JP2984758B2 - セラミックス複合体 - Google Patents

セラミックス複合体

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、力学的特性に優れ
る構造材料用セラミックスの中に、誘電特性に優れるペ
ロフスカイト型構造を有する酸化物が分散されているセ
ラミックス複合体に関するものであり、さらに詳しく
は、セラミックスのマトリックスとして、MgO、Mg
Al2 4 、またはZrO2 等を使用することによっ
て、ペロフスカイト型酸化物の反応・分解を抑えて構造
用セラミックスとペロフスカイト型酸化物とを複合化し
てなる、新しいセラミックス複合体に関するものであ
る。本発明は、優れた力学的特性に加え、誘電特性で代
表される電磁気的特性を併せ持つ、新しいセラミックス
複合体の製造を可能にするものである。
【0002】
【従来の技術】これまで構造材料用のセラミックスとし
て、例えばAl2 3 系、Si3 4系などが開発され
てきている。これらは、強度、靱性、耐磨耗性などのい
わゆる力学的特性に優れた材料ではあるが、見るべき電
磁気学的な特性、例えば誘電、圧電特性などの機能を持
ってはいない。従って構造材料用のセラミックスの利用
は、この力学的特性を活かすことのみしか行われてきて
いないというのが実状である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】一方、これまで力学的
な特性しか活用されていない構造材料用のセラミックス
に、誘電特性などの電磁気的特性をも併せ持たせる事が
出来たならば、力学的特性に優れつつ、センサー機能
や、アクチュエータ機能などを併せ持つ、全く新しいセ
ラミックスとして利用可能となると予想される。誘電特
性に優れる材料群としては、ペロフスカイト型構造を有
する酸化物、例えばBaTiO3 系、Pb(Zr,T
i)O3 系、Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 系、(B
a,Sr)(Mg1/3 Ta2/3 )O3 系などが知られて
いる。
【0004】本発明者らは、力学的特性に優れる構造材
料用のセラミックスに、これらペロフスカイト型酸化物
が分散した複合体を作ることが出来たならば、力学的特
性と電磁気的特性の融合した材料が実現できるのではな
いかと考えた。この着想に基づいて研究を開始したが、
すぐに技術的困難に直面した。すなわち複合体のマトリ
ックスにしようとしている構造材料用のセラミックスの
焼結温度は、材料によって大きく異なるものの、ほとん
どのものが1400℃以上である。構造材料用セラミッ
クスとペロフスカイト型酸化物をこの温度で焼結させて
複合化しようとすると、ペロフスカイト型酸化物のBa
やSrなどのアルカリ土類元素、Laなどの希土類元
素、さらに鉛などがマトリックスと反応してしまい、ペ
ロフスカイトが分解してしまうという問題があった。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するためにさらに鋭意研究を行った。もちろんペ
ロフスカイト型酸化物と他のセラミックスの間の相図は
ほとんど整備されておらず、反応を予測するのは困難で
あった。従って、ペロフスカイト型酸化物が焼結によっ
ても反応しない材料を探索する過程では、多くの試行錯
誤が必要であった。この結果、発明者らは、1400℃
以上の温度においてもペロフスカイト型酸化物が反応・
分解してしまわないセラミックスとして、MgO、Mg
Al2 4、ZrO2 があることをまず見出した。さら
に、ペロフスカイト型酸化物をMgO、またはMgAl
2 4 、またはZrO2 で被覆したならば、これをAl
2 3 と焼結によって複合化しても、被覆したMgO、
MgAl2 4 、ZrO2 が反応制御層として働き、ペ
ロフスカイト型酸化物の分解反応を抑えられることを見
出し、本発明を完成するに至った。本発明は、優れた力
学的特性に加え、誘電特性で代表される電磁気的特性を
併せ持たせることを可能とする、新しいセラミックス複
合体を提供することを目的とするものである。また、本
発明は、構造材料用セラミックスの中に、ペロフスカイ
ト型構造を有する酸化物が分散されているセラミックス
複合体を提供することを目的とするものである。
【0006】即ち本発明の提供する、課題解決のための
手段は、 (1)セラミックスのマトリックスの中に、鉛、および
/またはアルカリ土類元素を原料として含むペロフスカ
イト型構造の酸化物が分散されていることを特徴とす
る、セラミックス複合体; (2)セラミックスのマトリックスが、MgO、または
MgAl2 4 、またはZrO2 であることを特徴とす
る、(1)のセラミックス複合体; (3)鉛、および/またはアルカリ土類元素を原料とし
て含むペロフスカイト型構造の酸化物粒子が、MgO、
またはMgAl2 4 、またはZrO2 で被覆され、セ
ラミックスのマトリックスに分散されていることを特徴
とする、(1)のセラミックス複合体; (4)セラミックスのマトリックスが、Al2 3 であ
ることを特徴とする(3)のセラミックス複合体; である。
【0007】上記(2)、または(4)の実施におい
て、ZrO2 を用いた場合には、一部のペロフスカイト
型酸化物に対して、ペロフスカイトのBサイトへのZr
の固溶が認められた。しかし、ZrO2 との焼結に際し
てペロフスカイト型構造そのものが壊れることはなく、
ペロフスカイトが複合可能なセラミックスマトリックス
であるといえる。また、本発明は、ペロフスカイト型酸
化物と、MgO、またはMgAl2 4 、またはZrO
2 の原料粉を混合し、成形、焼成することを特徴とする
セラミックス複合体の製造方法、および、ペロフスカイ
ト型酸化物粒子にMgO、またはMgAl2 4 、また
はZrO2 を被覆し、これをAl2 3 と混合し、成
形、焼成することを特徴とするセラミックス複合体の製
造方法を好ましい実施態様としている。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明で用いることが出来る、
鉛、かつ/またはアルカリ土類元素を原料として含むペ
ロフスカイト型構造の酸化物群としては、例えばBaT
iO3 、SrTiO3 、PbTiO3 、PbZrO3
Pb(Zr,Ti)O3 、(PbLa)(Zr,Ti)
3 、Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 、Pb(Fe1/2
Nb1/2)O3 、Pb(Zn1/3 Nb2/3 )O3 、Pb
(Fe2/3 1/3 )O3 、Pb(Mg1/2 1/2
3 、(Ba,Sr)(Mg1/3 Ta2/3 )O3 、(B
a,Sr)(Zn1/3 Ta2/3 )O3 、(Ba,Sr)
(Mg1/2 1/2 )O3 などが上げられる。これらの酸
化物を、酸化物や炭酸塩などを出発原料として、混合、
仮焼して合成し、予めペロフスカイト型構造にしておく
ことが望ましい。また本発明では、アルコキシド法や共
沈法などで合成したペロフスカイト型酸化物を用いるこ
とも出来る。
【0009】MgO、またはMgAl2 4 、またはZ
rO2 をマトリックスとする複合体を合成する場合は、
上記のペロフスカイト型酸化物粉と、MgO、またはM
gAl2 4 、またはZrO2 の原料粉を混合し、成
形、焼成して複合体を作製することができる。原料の混
合方法については特に限定しないが、粉体を原料に用い
る場合、ボールミルや振動ミルなどのセラミックスの混
合に用いられる通常の方法が利用できる。成形は、一軸
プレス成形などを用いればよいが、冷間静水圧プレス
(CIP)成形を用いると、より均一な成形体を得るこ
とが出来る。焼成は、常圧法で行っても良いし、より短
時間で緻密焼結体が得られるホットプレス法などの加圧
焼成法を用いても良い。原料にもよるが、緻密な複合体
を得る観点から、MgO、またはMgAl2 4 、また
はZrO2 の何れをマトリックスにする場合において
も、焼結温度は1200℃以上が望ましい。
【0010】Al2 3 をマトリックスとする複合体を
合成するためには、まずアルコキシド法によってペロフ
スカイト型酸化物にMgO、またはMgAl2 4 、ま
たはZrO2 をコーティングすることが必要である。こ
のコーティングは、例えばペロフスカイト型酸化物粒子
をヘキサンなどの疎水性溶媒に分散させておき、これに
コーティングの原料のアルコキシドである、マグネシウ
ムプロポキシド、ジルコニウムプロポキシドなどを添加
し、加水分解させて表面に沈着させることなどによって
行うことが可能である。この粉を、Al2 3 と混合
し、成形、焼成して複合体を作製することができる。ペ
ロフスカイト型酸化物にMgOをコーティングし、これ
をAl2 3 と焼成すれば、コーティング層とマトリッ
クスのAl2 3 が焼成の過程で反応してMgAl2
4 層を形成し、反応制御層として働く。本発明で望まし
い焼成温度は1200℃以上の範囲である。これより低
温で焼成を行っても、十分緻密な焼結体が得られ難い。
【0011】
【実施例】次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説
明するが、本発明は当該実施例によって何ら限定される
ものではない。 実施例1 原料として高純度のBaCO3 、SrCO3 、MgO、
Ta2 5 粉を用い、ペロフスカイト型酸化物(Ba
0.4 Sr0.6 )(Mg1/3 Ta2/3 )O3 を合成すべく
所定量秤量し、メタノール中でボールミルにて16時間
湿式混合した。これをロータリーエバポレーターによっ
て乾燥し、大気中で1300℃にて4時間熱処理して
(Ba0.4 Sr0.6 )(Mg1/3 Ta2/3 )O3 仮焼粉
を得た。次に(Ba0.4 Sr0.6 )(Mg1/3
2/3 )O3 仮焼粉をメタノール中で振動ミルにて粉
砕、乾燥した。この粉砕粉が20vol%となるよう
に、MgO、MgAl2 4 、ZrO2、Al2 3
Si3 4 の粉とそれぞれ秤量し、ボールミル混合し
た。得られた混合粉の内、MgO、またはMgAl2
4 、またはZrO2 、またはAl23 との混合粉は、
1400℃で1時間、400kgf/cm2 の加圧を行
いながら、窒素雰囲気中にてホットプレス焼成した。ま
たSi3 4 との混合粉は、1650℃で1時間、40
0kgf/cm2 の加圧を行いながら、窒素雰囲気中に
てホットプレス焼成した。
【0012】X線ディフラクトメータにより焼結体の生
成相の同定を行った結果、(Ba0.4 Sr0.6 )(Mg
1/3 Ta2/3 )O3 をMgO、またはMgAl2 4
複合したものでは、(Ba0.4 Sr0.6 )(Mg1/3
2/3 )O3 相とMgO、またはMgAl2 4 相以外
に検出されなかった。ZrO2 と複合したものでは、
(Ba0.4 Sr0.6 )(Mg1/3 Ta2/3 )O3 のMg
とTaの規則配列化が進まず、ペロフスカイトのBサイ
トへのZrの固溶が予測されるが、ペロフスカイトの基
本構造に対応するX線ピークは検出され、ペロフスカイ
ト型構造そのものは保たれていた。これに対し、Al2
3 またはSi3 4 と複合したものでは、ペロフスカ
イトがマトリックスと焼結過程で反応してしまい、焼結
体に(Ba0.4 Sr0.6 )(Mg1/3 Ta2/3 )O3
は残っていなかった。(Ba0.4 Sr0.6 )(Mg1/3
Ta2/3 )O3 とMgO、またはMgAl24 、また
はZrO2 の複合体は何れも理論密度の98%以上のも
のが得られた。
【0013】実施例2 実施例1で得られた(Ba0.4 Sr0.6 )(Mg1/3
2/3 )O3 の粉砕粉を、ヘキサンと少量のイソプロパ
ノール、及び微量の水の混合液に分散させた。この懸濁
液に、ヘキサンと少量のイソプロパノールの溶液に溶解
したマグネシウムプロポキシド、またはジルコニウムプ
ロポキシドを少しずつ加え約1日攪拌した。これを乾燥
させて粉を回収した後、600度で1時間、大気中で熱
処理した。得られた粉が20vol%となるように、α
−Al2 3 とそれぞれ秤量し、ボールミル混合した。
得られた混合粉を1400℃で1時間、400kgf/
cm2 の加圧を行いながら、窒素雰囲気中にてホットプ
レス焼成した。X線ディフラクトメータにより焼結体の
生成相の同定を行った結果、プロポキシマグネシウム、
及びプロポキシジルコニウムを用いた何れの場合にも、
焼結体には(Ba0.4 Sr0.6 )(Mg1/3 Ta2/3
3 相とAl2 3 相以外に検出されなかった。何れの
複合体においても、得られた複合体の相対密度は、理論
密度の98%以上であった。
【0014】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明は、セラミ
ックスのマトリックスの中に、鉛、および/またはアル
カリ土類元素を原料として含むペロフスカイト型構造の
酸化物が分散されていることを特徴とする、セラミック
ス複合体に係るものであり、本発明によって、構造用セ
ラミックスの中に、ペロフスカイト型構造を有する酸化
物が分散した複合体を、焼結プロセスで作ることが可能
になった。これにより、構造材料用のセラミックスに、
誘電特性などの電磁気的特性をも併せ持たせる事が可能
となった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永井 徹 愛知県名古屋市西区又穂町1丁目7番地 の1 グローリハイツ302号 (72)発明者 新原 晧一 大阪府吹田市山田東3丁目18番地 1− 608 審査官 米田 健志 (56)参考文献 特開 平7−331358(JP,A) 特開 平3−12809(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/00 - 35/22 C04B 35/42 - 35/515 C04B 35/622 - 35/636

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックスのマトリックスの中に、
    鉛、および/またはアルカリ土類元素を原料として含む
    ペロフスカイト型構造の酸化物が分散されているセラミ
    ックス複合体であって、セラミックスのマトリックス
    が、MgO、またはMgAl 2 4 、またはZrO 2
    あることを特徴とするセラミックス複合体。
  2. 【請求項2】 セラミックスのマトリックスの中に、
    鉛、および/またはアルカリ土類元素を原料として含む
    ペロフスカイト型構造の酸化物が分散されているセラミ
    ックス複合体であって、鉛、および/またはアルカリ土
    類元素を原料として含むペロフスカイト型構造の酸化物
    粒子が、MgO、またはMgAl24、またはZrO2
    で被覆され、セラミックスのマトリックスに分散され
    ていることを特徴とするセラミックス複合体。
  3. 【請求項3】 セラミックスのマトリックスが、Al2
    3 であることを特徴とする請求項2記載のセラミック
    ス複合体。
JP8134342A 1996-04-30 1996-04-30 セラミックス複合体 Expired - Lifetime JP2984758B2 (ja)

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