JP2018168035A - ジルコニア構造物 - Google Patents
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Abstract
Description
焼成により得られたジルコニア構造物の耐電圧は通常数十V/μm程度である。PVDやCVDによって形成される構造物は、厚さが1μm前後と薄く、緻密であっても十分な耐電圧を得ることができない。また、エアロゾルデポジション(AD)法によってジルコニア構造物を形成することも検討されている(特開2008−137860号公報、特開2010−232580号公報、特開2011−122182号公報、特開2011−84787号公報、J. Jpn. Soc. Powder Metallurgy Vol.63, No.11, 937-946)。
本発明のジルコニア構造物は、好ましくは厚さが1μm以上である。
また、本発明のジルコニア構造物は、好ましくは気孔率が0.1%未満である。
また、本発明のジルコニア構造物は、好ましくは体積抵抗率が1013Ω・cm以上である。
また、本発明のジルコニア構造物は、好ましくは多結晶体である。
また、本発明のジルコニア構造物は、好ましくはY2O3添加量が5wt%以下である。
AD法では、原料粒子の粒子径(粒度分布)、ガス種、流量等を調整することで微粒子の衝突エネルギーを制御することができる。これらの詳細な条件は装置系などによって異なるが、一般に衝突エネルギーが所定範囲内において構造物の形成が可能となる。所定範囲よりも小さい場合には圧粉体が形成され、所定範囲を超えて大きい場合にはブラストにより構造物が得られない(膜成長しない)。
本発明のジルコニア構造物は、好ましくは厚さが1μm以上である。ジルコニア構造物の厚さをこのような範囲とすることにより十分な耐電圧を達成することができる。本発明のジルコニア構造物の厚さは、より好ましくは5μm以上であり、さらに好ましくは10μm以上である。また、本発明のジルコニア構造物は、好ましくは厚さが50μm以下であり、より好ましくは20μm以下である。ジルコニア構造物の厚さが所定値よりも大きい場合には、構造物の内部応力や基材との熱膨張係数の差などからジルコニア構造物が破損する場合がある。ジルコニア構造物の厚さは、例えば表面粗さ測定機などを使用し、基材上に形成した構造物と基材との段差を測定することで求めることができる。
本発明のジルコニア構造物は、好ましくは体積抵抗率が1013Ω・cm以上である。ジルコニア構造物の体積抵抗率をこのような範囲とすることにより、高絶縁性を生かした用途への展開が可能となる。本発明のジルコニア構造物の体積抵抗率は、より好ましくは1014Ω・cm以上である。ジルコニア構造物の体積抵抗率は、例えばJIS規格C2136に則り測定することができる。具体的には、デジタル超高抵抗/微小電流計などを使用し、直接法により、試験片に100Vの電圧を印加して微小電流値を測定することによって体積抵抗率を求めることができる。
本発明のジルコニア構造物は、好ましくは結晶子サイズが100nm以下であり、より好ましくは50nm以下、さらに好ましくは20nm以下である。ジルコニア構造物の結晶子サイズをこのような範囲とすることにより、構造物を十分に緻密にすることができる。そのため高い絶縁性や高硬度を達成することができる。ジルコニア構造物の結晶子サイズは、例えばX線回折(X−ray Diffraction:XRD)を用いることができる。結晶子サイズの算出には、以下のシェラーの式を用いることができる。
D=Kλ/(βcosθ)・・・(2)
(D:結晶子サイズ、K:シェラー定数、β:ピーク半値幅(ラジアン)、θ:ブラッグ角、λ:測定時のX線波長)
(2)式において、βは、β=β1−β2により算出する。ここでβ1は、測定試料のX線回折ピーク半値幅であり、β2は、標準試料のX線回折ピーク半値幅である。Kは、形状因子である。
また、TEM観察などの画像から、結晶子サイズを算出してもよい。例えば、結晶子サイズには、結晶子の円相当直径の平均値を用いることができる。
従来よりAD法によるジルコニア構造物の形成について検討がなされてきたが、緻密な構造物の作製については十分な検討がなされてこなかった。本発明者らが今般、ジルコニアにおいて十分に緻密な構造物を得ることができた理由について、以下のように考えるがあくまでも推測でありそれに限定されるものではない。
本発明者らは、サブミクロン粒径の粒子を原料とし、かつ衝突エネルギーを適切にコントロールすることによって、靱性が極めて高いジルコニアにおいても高い電気絶縁性を発現可能な程度までその緻密化を促進することに成功した。
基材の表面に、表1に示す原料粉体を用いて、AD法により、表2に示す製膜条件で、ジルコニア構造物を形成した(サンプル1〜17)。
2−1.ジルコニア構造物の厚さの測定方法
表面粗さ・輪郭形状測定機(SURFCOM 130A/ACCRETECH製)によりサンプルにおける膜と基材の段差を4箇所測定し、その平均値を膜厚とした。測定結果を表2に示す。
SEM(S−4100/日立ハイテクノロジーズ製)により断面を観察し、画像解析により気孔率を求めた。サンプル1〜17のいずれも気孔率は0.1%未満であった。なお、サンプル1の断面観察像を図1に示す。
JIS規格C2136に則り、試料の体積抵抗率を測定した。測定に用いた計測計として、デジタル超高抵抗/微小電流計(ADCMT製)を使用し、試験片に印加する電圧を100Vとした。また測定方法として直接法を選択した。電極(主電極、ガード電極)の作製には、試料表面に塗布する導電性銀塗料として導電性銀ペースト(ドータイト/藤倉化成製)を用い、円形の主電極と、主電極を囲うように円環上のガード電極とを製作した。体積抵抗率は温度に大きく依存する。よって室温を23℃、湿度を30%程度に維持し、試験を行った。体積抵抗率の算出には、以下の式を用いた。
ρ=R×A/h・・・(1)
(ρ:体積低効率[Ω・cm]、R:体積抵抗(検出)[Ω]、A:主電極の面積[cm2]、h:試験片の平均厚さ[cm])
ここで、R=V/Iであり、Vは印加電圧100V、Iは検出された微小電流値である。測定結果を表2に示す。
JIS規格C2110−1に則り、試料の絶縁破壊電圧を測定した。測定用の計測計として、AC/DC10KV耐電圧試験器(KIKUSUI製)を使用した。また測定方法として直接法を選択した。電極(主電極、ガード電極)の作製には、試料表面に塗布する導電性銀塗料として導電性銀ペースト(ドータイト/藤倉化成製)を用い、円形の主電極と、主電極を囲うように円環上のガード電極とを製作した。印加する電流値は0.5mAとし、昇圧速度は100V/sとし、試験を行った。測定結果を表2に示す。
製膜したジルコニア構造物の表面をダイヤモンドペースト(粒度6μm、1μm)で十分に研磨を行った後、マイクロビッカース硬度計(HMV−G/SHIMADZU製)にヌープ圧子をセッティングし、5箇所ヌープ硬度を測定し、その平均値をヌープ硬度とした。測定結果を表2に示す。
X線回折(X−ray Diffraction:XRD)を用いてジルコニア構造物における結晶子サイズを測定した。XRD装置としては、X’Pert PRO MPD(PANalytical社製)を使用し、X線Cu−Kα(波長1.5418Å)、管電圧45KV、管電流40mA、スキャンステップ0.017°とした。結晶子サイズの算出には、以下のシェラーの式を用いた。
D=Kλ/(βcosθ)・・・(2)
(D:結晶子サイズ、K:シェラー定数、β:ピーク半値幅(ラジアン)、θ:ブラッグ角、λ:測定時のX線波長)
(2)式において、βは、β=β1−β2により算出する。ここでβ1は、測定試料のX線回折ピーク半値幅であり、β2は、標準試料のX線回折ピーク半値幅である。Kは、形状因子であり、本試験においては0.94を用いた。ジルコニアにおいて、結晶子サイズの算出に用いるX線回折ピークは、イットリアの添加量によりジルコニアの結晶相が転移するため変える必要があり、例えば、イットリア無添加ジルコニアについては、回折角2θ=28.0°、31.2°、50.8°各々の近傍におけるジルコニアの単斜晶に起因するピークを用いることが出来き、5wt%イットリアを添加したジルコニア(部分安定化ジルコニア)については、回折角2θ=50.6°、59.9°各々の近傍におけるジルコニアの単斜晶に起因するピーク、または回折角2θ=30.6°近傍におけるジルコニアの立方晶に起因するピークを用いることが出来る。また16wt%イットリアを添加したジルコニア(安定化ジルコニア)については、回折角2θ=30.1°、35.1°、49.8°各々の近傍におけるジルコニアの立方晶に起因するピークを用いることが出来る。各サンプルとも各回折角の各々におけるピークを2回測定し、全てのピークを用いシェラーの式で計算し、その平均値を結晶子サイズとした。測定結果を表2に示す。
Claims (11)
- JIS C2110-1によって測定される耐電圧が100V/μm以上である、ジルコニア構造物。
- 厚さが1μm以上である、請求項1に記載のジルコニア構造物。
- 厚さが5μm以上である、請求項1に記載のジルコニア構造物。
- 厚さが50μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のジルコニア構造物。
- 厚さが20μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のジルコニア構造物。
- 気孔率が0.1%未満である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のジルコニア構造物。
- 体積抵抗率が1013Ω・cm以上である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のジルコニア構造物。
- 多結晶体である請求項1〜7のいずれか1項に記載のジルコニア構造物。
- Y2O3添加量が5wt%以下である、請求項1〜8のいずれか1項に記載のジルコニア構造物。
- 耐電圧が150V/μm以上である、請求項1〜9のいずれか1項に記載のジルコニア構造物。
- 耐電圧が200V/μm以上である、請求項1〜9のいずれか1項に記載のジルコニア構造物。
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O. JONGPRATEEPら: "ffects of Yttria Concentration and Microstructure", JOURNAL OF METALS,MATERIALS AND MINERALS, vol. 18, no. 1, JPN6020046112, 2008, pages 9 - 14, ISSN: 0004672000 * |
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