained in the same manner as in Example 1. In Comparative Example 3, the combustion wave did not propagate and synthetic powder could not be obtained.

得られた未洗浄誘電体セラミックス粉末を十分水洗し、この粉末に付着したNaClを除去して誘電体セラミックスを得た。得られた誘電体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。結果をセラミックス組成として表1に示す。
また、比誘電率および誘電正接を以下の方法で測定した。
得られたセラミックス粉末に成形用バインダ(ポリビニルブチラール樹脂)を1重量%添加して混合した。次に混合粉末を 10 mm×80 mm の金型に投入し、1.5トン/cm2の圧力を加えてグリーン体(10 mm×90 mm×3 mm )を得た。このグリーン体を600℃で 1 時間保持し、有機分を除去した後、1300℃で 3 時間焼成した。得られた焼結体を70 mm×1.5 mm×1.5 mm の試験片に加工し、空洞共振器法を用いて、1、5 GHz の周波数帯で比誘電率および誘電正接を測定した。ここで、比誘電率および誘電正接は 25℃での値である。
The obtained unwashed dielectric ceramic powder was sufficiently washed with water, and NaCl adhered to the powder was removed to obtain a dielectric ceramic. The crystal phase of the obtained dielectric ceramic powder was identified using an X-ray diffractometer (XRD). The results are shown in Table 1 as the ceramic composition.
The relative dielectric constant and dielectric loss tangent were measured by the following methods.
1% by weight of a molding binder (polyvinyl butyral resin) was added to and mixed with the obtained ceramic powder. Next, the mixed powder was put into a 10 mm × 80 mm mold, and a pressure of 1.5 ton / cm 2 was applied to obtain a green body (10 mm × 90 mm × 3 mm). The green body was held at 600 ° C. for 1 hour to remove organic components, and then fired at 1300 ° C. for 3 hours. The obtained sintered body was processed into a 70 mm × 1.5 mm × 1.5 mm test piece, and the relative dielectric constant and dielectric loss tangent were measured in the frequency band of 1 and 5 GHz by using the cavity resonator method. Here, relative permittivity and dielectric loss tangent are values at 25 ° C.

Figure 2007141531
Figure 2007141531

実施例5〜実施例9
各反応原料を表2に示すモル配合比(モル%)でボールミルを用いて 5 時間混合することにより混合粉末を得た。合成装置内のチャンバー内にカーボンるつぼを設置し、混合粉末(100 g )をカーボンるつぼ内に敷き詰め、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、チャンバーを閉じた。真空ポンプを用いて、チャンバー内の残留酸素を減少させた後、アルゴン(Ar)ガスを封入し、チャンバーの内圧を 0.1 MPa とした。次に真空ポンプを連続稼動させチャンバーの内圧を 0.3kPa に減圧し、着火した。燃焼波が伝播し、燃焼合成法により合成粉末と副生成物(NaCl)が得られた。反応中のチャンバー内の圧力は 10kPa未満に保たれた。アルミナ製乳鉢を用いて合成粉末を粉砕し、平均粒子径 2μm の未洗浄誘電体セラミックス粉末を得た。
Example 5 to Example 9
Each reaction raw material was mixed for 5 hours using a ball mill at a molar mixing ratio (mol%) shown in Table 2 to obtain a mixed powder. A carbon crucible was installed in the chamber in the synthesizer, and the mixed powder (100 g) was spread in the carbon crucible, and a carbon film for ignition was brought into contact with a part of the mixed powder to close the chamber. After reducing the residual oxygen in the chamber using a vacuum pump, argon (Ar) gas was sealed, and the internal pressure of the chamber was set to 0.1 MPa. Next, the vacuum pump was continuously operated, the internal pressure of the chamber was reduced to 0.3 kPa, and ignition was performed. Combustion waves propagated and synthetic powder and by-product (NaCl) were obtained by the combustion synthesis method. The pressure in the chamber during the reaction was kept below 10 kPa. The synthetic powder was pulverized using an alumina mortar to obtain an unwashed dielectric ceramic powder having an average particle size of 2 μm.

なお、表2において、Ti金属粉末は住友チタニウム社製TSP−350およびTILOP−150(分級して比表面積を 0.005 m2/g に調整)を、CaCO3、TiO2、SrCO3、Li2CO3、NaClO4は和光純薬工業社製各試薬を、Sm23、Nd23は信越化学工業社製品を、それぞれ用いた。 In Table 2, Ti metal powders are TSP-350 and TILOP-150 (classified and adjusted to a specific surface area of 0.005 m 2 / g by Sumitomo Titanium), CaCO 3 , TiO 2 , SrCO 3 , Li 2 CO. 3. For NaClO 4, reagents manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., and for Sm 2 O 3 , Nd 2 O 3 , products manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. were used.

比較例4〜比較例11
チャンバー内を 0.1 MPa の大気圧状態で燃焼合成反応を開始し、燃焼合成反応の進行とともにチャンバー内圧は最大で800kPa まで上昇し、燃焼波の伝播が断続的に行なわれた。実施例5と同様に処理して平均粒子径 2μm の粉砕セラミックス粉末を得た。
Comparative Example 4 to Comparative Example 11
The combustion synthesis reaction was started at atmospheric pressure of 0.1 MPa in the chamber, and as the combustion synthesis reaction progressed, the chamber internal pressure increased to a maximum of 800 kPa, and the propagation of combustion waves was intermittent. The same treatment as in Example 5 was performed to obtain a crushed ceramic powder having an average particle size of 2 μm.

得られた未洗浄誘電体セラミックス粉末を十分水洗し、この粉末に付着したNaClを除去して誘電体セラミックスを得た。得られた誘電体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。結果をセラミックス組成として表2に示す。
また、比誘電率および誘電正接を以下の方法で測定した。
得られたセラミックス粉末に成形用バインダ(ポリビニルブチラール樹脂)を1重量%添加して混合した。次に混合粉末を 10 mm×80 mm の金型に投入し、1.5トン/cm2の圧力を加えてグリーン体(10 mm×90 mm×3 mm )を得た。このグリーン体を 600℃で 1 時間保持し、有機分を除去した後、1300℃で 3 時間焼成した。得られた焼結体を 70 mm×1.5 mm×1.5 mm の試験片に加工し、空洞共振器法を用いて、1、5 GHz の周波数帯で比誘電率および誘電正接を測定した。ここで、比誘電率および誘電正接は 25℃での値である。
The obtained unwashed dielectric ceramic powder was sufficiently washed with water, and NaCl adhered to the powder was removed to obtain a dielectric ceramic. The crystal phase of the obtained dielectric ceramic powder was identified using an X-ray diffractometer (XRD). The results are shown in Table 2 as the ceramic composition.
The relative dielectric constant and dielectric loss tangent were measured by the following methods.
1% by weight of a molding binder (polyvinyl butyral resin) was added to and mixed with the obtained ceramic powder. Next, the mixed powder was put into a 10 mm × 80 mm mold, and a pressure of 1.5 ton / cm 2 was applied to obtain a green body (10 mm × 90 mm × 3 mm). This green body was held at 600 ° C. for 1 hour to remove organic components, and then fired at 1300 ° C. for 3 hours. The obtained sintered body was processed into a 70 mm × 1.5 mm × 1.5 mm test piece, and the relative dielectric constant and dielectric loss tangent were measured in the frequency band of 1 and 5 GHz using the cavity resonator method. Here, relative permittivity and dielectric loss tangent are values at 25 ° C.

Figure 2007141531
Figure 2007141531

表1および表2に示すように、大気圧未満の減圧下で燃焼合成を行なった各実施例では、合成粉末中の副生塩が少なく、合成後30分の洗浄工程で副生塩をほぼ除去することができた。また、各実施例は、各比較例と比較して誘電特性に優れていた。   As shown in Table 1 and Table 2, in each Example in which combustion synthesis was performed under a reduced pressure below atmospheric pressure, there was little by-product salt in the synthetic powder, and almost no by-product salt was obtained in the washing process for 30 minutes after synthesis. Could be removed. Moreover, each Example was excellent in the dielectric characteristics compared with each Comparative Example.

本発明の燃焼合成方法は副生する分解ガスや塩の除去を容易に行ない円滑な化学反応で誘電体セラミックスを製造することができるので、安全かつ低コストで誘電体セラミックスを製造することができる。得られた誘電体セラミックスは、アンテナ、コンデンサ、共振器、フィルター、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。   The combustion synthesis method of the present invention can easily produce dielectric ceramics by a smooth chemical reaction by easily removing decomposition gases and salts generated as by-products, so that dielectric ceramics can be produced safely and at low cost. . The obtained dielectric ceramics can be suitably used in the field of electronic components such as antennas, capacitors, resonators, filters, pressure sensors, and ultrasonic motors.

Claims (5)

比表面積が 0.01 m2/g〜2 m2/g の4族元素を含む金属粉末と、酸素供給源となる物質とを少なくとも含む反応原料を用いた誘電体セラミックスの燃焼合成方法であって、
該燃焼合成方法は、少なくとも前記金属粉末と、前記酸素供給源となる物質とを混合して原料粉末とする混合工程と、
該混合工程で得られた原料粉末を、大気圧未満の圧力条件下において、断熱火炎温度が 1500℃以上の燃焼合成反応により焼結体とする燃焼合成工程とを備えてなることを特徴とする燃焼合成方法。
A dielectric ceramic combustion synthesis method using a reaction raw material containing at least a metal powder containing a Group 4 element having a specific surface area of 0.01 m 2 / g to 2 m 2 / g and a substance serving as an oxygen supply source,
The combustion synthesis method includes a mixing step of mixing at least the metal powder and a substance serving as an oxygen supply source to obtain a raw material powder;
A combustion synthesis step in which the raw material powder obtained in the mixing step is made into a sintered body by a combustion synthesis reaction with an adiabatic flame temperature of 1500 ° C. or higher under a pressure condition of less than atmospheric pressure. Combustion synthesis method.
前記燃焼合成工程は、真空ポンプに接続されたチャンバー内で前記原料粉末を燃焼合成させる工程であることを特徴とする請求項1記載の燃焼合成方法。   The combustion synthesis method according to claim 1, wherein the combustion synthesis step is a step of combustion synthesis of the raw material powder in a chamber connected to a vacuum pump. 前記誘電体セラミックスは、BaRe2Tim2m+4系(式中 3 ≦ m ≦ 7 ; m は整数 Re は希土類元素 )のセラミックスであって、前記4族元素はTiであり、前記反応原料として、Re23またはRe(OH)2と、BaO2とが含まれることを特徴とする請求項1または請求項2記載の燃焼合成方法。 The dielectric ceramic is a BaRe 2 Ti m O 2m + 4 type ceramic (where 3 ≦ m ≦ 7; m is an integer Re is a rare earth element), and the Group 4 element is Ti, and the reaction raw material The combustion synthesis method according to claim 1, wherein Re 2 O 3 or Re (OH) 2 and BaO 2 are included. 前記誘電体セラミックスは、CaO−SrO−Li2O−Re23−TiO2系(Re は希土類元素)のセラミックスであって、前記4族元素はTiであり、前記反応原料として、CaCO3と、SrCO3と、Li2CO3と、Re23とが含まれることを特徴とする請求項1または請求項2記載の燃焼合成方法。 The dielectric ceramic is a CaO—SrO—Li 2 O—Re 2 O 3 —TiO 2 (Re is a rare earth element) ceramic, wherein the Group 4 element is Ti, and the reaction raw material is CaCO 3 The combustion synthesis method according to claim 1, wherein SrCO 3 , Li 2 CO 3 , and Re 2 O 3 are included. 酸化物系の誘電体セラミックスであって、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製造されることを特徴とする誘電体セラミックス。   An oxide-based dielectric ceramic manufactured by the combustion synthesis method according to any one of claims 1 to 4.
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