JP7338881B2 - NEGATIVE THERMAL EXPANSION MATERIAL PARTICLE GROUP, COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME - Google Patents

NEGATIVE THERMAL EXPANSION MATERIAL PARTICLE GROUP, COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME Download PDF

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Description

本発明は、負熱膨張材料微粒子群、複合材料及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a negative thermal expansion material fine particle group, a composite material, and a method for producing the same.

一般的に、物質は温度上昇に伴って熱膨張することが知られている。しかしながら、近年における産業技術の高度な発達は、固体材料の宿命とも言える熱膨張すら制御することを求める。長さ変化率にして10ppm(10‐5)程度の、一般的な感覚からすればわずかな変化でも、ナノメートルレベルの高精度が求められる半導体デバイス製造や、部品のわずかな歪が機能に大きな影響を与える精密機器などの分野では大きな問題である。また、複数の素材を組み合わせたデバイスでは、構成素材それぞれの熱膨張の違いから、界面剥離や断線といった他の問題も生じることがあった。Generally, it is known that a substance thermally expands as its temperature rises. However, the advanced development of industrial technology in recent years calls for controlling even thermal expansion, which can be said to be the fate of solid materials. Even if the length change rate is about 10 ppm (10 -5 ), even if it is a slight change from the general sense, it is necessary to manufacture semiconductor devices that require high precision at the nanometer level. It is a big problem in fields such as precision instruments that have an effect. In addition, in devices that combine multiple materials, other problems such as interfacial peeling and wire breakage may occur due to differences in thermal expansion of the constituent materials.

一方、温度上昇に伴って格子体積が減少する(負の線膨張係数を持った)負熱膨張材料も知られている。例えば、負の線膨張係数を有するα‐Cuと正の線膨張係数を有するAlとを混合することで熱膨張を抑制する複合材料が知られている(例えば、非特許文献1。)。On the other hand, there is also known a negative thermal expansion material (having a negative coefficient of linear expansion) in which the lattice volume decreases as the temperature rises. For example, a composite material is known in which thermal expansion is suppressed by mixing α-Cu 2 V 2 O 7 having a negative coefficient of linear expansion and Al having a positive coefficient of linear expansion (for example, non-patent literature 1.).

α‐Cuは、線膨張係数にして‐5~‐6ppm/Kの負熱膨張を、室温から200℃の温度域で発現することが知られている。α-Cu 2 V 2 O 7 is known to exhibit negative thermal expansion with a coefficient of linear expansion of -5 to -6 ppm/K in the temperature range from room temperature to 200°C.

また、とりわけ、微細化、高機能化、複雑化が急速に進む電子デバイス分野では、構成素材間の熱膨張差が剥離や断線といった深刻な問題を生み、熱膨張の制御は喫緊の課題となっている(例えば、非特許文献2)。電子デバイス分野での熱膨張制御には、樹脂フィルム、接着剤、層間充填剤、基板といった部材の熱膨張制御が不可欠とされているが、それらの部材は数μm程度のサイズで用いることが想定されており、実現には熱膨張抑制剤をサブミクロンから1μm程度に微細化する必要がある。 Especially in the field of electronic devices, where miniaturization, sophistication, and complexity are rapidly progressing, the difference in thermal expansion between constituent materials creates serious problems such as peeling and disconnection, making thermal expansion control an urgent issue. (For example, Non-Patent Document 2). Thermal expansion control of materials such as resin films, adhesives, interlayer fillers, and substrates is essential for thermal expansion control in the field of electronic devices, and it is assumed that these materials will be used in sizes of several micrometers. In order to achieve this, it is necessary to reduce the size of the thermal expansion inhibitor from submicrons to about 1 μm.

N. Zhang et al.、「Tailored thermal expansion and electrical properties of α‐Cu2V2O7/Al」、Ceramics International、2016、42、p.17004‐17008N. Zhang et al., "Tailored thermal expansion and electrical properties of α-Cu2V2O7/Al," Ceramics International, 2016, 42, p.17004-17008 H. Kino, T. Fukushima, and T. Tanaka, Proceedings of 2017 IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference, 1523 (2017). DOI: 10.1109/ECTC.2017.209H. Kino, T. Fukushima, and T. Tanaka, Proceedings of 2017 IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference, 1523 (2017). DOI: 10.1109/ECTC.2017.209 東亞合成、“負熱膨張性フィラー「ウルテア」”、グレード表、[online]、[平成31年1月13日検索]、インターネット<URL: http://www.toagosei.co.jp/products/performance_chemicals/amenity/pdf/ultea_01.pdf>Toagosei, "Negative thermal expansion filler 'Ultea'", grade table, [online], [searched on January 13, 2019], Internet <URL: http://www.toagosei.co.jp/products/ performance_chemicals/amenity/pdf/ultea_01.pdf>

しかしながら、バルク体や粗粉末で巨大な負熱膨張を示す材料であっても、微粒子化にともない負熱膨張が著しく損なわれることが多い。例えば、リン酸ジルコニウムを主体とする市販の負熱膨張性微粒子(非特許文献3)が知られるが、1μm程度の粒径でα=‐2ppm/Kであり、熱膨張抑制能力が十分でないという問題があった。 However, even in the case of a bulk material or a coarse powder material exhibiting a huge negative thermal expansion, the negative thermal expansion is often significantly impaired as the particles are made finer. For example, commercially available negative thermally expandable fine particles (Non-Patent Document 3) mainly composed of zirconium phosphate are known, but they have a particle size of about 1 μm and α = -2 ppm/K, and the ability to suppress thermal expansion is not sufficient. I had a problem.

そこで本開示の目的は、微粒子化した場合であっても広い温度範囲で大きな負熱膨張を示す負熱膨張材料微粒子群、複合材料及びその製造方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide a negative thermal expansion material fine particle group, a composite material, and a method for producing the same, which exhibit a large negative thermal expansion in a wide temperature range even when finely divided.

本開示の一態様は、上記目的を達成するため、以下の負熱膨張材料微粒子群、複合材料及びその製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, one aspect of the present disclosure provides the following negative thermal expansion material fine particle group, composite material, and method for producing the same.

一般式(1)Cu2‐X(RはZn、Ga、Feから選ばれる少なくとも1種の元素)で表され、負の線膨張係数を有し、レーザー回折/散乱式粒子径分布評価法による体積頻度中心粒径(メジアン径)が30nm~5μmの微粒子からなる負熱膨張材料微粒子群を提供する。
また、熱硬化樹脂中に前記負熱膨張材料微粒子群を含む複合材料を提供する。
また、金属と前記負熱膨張材料微粒子群との金属基複合材料を提供する。
また、Cu2‐X(RはZn、Ga、Feから選ばれる少なくとも1種の元素)で表される化合物の原材料及び有機酸からなる水溶液、又は無機塩水溶液、有機金属化合物水溶液を調製する調製工程と、
前記調製工程で得られた溶液をミスト化するミスト化工程と、
前記ミスト化工程で得られたミストをキャリアガスにより流通させながら600℃~1000℃の温度範囲で加熱処理する加熱工程とを有する負熱膨張材料微粒子群の製造方法を提供する。
Represented by the general formula (1) Cu 2-X R X V 2 O 7 (R is at least one element selected from Zn, Ga, and Fe), has a negative coefficient of linear expansion, and has a laser diffraction/scattering formula Provided is a negative thermal expansion material fine particle group comprising fine particles having a volume frequency center particle size (median diameter) of 30 nm to 5 μm according to a particle size distribution evaluation method.
Also provided is a composite material containing the negative thermal expansion material fine particle group in a thermosetting resin.
Also provided is a metal-based composite material of a metal and the negative thermal expansion material fine particle group.
In addition, an aqueous solution consisting of a raw material of a compound represented by Cu 2-X R X V 2 O 7 (R is at least one element selected from Zn, Ga, and Fe) and an organic acid, or an inorganic salt aqueous solution, an organic metal A preparation step of preparing an aqueous compound solution;
A misting step of misting the solution obtained in the preparation step;
and a heating step of heat-treating the mist obtained in the misting step in a temperature range of 600° C. to 1000° C. while circulating it with a carrier gas.

本開示によれば、微粒子化した場合であっても広い温度範囲で大きな負熱膨張を示す負熱膨張材料を達成することができる。 According to the present disclosure, it is possible to achieve a negative thermal expansion material that exhibits a large negative thermal expansion over a wide temperature range even when microparticulated.

図1は、実施の形態に係る負熱膨張材料微粒子群の製造方法を説明するための概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a method for producing a group of negative thermal expansion material fine particles according to an embodiment. 図2は、実施例における負熱膨張材料、エポキシ樹脂及びこれらの複合材料の線熱膨張を示すグラフ図である。FIG. 2 is a graph showing linear thermal expansion of a negative thermal expansion material, an epoxy resin, and a composite material thereof in Examples. 図3Aは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 3A is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図3Bは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 3B is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図3Bは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 3B is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図4Aは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 4A is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図4Bは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 4B is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図4Cは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 4C is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図5Aは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 5A is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図5Bは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 5B is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図5Bは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 5B is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図6は、実施例における負熱膨張材料微粒子群のX線回折による回折強度分布を示すグラフ図である。FIG. 6 is a graph showing the diffraction intensity distribution by X-ray diffraction of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図7Aは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 7A is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図7Bは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 7B is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図7Cは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 7C is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図7Dは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 7D is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図7Eは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 7E is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図8Aは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 8A is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図8Bは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 8B is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図8Cは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 8C is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図8Dは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 8D is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図8Eは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 8E is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図9Aは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 9A is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図9Bは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 9B is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図9Cは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 9C is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図9Dは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 9D is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図9Eは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 9E is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図10は、実施例における負熱膨張材料微粒子群のX線回折による回折強度分布を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the diffraction intensity distribution by X-ray diffraction of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図11Aは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 11A is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図11Bは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 11B is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図11Cは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 11C is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図11Dは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 11D is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図11Eは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 11E is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図12Aは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 12A is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図12Bは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 12B is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図12Cは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 12C is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図12Dは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 12D is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図12Eは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 12E is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図13Aは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 13A is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図13Bは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 13B is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図13Cは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 13C is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図13Dは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 13D is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図13Eは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。FIG. 13E is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図14は、実施例における負熱膨張材料微粒子群のX線回折による回折強度分布を示すグラフ図である。FIG. 14 is a graph showing the diffraction intensity distribution by X-ray diffraction of the negative thermal expansion material fine particle group in the example. 図15Aは、実施例における負熱膨張材料微粒子群のSEM画像であり、測定点を示したものである。FIG. 15A is an SEM image of the negative thermal expansion material fine particle group in Example, showing the measurement points. 図15Bは、測定点に対応するSEMにおいてEBSD法により得られた画像である。FIG. 15B is an image obtained by the EBSD method in the SEM corresponding to the measurement points. 図15Cは、測定点に対応するSEMにおいてEBSD法により得られた画像である。FIG. 15C is an image obtained by the EBSD method in the SEM corresponding to the measurement points. 図15Dは、測定点に対応するSEMにおいてEBSD法により得られた画像である。FIG. 15D is an image obtained by the EBSD method in the SEM corresponding to the measurement points. 図15Eは、測定点に対応するSEMにおいてEBSD法により得られた画像である。FIG. 15E is an image obtained by the EBSD method in the SEM corresponding to the measurement points. 図15Fは、測定点に対応するSEMにおいてEBSD法により得られた画像である。FIG. 15F is an image obtained by the EBSD method in the SEM corresponding to the measurement points. 図15Gは、測定点に対応するSEMにおいてEBSD法により得られた画像である。FIG. 15G is an image obtained by the EBSD method in the SEM corresponding to the measurement points. 図15Hは、測定点に対応するSEMにおいてEBSD法により得られた画像である。FIG. 15H is an image obtained by the EBSD method in the SEM corresponding to the measurement points. 図16は、負熱膨張材料の微粒子の構造を説明するための模式図である。FIG. 16 is a schematic diagram for explaining the structure of fine particles of a negative thermal expansion material. 図17は、実施例における負熱膨張材料、アルミニウム及びこれらの複合材料の線熱膨張を示すグラフ図である。FIG. 17 is a graph showing linear thermal expansion of negative thermal expansion materials, aluminum, and composite materials thereof in Examples.

[実施の形態]
(負熱膨張材料微粒子群の構成)
本願開示において、発明者らは負熱膨張が発現する物質の候補として、Cu系に注目した。結晶構造が直方晶のα‐Cuは、強誘電と弱常磁性が共存するマルチフェロイック物質として関心が持たれているが、室温を含むそれより高温側の比較的広い温度域で、焦電性に起因すると思われる、結晶格子の異方的な熱変形が見られる。この結果、広い温度範囲で温度の上昇に伴いユニットセル体積が収縮する負熱膨張が発現する。
[Embodiment]
(Structure of Negative Thermal Expansion Material Fine Particle Group)
In the disclosure of the present application, the inventors focused on the Cu 2 V 2 O 7 system as a candidate for a substance exhibiting negative thermal expansion. α-Cu 2 V 2 O 7 , which has a cubic crystal structure, is of interest as a multiferroic material in which ferroelectricity and weak paramagnetism coexist. Anisotropic thermal deformation of the crystal lattice is observed in the region, probably due to pyroelectricity. As a result, negative thermal expansion occurs in which the unit cell volume shrinks as the temperature rises over a wide temperature range.

Cuは様々な元素で置換することにより、直方晶のα相の他、単斜晶のβ相、三斜晶のγ相をとりうる。そこで、本発明者らは、Cuサイトの一部を他の元素で置換した場合に、従来のα‐Cu系では実現し得ない負熱膨張特性を発現することを見出し、当該構成を有する負熱膨張材料微粒子群、当該負熱膨張材料微粒子群を含む複合材料及びこれらの製造方法を考案した。By substituting Cu 2 V 2 O 7 with various elements, it can take a cubic α-phase, a monoclinic β-phase, and a triclinic γ-phase. Therefore, the present inventors have found that when part of the Cu site is replaced with another element, negative thermal expansion characteristics that cannot be realized in the conventional α-Cu 2 V 2 O 7 system are exhibited. A group of negative thermal expansion material particles having such a configuration, a composite material containing the group of negative thermal expansion material particles, and a method for producing these have been devised.

なお、ここで「微粒子」とは、さらに小さな単結晶粒からなる集合体のことであり(図16参照。)、「微粒子群」とは、レーザー回折/散乱式粒子径分布評価法による体積頻度中心粒径(メジアン径)が5μm以下の径を有する微粒子の集合であるものとする。なお、以下において「レーザー回折/散乱式粒子径分布評価法による体積頻度中心粒径(メジアン径)」のことを単に「粒子径」ということがある。また、微粒子の粒子径は以下に説明する製造方法の条件を変更することにより適宜大きさを変更可能である。本開示の負熱膨張材料粒子群は、温度範囲100~700Kの範囲で、上記粒子径において負の線膨張係数を有し、好ましくはα=‐3.5ppm/K未満、より好ましくはα=‐6ppm/K以下、さらに好ましくはα=‐10ppm/Kの線膨張係数を有するものである。 Here, the term "fine particles" refers to aggregates composed of even smaller single crystal grains (see Fig. 16), and the term "fine particles group" refers to the volume frequency according to the laser diffraction/scattering particle size distribution evaluation method. It is assumed to be an aggregate of fine particles having a center particle diameter (median diameter) of 5 μm or less. In the following, the "volume frequency median particle size (median size) determined by the laser diffraction/scattering particle size distribution evaluation method" may be simply referred to as "particle size". Also, the particle size of the fine particles can be appropriately changed by changing the conditions of the manufacturing method described below. The negative thermal expansion material particle group of the present disclosure has a negative linear expansion coefficient at the above particle diameter in the temperature range of 100 to 700 K, preferably less than α = -3.5 ppm/K, more preferably α = It has a coefficient of linear expansion of -6 ppm/K or less, more preferably α=-10 ppm/K.

当該負熱膨張材料の製造方法は、噴霧熱分解法(例えば、特許第5413898号参照。)による金属酸化物の微粒子の製造方法を利用するものである。詳細を以下に説明する。 The method for producing the negative thermal expansion material utilizes a method for producing fine particles of metal oxide by a spray pyrolysis method (see, for example, Japanese Patent No. 5413898). Details are described below.

(負熱膨張材料微粒子群の製造方法)
次に、本実施の形態の負熱膨張材料微粒子群の製造方法について説明する。
(Method for producing negative thermal expansion material fine particle group)
Next, a method for producing the negative thermal expansion material fine particle group according to the present embodiment will be described.

図1は、負熱膨張材料微粒子群の製造工程を方法するための概略図である。 FIG. 1 is a schematic diagram for a manufacturing process of a group of negative thermal expansion material fine particles.

負熱膨張材料製造装置100は、原料溶液からミスト10(エアロゾル)を生成する図示しないミスト発生器と、ミスト10を含むキャリアガスCGが流通する流通路101と、ミスト10を150~400℃で加熱処理して乾燥する乾燥炉102と、乾燥したミスト13を600~1000℃で加熱処理して熱分解する熱分解炉103と、熱分解の結果生成された微粒子16を回収する図示しない回収器とを有する。 Negative thermal expansion material manufacturing apparatus 100 includes a mist generator (not shown) that generates mist 10 (aerosol) from a raw material solution, a flow passage 101 through which carrier gas CG containing mist 10 flows, and mist 10 at 150 to 400 ° C. A drying furnace 102 that heats and dries, a thermal decomposition furnace 103 that heats and thermally decomposes the dried mist 13 at 600 to 1000° C., and a collection device (not shown) that collects fine particles 16 generated as a result of thermal decomposition. and

原料溶液としては、負熱膨張材料を生成するために、種々の原料試薬を用いることができる。具体的には、Cu2‐X(RはZn、Ga、Feから選ばれる少なくとも1種の元素)で表される化合物の原材料及び有機酸からなる水溶液、又は無機塩水溶液、有機金属化合物水溶液を調製し、用いる(調製工程)。Various raw material reagents can be used as the raw material solution in order to produce the negative thermal expansion material. Specifically, an aqueous solution or an inorganic salt aqueous solution consisting of raw materials of a compound represented by Cu 2-X R X V 2 O 7 (R is at least one element selected from Zn, Ga and Fe) and an organic acid , to prepare and use an aqueous organometallic compound solution (preparation step).

なお、Cu2‐XにおけるRにZnを用いた場合、室温で安定したβ相(単斜晶)の結晶構造が得られる。また、RにZnを用いた場合のXは、0.1~1であり、好ましくは、Xは0.15~0.5、より好ましくは0.15~0.3である。これにより、CuがRで置換されていないα‐Cuの線膨張係数に対し、絶対値の大きな線膨張係数となる。当該Xの数値範囲は以下の事実を根拠とするものである。When Zn is used for R in Cu 2-X R X V 2 O 7 , a stable β-phase (monoclinic) crystal structure is obtained at room temperature. When Zn is used for R, X is 0.1 to 1, preferably 0.15 to 0.5, more preferably 0.15 to 0.3. As a result, the coefficient of linear expansion has a larger absolute value than the coefficient of linear expansion of α-Cu 2 V 2 O 7 in which Cu is not substituted with R. The numerical range of X is based on the following facts.

まず、後述する本開示の実施例の条件X=0.2について結晶系がβ相となることがわかっている。また、非特許文献(J. Pommer et al., Physical Reviw B 67, 214410 (2003))により、熱膨張特性は報告されていないものの、Cu2‐xZnが広いxの範囲で合成されており、概ねx>0.15でβ相になることが知られている。これらを総合し、X=0.2の近傍では同様の性質を示すことが、物性物理学の知見から妥当に推論される。また、α相とβ相の相境界のxの値0.15は、あくまで試料合成条件等により変動することも考慮されるべきである。First, it is known that the crystal system becomes the β phase under the condition of X=0.2 in the examples of the present disclosure, which will be described later. In addition, although non-patent literature (J. Pommer et al., Physical Review B 67, 214410 (2003)) does not report thermal expansion characteristics, Cu 2-x Zn x V 2 O 7 has a wide range of x and is known to become a β phase when x>0.15. Combining these, it is reasonably inferred from knowledge of condensed matter physics that similar properties are exhibited in the vicinity of X=0.2. It should also be considered that the x value of 0.15 at the phase boundary between the α phase and the β phase varies depending on the sample synthesis conditions and the like.

さらに、α相であってもそのバルク体が負熱膨張特性を示すことは非特許文献1に示されるとおりであるので、仮にα相の結晶構造が得られとしても本開示の負熱膨張材料微粒子群の製造法は有効である。つまり、本開示において得られる結晶構造は必ずしもβ相に限られるものでなく、線膨張係数等の他の要件を満たせばα相であってもよい。この点も考慮されるべきである。 Furthermore, as shown in Non-Patent Document 1, the bulk body exhibits negative thermal expansion characteristics even in the α phase, so even if the crystal structure of the α phase is obtained, the negative thermal expansion material of the present disclosure A method for producing a microparticle group is effective. That is, the crystal structure obtained in the present disclosure is not necessarily limited to the β-phase, and may be the α-phase as long as other requirements such as the coefficient of linear expansion are satisfied. This point should also be considered.

次に、原材料の化合物は、例えば酸化銅、酸化亜鉛、五酸化バナジウム等の酸化物を用いることができる。また、水溶液の有機酸は、例えばクエン酸や酢酸等を用いることができる。また、無機塩水溶液や有機金属化合物水溶液は、例えば金属硝酸塩、金属酢酸塩、金属硫酸塩、金属塩化物、金属脂肪酸、金属アルコキシド、金属アセチルアセトナートを用いることができる他、金属を硝酸、塩酸、硫酸などで溶解した水溶液を用いてもよい。 Next, as the raw material compounds, oxides such as copper oxide, zinc oxide, and vanadium pentoxide can be used. Moreover, the organic acid of aqueous solution can use a citric acid, an acetic acid, etc., for example. Inorganic salt aqueous solutions and organometallic compound aqueous solutions include, for example, metal nitrates, metal acetates, metal sulfates, metal chlorides, metal fatty acids, metal alkoxides, and metal acetylacetonates. , sulfuric acid, etc. may be used.

調製工程で得られた溶液を超音波振動子や二流体ノズル等であるミスト発生器でミスト化してミスト10とする(ミスト化工程)。ミスト10を構成する液滴の径は、ミスト発生方式等を変更することで調整する。 The solution obtained in the preparation step is turned into mist 10 by a mist generator such as an ultrasonic vibrator or a two-fluid nozzle (mist formation step). The diameter of the droplets forming the mist 10 is adjusted by changing the mist generation method or the like.

ミスト化工程で発生させたミスト10を、流通路101のうち乾燥炉102に対応する加熱空間をキャリアガスCGによって流通させながら150℃~400℃の温度範囲で加熱処理する(乾燥工程)。乾燥炉102の加熱空間を流通するミスト10は150℃~400℃の温度範囲で加熱されることで、ミスト11、ミスト12、ミスト13と徐々に乾燥する。ミスト10~13を流通させるキャリアガスCGには例えば空気が用いられる。空気以外に窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスや、水素ガス等の還元ガスを用いてもよい。 The mist 10 generated in the misting process is heat-treated in the temperature range of 150° C. to 400° C. while flowing the carrier gas CG through the heating space corresponding to the drying furnace 102 in the flow path 101 (drying process). The mist 10 flowing through the heating space of the drying furnace 102 is heated in the temperature range of 150° C. to 400° C., and is gradually dried into mist 11, mist 12, and mist 13. FIG. Air, for example, is used as the carrier gas CG for circulating the mists 10-13. In addition to air, an inert gas such as nitrogen gas or argon gas, or a reducing gas such as hydrogen gas may be used.

次に、流通路101のうち熱分解炉103に対応する加熱空間をキャリアガスCGによって流通させながら600℃~1000℃の温度範囲で加熱処理する(加熱工程)。熱分解炉103の加熱空間を流通する乾燥結果物14はさらに600℃~1000℃の温度範囲で加熱され、熱分解及び固相反応し、ほとんどの熱分解中の粒子15が熱分解後の微粒子16となる。 Next, heat treatment is performed in a temperature range of 600° C. to 1000° C. while the carrier gas CG is circulated in the heating space corresponding to the pyrolysis furnace 103 in the flow path 101 (heating step). The dried product 14 flowing through the heating space of the pyrolysis furnace 103 is further heated in the temperature range of 600° C. to 1000° C., thermally decomposed and undergoes a solid phase reaction, and most of the particles 15 during pyrolysis are fine particles after pyrolysis. 16.

次に、加熱工程で得られた結果物を、例えば600℃~1000℃の温度範囲で再度熱処理(焼成)する(二次焼成工程)。二次焼成工程は、電気炉などを用いて所定の雰囲気中で行なう。これにより結果物に含まれる熱分解が完了していない乾燥結果物14及び熱分解中の粒子15、つまり有機酸塩の粒子が分解され、微粒子16になり微粒子群として回収される。 Next, the resulting product obtained in the heating step is heat-treated (fired) again at a temperature range of, for example, 600° C. to 1000° C. (secondary firing step). The secondary firing process is performed in a predetermined atmosphere using an electric furnace or the like. As a result, the dried product 14 incompletely pyrolyzed and the particles 15 in the process of pyrolysis contained in the resulting product, that is, the organic acid salt particles, are decomposed into fine particles 16 and collected as a fine particle group.

なお、二次焼成工程は必ずしも必要ではない。例えば、加熱工程における熱分解炉103に対応した加熱空間をより多く確保し、且つキャリアガスCGの流量を調整することで、二次焼成工程を経ることなく二次焼成工程を経た場合と同様の負熱膨張材料の微粒子16を得ることができる。この場合、ワンプロセスの工程となるため、加熱工程と分けて二次焼成工程を実施する場合に比べて製造コストを減少することができる。 In addition, the secondary baking process is not necessarily required. For example, by securing a larger heating space corresponding to the pyrolysis furnace 103 in the heating process and adjusting the flow rate of the carrier gas CG, the same effect as in the case of going through the secondary firing process without going through the secondary firing process can be achieved. Fine particles 16 of negative thermal expansion material can be obtained. In this case, since it is a one-process process, the manufacturing cost can be reduced compared to the case where the secondary baking process is performed separately from the heating process.

なお、噴霧熱分解時の温度、キャリアガスCGの流量、ミスト炉内滞留時間、原料溶液濃度等を調整することで、所望の組成、微構造、内部構造、並びに粒子径の微粒子16を得ることができる。 By adjusting the temperature during spray pyrolysis, the flow rate of the carrier gas CG, the residence time in the mist furnace, the raw material solution concentration, etc., it is possible to obtain the fine particles 16 having a desired composition, microstructure, internal structure, and particle size. can be done.

上記製造方法により生成された微粒子群に含まれる微粒子の構造は模式的に図16に示すようなものとなる。 The structure of the microparticles contained in the microparticle group produced by the above manufacturing method is schematically shown in FIG.

図16は、微粒子16の構造を説明するための模式図である。 FIG. 16 is a schematic diagram for explaining the structure of the fine particles 16. As shown in FIG.

微粒子16は、複数の結晶粒160~163の集合であって多結晶である。結晶粒160~163の結晶構造については、図15A~図15Hにおいて後述する。 The microparticles 16 are aggregates of a plurality of crystal grains 160 to 163 and are polycrystalline. The crystal structure of grains 160-163 will be described later in FIGS. 15A-15H.

次に、得られた微粒子16の微粒子群と、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂と所望の体積比で混合することで複合材料を得る。混合方法としては、ブレードミキサー、自転公転撹拌機等を採用する。 Next, a composite material is obtained by mixing a fine particle group of the obtained fine particles 16 with a thermosetting resin such as an epoxy resin in a desired volume ratio. As a mixing method, a blade mixer, a rotation-revolution stirrer, or the like is adopted.

[実施例]
上記実施の形態で説明した負熱膨張材料の製造方法に基づき、β‐Cu1.8Zn0.2の微粒子群を作製した(x=0.2)。
[Example]
A microparticle group of β-Cu 1.8 Zn 0.2 V 2 O 7 was produced (x=0.2) based on the manufacturing method of the negative thermal expansion material described in the above embodiment.

まず、調製工程として、化学量論比で秤量したCuO、ZnO及びVの原料試薬(粉末)を乳鉢で混合し、温度670℃の大気中で10hr焼成した。得られた粉末を、乳鉢ですり潰し、無水クエン酸とともに純水に溶かした。その際、試料粉末1gに対して無水クエン酸3g、純水100mLを加え、試料粉末が溶解するまでマグネティックスターラーを用いて撹拌した。なお、Vの代わりに、例えばVを用いてもよい。First, as a preparation process, raw reagents (powder) of CuO, ZnO and V 2 O 5 weighed in a stoichiometric ratio were mixed in a mortar and fired in the air at a temperature of 670° C. for 10 hours. The resulting powder was ground in a mortar and dissolved in pure water together with anhydrous citric acid. At that time, 3 g of anhydrous citric acid and 100 mL of pure water were added to 1 g of the sample powder, and the mixture was stirred using a magnetic stirrer until the sample powder was dissolved. Note that, for example, V 2 O 3 may be used instead of V 2 O 5 .

次に、得られた水溶液を液滴径3μmにミスト化し、乾燥炉温度400℃、熱分解炉温度600℃、キャリアガスCGの流量3.8L/min、ミスト炉内滞留時間7secの条件下で加熱して、平均粒子径2μmの負熱膨張材料の粒子を作製した。次に、得られた粒子について、670℃で10minの二次焼成を行い、負熱膨張材料微粒子群を得た。得られたβ‐Cu1.8Zn0.2微粒子群の平均粒子径は2μmであった。Next, the obtained aqueous solution was misted into droplets with a diameter of 3 μm, and the drying furnace temperature was 400° C., the pyrolysis furnace temperature was 600° C., the flow rate of the carrier gas CG was 3.8 L/min, and the residence time in the mist furnace was 7 sec. By heating, particles of the negative thermal expansion material having an average particle size of 2 μm were produced. Next, the obtained particles were subjected to secondary firing at 670° C. for 10 minutes to obtain a negative thermal expansion material fine particle group. The obtained β-Cu 1.8 Zn 0.2 V 2 O 7 fine particle group had an average particle size of 2 μm.

次に、得られた微粒子群と、エポキシ樹脂とを体積%で、それぞれ50対50で混合して複合材料とした。 Next, the obtained fine particles and the epoxy resin were mixed at a ratio of 50:50 by volume, respectively, to form a composite material.

図2は、実施例における負熱膨張材料、エポキシ樹脂及びこれらの複合材料の線熱膨張を示すグラフ図である。 FIG. 2 is a graph showing linear thermal expansion of a negative thermal expansion material, an epoxy resin, and a composite material thereof in Examples.

負熱膨張材料の線熱膨張は、微粒子を焼結させた試料について測定した。負熱膨張材料の線熱膨張は温度に対して直線的ではないので、以下に示される線膨張係数αの数値は平均された値である。複合則の予測(グラフ中の破線)とは、複合材料中において、負熱膨張材料、エポキシ樹脂それぞれが固有の熱膨張を示すと仮定して、体積比で案分したものである。図2に示すように、上記実施例で得られたβ‐Cu1.8Zn0.2からなる負熱膨張材料の線膨張係数αは‐10ppm/Kであった。一方、エポキシ樹脂の線膨張係数は70ppm/Kであり、負熱膨張材料とエポキシ樹脂との複合材料の線膨張係数が約26.7ppm/Kとなり、エポキシ樹脂の線膨張係数よりも抑制され、複合則の予測に対してやや抑えられていることがわかる。The linear thermal expansion of the negative thermal expansion material was measured for a sample in which fine particles were sintered. Since the linear thermal expansion of negative thermal expansion materials is not linear with temperature, the numerical values of the coefficient of linear expansion α shown below are average values. The prediction of the rule of composition (broken line in the graph) is a proportion by volume ratio assuming that the negative thermal expansion material and the epoxy resin each exhibit their own thermal expansion in the composite material. As shown in FIG. 2, the linear expansion coefficient α of the negative thermal expansion material composed of β-Cu 1.8 Zn 0.2 V 2 O 7 obtained in the above example was -10 ppm/K. On the other hand, the linear expansion coefficient of the epoxy resin is 70 ppm/K, and the linear expansion coefficient of the composite material of the negative thermal expansion material and the epoxy resin is about 26.7 ppm/K, which is suppressed more than the linear expansion coefficient of the epoxy resin. It can be seen that the prediction of the compound rule is somewhat suppressed.

なお、上記複合材料はエポキシ樹脂及び負熱膨張材料をそれぞれ体積比50:50で配合したものであるが、樹脂と負熱膨張性無機材料粒子の複合材料において、その配合比を変えたときに樹脂の熱膨張がどのように抑制されるかについては、非特許文献(K. Takenaka and M. Ichigo, Composites Science and Technology 104, 47‐51 (2014))などに詳しい解析が報告されており、本開示の実施例(体積比50:50で配合)の結果から、その他の配合比でも、配合比率に応じて熱膨張が抑制されることが容易に類推できる。 The above composite material is a mixture of an epoxy resin and a negative thermal expansion material at a volume ratio of 50:50, respectively. Non-patent literature (K. Takenaka and M. Ichigo, Composites Science and Technology 104, 47-51 (2014)) reports a detailed analysis of how the thermal expansion of the resin is suppressed. From the results of the examples of the present disclosure (blended at a volume ratio of 50:50), it can be easily inferred that thermal expansion is suppressed according to the blending ratio even at other blending ratios.

また、得られた微粒子群と、アルミニウム粉末とを体積%で、それぞれ30対70で混合した後、カーボン・ダイに挿入し、放電プラズマ焼結装置(シンテックス・ラボ;SPSシンテックス社製)により焼結して複合材料とした。焼結条件は、真空もしくはアルゴン雰囲気中で、40MPa、375℃、5minとした。 In addition, after mixing the obtained fine particle group and aluminum powder at a ratio of 30 to 70 by volume, respectively, it was inserted into a carbon die and a discharge plasma sintering apparatus (Syntex Lab; manufactured by SPS Syntex). sintered to form a composite material. The sintering conditions were 40 MPa, 375° C., and 5 min in a vacuum or argon atmosphere.

図17は、実施例における負熱膨張材料、アルミニウム及びこれらの複合材料の線熱膨張を示すグラフ図である。 FIG. 17 is a graph showing linear thermal expansion of negative thermal expansion materials, aluminum, and composite materials thereof in Examples.

負熱膨張材料の線熱膨張は、図2と同様である。複合則の予測(グラフ中の破線)とは、複合材料中において、負熱膨張材料、アルミニウムそれぞれが固有の熱膨張を示すと仮定して、体積比で案分したものである。図17に示すように、上記実施例で得られたβ‐Cu1.8Zn0.2からなる負熱膨張材料の線膨張係数αは‐10ppm/Kであった。一方、アルミニウムの線膨張係数は約20ppm/Kであり、負熱膨張材料とアルミニウムとの複合材料の線膨張係数が約17ppm/Kとなり、アルミニウムの線膨張係数よりも抑制され、複合則の予測に対してやや大きいことがわかる。The linear thermal expansion of the negative thermal expansion material is the same as in FIG. The prediction of the rule of composition (broken line in the graph) is a proportion by volume ratio, assuming that the negative thermal expansion material and aluminum each exhibit their own thermal expansion in the composite material. As shown in FIG. 17, the linear expansion coefficient α of the negative thermal expansion material composed of β-Cu 1.8 Zn 0.2 V 2 O 7 obtained in the above example was −10 ppm/K. On the other hand, the linear expansion coefficient of aluminum is about 20 ppm/K, and the linear expansion coefficient of the composite material of the negative thermal expansion material and aluminum is about 17 ppm/K, which is suppressed more than the linear expansion coefficient of aluminum, and the prediction of the rule of combination It can be seen that it is slightly larger than

なお、上記複合材料は負熱膨張材料及びアルミニウムをそれぞれ体積比30:70で配合したものであるが、樹脂の場合と同様に、本開示の実施例(体積比30:70で配合)の結果から、その他の配合比でも、配合比率に応じて熱膨張が抑制されることが類推できる。また、アルミニウムと負熱膨張材料との複合化は焼結に限られるものではなく、複合化の結果、金属基複合材料となるものであればその方法は問わない。 The above composite material is a mixture of a negative thermal expansion material and aluminum in a volume ratio of 30:70, respectively. Therefore, it can be inferred that thermal expansion is suppressed depending on the compounding ratio even at other compounding ratios. Compositing of aluminum and a negative thermal expansion material is not limited to sintering, and any method may be used as long as a metal matrix composite material is obtained as a result of compositing.

また、次に上記実施例の条件において得られた微粒子について、二次焼成の条件を変え、複数条件下で二次焼成工程を行った。なお、以下において記載のない限り、電気炉中に微粒子を配置して温度速度10℃/minにて常温から目標焼成温度まで上昇させ、その後記載の温度に維持しながら二次焼成し、その後常温まで温度を下げることにより行った。 Next, the fine particles obtained under the conditions of the above Examples were subjected to the secondary firing process under a plurality of conditions, with different secondary firing conditions. In addition, unless otherwise stated below, fine particles are placed in an electric furnace and the temperature is raised from room temperature to the target firing temperature at a temperature rate of 10 ° C./min, then secondary firing is performed while maintaining the stated temperature, and then room temperature. was performed by lowering the temperature to

(二次焼成工程‐温度条件1)
以下の図3A~図3Cの走査型顕微鏡画像は、二次焼成工程を大気雰囲気下、670℃、5hrの条件で生成して得られた微粒子群を撮影して得られたものである。また、図4A~図4Cの走査型顕微鏡画像は、二次焼成工程を大気雰囲気下、620℃、5hrの条件で生成して得られた微粒子群を撮影して得られたものである。また、図5A~図5Cの走査型顕微鏡画像は、二次焼成工程を大気雰囲気下、580℃、5hrの条件で生成して得られた微粒子群を撮影して得られたものである。さらに、図6は、二次焼成工程の温度条件を変更した場合における負熱膨張材料微粒子群のX線回折から得られた回折強度分布を示すグラフ図である。
(Secondary firing step-temperature condition 1)
The following scanning microscope images of FIGS. 3A to 3C were obtained by photographing fine particle groups obtained by performing the secondary firing process under the conditions of 670° C. and 5 hours in an air atmosphere. The scanning microscope images of FIGS. 4A to 4C were obtained by photographing fine particle groups obtained by performing the secondary firing process under the conditions of 620° C. and 5 hours in an air atmosphere. The scanning microscope images of FIGS. 5A to 5C were obtained by photographing fine particle groups obtained by performing the secondary firing process under the conditions of 580° C. and 5 hours in an air atmosphere. Furthermore, FIG. 6 is a graph showing the diffraction intensity distribution obtained from the X-ray diffraction of the negative thermal expansion material fine particle group when the temperature conditions of the secondary firing process are changed.

図3A~図3Cは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。 3A to 3C are FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) images showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example.

図3A~図3Cは、それぞれ異なる倍率(3,000倍、5,000倍、10,000倍)において、負熱膨張材料微粒子群を観測した走査型電子顕微鏡画像であり、微粒子群の粒子形状が良好に制御されていることが確認された。なお、観察には日本電子株式会社製の走査型電子顕微鏡を用いた。 3A to 3C are scanning electron microscope images of the negative thermal expansion material fine particle group observed at different magnifications (3,000 times, 5,000 times, and 10,000 times). was found to be well controlled. For observation, a scanning electron microscope manufactured by JEOL Ltd. was used.

図4A~図4Cは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。 4A to 4C are FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) images showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example.

図4A~図4Cは、それぞれ異なる倍率(3,000倍、5,000倍、10,000倍)において、負熱膨張材料微粒子群を観測した走査型電子顕微鏡画像であり、微粒子群の粒子形状が良好に制御されていることが確認された。 4A to 4C are scanning electron microscope images of negative thermal expansion material fine particle groups observed at different magnifications (3,000 times, 5,000 times, and 10,000 times). was found to be well controlled.

図5A~図5Cは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。 5A to 5C are FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) images showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example.

図5A~図5Cは、それぞれ異なる倍率(3,000倍、5,000倍、10,000倍)において、負熱膨張材料微粒子群を観測した走査型電子顕微鏡画像であり、微粒子群の粒子形状が良好に制御されていることが確認された。 5A to 5C are scanning electron microscope images of negative thermal expansion material fine particle groups observed at different magnifications (3,000 times, 5,000 times, and 10,000 times). was found to be well controlled.

図6は、実施例における負熱膨張材料微粒子群のX線回折による回折強度分布を示すグラフ図である。 FIG. 6 is a graph showing the diffraction intensity distribution by X-ray diffraction of the negative thermal expansion material fine particle group in the example.

二次焼成工程のいずれの温度条件においても、結晶構造が良好であることがわかる。 It can be seen that the crystal structure is good under any temperature conditions in the secondary firing step.

以上より、二次焼成工程の温度条件を変更して実施したことで、二次焼成の温度条件として少なくとも670℃以下において微粒子群の粒子形状が良好に制御されることがわかった。 From the above, it was found that the particle shape of the fine particle group was well controlled at least at 670° C. or lower as the temperature condition of the secondary firing by changing the temperature conditions of the secondary firing step.

(二次焼成工程‐時間条件)
以下の図7A~図7Eの走査型顕微鏡画像は、二次焼成工程を大気雰囲気下、670℃であって、それぞれ時間を2hr;5℃/min、1hr;5℃/min、20min;5℃/min、10min;5℃/min、10min;10℃/minの条件で生成して得られた微粒子群を撮影して得られたものである。また、図8A~図8E並びに図9A~図9Eの走査型顕微鏡画像は、図7A~図7Eと同様の条件で撮影倍率を変更したものである。さらに、図10は、二次焼成工程の温度条件を変更した場合における負熱膨張材料微粒子群のX線回折から得られた回折強度分布を示すグラフ図である。
(Secondary baking step-time conditions)
The following scanning microscope images in FIGS. 7A to 7E show that the secondary firing process was performed at 670° C. in an air atmosphere for 2 hours; 5° C./min, 1 hour; 5° C./min, 20 min; /min, 10 min; 5°C/min, 10 min; 10°C/min. The scanning microscope images of FIGS. 8A to 8E and FIGS. 9A to 9E are obtained by changing the photographing magnification under the same conditions as in FIGS. 7A to 7E. Furthermore, FIG. 10 is a graph showing the diffraction intensity distribution obtained from the X-ray diffraction of the negative thermal expansion material fine particle group when the temperature conditions of the secondary firing process are changed.

図7A~図7Eは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。 7A to 7E are FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) images showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example.

図7A~図7Eは、3,000倍において、負熱膨張材料微粒子群を観測した走査型電子顕微鏡画像である。なお、観察には日本電子株式会社製の走査型電子顕微鏡を用いた。 7A to 7E are scanning electron microscope images of negative thermal expansion material microparticles observed at 3,000 times. For observation, a scanning electron microscope manufactured by JEOL Ltd. was used.

図8A~図8Eは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。 8A to 8E are FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) images showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example.

図8A~図8Eは、5,000倍において、負熱膨張材料微粒子群を観測した走査型電子顕微鏡画像である。 8A to 8E are scanning electron microscope images of negative thermal expansion material microparticles observed at a magnification of 5,000.

図9A~図9Eは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。 9A to 9E are FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) images showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example.

図9A~図9Eは、10,000倍において、負熱膨張材料微粒子群を観測した走査型電子顕微鏡画像である。 9A to 9E are scanning electron microscope images of negative thermal expansion material fine particles observed at a magnification of 10,000.

以上より、二次焼成工程の時間条件を変更して実施したことで、670℃の条件下では焼成時間が20min以下の条件で、焼結が少なく微粒子群の粒子形状が良好に制御されているが、焼成時間が1hr以上の場合は焼結が多く微粒子群の粒子形状が良好に制御されていないことがわかった。 As described above, by changing the time conditions of the secondary firing process, under the conditions of 670 ° C., the particle shape of the fine particle group is well controlled with little sintering under the conditions of 20 minutes or less firing time. However, it was found that when the firing time was 1 hour or more, sintering occurred frequently and the particle shape of the fine particle group was not well controlled.

図10は、実施例における負熱膨張材料微粒子群のX線回折による回折強度分布を示すグラフ図である。 FIG. 10 is a graph showing the diffraction intensity distribution by X-ray diffraction of the negative thermal expansion material fine particle group in the example.

二次焼成工程のいずれの温度条件においても、組成は良好であることがわかる。 It can be seen that the composition is good under any temperature conditions in the secondary firing process.

(二次焼成工程‐温度条件2)
以下の図11A~図11Eの走査型顕微鏡画像は、二次焼成工程を大気雰囲気下、それぞれ750℃;10min;40℃/min、720℃;10min;40℃/min、580℃;10min;40℃/min、670℃;10min;40℃/min、670℃;10min;10℃/minの条件で生成して得られた微粒子群を撮影して得られたものである。また、図12A~図12E並びに図13A~図13Eの走査型顕微鏡画像は、図11A~図11Eと同様の条件で撮影倍率を変更したものである。さらに、図14は、二次焼成工程の温度条件を変更した場合における負熱膨張材料微粒子群のX線回折から得られた回折強度分布を示すグラフ図である。
(Secondary firing step-temperature condition 2)
The following scanning microscope images of FIGS. C./min, 670.degree. C.; 10 min; 40.degree. C./min, 670.degree. C.; 10 min; 10.degree. Also, the scanning microscope images of FIGS. 12A to 12E and FIGS. 13A to 13E are obtained by changing the photographing magnification under the same conditions as those of FIGS. 11A to 11E. Furthermore, FIG. 14 is a graph showing the diffraction intensity distribution obtained from the X-ray diffraction of the negative thermal expansion material fine particle group when the temperature conditions of the secondary firing process are changed.

図11A~図11Eは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。 11A to 11E are FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) images showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example.

図11A~図11Eは、3,000倍において、負熱膨張材料微粒子群を観測した走査型電子顕微鏡画像である。なお、観察には日本電子株式会社製の走査型電子顕微鏡を用いた。 11A to 11E are scanning electron microscope images of negative thermal expansion material microparticles observed at 3,000 times. For observation, a scanning electron microscope manufactured by JEOL Ltd. was used.

図12A~図12Eは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。 12A to 12E are FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) images showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example.

図12A~図12Eは、5,000倍において、負熱膨張材料微粒子群を観測した走査型電子顕微鏡画像である。 12A to 12E are scanning electron microscope images of negative thermal expansion material microparticles observed at 5,000 times.

図13A~図13Eは、実施例における負熱膨張材料微粒子群の構造を示すFE‐SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)画像である。 13A to 13E are FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) images showing the structure of the negative thermal expansion material fine particle group in the example.

図13A~図13Eは、10,000倍において、負熱膨張材料微粒子群を観測した走査型電子顕微鏡画像である。 13A to 13E are scanning electron microscope images of negative thermal expansion material microparticles observed at 10,000 times.

以上より、二次焼成工程の時間条件を変更して実施したことで、焼成時間10minの条件下では焼成温度が670℃以下の条件で、焼結が少なく微粒子群の粒子形状が良好に制御されているが、焼成温度が720℃以上の場合は焼結が多く微粒子群の粒子形状が良好に制御されないことがわかった。 As described above, by changing the time conditions of the secondary firing process, under the condition of the firing time of 10 minutes and the firing temperature of 670 ° C. or less, there is little sintering and the particle shape of the fine particle group is well controlled. However, it was found that when the firing temperature is 720° C. or higher, sintering occurs frequently and the particle shape of the fine particle group cannot be well controlled.

図14は、実施例における負熱膨張材料微粒子群のX線回折による回折強度分布を示すグラフ図である。 FIG. 14 is a graph showing the diffraction intensity distribution by X-ray diffraction of the negative thermal expansion material fine particle group in the example.

二次焼成工程のいずれの温度条件においても、組成は良好であることがわかる。 It can be seen that the composition is good under any temperature conditions in the secondary firing process.

図15Aは、実施例における負熱膨張材料微粒子群のSEM(走査電子顕微鏡)画像(傾斜0°)であり、測定点p~pを示したものである。また、図15B~図15Hは、測定点p~pに対応して、SEM(走査電子顕微鏡)においてEBSD法により得られた画像である(下画像。上画像は測定点を示す、傾斜70°におけるSEM画像である。)。FIG. 15A is an SEM (Scanning Electron Microscope) image (tilt 0°) of the negative thermal expansion material fine particle group in the example, showing measurement points p 1 to p 7 . 15B to 15H are images obtained by the EBSD method in a SEM (scanning electron microscope) corresponding to the measurement points p 1 to p 7 (lower image; upper image shows the measurement points; SEM image at 70°).

なお、図15A~図15Hは、乾燥炉温度400℃、熱分解炉温度600℃、キャリアガスCGの流量3.8L/min、ミスト炉内滞留時間7secの条件で加熱工程を行い、670℃、10min、10℃/minの条件で二次焼成工程を行い、生成した負熱膨張材料の微粒子群について、エポキシ樹脂に包埋し、イオンミリングにより断面試料を作製し、加速電圧20kVの条件下で撮影した。 15A to 15H, the heating process is performed under the conditions of a drying furnace temperature of 400° C., a thermal decomposition furnace temperature of 600° C., a carrier gas CG flow rate of 3.8 L/min, and a residence time in the mist furnace of 7 sec. A secondary firing process is performed under the conditions of 10 min and 10° C./min, and the generated fine particle group of the negative thermal expansion material is embedded in epoxy resin, a cross-sectional sample is prepared by ion milling, and the acceleration voltage is 20 kV. I took a picture.

上記図15Aの画像によれば、複数の結晶粒から微粒子が構成されていることがわかる。測定点p~pは第1の結晶粒に属し、測定点pは第2の結晶粒に属し、測定点pは第3の結晶粒に属し、測定点p~pは第4の結晶粒に属する。According to the image of FIG. 15A, it can be seen that the fine particles are composed of a plurality of crystal grains. Measuring points p 1 to p 3 belong to the first grain, measuring point p 4 belongs to the second grain, measuring point p 5 belongs to the third grain, measuring points p 6 to p 7 belong to It belongs to the fourth grain.

図15B~図15Dの画像によれば、第1の結晶粒中における測定点p~pの結晶構造が同一であるため、第1結晶粒が結晶粒であることがわかる。図15G~図15Hの画像によれば、第4の結晶粒中における測定点p~pの結晶構造が同一であるため、第4結晶粒は結晶粒であることがわかる。さらに、第1結晶粒、第2結晶粒、第3結晶粒、第4結晶粒は、それぞれ結晶構造が異なることがわかる。つまり、微粒子は、それぞれ異なる結晶粒が複数凝集した構造となっている。According to the images of FIGS. 15B to 15D, the crystal structures of the measurement points p 1 to p 3 in the first crystal grain are the same, so it can be seen that the first crystal grain is a crystal grain. According to the images of FIGS. 15G to 15H, it can be seen that the fourth crystal grain is a crystal grain because the crystal structures of the measurement points p 6 to p 7 in the fourth crystal grain are the same. Furthermore, it can be seen that the crystal structures of the first crystal grains, the second crystal grains, the third crystal grains, and the fourth crystal grains are different from each other. In other words, the fine particles have a structure in which a plurality of different crystal grains are aggregated.

(実施の形態の効果)
上記した実施の形態及び実施例によれば、Cu2‐X(RはZn、Ga、Feから選ばれる少なくとも1種の元素。Xは、0.1~1。)で表される化合物の原材料及び有機酸からなる水溶液等を調製し、ミスト化してキャリアガスとともに乾燥、加熱して微粒子群を製造するようにしたため、レーザー回折/散乱式粒子径分布評価法による体積頻度中心粒径(メジアン径)を30nm~5μmの範囲に微粒子化した場合であっても、100~700Kという広い温度範囲において負の線膨張係数を有する負熱膨張材料を製造することができる。さらに、実施例においてはα=‐10ppm/Kの線膨張係数を達成することができた。
(Effect of Embodiment)
According to the above-described embodiments and examples, Cu 2-X R X V 2 O 7 (R is at least one element selected from Zn, Ga, and Fe; X is 0.1 to 1). An aqueous solution or the like consisting of the raw material of the compound represented and an organic acid was prepared, turned into a mist, dried with a carrier gas, and heated to produce a fine particle group, so the volume frequency by the laser diffraction/scattering particle size distribution evaluation method A negative thermal expansion material having a negative coefficient of linear expansion in a wide temperature range of 100 to 700K can be produced even when the central particle diameter (median diameter) is in the range of 30 nm to 5 μm. Furthermore, a linear expansion coefficient of α=-10 ppm/K could be achieved in the example.

また、負熱膨張材料を微粒子群として製造したため所望の樹脂に容易に混ぜることができるとともに、微粒子であるため樹脂全体に均一に拡散した複合材料を得ることができ、さらに、複合材料の全体に渡って均一に熱膨張を抑制する効果を得ることができる。 In addition, since the negative thermal expansion material is produced as a fine particle group, it can be easily mixed with the desired resin, and since it is fine particles, it is possible to obtain a composite material that is uniformly dispersed throughout the resin. It is possible to obtain the effect of uniformly suppressing thermal expansion over the entire length.

[他の実施の形態]
なお、本開示は、上記実施の形態に限定されず、上記実施の形態で説明した各工程や各材料の組み合わせの変更、削除、追加等は本開示の要旨を変更しない範囲内で可能である。
[Other embodiments]
In addition, the present disclosure is not limited to the above embodiments, and changes, deletions, additions, etc. of the combinations of each process and each material described in the above embodiments are possible within the scope of not changing the gist of the present disclosure. .

広い温度範囲で大きな負熱膨張を示すとともに、所望の粒子特性を有する負熱膨張材料微粒子群、複合材料及びその製造方法を提供する。 Provided are a group of negative thermal expansion material fine particles, a composite material, and a method for producing the same, which exhibit large negative thermal expansion over a wide temperature range and have desired particle characteristics.

10~13:ミスト
14 :乾燥結果物
15 :粒子
16 :微粒子
100 :負熱膨張材料製造装置
101 :流通路
102 :乾燥炉
103 :熱分解炉
CG :キャリアガス

10 to 13: Mist 14: Dried product 15: Particles 16: Fine particles 100: Negative thermal expansion material manufacturing device 101: Flow path 102: Drying furnace 103: Pyrolysis furnace CG: Carrier gas

Claims (9)

一般式(1)Cu2-X(RはZn、Ga、Feから選ばれる少なくとも1種の元素、Xは0.1~1)で表され、100~700Kの温度範囲で平均した値として-6ppm/K以下の線膨張係数を有し、レーザー回折/散乱式粒子径分布評価法による体積頻度中心粒径(メジアン径)が30nm~5μmである負熱膨張材料微粒子群。 Represented by the general formula (1) Cu 2-X R X V 2 O 7 (R is at least one element selected from Zn, Ga and Fe , X is 0.1 to 1 ), and the temperature range is 100 to 700 K Negative thermal expansion material fine particle group having a linear expansion coefficient of −6 ppm/K or less as an average value at , and a volume frequency median particle diameter (median diameter) of 30 nm to 5 μm according to a laser diffraction/scattering particle size distribution evaluation method . 前記RはZnであることを特徴とする請求項に記載の負熱膨張材料微粒子群。 2. The group of negative thermal expansion material fine particles according to claim 1 , wherein said R is Zn. 単斜晶のβ相であることを特徴とする請求項1又は2に記載の負熱膨張材料微粒子群。 3. The negative thermal expansion material fine particle group according to claim 1 or 2, characterized in that it is a monoclinic β phase. 熱硬化樹脂中に請求項1~のいずれか1項に記載の負熱膨張材料微粒子群を含む複合材料。 A composite material containing the negative thermal expansion material fine particle group according to any one of claims 1 to 3 in a thermosetting resin. 金属と請求項1~のいずれか1項に記載の負熱膨張材料微粒子群との金属基複合材料。 A metal-based composite material comprising a metal and the negative thermal expansion material fine particle group according to any one of claims 1 to 3 . Cu2‐X(RはZn、Ga、Feから選ばれる少なくとも1種の元素、Xは0.1~1)で表される化合物の原材料及び有機酸からなる水溶液、又は無機塩水溶液、有機金属化合物水溶液を調製する調製工程と、
前記調製工程で得られた溶液をミスト化するミスト化工程と、
前記ミスト化工程で得られたミストをキャリアガスにより流通させながら600℃~1000℃の温度範囲で加熱処理する加熱工程とを有する線膨張係数が100~700Kの温度範囲で平均した値として-6ppm/K以下の負熱膨張材料微粒子群の製造方法。
Cu 2-X R X V 2 O 7 (R is at least one element selected from Zn, Ga and Fe , X is 0.1 to 1 ) and an aqueous solution consisting of a raw material of a compound represented by an organic acid, or a preparation step of preparing an aqueous inorganic salt solution and an aqueous organometallic compound solution;
A misting step of misting the solution obtained in the preparation step;
A heating step of heat-treating the mist obtained in the misting step in a temperature range of 600 ° C. to 1000 ° C. while circulating it with a carrier gas. A method for producing a negative thermal expansion material fine particle group of /K or less.
前記ミスト化工程の後、前記加熱工程の前に150℃~400℃の温度範囲で前記ミストを加熱処理する乾燥工程をさらに有する請求項に記載の負熱膨張材料微粒子群の製造方法。 7. The method for producing a negative thermal expansion material fine particle group according to claim 6 , further comprising a drying step of heat-treating the mist in a temperature range of 150° C. to 400° C. after the misting step and before the heating step. 前記加熱工程により得られた負熱膨張材料の微粒子を580℃~1000℃の温度範囲で熱処理する二次焼成工程をさらに有する請求項又はに記載の負熱膨張材料微粒子群の製造方法。 8. The method for producing a group of negative thermal expansion material fine particles according to claim 6 , further comprising a secondary firing step of heat-treating the negative thermal expansion material fine particles obtained in the heating step at a temperature in the range of 580.degree. C. to 1000.degree. 前記二次焼成工程は580℃~670℃の温度範囲で、10~600分間熱処理する請求項に記載の負熱膨張材料微粒子群の製造方法。 9. The method for producing a negative thermal expansion material fine particle group according to claim 8 , wherein the secondary firing step is a heat treatment at a temperature range of 580° C. to 670° C. for 10 to 600 minutes.
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