JP4542792B2 - Oxidation resistant materials and non-oxide based composite materials - Google Patents

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

本発明は、耐酸化材料及び耐酸化性に優れる非酸化物系複合材料に関する。   The present invention relates to an oxidation resistant material and a non-oxide composite material having excellent oxidation resistance.

炭素や炭化ケイ素などの炭素系材料は耐熱性に優れるため、耐熱性部材の基材として用いられてきている。一方、炭素系材料は酸化されやすいため酸化を防止する必要がある。このため、酸化物層を炭素系材料の表面に付与して、酸素や水蒸気などの腐食種が炭素系材料の内方向へ拡散するのを防止することが行われている。このような酸化防止技術としては、例えば、炭素材料の表面にケイ素層を介して、炭化ケイ素層を形成し、その上に二酸化ケイ素とムライトとを被覆したものがある(非特許文献1)。また、炭素材料の表面に炭化ケイ素、YSi、YSiOの順に被覆したものなどがある(非特許文献2)。これらはいずれも多層被覆構造を採るが、酸化物層が緻密でないために十分な耐酸化性を得ることができなかった。 Since carbon-based materials such as carbon and silicon carbide have excellent heat resistance, they have been used as a base material for heat-resistant members. On the other hand, since a carbonaceous material is easily oxidized, it is necessary to prevent oxidation. For this reason, an oxide layer is imparted to the surface of the carbon-based material to prevent corrosion species such as oxygen and water vapor from diffusing inward in the carbon-based material. As such an antioxidant technique, for example, there is a technique in which a silicon carbide layer is formed on the surface of a carbon material via a silicon layer, and silicon dioxide and mullite are coated thereon (Non-patent Document 1). Further, there is a carbon material whose surface is coated with silicon carbide, YSi x , Y 2 SiO 5 in this order (Non-patent Document 2). All of these have a multilayer coating structure, but the oxide layer is not dense, so that sufficient oxidation resistance cannot be obtained.

緻密な酸化層を得るためには、ガラスを溶融させて被覆するのが有効であるが、炭素系材料は溶融ガラスに対する濡れ性に劣る。このため、炭素系材料の表面にSiやSiC層を予め形成させて濡れ性を向上させた後、ガラスを溶融して被覆する方法がある。また、炭素系材料の表面にSiCやMoSi等のセラミックスフィラーを含むガラスを溶融して被覆する方法もある(特許文献1)。しかし、次世代ガスタービンに予定される使用環境である1500℃超の温度下では、ガラスが再溶融し、結果として、ガラス融液中を腐食種が高速拡散するために十分な耐酸化性を得ることができなかった。さらに、耐酸化性を付与するのに用いられるSi系化合物は、水蒸気酸化によって生成したガスの平衡蒸気圧が高く、揮発により被覆層が減容してしまう。   In order to obtain a dense oxide layer, it is effective to melt and coat the glass, but the carbon-based material is inferior in wettability to the molten glass. For this reason, there is a method in which a Si or SiC layer is formed in advance on the surface of a carbon-based material to improve wettability, and then glass is melted and coated. There is also a method in which the surface of a carbon-based material is melted and coated with glass containing a ceramic filler such as SiC or MoSi (Patent Document 1). However, at temperatures exceeding 1500 ° C, which will be used in next-generation gas turbines, the glass remelts, resulting in sufficient oxidation resistance for the corrosive species to diffuse at high speed in the glass melt. Couldn't get. Furthermore, the Si-based compound used for imparting oxidation resistance has a high equilibrium vapor pressure of the gas generated by steam oxidation, and the volume of the coating layer is reduced by volatilization.

一方、ケイ素化合物以外の被覆層も検討されている。例えば、ケイ素系材料の表面に、Taを被覆する方法が開示されている(特許文献2)。この方法では、Taが低温型(β)から高温型(α)に相変態する際に著しく体積収縮するため、この相変態を抑制するべく、Alなどの酸化物を添加して、高温でも低温型を存在させて耐熱性を確保している。しかしながら、この方法ではTaの低温型を利用するにとどまっている。 On the other hand, coating layers other than silicon compounds have been studied. For example, a method of coating Ta 2 O 5 on the surface of a silicon-based material is disclosed (Patent Document 2). In this method, since Ta 2 O 5 undergoes volumetric shrinkage when the phase transformation from the low temperature type (β) to the high temperature type (α), an oxide such as Al is added to suppress this phase transformation, Even at high temperatures, low temperature molds are present to ensure heat resistance. However, this method only uses the low temperature type of Ta 2 O 5 .

特開平10−167860号公報JP-A-10-167860 米国特許出願公開第2002/0136835US Patent Application Publication No. 2002/0136835 フリッツ他8名、「ジャーナルオブヨーロピアンセラミックソサエティ」(Journal of European Ceramic Society)(英国), 1998, p.2351-2364Fritz et al., “Journal of European Ceramic Society” (UK), 1998, p.2351-2364 近藤雅之他3名、日本金属学会誌, 1999, 63, p.851-858Masayuki Kondo and three others, Journal of the Japan Institute of Metals, 1999, 63, p.851-858

以上説明したように、1100℃以上の高温環境で炭素系材料に良好な耐食性を付与する技術は存在していなかった。
そこで、本発明は、耐酸化性に優れる耐酸化材料を提供することを一つの目的とする。また、本発明は、優れた耐酸化性を備える非酸化物系複合材料を提供することを、他の一つの目的とする。
As described above, there has been no technique for imparting good corrosion resistance to a carbon-based material in a high temperature environment of 1100 ° C. or higher.
Therefore, an object of the present invention is to provide an oxidation resistant material having excellent oxidation resistance. Another object of the present invention is to provide a non-oxide composite material having excellent oxidation resistance.

本発明者らは、酸化物系プロトン導電性材料の正孔による伝導性(正孔伝導性)及びプロトン伝導性を利用することで耐酸化性を発現できることを見出し、酸化物系プロトン導電性材料を備える耐酸化層を炭素系材料等の非酸化物系材料の表面あるいは当該材料の表面を被覆する酸化物系材料層の表面に付与することで、非酸化物系材料に良好な耐酸化性を付与できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明によれば、以下の手段が提供される。
The present inventors have found that oxidation resistance can be expressed by utilizing the conductivity (hole conductivity) and proton conductivity of the oxide-based proton conductive material, and the oxide-based proton conductive material. Good oxidation resistance for non-oxide materials by applying an oxidation-resistant layer comprising non-oxide materials such as carbon-based materials to the surface of an oxide-based material layer covering the surface of the material. The present invention has been completed.
That is, according to the present invention, the following means are provided.

本発明の耐酸化材料は、
酸化物系プロトン導電性材料相を備える焼結体であることにより特定される。この酸化物プロトン導電性材料は、La1−XMe(PO)(ただし、Meは、2価の金属原子であり、0<X≦0.1である。)であることが好ましく、当該2価の金属原子は、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される1種あるいは2種以上とすることができる。これらの金属酸化物は、耐熱性及び化学的安定性に優れるLaPO4を主体とし、かつプロトン導電性を有するため、耐酸化材料、特に高温高湿環境下での耐酸化用途に適している。
The oxidation resistant material of the present invention is
It is specified by being a sintered body having an oxide-based proton conductive material phase. The oxide proton conductive material is preferably La 1-X Me X (PO 4 ) (where Me is a divalent metal atom, and 0 <X ≦ 0.1). The divalent metal atom may be one or more selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr and Ba. These metal oxides are mainly composed of LaPO 4 which is excellent in heat resistance and chemical stability and have proton conductivity. Therefore, these metal oxides are suitable for oxidation resistant materials, particularly for oxidation resistance in a high temperature and high humidity environment.

また、焼結体は、酸化物系プロトン導電性材料相と酸化物系非プロトン導電性材料相とを備えることが好ましい形態である。すわなち、酸化物系プロトン導電性材料相と酸化物系非プロトン導電性材料相とが複合化された構造をとることができる。このような複合化された焼結体形態においては、酸化物系非プロトン導電性材料相はプロトンを保持せず拡散もしないので、プロトンブロック層として機能する。焼結体の複合形態は、酸化物系プロトン導電性材料相と酸化物系非プロトン導電性材料相との積層組織を備える形態や酸化物系プロトン導電性材料相と酸化物系非プロトン導電性材料との分散組織を備える形態を採ることができる。さらに、これらの2種の複合形態を組み合わせて用いることもできる。   The sintered body preferably includes an oxide-based proton conductive material phase and an oxide-based aprotic conductive material phase. That is, a structure in which an oxide-based proton conductive material phase and an oxide-based aprotic conductive material phase are combined can be employed. In such a composite sintered body, the oxide-based aprotic conductive material phase functions as a proton blocking layer because it does not retain protons and does not diffuse. The composite form of the sintered body is a form having a laminated structure of an oxide-based proton conductive material phase and an oxide-based aprotic conductive material phase or an oxide-based proton conductive material phase and an oxide-based aprotic conductivity. It can take the form of having a dispersed structure with the material. Further, these two composite forms can be used in combination.

これらの耐酸化材料における酸化物系非プロトン導電性材料は、Ta、Al、Y、ZrO、SiO、TiO、AlSi13(ムライト)、YSiO、LaPO、LaAlO、及びScTaOからなる群から選択される1種あるいは2種以上とすることができ、好ましくは、Ta、Al、Y、YSiO又はScTaOである。 The oxide-based aprotic conductive materials in these oxidation resistant materials are Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2 , TiO 2 , Al 6 Si 2 O 13 (mullite), One or two or more selected from the group consisting of Y 2 SiO 5 , LaPO 4 , LaAlO 3 , and ScTaO 4 can be used, preferably Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3. Y 2 SiO 5 or ScTaO 4 .

このような耐酸化材料は、高温および/または高湿環境下においても良好な耐酸化性を発揮するが、特に1100℃以上の高温および/または高湿環境下において良好な耐酸化性を発揮することができる。   Such an oxidation resistant material exhibits good oxidation resistance even under a high temperature and / or high humidity environment, but particularly exhibits good oxidation resistance under a high temperature and / or high humidity environment of 1100 ° C. or higher. be able to.

本発明の複合材料は、
非酸化物系基材と、
該基材の表層側に位置される前記耐酸化材料からなる耐酸化層と、
を備えることにより特定される。
The composite material of the present invention is
A non-oxide base material;
An oxidation resistant layer made of the oxidation resistant material located on the surface side of the substrate;
Is specified.

また、本発明の複合材料は、
非酸化物系基材と、
該基材の表層側に位置される耐酸化層と、
を備え、
該耐酸化層は、
酸化物系プロトン導電性材料相を備える第1の耐酸化層と、前記酸化物系プロトン導電性材料相と酸化物系非プロトン導電性材料相とを備える第2の耐酸化層と、前記酸化物系非プロトン導電性材料相を備える第3の耐酸化層とを含有することもできる。
The composite material of the present invention is
A non-oxide base material;
An oxidation resistant layer located on the surface side of the substrate;
With
The oxidation resistant layer is
A first oxidation-resistant layer comprising an oxide-based proton conductive material phase; a second oxidation-resistant layer comprising the oxide-based proton conductive material phase and an oxide-based aprotic conductive material phase; and the oxidation A third oxidation-resistant layer having a physical aprotic conductive material phase can also be contained.

この複合材料においては、前記第2の耐酸化層は、前記酸化物系プロトン導電性材料相と前記酸化物系非プロトン導電性材料相との傾斜組成を有することができる。傾斜組成は、連続的であっても非連続的であってもよい。非連続とする場合には、酸化物系プロトン導電性材料と酸化物系非プロトン導電性材料との配合比が異なる層を積層することで構成することができる。酸化物系プロトン導電性材料は、La1−XMe(PO)(ただし、Meは、2価の金属原子であり、0<X≦0.1である。)とすることができ、さらに、2価の金属原子は、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される1種あるいは2種以上とすることができる。さらに、前記非酸化物系基材は、炭素系材料及び金属のいずれかあるいは双方からなるものとすることができる。さらにまた、このような複合材料は、1100℃以上の高温環境下で使用される構造部材とすることができる。 In this composite material, the second oxidation-resistant layer may have a gradient composition of the oxide-based proton conductive material phase and the oxide-based aprotic conductive material phase. The graded composition may be continuous or discontinuous. In the case of discontinuous, it can be constituted by laminating layers having different blending ratios of the oxide-based proton conductive material and the oxide-based aprotic conductive material. The oxide-based proton conductive material can be La 1-X Me X (PO 4 ) (where Me is a divalent metal atom, and 0 <X ≦ 0.1). Further, the divalent metal atom may be one or more selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr and Ba. Furthermore, the non-oxide base material may be made of either or both of a carbon-based material and a metal. Furthermore, such a composite material can be a structural member used in a high temperature environment of 1100 ° C. or higher.

以下、本発明を実施する形態について詳細に説明する。
本発明の耐酸化材料及び非酸化物系複合材料は、いずれも、酸化物系プロトン導電性材料(以下、単にプロトン導電性材料という。)相を備える点で特徴付けることができる。プロトン導電性材料相を備えることにより良好な耐酸化性を発揮し、非酸化物系基材に良好な耐酸化性を付与することができる。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail.
The oxidation-resistant material and the non-oxide composite material of the present invention can be characterized in that they each include an oxide-based proton conductive material (hereinafter simply referred to as proton conductive material) phase. By providing the proton conductive material phase, good oxidation resistance can be exhibited, and good oxidation resistance can be imparted to the non-oxide base material.

本発明を拘束するものではないが、プロトン導電性材料相の存在による耐酸化効果は、
(1)腐食種である酸素分子、水(水蒸気を含む。以下、同じ。)分子のアニオン化(酸素イオン及び水酸基イオンの生成)を抑制してアニオン化吸着を抑制すること、
(2)既に生成している酸素イオンの非酸化物系基材方向への拡散を抑制すること、及び
(3)水分子などの水素供給源と接触する界面においてプロトンを生成させ、当該プロトンを内方拡散させてプロトン濃度を増大させることにより一層酸化を抑制すること、
のいずれかあるいは2種以上の組み合わせが寄与しているものと考えられる。
Although not binding the present invention, the oxidation resistance effect due to the presence of the proton conductive material phase is:
(1) Oxygen molecules that are corrosive species, water (including water vapor, hereinafter the same), anionization (generation of oxygen ions and hydroxyl ions) of the molecules is suppressed to suppress anionization adsorption,
(2) suppressing diffusion of oxygen ions that have already been generated in the direction of the non-oxide base material; and (3) generating protons at the interface in contact with a hydrogen supply source such as water molecules, Further suppressing oxidation by inward diffusion and increasing proton concentration,
It is thought that any one of these or the combination of 2 or more types contributes.

本発明の耐酸化材料は、酸化物系プロトン導電性材料相を備えることで、良好な耐酸化性を発揮し、当該耐酸化材料を表層側に有する非酸化物系複合材料は、良好な耐酸化性を発揮することができる。以下、耐酸化材料について説明し、ついで、当該耐酸化材料を表層側に備える非酸化物系複合材料について説明する。   The oxidation-resistant material of the present invention exhibits an excellent oxidation resistance by including an oxide-based proton conductive material phase, and the non-oxide-based composite material having the oxidation-resistant material on the surface layer side has a good acid resistance. It is possible to demonstrate the chemical properties. Hereinafter, an oxidation resistant material will be described, and then a non-oxide composite material including the oxidation resistant material on the surface layer side will be described.

(耐酸化材料)
(プロトン導電性材料相)
本発明の耐酸化材料はプロトン導電性材料相を備えている。プロトン導電性材料としては、本材料の使用環境下においてプロトン伝導性を示す酸化物系材料であれば足りる。酸化物系材料としては、金属酸化物、金属複酸化物、各種酸素イオン含有の金属塩などを挙げることができる。プロトン導電性材料は、本耐酸化材料の使用環境が、1100℃以上である場合には、少なくとも1100℃において所定温度域においてプロトン伝導性を示すことが好ましい。なお、使用環境下においてプロトン伝導性を示す酸化物であれば足り、非使用環境下あるいは常温でプロトン伝導性を示す酸化物材料を排除するものではない。使用環境温度は、1300℃以上とすることができ、好ましくは1500℃以上である。
(Oxidation resistant material)
(Proton conductive material phase)
The oxidation resistant material of the present invention comprises a proton conductive material phase. As the proton conductive material, any oxide-based material exhibiting proton conductivity under the usage environment of the material is sufficient. Examples of the oxide materials include metal oxides, metal double oxides, and metal salts containing various oxygen ions. When the use environment of the oxidation resistant material is 1100 ° C. or higher, the proton conductive material preferably exhibits proton conductivity in a predetermined temperature range at least at 1100 ° C. Note that an oxide exhibiting proton conductivity in a use environment is sufficient, and an oxide material exhibiting proton conductivity in a non-use environment or at room temperature is not excluded. The operating environment temperature can be 1300 ° C. or higher, preferably 1500 ° C. or higher.

プロトン伝導性とは、結晶内部に酸素空孔を備えていること等によって、正孔(ホール)を結晶内部に形成可能であることに基づいている。正孔形成能がある場合としては、例えば、酸化物系材料が酸素欠損を有しており、酸素と接触し酸素との平衡反応によって正孔が生成されるような場合がある。酸化物系材料における酸素欠損は、例えば、金属酸化物中の一部の金属原子を当該金属原子よりも価数の少ない他の金属原子で置換することによって生成される。酸素空孔を備える酸化物系材料は、周囲の環境に応じて以下のメカニズムによって、正孔による伝導性(正孔伝導性)と、プロトン伝導性とを示す。   Proton conductivity is based on the fact that holes can be formed inside the crystal by having oxygen vacancies inside the crystal. As a case where there is a hole forming ability, for example, the oxide material has oxygen deficiency, and there is a case where holes are generated by contact with oxygen and an equilibrium reaction with oxygen. The oxygen vacancies in the oxide-based material are generated, for example, by substituting some metal atoms in the metal oxide with other metal atoms having a lower valence than the metal atom. An oxide-based material having oxygen vacancies exhibits hole conductivity (hole conductivity) and proton conductivity by the following mechanism according to the surrounding environment.

まず、酸素を含む乾燥雰囲気下においては、次式により、酸素とプロトン導電性材料との平衡反応により結晶格子内に正孔が形成される。
(乾燥雰囲気)Vo・・+1/2O ⇔ Oo+2h
(ただし、Vo・・は、材料中の酸素欠損(有効電荷+2の酸素空孔)であり、Ooは、材料内の正規格子位置の酸素イオン(は有効電荷0)であり、hは正孔(有効電荷+1)である。)
酸素欠損の形態については、例えば、酸化物がリン酸塩の場合には、オルトリン酸イオン(PO 3−)が酸素を共有することよって生じる、ピロリン酸イオン(P 2−)やメタリン酸イオン(PO3 )が酸素欠損として存在していると考えられる。このように、酸素欠損等により酸素空孔が形成されると、系外の酸素との接触により結晶内に正孔が生成されることになる。一旦生成した正孔は、より正孔の少ない領域へ、例えば、より内方へと拡散していく。
First, in a dry atmosphere containing oxygen, holes are formed in the crystal lattice by an equilibrium reaction between oxygen and the proton conductive material according to the following formula.
(Dry atmosphere) Vo ·· + 1 / 2O 2 ⇔Oo x + 2h ·
(Where Vo ·· is an oxygen deficiency (effective charge +2 oxygen vacancies) in the material, Oo x is an oxygen ion at a normal lattice position in the material ( x is an effective charge 0), h · Is a hole (effective charge + 1).)
As for the form of oxygen deficiency, for example, when the oxide is a phosphate, pyrophosphate ions (P 2 O 7 2− ), which are generated by orthophosphoric acid ions (PO 4 3− ) sharing oxygen, Metaphosphate ions (PO 3 ) are considered to exist as oxygen vacancies. Thus, when oxygen vacancies are formed due to oxygen deficiency or the like, holes are generated in the crystal by contact with oxygen outside the system. The holes once generated are diffused into a region having fewer holes, for example, inward.

一方、湿潤雰囲気下においては、次式によって、プロトンが材料内に取り込まれることなる。
(湿潤雰囲気)
O+2h⇔2H +1/2O
Vo・・+HO⇔Oo+2H
(ただし、H :格子間プロトンである。)
材料中の正孔は、水蒸気との平衡反応により消費され、同時に、プロトンを材料内部に取り込む。また、酸素空孔も水蒸気との平衡反応により、酸素を材料内の正規格子位置に取り込むとともに、格子間にプロトンも取り込む。こうして、プロトンが外部環境から取り込まれると、プロトンはより濃度の低い内方へと拡散していく。
On the other hand, in a humid atmosphere, protons are taken into the material according to the following formula.
(Humid atmosphere)
H 2 O + 2h · ⇔2H i · + 1 / 2O 2
Vo ·· + H 2 O⇔Oo x + 2H i ·
(However, H i ·: a interstitial protons.)
Holes in the material are consumed by an equilibrium reaction with water vapor, and at the same time, protons are taken into the material. The oxygen vacancies also take in oxygen into the normal lattice positions in the material and take in protons between the lattices by an equilibrium reaction with water vapor. Thus, when protons are taken from the external environment, the protons diffuse inward at a lower concentration.

プロトン導電性材料においては、耐酸化性が求められる環境下、すわなち、酸素分圧あるいは水蒸気分圧の高い環境下においては、正孔伝導性とプロトン伝導性とが主体となるため、結果として、酸素イオンや水酸基イオンなどのアニオン種の吸着および酸素イオンの内方向拡散が抑制される。また、プロトンの拡散により結果として材料中の酸素分圧を低くして耐酸化性を付与することができる。また、酸素イオンが材料内を拡散する際に、生成した正孔によりトラップされることで耐酸化性を付与することができる。   In the proton conductive material, in the environment where oxidation resistance is required, that is, in the environment where oxygen partial pressure or water vapor partial pressure is high, hole conductivity and proton conductivity are the main components. As described above, adsorption of anion species such as oxygen ions and hydroxyl ions and inward diffusion of oxygen ions are suppressed. In addition, the diffusion of protons can result in lowering the oxygen partial pressure in the material and impart oxidation resistance. In addition, when oxygen ions diffuse in the material, they are trapped by the generated holes, thereby providing oxidation resistance.

酸化物系プロトン導電性材料は、公知のそれを1種あるいは2種以上を組み合わせて用いることができるが、SrCeO系、CaZrO系、及びLa1−XMe(PO)(ただし、Meは、2価の金属原子であり、0<X≦0.1である。)を挙げることができる。なかでも、La1−XMe(PO)を用いることが好ましく、この場合、Meは、Mg、Ca、Sr及びBaを用いることができる。Meは好ましくは、Sr及びBaである。Meとしては、これらのいずれかあるいは2種類以上を組み合わせて用いることができる。より好ましくは、Sr及びBaである。 As the oxide-based proton conductive material, known materials can be used alone or in combination of two or more, but SrCeO 3 system, CaZrO 3 system, and La 1-X Me X (PO 4 ) (however, Me is a divalent metal atom, and 0 <X ≦ 0.1. Among these, it is preferable to use La 1-X Me X (PO 4 ), and in this case, Mg can be Mg, Ca, Sr, and Ba. Me is preferably Sr and Ba. As Me, any one of these or a combination of two or more types can be used. More preferred are Sr and Ba.

La1−XMe(PO)において、xは上記範囲内において特に限定されないが、固溶範囲内であればよい。例えば、Srにおいては、約0.07以下の範囲とすることができ、好ましくは約0.05であり、Baにおいては約0.01以下の範囲とすることができ、好ましくは約0.01である。 In La 1-X Me X (PO 4 ), x is not particularly limited within the above range, but may be in the solid solution range. For example, Sr can be in the range of about 0.07 or less, preferably about 0.05, and Ba can be in the range of about 0.01 or less, preferably about 0.01. It is.

(耐酸化材料の構造)
耐酸化材料は、プロトン導電性材料相のみから構成されていてもよいし、他の材料と複合化されていてもよい。プロトン導電性材料相のみから形成する場合であっても、2種類以上のプロトン導電性材料相を複合化することができる。複合化は、2種類以上のプロトン導電性材料を分散させた分散組織とする他、2種類以上のプロトン導電性材料層を積層する積層組織とすることができる。
(Structure of oxidation resistant material)
The oxidation resistant material may be composed of only the proton conductive material phase or may be combined with other materials. Even in the case of forming only from the proton conductive material phase, two or more types of proton conductive material phases can be combined. Compounding can be a dispersed structure in which two or more types of proton conductive materials are dispersed, or a laminated structure in which two or more types of proton conductive material layers are laminated.

耐酸化材料は、プロトン導電性材料相と他の材料とを複合化する形態としては、両相の分散組織とする形態の他、プロトン導電性材料相及び他の材料相をいずれも層状とした積層組織等とすることができる。分散組織とする場合、プロトン導電性材料相をマトリックスとして他の材料相を分散相とすることもできるし、他の材料相をマトリックスとしてプロトン導電性材料相を分散相とすることもできる。これらの積層組織及び分散組織は、傾斜組成となっていてもよい。なお、プロトン導電性材料相を分散相として備える場合、プロトン導電性材料相はマトリックス中で非連続の分散相を形成することもできるし、プロトン導電性材料粒子をパーコレーション構造やその他の形態により連続相を形成させることもできる。なお、積層組織とする場合、プロトン導電性材料相と他の材料相とを交互に積層することもできるし、2以上の異種あるいは同種のプロトン導電性材料相を連続して積層した上、他の材料相を積層することもできる。   The oxidation-resistant material is composed of a proton conductive material phase and another material in combination with a dispersed structure of both phases, and the proton conductive material phase and other material phases are both layered. It can be a laminated structure or the like. In the case of a dispersed structure, the proton conductive material phase can be used as a matrix and another material phase can be used as a dispersed phase, or the other material phase can be used as a matrix and the proton conductive material phase can be used as a dispersed phase. These laminated structure and dispersed structure may have a gradient composition. When the proton conductive material phase is provided as a dispersed phase, the proton conductive material phase can form a discontinuous dispersed phase in the matrix, or the proton conductive material particles can be continuously formed by a percolation structure or other forms. A phase can also be formed. In the case of a laminated structure, the proton conductive material phase and other material phases can be alternately laminated, or two or more different or similar proton conductive material phases can be laminated in succession. These material phases can also be laminated.

耐酸化材料の各種の形態を図1に例示する。図1(a)の耐酸化材料2aは、プロトン導電性材料相4単相の材料形態であり、図1(b)及び(c)の耐酸化材料2b、2cは、他の材料相6との積層組織を有する材料形態であり、図1(d)及び(e)の耐酸化材料2d、2eは、プロトン導電性材料相4と他の材料相6との分散組織を有する材料形態である。図1(d)の耐酸化材料2dは、プロトン導電性材料相4がマトリックスを構成し、他の材料相6が分散相を構成する分散組織の材料形態であり、図1(e)の耐酸化材料2eは、他の材料相6がマトリックスを構成し、プロトン導電性材料相4が分散相を構成する分散組織の材料形態である。本耐酸化材料は、これらの各種の材料形態のうち2種以上を積層などにより組み合わせた形態を採用することができる。さらに、他の材料を積層等により組み合わせることができる。   Various forms of the oxidation resistant material are illustrated in FIG. The oxidation-resistant material 2a in FIG. 1 (a) is a single-phase material form of the proton conductive material phase 4. The oxidation-resistant materials 2b and 2c in FIGS. The oxidation resistant materials 2d and 2e shown in FIGS. 1D and 1E are material forms having a dispersed structure of the proton conductive material phase 4 and the other material phase 6. . The oxidation resistant material 2d in FIG. 1 (d) is a material form of a dispersed structure in which the proton conductive material phase 4 constitutes a matrix and the other material phase 6 constitutes a dispersed phase. The chemical material 2e is a material form of a dispersed structure in which the other material phase 6 constitutes a matrix and the proton conductive material phase 4 constitutes a dispersed phase. The oxidation-resistant material can adopt a form in which two or more of these various material forms are combined by lamination or the like. Furthermore, other materials can be combined by lamination or the like.

これらのいずれの場合においても、プロトン導電性材料相4を備えることにより、周囲に腐食種(酸素、水蒸気)が存在してもそのアニオン化吸着を抑制し、それにより酸素イオンの拡散を抑制できる。また、本材料中に酸素イオンが拡散したとしても、プロトン導電性材料相4中に保持しあるいは生成する正孔によってこれらの酸素イオンをトラップするため、結果として、耐酸化材料における酸素イオンの拡散を抑制することができる。そして、プロトン導電性材料相4がマトリックスあるいは連続相として存在する場合、湿潤雰囲気下においては、プロトン伝導によりプロトンが材料の内方へ拡散し、全体としての酸素分圧を低下させることで酸化を抑制できる。   In any of these cases, by providing the proton conductive material phase 4, even if corrosive species (oxygen, water vapor) are present in the surroundings, the anionization adsorption can be suppressed, thereby suppressing the diffusion of oxygen ions. . In addition, even if oxygen ions diffuse in this material, these oxygen ions are trapped by the holes that are retained or generated in the proton conductive material phase 4, resulting in diffusion of oxygen ions in the oxidation resistant material. Can be suppressed. When the proton conductive material phase 4 exists as a matrix or continuous phase, in a wet atmosphere, protons diffuse inward due to proton conduction, and the oxygen partial pressure is lowered to reduce oxidation as a whole. Can be suppressed.

なお、プロトン導電性材料相4と他の材料相6とを複合化するとき(積層組織及び分散組織の双方を含む)には、上記したプロトン導電性材料相4によって酸素イオンや水酸基イオンの生成及び酸素イオンの内方向拡散が抑制される他、材料内におけるプロトンの伝導性もある程度抑制されることになる。このようなプロトンの拡散の抑制は、例えば、当該耐酸化材料にて非酸化物系基材を被覆するときにおいて、当該非酸化物系基材とプロトンとが反応性を有する場合、非酸化物系基材界面へのプロトンの到達率を抑制できる点において、有用である。また、複合化した本耐酸化材料は、プロトン導電性材料以外の他の材料によって、熱膨張係数を調整するように配合することもできる。   When the proton conductive material phase 4 and the other material phase 6 are combined (including both the laminated structure and the dispersed structure), the proton conductive material phase 4 generates oxygen ions and hydroxyl ions. In addition, inward diffusion of oxygen ions is suppressed, and proton conductivity in the material is also suppressed to some extent. For example, when the non-oxide base material is coated with the oxidation-resistant material and the non-oxide base material and the proton are reactive, the suppression of proton diffusion This is useful in that the arrival rate of protons at the system substrate interface can be suppressed. In addition, the composite oxidation-resistant material can be blended so as to adjust the thermal expansion coefficient by using a material other than the proton conductive material.

プロトン導電性材料相4と複合化する他の材料相6としては、酸化物系非プロトン導電性材料(以下、非プロトン導電性材料という。)を用いることが好ましい。酸化物系材料は、耐酸化性などの化学的安定性および/または耐熱性に優れるからである。また、非プロトン導電性材料であることは、導電性の発揮にあたり、電子伝導性および/または酸素イオン伝導性を主体とすることを意味している。非プロトン導電性材料はプロトンの侵入をブロックするため、耐酸化材料が積層組織を構成する場合、非プロトン導電性材料相6がプロトン導電性材料相4より外部環境側、すわなち、表層側に備えられる場合には、プロトンがプロトン導電性材料に到達するのを抑制し、プロトン導電性材料より内側に備えられる場合には、プロトン導電性材料相4との界面でプロトンをブロックし、プロトン導電性材料相4にプロトンを保持させるように作用する。
また、耐酸化材料が分散組織を構成する場合、プロトン導電性材料相4がマトリックスであり非プロトン導電性材料相6が分散相のときには、プロトンの移動の障壁となってその拡散を抑制し、プロトン導電性材料が分散相であり非プロトン導電性材料がマトリックスのときには、非プロトン導電性材料相中を移動する酸素イオンの移動の障壁となってその拡散を抑制する。
As the other material phase 6 to be combined with the proton conductive material phase 4, it is preferable to use an oxide-based aprotic conductive material (hereinafter referred to as an aprotic conductive material). This is because the oxide-based material is excellent in chemical stability such as oxidation resistance and / or heat resistance. In addition, being an aprotic conductive material means that it is mainly composed of electron conductivity and / or oxygen ion conductivity when exhibiting conductivity. Since the non-proton conductive material blocks the invasion of protons, when the oxidation-resistant material constitutes a laminated structure, the non-proton conductive material phase 6 is closer to the external environment side than the proton conductive material phase 4, that is, the surface layer side. In the case of being provided in the proton conductive material, the proton is prevented from reaching the proton conductive material, and in the case of being provided inside the proton conductive material, the proton is blocked at the interface with the proton conductive material phase 4. The conductive material phase 4 acts to hold protons.
Further, when the oxidation resistant material constitutes a dispersed structure, when the proton conductive material phase 4 is a matrix and the non-proton conductive material phase 6 is a dispersed phase, it becomes a barrier for proton movement and suppresses its diffusion, When the proton conductive material is a dispersed phase and the aprotic conductive material is a matrix, it becomes a barrier to the movement of oxygen ions moving in the aprotic conductive material phase and suppresses its diffusion.

このような非プロトン導電性材料としては、好ましくは、1500℃以上の融点を有し、プロトン導電性材料との反応性が低いかあるいはほとんどないことが好ましい。このような酸化物系材料としては、各種公知の金属酸化物(複酸化物、酸素種を含む金属塩を含む)を用いることができる。使用環境温度においては、イオン伝導性であっても電子伝導性であってもよい。なお、電子伝導性の場合、n型半導体であることが好ましい。また、イオン伝導性等は、高温において発現されれば足りる。したがって、室温付近でイオン伝導性を示さない酸化物であっても高温でイオン伝導性等を示すものであれば使用することができる。同時に、室温付近でも高温でもイオン伝導性等を示す酸化物材料も使用できる。使用環境温度は、特に限定しないが約1100℃以上とすることができる。好ましくは1300℃以上であり、より好ましくは1500℃以上である。また、使用環境温度の上限は、約1800℃以下であることが好ましい。1500℃以上1700℃以下においてイオン導電性あるいは電子伝導性を主体とする材料を用いることが好ましい。   Such an aprotic conductive material preferably has a melting point of 1500 ° C. or higher and has low or almost no reactivity with the proton conductive material. As such an oxide-based material, various known metal oxides (including double oxides and metal salts containing oxygen species) can be used. In use environment temperature, it may be ionic conductivity or electronic conductivity. In the case of electron conductivity, an n-type semiconductor is preferable. Further, it is sufficient that ion conductivity and the like are expressed at a high temperature. Therefore, even an oxide that does not exhibit ionic conductivity near room temperature can be used as long as it exhibits ionic conductivity at a high temperature. At the same time, an oxide material exhibiting ion conductivity or the like at room temperature or high temperature can be used. The use environment temperature is not particularly limited, but can be about 1100 ° C. or higher. Preferably it is 1300 degreeC or more, More preferably, it is 1500 degreeC or more. Moreover, it is preferable that the upper limit of use environment temperature is about 1800 degreeC or less. It is preferable to use a material mainly composed of ionic conductivity or electron conductivity at 1500 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower.

非プロトン導電性材料としては、例えば、Ta、Al、Y、ZrO、SiO、TiO、AlSi13(ムライト)、LaPO、LaAlOを使用することができる。Taは、非金属酸化物材料系基材の一部としてTaCを用いた場合において良好な密着性を得ることができるため好ましい。Al、Y、ZrO、およびLaPOは、酸化雰囲気での高温安定性(高融点、低蒸気圧)に優れることから好ましい。また、LaPOは、Al、Y、ZrO(表層側において遮熱層として用いられる場合がある。遮熱層については後述する。)、および金属材料系基材との化学反応性が低い点においても好ましい。なお、Taなど温度により相変態を生じ、大きな体積変化を生じうる材料を使用する場合には、その相を予め高温相(α型)に維持しておき、低温型(β型)への相変態を抑制しておくことが好ましい。Taの場合、スカンジウム、クロム、鉄、ガリウム、及びスズの酸化物を添加して相変態を抑制することができる。これらの金属酸化物は、1種あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。酸化スカンジウム(Sc)は使用環境温度において耐酸化性と耐還元性の両方に優れるため、添加剤として好ましい。 Examples of the aprotic conductive material include Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2 , TiO 2 , Al 6 Si 2 O 13 (mullite), LaPO 4 , and LaAlO 3 . Can be used. Ta 2 O 5 is preferable because TaC can be obtained when TaC is used as a part of the non-metal oxide material base material. Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrO 2 , and LaPO 4 are preferable because they are excellent in high-temperature stability (high melting point, low vapor pressure) in an oxidizing atmosphere. LaPO 4 is composed of Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrO 2 (which may be used as a heat shielding layer on the surface side. The heat shielding layer will be described later), and a metal material-based substrate. It is also preferable in terms of low chemical reactivity. When using a material that causes phase transformation due to temperature such as Ta 2 O 5 and can cause a large volume change, the phase is maintained in a high temperature phase (α type) in advance, and a low temperature type (β type). It is preferable to suppress the phase transformation to. In the case of Ta 2 O 5 , phase transformation can be suppressed by adding scandium, chromium, iron, gallium, and tin oxides. These metal oxides can be used alone or in combination of two or more. Scandium oxide (Sc 2 O 3 ) is preferable as an additive because it is excellent in both oxidation resistance and reduction resistance at the use environment temperature.

また、非プロトン導電性材料としては、YSiO、ScTaO等を挙げることができる。中でも、ScTaOを好ましく用いることができる。ScTaOは、使用環境温度において耐酸化性と耐還元性の両方に優れるとともに、後述するように非酸化物材料系基材の一部としてTaCを用いた場合に密着性にも優れるからである。 Examples of the aprotic conductive material include Y 2 SiO 5 and ScTaO 4 . Among these, ScTaO 4 can be preferably used. This is because ScTaO 4 is excellent in both oxidation resistance and reduction resistance at the use environment temperature, and also has excellent adhesion when TaC is used as a part of the non-oxide material base material as will be described later. .

本耐酸化材料を、プロトン導電性材料相と他の材料相との分散組織とする場合、分散組織におけるプロトン導電性材料相の配合比は、分散組織を採用する目的にもよるが、耐酸化性を確保する観点からは、好ましくは耐酸化材料全体の5体積%以上である。5体積%未満であると、生成する正孔が少なすぎるため、酸素イオンの拡散を抑制するのが困難となるからである。より好ましくは、10体積%以上であり、さらに好ましくは15体積%以上である。   When this oxidation resistant material is a dispersed structure of a proton conductive material phase and another material phase, the mixing ratio of the proton conductive material phase in the dispersed structure depends on the purpose of adopting the dispersed structure, but the oxidation resistance From the viewpoint of securing the property, the content is preferably 5% by volume or more of the entire oxidation resistant material. This is because if it is less than 5% by volume, it is difficult to suppress the diffusion of oxygen ions because too few holes are generated. More preferably, it is 10 volume% or more, More preferably, it is 15 volume% or more.

なお、本耐酸化材料には、必要に応じて焼結助剤や本材料に強度あるいは形状保持などの機能を付与するための添加材料を含めることができる。添加材料としては、例えば、ファイバー状、チップ状等の各種形状の補強材などを添加することもできる。   In addition, this oxidation-resistant material can contain an additive material for imparting a function such as strength or shape retention to the sintering aid or the present material as necessary. As the additive material, for example, reinforcing materials having various shapes such as a fiber shape and a chip shape can be added.

このような耐酸化材料は、プロトン導電性材料を、あるいはプロトン導電性材料とその他の材料とを組み合わせて焼結体とすることで得ることができる。これらの製造方法は、特に限定されるものではなく、公知のセラミックス焼結体の製造方法に従って製造することができる。例えば、酸化物粉末混合加圧成形焼結法、共沈殿物焼結法、噴霧乾燥焼成法、溶液混合ゾルゲル焼成法、プラズマ溶射法などの溶射法、物理蒸着法(PVD)、化学気相蒸着法(CVD)等を用いることができる。具体的には、これらの原料を混合する工程と、この混合物を焼成する工程とを備えている。例えば、原料物質の硝酸塩やアンモニウム塩等を共沈法により共沈物を作製し、これを、仮焼し、こうして得られた混合粉末を基板等の形状に成形し、大気中等の酸素含有雰囲気で焼成することができる。本耐酸化材料を得るための焼成温度は、特に限定はしないが、プロトン導電性材料の焼結性及び用途(1100℃以上における耐酸化性)を考慮すると、1200℃以上であることが好ましく、より好ましくは、1400℃以上である。例えば、La1−XBa(PO)の場合、1400℃以上1600℃以下とすることが好ましく、La1−XSr(PO)の場合、1200℃以上1400℃以下であることが好ましい。 Such an oxidation resistant material can be obtained by using a proton conductive material or a combination of the proton conductive material and other materials to form a sintered body. These production methods are not particularly limited, and can be produced according to a known method for producing a ceramic sintered body. For example, oxide powder mixed pressure forming sintering method, coprecipitate sintering method, spray drying baking method, solution mixing sol-gel baking method, plasma spraying method such as plasma spraying method, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition The method (CVD) or the like can be used. Specifically, the method includes a step of mixing these raw materials and a step of firing the mixture. For example, co-precipitates are prepared by co-precipitation of raw materials such as nitrates and ammonium salts, which are calcined, and the mixed powder thus obtained is formed into a shape of a substrate or the like, and an oxygen-containing atmosphere such as in the atmosphere Can be fired. The firing temperature for obtaining the present oxidation resistant material is not particularly limited, but is preferably 1200 ° C. or higher in consideration of the sinterability of the proton conductive material and the application (oxidation resistance at 1100 ° C. or higher). More preferably, it is 1400 degreeC or more. For example, in the case of La 1-X Ba X (PO 4 ), the temperature is preferably 1400 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower, and in the case of La 1-X Sr X (PO 4 ), it is 1200 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower. preferable.

本耐酸化材料は、板状体、柱状体、筒状体の他、用途に応じて所定の形状を有する成形体とすることができる。さらに、本耐酸化材料は、金属や非金属酸化物などの非酸化物系基材の表層側を被覆する耐酸化性被膜として成形して、本発明の他の態様である、耐酸化性を有する非酸化物系複合材料を得ることができる。   The oxidation-resistant material can be formed into a molded body having a predetermined shape depending on the application, in addition to the plate-like body, the columnar body, and the tubular body. Furthermore, the oxidation resistant material is molded as an oxidation resistant film that covers the surface layer side of a non-oxide base material such as a metal or a non-metal oxide, and has another aspect of the present invention, the oxidation resistance. A non-oxide composite material having the same can be obtained.

(非酸化物系複合材料)
本発明における非酸化物系複合材料(以下、本複合材料という。)は、非酸化物系基材の表層側に付与されることにより、該基材に耐酸化性を付与することができる。本耐酸化材料は、基材表面あるいは基材表面の表層側を被覆する層ないし膜形態を採ることが好ましい。かかる材料形態は、公知のセラミックスの成形方法により実現することができる。
(Non-oxide composite materials)
The non-oxide composite material in the present invention (hereinafter referred to as the present composite material) can be imparted with oxidation resistance to the substrate by being applied to the surface layer side of the non-oxide substrate. The oxidation resistant material preferably takes the form of a layer or film covering the substrate surface or the surface layer side of the substrate surface. Such a material form can be realized by a known ceramic forming method.

(非酸化物系基材)
本複合材料における非酸化物系基材の材料としては、金属及び非金属酸化物を用いることができる。これらは単独でも、あるいは組み合わせて用いることもできる。金属としては、ステンレス鋼、Ni基超合金、Co基超合金、及びMCrAlY(Mは、Ni、Co及びFeからなる群から選択される1種あるいは2種以上である。)あるいはこれらの1種あるいは2種以上を含む合金とすることが好ましい。具体的には、NiCoCrAlY、インコネル738,HS−188等を用いることができる。
(Non-oxide base material)
As the material of the non-oxide base material in the composite material, metals and non-metal oxides can be used. These can be used alone or in combination. As the metal, stainless steel, Ni-base superalloy, Co-base superalloy, and MCrAlY (M is one or more selected from the group consisting of Ni, Co, and Fe) or one of these. Or it is preferable to set it as the alloy containing 2 or more types. Specifically, NiCoCrAlY, Inconel 738, HS-188, or the like can be used.

また、非金属酸化物としては、非金属、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物など、金属酸化物以外の材料を用いることができる。好ましい基材としては、炭素を含有して構成される炭素系材料を挙げることができる。炭素系材料としては、例えば、炭素、等方性黒鉛、炭素繊維等の各種形態の炭素からなる炭素材料の他、これらの炭素材料に他の非金属酸化物材料を複合化した材料である。例えば、炭素材料に、炭化タンタルや炭化ケイ素などの金属炭化物を含む金属炭化物系材料が積層されて複合化されたものを挙げることができる。なお、積層される材料は、金属炭化物の他、金属窒化物及び金属ホウ化物などの非酸化物材料を用いることができる。具体的には、TaC、TiC、SiC、ZrC、HfC、Si、TiN、TaN、ZrN、HfN、TaB、TiB、ZrBを挙げることができる。なかでも、TaC、TiC、SiC、ZrCを用いることが好ましい。さらに好ましくは、TaC、SiCを用いる。なお、これらの炭素系材料は金属と組み合わせて用いることもできる。 In addition, as the nonmetal oxide, a material other than the metal oxide such as a nonmetal, a metal nitride, a metal carbide, or a metal carbonitride can be used. A preferable base material includes a carbon-based material configured to contain carbon. Examples of the carbon-based material include carbon materials made of various forms of carbon such as carbon, isotropic graphite, and carbon fiber, and materials obtained by combining these carbon materials with other non-metal oxide materials. For example, a carbon material may be formed by laminating a metal carbide-based material containing a metal carbide such as tantalum carbide or silicon carbide to form a composite. Note that, as a material to be laminated, non-oxide materials such as metal nitride and metal boride can be used in addition to metal carbide. Specific examples include TaC, TiC, SiC, ZrC, HfC, Si 3 N 4 , TiN, TaN, ZrN, HfN, TaB 2 , TiB 2 , and ZrB 2 . Of these, TaC, TiC, SiC, and ZrC are preferably used. More preferably, TaC or SiC is used. These carbon-based materials can also be used in combination with metals.

なお、炭素系材料に対して積層する非金属酸化物材料の層の厚みは特に限定しないが、0.1μm以上50μm以下であることが好ましい。0.1μm未満では、緻密質層を得ることが困難となり、その結果として、基材中のカーボンが容易に外方向に拡散し、表層側の耐酸化層を還元して多量のCOガスを発生させて、表層側の耐酸化材料と非金属酸化物材料層との密着性を著しく低下させる。50μmを超えると、基材および耐酸化材料と非酸化物材料との間の熱膨張係数差によって誘起される界面歪を緩和することが困難となり密着性の低下をもたらす。より好ましくは、1μm以上10μm以下である。   Note that the thickness of the non-metal oxide material layer stacked on the carbon-based material is not particularly limited, but is preferably 0.1 μm or more and 50 μm or less. If the thickness is less than 0.1 μm, it is difficult to obtain a dense layer. As a result, carbon in the base material diffuses outward easily, reducing the oxidation-resistant layer on the surface side and generating a large amount of CO gas. Thus, the adhesion between the oxidation resistant material on the surface layer side and the non-metal oxide material layer is significantly reduced. When it exceeds 50 μm, it becomes difficult to alleviate the interfacial strain induced by the difference in thermal expansion coefficient between the base material and the oxidation-resistant material and the non-oxide material, resulting in a decrease in adhesion. More preferably, they are 1 micrometer or more and 10 micrometers or less.

また、炭素材料と炭化タンタルや炭化ケイ素などの他の非金属酸化物材料との分散組織を構成する基材も用いることができる。例えば、炭素と炭化ケイ素とのうち一方をマトリックスとし他方を分散相(繊維状あるいは粉末状)とした複合組織の基材を用いることができる。典型的には、炭素マトリックスに炭素繊維を分散させた基材、SiCマトリックスに炭素繊維を分散させた基材、SiC繊維とSiCマトリックスとを有する複合材料を挙げることができる。   Moreover, the base material which comprises the dispersion structure | tissue of other nonmetallic oxide materials, such as a carbon material and a tantalum carbide and a silicon carbide, can also be used. For example, a substrate having a composite structure in which one of carbon and silicon carbide is a matrix and the other is a dispersed phase (fibrous or powdery) can be used. Typical examples include a base material in which carbon fibers are dispersed in a carbon matrix, a base material in which carbon fibers are dispersed in a SiC matrix, and a composite material having SiC fibers and a SiC matrix.

基材は多孔質体であっても緻密質体であってもよいが、表層側の層との一体性を考慮すると、少なくとも被覆すべき表層側は多孔質であることが好ましい。なお、基材4の形態は、用途に応じて各種形態を採ることができる。   The substrate may be a porous body or a dense body, but considering the integrity with the surface layer, at least the surface layer to be coated is preferably porous. In addition, the form of the base material 4 can take various forms according to a use.

(複合材料における基材と耐酸化材料との複合形態)
本複合材料における耐酸化材料と基材との複合形態との例を図2に示す。図2(a)の複合材料12aは、基材14を耐酸化層16aで被覆した形態を示している。この耐酸化層16aは、プロトン導電性材料の単相18からなる被膜として形成されている。この形態によれば、耐酸化層16aの表面において酸素と接触することにより、酸素を本耐酸化層16a内の正規格子位置の酸素イオン(有効電荷0)として取り込み、同時に正孔を生成する。また、水蒸気と接触することにより、耐酸化層16a中の正孔と水蒸気との反応により、プロトンを耐酸化層16a中に取り組むとともに、酸素分子を生成する。さらに、酸素空孔と水蒸気との反応により耐酸化層16a中の正規格子位置に酸化イオン(有効電荷0)を取り込むと同時に、格子間にプロトンを取り込む。こうして、プロトンが外部環境から取り込まれると、プロトンはより濃度の低い内方へと拡散していく。いずれにおいても、耐酸化層16a表面において酸素や水蒸気がアニオン化することが抑制される。また、耐酸化層16a中は、プロトン伝導および/または正孔伝導が主体となるため、従来の酸化物において見られたように高温における酸素イオン伝導および/または電子伝導により酸素イオンが材料中を内方への拡散が抑制される。さらに、プロトン伝導性によってプロトンが内方向に拡散することにより、基材14との界面近傍においてプロトン濃度が増大することで、基材14の酸化は一層抑制されることになる。これらにより、優れた耐酸化性を得ることができる。
(Composite form of base material and oxidation-resistant material in composite material)
An example of the composite form of the oxidation resistant material and the base material in this composite material is shown in FIG. The composite material 12a in FIG. 2A shows a form in which the base material 14 is covered with an oxidation resistant layer 16a. The oxidation-resistant layer 16a is formed as a film made of a single phase 18 of proton conductive material. According to this embodiment, by contacting oxygen on the surface of the oxidation resistant layer 16a, oxygen is taken in as oxygen ions (effective charge 0) at normal lattice positions in the oxidation resistant layer 16a, and holes are simultaneously generated. Further, by contacting with water vapor, the reaction between the holes in the oxidation-resistant layer 16a and the water vapor causes protons to work in the oxidation-resistant layer 16a and generate oxygen molecules. Further, oxide ions (effective charge 0) are taken into the regular lattice positions in the oxidation-resistant layer 16a by the reaction between oxygen vacancies and water vapor, and at the same time, protons are taken in between the lattices. Thus, when protons are taken from the external environment, the protons diffuse inward at a lower concentration. In any case, the anionization of oxygen and water vapor on the surface of the oxidation resistant layer 16a is suppressed. In addition, in the oxidation-resistant layer 16a, proton conduction and / or hole conduction is mainly used, so that oxygen ions are passed through the material by oxygen ion conduction and / or electron conduction at high temperatures as seen in conventional oxides. Inward diffusion is suppressed. Furthermore, the proton concentration increases in the vicinity of the interface with the base material 14 by diffusing protons inward due to proton conductivity, so that the oxidation of the base material 14 is further suppressed. With these, excellent oxidation resistance can be obtained.

図2(b)の複合材料12bは、図2(b)に示す耐酸化層16bを備えている。この耐酸化層16bは、プロトン導電性材料相18と非プロトン導電性材料相20との積層組織から構成され、より表層側に非プロトン導電性材料相20が形成されている。非プロトン導電性材料相20は、酸素イオン伝導および/または電子伝導を主体とするため、非プロトン導電性材料相20中を拡散するのは酸素イオンでありプロトンの拡散は生じえないかあるいは著しく抑制されている。そのため、プロトン導電性材料相18内においては、正孔が主に生成されプロトンはほとんど生成しない。したがって、基材14がプロトンと反応性を有する場合は、複合材料12bの構成により、基材14とプロトンとの反応が抑制される。しかも、これらの酸素イオンがプロトン導電性材料相18に到達したとしても、当該相18において酸素イオンの拡散はブロックされることになる。このため、基材14の酸化も良好に抑制されることになる。   The composite material 12b shown in FIG. 2B includes an oxidation resistant layer 16b shown in FIG. The oxidation-resistant layer 16b is composed of a laminated structure of a proton conductive material phase 18 and an aprotic conductive material phase 20, and the aprotic conductive material phase 20 is formed on the surface layer side. Since the aprotic conductive material phase 20 is mainly composed of oxygen ion conduction and / or electron conduction, it is oxygen ions that diffuse in the aprotic conductive material phase 20 and proton diffusion does not occur or is not significant. It is suppressed. Therefore, in the proton conductive material phase 18, holes are mainly generated and protons are hardly generated. Therefore, when the base material 14 has reactivity with protons, the structure of the composite material 12b suppresses the reaction between the base material 14 and protons. Moreover, even if these oxygen ions reach the proton conductive material phase 18, the diffusion of oxygen ions in the phase 18 is blocked. For this reason, the oxidation of the base material 14 is also satisfactorily suppressed.

図2(c)に示す複合材料12cは、図2(b)と同様に、基材14に対して、プロトン導電性材料相18と非プロトン導電性材料相20との積層組織から構成される耐酸化層16cが付与されている。図2(b)とは異なり、プロトン導電性材料相18がより表層側に位置されている。基材14とプロトン導電性材料相18とが直接接触しないことで、両者の成分が互いに反応性を有する場合において、当該反応を抑制して両者の化学的安定性を確保できる。また、基材14がプロトンと反応性を有する場合には、プロトン導電性材料相18を拡散してきたプロトンは、非プロトン導電性材料相20との界面においてブロックされるため、基材14とプロトンとの反応が抑制され基材14の化学的安定性が確保できる。なお、これらの場合においては、非プロトン導電性材料相20が基材14及びプロトン導電性材料相18と反応性が低いかあるいは有していないことが好ましい。さらに、非プロトン導電性材料相20を、基材14及びプロトン導電性材料相18の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を備えるように構成することで、基材14と耐酸化層16cとの熱膨張係数差を緩和することができる。   The composite material 12c shown in FIG. 2 (c) is composed of a laminated structure of the proton conductive material phase 18 and the aprotic conductive material phase 20 with respect to the base material 14 as in FIG. 2 (b). An oxidation resistant layer 16c is provided. Unlike FIG.2 (b), the proton conductive material phase 18 is located more on the surface layer side. Since the base material 14 and the proton conductive material phase 18 are not in direct contact with each other, when the two components are reactive with each other, the reaction can be suppressed and the chemical stability of the two can be ensured. Further, when the base material 14 is reactive with protons, the protons that have diffused in the proton conductive material phase 18 are blocked at the interface with the non-proton conductive material phase 20, so And the chemical stability of the substrate 14 can be ensured. In these cases, it is preferable that the aprotic conductive material phase 20 has low reactivity or does not have any reactivity with the base material 14 and the proton conductive material phase 18. Furthermore, the aprotic conductive material phase 20 is configured to have a thermal expansion coefficient that is intermediate between the thermal expansion coefficients of the base material 14 and the proton conductive material phase 18, so that the base material 14 and the oxidation-resistant layer 16 c The difference in thermal expansion coefficient can be relaxed.

図2(d)に示す複合材料12dは、プロトン導電性材料相18をマトリックスとし非プロトン導電性材料相20を分散相とする複合組織の耐酸化層16dを、基材14に対して備えている。この複合材料12dによれば、複合組織の耐酸化層16dを備えることで、酸素イオンの拡散抑制作用を有効に発現させることができるとともに、プロトン導電性材料相18と非プロトン導電性材料相20との密着性を向上させつつ両者の機能を発現させることができる。また、複合組織とすることでプロトンの拡散も抑制されるため、基材14とプロトンとの反応性も抑制される。さらに、複合組織とすることで、熱膨張係数を調整することができる。なお、既に述べたように、耐酸化層16dは傾斜組成とすることもできる。なお、この複合形態においては、非プロトン導電性材料相20と基材14との反応性が有効に抑制される。   The composite material 12d shown in FIG. 2 (d) includes an oxidation resistant layer 16d having a composite structure in which the proton conductive material phase 18 is a matrix and the aprotic conductive material phase 20 is a dispersed phase. Yes. According to the composite material 12d, by providing the oxidation resistant layer 16d having a composite structure, it is possible to effectively exhibit the action of suppressing the diffusion of oxygen ions, and the proton conductive material phase 18 and the aprotic conductive material phase 20 are used. Both functions can be expressed while improving adhesiveness. Moreover, since the diffusion of protons is suppressed by using a composite structure, the reactivity between the base material 14 and protons is also suppressed. Furthermore, a thermal expansion coefficient can be adjusted by setting it as a composite structure. As already described, the oxidation resistant layer 16d may have a gradient composition. In this composite form, the reactivity between the aprotic conductive material phase 20 and the substrate 14 is effectively suppressed.

図2(e)に示す複合材料12eは、非プロトン導電性材料相20をマトリックスとし、プロトン導電性材料相18を分散相とする耐酸化材料16eを基材14に対して備えている。この複合材料12eによれば、非プロトン導電性材料相20と基材14との反応性が有効に抑制されるのに替えて、プロトン導電性材料相18と基材14との反応性が有効に抑制されること以外は、図2(d)において説明した効果と同様の効果を得ることができる。   A composite material 12e shown in FIG. 2 (e) includes an oxidation resistant material 16e having a non-proton conductive material phase 20 as a matrix and a proton conductive material phase 18 as a dispersed phase with respect to the base material 14. According to this composite material 12e, the reactivity between the proton conductive material phase 18 and the base material 14 is effective instead of the reactivity between the aprotic conductive material phase 20 and the base material 14 being effectively suppressed. Except for being suppressed, it is possible to obtain the same effects as those described in FIG.

図2(f)に示す複合材料12fは、基材14に対して、表層側から順にプロトン導電性材料相18からなる第1の耐酸化層22と、プロトン導電性材料相18と非プロトン導電性材料相20とからなる第2の耐酸化層24と、非プロトン導電性材料相20からなる第3の耐酸化層26とを備えている。この多層構造は、全体として、表層側から内層側に向かってプロトン導電性材料が高濃度から低濃度に分布し、非プロトン導電性材料が低濃度から高濃度へと分布する傾斜組成を有しているといえる。   The composite material 12f shown in FIG. 2 (f) has a first oxidation-resistant layer 22 composed of the proton conductive material phase 18 in order from the surface layer side, the proton conductive material phase 18, and the aprotic conductivity with respect to the base material 14. The second oxidation-resistant layer 24 made of the conductive material phase 20 and the third oxidation-resistant layer 26 made of the aprotic conductive material phase 20 are provided. This multilayer structure as a whole has a gradient composition in which the proton conductive material is distributed from a high concentration to a low concentration from the surface layer side to the inner layer side, and the aprotic conductive material is distributed from a low concentration to a high concentration. It can be said that.

この複合材料12fでは、アニオン種(酸素イオン、水酸基イオン)の生成・吸着、及び酸素イオンの内方向拡散を抑制するプロトン導電性材料相18を表層側に備えることで、表層側で腐食種をブロックして効率的に酸化を抑制し、その内側に分散組織の第2の耐酸化層24と非プロトン導電性材料相20からなる第3の耐酸化層26を備えることで、プロトンと基材14との反応性を抑制し、各層間の密着性を確保し、熱膨脹係数差を緩和することができる。第2の耐酸化層24は、特に、図2(f)に示すように、表層側に、プロトン導電性材料相18をマトリックスとし非プロトン導電性材料相20を分散相とする耐酸化層24aと、プロトン導電性材料相18を分散相とし非プロトン導電性材料相20をマトリックスとする耐酸化層24bとで構成するなどして、表層側でプロトン導電性材料の濃度が高く、内層側で非プロトン導電性材料の濃度が高くなるような傾斜組成を構築することで、表層側及び内層側との密着性及び熱膨張係数などを容易に調整することができる。なお、傾斜組成は、このような不連続的なものに限らないで、連続的なものであってもよい。   In this composite material 12f, the generation and adsorption of anion species (oxygen ions and hydroxyl ions) and the proton conductive material phase 18 that suppresses the inward diffusion of oxygen ions are provided on the surface layer side, so that the corrosive species are generated on the surface layer side. By blocking and efficiently suppressing oxidation, and by providing a third oxidation-resistant layer 26 composed of the second oxidation-resistant layer 24 and the aprotic conductive material phase 20 having a dispersed structure on the inner side, the proton and the base material are provided. 14 can be suppressed, the adhesion between the layers can be secured, and the difference in thermal expansion coefficient can be reduced. As shown in FIG. 2 (f), the second oxidation resistant layer 24 has an oxidation resistant layer 24 a having a proton conductive material phase 18 as a matrix and an aprotic conductive material phase 20 as a dispersed phase, as shown in FIG. And the oxidation-resistant layer 24b having the proton conductive material phase 18 as a dispersed phase and the non-proton conductive material phase 20 as a matrix, the concentration of the proton conductive material is high on the surface layer side, and the inner layer side is By constructing a gradient composition that increases the concentration of the aprotic conductive material, the adhesion to the surface layer side and the inner layer side, the thermal expansion coefficient, and the like can be easily adjusted. The gradient composition is not limited to such a discontinuous one but may be a continuous one.

なお、図2(f)における複合材料12fでは、表層側にプロトン導電性材料相18からなる耐酸化層22を形成するものとしたが、表層側から順に、非プロトン導電性材料相20からなる第3の耐酸化層26と、プロトン導電性材料相18と非プロトン導電性材料相20とからなる第2の耐酸化層24と、プロトン導電性材料相18からなる第1の耐酸化層22とを備えることもできる。こうすることで、複合材料12fとは逆の濃度分布の傾斜組成の耐酸化層を構築することができる。   In addition, in the composite material 12f in FIG. 2 (f), the oxidation-resistant layer 22 made of the proton conductive material phase 18 is formed on the surface layer side. However, the composite material 12f is made of the non-proton conductive material phase 20 in order from the surface layer side. A third oxidation-resistant layer 26, a second oxidation-resistant layer 24 composed of a proton conductive material phase 18 and an aprotic conductive material phase 20, and a first oxidation-resistant layer 22 composed of a proton conductive material phase 18. Can also be provided. By doing so, it is possible to construct an oxidation resistant layer having a gradient composition having a concentration distribution opposite to that of the composite material 12f.

本複合材料の最表層には、遮熱層を備えることができる。遮熱層を備えることで、表層側、すなわち、プロトン導電性材料相や非プロトン導電性材料相を外部温度から遮熱し、反応性を抑制して酸化抑制に寄与することができる。かかる遮熱層の材料としては、各種の低熱伝導性セラミックスを用いることができる。例えば、安定化あるいは部分安定化ジルコニアを用いることができ、安定化材として、Y、Sc、Er、La、MgO、CaO及びCeOを用いたものを好ましく用いることができる。安定化材としては、これらを単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。 The outermost layer of the composite material can be provided with a heat shielding layer. By providing the heat shielding layer, the surface layer side, that is, the proton conductive material phase or the aprotic conductive material phase can be shielded from the external temperature, and the reactivity can be suppressed to contribute to the suppression of oxidation. Various low thermal conductive ceramics can be used as the material of the heat shielding layer. For example, stabilized or partially stabilized zirconia can be used, and those using Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Er 2 O 3 , La 2 O 3 , MgO, CaO and CeO 2 as stabilizing materials. Can be preferably used. These can be used alone or in combination of two or more as stabilizing materials.

複合材料のこれら各種の形態においては、基材14とその表面に付与するプロトン導電性材料相および/または非プロトン導電性材料相との密着性を向上させるためおよび/または熱膨張係数差を緩和するために、必要に応じて基材とこれらの材料相間に結合相を介在させることができる。   In these various forms of the composite material, to improve the adhesion between the base material 14 and the proton conductive material phase and / or the aprotic conductive material phase applied to the surface, and / or to reduce the difference in thermal expansion coefficient. For this purpose, a binder phase can be interposed between the base material and these material phases as required.

複合材料は、耐酸化材料と同様に、従来公知のセラミックスの製造方法を利用して製造することができる。複合材料における積層状の複合形態は、特に、プラズマ溶射法などの溶射法、物理蒸着法(PVD)および/または化学気相蒸着法(CVD)等にて各層を積層することが好ましい。溶射法、物理蒸着法、化学気相蒸着法によれば、多層積層構造、傾斜組成構造を容易に構築することができるとともに膜厚制御も比較的容易である。   The composite material can be manufactured using a conventionally known method for manufacturing ceramics in the same manner as the oxidation resistant material. In the laminated composite form of the composite material, it is particularly preferable to laminate each layer by a thermal spraying method such as a plasma spraying method, a physical vapor deposition method (PVD) and / or a chemical vapor deposition method (CVD). According to the thermal spraying method, the physical vapor deposition method, and the chemical vapor deposition method, a multilayer laminated structure and a gradient composition structure can be easily constructed, and the film thickness control is relatively easy.

以上説明した本耐酸化材料及び本複合材料は、高温環境下において使用される構造部材あるいはその耐酸化被膜として好ましい。好ましくは、1100℃以上の高温環境下での当該用途を備え、より好ましくは1300℃以上であり、さらに好ましくは1500℃以上である。なお、本耐酸化材料及び本複合材料は1800℃以下の環境下での用途であることが好ましい。構造部材としては、コージェネレーションシステム等に適用されるガスタービンの部材であって、支持軸、動翼、静翼、燃焼器、タービン内ガス配管等の構造部材や、ジェットエンジンの構造部材、ロケットなどの大気圏外移動体の外壁材などの構造部材に用いることができる。ガスタービン入り口温度が1500℃以上の無冷却ガスタービンシステムに用いることができる。   The oxidation-resistant material and the composite material described above are preferable as a structural member used in a high temperature environment or an oxidation-resistant film thereof. Preferably, it is used in a high temperature environment of 1100 ° C. or higher, more preferably 1300 ° C. or higher, and further preferably 1500 ° C. or higher. The oxidation resistant material and the composite material are preferably used under an environment of 1800 ° C. or lower. Structural members include gas turbine members applied to cogeneration systems and the like, such as support shafts, moving blades, stationary blades, combustors, gas pipes in turbines, jet engine structural members, and rockets. It can use for structural members, such as the outer wall material of a moving body outside the atmosphere. It can be used for an uncooled gas turbine system having a gas turbine inlet temperature of 1500 ° C. or higher.

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。なお、これらの実施例は本発明を説明するためのものであって本発明を限定するものではない。   Examples of the present invention will be specifically described below. In addition, these Examples are for demonstrating this invention, and do not limit this invention.

本実施例では、図3(a)に示す積層構造を有する複合材料を作製し、その耐酸化性を評価した。
(1)Carbon−SiC−YSi/SiC−YSiO基材の作製
基材には,Carbonの耐酸化被膜として検討されているCarbon−SiC−YSi/SiC−YSiO多層構造体を用いた。LaPO系セラミックスはカーボンと反応するため、反応防止の観点からもこの多層構造体を採用した。基材については、近藤らの方法(近藤雅之,小椋謙,森本立男,納富啓,日本金属学会誌、63,851−858 (1999)に準じて作製した。すなわち、初めに、カーボン基板にCVD法でSiC(厚さ100μm)を被覆した試料(Carbon−SiC)を基板(φ20×5mm)に用いて、Y粉末をエタノール溶媒に分散しスラリー化したものを約100μmの厚さにスプレー塗布した。その後、真空中1600℃で1時間の条件で熱処理し、CVD−SiC層の表面にYSi/SiC層を形成した。次に、Carbon−SiC−YSi/SiC層の表面に大気プラズマ溶射法によりYSiO粉末を原料に用いて保護膜層を形成した。YSiO粉末は、シリコンアルコキシドとイットリウムアルコキシドの混合溶液を加水分解により共沈させて作製した微粒粉末を大気中1000℃で1時間処理し得た。また、溶射装置にはエアロプラズマ製APS7050を使用した。出力を25.6kW、粉末供給量を30g/min、溶射距離(粉末供給ノズルから基材までの距離)を120mmとした。
In this example, a composite material having a laminated structure shown in FIG. 3A was produced and its oxidation resistance was evaluated.
(1) The Carbon-SiC-YSi x / SiC -Y 2 SiO 5 Substrate Preparation substrates, Carbon-SiC-YSi are examined as oxidation coating of Carbon x / SiC-Y 2 SiO 5 multilayer structure Using the body. Since LaPO 4 ceramics react with carbon, this multilayer structure was adopted from the viewpoint of preventing reaction. The base material was prepared in accordance with the method of Kondo et al. (Masayuki Kondo, Ken Komine, Tatsuo Morimoto, Kei Tomohiro, Journal of the Japan Institute of Metals, 63, 851-858 (1999). Using a sample (Carbon-SiC) coated with SiC (thickness: 100 μm) by a CVD method on a substrate (φ20 × 5 mm), Y 2 O 3 powder dispersed in an ethanol solvent and slurried is about 100 μm thick After that, heat treatment was performed in vacuum at 1600 ° C. for 1 hour to form a YSi x / SiC layer on the surface of the CVD-SiC layer, and then the surface of the Carbon-SiC—YSi x / SiC layer. .Y 2 SiO 5 powder of Y 2 SiO 5 powder to form a protective film layer using a raw material by atmospheric plasma spraying method, the silicon alkoxide and yttrium alkoxy A fine powder produced by co-precipitation of a mixed solution of aluminum was processed in the atmosphere at 1000 ° C. for 1 hour, and APS7050 made by Aeroplasma was used as the thermal spraying device, the output was 25.6 kW, the powder The supply amount was 30 g / min, and the spraying distance (distance from the powder supply nozzle to the base material) was 120 mm.

(2)La0.99Ba0.01PO粉末の作製
(NHHPO、La(NO、Ba(NOの水溶液をLa:Ba:P=0.99:0.01:1(モル比)に調整し、共沈させて得られた析出物をろ過した後、大気中800℃で5時間の条件で仮焼した。得られた仮焼粉末を粉砕し、La0.99Ba0.01PO粉末を得た。
(2) Preparation of La 0.99 Ba 0.01 PO 4 powder An aqueous solution of (NH 4 ) 2 HPO 4 , La (NO 3 ) 3 , Ba (NO 3 ) 2 was prepared as La: Ba: P = 0.99: The precipitate obtained by adjusting to 0.01: 1 (molar ratio) and coprecipitating was filtered and calcined at 800 ° C. for 5 hours in the atmosphere. The obtained calcined powder was pulverized to obtain La 0.99 Ba 0.01 PO 4 powder.

(3)Carbon−SiC−YSiO−La0.99Ba0.01POの作製
La0.99Ba0.01POとYSiOの熱膨張係数は、各々、10×10−6−1及び3〜4×10−6−1と大きく異なるため、これらを直接接合すると製膜後の冷却過程において界面剥離する。そこで、これらの層の間に傾斜組成層を付与し、熱膨張係数差により誘起される界面残留応力を低減させるようにこれらを配合した。すなわち、La0.99Ba0.01PO粉末とYSiO粉末の混合比(体積比)が3:7(混合粉末A)及び7:3(混合粉末B)になるように2種類の混合粉末を調製した。次に、Carbon−SiC−YSi/SiC層の表面に大気プラズマ溶射法によりYSiO、混合粉末A、混合粉末B、La0.99Ba0.01POの順に製膜した。なお、製膜条件は前記(1)でYSiO層におけるのと同様とした。各層の膜厚は25μmであり、Carbon−SiC−YSi/SiC層の上に合計100μmの酸化膜を付与して、実施例1の試料とした(図3(a))。また、比較材として、Carbon−SiC−YSi/SiC層の上に同様の製膜条件によるプラズマ溶射法にてYSiO単層を100μmの厚さで付与したものも作製し、次項の酸化試験に供試した(図3(b)参照)。
(3) thermal expansion coefficient of the fabrication La 0.99 Ba 0.01 PO 4 and Y 2 SiO 5 of Carbon-SiC-Y 2 SiO 5 -La 0.99 Ba 0.01 PO 4 , respectively, 10 × 10 Since these are greatly different from −6 ° C. −1 and 3 to 4 × 10 −6 ° C. −1 , when these are directly joined, interface peeling occurs in the cooling process after film formation. Therefore, a gradient composition layer is provided between these layers, and these are blended so as to reduce the interface residual stress induced by the difference in thermal expansion coefficient. That is, two kinds of La 0.99 Ba 0.01 PO 4 powder and Y 2 SiO 5 powder are mixed at a ratio (volume ratio) of 3: 7 (mixed powder A) and 7: 3 (mixed powder B). A mixed powder was prepared. Next, Y 2 SiO 5 , mixed powder A, mixed powder B, and La 0.99 Ba 0.01 PO 4 were formed in this order on the surface of the Carbon-SiC-YSi x / SiC layer by atmospheric plasma spraying. The film forming conditions were the same as those in the Y 2 SiO 5 layer in (1). The film thickness of each layer was 25 μm, and an oxide film of a total of 100 μm was provided on the Carbon-SiC—YSi x / SiC layer to obtain a sample of Example 1 (FIG. 3A). In addition, as a comparative material, a carbon-SiC-YSi x / SiC layer provided with a Y 2 SiO 5 single layer with a thickness of 100 μm by a plasma spraying method under the same film forming conditions was also produced. An oxidation test was performed (see FIG. 3B).

(4)耐食性評価
上記試料を1500℃の酸素−水蒸気中(100ml/min,水蒸気濃度=80vol%)にて1h処理した後、試料断面の組織変化を観察した。その結果、YSiO単層の試料(図3(b))の場合、YSi/SiC層が約50μm酸化されているのに対して、La0.99Ba0.01PO層を付与した実施例1の試料(図3(a))においては、YSi/SiC層がほとんど酸化されていなかった。このことから、La0.99Ba0.01PO層を表面に付与することにより、1500℃において耐酸化性が向上していることがわかった。
(4) Evaluation of corrosion resistance After the sample was treated for 1 h in oxygen-water vapor at 1500 ° C. (100 ml / min, water vapor concentration = 80 vol%), the structural change of the sample cross section was observed. As a result, in the case of the Y 2 SiO 5 single layer sample (FIG. 3B), the YSi x / SiC layer was oxidized by about 50 μm, whereas the La 0.99 Ba 0.01 PO 4 layer was In the applied sample of Example 1 (FIG. 3A), the YSi x / SiC layer was hardly oxidized. From this, it was found that the oxidation resistance was improved at 1500 ° C. by applying the La 0.99 Ba 0.01 PO 4 layer to the surface.

本実施例では、図4(a)に示す積層構造を有する複合材料を作製し、その耐酸化性を評価した。
(1)Carbon−TaC−ScTaO基材の作製
実施例1で用いたCarbon基板の周りに、TaC粉末(高純度化学製、TAO−01PB)を充填しプレス成形(20MPa)した後、ホットプレス焼成(2180℃×1h,Ar,40MPa)した。得られた多層構造体は、Carbon−TaC層からなり、Carbon層は直径φ20mm×5mmであり、その周囲に厚さ約500μmのTaC層が形成されていた。次に、Carbon−TaC層の表面に大気プラズマ溶射法によりScTaO粉末を原料に用いて保護膜層を形成した。ここで、溶射装置にはエアロプラズマ製APS7050を使用した。出力を25.6kW、粉末供給量を30g/min、溶射距離(粉末供給ノズルから基材までの距離)を120mmとした。なお、ScTaO粉末の調整方法は以下の通りであった。Ta粉末(高純度化学製,TAO−01PB)とSc粉末(第一稀元素化学工業製)とを1:1のモル比にボールミル混合(24hrs)後、プレス成形(5MPa)を経て、仮焼(1400℃×5h,Air中)を行った。原料の均質化を図るため、粉砕→プレス成形→加熱処理を3回繰返すことにより、ScTaO粉末を得た。
In this example, a composite material having a laminated structure shown in FIG. 4A was produced and its oxidation resistance was evaluated.
(1) Preparation of Carbon-TaC-ScTaO 4 base material Around the Carbon substrate used in Example 1, TaC powder (manufactured by Koyo Chemical Co., TAO-01PB) was filled and press-molded (20 MPa), followed by hot pressing. Firing was performed (2180 ° C. × 1 h, Ar, 40 MPa). The obtained multilayer structure was composed of a Carbon-TaC layer, and the Carbon layer had a diameter of 20 mm × 5 mm, and a TaC layer having a thickness of about 500 μm was formed around it. Next, a protective film layer was formed on the surface of the Carbon-TaC layer using ScTaO 4 powder as a raw material by an atmospheric plasma spraying method. Here, APS7050 made from Aeroplasma was used for the thermal spraying apparatus. The output was 25.6 kW, the powder supply amount was 30 g / min, and the spraying distance (distance from the powder supply nozzle to the base material) was 120 mm. The adjustment method of ScTaO 4 powder were as follows. Ball mill mixing (24 hrs) of Ta 2 O 5 powder (manufactured by Koyo Chemical Co., TAO-01PB) and Sc 2 O 3 powder (manufactured by Daiichi rare element chemical industry) at a molar ratio of 1: 1, followed by press molding (5 MPa ) And calcined (1400 ° C. × 5 h, in Air). In order to homogenize the raw material, pulverization → press molding → heat treatment was repeated three times to obtain ScTaO 4 powder.

(2)Carbon−TaC−ScTaO−La0.99Ba0.01POの作製
La0.99Ba0.01POとScTaOの熱膨張係数は、各々10×10−6−1及び5×10−6−1と大きく異なるため、これらを直接接合すると製膜後の冷却過程において界面剥離する。そこで、これらの層の間に傾斜組成層を付与し、熱膨張係数差により誘起される界面残留応力を低減させるよう混合粉末を調製した。すなわち、La0.99Ba0.01PO粉末とScTaO粉末の混合比(体積比)が3:7(混合粉末C)及び7:3(混合粉末D)に2種類の混合粉末を調製した。次に、Carbon−TaC層の表面に大気プラズマ溶射法によりScTaO、混合粉末C、混合粉末D、La0.99Ba0.01POの順に製膜した。なお、製膜条件は前記(1)でYSiO層におけるのと同様とした。各層の膜厚は25μmであり、Carbon−TaC層の上に合計100μmの酸化膜を付与して実施例2の試料とした(図4(a))。また、比較材として、Carbon−TaC層の上にScTaO単層を100μmの厚さで上記と同様の製膜条件で大気プラズマ溶射法により付与したもの(図4(b))も作製し、次項の酸化試験に供試した。
(2) Carbon-TaC-ScTaO 4 -La 0.99 Ba 0.01 thermal expansion coefficient of the fabrication La of 0.99 Ba 0.01 PO 4 and ScTaO 4 of PO 4 are each 10 × 10 -6-1 And 5 * 10 <-6> [ deg.] C.- 1 greatly differ, and when these are directly joined, interface peeling occurs in the cooling process after film formation. Therefore, a gradient composition layer was provided between these layers to prepare a mixed powder so as to reduce the interface residual stress induced by the difference in thermal expansion coefficient. That is, two kinds of mixed powders were prepared with a mixing ratio (volume ratio) of La 0.99 Ba 0.01 PO 4 powder and ScTaO 4 powder of 3: 7 (mixed powder C) and 7: 3 (mixed powder D). did. Next, ScTaO 4 , mixed powder C, mixed powder D, and La 0.99 Ba 0.01 PO 4 were formed in this order on the surface of the Carbon-TaC layer by atmospheric plasma spraying. The film forming conditions were the same as those for the Y 2 SiO 5 layer in (1). The thickness of each layer was 25 μm, and an oxide film having a total thickness of 100 μm was applied on the Carbon-TaC layer to obtain a sample of Example 2 (FIG. 4A). Further, as a comparative material, a material obtained by applying an ScTaO 4 single layer on a Carbon-TaC layer to a thickness of 100 μm by the atmospheric plasma spraying method under the same film forming conditions as above (FIG. 4B) is also produced. The following oxidation test was conducted.

(3)耐食性評価
上記試料を1500℃の酸素−水蒸気中(100ml/min,水蒸気濃度=80vol%)にて1h処理した後、試料断面の組織変化を観察した。その結果、ScTaO単層の試料(図3(b))の場合、TaC層が約10μm酸化されているのに対して、La0.99Ba0.01PO層を付与した実施例2の試料(図4(a))においては、TaC層がほとんど酸化されていなかった。このことから、La0.99Ba0.01PO層を表面に付与することにより、1500℃において耐酸化性が向上していることがわかった。
(3) Evaluation of corrosion resistance After the sample was treated in oxygen-water vapor at 1500 ° C. (100 ml / min, water vapor concentration = 80 vol%) for 1 h, the structural change of the sample cross section was observed. As a result, in the case of the ScTaO 4 single layer sample (FIG. 3B), the TaC layer was oxidized by about 10 μm, whereas the La 0.99 Ba 0.01 PO 4 layer was applied. In the sample (FIG. 4A), the TaC layer was hardly oxidized. From this, it was found that the oxidation resistance was improved at 1500 ° C. by applying the La 0.99 Ba 0.01 PO 4 layer to the surface.

本実施例では、図5(a)に示す積層構造を有する複合材料を作製し、その耐酸化性を評価した。
(1)NiCoCrAlY−Al基材の作製
減圧プラズマ溶射にて作製したNiCoCrAlY板(φ20mm×5mm)をAr中1050℃で5時間の条件で熱処理した。これにより、NiCoCrAlY中のAl成分を優先的に酸化させ、NiCoCrAlY表面に緻密質のAl膜(約1μm)を形成した。
In this example, a composite material having a laminated structure shown in FIG. 5A was produced, and its oxidation resistance was evaluated.
(1) Production of NiCoCrAlY—Al 2 O 3 Substrate A NiCoCrAlY plate (φ20 mm × 5 mm) produced by low-pressure plasma spraying was heat-treated at 1050 ° C. for 5 hours in Ar. As a result, the Al component in NiCoCrAlY was preferentially oxidized, and a dense Al 2 O 3 film (about 1 μm) was formed on the NiCoCrAlY surface.

(2)La0.95Sr0.05PO粉末の作製
(NHHPO、La(NO、及びSr(NOの水溶液をLa:Sr:P=0.95:0.05:1(モル比)に調整し、共沈させて得られた析出物をろ過した後、大気中800℃×5時間の条件で仮焼した。得られた仮焼粉末を粉砕し、La0.95Sr0.05PO粉末を得た。
(2) Preparation of La 0.95 Sr 0.05 PO 4 Powder An aqueous solution of (NH 4 ) 2 HPO 4 , La (NO 3 ) 3 , and Sr (NO 3 ) 2 was prepared using La: Sr: P = 0.95. : 0.05: 1 (molar ratio), the precipitate obtained by coprecipitation was filtered, and calcined in the atmosphere at 800 ° C. for 5 hours. The obtained calcined powder was pulverized to obtain La 0.95 Sr 0.05 PO 4 powder.

(3)NiCoCrAlY−Al−La0.95Sr0.05POの作製
NiCoCrAlY−Al層の表面に大気プラズマ溶射法によりLa0.95Sr0.05PO層(厚さ50μm)を製膜して、実施例3の試料とした(図5(a))。なお、製膜条件は前記(1)でYSiO層におけるのと同様とした。また、比較材として、NiCoCrAlY−Al層の上にAl単層を50μmの厚さで大気プラズマ溶射法により付与したもの(図5(b))も作製し、次項の酸化試験に供試した。
(3) Production of NiCoCrAlY—Al 2 O 3 —La 0.95 Sr 0.05 PO 4 La 0.95 Sr 0.05 PO 4 layer (thickness) was formed on the surface of the NiCoCrAlY—Al 2 O 3 layer by atmospheric plasma spraying. 50 μm) was formed into a sample of Example 3 (FIG. 5A). The film forming conditions were the same as those for the Y 2 SiO 5 layer in (1). In addition, as a comparative material, a NiCoCrAlY-Al 2 O 3 layer on which an Al 2 O 3 single layer was applied to a thickness of 50 μm by an atmospheric plasma spraying method (FIG. 5B) was also produced. Tested.

(4)耐食性評価
上記試料を1100℃の酸素−水蒸気中(100ml/min、水蒸気濃度=80vol%)にて100h処理した後、試料断面の組織変化を観察した。その結果、Al単層の試料(図5(b))の場合、NiCoCrAlYの酸化が進行し、Al層の厚さが約10μmにまで増大していたのに対して、La0.95Sr0.05PO層を付与した試料(図4(a))においては、Al層の厚さはほとんど変化していなかった。このことから、La0.95Sr0.05PO層を表面に付与することにより、1100℃において耐酸化性が向上していることがわかった。
(4) Corrosion resistance evaluation After the sample was treated in oxygen-water vapor at 1100 ° C (100 ml / min, water vapor concentration = 80 vol%) for 100 h, the structural change of the sample cross section was observed. As a result, in the case of the Al 2 O 3 single layer sample (FIG. 5B), the NiCoCrAlY oxidation progressed, and the thickness of the Al 2 O 3 layer increased to about 10 μm. In the sample to which the La 0.95 Sr 0.05 PO 4 layer was applied (FIG. 4A), the thickness of the Al 2 O 3 layer was hardly changed. From this, it was found that the oxidation resistance was improved at 1100 ° C. by applying the La 0.95 Sr 0.05 PO 4 layer to the surface.

本発明の耐酸化材料の各種形態(a)〜(e)を示す図である。It is a figure which shows the various forms (a)-(e) of the oxidation-resistant material of this invention. 本発明の複合材料の各種形態(a)〜(f)を例示する図である。It is a figure which illustrates various forms (a)-(f) of the composite material of this invention. 実施例1の複合材料の積層構造(a)と比較材の積層構造(b)とを示す図である。It is a figure which shows the laminated structure (a) of the composite material of Example 1, and the laminated structure (b) of a comparative material. 実施例1の複合材料の積層構造(a)と比較材の積層構造(b)とを示す図である。It is a figure which shows the laminated structure (a) of the composite material of Example 1, and the laminated structure (b) of a comparative material. 実施例1の複合材料の積層構造(a)と比較材の積層構造(b)とを示す図である。It is a figure which shows the laminated structure (a) of the composite material of Example 1, and the laminated structure (b) of a comparative material.

符号の説明Explanation of symbols

2a,2b,2c,2d,2e 耐酸化材料、4 プロトン導電性材料相、6 他の材料相、12a,12b,12c,12d,12e,12f 複合材料、16a,16b,16c,16d,16e,16f 耐酸化層、18 プロトン導電性材料相、20 非プロトン導電性材料相、22 第1の耐酸化層、24 第2の耐酸化層、24a,24b 第2の耐酸化層の構成要素である耐酸化層、26 第3の耐酸化層。   2a, 2b, 2c, 2d, 2e Oxidation resistant material, 4 proton conductive material phase, 6 other material phase, 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f composite material, 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f oxidation-resistant layer, 18 proton conductive material phase, 20 aprotic conductive material phase, 22 first oxidation-resistant layer, 24 second oxidation-resistant layer, 24a, 24b are constituent elements of the second oxidation-resistant layer Oxidation-resistant layer, 26 Third oxidation-resistant layer.

Claims (15)

La 1−X Me (PO )(ただし、Meは、2価の金属原子であり、0<X≦0.1である。)である酸化物系プロトン導電性材料相と酸化物系非プロトン導電性材料相とを備える焼結体である、耐酸化材料。 La 1-X Me X (PO 4 ) (where Me is a divalent metal atom and 0 <X ≦ 0.1) and an oxide-based proton conductive material phase and an oxide-based non-oxide An oxidation resistant material, which is a sintered body comprising a proton conductive material phase . 前記酸化物プロトン導電性材料は、La1−XMe(PO)(ただし、Meは、2価の金属原子であり、0<X≦0.1である。)である、請求項に記載の耐酸化材料。 The oxide proton conductive material, La 1-X Me X ( PO 4) ( although, Me is a divalent metal atom, a 0 <X ≦ 0.1.) Is, according to claim 1 An oxidation-resistant material as described in 1. 前記2価の金属原子は、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される1種あるいは2種以上である金属原子である、請求項に記載の耐酸化材料。 The oxidation-resistant material according to claim 2 , wherein the divalent metal atom is one or more metal atoms selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr and Ba. 前記焼結体は、前記酸化物系プロトン導電性材料相と前記酸化物系非プロトン導電性材料相との積層組織を備える、請求項1〜3のいずれかに記載の耐酸化材料。 The said sintered compact is an oxidation-resistant material in any one of Claims 1-3 provided with the laminated structure of the said oxide type proton conductive material phase and the said oxide type aprotic conductive material phase. 前記焼結体は、前記酸化物系プロトン導電性材料相と前記酸化物系非プロトン導電性材料相との分散組織を備える、請求項1〜3のいずれかに記載の耐酸化材料。 The oxidation-resistant material according to claim 1, wherein the sintered body includes a dispersed structure of the oxide-based proton conductive material phase and the oxide-based aprotic conductive material phase. 前記酸化物系非プロトン導電性材料は、Ta、Al、Y、ZrO、SiO、TiO、AlSi13(ムライト)、YSiO、LaPO、LaAlO、及びScTaOからなる群から選択される1種あるいは2種以上である、請求項1〜5のいずれかに記載の耐酸化材料。 The oxide-based aprotic conductive materials are Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2 , TiO 2 , Al 6 Si 2 O 13 (mullite), Y 2 SiO 5 , LaPO 4, LaAlO 3, and is one or more selected from the group consisting of ScTaO 4, oxidation material according to any one of claims 1 to 5. 前記酸化物系非プロトン導電性材料は、Ta、Al、Y、YSiO又はScTaOである、請求項に記載の耐酸化材料。 The oxidation-resistant material according to claim 6 , wherein the oxide-based aprotic conductive material is Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Y 2 SiO 5, or ScTaO 4 . 1100℃以上の温度環境下における耐酸化用である、請求項1〜7のいずれかに記載の耐酸化材料。 The oxidation-resistant material according to any one of claims 1 to 7 , which is used for oxidation resistance under a temperature environment of 1100 ° C or higher. 複合材料であって、
非酸化物系基材と、
該基材の表層側に位置される請求項1〜8のいずれかに記載の耐酸化材料からなる耐酸化層と、
を備える、複合材料。
A composite material,
A non-oxide base material;
An oxidation-resistant layer made of the oxidation-resistant material according to any one of claims 1 to 8 , which is located on the surface layer side of the substrate;
A composite material comprising:
複合材料であって、
非酸化物系基材と、
該基材の表層側に位置される耐酸化層と、
を備え、
該耐酸化層は、
La 1−X Me (PO )(ただし、Meは、2価の金属原子であり、0<X≦0.1である。)である酸化物系プロトン導電性材料相を備える第1の耐酸化層と、前記酸化物系プロトン導電性材料相と酸化物系非プロトン導電性材料相とを備える第2の耐酸化層と、前記酸化物系非プロトン導電性材料相を備える第3の耐酸化層とを含有する、複合材料。
A composite material,
A non-oxide base material;
An oxidation resistant layer located on the surface side of the substrate;
With
The oxidation resistant layer is
First comprising an oxide-based proton conductive material phase of La 1-X Me X (PO 4 ) (where Me is a divalent metal atom and 0 <X ≦ 0.1). A second oxidation-resistant layer comprising an oxidation-resistant layer, the oxide-based proton conductive material phase and the oxide-based aprotic conductive material phase; and a third layer comprising the oxide-based aprotic conductive material phase. A composite material containing an oxidation resistant layer.
前記第2の耐酸化層は、前記酸化物系プロトン導電性材料相と前記酸化物系非プロトン導電性材料相との傾斜組成を有する、請求項10に記載の複合材料。 The composite material according to claim 10 , wherein the second oxidation-resistant layer has a gradient composition of the oxide-based proton conductive material phase and the oxide-based aprotic conductive material phase. 前記酸化物プロトン導電性材料は、La1−XMe(PO)(ただし、Meは、2価の金属原子であり、0<X≦0.1である。)である、請求項10又は11に記載の複合材料。 The oxide proton conductive material, La 1-X Me X ( PO 4) ( although, Me is a divalent metal atom, a 0 <X ≦ 0.1.) Is, according to claim 10 Or the composite material of 11 . 前記2価の金属原子は、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される1種あるいは2種以上である、請求項12に記載の複合材料。 The composite material according to claim 12 , wherein the divalent metal atom is one or more selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr and Ba. 前記非酸化物系基材は、炭素系材料及び金属のいずれかあるいは双方からなる、請求項9〜13のいずれかに記載の複合材料。 The composite material according to any one of claims 9 to 13 , wherein the non-oxide base material is made of one or both of a carbon-based material and a metal. 1100℃以上の温度環境下で使用される構造部材である、請求項9〜14のいずれかに記載の複合材料。 The composite material according to any one of claims 9 to 14 , which is a structural member used in a temperature environment of 1100 ° C or higher.
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