JP2011126767A - セラミックス焼結体、その製造方法及びセラミックス構造体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のセラミックス焼結体の製造方法は、珪酸バリウムと酸化アルミニウムとガラス材と添加酸化物とを所定の条件で配合し、配合原料を成形して850℃以上1000℃以下で焼成する工程を含む。このとき、平均粒径が0.3μm以上1μm未満の範囲であり、比表面積が5m2/g以上20m2/g以下の範囲で単斜晶珪酸バリウムを配合する。また、平均粒径が0.4μm以上10μm以下であり、比表面積が0.8m2/g以上8m2/g以下であり、珪酸バリウムに対して10体積%以上25体積%以下の範囲で酸化アルミニウムを配合する。このセラミックス焼結体は、珪酸バリウム中にガラス成分と添加酸化物の成分と酸化アルミニウム粒子とを含み、酸化アルミニウム粒子の外周に六方晶セルシアンが存在する微構造を有する。
【選択図】図1
Description
珪酸バリウムと酸化アルミニウムと所定のガラス材と所定の添加酸化物とを(1)〜(2)の条件で配合して配合原料を作製する原料配合工程と、
前記配合原料を成形して850℃以上1000℃以下で焼成する焼成工程と、
を含むものである。
(1)前記珪酸バリウムは、単斜晶であり、平均粒径が0.3μm以上1μm未満の範囲であり、比表面積が5m2/g以上20m2/g以下の範囲である。
(2)前記酸化アルミニウムは、平均粒径が0.4μm以上10μm以下であり、比表面積が0.8m2/g以上8m2/g以下であり、珪酸バリウムに対して10体積%以上25体積%以下の範囲で配合する。
この工程では、バリウム化合物と珪素化合物とを混合しBi及びZnを添加せずに焼成して単斜晶の珪酸バリウム(BaSi2O5)を作製する。バリウム化合物としては例えば、バリウムの炭酸塩、塩化物、酸化物などが挙げられるが、炭酸塩が好ましい。また、珪素化合物としては、酸化珪素(SiO2)が好ましい。次に、このバリウム化合物と珪素
化合物とを珪酸バリウム(BaSi2O5)の組成となるように秤量して混合する。混合は、乾式混合としても湿式混合としてもよいが、湿式混合がより好ましい。このとき、焼結助剤としてのBi及びZnを添加しないものとする。こうすれば、焼成温度を低減しにくいが、斜方晶の珪酸バリウムが生成するのをより抑制することができ、好ましい。なお、単斜晶の珪酸バリウムをセラミックス焼結体の原料に用いると、六方晶セルシアンを生成しやすく、好ましい。続いて、混合した粉体を焼成する。焼成は、例えば不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。また、焼成温度は、例えば、1100℃以上1250℃以下とすることができる。得られた単斜晶の珪酸バリウムは、湿式粉砕などにより、後述する平均粒径、比表面積に調整することが好ましい。
この工程では、珪酸バリウムと酸化アルミニウムと所定のガラス材と所定の添加酸化物とを以下の(1)〜(2)の条件で原料を配合して配合原料を作製する。また、(3)の条件で原料を配合することが好ましく、(4)の条件で原料を配合することが好ましい。(1)珪酸バリウムは、単斜晶であり、平均粒径が0.3μm以上1μm未満の範囲であり、比表面積が5m2/g以上20m2/g以下の範囲である。
(2)酸化アルミニウムは、平均粒径が0.4μm以上10μm以下であり、比表面積が0.8m2/g以上8m2/g以下であり、珪酸バリウムに対して10体積%以上25体積%以下の範囲で配合する。
(3)所定のガラス材は、Ba−Si−B−O系ガラスであり、珪酸バリウム及び酸化アルミニウムを含む全体に対して2重量%以上10重量%以下、より好ましくは2重量%以上8重量%以下、更に好ましくは2重量%以上6重量%以下の範囲で配合する。
(4)所定の添加酸化物は、Cu,Mg,B,Zn,Bi及びZrのうち少なくとも1以上の酸化物であり、珪酸バリウム及び酸化アルミニウムを含む全体に対して0.5重量%以上3重量%以下の範囲で配合する。
この工程では、配合原料を成形して850℃以上1000℃以下で焼成する。成形は、金型成形、押出成形、テープ成形及び鋳込み成形などが挙げられる。また、焼成前にCIP処理を行うことがより好ましい。こうすれば、より緻密な焼結体を得ることができる。焼成温度が850℃以上ではセラミックス焼結体の機械的強度をより高めることができ、1000℃以下では焼成時の消費エネルギーをより低減することができる。この焼成温度は、960℃以下とするのが好ましく、920℃以下とするのがより好ましい。例えば、セラミックス焼結体に電極を配設する場合には、960℃以下ではCuを、920℃以下ではAgを用いた状態で、電極と共にセラミックス焼結体の焼結を行うことができる。このため、セラミックス焼結体と電極とを別々に焼成するものに比して、エネルギー効率がよく、好ましい。なお、焼成条件は、使用する分野に応じた機械的強度などの特性が得られるよう、適宜選択することができる。例えば、ガラス材の配合比率を8重量%〜10重量%とすると焼成温度を850℃以上920℃以下の範囲とすることができ、ガラス材の配合比率を2重量%〜6重量%とすると焼成温度を910℃以上960℃以下の範囲とすることができる。
セラミック組成物(焼結体)の原料である珪酸バリウム(BaSi2O5)を作製した。原料として、BaCO3(堺化学製、高純度炭酸バリウム99.9%),SiO2(トクヤマ製、エクセリカSE−1)をBaSi2O5の組成となるように秤量した。このとき焼結助剤などは添加しなかった。この秤量物を溶媒(イソプロピルアルコール;IPA)へ入れ、直径2mmのZrO2玉石を利用したボールミルにより湿式混合し、乾燥した。得られた粉体を#100篩に通したあと、乾燥し、1200℃の大気雰囲気下で6時間焼成した。得られた焼成物(単斜晶BaSi2O5)をメノウ乳鉢で粗粉砕したのち、IPA溶媒へ入れ、更にZrO2玉石を利用したボールミルにより湿式粉砕した。得られた粉砕物を乾燥し、単斜晶BaSi2O5の微粉体を得た。ここでは、得られた粉体の平均粒径(50%メディアン径)が0.3μm、0.5μm及び1.0μmとなるように粉砕条件を定め、それぞれの平均粒径の粉体を作製した。粉体の平均粒度は、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所社製LA920)を用い、1分間の超音波分散処理を行ったのちに測定した50%メディアン径である。
原料として、上記BaCO3,SiO2をBaSi2O5の組成となるように秤量した。この原料92.8重量部に対して、3.2重量部のBi2O3(高純度化学研究所製酸化ビスマス)、4.0重量部のZnO(高純度化学研究所製酸化亜鉛99.9%)を焼結助剤として加えて混合した。この混合物を、900℃で焼成した以外は、上記単斜晶BaSi2O5と同様の工程を行い、斜方晶BaSi2O5の微粉体を得た。ここでは、斜方晶BaSi2O5の平均粒径が0.5μmとなるように粉砕条件を定めて粉砕を行った。
助剤として用いるガラスは以下のように作製した。原料にBaCO3(堺化学製高純度炭酸バリウム99.9%)、SiO2(トクヤマ製エクセリカSE−1)、Al2O3(岩谷化学製RA40)、H3BO3(シグマアルドリッチ製ほう酸)、MgO(協和化学工業製)、Na2CO3(関東化学製)、ZnO(高純度化学研究所製)を用いて作製した。原料を所望の組成に秤量し、30分間袋混合したあと、白金製坩堝に入れ、大気中1500℃で4時間溶融した。溶解した融体を水中へ流し出し、急冷することでガラスのカレットを得た。カレットをメノウ乳鉢で解砕し、#100篩に通したあとボールミル粉砕しスラリーを乾燥することでガラス粉末を得た。ボールミル粉砕は、IPAを溶媒とし直径5mmのZrO2玉石で24時間行った。なおガラスとしては、Ba−Si−B−O系ガラス、Mg−Ba−Si−B−O系ガラス、Ba−Si−O系ガラスを2種、及びNa−Si−Zn−O系ガラスの組成のものを作製した。
次に、セラミック組成物(焼結体)を作製した。原料として、単斜晶BaSi2O5と、Al2O3(日軽金製、AN31A)とを体積比率で85:15となるように混合した。ここでは、単斜晶BaSi2O5は平均粒径0.5μmのものを用いた。また、Al2O3は平均粒径が4.7μm、比表面積が1.1m2/gのものを用いた。なお、比表面積は、窒素吸着によりBET比表面積測定装置(島津製作所製フローソーブ2300)を用いて測定した。また、この混合原料の100重量部に対し、助剤としてBa−Si−B−O系ガラスを6重量部、及び助剤としてCuO(日本化学産業製酸化第二銅ET)を0.5重量部加え、上述と同様の条件で湿式粉砕したのち乾燥し、配合原料とした。ここで、ガラスを元素分析したところ、SiO2が34.44重量%、BaOが21.35重量%、B2O3が34.50重量%、Al2O3が9.71重量%含まれている組成であった。この組成は、ICP発光分光測定器を用いて測定した。この配合原料を15gとり、76kg/cm2のプレス圧により直径35mmの形状に金型成形した。得られた成形体を、3000kg/cm2のプレス圧、30秒の条件でCIP処理を行い、その後、大気雰囲気下、920℃、1.5時間の条件で焼成し、得られた焼結体を実験例1とした。
単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で80:20とすると共に、助剤のCuOを1.0重量部加えた以外は、実験例1と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例2とした。また、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で80:20とすると共に、助剤のCuOを1.5重量部加えた以外は、実験例1と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例3とした。また、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で75:25とすると共に、助剤のCuOを1.5重量部加えた以外は、実験例1と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例4とした。また、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で75:25とすると共に、助剤のCuOを2.0重量部加えた以外は、実験例1と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例5とした。また、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で75:25とすると共に、助剤のCuOを3.0重量部加えた以外は、実験例1と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例6とした。
880℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例7とした。
助剤のガラスを4.0重量部加えた以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例8とした。また、助剤のガラスを5.0重量部加えた以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例9とした。また、助剤のガラスを6.6重量部加えた以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例10とした。
助剤のガラスを2.5重量部加えたものとし、960℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例11とした。また、助剤のガラスを4.0重量部加えたものとし、960℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例12とした。また、助剤のガラスを6.0重量部加えたものとし、960℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例13とした。また、助剤のガラスを7.0重量部加えたものとし、960℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例14とした。
単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で90:10とした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例15とした。また、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で85:15とした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例16とした。また、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で75:25とした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例17とした。
平均粒径が0.4μm、比表面積が6.6m2/gであるAl2O3(住友化学製AES11C)を用い、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で85:15とした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例18とした。また、平均粒径が1.0μm、比表面積が3.5m2/gであるAl2O3(岩谷化学製RA40)を用い、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で85:15とした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例19とした。また、平均粒径が2.6μm、比表面積が3.3m2/gであるAl2O3(昭和電工製A−78)を用い、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で80:20とした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例20とした。また、平均粒径が6.7μm、比表面積が0.9m2/gであるAl2O3(昭和電工製A−44)を用い、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で80:20とした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例21とした。
助剤としてCuOに代えてMgO(協和化学工業製酸化マグネシウムT)を1.0重量部加えたものとし、960℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例22とした。また、助剤としてCuOに代えて、B2O3として1.0重量部となるようにH3BO3(シグマアルドリッチ製ほう酸)を加えたものとし、960℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例23とした。また、助剤としてCuOに代えてZnO(高純度化学研究所製酸化亜鉛99.9%)を1.0重量部加えたものとし、960℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例24とした。また、助剤としてCuOに代えてBi2O3(高純度化学研究所製酸化ビスマス)を1.0重量部加えたものとし、960℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例25とした。また、助剤としてCuOに代えてZrO2(東ソー製TZ−0)を1.0重量部加えたものとし、960℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例26とした。
助剤のCuOを加えないものとし、1100℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例27とした。また、助剤のCuOを加えないものとし、1300℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例28とした。
助剤のガラスを加えないものとした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例29とした。また、助剤のガラスを1.0重量部加えたものとした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例30とした。また、助剤のガラスを10重量部加えたものとした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例31とした。
Al2O3を加えないものとした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例32とした。また、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で95:5とした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例33とした。また、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で70:30とした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例34とした。また、平均粒径が0.5μm、比表面積が48m2/gであるAl2O3(岩谷化学製RA40)を用いた以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例35とした。
助剤としてCuOに代えてTiO2(高純度化学研究所製二酸化チタン3N)を1.0重量部加えたものとし、960℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例36とした。
斜方晶BaSi2O5を用い、斜方晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で90:10とした以外は、実験例20と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例37とした。また、1000℃で焼成した以外は、実験例37と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例38とした。なお、斜方晶BaSi2O5には、3.2重量%のBi2O3と4.0重量%のZnOとが含まれている。
助剤としてMg−Ba−Si−B−O系ガラスを用いた以外は、実験例16と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例39とした。実験例39のガラスを元素分析したところ、SiO2が14.00重量%、BaOが12.00重量%、B2O3が25.00重量%
、Al2O3が2.00重量%、MgOが47.00重量%含まれている組成であった。また、助剤としてBa−Si−O系ガラスを用いた以外は、実験例16と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例40とした。実験例40のガラスを元素分析したところ、SiO2が45.00重量%、BaOが51.60重量%、Al2O3が3.40重量%含まれている組成であった。また、助剤としてBa−Si−O系ガラスを用いた以外は、実験例16と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例41とした。実験例41のガラスを元素分析したところ、SiO2が16.40重量%、BaOが83.60重量%含まれている組成であった。また、助剤としてNa−Si−Zn−O系ガラスを用いた以外は、実験例16と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例42とした。実験例42のガラスを元素分析したところ、SiO2が40.00重量%、ZnOが40.00重量%、Na2Oが20.00重量%含まれている組成であった。
Al2O3を加えずに、六方晶(Hexagonal)セルシアン(hセルシアンとも称する)の100重量部に対して助剤のガラスを6.0重量部加え、助剤のCuOを1.0重量部加えた以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例43とした。六方晶セルシアンとしては、合成した粉末を用いた。また、Al2O3を加えずに、単斜晶(Monoclinic)セルシアン(mセルシアンとも称する)の100重量部に対して助剤のガラスを6.0重量部加え、助剤のCuOを1.0重量部加えた以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例44とした。単斜晶セルシアンとしては、合成した粉末を用いた。
実験例43,44に用いたセルシアンは以下の工程により作製した。原料にBaCO3(堺化学製高純度炭酸バリウム99.9%)、SiO2(トクヤマ製エクセリカSE−1)、Al2O3(岩谷化学製RA40)、焼カオリン(エンゲルハード社製Al2O3・2SiO2)を用いてBaAl2Si2O8(以下hセルシアンおよびmセルシアン)を合成した。hセルシアン合成粉は、BaO:Al2O3:SiO2がモル比で1:1:2となるようBaCO3、SiO2、Al2O3を秤量し、IPAを溶媒としたボールミルにて4時間混合しスラリーを調整した。#100篩に通したあと、窒素雰囲気110℃、16h乾燥し、得られた粉末を1500℃大気で6時間焼成した。得られた合成粉をメノウ乳鉢で解砕し#100篩に通したあと、直径5mmのZrO2玉石で20時間湿式粉砕し乾燥してhセルシアン粉末を得た。mセルシアン合成粉は、BaO:Al2O3:SiO2がモル比で1:1:2となるようBaCO3と焼カオリンを秤量し上記hセルシアンと同様のプロセスを経て得られた。
強化粒子としてのAl2O3の代わりにMgAl2O4(昭和電工製ショウスピネルFAM)を用いた以外は実験例15と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例45とした。また、Al2O3の代わりに2Al2O3・SiO2(昭和電工製ショウムライトRM)を用いた以外は実験例15と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例46とした。また、Al2O3の代わりにコージェライト(2MgO・5SiO2・2Al2O3)を用いた以外は実験例15と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例47とした。また、Al2O3の代わりにZrO2(東ソー製TZ−0)を用いた以外は実験例15と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例48とした。また、Al2O3の代わりにMgO(協和化学工業製酸化マグネシウムT)を用いた以外は実験例15と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例49とした。
平均粒径が0.3μm、比表面積が16m2/gの単斜晶BaSi2O5を用い、焼成温度を880℃とした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例50とした。なお、単斜晶BaSi2O5の合成時の焼成温度は1200℃である。
平均粒径が1.0μm、比表面積が4.3m2/gの単斜晶BaSi2O5を用い、単斜晶BaSi2O5とAl2O3とを体積比率で80:20とした以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例51とした
助剤のガラスを8.0重量部加え910℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例52とした。また、助剤のガラスを10.0重量部加え910℃で焼成した以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例53とした。また、助剤のガラスを8.0重量部加えた以外は、実験例2と同様の工程を経て得られた焼結体を実験例10とした。
作製した焼結体について、密度及び開気孔率を測定した。密度及び開気孔率は、JIS−R1634に従い、純水を媒体に用い、アルキメデス法により評価した。なお、密度は、嵩密度として求めた。
作製した焼結体について、抗切強度測定を行った。抗切強度測定は、1.5×2×20mmの試験片を用いて、JIS−R1601に従い、強度試験器(島津製作所製S500C)を用い、3点曲げ強度試験により評価した。
誘電率ε及びQ値は、JIS−1627に従い、直径20mm×10mm円柱試験片を用いて、測定器(HewlettPackard製8720ES)により評価した。Q値は、3GHzでの値とした。
熱膨張係数は、1.5×2×20mm角形状の試験片を用いて、横型熱膨張計により評価した。測定は、石英を参照物質として10℃/分で昇温し、40℃以上800℃以下の範囲で行った。熱膨張係数は、40℃を基準温度とし、800℃での値とした。
作製した焼結体について、回転対陰極型X線回折装置(理学電機製RINT)を用いてX線回折測定を行った。X線回折測定は、CuKα線源,50kV,300mA,2θ=10〜60°)の条件で行った。各焼結体から得られたX線回折パターンから結晶相を同定した。また、Al2O3及び単斜晶BaSi2O5が含まれる焼結体については、Al2O3の2θ=43°近傍のピーク強度IAと、単斜晶BaSi2O5の2θ=11°近傍のピーク強度Ihとを用い、このピーク強度比IA/Ihを求めた(後述図2参照)。このピーク強度比IA/Ihは、厳密ではないがアルミナと六方晶セルシアンとの含有比率を概念的に表す値である。
元素分析は、ICP発光分光測定器を用いて測定した。
作製した焼結体を電子顕微鏡(SEM)により撮影した。SEM撮影は、各焼結体を切断した切断面を観察し、SEM(フィリップス社製XL30)を用いて行った。SEM撮影は、加速電圧15kV、スポットサイズ4.0の条件で行った。
実験例1〜26の助剤添加量(重量%)、アルミナ(Al2O3)の平均粒径(μm)、比表面積(m2/g)及び添加量(体積%)、焼結体の焼成温度(℃)、開気孔率(%)、嵩密度(g/cm3)、抗切強度(MPa)、誘電率ε、Q値、熱膨張係数(1/K)、X線回折のピーク強度比IA/Ih、反応結晶相をまとめたものを表1に示す。また、実験例1,6,10,11,14,15,17,24,25,26の元素分析結果を表2に示す。また、実験例27〜36の助剤添加量(重量%)、アルミナの平均粒径(μm)、比表面積(m2/g)及び添加量(体積%)、焼結体の焼成温度(℃)、開気孔率(%)、嵩密度(g/cm3)、抗切強度(MPa)、誘電率ε、Q値、熱膨張係数(1/K)、X線回折のピーク強度比IA/Ih、反応結晶相をまとめたものを表3に示す。また、実験例27,32〜34の元素分析結果を表4に示す。この表1〜4は、焼成温度、ガラス材、酸化物及びアルミナなどの条件を検討した結果である。なお、表中の空欄は未測定であり、「−」は検出限界か測定不可のいずれかを示している。
BaTiO3系粉末に市販のZnO−B2O3-SiO2系ガラス(ASF1939、旭硝子製)を2〜6重量%添加し、直径2mmのZrO2玉石を用い、IPAを溶媒として
12時間湿式粉砕後、乾燥し異種誘電材料の粉末を得た。
BaSi2O5粉末を88重量部、mセルシアンを9重量部、市販のBaO−B2O3−SiO2系ガラス(ASF1780、旭硝子製)を3重量部を所望の組成となるよう混合し、IPAを溶媒とし、φ2mmZrO2玉石を用いたボールミルで粉砕した。粉砕後、窒素雰囲気、110℃×16h乾燥し中間層粉末を得た。
上記作製した中間層の原料粉末を45重量部、有機バインダを8重量部、可塑剤を2重量部、分散剤を1重量部、有機溶媒を44重量部、添加しボールミルで10時間混合した。得たスラリーをドクターブレード装置にて0.02〜0.1mm厚さのテープを作製した。セラミックス焼結体のテープを20枚積層した上に中間層テープを1枚または2枚積層、もしくは中間層スラリーを印刷した後、異種誘電材料をさらに20枚積層した。積層体を大気中910〜930℃で大気焼成した。セラミックス焼結体の厚さは0.6mmであり、異種誘電材料の厚さは0.6mmであった。このとき、中間層の厚さを0μm,0.5μm,1.5μm,3.0μm,5.0μm,10.0μm,30.0μmとしたものをそれぞれ実験例55〜61とした。
上記作製した異種誘電材料の粉末を3×4×40mmの金型へ充填し、プレス圧76kg/cm2で金型成形し、その上にセラミックス焼結体の原料粉末を充填し、再度プレス圧76kg/cm2で金型成形した。その後3000kg/cm2でCIP成形し、910〜930℃で大気焼成した。後述する表12に示す組成となるようにガラス材や添加剤を混合して実験例62〜65を作製した。特に、実験例62はZnOが1.5重量%含まれ、実験例63〜65はZnOが含まれない組成となるように作製した。
作製した積層体を電子顕微鏡(SEM)により撮影し、評価した。SEM撮影は、SEM(フィリップス社製XL30)を用い、各積層体を切断した切断面の反射電子像を観察して行った。セラミックス焼結体と異種誘電材料との界面で焼成により反応して生成した反応層の厚さは、SEM写真(×3000)で観察された反応層を等間隔に5箇所測定し、その平均値とした。図3は、実験例55、60,63の積層体の断面のSEM写真である。
作製した実験例55〜61の積層体の誘電率ε、中間層の厚さ(μm)、反応層の厚さ(μm)、クラックの有無、孔の有無、接合状態の判定結果をまとめて表11に示す。実験例55のように、ZnOを含む助剤を用いた異種誘電材料と本発明のセラミックス焼結体とを直接接合して焼成した積層体では、異種誘電材料層とセラミックス焼結体層とが反応して生成した反応層において、比較的大きな孔やクラックが生じ接合状態が好ましくないことがわかった。ここで、反応層を詳細に分析したところ、反応層はmセルシアンを多く含むことがわかった。この点より、焼成時に、Znの存在によってhセルシアンがmセルシアンへ相変化するなどし、体積変化などによりクラックや孔が生成したものと推察された。そこで、相変化を促進する元素が存在しても相変化が起きない材料を含む中間層を異種誘電材料層とセラミックス焼結体層との間に設けた。ここでは、中間層として相変化後の生成物であるmセルシアンを用いた。表11に示すように、この中間層の厚さが1.5μm以下では反応層の厚さが大きく、クラックや孔の発生を抑制することができないが、中間層の厚さが1.5μmを超え、3.0μm以上となると、反応層の厚さが小さくなり、クラックや孔の発生を抑制し、好適な接合状態を得ることができることがわかった。また、中間層がバリア的に機能するため、異種誘電材料を構成するガラスの成分が拡散してしまうのをより抑制し、異種誘電材料での誘電率の変化をより抑制することができる。この中間層は、1.5μmを超え、40μm以下の範囲が好ましいと推察された。なお、中間層を設ける手法は、セルシアンの相変化を促進するZn以外の他元素に対しても有効であると推察された。
Claims (22)
- 珪酸バリウム中にガラス成分と所定の添加酸化物の成分と酸化アルミニウム粒子とを含み、前記酸化アルミニウム粒子の外周に六方晶セルシアンが存在する構造を有する、
セラミックス焼結体。 - X線回折における前記酸化アルミニウムの2θ=43°でのピーク強度をIAとし、X線回折における前記六方晶セルシアンの2θ=11°でのピーク強度をIhとしたとき、ピーク強度比IA/Ihが0.2以上0.7以下の範囲である、請求項1に記載のセラミックス焼結体。
- 前記酸化アルミニウム粒子は、平均粒径が0.4μm以上10μm以下の範囲である、請求項1又は2に記載のセラミックス焼結体。
- 前記所定の添加酸化物の成分は、Cu,Mg,B,Zn,Bi,Zrのうち少なくとも1以上であり、珪酸バリウム及び酸化アルミニウムを含む全体に対して酸化物換算で0.5重量%以上3重量%以下の範囲で配合されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載のセラミックス焼結体。
- 前記ガラス成分は、Ba,Si及びBを含んでいる、請求項1〜4のいずれか1項に記載のセラミックス焼結体。
- 3点曲げ強度が250MPa以上である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のセラミックス焼結体。
- 3.0GHzにおけるQ値が2000以上である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のセラミックス焼結体。
- 開気孔率が0.5%以下である、請求項1〜7のいずれか1項に記載のセラミックス焼結体。
- 前記セラミックス焼結体は、酸化物換算でSrの含有量が0.5重量%以下である、請求項1〜7のいずれか1項に記載のセラミックス焼結体。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載のセラミックス焼結体よりなるセラミックス層と、
比誘電率が5以上2500以下である誘電材料よりなる誘電材料層と、
前記セラミックス層と前記誘電材料層との間に介在する中間層と、を備えたセラミックス構造体。 - 前記中間層は、単斜晶セルシアンを含有している、請求項10に記載のセラミックス構造体。
- 前記中間層は、厚さが3μm以上40μm以下である、請求項10又は11に記載のセラミックス構造体。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載のセラミックス焼結体よりなるセラミックス層と、
比誘電率が5以上2500以下である誘電材料よりなり、六方晶セルシアンを単斜晶セルシアン化する元素が1.5重量%未満である誘電材料層と、を備えたセラミックス構造体。 - 前記誘電材料層は、前記六方晶セルシアンを単斜晶セルシアン化する元素の含有量が酸化物として1.5重量%未満である、請求項13に記載のセラミックス構造体。
- 前記六方晶セルシアンを単斜晶セルシアン化する元素は、Zn,Sr,Li,Na,Ca,Tiのうち少なくとも1以上である、請求項13又は14に記載のセラミックス構造体。
- 前記誘電材料層の界面には反応層が生成しており、該反応層の厚さが3μm以下である、請求項10〜15のいずれか1項に記載のセラミックス構造体。
- 珪酸バリウムと酸化アルミニウムと所定のガラス材と所定の添加酸化物とを(1)〜(2)の条件で配合して配合原料を作製する原料配合工程と、
前記配合原料を成形して850℃以上1000℃以下で焼成する焼成工程と、
を含むセラミックス焼結体の製造方法。
(1)前記珪酸バリウムは、単斜晶であり、平均粒径が0.3μm以上1μm未満の範囲であり、比表面積が5m2/g以上20m2/g以下の範囲である。
(2)前記酸化アルミニウムは、平均粒径が0.4μm以上10μm以下であり、比表面積が0.8m2/g以上8m2/g以下であり、珪酸バリウムに対して10体積%以上25体積%以下の範囲で配合する。 - 前記原料配合工程では、更に(3)の条件で配合して配合原料を作製する、請求項17に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
(3)前記所定のガラス材は、Ba−Si−B−O系ガラスであり、珪酸バリウム及び酸化アルミニウムを含む全体に対して2重量%以上10重量%以下の範囲で配合する。 - 前記原料配合工程では、更に(4)の条件で配合して配合原料を作製する、請求項17又は18に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
(4)前記所定の添加酸化物は、Cu,Mg,B,Zn,Bi及びZrのうち少なくとも1以上の酸化物であり、珪酸バリウム及び酸化アルミニウムを含む全体に対して0.5重量%以上3重量%以下の範囲で配合する。 - 前記焼成工程では、960℃以下で焼成する、請求項17〜19のいずれか1項に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
- 前記原料配合工程のまえに、バリウム化合物と珪素化合物とを混合しBi及びZnを添加せずに焼成して単斜晶の珪酸バリウムを作製する原料作製工程、を含む、請求項17〜20のいずれか1項に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
- 前記原料配合工程では、前記セラミックス焼結体において酸化物換算でSrの含有量が0.5重量%以下となるよう配合原料を作製する、請求項17〜21のいずれか1項に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
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