JP2020083662A - Crystalline glass composition - Google Patents

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聡子 此下
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Abstract

To provide a crystalline glass composition that has a fluidity suitable for adhesion as well as a desired thermal expansion coefficient after heat treatment, and has an excellent heat resistance after adhesion.SOLUTION: Provided is a crystalline glass composition characterized by containing, in mole %, SiOby 38 to less than 50%, MgO by 5 to 40%, CaO by 0.1 to 30%, BaO by 2 to 20%, ZnO by 5 to 40%, RO (R is at least one selected from Li, Na, K and Cs.) by 0 to 5%, BOby 0 to less than 2%, AlOby 0 to less than 2%, LaOby 0 to 15%, and in which ZnO/BaO is 1.9 to 10.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、結晶性ガラス組成物に関し、より具体的にはSUSやFeといった金属や、フェライトやジルコニアといった高膨張なセラミックスを接着する目的で用いられる結晶性ガラス組成物に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a crystalline glass composition, and more specifically to a crystalline glass composition used for the purpose of adhering a metal such as SUS or Fe or a high expansion ceramic such as ferrite or zirconia.

近年、燃料電池(Fuel Cell)はエネルギー効率が高く、COの排出を大きく削減できる有力な技術として注目されてきている。燃料電池のタイプは使用する電解質によって分類され、例えば工業用途で用いられるものとして、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、固体高分子型(PEFC)の4種類がある。中でも固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、電池の内部抵抗が小さいため燃料電池の中では最も発電効率が高く、また触媒に貴金属を使用する必要がないため、製造コストが抑えられるといった特徴を有している。そのため、家庭用等の小規模用途から、発電所等の大規模用途まで幅広く適用可能なシステムであり、その将来性に期待が高まってきている。 2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have high energy efficiency and have been drawing attention as a promising technology capable of greatly reducing CO 2 emission. The types of fuel cells are classified according to the electrolyte used. For example, phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), solid polymer type (PEFC) are used for industrial applications. There are four types. Among them, the solid oxide fuel cell (SOFC) has the highest power generation efficiency in the fuel cell because of its low internal resistance, and the production cost can be suppressed because it is not necessary to use a noble metal for the catalyst. Have Therefore, the system is widely applicable from small-scale applications such as household use to large-scale applications such as power plants, and expectations for its future are increasing.

一般的な平板型SOFCの構造を図1に示す。図1に示すように、一般的な平板型SOFCは、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等のセラミック材料からなる電解質1、Ni/YSZ等からなるアノード2、及び(La、Ca)CrO等からなるカソード3が積層一体化されたセルを有している。さらに、アノード2と接する第一の支持基板4やカソード3と接する第二の支持基板5がセルの上下に固着されることにより、燃料ガスの通り道(燃料チャネル4a)、及び空気の通り道(空気チャネル5a)が形成されている。なお、第一の支持基板4及び第二の支持基板5はSUS等の金属で構成されており、ガスの通り道が互いに直交するようにセルに固着される。 The structure of a general flat plate SOFC is shown in FIG. As shown in FIG. 1, a general flat-plate SOFC includes an electrolyte 1 made of a ceramic material such as yttria-stabilized zirconia (YSZ), an anode 2 made of Ni/YSZ, and (La, Ca)CrO 3. Has a cell in which the cathode 3 is laminated and integrated. Further, the first support substrate 4 in contact with the anode 2 and the second support substrate 5 in contact with the cathode 3 are fixed to the upper and lower sides of the cell, whereby the passage of the fuel gas (fuel channel 4a) and the passage of the air (air The channel 5a) is formed. The first support substrate 4 and the second support substrate 5 are made of metal such as SUS and are fixed to the cell so that the gas passages are orthogonal to each other.

上記構造を有する平板型SOFCでは、燃料チャネル4aに水素(H)や、都市ガス、天然ガス、バイオガス、液体燃料といった様々なガスを流し、同時に空気チャネル5aに空気または酸素(O)を流す。このときカソードでは、1/2O+2e → O2−の反応が生じ、アノードでは、H+O2− → HO + 2eの反応が起こる。この電気化学反応によって、化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換され、発電することができる。なお高出力を得るために、実際の平板型SOFCでは図1の構造体が何層も積層されている。 In the flat plate type SOFC having the above structure, various gases such as hydrogen (H 2 ) and city gas, natural gas, biogas and liquid fuel are caused to flow in the fuel channel 4a, and at the same time air or oxygen (O 2 ) is flown in the air channel 5a. Shed. At this time, a reaction of 1/2O 2 +2e →O 2 occurs at the cathode, and a reaction of H 2 +O 2 → →H 2 O +2e occurs at the anode. By this electrochemical reaction, chemical energy is directly converted into electric energy and power can be generated. In addition, in order to obtain a high output, in an actual flat plate type SOFC, many layers of the structure shown in FIG. 1 are laminated.

上記構造体を作製するに当たっては、アノード側とカソード側に流すガスが交じり合わないように各構成部材を気密シールする必要がある。その目的で、マイカやバーミキュライト、アルミナといった無機質からなるシート形状のガスケットを挟み込んで気密シールする方法が提案されているが、当該方法では微量のガスリークが発生しやすく、燃料使用効率の低下が問題となっている。当該問題を解決するため、ガラスからなる接着材料を用いて構成部材同士を融解接着する方法が検討されている。 In manufacturing the above-mentioned structure, it is necessary to hermetically seal the respective constituent members so that the gases flowing to the anode side and the cathode side do not mix with each other. For that purpose, a method has been proposed in which a sheet-shaped gasket made of an inorganic material such as mica, vermiculite, or alumina is sandwiched and hermetically sealed, but in this method, a slight amount of gas leak easily occurs, and a decrease in fuel use efficiency is a problem. Is becoming In order to solve the problem, a method of melting and adhering the constituent members to each other using an adhesive material made of glass has been studied.

上記構造体の構成部材としては金属やセラミックといった高膨張材料が使用されることから、使用する接着材料についても、これらの高膨張材料に適合する熱膨張係数を有する必要がある。また、SOFCは電気化学反応が生じる温度域(作動温度域)が600〜1000℃と高温であり、しかも当該温度域で長期間に亘って運転される。よって、接着材料には、長期間高温に晒されても、接着箇所の融解による気密性や接着性の低下が起こらないように高い耐熱性が求められる。 Since a high expansion material such as metal or ceramic is used as a constituent member of the structure, the adhesive material used also needs to have a coefficient of thermal expansion compatible with these high expansion materials. Further, the SOFC has a high temperature range (operating temperature range) in which an electrochemical reaction occurs, that is, 600 to 1000° C., and is operated in the temperature range for a long period of time. Therefore, the adhesive material is required to have high heat resistance so that even if it is exposed to a high temperature for a long period of time, the airtightness and the adhesiveness will not be deteriorated due to the melting of the adhesive portion.

ガラスからなる高膨張接着材料として、熱処理するとCaO−MgO−SiO系結晶が析出して高膨張特性を示す結晶性ガラス組成物が特許文献1に開示されている。また、特許文献2には、安定したガスシール特性が得られるSiO−B−SrO系非晶質ガラス組成物が開示されている。 As the high expansion bonding material made of glass, crystalline glass composition exhibiting high expansion characteristics and precipitation heat treatment to the CaO-MgO-SiO 2 based crystal is disclosed in Patent Document 1. Further, Patent Document 2 discloses a SiO 2 —B 2 O 3 —SrO based amorphous glass composition that can obtain stable gas sealing properties.

国際公開第2009/017173号公報International Publication No. 2009/017173 特開2006−56769号公報JP, 2006-56769, A

特許文献1に記載されている結晶性ガラス組成物は、高温粘性が高いため、熱処理時に軟化流動しにくく、緻密な焼結体が得られにくい。結果として、安定したシール性が得られにくいという問題がある。また、特許文献2に開示されている非晶質ガラス組成物は、ガラス転移点が600℃付近であるため、600〜1000℃程度といった高温動作環境下では、接着箇所が融解し、気密性や接着性が確保できないという問題がある。 Since the crystalline glass composition described in Patent Document 1 has a high temperature viscosity, it is difficult for the crystalline glass composition to soften and flow during heat treatment, and it is difficult to obtain a dense sintered body. As a result, there is a problem that it is difficult to obtain a stable sealing property. Further, the amorphous glass composition disclosed in Patent Document 2 has a glass transition point of around 600° C., and therefore, in a high-temperature operating environment of about 600 to 1000° C., the bonding site melts, resulting in airtightness and There is a problem that the adhesiveness cannot be secured.

以上に鑑み、本発明は、接着に適した流動性を有するとともに、熱処理後に所望の熱膨張係数を有し、かつ接着後の耐熱性にも優れる結晶性ガラス組成物を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention aims to provide a crystalline glass composition having fluidity suitable for bonding, having a desired coefficient of thermal expansion after heat treatment, and having excellent heat resistance after bonding. To do.

本発明者が種々の実験を行った結果、特定組成を有するガラス組成物により上記課題を解決できることを見出した。 As a result of various experiments conducted by the present inventor, it has been found that the above problems can be solved by a glass composition having a specific composition.

本発明の結晶性ガラス組成物は、モル%で、SiO 38〜50%未満、MgO 5〜40%、CaO 0.1〜30%、BaO 2〜20%、ZnO 5〜40%、RO(RはLi、Na、K、Csから選択される少なくとも一種) 0〜5%、B 0〜2%未満、Al 0〜2%未満、La 0〜15%を含有し、ZnO/BaOが1.9〜10であることを特徴とする。ここで、「ZnO/BaO」はZnOの含有量をBaOの含有量で除した値を意味する。なお、本発明において、「結晶性ガラス組成物」とは、熱処理すると結晶を析出する性質を有するガラス組成物をいう。また、「熱処理する」とは、800℃以上の温度で10分間以上の条件で熱処理することを意味する。 The crystalline glass composition of the present invention is, in mol %, SiO 2 38 to less than 50%, MgO 5 to 40%, CaO 0.1 to 30%, BaO 2 to 20%, ZnO 5 to 40%, R 2 O (R is at least one selected from Li, Na, K, and Cs) 0 to 5%, B 2 O 3 to less than 2%, Al 2 O 3 to less than 2%, La 2 O 3 to 15 %, and ZnO/BaO is 1.9-10. Here, “ZnO/BaO” means a value obtained by dividing the content of ZnO by the content of BaO. In the present invention, the "crystalline glass composition" means a glass composition having a property of precipitating crystals when heat-treated. Further, "heat treatment" means heat treatment at a temperature of 800° C. or higher for 10 minutes or longer.

本発明の結晶性ガラス組成物は、ZnO/BaOを1.9〜10とすることにより、熱処理後において、2ZnO・SiO等の低膨張結晶、及びBaO・2MgO・2SiO、2SiO・2ZnO・BaO等の高膨張結晶が析出しやすくなる。低膨張結晶、及び高膨張結晶の両者を析出させることにより所望の熱膨張係数が得られ、金属やセラミック等に適合する熱膨張係数を有しやすくなる。また、これらの結晶は耐熱性が良好であり、接着箇所の耐熱性を向上させることができる。そのため、長期間に亘って高温下で使用しても、接着箇所が融解し難くなり、接着箇所の気密性や接着性の低下を抑制することができる。 Crystallizable glass composition of the present invention, by the ZnO / BaO and from 1.9 to 10, after the heat treatment, a low expansion crystal such as 2ZnO · SiO 2, and BaO · 2MgO · 2SiO 2, 2SiO 2 · 2ZnO Highly expanded crystals such as BaO are likely to precipitate. A desired coefficient of thermal expansion can be obtained by precipitating both the low-expansion crystal and the high-expansion crystal, and it becomes easy to have a coefficient of thermal expansion compatible with metals, ceramics and the like. Moreover, these crystals have good heat resistance, and can improve the heat resistance of the bonded portion. Therefore, even if it is used at a high temperature for a long period of time, it becomes difficult for the bonded portion to melt, and it is possible to suppress deterioration of the airtightness or the adhesiveness of the bonded portion.

SiO及びCaOは流動性を向上させる成分であり、これらの含有量を上記の通り規定することにより、接着(封着)に適した流動性を得ることができる。 SiO 2 and CaO are components that improve fluidity, and by defining their contents as described above, fluidity suitable for adhesion (sealing) can be obtained.

本発明の結晶性ガラス組成物は、P及びBiを実質的に含有しないことが好ましい。P及びBiは熱処理により揮発しやすく、SOFC構成部材の電気絶縁性を低下させる等、発電特性に悪影響を与えるおそれがある。そのため、これらの成分を実質的に含有しないことにより、不当に発電特性が低下することを抑制することができる。なお、「実質的に含有しない」とは意図的に含有させないことを意味し、不可避的不純物の混入を排除するものではない。具体的には、該当する成分の含有量が0.1モル%未満であることを意味する。 The crystalline glass composition of the present invention preferably contains substantially no P 2 O 5 or Bi 2 O 3 . P 2 O 5 and Bi 2 O 3 are likely to be volatilized by heat treatment, which may adversely affect the power generation characteristics such as lowering the electrical insulating property of the SOFC constituent member. Therefore, it is possible to prevent the power generation characteristics from being unduly deteriorated by substantially not containing these components. In addition, "substantially not containing" means not containing intentionally, and does not exclude mixing of unavoidable impurities. Specifically, it means that the content of the corresponding component is less than 0.1 mol %.

本発明の結晶性ガラス組成物は、熱処理により、2ZnO・SiOの結晶と、BaO・2MgO・2SiO、及び/又は2SiO・2ZnO・BaOの結晶とを析出することが好ましい。当該構成により、接着箇所の熱膨張係数最適化及び耐熱性向上を図ることが可能となり、金属やセラミックの接着または被覆の用途に好適となる。 Crystallizable glass composition of the present invention, by heat treatment, the crystals of 2ZnO · SiO 2, it is preferred to precipitate the BaO · 2MgO · 2SiO 2, and / or 2SiO 2 · 2ZnO · BaO crystals. With this configuration, it is possible to optimize the thermal expansion coefficient and improve the heat resistance of the bonded portion, and it is suitable for the purpose of bonding or coating metal or ceramic.

本発明の結晶性ガラス組成物は、30〜700℃の温度範囲における熱膨張係数が80×10−7/℃〜110×10−7/℃であることが好ましい。 The crystalline glass composition of the present invention preferably has a thermal expansion coefficient of 80×10 −7 /° C. to 110×10 −7 /° C. in the temperature range of 30 to 700° C.

本発明の結晶性ガラス組成物は、接着用として好適である。 The crystalline glass composition of the present invention is suitable for adhesion.

本発明の結晶性ガラス組成物は、接着に適した流動性を有するとともに、熱処理後に所望の熱膨張係数を有し、かつ接着後の耐熱性にも優れる。そのため、長期間に亘って高温下で使用しても、接着箇所が融解し難くなり、接着箇所の気密性や接着性の低下を抑制することができる。 The crystalline glass composition of the present invention has fluidity suitable for bonding, has a desired coefficient of thermal expansion after heat treatment, and is also excellent in heat resistance after bonding. Therefore, even if it is used at a high temperature for a long period of time, it becomes difficult for the bonded portion to melt, and it is possible to suppress the deterioration of the airtightness and the adhesiveness of the bonded portion.

SOFCの基本構造を示す模式的斜視図である。It is a typical perspective view which shows the basic structure of SOFC.

本発明の結晶性ガラス組成物は、モル%で、SiO 38〜50%未満、MgO 5〜40%、CaO 0.1〜30%、BaO 2〜20%、ZnO 5〜40%、RO(RはLi、Na、K、Csから選択される少なくとも一種) 0〜5%、B 0〜2%未満、Al 0〜2%未満、La 0〜15%を含有し、ZnO/BaOが1.9〜10である。ガラス組成を上記のように限定した理由を以下に説明する。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「%」は「モル%」を意味する。 The crystalline glass composition of the present invention is, in mol %, SiO 2 38 to less than 50%, MgO 5 to 40%, CaO 0.1 to 30%, BaO 2 to 20%, ZnO 5 to 40%, R 2 O (R is at least one selected from Li, Na, K, and Cs) 0 to 5%, B 2 O 3 to less than 2%, Al 2 O 3 to less than 2%, La 2 O 3 to 15 %, ZnO/BaO is 1.9-10. The reason for limiting the glass composition as described above will be described below. In the following description regarding the content of each component, "%" means "mol %" unless otherwise specified.

SiOは、熱処理により析出する高膨張結晶及び低膨張結晶の構成成分であり、流動性の向上以外に、耐水性や耐熱性を向上させる効果がある。SiOの含有量は38〜50%未満であり、好ましくは40〜49.5%、より好ましくは45〜49%である。SiOの含有量が少なすぎると、接着に適した流動性が得にくくなる。一方、SiOの含有量が多すぎると、溶融温度が高くなり、溶融が困難になる傾向がある。 SiO 2 is a constituent component of high-expansion crystals and low-expansion crystals precipitated by heat treatment, and has the effect of improving water resistance and heat resistance in addition to improving fluidity. The content of SiO 2 is 38 to less than 50%, preferably 40 to 49.5%, more preferably 45 to 49%. If the content of SiO 2 is too small, it becomes difficult to obtain fluidity suitable for adhesion. On the other hand, when the content of SiO 2 is too large, the melting temperature becomes high and the melting tends to be difficult.

MgOは、熱処理により析出する高膨張結晶の構成成分である。MgOの含有量は5〜40%であり、好ましくは5〜39%、より好ましくは6〜38%である。MgOの含有量が少なすぎると、熱処理時に高膨張結晶が析出しにくくなり、耐熱性が低下しやすくなる。一方、MgOの含有量が多すぎると、ガラス化範囲が狭くなる傾向にあり、失透しやすくなる。また、流動性が低下しやすくなる。 MgO is a constituent component of high expansion crystals precipitated by heat treatment. The content of MgO is 5 to 40%, preferably 5 to 39%, more preferably 6 to 38%. If the content of MgO is too small, highly expanded crystals are less likely to precipitate during heat treatment, and heat resistance is likely to decrease. On the other hand, if the content of MgO is too large, the vitrification range tends to be narrowed and devitrification is likely to occur. In addition, the fluidity tends to decrease.

CaOは流動性を向上させるための成分である。CaOの含有量は0.1〜30%であり、好ましくは1〜25%、より好ましくは3〜20%である。CaOの含有量が少なすぎると、接着に適した流動性が得にくくなる。一方、CaOの含有量が多すぎると、ガラス化範囲が狭くなる傾向にあり、失透しやすくなる。 CaO is a component for improving fluidity. The content of CaO is 0.1 to 30%, preferably 1 to 25%, more preferably 3 to 20%. If the content of CaO is too small, it becomes difficult to obtain fluidity suitable for adhesion. On the other hand, if the content of CaO is too large, the vitrification range tends to be narrowed and devitrification is likely to occur.

BaOは、熱処理により析出する高膨張結晶の構成成分である。BaOの含有量は2〜20%であり、好ましくは3〜18%、より好ましくは3〜15%である。BaOの含有量が少なすぎると、熱処理時に高膨張結晶が析出しにくくなり、耐熱性が低下しやすくなる。一方、BaOの含有量が多すぎると、ガラス化範囲が狭くなる傾向にあり、失透しやすくなる。また、流動性が低下しやすくなる。 BaO is a constituent component of high expansion crystals precipitated by heat treatment. The content of BaO is 2 to 20%, preferably 3 to 18%, more preferably 3 to 15%. If the content of BaO is too small, it becomes difficult for highly expanded crystals to precipitate during heat treatment, and heat resistance tends to decrease. On the other hand, if the content of BaO is too large, the vitrification range tends to be narrowed and devitrification is likely to occur. In addition, the fluidity tends to decrease.

ZnOは、熱処理により析出する高膨張結晶及び低膨張結晶の構成成分である。ZnOの含有量は5〜40%であり、好ましくは5〜39%、より好ましくは6〜38%である。ZnOの含有量が少なすぎると、熱処理時に高膨張結晶及び低膨張結晶が析出しにくくなり、耐熱性が低下しやすくなる。一方、ZnOの含有量が多すぎるとガラス化範囲が狭くなる傾向にあり、失透しやすくなる。 ZnO is a constituent component of high expansion crystals and low expansion crystals precipitated by heat treatment. The content of ZnO is 5 to 40%, preferably 5 to 39%, more preferably 6 to 38%. If the content of ZnO is too low, high expansion crystals and low expansion crystals are less likely to precipitate during heat treatment, and heat resistance tends to decrease. On the other hand, if the content of ZnO is too large, the vitrification range tends to be narrow, and devitrification is likely to occur.

BaO/ZnOは1.9〜10であり、好ましくは1.95〜8、より好ましくは2〜5である。BaO/ZnOが小さすぎると、BaO・2MgO・2SiO、2SiO・2ZnO・BaO等の高膨張結晶が析出しにくくなり、熱膨張係数が低くなり過ぎる傾向にある。一方、BaO/ZnOが大きすぎると、2ZnO・SiO等の低膨張結晶が析出しにくくなり、熱膨張係数が高くなり過ぎる傾向にある。 BaO/ZnO is 1.9-10, preferably 1.95-8, more preferably 2-5. When BaO / ZnO is too small, high expansion crystal such as BaO · 2MgO · 2SiO 2, 2SiO 2 · 2ZnO · BaO is less likely deposited, tend to thermal expansion coefficient becomes too low. On the other hand, when BaO/ZnO is too large, low-expansion crystals such as 2ZnO.SiO 2 are less likely to precipitate, and the coefficient of thermal expansion tends to be too high.

O(RはLi、Na、K、Csから選択される少なくとも一種)は、ガラス化範囲を拡げてガラス化しやすくする成分である。ROの含有量は、0〜5%であり、好ましくは0〜3%、より好ましくは0〜1%である。ROの含有量が多すぎると、燃料電池の構成部材の接着材料として使用した場合に、高温下の使用でROが揮発し、発電特性が劣化しやすくなる。なお、LiO、NaO、KO、CsOの含有量はそれぞれ、好ましくは0〜5%、より好ましくは0〜3%、さらに好ましくは0〜1%である。 R 2 O (R is at least one selected from Li, Na, K, and Cs) is a component that expands the vitrification range to facilitate vitrification. The content of R 2 O is 0 to 5%, preferably 0 to 3%, more preferably 0 to 1%. When the content of R 2 O is too large, when used as an adhesive material for a constituent member of a fuel cell, R 2 O is volatilized at high temperatures and the power generation characteristics are likely to deteriorate. The content of Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, and Cs 2 O is preferably 0 to 5%, more preferably 0 to 3%, and further preferably 0 to 1%.

は流動性を向上させるための成分である。Bの含有量は0〜2%未満であり、好ましくは0〜1%、より好ましくは0〜0.5%である。Bの含有量が多すぎると、耐水性や耐熱性が低下しやすくなる。また、燃料電池の構成部材の接着材料として使用した場合に、高温下の使用でBが揮発し、発電特性が劣化しやすくなる。 B 2 O 3 is a component for improving fluidity. The content of B 2 O 3 is 0 to less than 2%, preferably 0 to 1%, and more preferably 0 to 0.5%. If the content of B 2 O 3 is too large, water resistance and heat resistance tend to decrease. In addition, when used as an adhesive material for a constituent member of a fuel cell, B 2 O 3 volatilizes under use at a high temperature, and power generation characteristics are likely to deteriorate.

Alは粘性を調整するための成分である。Alの含有量は0〜2%未満であり、好ましくは0〜1.5%、より好ましくは0〜1%である。Alの含有量が多すぎるとガラス化範囲が狭くなる傾向にあり、失透しやすくなる。 Al 2 O 3 is a component for adjusting viscosity. The content of Al 2 O 3 is 0 to less than 2%, preferably 0 to 1.5%, more preferably 0 to 1%. If the content of Al 2 O 3 is too large, the vitrification range tends to be narrowed and devitrification is likely to occur.

Laは流動性を向上させるための成分である。また、ガラス化範囲を拡げてガラス化しやすくする成分である。Laの含有量は0〜15%であり、好ましくは0〜14%、より好ましくは0.1〜13%である。Laの含有量が多すぎると、溶融中や熱処理時に失透しやすくなり、接着に適した流動性が得られにくくなる。 La 2 O 3 is a component for improving fluidity. It is also a component that expands the vitrification range to facilitate vitrification. The content of La 2 O 3 is 0 to 15%, preferably 0 to 14%, more preferably 0.1 to 13%. When the content of La 2 O 3 is too large, devitrification tends to occur during melting or heat treatment, and it becomes difficult to obtain fluidity suitable for adhesion.

上記成分以外にも、以下に示す種々の成分を含有させることができる。 In addition to the above components, various components shown below can be contained.

SrOは流動性を向上させるための成分である。SrOの含有量は0〜10%、好ましくは0〜5%、より好ましくは0〜3%である。SrOの含有量が多すぎると、ガラス化範囲が狭くなる傾向にあり、失透しやすくなる。 SrO is a component for improving fluidity. The content of SrO is 0 to 10%, preferably 0 to 5%, more preferably 0 to 3%. If the content of SrO is too large, the vitrification range tends to be narrow, and devitrification is likely to occur.

TiOは、流動性を向上させる成分である。TiOの含有量は0〜10%、好ましくは0〜8%、より好ましくは0〜6%である。TiOの含有量が多すぎると溶融時に失透しやすくなる。 TiO 2 is a component that improves fluidity. The content of TiO 2 is 0 to 10%, preferably 0 to 8%, more preferably 0 to 6%. If the content of TiO 2 is too large, devitrification tends to occur during melting.

ZrOは、流動性を向上させる成分である。ZrOの含有量は0〜10%、好ましくは0〜8%、より好ましくは0.1〜6%である。ZrOの含有量が多すぎると溶融時に失透しやすくなる。 ZrO 2 is a component that improves fluidity. The content of ZrO 2 is 0 to 10%, preferably 0 to 8%, more preferably 0.1 to 6%. If the content of ZrO 2 is too large, devitrification tends to occur during melting.

さらに、本発明の結晶性ガラス組成物は、上記以外の成分としてY、Gd、Nb、Ta、SnO、WO等をそれぞれ2%まで含有させることができる。ただし、P及びBiは熱処理により揮発しやすく、SOFC構成部材の電気絶縁性を低下させる等、発電特性に悪影響を与えるおそれがあるため、実質的に含有しないことが好ましい。 Furthermore, the crystallizable glass composition of the present invention, is contained Y 2 O 3 as a component other than the above, Gd 2 O 3, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5, SnO 2, WO 3 , etc. up to 2%, respectively be able to. However, P 2 O 5 and Bi 2 O 3 are likely to volatilize by heat treatment and may adversely affect the power generation characteristics such as lowering the electrical insulating property of the SOFC constituent member, so it is preferable that P 2 O 5 and Bi 2 O 3 are not substantially contained.

以上のような組成を有する結晶性ガラス組成物は、熱処理すると低膨張結晶及び高膨張結晶を析出する性質を有する。低膨張結晶としては2ZnO・SiO、高膨張結晶としてはBaO・2MgO・2SiO、及び/又は2SiO・2ZnO・BaOが挙げられる。熱処理後の結晶性ガラス組成物の30〜700℃の温度範囲における熱膨張係数は、80×10−7/℃〜110×10−7/℃、特に85×10−7/℃〜105×10−7/℃であることが好ましい。熱膨張係数が低すぎても高すぎても、金属やセラミックからなる被接着剤との熱膨張係数差が大きくなり、ガラス(接着部)が破損する虞がある。なお、本発明の結晶性ガラス組成物は、熱処理後に高い結晶化度が得られやすい。また、析出する結晶は融点が高く、再度熱処理を行っても流動しにくいため、長期に亘って耐熱性を維持することができる。 The crystalline glass composition having the above composition has a property of depositing a low expansion crystal and a high expansion crystal when heat-treated. As the low-expansion crystallized 2ZnO · SiO 2, BaO · 2MgO · 2SiO 2, and / or 2SiO 2 · 2ZnO · BaO may be mentioned as a high expansion crystals. The thermal expansion coefficient of the crystalline glass composition after the heat treatment in the temperature range of 30 to 700° C. is 80×10 −7 /° C. to 110×10 −7 /° C., particularly 85×10 −7 /° C. to 105×10 5. It is preferably −7 /° C. If the coefficient of thermal expansion is too low or too high, the difference in coefficient of thermal expansion with the adherend made of metal or ceramic becomes large, and the glass (bonded portion) may be damaged. The crystalline glass composition of the present invention is likely to have a high crystallinity after heat treatment. In addition, the precipitated crystal has a high melting point and does not easily flow even if heat treatment is performed again, so that heat resistance can be maintained for a long time.

本発明の結晶性ガラス組成物は、流動性、熱膨張係数の調整のために、マグネシア(MgO)、亜鉛華(ZnO)、ジルコニア(ZrO)、チタニア(TiO)、アルミナ(Al)等の粉末をフィラー粉末として添加して用いても良い。フィラー粉末の添加量は、結晶性ガラス組成物100質量部に対して0〜10質量部、0.1〜9質量部、特に1〜8質量部であることが好ましい。フィラー粉末の添加量が多すぎると、流動性が低下しやすくなる。なおフィラー粉末の粒径はd50で0.2〜20μm程度のものを使用することが好ましい。 The crystalline glass composition of the present invention contains magnesia (MgO), zinc white (ZnO), zirconia (ZrO 2 ), titania (TiO 2 ), alumina (Al 2 O) for adjusting fluidity and thermal expansion coefficient. Powders such as 3 ) may be added and used as filler powders. The addition amount of the filler powder is preferably 0 to 10 parts by mass, 0.1 to 9 parts by mass, and particularly 1 to 8 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the crystalline glass composition. If the addition amount of the filler powder is too large, the fluidity is likely to decrease. It is preferable to use a filler powder having a particle diameter d50 of about 0.2 to 20 μm.

次に本発明の結晶性ガラス組成物の製造方法、及び本発明の結晶性ガラス組成物を接着材料として使用する方法の一例について説明する。 Next, an example of a method for producing the crystalline glass composition of the present invention and a method of using the crystalline glass composition of the present invention as an adhesive material will be described.

まず、上記組成を有するように調合した原料を1400〜1600℃で0.5〜2時間程度、均質なガラスが得られるまで溶融する。次いで、溶融ガラスをフィルム状等に成形した後、粉砕し、分級することにより本発明の結晶性ガラス組成物からなるガラス粉末を作製する。なお、ガラス粉末の粒径(d50)は2〜20μm程度であることが好ましい。必要に応じて、ガラス粉末に各種フィラー粉末を添加する。 First, the raw material prepared so as to have the above composition is melted at 1400 to 1600° C. for 0.5 to 2 hours until a homogeneous glass is obtained. Then, the molten glass is formed into a film or the like, crushed and classified to prepare a glass powder made of the crystalline glass composition of the present invention. The particle size (d50) of the glass powder is preferably about 2 to 20 μm. If necessary, various filler powders are added to the glass powder.

次いで、ガラス粉末(あるいは、ガラス粉末とフィラー粉末との混合粉末)にビークルを添加して混練することによりガラスペーストを調製する。ビークルは例えば有機溶剤、樹脂の他、可塑剤、分散剤等を含有する。 Next, a glass paste is prepared by adding a vehicle to glass powder (or a mixed powder of glass powder and filler powder) and kneading. The vehicle contains, for example, an organic solvent, a resin, a plasticizer, a dispersant, and the like.

有機溶剤はガラス粉末をペースト化するための材料であり、例えばターピネオール(Ter)、ジエチレングリコールモノブチルエーテル(BC)、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート(BCA)、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタジオールモノイソブチレート、ジヒドロターピネオール等を単独または混合して使用することができる。その含有量は10〜40質量%であることが好ましい。 The organic solvent is a material for making glass powder into a paste, and for example, terpineol (Ter), diethylene glycol monobutyl ether (BC), diethylene glycol monobutyl ether acetate (BCA), 2,2,4-trimethyl-1,3-pentadiol. Monoisobutyrate, dihydroterpineol and the like can be used alone or in combination. The content is preferably 10 to 40% by mass.

樹脂は、乾燥後の膜強度を高め、また柔軟性を付与する成分であり、その含有量は、0.1〜20質量%程度が一般的である。樹脂は熱可塑性樹脂、具体的にはポリブチルメタアクリレート、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタアクリレート、ポリエチルメタアクリレート、エチルセルロース等が使用可能であり、これらを単独あるいは混合して使用する。 The resin is a component that enhances the film strength after drying and imparts flexibility, and the content thereof is generally about 0.1 to 20 mass %. The resin may be a thermoplastic resin, specifically, polybutylmethacrylate, polyvinylbutyral, polymethylmethacrylate, polyethylmethacrylate, ethylcellulose or the like, and these may be used alone or in combination.

可塑剤は、乾燥速度をコントロールするとともに、乾燥膜に柔軟性を与える成分であり、その含有量は0〜10質量%程度が一般的である。可塑剤としてはブチルベンジルフタレート、ジオクチルフタレート、ジイソオクチルフタレート、ジカプリルフタレート、ジブチルフタレート等が使用可能であり、これらを単独あるいは混合して使用する。 The plasticizer is a component that controls the drying speed and imparts flexibility to the dried film, and the content thereof is generally about 0 to 10% by mass. As the plasticizer, butylbenzyl phthalate, dioctyl phthalate, diisooctyl phthalate, dicapryl phthalate, dibutyl phthalate and the like can be used, and these are used alone or in combination.

分散剤としては、イオン系またはノニオン系の分散剤が使用可能であり、イオン系としてはカルボン酸、ジカルボン酸系等のポリカルボン酸系、アミン系等の分散剤、ノニオン系としてはポリエステル縮合型や多価アルコールエーテル型の分散剤が使用可能である。その使用量としては0〜5質量%が一般的である。 As the dispersant, an ionic or nonionic dispersant can be used. As the ionic system, a carboxylic acid, a polycarboxylic acid system such as a dicarboxylic acid system, an amine system dispersant, or a nonionic polyester condensation type. A polyhydric alcohol ether type dispersant can be used. The amount used is generally 0 to 5% by mass.

次いで、ペーストを金属やセラミックからなる第一の部材の接着箇所に塗布し、乾燥させる。さらに金属やセラミックからなる第二の部材をペースト乾燥膜に接触させた状態で固定して800〜1050℃で熱処理する。この熱処理により、ガラス粉末が一旦軟化流動して第一及び第二の部材を固着するとともに、結晶が析出する。このようにして、第一の部材及び第二の部材が本発明の結晶性ガラス組成物からなる封止部により接着してなる接合体を得ることができる。 Next, the paste is applied to the bonding portion of the first member made of metal or ceramic and dried. Further, the second member made of metal or ceramic is fixed in a state of being in contact with the paste dry film and heat-treated at 800 to 1050°C. By this heat treatment, the glass powder once softens and flows to fix the first and second members, and crystals are precipitated. In this way, it is possible to obtain a joined body in which the first member and the second member are adhered by the sealing portion made of the crystalline glass composition of the present invention.

本発明の結晶性ガラス組成物は、接着以外にも被覆、充填等の目的で使用できる。またペースト以外の形態、具体的には粉末、グリーンシート、タブレット等の状態で使用することができる。例えば、金属やセラミックスからなる円筒内にリード線とともにガラス粉末を充填して熱処理し、気密封止を行う形態が挙げられる。またグリーンシート成形されたプリフォームや、粉末プレス成型により作製されたタブレット等を金属やセラミックからなる部材上に載置し、熱処理して軟化流動させることで接着、被覆、充填することもできる。 The crystalline glass composition of the present invention can be used for the purpose of coating, filling, etc. in addition to adhesion. Further, it can be used in a form other than paste, specifically, powder, green sheet, tablet, or the like. For example, there is a form in which a cylinder made of metal or ceramics is filled with glass powder together with a lead wire, heat-treated, and hermetically sealed. It is also possible to place a green sheet-molded preform, a tablet manufactured by powder press molding, or the like on a member made of metal or ceramic, heat-treat and soften and fluidize it to bond, coat, or fill.

以下に、本発明の結晶性ガラス組成物を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the crystalline glass composition of the present invention will be described based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

表1は、本発明の実施例(試料No.1〜6)及び比較例(試料No.7)を示している。 Table 1 has shown the Example (sample No. 1-6) and comparative example (sample No. 7) of this invention.

各試料は次のようにして作製した。 Each sample was prepared as follows.

表中の各組成になるように調合した原料を1400〜1600℃で約2時間溶融した後、一対のローラー間に流し出してフィルム状に成形した。得られたフィルム状成形物をボールミルにて粉砕し、分級して、粒度(d50)が約10μmの試料(結晶性ガラス組成物粉末)を得た。 Raw materials prepared so as to have the respective compositions in the table were melted at 1400 to 1600° C. for about 2 hours and then poured out between a pair of rollers to be formed into a film. The obtained film-shaped molded product was crushed by a ball mill and classified to obtain a sample (crystalline glass composition powder) having a particle size (d50) of about 10 μm.

各試料について、熱膨張係数、軟化点、結晶化温度、結晶融点、析出結晶、流動性について、測定または評価した。結果を表に示す。 The thermal expansion coefficient, softening point, crystallization temperature, crystal melting point, precipitated crystals, and fluidity of each sample were measured or evaluated. The results are shown in the table.

表から明らかなように、実施例であるNo.1〜6の試料は、熱処理時の流動性に優れていた。また、熱膨張係数が98〜105×10−7/℃であった。さらに、析出結晶の融点が高く、耐熱性にも優れていることが分かった。 As is clear from the table, No. Samples 1 to 6 were excellent in fluidity during heat treatment. Moreover, the thermal expansion coefficient was 98 to 105×10 −7 /° C. Further, it was found that the melting point of the precipitated crystal was high and the heat resistance was also excellent.

一方、比較例であるNo.7の試料は、熱膨張係数が112×10−7/℃と高かった。 On the other hand, No. Sample No. 7 had a high coefficient of thermal expansion of 112×10 −7 /° C.

なお、各特性の測定及び評価は以下のようにして行った。 The measurement and evaluation of each property were performed as follows.

熱膨張係数は、各ガラス粉末試料をプレス成形し、1000〜1100℃で3時間熱処理した後、直径4mm、長さ20mmの円柱状に研磨加工して得られた測定用試料を用いて、JIS R3102に基づき、30〜700℃の温度範囲における値を求めた。 The thermal expansion coefficient was measured by press-molding each glass powder sample, heat-treating at 1000 to 1100° C. for 3 hours, and then polishing the sample into a cylindrical shape having a diameter of 4 mm and a length of 20 mm. The value in the temperature range of 30 to 700° C. was calculated based on R3102.

軟化点、結晶化温度、結晶融点はマクロ型示差熱分析計を用いて測定した。具体的には、各ガラス粉末試料につき、マクロ型示差熱分析計を用いて1050℃まで測定して得られたチャートにおいて、第四の変曲点の値を軟化点、強い発熱ピークを結晶化温度、結晶化後に得られた吸熱ピークを結晶融点とした。なお、結晶融点が高いほど、または、結晶融点が確認されなければ、高温下においても結晶が安定に存在していることを意味し、耐熱性が高いと判断することができる。 The softening point, crystallization temperature and crystal melting point were measured using a macro type differential thermal analyzer. Specifically, for each glass powder sample, in the chart obtained by measuring up to 1050° C. using a macro-type differential thermal analyzer, the value of the fourth inflection point is the softening point and the strong exothermic peak is crystallized. The endothermic peak obtained after temperature and crystallization was defined as the crystal melting point. If the crystal melting point is higher or if the crystal melting point is not confirmed, it means that the crystal is stably present even at high temperature, and it can be determined that the heat resistance is high.

析出結晶は、ガラス粉末試料についてXRD測定を行い、JCPDSカードとの対比にて同定した。このとき同定された析出結晶種として2ZnO・SiOを「A」、BaO・2MgO・2SiOを「B」、2SiO・2ZnO・BaOを「C」、MgO・CaO・2SiOを「D」として表中に示した。 The precipitated crystal was identified by performing XRD measurement on a glass powder sample and comparing it with a JCPDS card. "A" 2ZnO · SiO 2 as a precipitation crystal seeds identified at this time, the BaO · 2MgO · 2SiO 2 "B", "C" 2SiO 2 · 2ZnO · BaO, and MgO · CaO · 2SiO 2 "D" Is shown in the table as

流動性は次のようにして評価した。比重分のガラス粉末試料を直径20mmの金型に入れてプレス成形した後に、SUS430板上で900〜1100℃にて15分間熱処理した。熱処理後の成形体の流動径が18mm以上であるものを「◎」、16mm以上、18mm未満のものを「○」、16mm未満のものを「×」として評価した。 The fluidity was evaluated as follows. A glass powder sample having a specific gravity was placed in a mold having a diameter of 20 mm, press-molded, and then heat-treated on a SUS430 plate at 900 to 1100° C. for 15 minutes. The molded product having a flow diameter of 18 mm or more after heat treatment was evaluated as “⊚”, the product having a flow diameter of 16 mm or more and less than 18 mm was evaluated as “◯”, and the product less than 16 mm was evaluated as “x”.

本発明の結晶性ガラス組成物は、SUSやFeといった金属、フェライトやジルコニアといった高膨張セラミックスの接着材料として好適である。特に、SOFCを作製する際に使用される支持体基板や、電極の部材等を気密封止するための接着材料として好適である。また、本発明の結晶性ガラス組成物は、接着用途以外にも被覆、充填等の目的で使用できる。具体的には、サーミスタ、ハイブリッドIC等の用途に使用することができる。 The crystalline glass composition of the present invention is suitable as an adhesive material for metals such as SUS and Fe, and high expansion ceramics such as ferrite and zirconia. In particular, it is suitable as an adhesive material for hermetically sealing a support substrate, an electrode member, and the like used when manufacturing an SOFC. Further, the crystalline glass composition of the present invention can be used for the purpose of coating, filling, etc. in addition to the purpose of adhesion. Specifically, it can be used for applications such as thermistors and hybrid ICs.

1 電解質
2 アノード
3 カソード
4 第一の支持体基板
4a 燃料チャネル4a
5 第二の支持体基板
5a 空気チャネル5a
1 Electrolyte 2 Anode 3 Cathode 4 First Support Substrate 4a Fuel Channel 4a
5 Second support substrate 5a Air channel 5a

Claims (5)

モル%で、SiO 38〜50%未満、MgO 5〜40%、CaO 0.1〜30%、BaO 2〜20%、ZnO 5〜40%、RO(RはLi、Na、K、Csから選択される少なくとも一種) 0〜5%、B 0〜2%未満、Al 0〜2%未満、La 0〜15%を含有し、ZnO/BaOが1.9〜10であることを特徴とする結晶性ガラス組成物。 In mol %, SiO 2 38 to less than 50%, MgO 5 to 40%, CaO 0.1 to 30%, BaO 2 to 20%, ZnO 5 to 40%, R 2 O (R is Li, Na, K, At least one selected from Cs) 0 to 5%, B 2 O 3 to less than 0 to 2%, Al 2 O 3 to less than 2%, La 2 O 3 to 0 to 15%, and ZnO/BaO is 1. Crystalline glass composition characterized by being 9 to 10. 及びBiを実質的に含有しないことを特徴とする請求項1に記載の結晶性ガラス組成物。 The crystalline glass composition according to claim 1, which is substantially free of P 2 O 5 and Bi 2 O 3 . 熱処理により、2ZnO・SiOの結晶と、BaO・2MgO・2SiO、及び/又は2SiO・2ZnO・BaOの結晶とを析出することを特徴とする請求項1または2に記載の結晶性ガラス組成物。 By heat treatment, the crystals of 2ZnO · SiO 2, BaO · 2MgO · 2SiO 2, and / or 2SiO crystallizable glass composition according to claim 1 or 2, characterized in that to deposit and 2 · 2ZnO · BaO crystal object. 30〜700℃の温度範囲における熱膨張係数が80×10−7/℃〜110×10−7/℃であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の結晶性ガラス組成物。 The thermal expansion coefficient in the temperature range of 30 to 700° C. is 80×10 −7 /° C. to 110×10 −7 /° C., and the crystalline glass according to claim 1. Composition. 接着用であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の結晶性ガラス組成物。

The crystalline glass composition according to any one of claims 1 to 4, which is for adhesion.

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