JP3179821B2 - 超微粒子で表面が被覆された粒子の製造方法および装置 - Google Patents

超微粒子で表面が被覆された粒子の製造方法および装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、無機材料または金属材
料の母材粒子の表面が無機材料または金属材料の超微粒
子で被覆された粒子を製造する方法および装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】無機材料または金属材料の粉体を焼結し
て焼結成形体を製造するに当たって、焼結温度を低下さ
せることや成形体の物性を向上させることの目的のため
に、上記の粉体に焼結助剤を添加して焼結することはこ
の技術分野においてしばしば行われている。
【0003】この焼結助剤にはこれ迄に種々のものが用
いられているが、本発明者らはさきに無機材料の粉体に
超微粒子化した助剤を添加することによって粉体と助剤
との反応性を高め、焼結特性を改良し、得られる焼結成
形体の物性をきわめて向上させうることを見出して特許
出願を行った(特願昭63−68037号参照)。
【0004】この本発明者らによる出願方法は、焼結す
べき無機粉体に別途に製造した超微粒子化した助剤を添
加して焼結成形体を製造するものであって、焼結成分と
して二成分を混合して用いるものである。従ってこの方
法では二成分の均質な混合が必要であるが、超微粒子化
した助剤は凝集する傾向が強いため、高度の分散状態を
保ちつつ二成分の混合を行うに当たってはきわめて慎重
な取り扱いを要する他に、別途に調製した二つの成分を
別々に用意する必要がある。
【0005】従って、焼結すべき粉体に助剤を超微粒子
の形で合体して一体化することができるならば上記した
二成分の混合における困難を回避しうるばかりか、粉体
材料の取り扱いを単純化することができ、かくして焼結
体の製造をきわめて容易化し、かつ均質で高品質の焼結
体を得ることができるとの着想の許に研究の結果、無機
材料または金属材料の超微粒子で表面が被覆された無機
材料または金属材料の粒子と、その製造方法の発明を完
成して特許出願を行った(特願平1−75016号およ
び特開平3−75302号参照)。
【0006】この無機材料または金属材料の超微粒子で
表面が被覆された無機材料または金属材料の粒子は、気
相法によって生成された無機材料または金属材料の超微
粒子が含まれる流れの中に被覆されるべき無機材料また
は金属材料の粒子を導入し、上記の超微粒子と上記の被
覆されるべき粒子とを流動状態において接触させること
によって得られるものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで、無機材料ま
たは金属材料の母材粒子を無機材料または金属材料の超
微粒子で被覆する場合、両粒子の付着強度を向上させる
手段の一つとして母材粒子をより高温領域に供給してこ
の付着強度の向上の目的を達成することが考慮される。
【0008】また上記とは逆に、無機材料または金属材
料の母材が無機材料または金属材料の超微粒子による被
覆時において熱損傷を受けやすい材料である場合、例え
ば母材がダイヤモンド粒子である場合などでは母材が熱
損傷を受けない温度領域に供給する必要がある。
【0009】更にまた、無機材料または金属材料の母材
に被覆される超微粒子の量は両粒子の接触時間と相関関
係があり、従ってまた生成する被覆粒子の粒径は接触時
間に依存することになり、超微粒子の被覆量と粒径のコ
ントロールのためには母材粒子の反応帯域中の滞留時間
の調節が必要となる。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために本発明者は鋭意研究の結果、生成した無機材料ま
たは金属材料の超微粒子の流れの中へこの超微粒子で被
覆すべき母材の無機材料または金属材料粒子の導入位置
を目的に応じて変更しうるようにすることで上記の課題
が達成しうることを見出して本発明を完成したのであ
る。
【0011】すなわち本発明は、気相法により無機材料
または金属材料の超微粒子の流れを生成させ、この超微
粒子の流れの中にこの超微粒子で表面を被覆しようとす
る無機材料または金属材料の母材粒子を導入し、超微粒
子と母材の粒子とを互いに流動状態で接触させて母材粒
子の表面を超微粒子で被覆する方法において、母材粒子
の導入位置を変更しうるようにした上記の方法に関す
る。
【0012】更にまた本発明は、気相法により無機材料
または金属材料の超微粒子の流れを生成させる装置と、
この超微粒子の流れの中にこの超微粒子で表面を被覆し
ようとする無機または金属材料の母材粒子を導入し、も
って超微粒子と母材粒子とを互いに流動状態で接触せし
めるようにした装置とから成り、該母材粒子の装入装置
は母材粒子の導入位置を変更しうるように構成された、
無機材料または金属材料の母材粒子の表面が無機材料ま
たは金属材料の超微粒子で被覆された粒子を製造する装
置にも関するものである。
【0013】上記した母材粒子の導入位置の変更は種々
の技術的手段で達成することができ、その1つに本発明
の実施のための装置において、プラズマ焔中に供給され
た無機材料または金属材料がプラズマ焔の高温度によっ
て蒸発して生成される無機材料または金属材料の超微粒
子の流れと、この超微粒子で表面を被覆する無機または
金属材料とが接触する帯域(この帯域を反応帯域と呼ぶ
ことにする)中への該無機または金属材料の導入のため
のノズルの位置を、反応帯内で調節可能に構成したもの
とすることや、また超微粒子の流れに導入すべき母材の
導入口を複数個あらかじめ装置に装着しておき、所望の
目的達成のために任意の1つまたは複数の母材導入口か
ら母材を導入し、他の導入口は使用しないやり方で母材
を導入することで達成できる。
【0014】上記した本発明を図面によって更に詳細に
説明することにする。
【0015】図1は母材供給ノズルが可動式に構成され
た本発明装置についてのものである。図中、Aはプラズ
マトーチ部分、Bは石英二重管で構成された反応帯域
部、Cはステンレス二重管で構成されたチャンバー部、
Dは超微粒子原料供給装置、Eは母材原料供給装置、F
は製品回収部そしてGは可動式の母材供給ノズルであ
る。
【0016】プラズマトーチAは内径44mm、長さ15
0mmの石英管(1)を主体とし、外側に高周波発振用のコ
イル(2)が取りつけられ、その外側には冷却用の外套管
(3)が設けられている。プラズマトーチの上部には噴出
方向が接線方向、軸方向および半径方向のガス噴出口
(4)、(5)、(6)が設けられ、この噴出口にガスの供給
源(7)、(8)、(9)からアルゴン30l/分が供給され
る。この噴出ガスは印加された高周波電源4MHz、40K
VAによってプラズマ化され、プラズマトーチ内でプラズ
マ焔を形成する。
【0017】超微粒子原料供給装置Dから導入される超
微粉粒子原料は矢印で示される搬送ガス流と共にプラズ
マトーチAの下部に放出され、プラズマ焔と接触して気
化する。超微粒子原料がガス体、例えばメタンガスであ
る場合は、Dを経ないで搬送ガス流と一緒にしてメタン
ガスは導入される。一方母材原料供給装置Eから供給さ
れる母材原料粒子は矢印で示される搬送ガス流に担持さ
れて可動式の母材供給ノズルを経て反応帯域B内に放出
される。この母材供給ノズルは外径φ6、内径φ4のス
テンレス製ノズルでノズル先端に温度検出器を備え母材
供給位置の温度を測定しながらノズルの位置の調節がで
きるようになっている。
【0018】反応帯域内の温度分布はプラズマ発生条
件、キャリアガスの流量、種類、コイル形状、チャンバ
ー形状等に大きく依存する。この装置を用いればコーテ
ィングに適した温度領域に母材粒子を供給することがで
き、効率的なコーティングができる。
【0019】また図2は母材の導入口を複数個あらかじ
め装置に装着した本発明の装置の他の一つの態様を示す
ものである。図面中、A〜F、1〜9の意味は図2にお
けるものと同一である。この図の装置では母材は母材原
料供給装置Eから導入されるが、管路は例えばバルブ1
0〜12を備えた多岐管路になっており、バルブ10〜
12の操作によって導入された母材は搬送ガス流と共に
任意の反応帯域中の位置に装入することができる。この
図面では母材導入口を4個所としたが、これよりも少な
い数または多い数のものとすることも可能であり、更に
個々の導入口を夫々の母材原料供給装置Eと直結させて
も良い。
【0020】本発明によって、超微粒子で表面が被覆さ
れた無機材料または金属材料が得られるが、この超微粒
子で表面が被覆される母材の無機材料または金属材料と
しては、耐火物またはセラミックスと呼ばれる総ての無
機物質、例えば、酸化物であるAl23、ZrO2、S
iO2、BeO、MgO、CaOなど、窒化物であるS
34、AlN、BNなど、炭化物であるSiC、WC
など、ほう素化物であるBP、BNなど、種々の粘土鉱
物、例えば、カオリン、モンモリロナイト、ベントナイ
ト、バーミキュライトなど、各種のフェライトなどの磁
性材料、単体元素、例えば、ダイヤモンド、黒鉛など、
単体金属例えばSi、Ni、Co、W、Ti、Al、C
u、Feなど、および金属間化合物および合金、例えば
Fe−Ni−Si合金、Fe−Cr−Al合金、Fe−
Cr−Mo合金、Fe−Ni−Cr合金、Ni−Cr合
金などの材料並びにこれらの材料を複合したものの粉末
が挙げられる。
【0021】これらの超微粒子で表面が被覆される無機
または金属材料の粒子は通常0.1μm〜100μmの
範囲の粒径を有する粉体であって、殊に1μm〜10μ
mの範囲のものが取り扱い操作上好ましい。
【0022】上記した無機材料または金属材料の粒子の
表面を被覆する超微粒子の構成成分は、得られる超微粒
子で表面が被覆された粒子に対して希望される性質およ
び機能に応じて、表面が被覆されるべき粒子とは同一で
あるかまたは異なった種々の無機材料または金属材料で
あって、これらの具体例としては、種々の無機物質、例
えば酸化物であるAl23、SiO2、ZrO2、Y
23、CaOなど、窒化物であるSi34、AlN、B
Nなど、炭化物であるWC、SiCなど、ほう素化物で
あるBP、BNなど、単体金属、例えばSi、Al、N
i、Co、Cu、Fe、Ti、Wなど、単体非金属物
質、例えばC、Bなど、および金属間化合物および合金
の種々のもの、並びにこれらの材料を複合したものなど
が挙げられる。
【0023】本発明は上記した構成によって、無機また
は金属材料の母材粒子を無機または金属材料の超微粒子
で被覆する場合、両粒子の付着強度を調節し、また母材
粒子が熱損傷を受けやすい材料である場合における熱損
傷の防止、および被覆される超微粒子の量を両粒子の接
触時間の調節によって制御することができた。
【0024】以下に本発明を実施例によって説明する
が、これらの実施例によって本発明が限定されるもので
はない。
【0025】実施例1 この実施例は図1に記載の装置を用いて行った。この実
施例ではダイヤモンド粒子(40〜60μm)に銀超微
粒子を被覆した。プラズマはコイル2に4MHz、40KVA
の高周波電流を印加し、プラズマガスとしてアルゴンを
30l/minの流量で7、8および9からプラズマトー
チAに流入させて発生させた。
【0026】超微粒子原料供給装置Dから原料の金属銀
(粒径2μm)を1.3g/minの供給量でキャリアガス
のアルゴン7l/minに担持させて供給した。
【0027】一方母材粒子のダイヤモンド(粒径40〜
60μm)は母材原料供給装置Eより4.0g/minの供
給量でキャリアガスのアルゴン11l/minに担持させ
て供給した。
【0028】 母材供給位置はノズルの位置の調節によって、 :コイルより200mm下方(温度約2000℃) :コイルより250mm下方(温度約1000℃) :コイルより300mm下方(温度約500℃) とした。
【0029】このようにして銀を被覆したダイヤモンド
をFから取り出し、これをX線回折により分析した。
【0030】の被覆ダイヤモンドにはグラファイトの
ピークが認められ、およびの被覆ダイヤモンドには
グラファイトのピークが認められなかった。このことか
らのものは熱により母材ダイヤモンドが損傷を受けて
いることが分かる。
【0031】また、電子顕微鏡で母材と銀超微粒子のぬ
れ性を観察したところ、:接触角θ=45°、:θ
=80°、:θ=110°であることが分かりのも
ののぬれ性が最も大であることが分かった。
【0032】実施例2 この実施例も図1に記載の装置を用いて行った。この実
施例では窒化けい素にY23を被覆した。プラズマはコ
イル2に4MHz、40KVAの高周波電流を印加し、プラズ
マガスとしてアルゴンを10l/min、酸素を10l/m
inの流量で7、8および9からプラズマトーチA内に流
入させて発生させた。
【0033】超微粒子原料供給装置Dから単体のイット
リウムY(粒径100μm)を0.3g/minの供給量で
キャリアガスのアルゴン7l/minに担持させて供給し
た。
【0034】一方母材粒子の窒化ケイ素Si34(粒径
1μm)を2.1g/minの供給量でキャリアガスのアル
ゴン18l/minに担持させて供給した。
【0035】 母材供給位置はノズルの位置の調節によって、 :コイルより下方450mm(温度約1800℃) :コイルより下方550mm(温度約1000℃) :コイルより下方650mm(温度約500℃) とした。
【0036】このようにして酸化イットリウムY23
被覆した窒化ケイ素を下から取り出し、これをX線回折
により分析したところ、の被覆窒化ケイ素には酸化ケ
イ素のピークが認められたが、、では酸化ケイ素の
ピークは認められなかった。このことからでは窒化ケ
イ素は熱損傷して酸化ケイ素となったことが分かる。
【0037】また、電子顕微鏡により被覆された超微粒
子の粒径を測定したところ、では25〜10nm、で
は30〜15nm、では60〜30nmであることが分か
った。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施するための装置の1つの具体例を
示す図。
【図2】本発明を実施するための装置の他の1つの具体
例を示す図。
フロントページの続き (72)発明者 冬木 正 埼玉県入間郡大井町緑ヶ丘2−23−16 (72)発明者 秋山 聡 埼玉県川越市稲荷町17−22 沢田コーポ 202 (72)発明者 濱田 美明 埼玉県川越市末広町3−4−8 (72)発明者 黒田 英輔 埼玉県川越市西小仙波町2−16−4 (72)発明者 梅屋 薫 宮城県仙台市太白区八木山本町1−30− 13 (72)発明者 鍋谷 忠克 神奈川県鎌倉市山ノ内1095−21 (72)発明者 隅田 幸雄 宮城県亘理郡亘理町吉田字中原55−520 (72)発明者 遠山 悦夫 新潟県北蒲原郡紫雲寺町大字真野原外 3418 (72)発明者 木村 健一 宮城県仙台市太白区八木山本町2−33− 5 グレイス八木山502号 (56)参考文献 特開 平3−245835(JP,A) 特開 平6−142484(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01J 19/00 - 19/32 B01J 2/00 - 2/30 B22F 1/00 - 8/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 気相法により無機材料または金属材料の
    超微粒子の流れを生成させ、この超微粒子の流れの中に
    この超微粒子で表面を被覆しようとする無機材料または
    金属材料の母材粒子を導入し、超微粒子と母材の粒子と
    を互いに流動状態で接触させて母材粒子の表面を超微粒
    子で被覆する方法において、母材粒子の導入位置を変更
    しうるようにした上記の方法。
  2. 【請求項2】 気相法により無機材料または金属材料の
    超微粒子の流れを生成させる装置と、この超微粒子の流
    れの中にこの超微粒子で表面を被覆しようとする無機ま
    たは金属材料の母材粒子を導入し、もって超微粒子と母
    材粒子とを互いに流動状態で接触せしめるようにした装
    置とから成り、該母材粒子の装入装置は母材粒子の導入
    位置を変更しうるように構成された、無機材料または金
    属材料の母材粒子の表面が無機材料または金属材料の超
    微粒子で被覆された粒子を製造する装置。
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