JP2016160114A - 焼結体及びエレクトレット材 - Google Patents

Abstract

【課題】エレクトレット材等に用いて好適な六方晶アパタイト類似の組成と結晶構造を有する焼結体と、該焼結体を用い、且つ、安定後の表面電位が１３００Ｖ以上のエレクトレット材を提供する。【解決手段】カチオンとしての第１金属イオンと、アニオンとしての水酸化物イオン及びリン酸イオンとを少なくとも含む六方晶アパタイト類似の組成と結晶構造を有する焼結体１２を具備し、さらに、該焼結体１２が前記第１金属イオンとは異なる第２金属イオンを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、六方晶アパタイト類似の組成と結晶構造を有する焼結体と、例えば機械エネルギーを電気エネルギーに変換する装置等に利用されるエレクトレット材とに関する。

周囲に静電場を提供する帯電物質であるエレクトレット材は、従来、エレクトレットコンデンサーマイクロホン（ＥＣＭ）や、集塵フィルタ等に利用されてきた。また、近年では、エネルギーハーべスティング技術の一方式である静電式振動発電機への利用が有望視されており、環境振動を駆動源とする、集積回路組み込み型のマイクロワット〜ミリワット発電機用の発電素子として、実用化に向けた研究開発がなされている（特許文献１〜３参照）。

特許文献１記載の技術は、エレクトレット薄膜を金属表面上に形成し、もしくはエレクトレット自立膜を金属表面上に密着させ、その状態のままコロナ放電等の方法で表面電荷を与え、エレクトレット薄膜を金属表面より剥離する。金属面とエレクトレット膜の中間に付加的な薄膜層もしくは複数の薄膜層を形成する。

特許文献２記載の技術は、エレクトレットコーティング膜に、キシレン（２５℃）に対して５質量％以上の濃度で溶解する溶解度を有するシクロオレフィンポリマーを含有する。

特許文献３記載の技術は、有機高分子と比誘電率が２．０〜４．０×１０³の無機微粒子とを含む有機無機複合材料からなる層を有する。

特開２００９−２０７３４４号公報 特開２００９−２１２４３６号公報 特開２００９−２５３０５０号公報

特許文献１〜３に記載のエレクトレット材には、ポリマーを主体とするエレクトレット膜が用いられている。しかし、これらポリマー材のポリマー鎖は弱いファンデルワールス力によって結合していることから動きやすく、基材としての諸物性の長期安定性やエレクトレット材としての電荷保持性に難がある。

そこで、ファンデルワールス力よりも強いイオン結合や共有結合から成り、ポリマー材と比して諸物性の長期安定性や電荷保持性に優れたセラミックスのみからなる高性能なエレクトレット材の提供が期待されるが、現時点までに関連する発明がないのが現状である。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、エレクトレット材等に用いて好適な六方晶アパタイト類似の組成と結晶構造を有する焼結体と、該焼結体を用い、且つ、安定後の表面電位が１３００Ｖ以上のエレクトレット材を提供することを目的とする。

［１］ 第１の本発明に係る焼結体は、カチオンとしての第１金属イオンと、アニオンとしての水酸化物イオン及びリン酸イオンとを少なくとも含む六方晶アパタイト類似の組成と結晶構造を有する焼結体であって、さらに、前記第１金属イオンとは異なる第２金属イオンを含むことを特徴とする。

ここで、アパタイトとは、組成式Ｍ₁₀（ＺＯ₄）₆（Ｘ）₂で表される化合物の総称である。ただし、非化学量論組成をとることも多い。Ｍには、アルカリ土類金属イオンやＣｄ²⁺（カドミウム(ＩＩ)イオン）、Ｐｂ²⁺（鉛(ＩＩ)イオン）、Ｓｎ²⁺（スズ(ＩＩ)イオン）といった２価のカチオンのほか、希土類イオンやアルカリ金属イオン等が入り、ＺＯ₄には、ＳｉＯ₄ ^4-（オルトケイ酸イオン）、ＰＯ₄ ^3-（リン酸イオン）、ＶＯ₄ ^3-（オルトバナジン酸イオン）、ＡｓＯ₄ ^3-（ヒ酸イオン）、ＳＯ₄ ^2-（硫酸イオン）、ＣｒＯ₄ ^2-（クロム酸イオン）、ＭｎＯ₄ ^2-（マンガン酸イオン）等が入る。また、Ｘには、ハロゲンイオンやＯＨ^-（水酸化物イオン）、ＣＮ^-（シアン化物イオン）といった１価のアニオンのほか、Ｓ^2-（硫化物イオン）、Ｏ^2-（酸化物イオン）、ＣＯ₃ ^2-（炭酸イオン）等のアニオンが入る。

アパタイトは、代表的なアパタイト鉱物であるフッ素燐灰石（Ｃａ₁₀（ＰＯ₄）₆Ｆ₂）に特徴的な、単位格子が六方晶系に分類されて、且つ、空間群がＰ６₃／ｍであるような結晶構造を有していることが多い。この場合、カチオンＭは、ｃ軸に沿って直線的に配列した９配位サイト（ｃｏｌｕｍｎａｒサイト）と、ｃ軸に対して垂直な正三角形が螺旋状に積層した７配位サイト（ｓｃｒｅｗサイト）の２種類を４：６の配分比で占め、その間を埋めるように独立アニオンＺＯ₄が３次元配列を成している。また、アニオンＸは、ｃｏｌｕｍｎａｒサイトを占めるカチオンＭと同様、ｃ軸に沿って直線的に配列している。

［２］ 第１の本発明において、前記第１金属イオンは、Ｃａ²⁺（カルシウムイオン）であってもよい。また、第１の本発明に係る焼結体は、例えば六方晶ハイドロキシアパタイト類似の組成と結晶構造を有してもよい。六方晶ハイドロキシアパタイトとは、化学量論を満たしている場合の組成がＣａ₁₀（ＰＯ₄）₆（ＯＨ）₂であり、単位格子が六方晶系に分類されて、且つ、空間群がＰ６₃／ｍであるような結晶構造を有する化合物のことである。

［３］ 第１の本発明において、前記第２金属イオンは、１価カチオンであることが好ましい。

［４］ 第１の本発明において、前記第２金属イオンはＮａ⁺（ナトリウムイオン）であることが好ましい。

［５］ 第１の本発明において、前記第２金属イオンは、Ｌｉ⁺（リチウムイオン）であることが好ましい。

［６］ 第１の本発明において、前記第１金属イオンのモル含有量をＭａ、前記第２金属イオンのモル含有量をＭｂとしたとき、第２金属イオンのモル含有比（Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ））は、
０．０５＜Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ）＜０．５
であることが好ましい。

［７］ 第２の本発明に係るエレクトレット材は、安定後の表面電位が１３００Ｖ以上であることを特徴とする。

本発明によれば、エレクトレット材等に用いて好適な六方晶アパタイト類似の組成と結晶構造を有する焼結体と、該焼結体を用い、且つ、安定後の表面電位が１３００Ｖ以上のエレクトレット材を実現することができる。

本実施の形態に係る焼結体及びエレクトレット材を模式的に示す断面図である。 本実施の形態に係る焼結体及びエレクトレット材の製造方法を示すフローチャートである。 サンプル１の製造方法並びに各種測定の実施時期を代表的に示すフローチャートである。 図４Ａは第４焼結体の表面に電極を形成した状態を示す平面図であり、図４Ｂは第４焼結体の裏面に電極を形成した状態を示す平面図である。 第４焼結体に対する分極処理の方法を示す説明図である。

以下、本発明に係る焼結体及びエレクトレット材の実施の形態例を図１〜図５を参照しながら説明する。なお、本明細書において数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。

本実施の形態に係る焼結体は、カチオンとしてのＣａ²⁺（カルシウムイオン）と、アニオンとしての水酸化物イオン及びリン酸イオンとを少なくとも含む六方晶ハイドロキシアパタイト類似の組成と結晶構造を有し、さらに、第１金属イオン（カルシウムイオン）とは異なる第２金属イオンを含む。又は、本実施の形態に係る焼結体は、カチオンとしての第１金属イオンと、アニオンとしての水酸化物イオン及びリン酸イオンとを少なくとも含む六方晶アパタイト類似の組成と結晶構造を有する。ここで、該焼結体は第１金属イオンがＣａ²⁺（カルシウムイオン）である六方晶ハイドロキシアパタイト類似の組成と結晶構造を有し、さらに、第１金属イオン（カルシウムイオン）とは異なる第２金属イオンを含むことが好ましい。

ここで、六方晶ハイドロキシアパタイトとは、化学量論を満たしている場合の組成がＣａ₁₀（ＰＯ₄）₆（ＯＨ）₂であり、単位格子が六方晶系に分類されて、且つ、空間群がＰ６₃／ｍであるような結晶構造を有する化合物を指す。

この場合、Ｃａ²⁺（カルシウムイオン）は、ｃ軸に沿って直線的に配列した９配位サイト（ｃｏｌｕｍｎａｒサイト）と、ｃ軸に対して垂直な正三角形が螺旋状に積層した７配位サイト（ｓｃｒｅｗサイト）の２種類を４：６の配分比で占め、その間を埋めるようにＰＯ₄ ^3-（リン酸イオン）が３次元配列を成している。また、ＯＨ^-（水酸化物イオン）は、ｃｏｌｕｍｎａｒサイトを占めるカルシウムイオンと同様、ｃ軸に沿って直線的に配列している。

そして、本実施の形態に係る焼結体は、上記第２金属イオンとして、１価カチオンが添加されている。１価カチオンは、Ｌｉ⁺（リチウムイオン）、Ｎａ⁺（ナトリウムイオン）、Ｋ⁺（カリウムイオン）、Ｒｂ⁺（ルビジウムイオン）、Ａｇ⁺（銀イオン）、Ｃｓ⁺（セシウムイオン）等を例示することができる。その中でも、Ｌｉ⁺、Ｎａ⁺が好ましい。

また、第１金属イオンのモル含有量をＭａ、第２金属イオンのモル含有量をＭｂとしたとき、第２金属イオンのモル含有比（Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ））は、
０．０５＜Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ）＜０．５
である。

本実施の形態において、焼結体の平均粒径は２〜１００μｍであることが好ましい。さらに好ましくは２〜５０μｍであり、より好ましくは、２〜２０μｍである。

また、焼結体の水酸化物イオンの含有量は、量論ＨＡよりも少ないことが好ましい。また、焼結体の焼結率は８０％以上であることが好ましい。

そして、本実施の形態に係るエレクトレット材１０は、図１に模式的に示すように、上述した本実施の形態に係る焼結体１２を具備し、該焼結体１２が分極処理されて構成されている。

エレクトレット材１０は、安定した状態での表面電位（絶対値）として１３００Ｖ以上を実現することができる。すなわち、表面電位の測定開始時点から５４００秒経過後の表面電位（絶対値）が１３００Ｖ以上である。

ここで、本実施の形態に係る焼結体１２並びにエレクトレット材１０の製造方法について図２を参照しながら説明する。

先ず、図２のステップＳ１において、少なくとも水酸化物イオン、リン酸イオン、第１金属イオン及び第２金属イオンを有する原料粉末を成形して成形体を作製する（成形工程）。

その後、ステップＳ２において、成形体を焼成して六方晶ハイドロキシアパタイト類似の組成と結晶構造を有する焼結体１２を作製する（焼成工程）。

ステップＳ３において、焼結体１２を分極処理する。これにより、本実施の形態に係るエレクトレット材１０を得ることができる。

特に、ステップＳ２の焼成工程は、成形体を、例えば１２５０℃の温度（焼成温度）で焼成する工程を含む。この場合、雰囲気としては大気雰囲気や水蒸気雰囲気が挙げられる。また、焼成温度における保持時間は例えば１〜３時間とすることが挙げられる。

また、ステップＳ３における分極処理は、焼結体１２に一対の電極を介して直流電圧を印加する工程を含むことが好ましい。さらに好ましくは、該分極処理が、加熱後に一定時間、焼結体１２に直流電界を印加した後、直流電界を印加したまま焼結体１２を冷却する工程を含むことである。例えば、ボックス炉で１５０〜３００℃まで昇温（加熱）した焼結体１２に、電極を介して１．５時間〜３時間直流電圧を印加した後、直流電圧を印加したまま焼結体１２を室温まで放冷する等である。

サンプル１〜１７並びに対照サンプルＳについて、焼結体の焼結率、平均粒径、焼結体の第２金属イオンのモル含有比、不純物含有レベル、並びにエレクトレット材とした場合の表面電位を評価した。

（サンプル１）
サンプル１の作製並びに測定について図３のフローチャートを参照しながら説明する。これは後述するサンプル２〜１７並びに対照サンプルＳについても同様の流れで行われる。

図３のステップＳ１０１において、成形体を作製した。先ず、（ＮＨ₄）₂ＨＰＯ₄（Ｃａｔ．Ｎｏ．＝０１３０９−００：関東化学株式会社製）を、煮沸処理により炭酸ガスを除去した純水（脱炭酸水）に溶解して０．３Ｍの（ＮＨ₄）₂ＨＰＯ₄水溶液を２８０ｍＬ調整し、さらにｐＨ１０．５となるように適宜２５％アンモニア水（販売元コード＝０１０−０３１６６：和光純薬工業株式会社製）を添加した（第１反応溶液）。

Ｃａ（ＮＯ₃）₂・４Ｈ₂Ｏ（Ｃａｔ．Ｎｏ．＝０７０８２−０８：関東化学株式会社製）及びＬｉＮＯ₃（Ｃａｔ．Ｎｏ．＝２４１３３−００：関東化学株式会社製）を四つ口フラスコ中で脱炭酸水に溶解し、０．７Ｍの金属硝酸塩水溶液を２００ｍＬ調整した。ここで、水溶液中のカルシウムイオンのモル濃度（ｍ_C）とリチウムイオンのモル濃度（ｍ_L）は、ｍ_C＝０．６６５Ｍ及びｍ_L＝０．０３５Ｍとした。すなわち、リチウムイオンのモル濃度比（仕込みのモル濃度比ｍ_L／（ｍ_C＋ｍ_L））を０．０５とした。

金属硝酸塩水溶液は、四つ口フラスコごとオイルバスにセットして、Ｎ₂ガス雰囲気下で撹拌しながら９０℃に温めたのち、ｐＨ１０．５となるように適宜２５％アンモニア水を添加した（第２反応溶液）。

第２反応溶液に、第１反応溶液を滴下し、さらに、ｐＨ１０．５に調整したアンモニア水１２０ｍＬを注ぐことで、析出物の分散した懸濁液とした。

懸濁液は、９０℃に温めた状態のまま１８時間攪拌し続けた（熟成）後、静置して冷却することで固形物を沈降させた。吸引濾過により濾別した固形物は、６０℃で乾燥させた後、粉砕して、原料粉末とした。

次に、市販の重合度約１５００のポリビニルアルコール（販売元コード＝１６０−０３０５５：和光純薬工業株式会社製）の水溶液を調製し、これを上述の原料粉末と混ぜて混合物を調製した。このとき、ポリビニルアルコールの量は混合物全体の３．２質量％となるようにした。

その後、混合物を温度６０℃で乾燥させた。乾燥後の混合物を乳鉢で粉砕し、さらに、＃４００及び＃１００のふるいを用いて４０〜１５０μｍの粒径に分級した。

分級済みの粉体を約０．３０ｇ秤量し、直径１３ｍｍの錠剤成形器に入れ、一軸加圧成形を行って、直径約１３ｍｍ、厚さ約１.１ｍｍの円盤状の成形体を作製した。

ステップＳ１０２において、作製した成形体を管状炉内（ＮＨ−１４１５Ｃ−ＳＰ：株式会社モトヤマ製）に設置し、大気雰囲気中、１２５０℃で２時間保持した後に自然放冷（焼結処理）することで、直径約１０ｍｍ、厚さ約１.０ｍｍの円盤状の焼結体１２を得た。その後、ステップＳ１０３において、焼結体１２の表面１２ａ及び裏面１２ｂをダイヤモンドラッピングフィルムでそれぞれ約３０μｍずつ研磨した。焼結体１２は４種類作製した。すなわち、ＸＲＤ測定用の第１焼結体１２と、ＩＣＰ−ＡＥＳ測定用の第２焼結体１２と、ＳＥＭ観察用の第３焼結体１２と、表面電位測定用のエレクトレット材１０の基材となる第４焼結体１２を作製した。

次に、ステップＳ１０４において、第１焼結体１２のＸＲＤ測定を行い、ステップＳ１０５において、第２焼結体１２のＩＣＰ−ＡＥＳ測定を行った。また、ステップＳ１０６において、第３焼結体１２を０．１Ｍの塩酸溶液に３０秒間浸漬することでエッチング処理した後、ステップＳ１０７において、第３焼結体１２のエッチング面のＳＥＭ観察を行った。

その後、ステップＳ１０８において、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第４焼結体１２の表面１２ａ及び裏面１２ｂに電極１４をそれぞれ形成した。電極１４の材質としては、例えば金（Ａｕ）を用いることができる。具体的には、中央に直径８ｍｍの円をくり抜いたおおむね１９ｃｍ角のカプトンテープ（図示せず）を、円の中心が、直径約１０ｍｍの第４焼結体１２の表面１２ａ及び裏面１２ｂの中心にくるようにそれぞれ貼り付けてマスキングし、金スパッタすることで第４焼結体１２の表面１２ａ及び裏面１２ｂに電極１４を形成した。

ステップＳ１０９において、第４焼結体１２の分極処理を行った。分極処理は次のようにして行った。先ず、図５に示すように、電極１４をつけた第４焼結体１２を上下から白金線１６を巻いたアルミナ棒１８で挟み、両端をフッ素樹脂製の糸２０で固定した。次に、分極処理時における大気の絶縁破壊に起因する印加電圧の降下を防ぐために、一式をシリコンオイル２２（ＫＳ−６４Ｆ：信越化学工業株式会社製）で覆った後、これを電気炉（ＭＭＦ−１：アズワン株式会社製）内に設置した。さらに、一式を２００℃まで昇温し、そのまま２時間保持することでシリコンオイル中の水を除去した後に白金線１６を直流高圧電源２４（ＡＭＡ−１０Ｋ２０ＲＢＸ：マクセレック株式会社製）に接続し、厚さ約１ｍｍの第４焼結体１２に対して、２００℃で８ｋＶの直流電圧を１時間印加することで、分極処理を行った。また、高温下での分極緩和を防ぐために、直流電圧は、第４焼結体１２の温度が完全に室温に下がるまで印加し続けた。

その後、ステップＳ１１０において、第４焼結体１２を分極処理して得たエレクトレット材１０の電極１４を除去した。具体的には、先ず、ダイヤモンドラッピングフィルム（ダイヤモンドの粒径＝約３０μｍ）で軽く研磨することで、大部分の電極１４を除去し、仕上げにアルミナペースト（アルミナの粒径＝約１０μｍ及び約３μｍ）を用いてバフ研磨を行った。その後、エタノールと純水でそれぞれ第４焼結体１２を分極処理して得たエレクトレット材１０の超音波洗浄を行った。

その後、ステップＳ１１１において、第４焼結体１２を分極処理して得たエレクトレット材１０の表面電位測定を行った。この表面電位測定を含む上述した各種測定の具体的な条件等は後述する。

（サンプル２）
Ｃａ（ＮＯ₃）₂・４Ｈ₂Ｏ及びＬｉＮＯ₃を用いて０．７Ｍの金属硝酸塩水溶液を２００ｍＬ調整した際に、水溶液中のカルシウムイオンのモル濃度（ｍ_C）とリチウムイオンのモル濃度（ｍ_L）を、ｍ_C＝０．６３０Ｍ及びｍ_L＝０．０７０Ｍとした点以外、すなわち、リチウムイオンの仕込みのモル濃度比（ｍ_L／（ｍ_C＋ｍ_L））を０．１０とした点以外は、上述したサンプル１と同様にして、サンプル２に係る焼結体１２及びエレクトレット材１０を作製した。

（サンプル３）
Ｃａ（ＮＯ₃）₂・４Ｈ₂Ｏ及びＬｉＮＯ₃を用いて０．７Ｍの金属硝酸塩水溶液を２００ｍＬ調整した際に、水溶液中のカルシウムイオンのモル濃度（ｍ_C）とリチウムイオンのモル濃度（ｍ_L）を、ｍ_C＝０．５６０Ｍ及びｍ_L＝０．１４０Ｍとした点以外、すなわち、リチウムイオンの仕込みのモル濃度比（ｍ_L／（ｍ_C＋ｍ_L））を０．２０とした点以外は、上述したサンプル１と同様にして、サンプル３に係る焼結体１２及びエレクトレット材１０を作製した。

（サンプル４〜６）
第２反応溶液の調製において、ＬｉＮＯ₃をＮａＮＯ₃（販売元コード＝１９５−０２５４５：和光純薬工業株式会社製）とした点以外は、上述したサンプル１、２及び３と同様にして、それぞれサンプル４、５及び６に係る焼結体１２及びエレクトレット材１０を作製した。

（サンプル７〜９）
第２反応溶液の調製において、ＬｉＮＯ₃をＫＮＯ₃（販売元コード＝０１６８−０４０３１：和光純薬工業株式会社製）とした点以外は、上述したサンプル１、２及び３と同様にして、それぞれサンプル７、８及び９に係る焼結体１２及びエレクトレット材１０を作製した。

（サンプル１０〜１２）
第２反応溶液の調製において、ＬｉＮＯ₃をＲｂＮＯ₃（販売元コード＝１８３−０１５８２：和光純薬工業株式会社製）とした点以外は、上述したサンプル１、２及び３と同様にして、それぞれサンプル１０、１１及び１２に係る焼結体１２及びエレクトレット材１０を作製した。

（サンプル１３〜１５）
第２反応溶液の調製において、ＬｉＮＯ₃をＣｓＮＯ₃（販売元コード＝０３０−０２００２：和光純薬工業株式会社製）とした点以外は、上述したサンプル１、２及び３と同様にして、それぞれサンプル１３、１４及び１５に係る焼結体１２及びエレクトレット材１０を作製した。

（サンプル１６、１７）
第２反応溶液の調製において、ＬｉＮＯ₃をＡｇＮＯ₃（Ｃａｔ．Ｎｏ．＝３７０７５−００：関東化学株式会社製）とした点以外は、上述したサンプル１及び２と同様にして、それぞれサンプル１６及び１７に係る焼結体１２及びエレクトレット材１０を作製した。

（対照サンプルＳ）
原料粉末として市販の単斜晶ハイドロキシアパタイト粉体（販売元コード＝０１１−１４８８２：和光純薬工業株式会社製）を用いた点以外は、上述したサンプル１と同様にして、対照サンプルＳに係る焼結体１２及びエレクトレット材１０を作製した。すなわち、対照サンプルＳに第２金属イオンは含有されていない。

＜評価方法及び評価結果＞
（焼結率の算出）
サンプル１〜１７及び対照サンプルＳに係る焼結体１２の焼結率は、マイクロメーターで測定した寸法と電子天秤で秤量した重量及び量論ＨＡの理論密度である３．１６ｇ／ｃｍ³を用いて、以下の式１により算出した。
焼結率［％］＝
焼結体１２の密度[g/cm³］÷量論ＨＡの理論密度［g/cm³］×１００
……（式１）

（不純物含有レベルの評価方法：ＸＲＤ測定）
サンプル１〜１７及び対照サンプルＳに係る第１焼結体の不純物含有レベルＬ_impは、ＸＲＤ測定の結果から、以下のようにして求めた。

サンプル１〜１７に係る第１焼結体のＸＲＤパターンは、粉末Ｘ線回折装置（ＲＩＮＴ２０００縦型ゴニオメーター：理学電機株式会社製）を用いて測定した。

ＸＲＤ測定の実施条件は以下の通りである。
・Ｘ線：ＣｕＫα（波長＝１５４．１８ｐｍ）
・管電圧：５０ｋＶ
・管電流：１００ｍＡ
・スキャンモード：２θ／θモード（連続法）
・測定範囲：２θ＝２０〜６０ｄｅｇ
・スキャンスピード：１．０ｄｅｇ／分
・サンプリング幅：０．０２ｄｅｇ

そして、ＸＲＤパターンのうち、六方晶ハイドロキシアパタイトの基本構造と同様のパターンにおける最大ピーク強度をＩ_HAとし、また、不純物を示すパターンの最大ピーク強度をＩ_impとしたとき、不純物含有レベルＬ_impを下記の式２のように定義した。
Ｌ_imp＝Ｉ_imp／Ｉ_HA ……（式２）

（ＩＣＰ−ＡＥＳ測定）
サンプル１〜１７に係る第２焼結体に含まれる第１金属（Ｃａ）と第２金属の含有量は、誘導結合プラズマ発光分光分析装置（ＳＰＳ３５００ＵＶ：株式会社日立ハイテクサイエンス社製）を用いて、検量線法により測定した。この際、Ｙ（イットリウム）を内標準物質として用いた。第２金属は、サンプル１〜３ではＬｉ、サンプル４〜６ではＮａ、サンプル７〜９ではＫ、サンプル１０〜１２ではＲｂ、サンプル１３〜１５ではＣｓ、サンプル１６及び１７ではＡｇである。

そして、ＩＣＰ−ＡＥＳ測定結果に基づいて、サンプル１〜１７に係る第２焼結体に含まれる第１金属イオンのモル含有量Ｍａと第２金属イオンのモル含有量Ｍｂを求め、さらに第２金属イオンのモル含有比（Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ））を求めた。

（平均粒径の算出：ＳＥＭ観察）
サンプル１〜１７及び対照サンプルＳに係る第３焼結体１２の平均粒径の変化を調べるために、ショットキー電界放出形走査電子顕微鏡（ＪＳＭ−７００１Ｆ：日本電子株式会社製）を使用してＳＥＭ観察を行った。

平均粒径の算出法を以下に示す。先ず、各第３焼結体１２のＳＥＭ画像上に、複数の粒子を通過するよう、ラインを引き、次に、ラインの長さＬを計測し、これをライン上に存在する粒子の数ｎで割った。この作業を、ランダムな２０本のラインに対して行い、以下の式３に従って平均粒径を算出した。

サンプル１〜１７の平均粒径は、１．５０〜２．００μｍの範囲にあった。

（表面電位測定）
電極１４を除去したエレクトレット材１０（サンプル１〜１７及び対照サンプルＳ：第４焼結体１２を分極処理したもの）に対して、表面電位計（ＭＯＤＥＬ３４７：トレック・ジャパン株式会社製）を用いて、表面電位測定を行った。測定の前処理として、エレクトレット材１０を１００℃で３時間熱処理して直ちに真空デシケーターに移した後、デシケーターごとグローブボックスに入れて放冷した。エレクトレット材１０は、乾燥空気の導入によりグローブボックス内の相対湿度を５％以下まで下げた後に、真空デシケーターから取り出した。表面電位測定は、グローブボックス内に設置した表面電位計及び自動ステージを用いて行った。なお、表面電位測定を行う際、エレクトレット材１０（サンプル１〜１７及び対照サンプルＳ）の表面に付着した電荷や表面近傍の空間電荷を取り除く目的で、接地された金属をエレクトレット材１０の表面に接触させている。この処理が終わった瞬間を測定開始時点（０秒）とした。

＜評価結果及び測定結果＞
サンプル１〜１７及び対照サンプルＳの評価結果及び測定結果を下記表１に示す。

（焼結率の評価結果）
サンプル１〜１７に係る第１焼結体〜第４焼結体について、上述した方法でそれぞれの焼結率を求めた後、これらの相加平均をとることで、各サンプルの平均焼結率を算出した。

上記表１からわかるように、サンプル１〜３の平均焼結率は全て９０％を超えていた。サンプル４〜６については、サンプル５のみが９０％を超えていた。残りのサンプル６〜１７は、全て９０％未満であった。

（不純物含有レベルの評価結果）
上記表１に示すように、不純物含有レベルが１．０以上のものは、サンプル３及び６であった。このサンプル３及び６については、表面電位測定を行わなかった。

（ＩＣＰ−ＡＥＳ測定の結果）
サンプル１〜１７のうち、サンプル１０〜１２（第２金属：Ｒｂ）並びにサンプル１３〜１５（第２金属：Ｃｓ）については、組成を特定できなかった。サンプル１〜１７のうち、サンプル１０〜１２（第２金属：Ｒｂ）並びにサンプル１３〜１５（第２金属：Ｃｓ）については組成を特定できなかったが、その他のサンプルについてはいずれも、第２金属イオンのモル含有比（Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ））が以下の範囲であった。
０．０５＜Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ）＜０．５

（表面電位測定結果）
上記表１では陽極側で分極処理した面（陽極処理面）の表面電位を示す。表１からわかるように、サンプル１及び２（第２金属：Ｌｉ）並びにサンプル４及び５（第２金属：Ｎａ）の表面電位は、いずれも対照サンプルＳの表面電位よりも高く、１３００Ｖ以上であった。また、第２金属イオンのモル含有比が多くなるに従って、表面電位も高くなる傾向にあった。

反対に、サンプル７〜９（第２金属：Ｋ）、サンプル１０〜１２（第２金属：Ｒｂ）、サンプル１３〜１５（第２金属：Ｃｓ）並びにサンプル１６及び１７（第２金属：Ａｇ）の表面電位は、いずれも対照サンプルＳの表面電位よりも低かった。また、第２金属イオンのモル含有比が多くなるに従って、表面電位も低くなる傾向にあった。

＜考察＞
上述した、各サンプルの評価結果及び測定結果から、焼結体１２及びエレクトレット材１０の好ましい態様は以下の通りであることがわかる。

（１） カチオンとしての第１金属イオンと、アニオンとしての水酸化物イオン及びリン酸イオンとを少なくとも含む六方晶アパタイト類似の組成と結晶構造を有する焼結体を具備し、さらに、該焼結体が、前記第１金属イオンとは異なる第２金属イオンを含むことが好ましい。

（２） 第１金属イオンは、Ｃａ²⁺（カルシウムイオン）であることが好ましい。すなわち、焼結体が、六方晶ハイドロキシアパタイト類似の組成と結晶構造を有することが好ましい。

（３） 第２金属イオンは、１価カチオンであることが好ましい。

（４） 第２金属イオンは、Ｎａ⁺（ナトリウムイオン）であることが好ましい。

（５） 第２金属イオンは、Ｌｉ⁺（リチウムイオン）であることが好ましい。

（６） 第１金属イオンのモル含有量をＭａ、第２金属イオンのモル含有量をＭｂとしたとき、第２金属イオンのモル含有比（Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ））は、
０．０５＜Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ）＜０．５
であることが好ましい。

上述した特性を満足することで、安定した状態での表面電位として１３００Ｖ以上を実現することができる。

なお、本発明に係る焼結体及びエレクトレット材は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…エレクトレット材 １２…焼結体

Claims (7)

1. カチオンとしての第１金属イオンと、アニオンとしての水酸化物イオン及びリン酸イオンとを少なくとも含む六方晶アパタイト類似の組成と結晶構造を有する焼結体であって、
   さらに、前記第１金属イオンとは異なる第２金属イオンを含むことを特徴とする焼結体。
2. 請求項１記載の焼結体において、
   前記第１金属イオンは、Ｃａ²⁺（カルシウムイオン）であることを特徴とする焼結体。
3. 請求項１又は２記載の焼結体において、
   前記第２金属イオンは、１価カチオンであることを特徴とする焼結体。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼結体において、
   前記第２金属イオンは、Ｎａ⁺（ナトリウムイオン）であることを特徴とする焼結体。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼結体において、
   前記第２金属イオンは、Ｌｉ⁺（リチウムイオン）であることを特徴とする焼結体。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の焼結体において、
   前記第１金属イオンのモル含有量をＭａ、前記第２金属イオンのモル含有量をＭｂとしたとき、第２金属イオンのモル含有比（Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ））は、
   ０．０５＜Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ）＜０．５
   であることを特徴とする焼結体。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の焼結体を具備し、安定後の表面電位が１３００Ｖ以上であることを特徴とするエレクトレット材。

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