JP4874574B2 - ペロブスカイト型セラミックスの製造方法 - Google Patents
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Description
(1)BaCO3 +TiO2 →BaTiO3 +CO2
(2)BaCO3 +BaTiO3 →Ba2TiO4+CO2
(3)Ba2TiO4+TiO2→2BaTiO3
上記のようにBaTiO3 が形成されるまでに多段階の反応過程を経るため、完全に反応を終了させるためには、仮焼すなわち熱処理温度を高く設定する必要がある。また、該仮焼き温度を高くし、仮焼き時間を長くすることにより、BaTiO3粉末の正方晶性および結晶性を高めることができるとされている。
このような外部加熱を行なわない製造方法として、燃焼合成法によるセラミックス粉末の合成が提案されている(特許文献1参照)。
燃焼合成法は、外部加熱を必要とすることなく、化合時に放出される大量の化学熱反応を利用して連鎖的に物質を合成する方法である。
上記特許文献1による製造方法では、1種類の金属酸化物と2種類の異なる金属元素の計3種類の原料を出発原料とし、金属間化合物あるいは非酸化物セラミックスと酸化物セラミックスの2種類を合成している。例えば、酸化ニッケル粉末とアルミニウム粉末とアルミナ粉末とを混合し成形体とした後、高圧反応容器内に収納し、アルゴン雰囲気下で該成形体の上端面を着火することによりアルミニウム粉末の酸化燃焼反応を誘導し、還元されたニッケルが過剰に添加したアルミニウムと反応してNiAlを合成しながら、燃焼反応が連鎖的に進行する。その結果、外部加熱なしに金属間化合物の1つであるNiTiのインゴットを製造することができる。
加熱により酸素を発生するイオン結合性物質を含む出発原料を用いて、燃焼合成法で酸化物系セラミックスを製造すると、副生物として残存するイオン結合性物質がその後の酸化物系セラミックスの焼結を阻害するという問題がある。
また、上記特許文献1の燃焼合成法で得られる酸化物系セラミックスの構造は、ペロブスカイト型結晶構造ではなく、該燃焼合成法によるペロブスカイト型セラミックスの製造方法については、開示されていない。
また、本発明のペロブスカイト型セラミックスの製造方法によれば、合成粉末を微粉化した後、水で洗浄することで十分な副生成物の除去が可能となるので、理論密度に近い焼結体が得られる。
図1に示すように、立方体(立方晶)の8つの頂点位置にA原子が、体心位置にB原子が、面心位置にO原子が位置したもので、B原子とO原子は8面体を構成し、B原子がその中心にくる。上記立方体(立方晶)が理想型であり、A、Bの原子種類、温度条件、電界条件などにより、ひずんで直方体(正方晶)等となる。ペロブスカイト型セラミックスは、室温では理想的な立方晶構造からわずかに歪んだ構造をしており、この適度な歪、いわゆる構造の非対称性が、該ペロブスカイト型セラミックスが様々な特性を示す原因となっている。
また、一般的にAとBの原子価は足して平均で3価になるような組み合わせであればペロブスカイト構造が成立し、例えばA2+B4+O3、A+B5+O3、A3+B3+O3などの組み合わせがある。
本発明では、4族元素を含む金属粉末と、2族元素を含む元素の炭酸塩とを原料として用いるので、本発明のペロブスカイト型セラミックスの一般式は、A2+B4+O3となり、図1においてAが炭酸塩由来、Bが金属粉末由来となる。
4族A元素は単独でもあるいは混合しても使用できる。また、これら4族A元素と同時に配合できる元素としては、ラザホージウム(Rf)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセジウム(Pr)、ネオジウム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユーロビウム(Eu)、ビスマス(Bi)、ポロニウム(Po)、アスタチン(At)等が挙げられる。
また、金属元素のみで使用することも可能であるが、該金属元素の金属酸化物を併用することもできる。該金属酸化物を併用することにより、コスト削減を図れる。
本発明において、金属粉未の比表面積は、BET法により測定された値をいう。
本発明に使用できる平均粒子径としては 150μm 以下、好ましくは 0.1〜100μm である。150μmをこえると、他の原材料との混合が十分でなくなり、燃焼波が伝播しない場合が生じる。
表面に凹凸が形成された粒子またはいびつな形状の平均粒子径の測定方法は、画像解析法が好ましい。
2族A元素は単独でもあるいは混合しても使用できる。また、これら2族A元素と同時に配合できる元素としては、Rf、Sn、Sb、Te、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Bi、Po、At等が挙げられる。
反応原料はそれぞれ所定割合で配合するが、燃焼合成反応においてペロブスカイト型セラミックスは、例えばチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)の場合、以下の化学反応式にしたがって生成する。各反応原料は、4族金属粉末と2族炭酸塩とは反応に必要なそれぞれのモル質量に相当する量を配合するが、酸素発生物質は反応に必要なモル質量以上を配合できる。
Ti+SrCO3+0.5NaClO4 → SrTiO3+CO2↑+0.5NaCl
混合粉末は、るつぼに投入して燃焼合成を行なうが、そのるつぼの材質としては好ましくは非酸化物である炭素(C)、炭化珪素(SiC)、窒化珪素Si3N4等が使用できる。これらの中で炭素(C)材が熱伝導と形状加工性に優れているので好ましい。
混合粉末をるつぼへ投入する方法としては、混合粉末をパウダーベット状に敷き詰めたり、敷き詰めた後圧縮したり、ペレット状に押し固めたものをるつぼへ投入する方法等が使用できる。
燃焼合成法の条件について、反応系の断熱火炎温度は1500℃以上である。1500℃以上であれば、燃焼波が伝播するからである。
燃焼合成はチャンバー内で行なうが、その雰囲気としては、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)等の希ガス雰囲気が好ましい。なお、反応生成物の誘電特性を劣化させなければ、窒素ガス、炭酸ガス雰囲気等を利用することも可能である。また、酸素分圧を制御可能であれば、酸素ガスを使用することも可能である。
燃焼合成を開始させるための混合粉末への着火方法は、金属粉が着火発熱可能となる方法であれば特に限定されない。カーボンフイルムを着火発熱させて熱源とし、混合粉末に接触させて着火発熱させる方法が取り扱いに優れているので好ましい。
上記配合割合で燃焼合成反応させ、反応生成物を粉砕する工程を経て、水で洗浄することにより、理論密度に近い緻密化されるペロブスカイト型セラミックスが得られる。
塩類が燃焼合成反応後の合成粉末に存在すると焼結性が阻害される。焼結性を阻害しない程度まで塩類を減らす基準としては、洗浄液の電気伝導率が 150μS/cm 以下である。すなわち洗浄回数、洗浄量の如何にかかわらず、上記合成粉末を水で洗浄したとき洗浄後の洗浄水の電気伝導率が150μS/cm以下であればよい。
表1に示す比表面積の異なる4族金属粉末、4族金属酸化物、2族炭酸塩、酸素発生物質であるNaClO4をそれぞれ表1に示すモル比でボールミルを用いて5時間混合することにより混合粉末を得た。合成装置内のチャンバー内にカーボンるつぼを設置し、混合粉末(100g)をカーボンるつぼ内に敷き詰め、着火用のカーボンフイルムを混合粉の一部と接触させて、チャンバーを閉じた。真空ポンプを用いて、チャンバー内の残留酸素を減少させた後、アルゴン(Ar)ガスを封入し、チャンバーの内圧を 0.1 MPaとした。
表1に示す比表面積のTi金属粉末、炭酸塩、過酸化物をそれぞれ所定のモル比でボールミルを用いて5時間混合することで混合粉末を得た。合成装置内のチャンバー内にカーボンるつぼを設置し、混合粉末(100g)をカーボンるつぼ内に敷き詰め、着火用のカーボンフイルムを混合粉の一部と接触させて、チャンバーを閉じた。真空ポンプを用いて、チャンバー内の残留酸素を減少させた後、Arガスを封入し、チャンバーの内圧を 0.1MPaとした。合成実験の結果を表2に示す。
表1に示す比表面積のTi金属粉末と断熱火炎温度を下げるためにTiO2を併用し、炭酸塩、過酸化物をそれぞれ所定のモル比でボールミルを用いて5時間混合することで混合粉末を得た。合成装置内のチャンバー内にカーボンるつぼを設置し、混合粉末(100g)をカーボンるつぼ内に敷き詰め、着火用のカーボンフイルムを混合粉の一部と接触させて、チャンバーを閉じた。真空ポンプを用いて、チャンバー内の残留酸素を減少させた後、Arガスを封入し、チャンバーの内圧を0.1MPaとした。合成実験の結果を表2に示す。
また、比較例1では、Ti金属粉の比表面積が 0.01 m2/g より小さいため、燃焼波が伝播せず、合成粉を得ることができなかった。比較例2では、断熱火炎温度が1500℃より低いため、燃焼波が伝播せず、合成粉を得ることができなかった。
Claims (1)
- ペロブスカイト型結晶構造を有するセラミックス(SrTiO 3 )の製造方法であって、
比表面積が 0.01〜2 m2/g のTi金属粉末と、TiO 2 と、SrCO 3 と、NaClO 4 とを含む反応原料を、モル比でTi金属粉末:TiO 2 :SrCO 3 :NaClO 4 =0.4:0.6:1:0.2、または、0.7:0.3:1:0.35の割合で配合する工程と、
前記割合で配合された配合物を断熱火炎温度が1500℃以上である燃焼合成法により反応させる工程と、
反応生成物を粉砕する工程と、
前記粉砕された粉末を水で洗浄する工程とを備えることを特徴とするペロブスカイト型セラミックスの製造方法。
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