JP4383740B2 - セラミックス材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックス材料、特に導電性セラミックス材料、並びにその製法および用途に関する。
【0002】
【従来の技術】
導電性セラミックスは一般に構造部材の間の連結要素として使用される。これらのセラミックスは一方においては2つの構造部材の間の電気的接触を保証し、これらの構造部材と連結要素とは継ぎ合わせ工程の結果として密接で物質論理的に適合した(stoffschluessig) 接触を持つ。もう一方においてはかゝるセラミックによって、電流によって構造部材の物理化学的変化を誘発する(活性物質機能)ためかまたは構造部材の物理化学的性質の変化を電気的に測定可能な値に変換する(センサー機能)ために、構造部材中にまたは上に導電路を形成することができる。
【0003】
文献から、低焼結性セラミックスをもたらす沢山の製造方法が公知である。ゾル−ゲル−中間生成物またはナノ段階の粉末を経る合成法も、セラミックスの焼結温度を下げるために非常にしばしば引用されている。しかしかゝる方法は非常に高価な(しばしば有機金属系の)原料および助剤を必要としそして大抵は非常に僅かな量でしか製造できないという欠点がある(例えば、米国特許第4,636,378号明細書参照)。
【0004】
低焼結性のセラミックスを得る別の方法はヨーロッパ特許(B1)第0,280,033号明細書から公知である。この場合には例えば水酸化物または蓚酸塩を経る沈殿反応が行われる。この場合には、錯塩組成の場合に一方においては分離現象を起こす傾向があるか、または塩の様々な溶解性の生成物のために不完全にしか沈殿せずそしてそれ故に生成物の化学量論から逸脱している塩がしばしば生じるという欠点がある。しばしばある別の欠点は、製造方法の経費を高める有機系溶剤または洗浄剤を使用する点である。
【0005】
更に米国特許第3,330,697号明細書からは、鉛およびアルカリ土類金属からニオブ酸塩、ジルコナートおよびチタナートを製造する方法が公知である。この場合には最初にポリヒドロキシアルコールおよびクエン酸よりなる溶液中で、チタン、ジルコニウムおよびニオブを含有する化合物を鉛−またはアルカリ土類金属塩と混合する。この溶液を加熱することによって有機成分を除く。この製造方法は文献にペチニ(Pechini)法として記載されている。しかしながらこの方法は該特許文献に記載されている通り、低焼結性セラミックには適していない。そこで使用されるポリヒドロキシアルコールは、カチオンおよびクエン酸を含む主溶液を加熱によって重合することによって粘性のある樹脂に変換してしまうという欠点を有している。更に大量の有機助剤は、記載された実施例においては広範囲の高温のもとで粘性樹脂を自然燃焼させてしまう。この製法を用いる特別な試験でも、また中間生成物の制御不能の発火を基礎とする他の製法を用いる試験でも、得られるセラミックス粉末の焼結性が著しく制限されることがわかった。それ故に樹脂の燃焼を意味する加熱は低焼結性セラミックスの製造では絶対に避けるべきである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来技術に比較して改善された焼結性および低い焼結温度を有するセラミックス材料を提供することである。更にこのセラミックス材料は良好な電気的性質を有しているべきである。加えて、本発明の課題はかゝるセラミックス材料を製造する方法を提供することでもある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の本発明の方法の場合には、少なくとも2種の異なる金属硝酸塩または−炭酸塩が水溶液中に金属錯塩形成剤と一緒に溶解され、濃縮されそして低温で固体に変換される。
【0008】
上記金属は、第一のグループA’=(Y,Sc,Ce,La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd)の少なくとも1種類の金属および第二のグループB=(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Zr,Nb,Mo,W、Sn,Sb,Pb,Bi)の少なくとも1種類の金属が適する。
【0009】
この場合、金属錯塩形成剤としては上記の金属を錯塩化することができそしてこれら金属を金属イオンとして溶液中にもたらす、水に可溶性のあらゆる錯塩形成剤が適する。これらには特に乳酸、クエン酸、クエン酸エステルが、また酒石酸も属する。更に他のポリカルボン酸、ポリヒドロキシカルボン酸またはポリアミノカルボン酸、例えばEDTA(エチレン−ジアミン−テトラ−酢酸)が適する。
【0010】
金属錯塩形成剤および金属塩よりなる溶液を、金属錯塩形成剤が分解する様に加熱する。これは例えばガス状の一酸化炭素または二酸化炭素(CO、CO2 )またはガス状の窒素酸化物(NOx )の放出によって生じる。加熱によって同時に水溶液から水が蒸発し、その結果最初に溶解されたあるいは錯塩化された金属イオンが固体を形成する。
【0011】
本発明の有利な一つの実施態様において、A”=(Mg,Ca,Sr,Ba)のグループの少なくとも1種類の他の金属を硝酸塩または炭酸塩として水溶液に溶解する。
【0012】
本発明の別の一つの実施態様において、金属化合物は所定の割合で使用される。この場合、金属の化学量論は以下の組成を有するセラミックスのそれに相当する:ABO3 、A2 BO4 またはA2 B2 O7 (ただし、Aは上述のグループA’およびA”の元素でありそしてBは上述のグループBの元素である)。
【0013】
更に、本発明の方法においてグループBの種々の金属をいろいろな比で使用した場合に有利であることがわかった。この場合、以下の組成が特に有利であることがわかった:
【0014】
【表1】
a)〜k)の所に記載した組成は燃料電池において使用するのに特に適している。他方、l)〜p)の所に記載した組成はピエゾセラミックスに使用するのに有利である。
【0015】
水溶液の加熱は特に好ましくは最初に、水の半分が蒸発されるまでゆっくり実施する。次いで温度を更に高め、特に700℃まで高める。この温度では本発明の材料は有利にもペロブスカイト、あるいは主成分としてペロブスカイトを有する多相セラミックスに変換される。
【0016】
請求項8の本発明のセラミックス材料は本発明の方法に従って製造されそして以下の組成を有している:
A’1-x-y A”x B’1-a-b B”a B"'b O3
[式中、A’=(Y,Sc,Ce,La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd)
A”=(Mg,Ca,Sr,Ba)
B’=(Mn,Fe,Co)
B”=(Ti,V,Cr,Ni,Zn,Pb,Sb,W,Zr)
B"'=(Cu,Bi)
x=0〜0.6、y=0〜0.2
a=0〜1、b=0〜0.8である。
【0017】
この材料は電導性であり、慣用のセラミックスに比較して一様に明らかに改善された焼結性を有している。改善された焼結性とは、第一に800℃から1000℃より明らかに下の範囲内にある低い焼結温度範囲を意味する。第二にかゝる材料はかゝる材料のための従来技術により知られているよりも小さい粒度分布を有する。個々の粒子の一般的粒度(80%より多い成分)は0.2〜7μmの範囲内にあり、1から2μmの平均粒子径を有する。この小さい粒度は焼結過程の間にセラミックスの著しく改善された均一性を一様にもたらす。
【0018】
更に使用される金属を適切に選択することによって1×10-6K-1〜16×10-6K-1、特に3.5×10-6K-1〜13×10-6K-1の範囲内でほぼ任意に調整できる。これは実施例組成l)、n)およびp)に該当する。
【0019】
熱膨張係数の調整は、本発明の材料を連結要素として高温型燃料電池の場合にまたはピエゾ−または誘電体と一緒に使用する時に特に有利である。それらの熱膨張係数は20℃〜600℃の間の温度において約3.5〜6.5×10-6K-1の範囲内にある。この様な適切な熱膨張係数を有する層は慣用の連結要素、例えば銀、パラジウムまたは白金よりなるものの場合よりも一様に小さい機械的応力をもたらす。これらは同じ温度範囲内において実質的に大きな膨張係数を有する(Agでは22.5×10-6K-1、Pdでは13.5×10-6K-1およびPtでは9.8×10-6K-1)。更に記載の実施例組成l)、m)およびn)はピエゾ−または誘電体の元素を含有しており、その結果非常に良好な化学的相容性および小さいピエゾ−および誘電特性が一様にセラミックスの改善された長期間安定性を保証する。
【0020】
本発明のセラミックスは例えば、一般にバリウムチタナートまたは鉛−ジルコニウム−チタン酸化物(PbZr1-x Tix O3 、略してPZT)よりなるピエゾ誘電体(活性物質またはセンサー)において使用するのが有利である。これらの両方の種類の物質は、本発明のセラミックスの有利な実施態様と同様に、ペロブスカイトよりなる。
【0021】
材料がペロブスカイトとして存在する場合には、このものは小さいピエゾ電気的性質を有し、その結果、このものから製造された構造部材に機械的負荷をかけた際に各成分の間に小さな応力が生じそしてそれによって構造部材の長い寿命に寄与する。
【0022】
更に本発明の材料は電導性連結要素として、特に金属−金属−、金属−セラミックス−またはセラミックス−セラミックス−接続の場合に使用するのに特に適している。
【0023】
本発明の材料よりなる連結要素は更に、このセラックスで金属製双極板とカソードとの間の固体接続物(feste Fuegung) を製造する高温型燃料電池(SOFC)で使用するのにも適している。この場合、本発明のこのセラミックス材料は電導性接点物質として銀、パラジウムまたは白金の様な貴金属と交換できる。この場合、従来技術の改善が僅かな材料費でもたらされる。
【0024】
PZT−セラミックスと本発明の連結材料との間での適用および接続が容易に実現できることで有利である。慣用のPZT−セラミックスを使用する場合には、このセラミックスは一般に約1200℃で焼結される。従って600〜1000℃での接続工程はただちに実現できる。更に、低焼結性PZT−セラミックスは1000℃以下の焼結温度で本発明の材料と一緒に焼結でき、それによって方法段階、即ち温度処理を省略することが可能である。
【0025】
図面および実施例:
以下において本発明を図面および実施例によって更に詳細に説明する:
図1は900℃で3時間温度処理した後のペロブスカイトのセラミックス粉末(LCC−A)のX線回折図である。
図2はペロブスカイトのセラミックス粉末の粒度分布のグラフである。
図3は900℃までの、5種のペロブスカイトセラミックス試料の焼結曲線である。最も高い収縮速度は約850℃で生じる。
図4は900℃で2時間焼結した後の、分級された接触層(LCC−B)の組織である。
図5は燃料電池接合工程をシュミレーションするために、僅かな圧力負荷下での900℃までのガラスセラミックス(白丸記号)およびセラミック製接触ペーストLCC−B(塗りつぶされた記号)の収縮挙動を図示している。
【0026】
【実施例】
実施例1:
実施例1としてLa0.8 Ca0.2 Cr0.1 Co0.6 Cu0.3 O3 の理論組成を有する100gの粉末充填剤の製造を説明する。原料として以下の化学物質を使用する: La(NO3 )3 ×6H2 O = 152.7g
Ca(NO3 )2 ×4H2 O = 20.8g
Cr(NO3 )3 ×9H2 O = 17.7g
Co(NO3 )2 ×6H2 O = 77.0g
Cu(NO3 )2 ×3H2 O = 32.0g
クエン酸・1水和物 = 170.0g
秤量した各塩を少量の蒸留水(必要とされる量だけ)中に平底を有する石英製容器中で攪拌下に溶解する。塩が完全に溶解した後に二倍のモル量のクエン酸を添加しそして同様に、カチオンを錯塩化するために溶液にする。
【0027】
この混合物を、粘性の物質が生じるまで加熱板上で蒸発処理する。次いでガスバーナーで温度を、固体物質となるまで注意深く更に高める。この場合、この相中で混合物がクエン酸が分解し始めるので著しく収縮する傾向があり得る。この混合物を次いで室炉中で3K/分の加熱速度で700℃で3時間、空気にさらしてか焼する。
【0028】
次いでこうして得られた粉末を、大きな凝集物を粉砕するために遊星粉砕装置(PM)中で粉砕する。この量の粉末に適する粉砕条件としてはZrO2 製磨砕用容器中でφ1cmの磨砕ボールでエタノール中で6000回転/分で2時間を選択する。
【0029】
本発明の材料の更なる特別な実施態様をあり得る有利な用途分野との関係で続いて行う。
【0030】
実施例2:高温型燃料電池での用途
高温型燃料電池は一般に以下の成分で構成されている:
酸化イットリウムで安定化された酸化ジルコニウム(YSZ)よりなる電解質、ランタンマンガナイトよりなるカソードおよびNiとYSZの複合材料よりなるアノード。
【0031】
十分に大きい出力を得るために、個々の電池を互いに直列に接続して電池スタックとする。この目的のためには、電気的に連結された構造部材、いわゆる内部コネクターとして、Fe−Crをベースとする合金が適する。同時に製造公差を調整するために、上記の粉末よりなるセラミックスペーストによって個々の電池を互いに連結する。この目的のために接合プロセスにおいて電池スタックを温度処理に付す。その際にペーストは硬化しそして拡散工程のために後続の隣接の電池構成成分としっかり連結する。この連結要素は燃料電池の運転条件のもとで高い電導性を示し、残りの電池構成成分に適合した熱膨張係数、化学的安定性、およびカソードと類似の化学組成を有しているために隣接の電池構成成分との相容性を有する。
【0032】
接合プロセスの間に、連結要素の良好な焼結性のために、生じる層の収縮は、アノードとカソードとの間の気体空間を密閉するために必要とされる、同時に焼結するガラスセラミックスの収縮に非常に良好に適合させることができる(図5参照)。
【0033】
それ故に本発明の思想の特別な実施態様は、内部コネクターまたはカソードに連結層として適用されそして有利な以下の化学組成を有するセラミックス材料に関する:
A’1-x-y A”x B’1-a-b B”a B"'b O3
[式中、A’=(Y,Sc,Ce,La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd)
A”=(Mg,Ca,Sr,Ba)
B’=(Mn,Fe,Co)
B”=(Ti,V,Cr,Ni,Zn,Pb,Sb,W,Zr)
B"'=(Cu,Bi)
x=0〜0.6、 y=0〜0.2
a=0〜1 および b=0〜0.8である]
以下の組成の従来の化合物が特に有利な組成であることが実証されている:
A’1-x-y A”x Mn1-a-b B”a Cub O3
[式中、A’=(La,Pr,Nd)
A”=(Ca,Sr)
B”=(Cr,Fe,Co)
x=0〜0.4、 y=0〜0.1
a=0〜0.6 および b=0. 1〜0.6である]
連結要素と鋼材との間の境界層に高温が負荷される間に中でもクロマート、例えばCaCrO4 が生じるので、A”の割合をできるだけ少なく、特にx=0に選択する。しかしながらこの選択はA”の割合の減少と共に同様に低下する必要な導電性に実質的に依存する。
【0034】
実施例3:ピエゾセラミックスの場合の、例えばセンサーおよび活性物質のための接点としての用途
PZT−セラミックスのために、高温型燃料電池で用いるためよりも小さい熱膨張係数が実現される。この目的のためにYおよびCrをその割合を増やして使用する。多過ぎるイットリウム割合は導電性を極度に低下させる。
【0035】
しかしながらこの効果はA”の割合を増やすことによって相殺することができる。
【0036】
組成の変動幅は次の様に総括できる:
A’1-x-y-z Yz A”x Mn1-a-b M”a Cub O3
[式中、A’=(La,Pr,Nd)
A”=(Ca,Sr,Ba)
x=0〜0.8、y=0〜0.05、Z=0.1〜0.8
およびM”=Crでa=0〜0.4、b=0.1〜0.6の場合、
M”=Feでa=0〜1、b=0.1〜0.6の場合、
M”=Coでa=0〜0.3、b=0.1〜0.6の場合
並びに上記の範囲内のCr、Fe,Coカチオンを有する混合物。
【0037】
更に0.2までの割合でB”=(Pb,Zr,Ti)を添加するのが有利である(これについては、実施例組成物l)〜n)参照)。この規模での添加は化学的拡散傾向を低下させそして連結要素とPZT−セラミックスとの間の化学的相互作用を低減させる。これらの材料は公知の方法に従って分級技術によって活性物質またはセンサー中にまたは上で導電路に加工することを可能とし、その際に接続工程はセラミックス成型体の製造後または該製造と同時に行うことができる。
【0038】
図面の説明:
図1は900℃で3時間熱処理した後の実施例1に記載の粉末(LCC−A)のX線回折図を示している。生じる回折モデルはペロブスカイト構造に配位しており、他の結晶質相の追加的X線反射が認めることができない。高い銅濃度の場合には、同様に高い導電性を有しそして用途の邪魔にはならない銅酸錯塩が生じる。
【0039】
図2は種々の組成の粉末の粒度分布を示している。製造後に、遊星粉砕装置(PM)で2時間の短期粉砕期間の後に粉砕されている約20μmまでの直径を有する凝集粒子が存在する。その時にこれらの粉末は1〜2μmの平均粒度(d50)の非常に均一な粒度分布をそれぞれ有する。遊星粉砕装置で更に粉砕した場合には、約0.8μmの僅かだけ小さい値の平均粒度が達成される。全体として粒子の80%以上が一様に0.2〜7μmの粒度を有する。
【0040】
図3は、圧縮された試験体について測定したペロブスカイトセラミック試料の5つの焼結曲線を例示的に示している。600〜700℃での初めの収縮はか焼された粉末中の、クエン酸塩が分解した際に生じ得る炭酸塩残留物の分解に起因している。高温では800〜900℃での本来の収縮が開始する。既に900℃で20〜30%の長手方向の収縮がある。
【0041】
(LCC−B)としての上記の接点材料のセラミックスペーストよりなりそして900℃で2時間焼結した焼結試料の形態を図4に示す。個々のセラミックス粒子はこの温度で既に互い非常に良好に焼結しており、高い導電性を有する安定な透過性の網状構造を形成する。セラミックスの一次粒子は0.5〜1μmの平均径を有している。
【0042】
図5はプレス成形された試験体の収縮挙動の測定値を示している。図4に示した長手方向の変化は材料の潜在性および傾向から見たそれの焼結挙動を示しているが、例えば高温型燃料電池の接続工程の間の収縮は現実に近い条件のもとでのみ試験してもよい。この目的のために、かゝる燃料電池を実施例1の接点材料LCC−Aよりなるペーストで被覆し、ガラス−ハンダで密封しそして上側および下側の内部コネクター板の間に電池スタックのシュミレーションのために光学的観察装置を備えた炉中に入れる。接合の間に構成要素連結体の上に僅かな負荷を掛けそして接点相の厚さおよびガラス−ハンダの厚さの変化を測定する。図5の曲線経過から、実際に使用した場合に接点層が約40%程収縮することがわかる。更にセラミックスの収縮は使用したガラス−ハンダの焼結挙動に良好に適合している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は900℃で3時間温度処理した後のペロブスカイトのセラミックス粉末(LCC−A)のX線回折図である。
【図2】 図2はペロブスカイトのセラミックス粉末の粒度分布のグラフである。
【図3】 図3は900℃までの、5種のペロブスカイトセラミックス試料の焼結曲線である。最も高い収縮速度は約850℃で生じる。
【図4】 図4は900℃で2時間焼結した後の、分級された接触層(LCC−B)の組織である。
【図5】 図5は燃料電池接合工程をシュミレーションするために、僅かな圧力負荷下での900℃までのガラスセラミックス(白丸記号)およびセラミック製接触ペーストLCC−B(塗りつぶされた記号)の収縮挙動を図示している。
Claims (13)
- 1000℃以下の焼結温度および下記の化学量論的組成を持つペロブスカイト構造を持つセラミックス材料:
A’1-x-y A”x B’1-a-b B”a B"'b O3
[式中、A’は(Y,La,Pr,Nd)のグループの少なくとも1種類の元素であり、 A”は(Mg,Ca,Sr,Ba)のグループの少なくとも1種類の元素であり、
B’はCo又はCoと(Mn,Fe)のグループの少なくとも1種類の元素との混合物であり、
B”は(Ti,V,Cr,Ni,Zn,Pb,Sb,W,Zr)のグループの少なくとも1種類の元素であり、
B"'は(Cu,Bi)のグループの少なくとも1種類の元素であり、
そして、0≦x≦0.4、0≦y≦0.1、0≦a≦0.4、0.15<b≦0.6、(1−a−b)≧0.3でありそしてCoは少なくとも0.3である]。 - A’−位の元素としてLaを有する、請求項1に記載のセラミックス材料。
- B"'位の元素としてCuを有する、請求項1または2に記載のセラミックス材料。
- A’−位の元素として少なくともYを有する、請求項1〜3のいずれか一つに記載のセラミックス材料。
- 900℃の温度まで加熱した際に少なくとも10%より多い収縮を示す、請求項1〜4のいずれか一つに記載のセラミックス材料。
- 燃料電池の連結要素として請求項1〜6のいずれか一つに記載の材料を用いる方法。
- ピエゾセラミックのための接点要素として請求項1〜6のいずれか一つに記載の材料を用いる方法。
- 請求項1〜6のいずれか一つに記載のセラミックス材料を製造する方法において、
a)金属錯塩形成剤を含む水溶液中に
− グループA’=(Y,La,Pr,Nd)の硝酸塩および/または炭酸塩としての少なくとも1種類の化合物および
− グループB=(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Bi,Pb,Sb,W,Zr)の硝酸塩および/または炭酸塩としての少なくとも1種類の第二の化合物を溶解し、そのときにCo及びCuを含有する化合物及び/又はCo及びBiを含有する化合物を必須成分とし;
b)この水溶液を加熱し、その際に金属錯塩形成剤が分解しそしてセラミックス材料が生じる
各段階を含む、上記方法。 - グループA”=(Mg,Ca,Sr,Ba)の硝酸塩および/または炭酸塩としての少なくとも1種類の第三化合物を上記水溶液に溶解する、請求項9に記載の方法。
- 金属錯塩形成剤としてポリカルボン酸を使用する、請求項9または10に記載の方法。
- クエン酸を金属錯塩形成剤として使用する、請求項9〜10のいずれか一つに記載の方法。
- 700℃まで加熱する、請求項9〜12のいずれか一つに記載の方法。
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