JP2018093143A - 酸化亜鉛バリスタおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】酸化亜鉛バリスタ(積層バリスタ)の主原料である酸化亜鉛そのものに着目し、例えば結晶子サイズが20〜50nm、比表面積BET法による粒子径が15〜60nm、軽装嵩密度が0.38〜0.50g/cm3、タップ密度が0.50〜1.00g/cm3の酸化亜鉛粉末に所定量の添加物を添加する。これにより、酸化亜鉛焼結体において均一性、高い緻密性、高い電気伝導率を確保できる。
【選択図】図4
Description
近年では0.3μm以下のグレードに、化粧料向けを中心とした湿式法で合成される粉末も比較的安価に供給されている。融液形成や焼結助剤を利用せずに低温焼結を実現するには原料の酸化亜鉛粉末の粒子サイズが小さいことは重要であるが、本発明の課題の一つである粒成長抑制に関しては有効な手段の提案は見られない。以下に主な特許文献により、本発明の課題を明確にする。
特許文献3では自動車の排ガスの温度センサーとして性能向上が期待されるサーミスタの作製に関するものである。複酸化物であるサーミスタ焼結部材の組成の均一性と緻密な組織を両立させる前駆体の湿式合成(噴霧熱分解)と、得られた平均粒径30〜50nmの粉体の熱処理による、平均粒径0.1〜1μmへの粒成長を利用したタップ密度の向上からなっている。粒成長させた粒子を使用することでバインダーの使用量を削減でき、ニアネットシェイプの緻密な焼結体が得られる。しかしながら本方法では、焼結温度の低温化、粒成長の抑制は期待できない。
また、本発明に係る酸化亜鉛バリスタは、酸化亜鉛(ZnO)を主成分とし、粒界形成成分としてビスマス(Bi)、プラセオジム(Pr)からなる群より選択した1種類以上、遷移金属元素としてコバルト(Co)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)からなる群より選択した1種類以上の添加物を含み、前記酸化亜鉛は、動的散乱法により求められるメジアン径が30〜60nm、キュムラント径が40〜82nm、キュムラント多分散指数が0.05〜0.2、より好ましい範囲として0.05〜0.15、さらに好ましい範囲として0.05〜0.12であることを特徴とする。例えば、前記酸化亜鉛の粉末を1000℃で焼結した場合の結晶子サイズが70〜120nmであり、1150℃で焼結した場合の結晶子サイズが75〜170nmであることを特徴とする。また、例えば、1000℃から1150℃の範囲での焼結による前記酸化亜鉛の結晶子サイズの増加率が10%以下であることを特徴とする。また、例えば、上記酸化亜鉛バリスタにおいて、さらに、ドナー元素であるアルミニウム(Al)、ホウ素(B)、ガリウム(Ga)を1種類以上添加したことを特徴とする。
例えば、上記酸化亜鉛バリスタの製造方法において、前記酸化亜鉛バリスタは酸化亜鉛(ZnO)を主成分とし、粒界形成成分としてビスマス(Bi)、プラセオジム(Pr)からなる群より選択した1種類以上、遷移金属元素としてコバルト(Co)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)からなる群より選択した1種類以上の添加物を含み、前記酸化亜鉛は、X線回折により求められる結晶子サイズが20〜50nm、比表面積BET法により求められる粒子径が15〜60nmであり、かつ、軽装嵩密度が0.38〜0.50g/cm3、タップ密度が0.50〜1.00g/cm3、より好ましい範囲として0.60〜1.00g/cm3であることを特徴とする。
また、例えば、上記酸化亜鉛バリスタの製造方法において、前記酸化亜鉛バリスタは酸化亜鉛(ZnO)を主成分とし、粒界形成成分としてビスマス(Bi)、プラセオジム(Pr)からなる群より選択した1種類以上、遷移金属元素としてコバルト(Co)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)からなる群より選択した1種類以上の添加物を含み、前記酸化亜鉛は、動的散乱法により求められるメジアン径が30〜60nm、キュムラント径が40〜82nm、キュムラント多分散指数が0.05〜0.2、より好ましい範囲として0.05〜0.15、さらに好ましい範囲として0.05〜0.12であることを特徴とする。
例えば、上記酸化亜鉛バリスタの製造方法において、さらに、ドナー元素であるアルミニウム(Al)、ホウ素(B)、ガリウム(Ga)を1種類以上添加したことを特徴とする。
[酸化亜鉛粉末の形態]
(1)本発明の酸化亜鉛バリスタに使用する酸化亜鉛粉末は、X線回折によって求められる結晶子サイズ(以下、単に結晶子サイズということがある。)が20〜50nmであり、BET法によって求められる粒子径(以下BET径ということがある)が15〜60nmである時、軽装嵩密度が0.38〜0.50g/cm3、タップ密度が0.50〜1.00g/cm3、より好ましい範囲として0.60〜1.00g/cm3である。
ここで、軽装嵩密度とは、JIS R 9301−2―3で定められた方法を用い、静置された容積100ml容器に、酸化亜鉛粉末を自由に落下させた時の質量を求める。この質量を容器の体積で割った値を軽装嵩密度とする。
タップ密度とは、同容器に充填する際の最大タップ数が500回以内の充填による嵩密度をいう。
ここで、動的散乱法は、溶液中に分散している粒子(微粒子は通常ブラウン運動をしており、その動きは大きな粒子では遅く、小さな粒子ほど早い)にレーザー光を照射し、その散乱光(それぞれのブラウン運動の速度に対応した揺らぎ)を光検出器で観測して測定する。溶液は、イオン交換水に分散剤としてヘキサメタリン酸を用い、室温で測定した。
メジアン径は、積算分析値50%に対応する粒子径である。
キュムラント径は、自己相関関数が1ピークの分布であると仮定したキュムラント演算に基づいた平均径である。
キュムラント多分散指数は、分布の広がりの尺度を示す。
(3)後に実施例・比較例の表4に示す焼結体表面の粒子の定量的観察の結果から、本発明の酸化亜鉛バリスタに使用する酸化亜鉛粉末は、1000℃での結晶子サイズ、SEM観察粒子数と、1150℃でのそれを比較した場合、前者で8%の増加、後者で60%の減少にとどまり、比較例と比べて著しく粒成長が抑制されており、このことによっても本発明の酸化亜鉛バリスタに使用する酸化亜鉛粉末が、高密度、高強度焼結体を得るのに適していることがわかる。
ここでSEMを用いた焼結体表面の粒子の定量的観察の方法は次のとおりである。SEM(日立製作所 S−4300)により焼結体の表面を5k倍で撮影し、視野内粒子数を計数したものである。
上記の特徴的な形態で規定される本発明の酸化亜鉛バリスタに使用する酸化亜鉛粉末の製造方法は限定されないが、一例としての製造方法は以下である。
(炭酸源が炭酸アンモニウムである塩基性炭酸亜鉛を前駆体として用いる。)
(4)合成に用いられる炭酸源が炭酸アンモニウムである塩基性炭酸亜鉛の熱処理によって得られる酸化亜鉛粉末の結晶子サイズとタップ密度の関係を図2に示す。炭酸アンモニウムを用いた場合は、比較例1である炭酸アンモニウムを炭酸水素ナトリウムに変えただけのもの、および比較例3にある特許文献1および非特許文献1に準じたpH8.5、60℃合成と比較して、結晶子サイズが同じ場合、約1.5倍のタップ密度が得られる。タップ密度が高くなる理由はまだ明確ではないが、図1のSEM写真に示すように脱炭酸、脱水のための熱処理の後で、凝集、もしくは連結の状態が軽微であることが一因であると考えられる。以下では塩基性炭酸亜鉛を、酸化亜鉛粉末の出発原料として酸化亜鉛粉末の前駆体または単に前駆体ということがある。
<前駆体の合成>
(前駆体合成例1)
亜鉛源として硝酸亜鉛6水和物(キシダ化学製)、炭酸源として炭酸アンモニウム(キシダ化学製)、およびアルカリとして30wt%水酸化ナトリウム(キシダ化学製)を用いた。純水を用いた各水溶液は、硝酸亜鉛は0.5Mの水溶液1L、炭酸アンモニウムは2Lのビーカーに、0.4Mの水溶液0.5Lを準備した。前記炭酸アンモニウム水溶液にはpHコントロール用pH電極を装入し、前記硝酸亜鉛水溶液を1L/hの速度で滴下する。酸性である硝酸亜鉛水溶液の滴下によって炭酸アンモニウム水溶液のpHが低下することを防ぐため、pHコントローラー(東興化学研究所 TDP−51)によってon/off制御する送液ポンプによって30wt%水酸化ナトリウムを炭酸アンモニウム水溶液に滴下することで、炭酸アンモニウム水溶液のpHを硝酸亜鉛水溶液の滴下中pH7.5の一定値に保った。
送液が終了した後、20時間の攪拌養生を行い、前駆体塩基性炭酸亜鉛スラリーとした。この沈殿物生成反応、攪拌養生において、炭酸アンモニウム水溶液の温度は常に30℃未満となるように冷却装置を設置した。
養生後のスラリーは吸引ろ過法にて固液分離し、不用なナトリウムなどを洗浄・除去するため、固形分は適量の純水でリスラリーした後吸引ろ過で固液分離した。この洗浄工程は4回繰り返した。
洗浄後の固形分は、真空乾燥機にて、30℃、20時間の真空乾燥を行い、前駆体である塩基性炭酸亜鉛の乾燥粉とした。
X線回折、および成分分析の結果から、得られた沈殿物はハイドロジンカイト(Zn5(CO3)2(OH)6・2H2O)を主構成物質とする塩基性炭酸亜鉛であることが分かった。また、この時の沈殿歩留まりは98%であった。さらに脱炭酸、脱水による熱減量は約600℃で終了することが分かった。
前駆体合成例1の製造例と同様とし、但し炭酸源を炭酸水素ナトリウムとして前駆体のハイドロジンカイトを合成した。
合成時のpHを6.0および8.5としたほかは、前駆体合成例1と同じ条件で合成を行った。沈殿物はいずれもハイドロジンカイトを主構成物質とする塩基性炭酸塩であったが、pH6.0では、得られた沈殿物の量が少なく、溶液の分析から歩留まりは20%程度となり経済性が著しく低いことが分かった。pH8.5では歩留り100%で実施例と同様のものが得られた。
特許文献1および非特許文献1に準じて、合成を行った。亜鉛源を塩化亜鉛から硝酸亜鉛に変更、炭酸源は炭酸水素ナトリウムのままとし、沈殿反応は硝酸亜鉛と炭酸水素ナトリウムからなる水溶液にpHが8.5となるように攪拌しながら水酸化ナトリウムを添加した。容器は40〜60℃の温度に保ちながら沈殿反応を行った。実施例と同じく得られた沈殿物はハイドロジンカイトを主構成物質とする塩基性炭酸塩であり、沈殿歩留まりはほぼ100%であった。
亜鉛原料を無水塩化亜鉛(キシダ化学製)、炭酸源を炭酸水素ナトリウムとしたほかは、前駆体合成例1と同じ条件で合成した。前駆体合成例1と同じく得られた沈殿物はハイドロジンカイトを主構成物質とする塩基性炭酸塩であり、沈殿歩留まりは99%であった。また、成分分析の結果から、塩素の残留量が約1.6%(脱炭酸、脱水後の酸化亜鉛中の塩素の残留量)と高かった。
前述の前駆体合成例で合成した塩基性炭酸亜鉛をアルミナるつぼに入れ、360℃、大気雰囲気で熱処理を行った。昇温速度は2℃/min、360℃の保持時間は6時間、冷却は自然冷却とした。熱処理後の重量減少の測定結果を表1に示す。重量減少率は、600℃で熱処理した場合の重量減少率を基準の100%とした時の相対値で表現した。また、BET吸着法(カンタクロム社製 AUTOSORB―MP1)による比表面積の測定を行った。さらにJIS法による軽装嵩密度とタップ密度の測定を行った。BET表面積より算出した粒子径、および軽装嵩密度とタップ密度の測定結果を、表1に示す。360℃の熱処理では、98.5〜99.9%の減少率となり、製造条件による差異は認められない。粉体の充填密度は、前駆体合成例1の熱処理物である実施例1で最も高いことが分かった。また、動的散乱法(堀場製作所製 SZ―100)を用いた粒度分布測定を行った。粒度分布測定結果を表2に示す。粒径(メジアン径)は30〜60nmの幅にあるが、キュムラント多分散指数から分かるように、前駆体合成例1の熱処理物である実施例1の粒度分布はシャープであることが分かる。
上記熱処理例で、最高温度を200〜550℃とした他は上述の熱処理例と同じ条件とした。前駆体合成例1および4で合成した塩基性炭酸亜鉛を熱処理して得られる酸化亜鉛粉末の熱処理による重量減少、BET表面積より算出した粒子径(BET径)、および嵩密度とタップ密度の温度依存性を表3にまとめた。熱処理例1−実施例1(前駆体合成例1を用いた)では、重量減少率は97〜99.5%の範囲にあり、結晶子サイズも小さく、充填密度も高いことが分かる。熱処理例2−前駆体合成例1は、同様の前駆体を用いて、熱処理温度が低い場合は重量減少が十分でなく、熱処理温度が高すぎると結晶子サイズが大きくなりすぎてしまう。結晶子サイズが大きいと焼結時に粒成長しにくく、緻密化が遅れる要因となり、低温での焼結に適さない。熱処理例3−前駆体合成例4では、実施例1と比較して、充填密度が低く、高温で熱処理した場合は結晶子サイズが大きいことが分かる。
焼結例
熱処理によって酸化亜鉛となった粉末を0.6mmの篩いを通して簡単な解砕を行い、約60MPaの圧力でφ20mm×2mmの円板状、および40×40×5mmの板状の成形体を作製した。本実施例においては、スプレードライヤーなどを用いた造粒などは行わなかった。これは、熱処理による脱炭酸、脱水のみのサンプルを用いることで、前駆体合成条件による粉体特性の差異がおよぼす焼結体への影響が明確になると考えたからであり、実製品の製造にあたっては、このかぎりではない。
これらの成形体は各サンプル数n=5で作製し、1000℃、および1150℃の最高温度保持時間6時間、昇温速度4℃/分、冷却は炉内放置とし、大気雰囲気中で焼結した。
焼結後、円板状のものはSEM観察用、アルキメデス法による比重測定用、X線回折用、およびレーザーフラッシュ法(アドバンス理工製 TC―1200RH)による熱伝導率測定用のサンプルとした。板状のサンプルは30×4×4mmの棒状に加工した後、ISO178による曲げ強度測定用サンプルとした。図3および表4にX線回折より求めた結晶子サイズ、SEM観察から求めたSEM観察粒子数、およびこれらの1000℃、1150℃の変化率を示す。本発明における酸化亜鉛粉末は、1000℃での結晶子サイズ、SEM観察粒子数と、1150℃でのそれを比較した場合、前者で8%の増加、後者で60%の減少にとどまり、比較例と比べて著しく粒成長が抑制されており、このことによっても本発明の実施例の酸化亜鉛粉末が、高密度、高強度焼結体を得るのに適していることがわかる。また、塩素を多く含有した比較例4で、結晶子サイズの増加は大きいが、空隙の増加が顕著でそのため視野内粒子が減ったことで粒子数の減少が多くなっている。
上記表3に示すと同様に熱処理温度を変えた前駆体を1150℃で焼結した。得られた焼結体の相対密度、曲げ強度、熱伝導率の測定結果を表6示す。脱炭酸、脱水のための熱処理条件を比較熱処理例に示した条件としたものを、同じく1150℃で焼結した場合の、相対密度、曲げ強度、および熱伝導率の測定結果を表6に示す。本発明に係る実施例1以外は、比較例3の酸化亜鉛粉末を用いた。相対密度、曲げ強度は実施例1で高く、熱伝導率は比較例3で高い。また、実施例1、比較例3ともに熱処理温度が低い場合は残留物の影響により、熱処理温度が高い場合は結晶子サイズの増加にともなう粒成長による緻密化が十分でないことにより、いずれも相対密度、曲げ強度が低くなることが分かる。
表1、表2、表4に示す前駆体合成例および熱処理例で作成した実施例1、比較例3を、焼結時の最高温度を600〜1300℃として焼結した他は上述の焼結例と同様の焼結を行うことで焼結体とし、上述と同様の特性評価を行い、焼結例における本発明の酸化亜鉛バリスタに使用する酸化亜鉛粉末の焼結特性におよぼす焼結温度の影響を検討した。比較は比較例3のみを示した。焼結温度600℃〜1300℃における主要特性を表7にまとめた。
実施例1の酸化亜鉛粉末は、X線回折によって求められる結晶子サイズが20〜50nmであり、BET法によって求められる粒子径が15〜60nm、かつ、軽装嵩密度が0.38〜0.50g/cm3、タップ密度が0.50〜1.00g/cm3、より好ましい範囲として0.60〜1.00g/cm3である酸化亜鉛粉末。または、動的散乱法によって求められるメジアン径が30〜60nm、キュムラント径が40〜82nm、キュムラント多分散指数が0.05〜0.2、より好ましい範囲として0.05〜0.15、さらに好ましい範囲として0.05〜0.12とすることによって、焼結体に焼結する温度が1000℃までに緻密化するとともに1150℃としても、比較例と比較して結晶子サイズの増加率とSEM観察粒子数の減少率が小さいことから、高密度で高強度な焼結体となることがわかる。
次に、本発明の実施の形態に係る酸化亜鉛バリスタについて詳細に説明する。
(1)酸化亜鉛バリスタの製造方法
図4は、本実施の形態に係る酸化亜鉛バリスタ(積層バリスタ)の製造工程を時系列で示すフローチャートである。ここでは、酸化亜鉛の原料そのものに着目し、上述した粒子サイズ、タップ密度等で構成される酸化亜鉛粉末を使用する。
図5は、上記の工程で作製した酸化亜鉛バリスタの評価結果を示している。性能評価には、素子形状が9.8mm×5mm×1.9mm、電極寸法が7.5mm×3.4mmのバルク形状のサンプルを使用した。バリスタ電圧とサージ電流は相関性があるため、ここでは、図5に示すように横軸をバリスタ電圧、縦軸をサージ電流として、本実施の形態に係る酸化亜鉛バリスタと従来品1〜3とを対比している。従来品1はフランス法で製造されたJISグレード粉を用いた酸化亜鉛バリスタである。また、従来品2は、上述した比較例4(前駆体合成例5)で合成した塩基性炭酸亜鉛の乾燥粉を用いた酸化亜鉛バリスタであり、従来品3は、上述した比較例1(前駆体合成例2)で合成した塩基性炭酸亜鉛の乾燥粉を用いた酸化亜鉛バリスタである。
Claims (9)
- 酸化亜鉛(ZnO)を主成分とし、粒界形成成分としてビスマス(Bi)、プラセオジム(Pr)からなる群より選択した1種類以上、遷移金属元素としてコバルト(Co)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)からなる群より選択した1種類以上の添加物を含み、
前記酸化亜鉛は、X線回折により求められる結晶子サイズが20〜50nm、比表面積BET法により求められる粒子径が15〜60nmであり、かつ、軽装嵩密度が0.38〜0.50g/cm3、タップ密度が0.50〜1.00g/cm3であることを特徴とする酸化亜鉛バリスタ。 - 酸化亜鉛(ZnO)を主成分とし、粒界形成成分としてビスマス(Bi)、プラセオジム(Pr)からなる群より選択した1種類以上、遷移金属元素としてコバルト(Co)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)からなる群より選択した1種類以上の添加物を含み、
前記酸化亜鉛は、動的散乱法により求められるメジアン径が30〜60nm、キュムラント径が40〜82nm、キュムラント多分散指数が0.05〜0.2であることを特徴とする酸化亜鉛バリスタ。 - 前記酸化亜鉛の粉末を1000℃で焼結した場合の結晶子サイズが70〜120nmであり、1150℃で焼結した場合の結晶子サイズが75〜170nmであることを特徴とする請求項1または2に記載の酸化亜鉛バリスタ。
- 1000℃から1150℃の範囲での焼結による前記酸化亜鉛の結晶子サイズの増加率が10%以下であることを特徴とする請求項3に記載の酸化亜鉛バリスタ。
- さらに、ドナー元素であるアルミニウム(Al)、ホウ素(B)、ガリウム(Ga)を1種類以上添加したことを特徴とする請求項1または2に記載の酸化亜鉛バリスタ。
- 酸化亜鉛(ZnO)粉末の第1の前駆体である塩基性炭酸亜鉛スラリーを作製する工程と、
前記第1の前駆体より、酸化亜鉛(ZnO)粉末の第2の前駆体である塩基性炭酸亜鉛の乾燥粉を得る工程と、
前記第2の前駆体を熱処理して酸化亜鉛(ZnO)を得る工程と、
前記酸化亜鉛(ZnO)に所定の添加物を添加した混合材料を作製する工程と、
前記混合材料より酸化亜鉛バリスタのバリスタ素体を形成する工程と、
を備えることを特徴とする酸化亜鉛バリスタの製造方法。 - 前記酸化亜鉛バリスタは酸化亜鉛(ZnO)を主成分とし、粒界形成成分としてビスマス(Bi)、プラセオジム(Pr)からなる群より選択した1種類以上、遷移金属元素としてコバルト(Co)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)からなる群より選択した1種類以上の添加物を含み、
前記酸化亜鉛は、X線回折により求められる結晶子サイズが20〜50nm、比表面積BET法により求められる粒子径が15〜60nmであり、かつ、軽装嵩密度が0.38〜0.50g/cm3、タップ密度が0.50〜1.00g/cm3であることを特徴とする請求項6に記載の酸化亜鉛バリスタの製造方法。 - 酸化亜鉛(ZnO)を主成分とし、粒界形成成分としてビスマス(Bi)、プラセオジム(Pr)からなる群より選択した1種類以上、遷移金属元素としてコバルト(Co)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)からなる群より選択した1種類以上の添加物を含み、
前記酸化亜鉛は、動的散乱法により求められるメジアン径が30〜60nm、キュムラント径が40〜82nm、キュムラント多分散指数が0.05〜0.2であることを特徴とする請求項6に記載の酸化亜鉛バリスタの製造方法。 - さらに、ドナー元素であるアルミニウム(Al)、ホウ素(B)、ガリウム(Ga)を1種類以上添加したことを特徴とする請求項7または8に記載の酸化亜鉛バリスタの製造方法。
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