JP2009203105A - セラミックス配向膜の製造方法及び原料粉末 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】区別可能な複数の結晶面が表面に露出している略立方体形状のPZT粉末の表面に分散剤を吸着させることによりPZT粉末に電荷異方性を付与する。これにより、PZTセラミックス配向膜の形成面とPZT粉末の分散剤を吸着させた面とを略平行に対向させた状態で膜形成面にPZT粉末を電気泳動法により堆積させ、PZT粉末を配向させることができる。
【選択図】図2
Description
<1.1 概略>
第1実施形態は、チタン酸ジルコン酸鉛(以下では、「PZT」という)セラミックス配向膜の製造方法に関する。第1実施形態に係るPZTセラミックス配向膜の製造方法では、略立方体形状のPZT粉末の特定の面のみに分散剤を平衡吸着させることによりPZT粉末に電荷異方性を付与する。これにより、PZTセラミックス配向膜の形成面(以下では、「膜形成面」という)とPZT粉末の分散剤を吸着させた面(以下では、「分散剤吸着面」という)とを略平行に対向させた状態で膜形成面にPZT原料粉末を電気泳動法により堆積させることができる。
図1は、第1実施形態に係る電荷異方性を有するPZT原料粉末の製造方法を説明するフローチャートである。また、図2は、製造途上のPZT原料粉末の模式図である。図2は、製造途上のPZT原料粉末の斜視図となっている。
図1に示すように、PZT原料粉末の製造にあたっては、最初に、図2(a)に示すような略立方体形状の単結晶のPZT粉末101を合成する(ステップS101)。
続いて、ステップS101において合成したPZT粉末101を水熱処理し、PZT粉末101の表面の表面水酸基を増加させる(ステップS102)。このように表面水酸基を増加させることにより、PZT粉末101の表面の分散剤の吸着サイトを増加させることができるので、PZT粉末101の表面に吸着する分散剤を増加させることができ、PZT粉末101により大きな電荷異方性を付与することができる。水熱処理は、高温高圧の水とPZT粉末101とを接触させることにより行うことができる。PZT粉末101に接触させる水の温度は、200℃以上であることが望ましく、圧力は1MPa以上であることが望ましい。ただし、水熱処理は必ずしも必須ではなく、PZT粉末101の表面に十分な量の表面水酸基があらかじめ存在しているのであれば、省略してもよい。
さらに続いて、図2(b)に示すように、PZT粉末101の表面の一部を占める面103,105に分散剤107,109を選択的に平衡吸着させる(ステップS103)。PZT粉末101の表面の一部を占める領域である面103,105にのみ分散剤107,109を平衡吸着させることができるのは、PZT粉末101が高い結晶性を有していることによる。すなわち、高い結晶性を有するPZT粉末101に適量の分散剤を添加すると、分散剤の吸着能が相対的に高い結晶面が露出している面103,105に分散剤107,109を選択的に平衡吸着させることができることによる。分散剤の添加量が適量であることが要求されるのは、添加量が多すぎると面103,105だけでなく、面103,105以外の面にも分散剤を吸着させてしまい、面103,105のみに分散剤107,109を吸着させることができなくなるからであり、添加量が少なすぎるとPZT粉末101が凝集してしまい、PZT粉末101を分散媒に分散させることが困難になるからである。もちろん、「適量」が具体的にどの程度の添加量であるのかは、PZT粉末101の比表面積、吸着サイトの種類、吸着サイトの密度、分散剤の種類等によって変化する。
図3は、第1実施形態に係るPZTセラミックス配向膜の製造方法を説明するフローチャートである。また、図4〜図5は、PZTセラミックス配向膜の製造途上の電気泳動装置151の模式図である。図4〜図5は、電気泳動装置151の断面図となっている。
図3に示すように、PZTセラミックス配向膜の製造にあたっては、最初に、ステップS101〜S103において製造したPZT原料粉末123を分散媒125に分散させる(ステップS111)。PZT原料粉末123を分散媒125に分散させた直後は、図4に示すように、PZT原料粉末123の方向はランダムとなっている。
さらに続いて、ステップ111においてPZT原料粉末123を分散させた分散媒125に直流電界を印加し、膜形成面153に向かってPZT原料粉末123を電気泳動させ、膜形成面153にPZT原料粉末123を堆積させる(ステップS112)。このとき、図5に示すように、PZT原料粉末123は、表面に分散剤107,109を吸着させることにより生じた帯電と直流電界との作用により、膜形成面153に向かう並進力を受けるだけでなく、表面の一部を占める面103,105に分散剤107,109を選択的に吸着させることにより生じた電荷異方性による局所的な双極子と直流電界との作用により、当該双極子の方向を直流電界の方向に近づける回転力を受ける。したがって、直流電界の作用を受けたPZT原料粉末123は、膜形成面153に堆積するときに、膜形成面153と分散剤吸着面103,105とが略平行に対向した状態に配向する。
最後に、ステップ112において堆積させたPZT原料粉末123の堆積膜129を熱処理し、PZTセラミックス配向膜を得る。熱処理の温度は、PZT粉末101の組成、比表面積等や堆積膜129の膜密度、膜厚等によっても変化するが、概ね、500℃以上1300℃以下である。
<2.1 概略>
第2実施形態は、第1実施形態に係る電荷異方性を有するPZT原料粉末の製造方法に代えて採用することができる電荷異方性を有するPZT原料粉末の製造方法に関する。第2実施形態に係る電荷異方性を有するPZT原料粉末の製造方法では、略立方体形状のPZT粉末の特定の面のみに分散剤を化学結合により吸着させることによりPZT粉末に電荷異方性を付与する。
図7は、第2実施形態に係る電荷異方性を有するPZT原料粉末の製造方法を説明するフローチャートである。また、図8は、製造途上のPZT原料粉末の模式図である。図8は、PZT原料粉末の斜視図となっている。
図7に示すように、PZT原料粉末の製造にあたっては、最初に、図8(a)に示すような略立方体形状の単結晶のPZT粉末201を合成する(ステップS201)。
続いて、第1実施形態の場合と同様に、ステップS201において合成したPZT粉末201を水熱処理し、PZT粉末201の表面の表面水酸基を増加させる(ステップS202)。このように表面水酸基を増加させるのは、第1実施形態の場合と同様に、PZT粉末101の表面に吸着する分散剤を増加させ、PZT粉末により大きな電荷異方性を付与するためである。また、PZT粉末201の表面に十分な量の表面水酸基があらかじめ存在しているのであれば、水熱処理を省略してもよいことも第1実施形態の場合と同様である。
さらに続いて、図8(b)に示すように、PZT粉末201の表面の一部を占める面203,205に分散剤207,209を化学結合により選択的に吸着させる(ステップS203)。PZT粉末201の表面の一部を占める領域である面203,205にのみ分散剤207,209を化学結合により吸着させることができるのは、PZT粉末201が高い結晶性を有していることによる。すなわち、高い結晶性を有するPZT粉末201に適量の分散剤を添加すると、分散剤との反応性が相対的に高い結晶面が露出している面203,205に分散剤207,209を化学結合により選択的に吸着させることができることによる。分散剤の添加量が適量であることが要求される理由は、第1実施形態の場合と同様である。もちろん、「適量」が具体的にどの程度の添加量であるのかは、PZT粉末201の比表面積、吸着サイトの種類、吸着サイトの密度、分散剤の種類等によって変化する。
<3.1 概略>
第3実施形態は、第1実施形態に係る電荷異方性を有するPZT原料粉末の製造方法に代えて採用することができる電荷異方性を有するPZT原料粉末の製造方法に関する。第3実施形態に係る電荷異方性を有するPZT原料粉末の製造方法では、略立方体形状のPZT粉末の特定の面のみに第1の分散剤を化学結合により吸着させた後、残余の面に第2の分散剤をさらに平衡吸着させることによりPZT粉末に電荷異方性を付与する。
図9は、第3実施形態に係る電荷異方性を有するPZT原料粉末の製造方法を説明するフローチャートである。また、図10は、製造途上のPZT原料粉末の模式図である。図10は、製造途上のPZT原料粉末の斜視図となっている。
図9に示すように、PZT原料粉末の製造にあたっては、最初に、図10(a)に示すような略立方体形状の単結晶のPZT粉末301を合成する(ステップS301)。
続いて、第1実施形態の場合と同様に、ステップS301において合成したPZT粉末301を水熱処理し、PZT粉末301の表面の表面水酸基を増加させる(ステップS302)。このように表面水酸基を増加させるのは、第1実施形態の場合と同様に、PZT粉末301の表面に吸着する分散剤を増加させ、PZT粉末により大きな電荷異方性を付与するためである。また、PZT粉末301の表面に十分な量の表面水酸基があらかじめ存在しているのであれば、水熱処理を省略してもよいことも第1実施形態の場合と同様である。
さらに続いて、図10(b)に示すように、PZT粉末301の表面の一部を占める面303,305に第1の分散剤307,309を化学結合により選択的に吸着させる(ステップS303)。このようにPZT粉末301の表面の一部を占める領域である面303,305にのみ第1の分散剤307,309を化学結合により吸着させるのは、第2実施形態の場合と同様に、高い結晶性を有するPZT粉末301に適量の第1の分散剤を添加し、第1の分散剤との反応性が相対的に高い結晶面が露出している面303,305に第1の分散剤307,309を化学結合により選択的に吸着させることにより行えばよい。「適量」が具体的にどの程度の添加量であるのかは、PZT粉末301の比表面積、吸着サイトの種類、吸着サイトの密度、分散剤の種類等によって変化する点は、第2実施形態の場合と同様である。
次に、図10(c)に示すように、PZT粉末301の表面の面303,305以外の面に第2の分散剤311,313,315,317を平衡吸着させる(ステップS304)。このとき、第1の分散剤307,309は非可逆的にPZT粉末301の表面に吸着しているので、第1の分散剤307,309がPZT粉末301の表面から脱着することはない。
図11は、第1実施形態に係るPZTセラミックス配向膜の製造方法に代えて採用することができるPZTセラミックス配向膜の製造方法に関する。
図12は、第1実施形態に係るPZTセラミックス配向膜の製造方法に代えて採用することができるPZTセラミックス配向膜の製造方法に関する。
上述の説明では、PZT粉末の表面に分散剤を吸着させることにより、PZT粉末に電荷異方性を付与したが、PZT粉末そのものが大きな電荷異方性を有していれば、そのまま電気泳動させてもよい。
実施例では、水熱法によりPZT粉末を合成するとともに、合成したPZT粉末を洗浄して粒子径が約0.5μmの略立方体形状のPZT粉末を得た。水熱法によるPZT粉末の合成にあたっては、出発原料として硝酸鉛(Pb(NO3)2)、塩化酸化ジルコニウム(ZrOCl2)、塩化チタン(TiCl3)、水酸化カリウム(KOH)を使用し、オートクレーブ中で出発原料を200℃で4時間反応させた。
乳酸の添加量を1.70重量部に増加させた点を除いては実施例と同様にPZTセラミックス膜を製造したところ、配向膜を得ることができなかった。
107,109,207.209,307,309,311,313,315,317 分散剤
Claims (16)
- セラミックス配向膜の製造方法であって、
(a) 電荷異方性を有する第1の原料粉末を製造する工程と、
(b) 前記工程(a)において製造した第1の原料粉末を分散媒に分散させる工程と、
(c) 前記工程(b)において第1の原料粉末を分散させた分散媒に直流電界を印加し、セラミックス配向膜の形成面に向かって第1の原料粉末を電気泳動させ、セラミックス配向膜の形成面に第1の原料粉末を堆積させる工程と、
(d) 前記工程(c)において堆積させた堆積膜を熱処理する工程と、
を備えるセラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項1に記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
前記工程(a)は、
(a-1) 区別可能な複数の結晶面が表面に露出している粉末を合成する工程と、
(a-2) 前記工程(a-1)において合成した粉末の表面に、露出している結晶面に応じて分散剤を吸着させる工程と、
を備えるセラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項2に記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
前記工程(a-2)は、
前記工程(a-1)において合成した粉末の表面の一部を占める、分散剤の吸着能が相対的に高い結晶面が露出している領域に分散剤を選択的に平衡吸着させる、
セラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項2に記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
前記工程(a-2)は、
前記工程(a-1)において合成した粉末の表面の一部を占める、分散剤との反応性が相対的に高い結晶面が露出している領域に分散剤を化学結合により選択的に吸着させる、
セラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項4に記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
前記工程(a-2)は、
高温高圧の流体中で分散剤を化学結合により吸着させる、
セラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項5に記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
前記工程(a-2)は、
超臨界流体中で分散剤を化学結合により吸着させる、
セラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項2に記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
前記工程(a-2)は、
(a-2-1) 前記工程(a-1)において合成した粉末の表面の一部を占める、第1の分散剤との反応性が相対的に高い結晶面が露出している第1の領域に第1の分散剤を化学結合により選択的に吸着させる工程と、
(a-2-2) 前記工程(a-2-1)において第1の分散剤を吸着させた粉末の表面の第1の領域以外の第2の領域に第2の分散剤を平衡吸着させる工程と、
を備えるセラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項7に記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
前記工程(a-2-1)は、
高温高圧の流体中で第1の分散剤を化学結合により吸着させる、
セラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項8に記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
前記工程(a-2-1)は、
超臨界流体中で第1の分散剤を化学結合により吸着させる、
セラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項2ないし請求項9のいずれかに記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
前記工程(a)は、
(a-3) 前記工程(a-1)の後であって前記工程(a-2)の前に、前記工程(a-1)において合成した粉末の表面の表面水酸基を増加させる工程、
をさらに備えるセラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項1ないし請求項10のいずれかに記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
前記工程(b)において第1の原料粉末を分散させる分散媒がアルコールを主成分とする有機溶媒である、
セラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項1ないし請求項11のいずれかに記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
前記工程(c)は、
第1の原料粉末の粉末径に相当する間隔で配列されたドット状電極の集合が形成されたセラミックス配向膜の形成面に向かって第1の原料粉末を電気泳動させる、
セラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項1ないし請求項12のいずれかに記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
(e) 前記工程(d)において形成された配向膜の上に粒径が第1の原料粉末の1/2以下である第2の原料粉末を重ねて堆積させる工程と、
(f) 前記工程(d)において形成された配向膜及び前記工程(e)において堆積させた堆積膜を同時に熱処理する工程と、
をさらに備えるセラミックス配向膜の製造方法。 - セラミックス配向膜の製造方法であって、
(g) 電荷異方性を有する第1の原料粉末を製造する工程と、
(h) 前記工程(g)において製造した第1の原料粉末を分散媒に分散させる工程と、
(i) 前記工程(h)において第1の原料粉末を分散させた分散媒に直流電界を印加し、セラミックス配向膜の形成面に向かって第1の原料粉末を電気泳動させ、セラミックス配向膜の形成面に第1の原料粉末を堆積させる工程と、
(j) 前記工程(i)において堆積させた堆積膜の上に粒径が第1の原料粉末の1/2以下である第2の原料粉末を重ねて堆積させる工程と、
(k) 前記工程(i)及び前記工程(j)において堆積させた堆積膜を同時に熱処理する工程と、
を備えるセラミックス配向膜の製造方法。 - 請求項1ないし請求項14のいずれかに記載のセラミックス配向膜の製造方法において、
セラミックス配向膜がPZTセラミックス配向膜である、
セラミックス配向膜の製造方法。 - 電気泳動法によるセラミックス配向膜の製造に使用する原料粉末であって、
区別可能な複数の結晶面が表面に露出した単結晶の粉末と、
露出している結晶面に応じて前記結晶の表面に吸着させた分散剤と、
を備える原料粉末。
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