JP6038244B2 - 熱膨張抑制部材および対熱膨張性部材 - Google Patents
熱膨張抑制部材および対熱膨張性部材 Download PDFInfo
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一般式(1)
(Bi1−xMx)NiO3
(MはLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Inのうちの少なくとも1種の金属である。xは0.02≦x≦0.15の数値を表す。)
一般式(1)
(Bi1−xMx)NiO3
(MはLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Inのうちの少なくとも1種の金属である。xは0.02≦x≦0.15の数値を表す。)
さらに本発明によれば、前記本発明の熱膨張抑制部材と金属を接合することで、熱膨張を極端に小さくした金属系の対熱膨張性部材を提供することができる。
一般式(1)
(Bi1−xMx)NiO3
(MはLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Inのうちの少なくとも1種の金属である。xは0.02≦x≦0.15の数値を表す。)
(Bi1−xMx)NiO3
(MはLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Inのうちの少なくとも1種の金属である。xは0.02≦x≦0.15の数値を表す。)
固形物201と金属202の界面は図示していないが互いに接合されている。
例えば、一般的に金属材料とセラミックス材料の接合に用いられる固相インサート材や液相ろう材や有機系接着剤を介して固形物201と金属202の界面が接合されていても良いし、摩擦圧接やレーザによる表面への金属析出や高温・高圧を利用して直接的に界面が接合されていても良い。
モル比で98/2/100の酸化ビスマス(Bi2O3)と酸化ランタン(La2O3)と金属ニッケル(Ni)を、最小限の硝酸に溶解させて、良く撹拌した。この溶液を蒸発乾固した固形物を空気雰囲気750℃の電気炉で12時間仮焼することで酸化物粉末を得た。この酸化物粉末に対して重量比で20%の過塩素酸カリウム(KClO4)を混合したものを金製のカプセルに封入した。そのカプセルを立方体アンビル型高圧発生装置により6GPaまで加圧した。加圧状態のままカプセルを1000℃で加熱し、この温度で30分間保持した。その後、カプセルを急冷し、圧力を取り除き、試料を取り出した。取り出した試料を粉砕して、水洗することにより塩化カリウム(KCl)成分を除去した。残った粉砕試料を乾燥させることで、粉末状の本発明の熱膨張抑制部材を得た。
このディスク状の熱膨張抑制部材にひずみゲージ(共和電業社製)を接着剤(共和電業、PC−6)を用いて貼り付けて、0℃から130℃におけるひずみから線膨張係数を計測した。
その結果、本部材は全温度領域で昇温に対して線形の体積収縮を示し、20℃で接線を取った代表的な線膨張係数αの値は−21×10−6/Kであった。
表1に示す目的組成と同じモル比になるように、酸化ビスマス(Bi2O3)と金属ニッケル(Ni)と金属Mの酸化物(M2O3)を、最小限の硝酸に溶解させて、以後は実施例1と同様にして、粉末状及びディスク状の本発明の熱膨張抑制部材を得た。
実施例2の熱膨張抑制部材のX線回折測定の結果をリートベルト精密化処理することで算出した0℃〜100℃の範囲における線膨張係数αの値は、−137×10−6/Kであった。この線膨張係数は本発明の熱膨張抑制部材に含まれうる空隙やミクロ欠陥の影響を取り除いた材料固有の理論値である。
蛍光X線分析により、実施例2〜46の熱膨張抑制部材が表1に示した目的組成となっていることを確認した。
実施例2〜46の熱膨張抑制部材の20℃における代表的な線膨張係数αは、−19×10−6/K〜−28×10−6/Kであった。各試料の20℃における線膨張係数αの具体的な値は表1の通りである。
Biサイトに対するLaの置換を行わなかった他は、実施例1と同様にして、比較用の金属酸化物粉末と金属酸化物ディスクを合成した。
Biサイトに対するLaの置換比率を20%とした他は、実施例1と同様にして、比較用の金属酸化物粉末と金属酸化物ディスクを合成した。
X線回折測定によると、この金属酸化物は室温(20℃)で斜方晶または菱面体晶のペロブスカイト結晶であったが、300℃までの温度スキャンでは結晶相転移の現象を確認できなかった。
焼結プロセス中の水分量が少なくなるように制御した以外は実施例2と同様にして本発明の熱膨張抑制部材を作成した。高圧合成用のカプセルに水分が含まれていると、焼結プロセス中に水熱反応がおこりやすくなるために、結晶粒が大きくなる傾向がある。
モル比で95/5/100の酸化ビスマス(Bi2O3)と酸化ランタン(La2O3)と金属ニッケル(Ni)を、最小限の硝酸に溶解させて、良く撹拌した。この溶液を蒸発乾固した固形物を空気雰囲気750℃の電気炉で12時間仮焼することで酸化物粉末を得た。この酸化物粉末に対して事前に150℃の乾燥処理を施した過塩素酸カリウム(KClO4)を重量比で20%加えて、混合したものを金製のカプセルに封入した。そのカプセルを立方体アンビル型高圧発生装置により6GPaまで加圧した。加圧状態のままカプセルを1000℃で加熱し、この温度で30分間保持した。その後、カプセルを急冷し、圧力を取り除き、試料を取り出した。取り出した試料を粉砕して、水洗することにより塩化カリウム(KCl)成分を除去した。残った粉砕試料を150℃で加熱乾燥させることで、粉末状の本発明の熱膨張抑制部材を得た。実施例1と同様にしてディスク状の本発明の熱膨張抑制部材も得た。
蛍光X線分析によってビスマスとランタンとニッケルの原子比が仕込み比とほぼ同等であることが分かったので、本発明の熱膨張抑制部材の組成式はBi0.95La0.05NiO3で表現できることが分かった。
次いで、ディスク状試料の線膨張係数を実施例1と同様にして測定したところ、ディスク状試料は0℃から130℃の全領域において線形かつ負の熱膨張特性を示し、20℃における線膨張係数αは、−82×10−6/Kであった。この線膨張係数は実施例2の−23×10−6/Kより大きく、同じ組成であっても製造条件によって線膨張係数を制御できることが分かる。
実施例2で作成した2.5mm径、0.5mm厚のディスク状の熱膨張抑制部材に同じ形状のアルミニウム板を貼り付けて本発明の対熱膨張性部材とした。貼り付けには熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いた。
実施例48で用いたアルミニウム板の代わりに銅板を用いて本発明の対熱膨張性部材を作成した。金属部とセラミックス部の体積比を調整することで、20℃〜100℃における熱膨張をほぼゼロにすることができた。
さらに本発明によれば、前記本発明の熱膨張抑制部材と金属を接合することで、熱膨張を極端に小さくした金属系の対熱膨張性部材を提供することができる。
本発明の金属系の対熱膨張性部材は、放熱性のプリント基板、LED素子などに用いる放熱基板、精密アクチュエータの構造材、有機感光体の基材、光学スペーサ部材、電極、バネといった温度変化のある環境下で用いるデバイスや製品に用いることができる。
2 対熱膨張性部材
201 固形物
202 金属
203 第一の金属
204 第二の金属
205 第一の固形物
206 第二の固形物
207 絶縁体
208 第三の固形物
209 第四の固形物
210 第一の絶縁体
211 第二の絶縁体
3 スルーホール
Claims (3)
- 下記一般式(1)で表される酸化物を少なくとも含むことを特徴とする、基準状態で負の熱膨張特性を有し、かつ板状、塊状、あるいはディスク状の形状の熱膨張抑制部材。
一般式(1)
(Bi1−xMx)NiO3
(MはLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Inのうちの少なくとも1種の元素である。xは0.02≦x≦0.15の数値を表す。) - 20℃における線膨張係数が−19×10−6/Kより絶対値が大きい負の値であることを特徴とする請求項1に記載の熱膨張抑制部材。
- 下記一般式(1)で表される酸化物を少なくとも含む基準状態で負の熱膨張特性を有し、かつ板状、塊状、あるいはディスク状の形状の熱膨張抑制部材を他の部材に接合あるいは分散させることで、前記他の部材との界面で発生する熱応力によって前記熱膨張抑制部材および前記他の部材からなる複合体全体の熱膨張を抑制することを特徴とする、熱膨張抑制方法。
一般式(1)
(Bi1−xMx)NiO3(MはLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Inのうちの少なくとも1種の元素である。xは0.02≦x≦0.15の数値を表す。)
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