JP2018192471A5

JP2018192471A5 -

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Publication number: JP2018192471A5
Application number: JP2018116125A
Authority: JP
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2021-05-13

Description

図１を参照すると、金属酸化物ナノ複合材セラミックを作製する本方法は、マイクロ波放射生成装置１、マイクロ波チャンバ２、誘電シースプラズマトーチ３、液滴作製装置４及びガス流連通スキーム５を含む装置からなる。マイクロ波生成装置１は、マイクロ波チャンバ２及び誘電プラズマトーチシース３と組合されて、誘電トーチ３内部の高温域６で安定なプラズマに点火する。塩及び金属溶媒の均質溶液は、タンク７内での一定の撹拌及び圧力の下で、液滴作製装置４へ噴射される。圧電素子８が作動されて均一液滴９が製造され、プラズマトーチ３中へ軸方向に噴射されて、ガス流連通スキーム５のために、ガス層流によって粒子１０として連行される。安定なプラズマ１１を含有する高温域６では、粒子１０は、均質熱処理を受けて球状生成物粒子１２となり、ステンレス鋼フィルタ又はセラミックフィルタで収集される。

具体的な一実施形態において、水溶性硝酸アルミニウム及び硝酸イットリウムの化学量論的組成物、蒸留水又は脱イオン水、クエン酸及びエチレングリコールからなる溶液前駆体は、イットリウム−アルミニウム−ガーネット酸化物セラミックを製造するために調製される。代表的な溶液は、Ａｌ（ＮＯ_３）_３・９Ｈ_２Ｏの０．５モル溶液１２５０ｍｌ、Ｙ（ＮＯ_３）_３・６Ｈ_２Ｏの０．５モル溶液７５０ｍｌ、クエン酸の０．５モル溶液１７９８ｍｌ及びエチレングリコール１７．７７ｍｌからなる。前駆体は、組成の分子混合を完全に行うために、磁気ミキサーを使用して少なくとも１時間にわたって完全に混合される。次に前駆体は、高周波駆動の圧作動液滴作製装置によって製造される、数十マイクロメートルから１３０マイクロメートルまで変化する固有の直径を有する均一液滴として、１から５ミリリットル／分（ｍｌ／分）の間の噴射流速で噴射される。粒子連行及び誘電体の内壁の冷却のための合計８０ＳＣＦＨを超えないガス流は、プラズマを５．５ＫＷの比較的低いマイクロ波放射出力にて安定化するために使用されている。ＹＡＧ粉末粒子は、粉末収集排熱システムの経路に挿入された装置に収容されたナイロン、セラミック又はステンレス鋼のフィルタを使用して収集された。微小構造、粒径及び形態は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及びＸ線回折（ＸＲＤ）技法を使用して調査される。

図１に示した装置を使用する別の実施形態において、１ステップ熱処理を使用して、高温域での粒子の滞留時間を延長することによって、ナノ結晶性微小構造を有する処理された金属酸化物粒子を製造することができる。滞留時間のこのような延長は、マイクロ波プラズマを収容する誘電管内のプラズマプルームの容積を増加させることによって実現される。これはプラズマ生成源におけるマイクロ波出力の増加によって行われる。細長いプラズマプルームによって、溶媒の完全な蒸発、溶質の乾燥、粒子生成物の溶融及びさらなる焼結が可能となり、粒子がプラズマを収容している誘電管を出る前に、ナノ結晶性微小構造がその場で実現される。これにより、結晶化のためのその場での焼結の追加のステップが可能となり、本段落で記載した非晶質生成物を焼結する後処理ステップが不要となる。

別の実施形態において、水溶性硝酸アルミニウム及び硝酸イットリウムの組成物、蒸留水又は脱イオン水、クエン酸及びエチレングリコールからなる溶液前駆体は、ニッケル−アルミナ（Ｎｉ−Ａｌ_２Ｏ_３）オキシドセラミックを製造するために調製される。代表的な溶液は、Ｎｉ（ＮＯ_３）_２・７・２Ｈ_２Ｏの０．８２モル溶液２２ｍｌ、Ａｌ（ＮＯ_３）_３・９Ｈ_２Ｏの０．８２モル溶液８４７ｍｌ、クエン酸の０．８２モル溶液９００ｍｌ及びエチレングリコール１４．５ｍｌからなる。ニッケルは、Ｎｉ−Ａｌ_２Ｏ_３複合体の５モル％比に相当する。２から１０モル％の間の他の比も検討することができる。前駆体は、組成の分子混合を完全に行うために、磁気ミキサーを使用して少なくとも１時間にわたって完全に混合される。次に前駆体は、高周波駆動の圧作動液滴作製装置によって製造される、直径が数十マイクロメートルから１００マイクロメートルの均一液滴として、１から５ミリリットル／分（ｍｌ／分）の間の噴射流速で噴射される。粒子連行及び誘電体の内壁の冷却のための４０ＳＣＦＨ以上で合計１２０ＳＣＦＨを超えないガス流は、プラズマを５．５ＫＷの比較的低いマイクロ波放射出力にて安定化するために使用されている。ニッケル−アルミナナノ複合材粉末粒子は、粉末収集排熱システムの経路に挿入された装置に収容されたナイロン、セラミック又はステンレス鋼のフィルタを使用して収集された。

別の実施形態において、水溶性硝酸マグネシウム及び硝酸イットリウムの組成物、蒸留水又は脱イオン水、クエン酸及びエチレングリコールからなる溶液前駆体は、マグネシウム−アルミニウム−スピネル（ＭｇＯ−Ｙ_２Ｏ_３）酸化物セラミックを製造するために調製される。代表的な溶液は、Ｍｇ（ＮＯ_３）_２・９Ｈ_２Ｏの０．５モル溶液１７４４ｍｌ、Ｙ（ＮＯ_３）_３・６Ｈ_２Ｏの０．５モル溶液２１８ｍｌ、クエン酸の０．５モル溶液１７９８ｍｌ及びエチレングリコール１７．１７ｍｌからなる。前駆体は、組成の分子混合を完全に行うために、磁気ミキサーを使用して少なくとも１時間にわたって完全に混合される。次に前駆体は、高周波駆動の圧作動液滴作製装置によって製造される、固有の直径が数十マイクロメートルから１３０マイクロメートルの均一液滴として、１から５ミリリットル／分（ｍｌ／分）の間の噴射流速で噴射される。粒子連行及び誘電体の内壁の冷却のための４０ＳＣＦＨ以上で合計１２０ＳＣＦＨを超えないガス流は、プラズマを５．５ＫＷの比較的低いマイクロ波放射出力にて安定化するために使用されている。ＹＡＧ粉末粒子は、粉末収集排熱システムの経路に挿入された装置に収容されたナイロン、セラミック又はステンレス鋼のフィルタを使用して収集された。

具体的な一実施形態において、水溶性硝酸マグネシウム及び硝酸イットリウムの化学量論的組成物、蒸留水又は脱イオン水、クエン酸及びエチレングリコールからなる溶液前駆体は、マグネシウム−アルミニウム−スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）ナノ複合材酸化物セラミックを製造するために調製される。代表的な溶液は、Ａｌ（ＮＯ_３）_２・９Ｈ_２Ｏの０．５モル溶液１３３３ｍｌ、Ｍｇ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏの０．５モル溶液６６６ｍｌ、クエン酸の０．５モル溶液１７９８ｍｌ及びエチレングリコール１７．７７ｍｌからなる。前駆体は、組成の分子混合を完全に行うために、磁気ミキサーを使用して少なくとも１時間にわたって完全に混合される。次に前駆体は、高周波駆動の圧作動液滴作製装置によって製造される、固有の直径が数十マイクロメートルから１３０マイクロメートルの均一液滴として、１から５ミリリットル／分（ｍｌ／分）の間の噴射流速で噴射される。粒子連行及び誘電体の内壁の冷却のための４０ＳＣＦＨ以上で合計１２０ＳＣＦＨを超えないガス流は、プラズマを５．５ＫＷの比較的低いマイクロ波放射出力にて安定化するために使用されている。ＭｇＡｌ_２Ｏ_４ナノ複合材スピネル粉末粒子は、粉末収集排熱システムの経路に挿入された装置に収容されたナイロン、セラミック又はステンレス鋼のフィルタを使用して収集された。

具体的な一実施形態において、水溶性硝酸又は酢酸ランタン、硝酸又は酢酸マグネシウム及び硝酸アルミニウムの化学量論的組成物、蒸留水又は脱イオン水からなる溶液前駆体は、ランタン−マグネシウム−ヘキサアルミネート（ＬａＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９）ナノ複合材酸化物セラミック粉末を製造するために調製される。代表的な溶液は、Ａｌ（ＮＯ_３）_２・９Ｈ_２Ｏ１００グラムを有する水６７６．４ｍｌ、酢酸マグネシウム８．３１グラムを有する６１．５０ｍｌ及び酢酸ランタン５．２０グラムを有する水６１．７０ｍｌからなる。前駆体は、組成の分子混合を完全に行うために、磁気ミキサーを使用して少なくとも１時間にわたって完全に混合される。次に前駆体は、高周波駆動の圧作動液滴作製装置によって製造される、固有の直径が数十マイクロメートルから１３０マイクロメートルの均一液滴として、１から５ミリリットル／分（ｍｌ／分）の間の噴射流速で噴射される。粒子連行及び誘電体の内壁の冷却のための４０ＳＣＦＨ以上で合計１２０ＳＣＦＨを超えないガス流は、プラズマを５．５ＫＷの比較的低いマイクロ波放射出力にて安定化するために使用されている。ＬａＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９ナノ複合材粉末粒子は、粉末収集排熱システムの経路に挿入された装置に収容されたナイロン、セラミック又はステンレス鋼のフィルタを使用して収集された。これらのＬａＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９ナノ複合材粉末は、熱障壁コーティング又は触媒用途に好適である。

具体的な一実施形態において、水溶性硝酸ジルコニル及び硝酸イットリウムの化学量論的組成物、蒸留水又は脱イオン水、クエン酸及びエチレングリコールからなる溶液前駆体は、８重量％イットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）ナノ複合材酸化物セラミック粉末を製造するために調製される。代表的な溶液は、硝酸ジルコニウム水和物５０．２４グラムを有する水２５１．２４ｍｌ、硝酸イットリウム７．３２グラムを有する２３．８４ｍｌ、クエン酸３８．７２グラムを有する水２５１．２４ｍｌ及びエチレングリコール３．７８ｍｌよりなる。前駆体溶液は、組成の完全な分子混合を確実にするために、磁気ミキサーを使用して少なくとも１時間にわたって完全に混合される。次に前駆体は、高周波駆動の圧作動液滴作製装置によって製造される、固有の直径が数十マイクロメートルから１３０マイクロメートルの均一液滴として、１から５ミリリットル／分（ｍｌ／分）の間の噴射流速で噴射される。粒子連行及び誘電体の内壁の冷却のための４０ＳＣＦＨ以上で合計１２０ＳＣＦＨを超えないガス流は、プラズマを５．５ＫＷの比較的低いマイクロ波放射出力にて安定化するために使用されている。８ＹＳＺナノ複合材粉末粒子は、粉末収集排熱システムの経路に挿入された装置に収容されたナイロン、セラミック又はステンレス鋼のフィルタを使用して収集された。これらの８ＹＳＺナノ複合材粉末は、固形酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）用途の電解質として好適である。

具体的な一実施形態において、マグネシウム−アルミニウム−オキシニトリド（ＭｇＡＬＯＮ）ナノ複合材酸化物セラミック粉末を製造するために、水溶性硝酸又は酢酸マグネシウム及び硝酸又は酢酸アルミニウムの化学量論的組成物並びに蒸留水又は脱イオン水からなる溶液前駆体は、調製され、次に窒素マイクロ波プラズマガス中に噴射される。前駆体溶液は、組成の完全な分子混合を確実にするために、磁気ミキサーを使用して少なくとも１時間にわたって完全に混合される。次に前駆体は、高周波駆動の圧作動液滴作製装置によって製造される、固有の直径が数十マイクロメートルから１３０マイクロメートルの均一液滴として、１から５ミリリットル／分（ｍｌ／分）の間の噴射流速で噴射される。粒子連行及び誘電体の内壁の冷却のための４０ＳＣＦＨ以上で合計１２０ＳＣＦＨを超えない、窒素からなるガス流は、プラズマを５．５ＫＷの比較的低いマイクロ波放射出力にて安定化するために使用されている。ＭｇＡＬＯＮナノ複合材粉末粒子は、粉末収集排熱システムの経路に挿入された装置に収容されたナイロン、セラミック又はステンレス鋼のフィルタを使用して収集された。これらのＭｇＡＬＯＮナノ複合材粉末は、透明外装用途に好適である。

Claims

マイクロ波生成プラズマを使用して粒子を作製する方法であって、
塩溶液の前駆体液滴をマイクロ波プラズマトーチ中へ導入すること、
マイクロ波生成プラズマに向かう少なくとも１つの同軸層流のガス流を使用して前記前駆体液滴を連行すること、
前記前駆体液滴を前記マイクロ波生成プラズマ内の高温に暴露すること、および
前記マイクロ波生成プラズマ中での前記前駆体液滴の滞留時間を制御すること
を含み、
前記のマイクロ波プラズマ中での前記前駆体液滴の滞留時間を制御することは、プラズマプルームの容積を制御することを含む、方法。
プラズマプルームの容積を制御することは、プラズマ生成源におけるマイクロ波出力を制御することを含む、請求項１に記載の方法。
細長いプラズマプルームが、溶媒の蒸発、溶質の乾燥、粒子の溶融及び焼結を促進する、請求項１に記載の方法。
粒子は、５ｎｍ未満の粒径分布を有する、請求項１に記載の方法。
粒子は、シェル様であり、および外側表面において多孔性である、請求項１に記載の方法。
粒子は、固形粒子である、請求項１に記載の方法。
粒子は、中空粒子である、請求項１に記載の方法。
粒子の平均径は、１００ミクロンである、請求項１に記載の方法。
水、有機溶媒又は水及び有機溶媒の混合物に酸を添加することによって塩溶液を調製することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記塩溶液を調製するステップが、少なくとも第１の溶液及び第２の溶液を組み合せることによって調製される、請求項９に記載の方法。
前記第１の溶液を、
水及び有機溶媒を混合すること、
酸を水に添加すること、又は
酸を水及び有機溶媒の混合物に添加すること
によって調製することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
前記第２の溶液を、
少なくとも１つの塩を水に溶解させること、又は
少なくとも１つの塩を水及び有機溶媒の混合物に溶解させること
によって調製することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
前記第１の溶液を、
水及びエチレングリコールを混合すること、
クエン酸を水に添加すること、又は
クエン酸を水及びエチレングリコールの混合物に添加すること
によって調製することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
前記塩溶液を調製するステップが水及び有機溶媒の混合物中で調製され、さらに有機溶媒をエタノール、メタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、テトラヒドロフラン及びその組合せからなる群から選択する、請求項９に記載の方法。
前記塩溶液を調製するステップが、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム及びその組合せなどのアルカリ金属の、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム及びその組合せなどのアルカリ土類金属の、スカンジウム、イットリウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金及び金並びにその組合せなどの遷移金属の、アルミニウム、ガリウム、インジウム、スズ、タリウム、鉛、ビスマス及びその組合せなどのポスト遷移金属の、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、タリウム、イッテルビウム、ルテチウム及びその組合せなどのランタノイドの、トリウムなどのアクチニドの、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルル及びその組合せなどのメタロイドの、並びに炭素、リン、硫黄及びセレン並びにその組合せなどの非金属の、カチオンからなる群から塩を選択することによって調製される、請求項９に記載の方法。
前記塩溶液を調製するステップが、
アルミニウム、
イットリウム、スカンジウム及びその任意の組合せ、並びに
ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、タリウム、イッテルビウム、ルテチウム及びその組合せからなる群から選択されるカチオンを含む塩を溶解させることによって調製される、請求項９に記載の方法。
前記塩溶液を調製するステップが、マグネシウム及びイットリウムのカチオンを含む塩を溶解させることによって調製される、請求項９に記載の方法。
前記塩溶液を調製するステップが、マグネシウム及びアルミニウムのカチオンを含む塩を溶解させることによって調製される、請求項９に記載の方法。
前記塩溶液を調製するステップが、ランタン、マグネシウム、及びアルミニウムのカチオンを含む塩を溶解させることによって調製される、請求項９に記載の方法。
前記塩溶液を調製するステップが、
ジルコニウム、及び
イットリウム又はサマリウム、
のカチオンを含む塩を溶解させることによって調製される、請求項９に記載の方法。
前記塩溶液を調製するステップが、硝酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、硫酸塩、炭酸塩、塩化物、リン酸塩、アルコキシド、アトラン、オルトケイ酸テトラエチル、金属ホウ化水素及びその組合せのアニオンからなる群から塩を選択することによって調製される、請求項９に記載の方法。
前記少なくとも１つの同軸層流を使用して前記前駆体液滴を連行するステップが、空気、酸素、アルゴン、メタン、アンモニア、窒素及びその組合せからなる群からガスを選択することを含む、請求項１に記載の方法。
１０^３ケルビン／秒（Ｋ／ｓ）以上１０^６Ｋ／ｓ以下の速度を選択することによって、前記マイクロ波プラズマから排出される前記前駆体液滴のクエンチ速度を制御することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記クエンチ速度を制御することが、制御可能な雰囲気を有するクエンチチャンバを選択することを含む、請求項２３に記載の方法。