JP3955901B2 - Conductive zirconia sintered body and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は機械的特性、耐熱性、耐食性等に優れた導電性ジルコニア焼結体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a conductive zirconia sintered body excellent in mechanical properties, heat resistance, corrosion resistance and the like, and a method for producing the same.

セラミックス材料は、耐摩耗性などの優れた機械的特性に加え、耐食性、耐熱性を有している。そのため、半導体・液晶デバイスの製造設備における搬送用トレイやプラズマエッチング用部材などやハードディスク軸受部品などへの利用が拡大している。   Ceramic materials have corrosion resistance and heat resistance in addition to excellent mechanical properties such as wear resistance. Therefore, the use for the tray for a conveyance, the member for plasma etching, a hard disk bearing component, etc. in the manufacturing facility of a semiconductor and a liquid crystal device is expanding.

一般的に耐磨耗部品等に利用されているジルコニアセラミックスは、高強度、高靱性といった優れた特性を有している。しかし、ジルコニアセラミックスは通常高い電気絶縁性を有しており、例えば、半導体製造装置用部材等に利用する場合には、絶縁性が高すぎて帯電が生じてしまうため不都合であり、適度な導電性が望まれている。   Zirconia ceramics generally used for wear-resistant parts and the like have excellent characteristics such as high strength and high toughness. However, zirconia ceramics usually have high electrical insulation properties. For example, when used as a member for a semiconductor manufacturing apparatus or the like, it is inconvenient because the insulation property is too high and charging occurs. Sex is desired.

また、セラミックスは一般的に難加工性のため、その加工コストが高く、セラミックス材料の用途拡大のネックとなっている。この難加工性を改善するために、材料そのものに適度な導電性を付与し、金属部材などで利用されている放電加工が可能になれば好都合である。   In addition, ceramics are generally difficult to process, so the processing cost is high, and this is a bottleneck for expanding the use of ceramic materials. In order to improve this difficult workability, it is advantageous if an appropriate electrical conductivity is imparted to the material itself so that electric discharge machining used in a metal member or the like becomes possible.

通常、絶縁性のセラミックス材料を導電体化するためには、概ね15から40体積%の導電性材料をセラミックスに分散複合化することで達成されている(例えば、特許文献1〜5)。   Usually, in order to convert an insulating ceramic material into a conductive material, approximately 15 to 40% by volume of a conductive material is dispersed and composited in the ceramic (for example, Patent Documents 1 to 5).

しかし、第2相として添加される導電性材料が多量なため、セラミックス本来の優れた特性(破壊強度、硬度、破壊靱性値、耐摩耗性、耐化学的性質、耐熱性、耐クリープ特性など)が損なわれる場合があった。また、導電性材料の分散複合化技術が十分でないため、特性にバラツキが生じやすくなるという問題もあった。そのため、バラツキのない導電性を付与するために、導電性材料の添加量を増やさざるを得なかった。   However, because of the large amount of conductive material added as the second phase, the ceramic's original excellent characteristics (breaking strength, hardness, fracture toughness value, wear resistance, chemical resistance, heat resistance, creep resistance, etc.) May be damaged. In addition, there is a problem in that variations in characteristics are likely to occur because the technique for dispersing and combining conductive materials is not sufficient. Therefore, in order to impart conductivity without variation, the amount of conductive material added has to be increased.

この様な問題を解決すべく、本発明者らは、先に、炭素を0.2〜3重量%含有する導電性ジルコニア焼結体が、機械的特性等を犠牲にすることなく導電性を発現できることを報告している(特許文献6)。
特開平10−297968号公報 特開2001−294479号公報 特開2001−294483号公報 特開2001−199764号公報 特開平9−221352号公報 特開2004−189509号公報
In order to solve such a problem, the present inventors firstly made conductive zirconia sintered bodies containing 0.2 to 3% by weight of carbon conductive without sacrificing mechanical properties and the like. It has been reported that it can be expressed (Patent Document 6).
JP-A-10-297968 JP 2001-294479 A Japanese Patent Laid-Open No. 2001-294383 JP 2001-199764 A JP-A-9-221352 JP 2004-189509 A

しかしながら、特許文献6の導電性ジルコニア焼結体よりも、導電性材料の添加量をさらに低減し、その優れた力学的特性を損なうことなく所望の導電性を付与することができれば好都合である。また、特許文献6の導電性ジルコニア焼結体であっても、力学的性質は満足できるものではなく、特に焼結体が放電加工可能な体積抵抗率(約5.0×10-1Ω・cm以下)を有する場合においては、依然としてその力学的特性は低下傾向にあり、大いに改善の余地があった。 However, it is more advantageous than the conductive zirconia sintered body of Patent Document 6 if the amount of conductive material added can be further reduced and desired conductivity can be imparted without impairing its excellent mechanical properties. Further, even with the conductive zirconia sintered body of Patent Document 6, the mechanical properties are not satisfactory, and in particular, the volume resistivity (about 5.0 × 10 −1 Ω · In the case where it has (cm or less), the mechanical properties still tend to be lowered, and there is much room for improvement.

本発明は、上記の問題点に鑑み、より少量の導電性材料の添加により、優れた力学的特性(破壊強度、破壊靱性など)を保持し、所望の安定した導電性が付与されてなるジルコニア焼結体、及びその製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above-mentioned problems, the present invention is a zirconia that retains excellent mechanical properties (such as fracture strength and fracture toughness) by adding a smaller amount of a conductive material, and is provided with desired stable conductivity. It aims at providing a sintered compact and its manufacturing method.

本発明者は、上記の課題を解決するため鋭意研究を行った結果、ZrO2を主成分とし安定化剤としてY23を含むジルコニア焼結体であって、Y23とZrO2のモル比が1.5/98.5〜3.5/96.5の範囲であり、ZrO2の結晶相が主として正方晶からなり、該ジルコニア焼結体中にカーボンナノチューブ(以下、「CNT」とも表記する)を0.1〜3.0重量%程度含有し、該ジルコニア焼結体の体積抵抗率が10-2〜109Ω・cm程度であるジルコニア焼結体が、上記の課題を解決できることを見出した。本発明者は、かかる知見に基づきさらに研究を重ねて本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor is a zirconia sintered body containing ZrO 2 as a main component and Y 2 O 3 as a stabilizer, wherein Y 2 O 3 and ZrO 2. In the range of 1.5 / 98.5 to 3.5 / 96.5, the crystal phase of ZrO 2 is mainly composed of tetragonal crystals, and the zirconia sintered body contains carbon nanotubes (hereinafter referred to as “CNT”). The zirconia sintered body having a volume resistivity of about 10 −2 to 10 9 Ω · cm. It was found that can be solved. The present inventor has conducted further research based on such knowledge and has completed the present invention.

なお、本発明はジルコニア焼結体及びその製造方法に関するが、当該本発明のうち、下記の項1〜3を本願特許請求の範囲とする。   In addition, although this invention relates to a zirconia sintered compact and its manufacturing method, let the following items 1-3 be a claim of this application among the said invention.

項1.ZrO2を主成分とし安定化剤を含むジルコニア焼結体であって、安定化剤とZrO2のモル比が1.5/98.5〜3.5/96.5の範囲であり、ZrO2の結晶相が主として正方晶からなり、該ジルコニア焼結体中にカーボンナノチューブを1.35〜3.0重量%含有し、該ジルコニア焼結体の体積抵抗率が1.0×10−2〜9.21×10−2Ω・cmであるジルコニア焼結体。 Item 1. A zirconia sintered body containing ZrO 2 as a main component and containing a stabilizer, wherein the molar ratio of the stabilizer to ZrO 2 is in the range of 1.5 / 98.5 to 3.5 / 96.5, 2 crystal phase is mainly composed of tetragonal crystals, carbon nanotubes are contained in the zirconia sintered body in an amount of 1.35 to 3.0% by weight, and the volume resistivity of the zirconia sintered body is 1.0 × 10 −2. The zirconia sintered compact which is -9.21x10 < -2 > ohm * cm.

項2.カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、及び金属又は炭素構造体を内包する前記単層又は多層カーボンナノチューブからなる群より選ばれる少なくとも1種である項1に記載のジルコニア焼結体。   Item 2. Item 2. The zirconia sintered body according to Item 1, wherein the carbon nanotube is at least one selected from the group consisting of a single-walled carbon nanotube, a multi-walled carbon nanotube, and the single-walled or multi-walled carbon nanotube containing a metal or carbon structure.

項3.前記ジルコニア焼結体中に、平均粒子径が300nm以下の等軸状粒子を0.05〜15重量%(0.1〜20体積%)含有している項1又は2に記載のジルコニア焼結体。   Item 3. Item 3. The zirconia sintered body according to item 1 or 2, wherein the zirconia sintered body contains 0.05 to 15% by weight (0.1 to 20% by volume) of equiaxed particles having an average particle size of 300 nm or less. body.

以下、本発明を詳述する。
I.ジルコニア焼結体
本発明のジルコニア焼結体は、ジルコニア(ZrO2)を主成分とし安定化剤を含むジルコニア焼結体であって、安定化剤とZrO2のモル比が1.5/98.5〜3.5/96.5の範囲であり、ZrO2の結晶相が主として正方晶からなり、該ジルコニア焼結体中にカーボンナノチューブを0.1〜3.0重量%程度含有し、該ジルコニア焼結体の体積抵抗率が10-2〜109Ω・cm程度である。
The present invention is described in detail below.
I. Zirconia sintered body The zirconia sintered body of the present invention is a zirconia sintered body containing zirconia (ZrO 2 ) as a main component and a stabilizer, and the molar ratio of the stabilizer to ZrO 2 is 1.5. /98.5-3.5/96.5, the crystal phase of ZrO 2 is mainly composed of tetragonal crystals, and the zirconia sintered body contains about 0.1 to 3.0% by weight of carbon nanotubes. The volume resistivity of the zirconia sintered body is about 10 −2 to 10 9 Ω · cm.

このジルコニア焼結体は、より少量の導電性材料であるカーボンナノチューブの添加により、優れた力学的特性(破壊強度、破壊靱性など)を保持し、所望の安定した導電性が付与される。   This zirconia sintered body retains excellent mechanical properties (breaking strength, fracture toughness, etc.) and imparts desired stable conductivity by adding a smaller amount of carbon nanotubes as a conductive material.

本発明のジルコニア焼結体は、ZrO2を主成分とし安定化剤を含んでいる。安定化剤とZrO2のモル比(安定化剤/ZrO2)は、1.5/98.5〜3.5/96.5の範囲であり、好ましくは2/98〜3/97の範囲である。 The zirconia sintered body of the present invention contains ZrO 2 as a main component and contains a stabilizer. The molar ratio of stabilizer to ZrO 2 (stabilizer / ZrO 2 ) is in the range of 1.5 / 98.5 to 3.5 / 96.5, preferably in the range of 2/98 to 3/97. It is.

安定化剤/ZrO2のモル比が1.5/98.5未満の場合には、結晶相が変化しやすくなり、焼結体中の単斜晶ジルコニアの量が増加する傾向にある。また、焼結体内部にクラックが発生して、焼結体に負荷を加えたり長時間使用するとそのクラックが進展し割れや欠けが発生して、結果的に耐久性の低下をきたしてしまうので好ましくない。 When the stabilizer / ZrO 2 molar ratio is less than 1.5 / 98.5, the crystal phase tends to change, and the amount of monoclinic zirconia in the sintered body tends to increase. In addition, cracks are generated inside the sintered body, and if a load is applied to the sintered body or it is used for a long time, the crack develops and cracks and chips occur, resulting in a decrease in durability. It is not preferable.

一方、安定化剤/ZrO2のモル比が3.5/96.5を越えると正方晶系ジルコニア量が低下し、機械的特性が低下するので好ましくない。 On the other hand, if the molar ratio of the stabilizer / ZrO 2 exceeds 3.5 / 96.5, the amount of tetragonal zirconia is lowered, and the mechanical properties are lowered.

本発明のジルコニア焼結体に含まれる安定化剤としては、例えば、Y23、Sc23、MgO、CaO、CeO2、Nd23、Yb23、Dy23、La23等の金属酸化物が挙げられる。安定化剤は、上記のいずれか1種又は2種以上の混合物であってもよく、中でもY23を主成分とするもの、特にY23が好ましい。 Examples of the stabilizer contained in the zirconia sintered body of the present invention include Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , MgO, CaO, CeO 2 , Nd 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Examples thereof include metal oxides such as La 2 O 3 . Any one or a mixture of two or more of the above may be used as the stabilizer, and among them, Y 2 O 3 as a main component, particularly Y 2 O 3 is preferable.

本発明のジルコニア焼結体は、ZrO2の結晶相が主として正方晶からなる。具体的には、ZrO2の結晶相における正方晶の体積分率が90体積%以上、好ましくは、95体積%以上、特に97体積%以上が推奨される。 In the zirconia sintered body of the present invention, the crystal phase of ZrO 2 is mainly composed of tetragonal crystals. Specifically, a tetragonal volume fraction in the crystal phase of ZrO 2 is recommended to be 90% by volume or more, preferably 95% by volume or more, particularly 97% by volume or more.

ZrO2の結晶状態には、正方晶、立方晶及び単斜晶の3つの状態があり、特に正方晶ジルコニアは、外部応力に対し応力誘起相変態を受けて単斜晶ジルコニアに相変態し、このときに生じる体積膨張によってジルコニアの周囲に微細なマイクロクラックを形成して、あるいは圧縮応力を発生させて、外部応力により生じるき裂の進行を阻止できる。そのため、正方晶ジルコニアを主とするジルコニア焼結体では、靭性および強度が高くなる。 There are three crystal states of ZrO 2 : tetragonal, cubic and monoclinic, and in particular tetragonal zirconia undergoes a stress-induced phase transformation with respect to external stress, and phase transforms to monoclinic zirconia, Due to the volume expansion that occurs at this time, fine microcracks can be formed around zirconia or compressive stress can be generated to prevent the progress of cracks caused by external stress. Therefore, in a zirconia sintered body mainly containing tetragonal zirconia, toughness and strength are increased.

一方、ジルコニア焼結体に単斜晶ジルコニアが大量に含有しているとその結晶周辺に微細なクラックが生じ、応力が負荷されるとこの微細なクラックを起点として微小破壊が起こり、摩擦、衝撃、圧壊等に対する抵抗性が低下するので好ましくない。そのため、ZrO2の結晶相における単斜晶ジルコニアは、5体積%以下、好ましくは3体積%以下である。 On the other hand, if a large amount of monoclinic zirconia is contained in the zirconia sintered body, fine cracks are generated around the crystal. When stress is applied, micro-cracking occurs starting from the fine cracks, resulting in friction and impact. This is not preferable because resistance to crushing or the like is lowered. Therefore, monoclinic zirconia in the crystal phase of ZrO 2 is 5% by volume or less, preferably 3% by volume or less.

また、立方晶ジルコニアを大量に含有していると結晶粒径が大きくなり、機械的特性の低下が起こり、耐摩耗性等の低下が起こるため好ましくない。そのため、ZrO2の結晶相における立方晶ジルコニアは、10体積%以下、好ましくは5体積%以下である。 In addition, when a large amount of cubic zirconia is contained, the crystal grain size becomes large, the mechanical properties are lowered, and the wear resistance and the like are lowered. Therefore, the cubic zirconia in the crystal phase of ZrO 2 is 10% by volume or less, preferably 5% by volume or less.

本発明では、ジルコニアの結晶相における単斜晶ジルコニア(M)、正方晶ジルコニア(T)及び立方晶ジルコニア(C)の含有量(体積%)は、X線回折を用いて以下の方法で算出される。   In the present invention, the content (volume%) of monoclinic zirconia (M), tetragonal zirconia (T) and cubic zirconia (C) in the crystal phase of zirconia is calculated by the following method using X-ray diffraction. Is done.

ジルコニア焼結体及び加工した焼結体製品の表面は、応力誘起相変態により正方晶ジルコニアから単斜晶ジルコニアに相変態しており、真の結晶相を同定することができないので、焼結体表面を鏡面にまで研磨してから、X線回折により回折角27〜34度の範囲で測定する。測定値を下記式にあてはめて、単斜晶ジルコニアの有無及び含有量を求める。

Figure 0003955901
The surface of the zirconia sintered body and the processed sintered body product has been transformed from tetragonal zirconia to monoclinic zirconia by stress-induced phase transformation, and the true crystalline phase cannot be identified. The surface is polished to a mirror surface, and then measured by X-ray diffraction in a diffraction angle range of 27 to 34 degrees. The measured value is applied to the following formula to determine the presence and content of monoclinic zirconia.
Figure 0003955901

また、正方晶ジルコニア及び立方晶ジルコニアの有無及び含有量は、単斜晶ジルコニアの方法と同様にして、X線回折により回折角70〜77度の範囲で測定し、次式にあてはめて求める。

Figure 0003955901
Further, the presence and content of tetragonal zirconia and cubic zirconia are measured in the range of diffraction angles of 70 to 77 degrees by X-ray diffraction in the same manner as in the method of monoclinic zirconia, and obtained by applying the following equation.
Figure 0003955901

本発明のジルコニア焼結体は、焼結体中にSiO2を含有していても良く、例えば、0.1〜3重量%程度含有していてもよい。 The zirconia sintered body of the present invention may contain SiO 2 in the sintered body, for example, about 0.1 to 3% by weight.

本発明において、ZrO2の平均結晶粒径は0.1〜0.8μm、好ましくは0.2〜0.5μmである。平均結晶粒径が0.8μmを越える場合には耐摩耗性、耐衝撃性等の機械的特性が低下するので好ましくない。一方、平均結晶粒径が0.1μm未満の場合は、正方晶ジルコニアから単斜晶ジルコニアへの相変態が少なくなり、機械的特性が低下するので好ましくない。 In the present invention, the average crystal grain size of ZrO 2 is 0.1 to 0.8 μm, preferably 0.2 to 0.5 μm. When the average crystal grain size exceeds 0.8 μm, mechanical properties such as wear resistance and impact resistance are deteriorated, which is not preferable. On the other hand, an average crystal grain size of less than 0.1 μm is not preferable because phase transformation from tetragonal zirconia to monoclinic zirconia is reduced and mechanical properties are lowered.

なお、平均結晶粒径は、次のようにして求められる。つまり、焼結体表面を鏡面まで研磨し、次いで熱エッチングもしくは化学エッチングを施した後、走査電子顕微鏡で観察してインターセプト法により10点測定し、その平均値を平均結晶粒径とする。算出式は下記の通りである。   The average crystal grain size is determined as follows. That is, the surface of the sintered body is polished to a mirror surface, then subjected to thermal etching or chemical etching, then observed with a scanning electron microscope, measured at 10 points by the intercept method, and the average value is taken as the average crystal grain size. The calculation formula is as follows.

D=1.5×n/L
D:平均結晶粒径(μm)
n:長さL当たりの結晶粒子数
L:測定長さ(μm)
本発明のジルコニア焼結体の相対密度は90%以上あればよい。相対密度が90%以上あれば、導電性が低下することなく、機械的特性が保持される。優れた導電性と機械的特性を保持するための相対密度は、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上である。
D = 1.5 × n / L
D: Average crystal grain size (μm)
n: Number of crystal grains per length L L: Measurement length (μm)
The relative density of the zirconia sintered body of the present invention may be 90% or more. If the relative density is 90% or more, the mechanical properties are maintained without lowering the conductivity. The relative density for maintaining excellent conductivity and mechanical properties is preferably 95% or more, more preferably 98% or more.

なお、焼結体の相対密度は、焼結体の理論密度ρthに対する、焼結体において実測されたかさ密度ρの割合として表現できる。焼結体の理論密度は、それを構成する物質の理論密度d(g/cm3)とその体積分率V(%)から導出される。 The relative density of the sintered body can be expressed as a ratio of the bulk density ρ actually measured in the sintered body to the theoretical density ρ th of the sintered body. The theoretical density of the sintered body is derived from the theoretical density d (g / cm 3 ) of the material constituting the sintered body and its volume fraction V (%).

焼結体の理論密度ρth(g/cm3
=dZ×VZ/100+dCNT×VCNT/100
=dZ×(100−VCNT)/100+dCNT×VCNT/100
焼結体の相対密度(%)=ρ/ρth×100
ここで、dCNT及びdZは、それぞれカーボンナノチューブ及びジルコニアの理論密度、VCNT及びVZは、それぞれカーボンナノチューブ及びジルコニアの体積分率であり、VZ+VCNT=100(%)の関係にある。
Theoretical density of sintered body ρ th (g / cm 3 )
= D Z × V Z / 100 + d CNT × V CNT / 100
= D Z × (100-V CNT) / 100 + d CNT × V CNT / 100
Relative density of sintered body (%) = ρ / ρ th × 100
Here, d CNT and d Z are the theoretical densities of carbon nanotubes and zirconia, respectively, V CNT and V Z are the volume fractions of carbon nanotubes and zirconia, respectively, and V Z + V CNT = 100 (%) is there.

本発明のジルコニア焼結体は、導電性材料としてカーボンナノチューブ(CNT)を含有している点に特徴を有している。CNTとは、グラフィン(graphene)と呼ばれる炭素六角網目がナノメートルオーダーの直径の円筒に丸まった中空の管(チューブ)であり、この管を構成するグラフィンが1枚の単層ナノチューブ(SWCNT)、及び円筒が入れ子状に2以上の層が重なった多層ナノチューブ(MWCNT)が挙げられる。また、これらのCNTの円筒内に、金属や炭素構造体(例えば、フラーレン等)等の他の成分を内包したものであってもよい。   The zirconia sintered body of the present invention is characterized in that it contains carbon nanotubes (CNT) as a conductive material. CNT is a hollow tube (tube) in which a carbon hexagonal network called graphene is rounded into a cylinder with a diameter of nanometer order, and the graphene constituting this tube is a single-walled nanotube (SWCNT), And multi-walled nanotubes (MWCNT) in which two or more layers are stacked in a nested cylinder. In addition, these CNT cylinders may include other components such as metals and carbon structures (for example, fullerene).

CNTの直径は、0.5〜50nm程度であればよい。例えば、SWCNTの場合、その直径は0.5〜4nm程度であり、MWCNTの場合、その直径(外径)は5〜50nm程度である。また、CNTのアスペクト比は、効果的な導電性付与の観点から、10以上、さらに50以上、特に100以上のものが好適である。また、CNTの電気抵抗率は、10-3〜10-6Ωcm程度(室温)であればよい。 The diameter of CNT should just be about 0.5-50 nm. For example, in the case of SWCNT, the diameter is about 0.5 to 4 nm, and in the case of MWCNT, the diameter (outer diameter) is about 5 to 50 nm. Further, the aspect ratio of CNT is preferably 10 or more, more preferably 50 or more, and particularly preferably 100 or more from the viewpoint of effective conductivity imparting. Moreover, the electrical resistivity of CNT should just be about 10 < -3 > -10 < -6 > (omega | ohm) cm (room temperature).

本発明のジルコニア焼結体は、CNTを0.1〜3.0重量%(又は、0.3〜9.0体積%)の範囲で含有する。CNTの含有量が0.1重量%未満の場合は、有意に導電性を発現させることができず、3.0重量%を越える場合には導電性は高くなるが、焼結性が低下し結晶粒界にCNT量が多くなりすぎて大幅な機械的特性の低下をきたすので好ましくない。本発明では、上記のCNTの添加量に応じて、ジルコニア焼結体の体積抵抗率を10-2〜109Ω・cm程度の範囲で任意に調整することができる。 The zirconia sintered body of the present invention contains CNT in the range of 0.1 to 3.0% by weight (or 0.3 to 9.0% by volume). When the content of CNT is less than 0.1% by weight, the conductivity cannot be expressed significantly. When the content of CNT exceeds 3.0% by weight, the conductivity increases, but the sinterability decreases. This is not preferable because the amount of CNTs in the crystal grain boundary is excessively large and the mechanical properties are significantly deteriorated. In the present invention, the volume resistivity of the zirconia sintered body can be arbitrarily adjusted in the range of about 10 −2 to 10 9 Ω · cm according to the amount of CNT added.

本発明では、導電性材料として高アスペクト比の異方形態を有するCNTを採用することにより、従来の導電性材料に比してより少ない添加量で、ジルコニア焼結体に高い導電性を付与することができる。   In the present invention, by using CNTs having an anisotropic form with a high aspect ratio as the conductive material, high conductivity is imparted to the zirconia sintered body with a smaller amount of addition than in the conventional conductive material. be able to.

例えば、本発明のCNT含有ジルコニア焼結体を、背景技術の項で記載した特許文献6の炭素含有ジルコニア焼結体と比較した場合、同等の体積抵抗率を有するジルコニア焼結体を得るにあたり、導電性材料としてCNTを用いた場合は、炭素を用いた場合よりも添加量(重量)を1/10〜1/1000程度に低減することができる。具体例として実施例1〜5と比較例2とを対比すれば容易に理解できる。   For example, when the CNT-containing zirconia sintered body of the present invention is compared with the carbon-containing zirconia sintered body of Patent Document 6 described in the background art section, in obtaining a zirconia sintered body having an equivalent volume resistivity, When CNT is used as the conductive material, the addition amount (weight) can be reduced to about 1/10 to 1/1000 compared to when carbon is used. As a specific example, it can be easily understood by comparing Examples 1 to 5 with Comparative Example 2.

また、本発明のCNT含有ジルコニア焼結体では、実効媒質理論式(GEM式)により計算した導電性発現の臨界体積(Critical Volume Fraction)が、0.8体積%以下、特に0.7〜0.75体積%程度(0.23〜0.25重量%)と低い値を有している。このことからも、本発明のジルコニア焼結体は、従来に比してより少ない導電性材料の添加体積で導電性が付与されることが分かる。例えば、実施例3の図4を見れば容易に理解できる。   Moreover, in the CNT-containing zirconia sintered body of the present invention, the critical volume fraction (Critical Volume Fraction) of electrical conductivity calculated by the effective medium theoretical formula (GEM formula) is 0.8 volume% or less, particularly 0.7-0. It has a low value of about .75% by volume (0.23-0.25% by weight). This also shows that the zirconia sintered body of the present invention is imparted with conductivity with a smaller volume of the conductive material as compared with the conventional case. For example, it can be easily understood by referring to FIG.

なお、実効媒質理論式(GEM式)とは、パーコレーション理論を表現する一つの理論式であり、非導電性母相中に導電性物質を添加したときに、それぞれの抵抗率や大きさ等に依存して、複合材料の抵抗率が添加した導電性物質の体積分率に従ってどの様に変化するのかを表現する理論式であり、これにより計算される導電性発現の臨界体積とは、その値の導電性物質を添加した場合に、その前後で最も急激に抵抗率(導電率)が変化する特性値であり、導電性が発現する添加量を与えるしきい値を意味する。   The effective medium theoretical formula (GEM formula) is one theoretical formula that expresses the percolation theory. When a conductive substance is added to the non-conductive matrix, the resistivity, size, etc. It is a theoretical formula that expresses how the resistivity of the composite material changes according to the volume fraction of the added conductive material, and the calculated critical volume of conductivity expression is the value This is a characteristic value that changes the resistivity (conductivity) most abruptly before and after the addition of the conductive material, and means a threshold value that gives an added amount at which conductivity is developed.

さらに、本発明のジルコニア焼結体では、焼結体中におけるCNTの含有量を1.0重量%以上にすれば、良好に放電加工が可能な体積抵抗率(5.0×10-1Ωcm以下)にすることができる。この結果、通常の放電加工装置を用いて焼結体の放電加工が可能となる。 Furthermore, in the zirconia sintered body of the present invention, if the content of CNT in the sintered body is 1.0% by weight or more, a volume resistivity (5.0 × 10 −1 Ωcm) that enables good electric discharge machining. Below). As a result, the electric discharge machining of the sintered body can be performed using a normal electric discharge machining apparatus.

本発明のジルコニア焼結体は、CNTの含有量に応じて体積抵抗率を10-2〜109Ω・cm程度の範囲で調節することができる。具体的には、本発明のジルコニア焼結体を帯電防止用の部材(体積抵抗率:106〜109Ω・cm程度)とする場合は、ジルコニア焼結体中にCNTを0.1〜0.3重量%(又は0.3〜0.9体積%)の範囲で含有させればよい。特に、MWCNTを用いた場合には、ジルコニア焼結体中にMWCNTを0.1〜0.2重量%(又は0.3〜0.6体積%)含有させればよい。 In the zirconia sintered body of the present invention, the volume resistivity can be adjusted in the range of about 10 −2 to 10 9 Ω · cm according to the CNT content. Specifically, when the zirconia sintered body of the present invention is used as an antistatic member (volume resistivity: about 10 6 to 10 9 Ω · cm), 0.1 to 0.1 CNT is contained in the zirconia sintered body. What is necessary is just to contain in 0.3 weight% (or 0.3-0.9 volume%). In particular, when MWCNT is used, 0.1 to 0.2% by weight (or 0.3 to 0.6% by volume) of MWCNT may be contained in the zirconia sintered body.

また、ジルコニア焼結体を放電加工できる部材(体積抵抗率:10-2〜5.0×10-1Ω・cm程度)として用いる場合は、ジルコニア焼結体中にCNTを1.0〜3.0重量%(又は3.0〜5.8体積%)の範囲で含有させればよい。 When the zirconia sintered body is used as a member that can be subjected to electric discharge machining (volume resistivity: about 10 −2 to 5.0 × 10 −1 Ω · cm), CNT is added to 1.0 to 3 in the zirconia sintered body. What is necessary is just to contain in the range of 0.0 weight% (or 3.0-5.8 volume%).

なお、ジルコニア焼結体中のCNTの重量分率(重量%)及び体積分率(体積%)は、実施例1に記載の方法により求めることができる。   In addition, the weight fraction (% by weight) and the volume fraction (% by volume) of CNT in the zirconia sintered body can be obtained by the method described in Example 1.

また、本発明のCNT含有ジルコニア焼結体は、破壊靱性に優れており、CNT無添加のジルコニア焼結体そのものやCNT以外の導電性材料を含むジルコニア焼結体よりも高い破壊靱性を有している。   In addition, the CNT-containing zirconia sintered body of the present invention is excellent in fracture toughness, and has a higher fracture toughness than a zirconia sintered body itself containing no CNT or a zirconia sintered body containing a conductive material other than CNT. ing.

以上の様に、本発明のジルコニア焼結体において高い導電性及び破壊靱性が発揮されるのは、高アスペクト比と異方形態を有するCNTがジルコニア結晶粒子内に或いは結晶粒子界面に、その形態を保持したまま均一に分散されており、焼結体中にCNTの三次元の導電ネットワーク(経路)が均一かつ効果的に形成されているためであると考えられる。具体例として、実施例3で得られる焼結体の電子顕微鏡写真図5を見れば、CNTがジルコニア母相粒子の結晶粒内或いは結晶粒界部分において、その形態を保持して均一に分散されていることが理解できる。   As described above, high conductivity and fracture toughness are exhibited in the zirconia sintered body of the present invention because CNTs having a high aspect ratio and an anisotropic shape are present in the zirconia crystal grains or at the crystal grain interfaces. This is considered to be because the three-dimensional conductive network (path) of CNTs is uniformly and effectively formed in the sintered body. As a specific example, see FIG. 5 of an electron micrograph of the sintered body obtained in Example 3, and CNTs are uniformly dispersed while maintaining the form in the crystal grains of the zirconia matrix particles or in the crystal grain boundaries. I can understand that.

さらに、高いアスペクト比を持つCNTが分散することで、これが焼結体中を伝播するき裂の開口部分をつなぎ止める架橋効果を生じることや、CNTとジルコニアとの界面における化学反応が効果的に抑制されることでもたらされるき裂開口部分において生じるCNTの引き抜き効果など、き裂生成並びに伝播を効果的に抑制する高靭化機構が働くことで、高い破壊靭性が達成されていることは、図5に示した電子顕微鏡写真からも容易に理解できる。   Furthermore, the dispersion of CNTs with a high aspect ratio causes a cross-linking effect that blocks the crack opening that propagates in the sintered body, and effectively suppresses chemical reactions at the interface between CNT and zirconia. The fact that a high toughness mechanism that effectively suppresses the generation and propagation of cracks, such as the effect of pulling out CNT generated at the crack opening portion caused by the action, works to achieve high fracture toughness. It can be easily understood from the electron micrograph shown in FIG.

本発明のジルコニア焼結体は、例えば、図3のように模式図で表すことができる。図3より、ジルコニア中にCNTが三次元的に導電経路を形成して均一に分散しているため、異方構造の導電相が形成されている。そのために、微量のCNTの添加で高い導電性が付与されるともに、ジルコニア本来の特性が維持され、伝導性が均一となる。   The zirconia sintered body of the present invention can be represented by a schematic diagram as shown in FIG. 3, for example. From FIG. 3, since CNT forms a conductive path three-dimensionally in zirconia and is uniformly dispersed, a conductive phase having an anisotropic structure is formed. For this reason, high conductivity is imparted by addition of a small amount of CNT, while the original characteristics of zirconia are maintained, and the conductivity becomes uniform.

これに対し、背景技術の項で挙げた特許文献1〜5における結晶性無機化合物を添加した従来の導電性セラミックは、例えば、図1のように模式的に表すことができる。この導電性セラミックは、導電物質が結晶粒子であり導電性を発現するためには結晶粒子が隣接する必要がある。そのため導電物質を多量に添加する必要があり、セラミック自体の力学的特性が低下してしまう。   On the other hand, the conventional electroconductive ceramic which added the crystalline inorganic compound in patent documents 1-5 quoted by the term of background art can be typically represented like FIG. In this conductive ceramic, the conductive material is crystal particles, and the crystal particles need to be adjacent in order to exhibit conductivity. Therefore, it is necessary to add a large amount of a conductive material, and the mechanical characteristics of the ceramic itself are deteriorated.

また、特許文献6の炭素を添加した導電性セラミックは、例えば、図2のように模式的に表すことができる。この場合、炭素は導電性を有するものの細線形状をしていないため導電性を発現するために必要な導電経路形成には面状に連結する必要がある。そのため、導電性発現のために本発明に比べて多くの導電物質添加が必要となり、結果として破壊強度が低くなる。   Moreover, the electroconductive ceramic which added the carbon of patent document 6 can be typically represented like FIG. In this case, although carbon has conductivity, it does not have a thin line shape, and therefore, it is necessary to connect it in a planar shape to form a conductive path necessary for developing conductivity. Therefore, a larger amount of conductive material needs to be added than in the present invention in order to develop conductivity, and as a result, the breaking strength is lowered.

一般に、ジルコニア焼結体に導電性物質を加えるとその破壊強度は低下し、本発明のCNTを添加する場合も例外ではない。しかし、CNTに加えて、ナノサイズの等軸状粒子を添加することにより、ジルコニア焼結体の破壊強度を飛躍的に向上させることができる。ここで等軸状粒子とは、球形又は球形に近い多面体形状を有しアスペクト比が1〜1.5程度である粒子を意味し、具体的には、炭化ケイ素(SiC)、炭化ホウ素(B4C)、窒化ホウ素(BN)、窒化チタン(TiN)、炭化チタン(TiC)、アルミナ(Al23)、モナザイト(LaPO4)、ジルコン(ZrSiO4)等のセラミック粒子や、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、チタニウム(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等の金属、それらの金属間化合物あるいはそれらの合金が挙げられる。これらの添加する等軸状粒子のうち、硬質であること、ジルコニアと反応せずに安定であること、半導性を有するといった点から、SiCが好ましい。なお、SiCのSi/Cの化学組成比は1に限定されるものではない。 In general, when a conductive substance is added to a zirconia sintered body, its breaking strength is lowered, and the addition of the CNT of the present invention is no exception. However, by adding nano-sized equiaxed particles in addition to CNT, the breaking strength of the zirconia sintered body can be dramatically improved. Here, the equiaxed particle means a particle having a spherical shape or a polyhedral shape close to a spherical shape and having an aspect ratio of about 1 to 1.5, specifically, silicon carbide (SiC), boron carbide (B 4 C), boron nitride (BN), titanium nitride (TiN), titanium carbide (TiC), alumina (Al 2 O 3 ), monazite (LaPO 4 ), zircon (ZrSiO 4 ) and other ceramic particles, iron (Fe ), Cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), titanium (Ti), molybdenum (Mo), tungsten (W), etc., their intermetallic compounds, or alloys thereof. Of these equiaxed particles to be added, SiC is preferable from the viewpoint of being hard, stable without reacting with zirconia, and having semiconductivity. Note that the Si / C chemical composition ratio of SiC is not limited to 1.

添加する等軸状粒子は、結晶性又は非晶質のいずれでもよく、また、CNTにより形成された導電経路を分断して導電性を損なわない限りは、良導性、半導性、絶縁性の何れでもよい。添加する等軸状粒子の平均粒子径は、300nm以下、更に200nm以下、特に150〜30nm程度が好ましい。平均粒子径は、円心沈降式の粒度分布測定装置を用いて測定する。また、添加する等軸状粒子の添加量は、ジルコニア焼結体中0.05〜15重量%(又は0.1〜20体積%)程度、特に1.0〜6.0重量%(又は2〜10体積%)程度になるように設定するのが好ましい。具体例として、実施例4を見れば容易に理解できる。
II.ジルコニア焼結体の製造方法
本発明の導電性ジルコニア焼結体の製造方法について説明する。
The equiaxed particles to be added may be either crystalline or amorphous, and as long as the conductive path formed by the CNTs is not interrupted to impair the conductivity, good conductivity, semiconductivity, insulation Any of these may be used. The average particle diameter of the equiaxed particles to be added is preferably 300 nm or less, more preferably 200 nm or less, and particularly preferably about 150 to 30 nm. The average particle diameter is measured using a centered sedimentation type particle size distribution measuring apparatus. The addition amount of equiaxed particles to be added is about 0.05 to 15% by weight (or 0.1 to 20% by volume), particularly 1.0 to 6.0% by weight (or 2) in the zirconia sintered body. It is preferable to set so as to be about 10 to 10% by volume. As a specific example, it can be easily understood by looking at Example 4.
II. Manufacturing method of zirconia sintered body The manufacturing method of the electroconductive zirconia sintered body of this invention is demonstrated.

本発明の導電性ジルコニア焼結体は、下記の(1)〜(4)の工程を用いて製造することができる。
(1)カーボンナノチューブ及び界面活性剤を媒体中に加え、超音波処理してカーボンナノチューブ分散液を得る工程、(2)安定化剤とZrO2のモル比が1.5/98.5〜3.5/96.5の範囲でありZrO2の結晶相が主として正方晶からなるジルコニア粉体を、上記(1)で得られたカーボンナノチューブ分散液に添加し、超音波処理して混合分散液を得る工程、(3)上記(2)で得られた混合分散液から媒体を留去し、乾燥して混合粉末を得る工程、及び(4)上記(3)で得られた混合粉末を焼結処理してジルコニア焼結体を得る工程。
The conductive zirconia sintered body of the present invention can be manufactured using the following steps (1) to (4).
(1) A step of adding a carbon nanotube and a surfactant into a medium and sonicating to obtain a carbon nanotube dispersion, (2) a molar ratio of the stabilizer to ZrO 2 is 1.5 / 98.5-3 A zirconia powder having a ZrO 2 crystal phase mainly composed of tetragonal crystals in the range of .5 / 96.5 is added to the carbon nanotube dispersion obtained in the above (1) and subjected to ultrasonic treatment to obtain a mixed dispersion. (3) a step of distilling the medium from the mixed dispersion obtained in (2) above and drying to obtain a mixed powder; and (4) firing the mixed powder obtained in (3) above. A step of obtaining a zirconia sintered body by performing a ligation treatment.

本発明では、原料のジルコニア粉体は、市販されているか、或いは公知の方法により製造したものを用いることができる。特に、液相法により精製したジルコニア粉体を使用することが好ましい。具体的には、例えば安定化剤がY23の場合、Y23とZrO2の含有量が1.5/98.5〜3.5/96.5(モル比)の範囲となるように、ジルコニウム化合物(例えば、オキシ塩化ジルコニウム)の水溶液とイットリウム化合物(例えば、塩化イットリウム)の水溶液を均一に混合し、加水分解して水和物を得て、脱水、乾燥させた後、500〜1000℃で仮焼してジルコニア粉体を得る。ここで、ジルコニア粉体は平均粒子径0.05〜0.2μm程度に粉砕しておくことが好ましい。平均粒子径は、円心沈降式の粒度分布測定装置を用いて測定する。 In the present invention, the raw material zirconia powder is commercially available or can be produced by a known method. In particular, it is preferable to use zirconia powder purified by a liquid phase method. Specifically, for example, when the stabilizer is Y 2 O 3 , the content of Y 2 O 3 and ZrO 2 is in the range of 1.5 / 98.5 to 3.5 / 96.5 (molar ratio). After uniformly mixing an aqueous solution of a zirconium compound (for example, zirconium oxychloride) and an aqueous solution of an yttrium compound (for example, yttrium chloride), hydrolyzing to obtain a hydrate, dehydrating and drying, It is calcined at 500 to 1000 ° C. to obtain zirconia powder. Here, the zirconia powder is preferably pulverized to an average particle size of about 0.05 to 0.2 μm. The average particle diameter is measured using a centered sedimentation type particle size distribution measuring apparatus.

以上のようにして、安定化剤(例えばY23)とZrO2のモル比が1.5/98.5〜3.5/96.5の範囲であり、ZrO2の結晶相が主として正方晶からなるジルコニア粉体を得る。 As described above, the molar ratio of the stabilizer (for example, Y 2 O 3 ) to ZrO 2 is in the range of 1.5 / 98.5 to 3.5 / 96.5, and the crystal phase of ZrO 2 is mainly used. A zirconia powder composed of tetragonal crystals is obtained.

市販のジルコニアマトリックスとしては、例えば、東ソー株式会社製のTZ-3YE等が例示される。   Examples of the commercially available zirconia matrix include TZ-3YE manufactured by Tosoh Corporation.

別途、CNTを水、アルコール(例えば、エタノール)等の(液状)媒体に加え、これに界面活性剤を添加して、超音波ホモジナイザーを用いて超音波照射する。これにより、CNTを媒体に均一に分散させたCNT分散液を得る。媒体100重量部に対し、CNTを0.01〜0.3重量部程度、界面活性剤を界面活性剤成分として0.004〜0.12重量部程度用いればよい。界面活性剤は、ノニオン性、アニオン性、カチオン性、両性のいずれの界面活性剤でよく、好適にはポリオキシアルキレンアルキルエーテル等のノニオン性界面活性剤、ポリカルボン酸型高分子界面活性剤等のアニオン性界面活性剤が挙げられる。   Separately, CNT is added to a (liquid) medium such as water or alcohol (for example, ethanol), a surfactant is added thereto, and ultrasonic irradiation is performed using an ultrasonic homogenizer. Thereby, a CNT dispersion liquid in which CNTs are uniformly dispersed in a medium is obtained. About 0.01 to 0.3 parts by weight of CNT and about 0.004 to 0.12 parts by weight of a surfactant as a surfactant component may be used with respect to 100 parts by weight of the medium. The surfactant may be any of nonionic, anionic, cationic or amphoteric surfactants, preferably nonionic surfactants such as polyoxyalkylene alkyl ether, polycarboxylic acid type polymer surfactants, etc. The anionic surfactant of these is mentioned.

このCNT分散液に、ジルコニア焼結体に対しCNTを0.1〜3.0重量%の範囲で含有するように、上記で得られたジルコニア粉末を添加し、さらに超音波分散処理を行って混合分散液(スラリー)を得る。ここで、前記等軸状粒子(例えば、SiC)を添加する場合、ジルコニア焼結体の全量に対して0.05〜15重量%となるように秤量したSiCを、ジルコニア粉末と共に添加して超音波分散処理にて分散混合すればよい。   To this CNT dispersion, the zirconia powder obtained above was added so as to contain CNT in the range of 0.1 to 3.0% by weight with respect to the zirconia sintered body, and further subjected to ultrasonic dispersion treatment. A mixed dispersion (slurry) is obtained. Here, when the equiaxed particles (for example, SiC) are added, SiC weighed so as to be 0.05 to 15% by weight with respect to the total amount of the zirconia sintered body is added together with the zirconia powder, so What is necessary is just to carry out dispersion | distribution mixing by the sonic dispersion process.

この様に、界面活性剤と超音波法を併用することで、CNTがZrO2中に凝集することなく均一に分散可能となり、焼結後においてZrO2中に均一なCNTの3次元ネットワーク(導電経路)が形成される。結果として少ないCNT添加量において抵抗率の低い焼結体を得るこことが可能となる。 Thus, by a combination of surfactant and an ultrasonic method, CNT is uniformly dispersible and will without aggregation in ZrO 2, 3-dimensional network (conductive uniform CNT to ZrO 2 after sintering Path) is formed. As a result, a sintered body having a low resistivity can be obtained with a small amount of added CNT.

ついで、十分に混合分散して得た混合分散液(スラリー)から媒体を除去して混合粉末を得る。媒体の除去は、ロータリーエバポレーター等を用いて媒体を蒸発させた後、更に加熱乾燥機(45〜55℃)中で乾燥すればよい。なお、媒体として水を用いた場合は、凍結乾燥に付してもよい。この混合粉末を、乾式ボールミル等を用いて混合して、混合粉末を得る。   Next, the medium is removed from the mixed dispersion (slurry) obtained by sufficiently mixing and dispersing to obtain a mixed powder. The medium may be removed by evaporating the medium using a rotary evaporator or the like and further drying in a heat dryer (45 to 55 ° C.). In addition, when water is used as a medium, it may be subjected to lyophilization. This mixed powder is mixed using a dry ball mill or the like to obtain a mixed powder.

得られた混合粉末を、常圧焼結法、常圧焼結法及び熱間静水圧プレス(HIP)処理、熱間静水圧プレス(HIP)焼結法、スパークプラズマ焼結(SPS)法などを用いて焼結させる。   The obtained mixed powder is subjected to atmospheric pressure sintering, atmospheric pressure sintering, hot isostatic pressing (HIP) treatment, hot isostatic pressing (HIP) sintering, spark plasma sintering (SPS), etc. To sinter.

常圧焼結法は、上記の混合粉末を金型に入れて成形し、取り出した成形体を常圧で加熱焼結処理する。加熱焼結処理は、例えば、雰囲気制御電気炉を用いて不活性ガス(Arガス等)雰囲気下で20℃/分程度で1400〜1600℃程度まで昇温し、同温で3〜5時間程度行えばよい。常圧焼結法で得られた焼結体を、さらに熱間静水圧プレス(HIP)処理してもよい。HIP処理は、不活性ガス(Arガス等)雰囲気下、180〜200MPa程度の圧力ガス中1300〜1500℃程度で1〜3時間程度行えばよい。これにより、焼結体の相対密度の向上が達成され、結果として、摩擦、衝撃、圧壊等に対する抵抗性を高くすることができ、機械的性質の向上、さらには耐久性の向上ができる。   In the normal pressure sintering method, the above-mentioned mixed powder is put into a mold and molded, and the removed molded body is heated and sintered at normal pressure. In the heat sintering process, for example, the temperature is increased to about 1400 to 1600 ° C. at about 20 ° C./min in an inert gas (Ar gas or the like) atmosphere using an atmosphere controlled electric furnace, and the temperature is about 3 to 5 hours. Just do it. The sintered body obtained by the normal pressure sintering method may be further subjected to a hot isostatic pressing (HIP) treatment. The HIP treatment may be performed at about 1300 to 1500 ° C. for about 1 to 3 hours in a pressure gas of about 180 to 200 MPa in an inert gas (Ar gas or the like) atmosphere. Thereby, the improvement of the relative density of a sintered compact is achieved, As a result, the resistance with respect to friction, an impact, crushing, etc. can be made high, and an improvement in mechanical property and also an improvement in durability can be performed.

熱間静水圧プレス(HIP)焼結法は、上記のHIP処理の条件を用いて、混合粉末を直接加熱焼結する。   In the hot isostatic pressing (HIP) sintering method, the mixed powder is directly heated and sintered using the conditions of the above HIP treatment.

スパークプラズマ焼結(SPS)法は、放電プラズマ焼結装置を用いて、混合粉末を直接加熱焼結する。具体的には、混合粉末を黒鉛ダイスに充填し、これに一軸加圧圧力25〜35MPa程度で不活性ガス(Arガス等)雰囲気下、昇温速度100℃/分で1300〜1550℃まで加熱し、同温で3〜10分程度加熱する。   In the spark plasma sintering (SPS) method, the mixed powder is directly heated and sintered using a discharge plasma sintering apparatus. Specifically, the mixed powder is filled into a graphite die, and heated to 1300 to 1550 ° C. at a temperature rising rate of 100 ° C./min in an inert gas (Ar gas or the like) atmosphere at a uniaxial pressure of about 25 to 35 MPa. And heat at the same temperature for about 3 to 10 minutes.

上記の焼結法により得られたジルコニア焼結体は、必要に応じその表面をダイヤモンド砥石等で研削加工してもよい。   The surface of the zirconia sintered body obtained by the above sintering method may be ground with a diamond grindstone or the like, if necessary.

本発明のジルコニア焼結体の製造方法では、導電性材料としてCNTを用いているため、焼結工程で力学的に弱い単斜晶ジルコニアの生成や炭素とジルコニアの反応による不要なZrCの生成を抑制することができる。特に、急速加熱が可能な加圧焼結法(SPS法)を採用することで、単時間に焼結体の相対密度を向上させることが可能であり、CNTとジルコニアの化学反応によるZrCの生成を抑制し、単斜晶ジルコニアの生成も抑制することが可能である。   In the manufacturing method of the zirconia sintered body of the present invention, since CNT is used as the conductive material, generation of monoclinic zirconia which is weak mechanically in the sintering process and generation of unnecessary ZrC due to the reaction between carbon and zirconia. Can be suppressed. In particular, by adopting the pressure sintering method (SPS method) that allows rapid heating, it is possible to improve the relative density of the sintered body in a single hour, and the generation of ZrC by the chemical reaction between CNT and zirconia. It is possible to suppress the formation of monoclinic zirconia.

例えば、比較例1において、カーボン粉末を含むジルコニア焼結体の場合では、常圧焼結工程において力学的に弱い単斜晶ジルコニアやZrCの生成が多くなるのに対し(図8)、本発明の実施例3のSPS法で焼結したCNT含有ジルコニア焼結体では、ZrCは生成せず、単斜晶ジルコニアはほとんど生成しない(図7)。 For example, in Comparative Example 1, in the case of a zirconia sintered body containing carbon powder, the production of monoclinic zirconia and ZrC, which are mechanically weak in the atmospheric pressure sintering process, is increased ( FIG. 8 ) . In the CNT-containing zirconia sintered body sintered by the SPS method of Example 3, ZrC is not generated, and monoclinic zirconia is hardly generated ( FIG. 7 ).

かくして得られる本発明のジルコニア焼結体は、ジルコニア本来の優れた力学的性質(破壊強度、破壊靱性など)を保持し、しかも安定した導電性を有している。   The zirconia sintered body of the present invention thus obtained retains the original excellent mechanical properties (breaking strength, fracture toughness, etc.) of zirconia and has a stable conductivity.

本発明では、導電性材料としてCNTを使用することにより、少ないCNT添加量で、力学的特性を保持しつつ低い体積抵抗率(高い電気伝導率)を有するジルコニア焼結体を実現できる。   In the present invention, by using CNT as the conductive material, a zirconia sintered body having a low volume resistivity (high electrical conductivity) can be realized with a small amount of CNT added while maintaining mechanical properties.

CNTの添加量1.0重量%以上(又は3体積%以上)で、放電加工が可能な体積抵抗率である5.0×10-1Ω・cm以下となる。この結果、通常の装置を用いて焼結体の放電加工が可能となる。 When the added amount of CNT is 1.0% by weight or more (or 3% by volume or more), the volume resistivity is 5.0 × 10 −1 Ω · cm or less, which enables electric discharge machining. As a result, electric discharge machining of the sintered body becomes possible using a normal apparatus.

また、CNTの添加により、焼結体の破壊靱性値が向上し、さらに、炭化ケイ素ナノ粒子の添加により破壊強度が向上する   Moreover, the fracture toughness value of the sintered body is improved by the addition of CNT, and the fracture strength is improved by the addition of silicon carbide nanoparticles.

次に、本発明について実施例を用いて詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
A.原料
実施例及び比較例で用いた原料を以下に示す。
・ジルコニア:3mol%の酸化イットリウム(Y2O3)で安定化した正方晶ジルコニア(3Y-TZP)粉末(東ソー株式会社、TZ-3YE)
・多層カーボンナノチューブ(MWCNT):直径20〜30nm、長さ1μm以上の多層カーボンナノチューブ(シグマアルドリッチジャパン株式会社製)
・単層カーボンナノチューブ(SWCNT):直径0.6〜2nm、長さ0.5μm以上の単層カーボンナノチューブ(Carbon Nanotechnologies Inc.製)
・カーボン粒子:中空シェル状のカーボン粉末(ライオン株式会社製、EC600JD:一次粒子径34nm、比表面積1270 m2/g、凝集粒子サイズ230nm)
・炭化ケイ素:β-SiC粉末(三井東圧化学株式会社製、一次粒径:150nm)
・界面活性剤:カルボン酸系界面活性剤(油性)(花王株式会社製、ホモゲノールL-18、40wt%濃度)
B.物性評価
後記の実施例1〜7及び比較例1で得られたジルコニア焼結体について、下記の物性評価を行った。
(1)抵抗測定
作製した焼結体の抵抗測定は、Van der Pauw法により室温にて行った(東陽テクニカ株式会社製、Resitest8308型)。試料を約1mm程度の厚さまで研削し、研磨を行った。試料の形状は常圧焼結、HIP処理では円形(直径13mm)で測定し、SPS法による焼結体では正方形(10mm角)に加工して測定に用いた。
Next, although this invention is demonstrated in detail using an Example, this invention is not limited to this Example.
A. The raw materials used in the raw material examples and comparative examples are shown below.
・ Zirconia: Tetragonal zirconia (3Y-TZP) powder stabilized by 3 mol% yttrium oxide (Y 2 O 3 ) (Tosoh Corporation, TZ-3YE)
・ Multi-walled carbon nanotubes (MWCNT): Multi-walled carbon nanotubes with a diameter of 20-30 nm and a length of 1 μm or more (manufactured by Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd.)
Single-walled carbon nanotubes (SWCNT): Single-walled carbon nanotubes with a diameter of 0.6-2 nm and a length of 0.5 μm or more (manufactured by Carbon Nanotechnologies Inc.)
・ Carbon particles: Hollow shell-like carbon powder (manufactured by Lion Corporation, EC600JD: primary particle diameter 34 nm, specific surface area 1270 m 2 / g, aggregated particle size 230 nm)
・ Silicon carbide: β-SiC powder (Mitsui Toatsu Chemical Co., Ltd., primary particle size: 150 nm)
・ Surfactant: Carboxylic acid surfactant (oil-based) (Kao Corporation, Homogenol L-18, 40wt% concentration)
B. Evaluation of physical properties The following physical properties were evaluated for the zirconia sintered bodies obtained in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 described later.
(1) Resistance measurement Resistance measurement of the produced sintered body was performed at room temperature by Van der Pauw method (Resitest8308 type, manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.). The sample was ground to a thickness of about 1 mm and polished. The shape of the sample was measured by circular sintering (diameter 13 mm) in normal pressure sintering and HIP processing, and the sintered body by the SPS method was processed into a square (10 mm square) and used for measurement.

Van der Pauw法で測定する試料の形状はシート状であれば任意の形状でよく、サンプル周辺に4ヶ所の小さなオーミック抵抗を持たせる。シートの抵抗Rsが分かれば抵抗率ρ(Ω・cm)を知ることができる。そこで、4つの端子間で抵抗を計算し、これを用いてシート抵抗Rsを求め、さらに厚さtを用いて体積抵抗率:
ρ=Rs×tを計算した。なお、導電率S(S/cm)は体積抵抗率ρの逆数をとって算出した。
(2)破壊強度
焼結体の室温における破壊強度σfの測定は、3点曲げ試験法により測定した。測定には島津社製AG-C型万能試験機(オートグラフ)を用いて、スパン長さ20mm、クロスヘッドスピードは0.5mm/minの条件で3点曲げ試験を行った。破壊強度は次式により算出した。
The shape of the sample measured by the Van der Pauw method may be any shape as long as it is a sheet shape, and four small ohmic resistances are provided around the sample. If the resistance Rs of the sheet is known, the resistivity ρ (Ω · cm) can be known. Therefore, the resistance is calculated between the four terminals, and the sheet resistance Rs is calculated using this, and the volume resistivity is calculated using the thickness t:
ρ = Rs × t was calculated. The conductivity S (S / cm) was calculated by taking the reciprocal of the volume resistivity ρ.
(2) Fracture strength The fracture strength σ f at room temperature of the sintered body was measured by a three-point bending test method. For measurement, an AG-C universal testing machine (Autograph) manufactured by Shimadzu Corporation was used, and a three-point bending test was performed under the conditions of a span length of 20 mm and a crosshead speed of 0.5 mm / min. The breaking strength was calculated by the following formula.

σf=3P・L/(2b・d2
σf:破壊強度(Pa)
P:試験片が破壊した時の最大荷重(N)
L:下部支点間距離(m)
b:試験片幅(m)
d:試験片厚さ(m)
(3)破壊靱性
破壊靱性の測定は、明石社製AVK-M型ビッカース硬度計を用いて、研磨した試料表面に保持時間15秒、荷重98Nの条件でビッカース圧子を打ち込み、それによって生じたメジアンクラックの長さと生じた圧痕の対角線の長さを測定し、下記の式を用いて破壊靱性を算出した。
σ f = 3P · L / (2b · d 2 )
σ f : Fracture strength (Pa)
P: Maximum load when the specimen breaks (N)
L: Distance between lower fulcrums (m)
b: Specimen width (m)
d: Test piece thickness (m)
(3) Fracture toughness The fracture toughness was measured using an AVK-M type Vickers hardness tester manufactured by Akashi Co., Ltd., and a Vickers indenter was driven into the polished sample surface with a holding time of 15 seconds and a load of 98 N. The crack length and the diagonal length of the resulting indentation were measured, and the fracture toughness was calculated using the following formula.

K1c=0.203・(c/a)-3/2・HV・a1/2
KIC:破壊靱性(Pa・m1/2)
HV:ビッカース硬度(Pa)
a:圧痕の対角線の長さの1/2(m)
c:クラック半径の平均(m)
(4)相対密度
作製した焼結体のかさ密度ρは、トルエン中でアルキメデス法により測定した。密度の算出には次に示す計算式を用いた。
K1c = 0.203 ・ (c / a) -3/2・ HV ・ a 1/2
KIC: Fracture toughness (Pa · m 1/2 )
HV: Vickers hardness (Pa)
a: 1/2 (m) of diagonal length of indentation
c: Average crack radius (m)
(4) Relative Density The bulk density ρ of the produced sintered body was measured by the Archimedes method in toluene. The calculation formula shown below was used to calculate the density.

ρ(g/cm3)=ρ1×W1/(W1−W2)
W1:乾燥質量(g)
W2:トルエン中の質量(g)
温度T(℃)におけるトルエンの密度ρ1(g/cm3):ρ1=0.88412−0.00092248×T
複合材料について、報告されているジルコニアの理論密度(3Y-ZrO2=6.05g/cm3)と各カーボンの密度(カーボンナノチューブ2.0 g/cm3、カーボン粉末EC600JD=2.27g/cm3)を用いて、前述の式を用いて添加量から理論密度を算出し、この理論密度に対する焼結体のかさ密度の割合として相対密度(%)を算出した。
(5)焼結体の微細組織の観察
焼結体の微細組織の観察は、透過型電子顕微鏡(TEM、日立製作所製、H-8100型、加速電圧200kV)を用いて行った。焼結体を厚さ約200μmまで薄く研削し、次に約100μmになるまでダイヤモンドスラリーで研磨を行ったのち、超音波加工機で直径3mmの円形に打ち抜き、更に中心の厚さが約20μmになるまで削った。その後、Arイオンによるイオンシニングを行ってTEMサンプルとした。また、破断面観察は、走査型電子顕微鏡(SEM、日立製作所製、S-5000型)を用いて行った。
(6)X線回折測定
焼結体構成相の同定は、X線回折法(理学電機株式会社製、 RU-200B型)により行った。対陰極にはCuKα線(λ=1.5418Å)を用い、印加電圧50kV、印加電流150mA、走査回折角範囲2θ=20〜80°、走査速度4°/minの条件で行った。
ρ (g / cm 3 ) = ρ1 × W1 / (W1−W2)
W1: Dry mass (g)
W2: Mass in toluene (g)
Density of toluene at temperature T (° C.) ρ1 (g / cm 3 ): ρ1 = 0.84812−0.00092248 × T
For composite materials, use the reported theoretical density of zirconia (3Y-ZrO 2 = 6.05 g / cm 3 ) and the density of each carbon (carbon nanotubes 2.0 g / cm 3 , carbon powder EC600JD = 2.27 g / cm 3 ). The theoretical density was calculated from the added amount using the above formula, and the relative density (%) was calculated as the ratio of the bulk density of the sintered body to the theoretical density.
(5) Observation of microstructure of sintered body The microstructure of the sintered body was observed using a transmission electron microscope (TEM, Hitachi, H-8100, acceleration voltage 200 kV). The sintered body is thinly ground to a thickness of about 200μm, then polished with diamond slurry until it reaches about 100μm, then punched into a 3mm diameter circle with an ultrasonic machine, and the center thickness is about 20μm. I sharpened until. Thereafter, ion thinning with Ar ions was performed to obtain a TEM sample. Moreover, the fractured surface observation was performed using a scanning electron microscope (SEM, manufactured by Hitachi, Ltd., S-5000 type).
(6) X-ray diffraction measurement The phase of the sintered body was identified by the X-ray diffraction method (manufactured by Rigaku Corporation, RU-200B type). A CuKα ray (λ = 1.5418 mm) was used for the counter cathode, and the conditions were an applied voltage of 50 kV, an applied current of 150 mA, a scanning diffraction angle range of 2θ = 20 to 80 °, and a scanning speed of 4 ° / min.

(1)混合粉末の作製
最終的なジルコニア焼結体の重量(100g)に対して0から2重量%となるように秤量したMWCNTを、約800mlのエチルアルコール(純度99.5%以上)に添加し、さらに界面活性剤をMWCNTと同重量(界面活性剤成分としてMWCNTの2/5重量)となるように添加した。混合物を超音波ホモジナイザー(BRANSON社製、ソニファイアーS-450D型)を用いて、出力100Wで1〜3時間超音波照射して分散処理してCNT分散液を得た。
(1) Preparation of mixed powder MWCNT weighed so as to be 0 to 2% by weight with respect to the weight (100 g) of the final zirconia sintered body was added to about 800 ml of ethyl alcohol (purity of 99.5% or more). Further, a surfactant was added so as to have the same weight as MWCNT (2/5 weight of MWCNT as a surfactant component). The mixture was subjected to dispersion treatment by ultrasonic irradiation at an output of 100 W for 1 to 3 hours using an ultrasonic homogenizer (manufactured by BRANSON, Sonifier S-450D type) to obtain a CNT dispersion.

ついで、ジルコニア粉末100〜98gをこのCNT分散液に添加し、さらに超音波分散処理を1時間行った。十分に混合分散して得た混合スラリーを、ロータリーエバポレーターを用いてエチルアルコールを蒸発させて乾燥させた後、更に50℃乾燥機中で24時間保持して完全に溶媒成分を除去した。この混合粉末を、混合メディアとしての直径5mmのジルコニアボール(嵩容量約200ml)を用いて、ポリエチレンポット中にて乾式ボールミル混合を12時間行い、最終的な混合粉末を得た。
(2)焼結工程
上記(1)で得られた混合粉末を、電気的性質の評価用サンプルとして金型で直径15mm、厚さ約5mmのペレット状に、または破壊強度等の機械的特性試験用サンプルとして幅5mm、厚さ5mm、長さ50mmの角柱状になるように圧力4MPaで成型した。その後、冷間静水圧プレス(CIP)装置を用いて、圧力200MPaで再び成型処理した。これを黒鉛粉末に埋めた後、雰囲気制御電気炉(丸祥電気株式会社製、SuperMini型)を用いて、Arガス雰囲気下で昇温速度20℃/分で1500℃まで加熱し、4時間焼結を行って焼結体試料を得た。
(3)試料加工
上記(2)で得られた焼結体試料の表面を、粒度#100、#400及び#800のダイヤモンド砥石で順次研削加工した後、9μm、2μm及び0.5μmのダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨し、各種評価用の試料を得た。最終的な試料形状及びサイズは、直径13mm、厚さ1mmの円盤状サンプル(電気的性質評価用)、または幅4mm、厚さ3mm、長さ40mmの角柱状試験片(機械的特性評価用)とした。
Next, 100 to 98 g of zirconia powder was added to this CNT dispersion, and ultrasonic dispersion treatment was further performed for 1 hour. The mixed slurry obtained by sufficiently mixing and dispersing was dried by evaporating ethyl alcohol using a rotary evaporator, and then kept in a dryer at 50 ° C. for 24 hours to completely remove the solvent component. This mixed powder was subjected to dry ball mill mixing for 12 hours in a polyethylene pot using zirconia balls having a diameter of 5 mm as a mixing medium (bulk capacity: about 200 ml) to obtain a final mixed powder.
(2) Sintering process Use the mixed powder obtained in (1) above as a sample for evaluation of electrical properties in the form of a pellet with a diameter of 15 mm and a thickness of about 5 mm, or mechanical properties such as fracture strength. As a sample for use, it was molded at a pressure of 4 MPa so as to form a prism having a width of 5 mm, a thickness of 5 mm, and a length of 50 mm. Thereafter, molding was performed again at a pressure of 200 MPa using a cold isostatic press (CIP) apparatus. After burying it in graphite powder, using an atmosphere controlled electric furnace (manufactured by Marusho Denki Co., Ltd., SuperMini type), it was heated to 1500 ° C under an Ar gas atmosphere at a rate of temperature increase of 20 ° C / min for 4 hours. Sintering was performed to obtain a sintered body sample.
(3) Sample processing After the surface of the sintered body sample obtained in (2) above was ground with a diamond grindstone of particle size # 100, # 400 and # 800, diamond slurry of 9μm, 2μm and 0.5μm was prepared. The sample was used for mirror polishing to obtain samples for various evaluations. The final specimen shape and size is a disk-shaped sample with a diameter of 13 mm and a thickness of 1 mm (for electrical property evaluation), or a prismatic test piece with a width of 4 mm, a thickness of 3 mm and a length of 40 mm (for mechanical property evaluation). It was.

得られたジルコニア焼結体試料の物性評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the physical property evaluation results of the obtained zirconia sintered body sample.

Figure 0003955901
Figure 0003955901

なお、ジルコニア焼結体中におけるジルコニアとCNTの体積分率(vol%)と重量分率(wt%)の変換式は下記の通りである。以下同じ。   In addition, the conversion formula of the volume fraction (vol%) and weight fraction (wt%) of zirconia and CNT in a zirconia sintered compact is as follows. same as below.

ジルコニア CNT(又は添加物)
密度 dZ(6.02 g/cm3) dCNT(2.0 g/cm3
重量分率(wt%) WZ=100−WCNTCNT
体積分率(vol%) VZ=100−VCNTCNT
CNT=100×(WCNT/dCNT)/{(WCNT/dCNT)+(WZ/dZ)}
=100×(WCNT/dCNT)/{(WCNT/dCNT)+((100-WCNT)/dZ)}
CNT=100×(VCNT×dCNT)/{(VCNT×dCNT)+(VZ×dZ)}
=100×(VCNT×dCNT)/{(VCNT×dCNT)+((100-VCNT)×dZ)}
Zirconia CNT (or additive)
Density d Z (6.02 g / cm 3 ) d CNT (2.0 g / cm 3 )
Weight fraction (wt%) W Z = 100−W CNT W CNT
Volume fraction (vol%) V Z = 100−V CNT V CNT
V CNT = 100 × (W CNT / d CNT ) / {(W CNT / d CNT ) + (W Z / d Z )}
= 100 × (W CNT / d CNT ) / {(W CNT / d CNT ) + ((100-W CNT ) / d Z )}
W CNT = 100 × (V CNT × d CNT ) / {(V CNT × d CNT ) + (V Z × d Z )}
= 100 × (V CNT × d CNT ) / {(V CNT × d CNT ) + ((100−V CNT ) × d Z )}

(1)混合粉末の作製
実施例1(1)と同様にして混合粉末を得た。
(2)焼結工程
実施例1(2)で得られた焼結体試料を、Ar雰囲気下1450℃にて2時間熱間静水圧プレス(HIP)処理(神戸製鋼株式会社製、DrHIP型装置)を行った以外は、実施例1と同様にして行った。
(3)試料加工
上記(2)で得られた焼結体試料を、実施例1(3)と同様にして試料を得た。
(1) Preparation of mixed powder Mixed powder was obtained like Example 1 (1).
(2) Sintering process The sintered body sample obtained in Example 1 (2) was subjected to hot isostatic pressing (HIP) treatment at 1450 ° C. for 2 hours under Ar atmosphere (Kobe Steel Corporation, DrHIP type device) ) Was performed in the same manner as in Example 1.
(3) Sample processing A sample of the sintered body sample obtained in the above (2) was obtained in the same manner as in Example 1 (3).

得られたジルコニア焼結体試料の物性評価結果を表2に示す。   Table 2 shows the physical property evaluation results of the obtained zirconia sintered body sample.

Figure 0003955901
Figure 0003955901

HIP処理する実施例2の焼結体は、実施例1の常圧焼結のみで得られる焼結体に比べて、破壊強度及び相対密度が向上することが分かった。   It was found that the fracture strength and the relative density of the sintered body of Example 2 subjected to HIP treatment are improved as compared with the sintered body obtained by only atmospheric pressure sintering of Example 1.

(1)混合粉末の作製
最終的なジルコニア焼結体の重量に対してMWCNTの添加量を0から3重量%の種々の組成とした以外は、実施例1(1)と同様にして混合粉末を得た。
(2)焼結工程
上記(1)で得られた混合粉末を、放電プラズマ焼結法(SPS法)を用いて焼結体試料を製造した。混合粉末を直径15mmまたは30mmの黒鉛ダイスに充填し、放電プラズマ焼結装置(住友石炭工業株式会社製、SPS2080型)にセットした後、一軸加圧圧力30MPaとし、Ar雰囲気下、昇温速度100℃/分で1300から1550℃まで加熱した後、5分間焼結を行ってSPS焼結体試料を得た。
(3)試料加工
続いて、上記(2)で得られたSPS焼結体試料の表面を、粒度#100、#400および#800のダイヤモンド砥石で順次研削加工した後、9μm、2μm及び0.5μmのダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨し、各種評価用の試料を得た。最終的な試料形状及びサイズは、直径15mm、厚さ1mmの円盤状サンプルを得ると共に、直径30mmの円盤状試験片をダイヤモンド切断機で角柱状に切断加工・研磨することで、幅4mm、厚さ3mm、長さ25mmの角柱状試験片として破壊強度試験に供した。
(1) Preparation of mixed powder Mixed powder in the same manner as in Example 1 (1) except that the amount of MWCNT added was varied from 0 to 3% by weight with respect to the weight of the final zirconia sintered body. Got.
(2) Sintering process The sintered compact sample was manufactured for the mixed powder obtained by said (1) using the discharge plasma sintering method (SPS method). After filling the mixed powder into a graphite die with a diameter of 15mm or 30mm and setting it in a discharge plasma sintering device (manufactured by Sumitomo Co., Ltd., SPS2080 type), uniaxial pressurizing pressure is set to 30MPa, heating rate is 100 under Ar After heating from 1300 to 1550 ° C. at a rate of 1 ° C./min, sintering was performed for 5 minutes to obtain an SPS sintered body sample.
(3) Sample processing Subsequently, the surface of the SPS sintered body sample obtained in (2) above was sequentially ground with a diamond grindstone of particle size # 100, # 400 and # 800, then 9 μm, 2 μm and 0.5 μm The diamond slurry was mirror-polished to obtain samples for various evaluations. The final specimen shape and size is a disk-shaped sample with a diameter of 15 mm and a thickness of 1 mm, and a disk-shaped test piece with a diameter of 30 mm is cut and polished into a prismatic shape with a diamond cutting machine. The specimen was subjected to the fracture strength test as a prismatic specimen having a length of 3 mm and a length of 25 mm.

得られたジルコニア焼結体試料の物性評価結果を表3に示す。   Table 3 shows the physical property evaluation results of the obtained zirconia sintered body sample.

Figure 0003955901
Figure 0003955901

添加量1.35wt%及び2.0wt%の場合、得られる焼結体はいずれも放電加工が好適に適用可能な体積抵抗率(10-2オーダー)を示している。また、SPS焼結する実施例3の焼結体は、実施例1の常圧焼結のみで得られる焼結体に比べて、破壊強度及び相対密度が飛躍的に向上することが分かった。 When the addition amount is 1.35 wt% and 2.0 wt%, the obtained sintered body shows a volume resistivity (10 −2 order) to which electric discharge machining can be suitably applied. Further, it was found that the fracture strength and the relative density of the sintered body of Example 3 subjected to SPS sintering are dramatically improved as compared with the sintered body obtained only by atmospheric pressure sintering of Example 1.

実施例3で得られたジルコニア焼結体について、van der Pauw法により、CNTの含有量(vol%)に対する体積抵抗率(Ωcm)を測定した。その結果を図4に示す。これによれば、導電性発現の臨界体積は、0.73vol%と極めて低い値であることが分かった。これは、CNTを用いることでより少ない導電性物質の添加量で、ジルコニア焼結体に導電性が付与されることを意味している。なお、図4で用いたGEM理論式及びパラメーターを以下に示す。

Figure 0003955901
For the zirconia sintered body obtained in Example 3, the volume resistivity (Ωcm) relative to the CNT content (vol%) was measured by the van der Pauw method. The result is shown in FIG. According to this, it turned out that the critical volume of electroconductivity expression is a very low value as 0.73 vol%. This means that the conductivity is imparted to the zirconia sintered body with a smaller amount of the conductive material added by using CNTs. The GEM theoretical formula and parameters used in FIG. 4 are shown below.
Figure 0003955901

また、実施例3で得られたジルコニア焼結体の透過型電子顕微鏡(TEM)ならびに破断面の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を図5に示す。これによれば、添加したMWCNTがジルコニア母相中において、ジルコニア結晶粒子界面(粒界)および粒子内部に均一に分布しており、CNT同士も接触することで、3次元的な導電経路を形成して分散していることが分かる。   Moreover, the transmission electron microscope (TEM) of the zirconia sintered compact obtained in Example 3 and the scanning electron microscope (SEM) photograph of a fracture surface are shown in FIG. According to this, the added MWCNT is uniformly distributed within the zirconia crystal particle interface (grain boundary) and inside the particles in the zirconia matrix, and the CNTs are also in contact with each other to form a three-dimensional conductive path. It can be seen that they are dispersed.

また、実施例3で得られたジルコニア焼結体のX線回折の測定結果を図7に示す。これによれば、導電性材料としてCNTを用いかつ短時間焼結法(SPS焼結法)を採用したために、ZrCや単斜晶ジルコニアの生成もほとんどなく、破壊強度及び破壊靱性に優れた焼結体が得られたことが分かる。   Moreover, the measurement result of the X-ray diffraction of the zirconia sintered compact obtained in Example 3 is shown in FIG. According to this, since CNT is used as the conductive material and the short-time sintering method (SPS sintering method) is adopted, there is almost no formation of ZrC or monoclinic zirconia, and the sintering is excellent in fracture strength and fracture toughness. It can be seen that a ligation was obtained.

(1)混合粉末の作製
最終的なジルコニア焼結体の重量(100g)に対して1重量%となるように秤量したMWCNTを、約800mlのエチルアルコール(純度99.5%以上)に添加し、さらに界面活性剤をMWCNTと同重量(界面活性剤成分としてMWCNTの2/5重量)となるように添加した。混合物を超音波ホモジナイザー(BRANSON社製、ソニファイアーS-450D型)を用いて、出力100Wで1〜3時間超音波照射してCNT分散液を得た。
(1) Preparation of mixed powder MWCNT weighed to 1% by weight with respect to the weight (100 g) of the final zirconia sintered body was added to about 800 ml of ethyl alcohol (purity of 99.5% or more), and The surfactant was added so as to have the same weight as MWCNT (2/5 weight of MWCNT as a surfactant component). The mixture was subjected to ultrasonic irradiation at an output of 100 W for 1 to 3 hours using an ultrasonic homogenizer (manufactured by BRANSON, Sonifier S-450D type) to obtain a CNT dispersion.

ついで、最終的な焼結体重量(100g)に対して炭化ケイ素(SiC)が2.7重量%又は11.5重量%となるようにSiCを秤量し、これとジルコニア粉末(約96.3g又は87.5g)を、このCNT分散液に同時に添加し、さらに超音波分散処理を1時間行った。十分に混合分散して得た混合スラリーを、ロータリーエバポレーターを用いてエチルアルコールを蒸発させて乾燥させた後、更に50℃乾燥機中で24時間保持して完全に溶媒成分を除去した。この混合粉末を、混合メディアとしての直径5mmのジルコニアボール(嵩容量約200ml)を用いて、ポリエチレンポット中にて乾式ボールミル混合を12時間行い、最終的な混合粉末を得た。
(2)焼結工程
上記(1)で得られた混合粉末を、放電プラズマ焼結法(SPS法)を用いて焼結体試料を製造した。
Next, SiC was weighed so that silicon carbide (SiC) was 2.7 wt% or 11.5 wt% with respect to the final sintered body weight (100 g), and this was mixed with zirconia powder (about 96.3 g). Or 87.5 g) was simultaneously added to the CNT dispersion, followed by ultrasonic dispersion treatment for 1 hour. The mixed slurry obtained by sufficiently mixing and dispersing was dried by evaporating ethyl alcohol using a rotary evaporator, and then kept in a dryer at 50 ° C. for 24 hours to completely remove the solvent component. This mixed powder was subjected to dry ball mill mixing for 12 hours in a polyethylene pot using zirconia balls having a diameter of 5 mm as a mixing medium (bulk capacity: about 200 ml) to obtain a final mixed powder.
(2) Sintering process The sintered compact sample was manufactured for the mixed powder obtained by said (1) using the discharge plasma sintering method (SPS method).

得られた混合粉末を直径15mmまたは30mmの黒鉛ダイスに充填し、放電プラズマ焼結装置(住友石炭工業株式会社製、SPS2080型)にセットした後、一軸加圧圧力30MPaとし、Ar雰囲気下、昇温速度100℃/分で1300から1550℃まで加熱した後、5分間焼結を行ってSPS焼結体試料を得た。
(3)試料加工
上記(2)で得られたSPS焼結体試料を、実施例3(3)と同様にして試験片を得た。
The obtained mixed powder is filled into a graphite die with a diameter of 15 mm or 30 mm, set in a discharge plasma sintering apparatus (manufactured by Sumitomo Coal Industries, SPS2080 type), then uniaxially pressurized to 30 MPa and lifted in an Ar atmosphere. After heating from 1300 to 1550 ° C. at a temperature rate of 100 ° C./min, sintering was performed for 5 minutes to obtain an SPS sintered body sample.
(3) Sample processing The SPS sintered compact sample obtained by said (2) was obtained like Example 3 (3), and the test piece was obtained.

得られたジルコニア焼結体試料の物性評価結果を表4に示す。   Table 4 shows the physical property evaluation results of the obtained zirconia sintered body sample.

Figure 0003955901
Figure 0003955901

実施例4を実施例3と対比すると、実施例4の破壊強度は、実施例3のそれより飛躍的に向上している(CNTの添加量が1.0wt%の場合)。これは、炭化ケイ素(SiC)の添加により、焼結体の破壊強度が向上することが分かる。   When Example 4 is compared with Example 3, the fracture strength of Example 4 is dramatically improved over that of Example 3 (when the added amount of CNT is 1.0 wt%). This shows that the fracture strength of the sintered body is improved by adding silicon carbide (SiC).

また、実施例4で得られたジルコニア焼結体の破断面の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を図6に示す。これにより、添加した等軸状粒子はCNTにより形成された導電経路を分断、破壊することなく望ましい形で分散していることが分かる。   Moreover, the transmission electron microscope (TEM) photograph of the torn surface of the zirconia sintered compact obtained in Example 4 is shown in FIG. Thus, it can be seen that the added equiaxed particles are dispersed in a desirable form without breaking and breaking the conductive path formed by the CNTs.

(1)混合粉末の作製
実施例1(1)において、MWCNTに代えてSWCNTを用いること以外は、実施例1(1)と同様にして混合粉末を得た。
(2)焼結工程
上記(1)で得られた混合粉末を、実施例3(2)と同様にしてSPS焼結体試料を得た。
(3)試料加工
上記(2)で得られたSPS焼結体試料を、実施例3(3)と同様にして試験片を得た。
(1) Preparation of mixed powder A mixed powder was obtained in the same manner as in Example 1 (1) except that SWCNT was used instead of MWCNT in Example 1 (1).
(2) Sintering step The SPS sintered compact sample was obtained for the mixed powder obtained in the above (1) in the same manner as in Example 3 (2).
(3) Sample processing The SPS sintered compact sample obtained by said (2) was obtained like Example 3 (3), and the test piece was obtained.

得られたジルコニア焼結体試料の物性評価結果を表5に示す。   Table 5 shows the physical property evaluation results of the obtained zirconia sintered body sample.

Figure 0003955901
Figure 0003955901

これにより、多層、単層と構造の違いに関わらずCNTを分散することで任意の導電性を付与出来ることがわかる。   Thus, it can be seen that any conductivity can be imparted by dispersing CNTs regardless of the difference in structure between the multilayer and single layer.

比較例1Comparative Example 1

(1)混合粉末の作製
実施例1(1)において、MWCNTに代えてカーボン粒子を用いること以外は、実施例1(1)と同様にして混合粉末を得た。
(2)焼結工程
上記(1)で得られた混合粉末を、実施例1(2)と同様にして焼結体試料を得た。
(3)試料加工
上記(2)で得られた焼結体試料を、実施例1(3)と同様にして試料を得た。
(1) Preparation of mixed powder A mixed powder was obtained in the same manner as in Example 1 (1) except that carbon particles were used instead of MWCNT in Example 1 (1).
(2) Sintering process The sintered compact sample was obtained for the mixed powder obtained by said (1) like Example 1 (2).
(3) Sample processing A sample of the sintered body sample obtained in the above (2) was obtained in the same manner as in Example 1 (3).

得られたジルコニア焼結体試料の物性評価結果を表6に示す。   Table 6 shows the physical property evaluation results of the obtained zirconia sintered body sample.

Figure 0003955901
Figure 0003955901

導電性材料の添加量が同じ場合における実施例1〜5と比較例1の体積抵抗率を比較すると、比較例1の体積抵抗率が10〜100倍程度大きいことが分かる。また、比較例1では相対密度が大きく低下していることが分かる。   When the volume resistivity of Examples 1-5 and Comparative Example 1 in the case where the addition amount of the conductive material is the same, it can be seen that the volume resistivity of Comparative Example 1 is about 10 to 100 times larger. Further, it can be seen that the relative density is greatly reduced in Comparative Example 1.

また、比較例1で得られたジルコニア焼結体のX線回折の測定結果を図8に示す。これによれば、力学的に弱いZrCや単斜晶ジルコニアが多く生成していることが分かる。   Moreover, the measurement result of the X-ray diffraction of the zirconia sintered compact obtained by the comparative example 1 is shown in FIG. According to this, it can be seen that a large amount of mechanically weak ZrC and monoclinic zirconia are produced.

比較例2Comparative Example 2

特開平2004-189509の実施例1には、フェノール樹脂に由来する炭素を含有するジルコニア焼結体を教示する。本発明との対比のために、この特開平2004-189509の実施例1に記載の表1から、ジルコニア焼結体中の炭素含有量(wt%)と体積抵抗(Ωcm)を抜粋したものを、表7に示す。   Example 1 of JP-A-2004-189509 teaches a zirconia sintered body containing carbon derived from a phenol resin. For comparison with the present invention, an extract of the carbon content (wt%) and the volume resistance (Ωcm) in the zirconia sintered body is extracted from Table 1 described in Example 1 of JP-A-2004-189509. Table 7 shows.

Figure 0003955901
Figure 0003955901

導電性物質の添加量が同等の場合における特開平2004-189509と本発明の実施例における体積抵抗率を対比すると、次の表8のようになる。   Table 8 below shows a comparison of volume resistivity in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-189509 and Examples of the present invention in the case where the addition amount of the conductive material is the same.

Figure 0003955901
Figure 0003955901

この様に、導電性材料の添加量が同等の場合において、特開2004-189509の実施例1の体積抵抗率は、本発明の実施例のそれに対し3〜700倍程度大きいことが分かる。   Thus, it can be seen that the volume resistivity of Example 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-189509 is about 3 to 700 times larger than that of the Example of the present invention when the amount of the conductive material added is the same.

試験例1Test example 1

実施例3(添加量2.0wt%)で得られたジルコニア焼結体を、ワイヤ放電加工機(株式会社 ソディック製、AP200L型)を用いて放電加工した。その放電加工例を図9に示す。図9より良好な放電加工ができることが分かった。   The zirconia sintered body obtained in Example 3 (addition amount 2.0 wt%) was subjected to electric discharge machining using a wire electric discharge machine (manufactured by Sodick Co., Ltd., AP200L type). An example of the electric discharge machining is shown in FIG. It was found that better electrical discharge machining can be performed than in FIG.

放電加工の条件を以下に示す。   The conditions for electrical discharge machining are shown below.

ワイヤ:亜鉛コーティング黄銅ワイヤ、直径0.2mm
加工液:放電加工油
ワイヤ張力:15N
ワイヤ送りスピード:5mm/min
加工時間:60分
Wire: Zinc coated brass wire, 0.2mm diameter
Processing fluid: EDM oil Wire tension: 15N
Wire feed speed: 5mm / min
Processing time: 60 minutes

従来の導電性セラミックの模式図を示す。The schematic diagram of the conventional conductive ceramic is shown. 従来の炭素を含む導電性ジルコニア焼結体の模式図を示す。The schematic diagram of the electroconductive zirconia sintered compact containing the conventional carbon is shown. 本発明のCNTを含む導電性ジルコニア焼結体の模式図を示す。The schematic diagram of the electroconductive zirconia sintered compact containing CNT of this invention is shown. 実施例3で得られた導電性ジルコニア焼結体におけるCNTの含有量と体積抵抗率の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the CNT content and the volume resistivity in the conductive zirconia sintered body obtained in Example 3. 実施例3で得られた導電性ジルコニア焼結体の透過型電子顕微鏡(TEM)写真(a,b)及び走査型電子顕微鏡(SEM)写真(c)である。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph (a, b) and a scanning electron microscope (SEM) photograph (c) of the electroconductive zirconia sintered compact obtained in Example 3. 実施例4で得られたジルコニア焼結体の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。4 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the zirconia sintered body obtained in Example 4. 実施例3で得られた導電性ジルコニア焼結体のCNT含有量毎のX線回折結果を示すグラフである。4 is a graph showing X-ray diffraction results for each CNT content of the conductive zirconia sintered body obtained in Example 3. FIG. 比較例1で得られた導電性ジルコニア焼結体のカーボン粒子含有量毎のX線回折結果を示すグラフである。5 is a graph showing X-ray diffraction results for each carbon particle content of the conductive zirconia sintered body obtained in Comparative Example 1. 実施例3で得られた導電性ジルコニア焼結体の放電加工例を示す図である。6 is a diagram showing an example of electric discharge machining of the conductive zirconia sintered body obtained in Example 3. FIG.

Claims (3)

ZrO2を主成分とし安定化剤を含むジルコニア焼結体であって、安定化剤とZrO2のモル比が1.5/98.5〜3.5/96.5の範囲であり、ZrO2の結晶相が主として正方晶からなり、該ジルコニア焼結体中にカーボンナノチューブを1.35〜3.0重量%含有し、該ジルコニア焼結体の体積抵抗率が1.0×10 −2 〜9.21×10 −2 Ω・cmであるジルコニア焼結体。 A zirconia sintered body containing ZrO 2 as a main component and containing a stabilizer, wherein the molar ratio of the stabilizer to ZrO 2 is in the range of 1.5 / 98.5 to 3.5 / 96.5, 2 crystal phase is mainly composed of tetragonal crystals, carbon nanotubes are contained in the zirconia sintered body in an amount of 1.35 to 3.0% by weight, and the volume resistivity of the zirconia sintered body is 1.0 × 10 −2. The zirconia sintered compact which is -9.21x10 < -2 > ohm * cm. カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、及び金属又は炭素構造体を内包する前記単層又は多層カーボンナノチューブからなる群より選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載のジルコニア焼結体。 2. The zirconia sintered body according to claim 1, wherein the carbon nanotube is at least one selected from the group consisting of a single-walled carbon nanotube, a multi-walled carbon nanotube, and the single-walled or multi-walled carbon nanotube containing a metal or a carbon structure. . 前記ジルコニア焼結体中に、平均粒子径が300nm以下の等軸状粒子を0.05〜15重量%(0.1〜20体積%)含有している請求項1又は2に記載のジルコニア焼結体。 The zirconia sintered body according to claim 1 or 2, wherein the zirconia sintered body contains 0.05 to 15% by weight (0.1 to 20% by volume) of equiaxed particles having an average particle size of 300 nm or less. Union.
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