JPH03187916A - β″アルミナ類似化合物の製造方法及び該方法で製造したβ″アルミナ類似化合物 - Google Patents

β″アルミナ類似化合物の製造方法及び該方法で製造したβ″アルミナ類似化合物

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JPH03187916A
JPH03187916A JP2305913A JP30591390A JPH03187916A JP H03187916 A JPH03187916 A JP H03187916A JP 2305913 A JP2305913 A JP 2305913A JP 30591390 A JP30591390 A JP 30591390A JP H03187916 A JPH03187916 A JP H03187916A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、β″アルミナのNaイオンの少なくとも一部
をその他の金属カチオンて置換したβ″アルミナ類似化
合物(ana Iogue)を製造する方法と、そのよ
うな類似化合物を含有する多結晶質の加工品を製造する
方法と、この方法で製造した製品とに係わる。
β″アルミナ(即ちナトリウムβ″アルミナ)は、理想
の化学式がNa2O・5Δ12o:lであるアルミン酸
ナトリウムで層状構造を有し、この構造においてナトリ
ウムイオンはアルミニウムイオン及び酸素イオンを含む
スピネル型構造の層と交互に重なる個別層中に存在する
。本発明による方法で製造したβ″アルミナ類似化合物
では、上記のような個別層中に存在するNaイオンの少
なくとも一部をその他の金属カチオンで置換しである。
β″アルミナは、酸化アルミニウム(^LO3)または
その前駆物質中に微細粒状の酸化ナトリウム(もしくは
ソーダNa20)を分散させて良く混ざり合った出発混
合物を製造し、この混合物をその少なくとも一部がβ″
アルミナに転化する転化温度に加熱することによって製
造し得る。場合によっては、特に混合物をβ″アルミナ
への転化が起こる転化温度より高い焼結温度で焼結して
β″アルミナ含有の多結晶質加工品を製造しようとする
場合は、焼結温度ではβ″アルミナが不安定でβアルミ
ナ(理想の化学式がNa2O・II八へ2C1,で、β
″アルミナ同様Naイオン層が^1及び0イオンを含む
層と交互に重なる層状スピネル型構造を有するが、その
抵抗率はβ″アルミナより高い)に戻る恐れが有るので
Li20(リチア)またはMgO(マグネシア)のよう
なスピネル安定化剤もしくはスピネル形成酸化物を出発
混合物に混合し得、このスピネル安定化剤は焼結温度に
おいて、また後に多結晶質加工品冷却の際にもβ″アル
ミナを安定化するべく機能する。
転化温度への加熱によって製造したβ″アルミナをスピ
ネル安定化剤もしくはスピネル形成酸化物を用いずに更
に加熱すると、温度が転化温度より高い転移温度を越え
たところでβ″アルミナはβアルミナに戻ってしまう。
即ち、リチア及びマグネシアなどであるパスピネル形成
酸化物“もしくは゛スピネル安定化剤°′とは、βアル
ミナ中に分散させた場合該βアルミナ中にあるいは生じ
たβ″アルミナを転移温度より高い温度で安定化する酸
化物のことである。スピネル安定化剤が存在しないと生
じたβ″アルミナも普通転移温度より高温でβアルミナ
に戻ってしまうので、スピネル安定化剤を用いなければ
、βアルミナ含有圧縮粉を転移温度より高い焼結温度に
加熱してβ″アルミナ含有の焼結セラミック加工品を製
造することは困難または不可能である。
本出願人は、驚くべきことK、β〜アルミナのNaイオ
ン層中のNaイオンの少なくとも一部を一価、一価また
は三価であり得る置換金属カチオンで置換して、置換金
属カチオンの固体電解質導電体であるβ″アルミナ類似
化合物を製造し得ること、及び1種以上の適当なスピネ
ル安定化剤を添加すれば製造したβ″アルミナ類似化合
物を焼結して、電気化学電池または燃料電池、ガス検出
装置等において置換金属カチオン導電性の、あるいはま
たヒドロニウムイオンとのイオン交換後であればヒドロ
ニウムイオン導電性の固体電解質として有用な多結晶質
加工品とし得ることを発見した。上記のような類似化合
物を製造するためには、出発混合物中の酸化ナトリウム
またはその前駆物質の少なくとも一部を置換金属カチオ
ンの酸化物またはその前駆物質に替え、また酸化アルミ
ニウムの前駆物質として、十分に発達し、かつきわめて
揃った結晶構造を有するベーマイトを用いる。
本明細書中、“置換金属カチオン酸化物の前駆物質°゛
とは、空気中で単独で700℃に加熱すると0 置換金属カチオン酸化物となる化合物のことであり、こ
の化合物中の非金属はいずれも、前駆物質が金属酸化物
に転化する反応で生じる気体反応生成物の成分として金
属酸化物から排除できる。適当な前駆物質には、例えば
置換金属の水酸化物、炭酸塩及び硝酸塩が含まれる。パ
ベーマイト°′とはアルミナ−水和物(即ち酸化アルミ
ニウムー水和物、もしくはmが1〜1.3である八I□
Os ・mt120)の斜方晶系型のことであり、その
結晶格子は空間群[)17によって規定される対称性を
有する。
従って本発明は、β″アルミナのスピネル型構造のAl
及びOイオン層と交互に重なるNaイオン層中のNaイ
オンの少なくとも一部を、一価、二価及び三価の金属カ
チオン並びにこれらの混合物の中から選択した置換金属
カチオンで置換した層状β″アルミナスピネル型構造を
有するβ″アルミナ類似化合物を製造する方法であって
、 十分に発達し、かつきわめて揃った結晶構造を有するベ
ーマイト中に上記置換金属カチオンの少なくとも1種の
酸化物またはその前駆物質を分散させて出発混合物とす
るステップ、及び 出発混合物を該混合物の少なくとも一部がβ″アルミナ
類似化合物に転化する転化温度に加熱するステップ。
を含む方法を提供する。
本明細書中、゛十分に発達し、かつきわめて揃った結晶
構造を有するベーマイト′”とは、X線イオン拡張走査
電子顕微鏡法で測定した平均微結晶寸法が100Å以上
であり、X線回折で測定した平均底面間隔が6.8Å以
下であり、かつ空気中て20℃から700℃まで10℃
/minで加熱した時の質量損失が20質量%以下で、
質量損失率は400℃以上で最大となるベーマイトのこ
とである。
好ましくは、ベーマイトの平均微結晶寸法は少なくとも
1000人(更に好ましくは少なくとも8000人)で
あり、平均底面間隔は6.5Å以下であり、加1 2 熱時質量損失は17質量%以下で、質量損失率は500
℃以上の温度で最大となり、このようなベーマイトはA
l2O3・lllH2Oと表記し得るその式中用が1.
05以下であり、水熱反応で製造てきる。好ましくは、
ベーマイトは輪が1である式^1□0.・mH2O、即
ち式へ120.・It20もしくは式^100Hを有し
、かつ好ましくは水熱反応で製造できる。“水熱反応で
製造°”とは、Bayer法で製造したアルミナ三水和
物(酸化アルミニウム三水相物)を温度150〜300
℃の水または稀釈アルカリ水溶液中で水熱反応によって
ベーマイトに転化させることによりベーマイトを製造す
ることを意味する。上記Bayer法は、VanNor
strand Re1nhold Co、のConde
nsed ChemicalDictionary(G
essner G、 Hau+ley改訂第9版、19
77年)の第94ページに記載されている。アルミナ三
水和物を水熱反応によってベーマイトに転化させること
は、2.^norg、^l1g、 CheL、 171
.232−243 (192B)所載のHutjig等
の論文” Informationon the Sy
stem Al2O:l ・1120”に開示されてい
る。
ベーマイトは特K、英国内でBA Chemicals
 PlcGerrards Cross、 Bucki
nghamshire、 Englandから商標”C
era Hydrate”の下に市販されているベーマ
イトであり得る。Cera Hydrateベーマイト
は水熱反応で製造でき、かつその平均微結晶寸法、平均
底面間隔、加熱時質量損失及び質量損失最大速度は先に
提示した好ましい範囲内に有る。実際、BA Chem
icals Plcによって市販されているCeraH
ydrateベーマイトはBrunauer、 Em’
mett andTel Ier(BET)窒素吸収法
で測定して5 m 27 g未満の比表面積と、走査電
子顕微鏡法で測定して10000〜50000人、即ち
例えば10000〜20000人の平均微結晶寸法とを
有し、20℃から700℃まで10℃/III i n
で加熱すると470〜550℃の温度でその脱水の大部
分が実現する。この点に関して、理論上理想的である純
粋な結晶構造を有するベーマイトの平均底面間隔が約6
.11人であり、また20℃から7QO℃まて3 4 10℃/m i nで加熱した時の質量損失か約15質
量%で、そのように加熱した時の最大の質量損失率[熱
重量測定(TG八)曲線の極大点]は約540°Cて実
現することに留意するへきである。
本出願人は、ベーマイトが本発明の方法ての使用に適し
た、十分に発達し、かつきわめて揃った結晶構造を有す
るかとうかは、ベーマイトを空気中で単独で加熱するこ
とにより暇焼してからX線回折法を適用すれば、そのX
線回折1−レースの分析結果から決定できることを発見
した。上記のような1〜レースを得てそれを分析する方
法は、本明細書に参考として含まれる英国特許第217
5582号に余すところなく開示されている。好ましく
は、本発明に用いるヘーマイ1〜が有する、英国特許第
2175582号に規定された八/S及びB/Sの値は
■焼後0.03及び0.04をそれぞれ上回り、更に好
ましくは共に0,05より大きく、特に0.09及び0
.07をそれぞれ上回る。
先に示したようにl\−マイ1への微結晶寸法が大きい
ことは、生成物中に所望の類似化合物が高い比率で存在
することに寄与し、そのような高比率の実現にはベーマ
イトの比表面積が小さいこと、及び高温加熱時の脱ヒド
ロキシル化による質量損失が僅かであることも寄与し、
これらの諸特性は八/S及びB/Sの値が大きいことに
関連すると考えられる。微結晶寸法1000人及び80
00人が比表面積的10m27g及び約5 m 27 
gにそれぞれ対応すると考えられる。
先に述べたようK、本発明の方法は加熱温度に従属して
、単K、例えば粉末状であるβ″アルミナ類似化合物を
製造するのに用いたり、あるいはまたそのような類似化
合物を含有する多結晶質の圧縮焼結加工品の製造に用い
たりすることがてきる。例えば焼結加工品よりむしろ粉
末製品が必要である場合など、転移温度より高い温度ま
ての加熱を行なわない時はスピネル安定化剤は不要てあ
5 6 るが、焼結加工品を製造する場合は、完全に圧縮したセ
ラミック加工品を得るのに必要な温度がβ″アルミナ類
似化合物の転移温度より高ければ、そのような温度まで
の加熱の際にβ″アルミナ類似化合物が自身の転移温度
を越える温度てβアルミナ類似化合物に戻り、もしくは
分解するのを防止するためにスピネル安定化剤の使用が
望ましくなり得る。
即ち、本発明の方法は、転化温度への加熱前に出発混合
物中に適当比率の、例えはマグネシアまたはリチアのよ
うなスピネル安定化剤またはその前駆物質を均等に分散
させるステップを含み得る。
上記スピネル安定化剤またはその前駆物質、及び任意に
用いるソーダは出発混合物中に置換金属酸化物またはそ
の前駆物質と共に好ましく分散させることができ、この
ような分散は常K、ベーマイトをその転化温度に加熱す
る前に好ましく実現するべきである。即ち、英国特許第
2175582号にβ″アルミナの製造に関して述べで
あるようK、上記のような分散の前にベーマイトを空気
中て転化温度より低い温度に加熱し、脱水することによ
って■焼し得、その際加熱温度は700°Cが好ましく
、また加熱速度は広い範囲内で適宜変更し得るが、10
℃/minが適当である。スピネル安定化剤は、転化温
度に加熱後の出発混合物か0.05〜40質量%のスピ
ネル安定化剤を含有するような比率て用い得る。スピネ
ル安定化剤がリチアである場合、上記比率は0.05〜
1%、好ましくは02〜0.8%てあり得、マグネシア
の場合は0.25〜・5%、好ましくは25〜4%であ
り得る。他のスピネル安定化剤も通常同様比率で用い得
、また複数種のスピネル安定化剤の混合物を用いること
も可能で、その場合は許容可能な比率を通常の実験で確
定する。例えば、β″アルミナの安定化に関して、生成
するβ″アルミナの質量に基つき075質量%のリチア
は約4質量%のマグネシアに等価であることが判明し7 8 た。
複数種の出発物質を互いの中に分散させて出発混合物と
することは、混合物の粒径が30μm以下となり、好ま
しくは少なくとも80質量%の混合物の粒径が5500
0Å以下となるまで湿式磨砕なとの磨砕を行′なうこと
によって実現し得る。磨砕は、振動エネルギーミルで水
の存在下K、例えば2〜10時間以上実施する湿式磨砕
であり得る。この場合、ベーマイトに混入するスピネル
安定化剤、置換金属カチオンの酸化物及び任意に用いる
ソーダは、水溶性の水酸化物や炭酸塩または硝酸塩のよ
うな塩の水溶液として好ましく添加できる。湿式磨砕後
、水性の出発混合物を噴霧乾燥して、含水量が例えば2
〜10質量%である粉末とし得る。あるいは他の場合に
は、英国特許第2175582号に述べであるように出
発混合物のゲルを製造することも可能であり、このゲル
を磨砕後乾燥して含水量を2〜10質量%とじてから粉
砕し、上記と同様の粉末を得る。
加熱は、ベーマイトの温度が所期の加熱温度まで、途中
でピークまたはプラトーを生じずに漸次上昇するように
実施し得る。即ち、加熱は混合物の温度を所期の加熱温
度まで漸次、かつ連続的に上昇させる加熱手順に従って
実施し得、その後、加熱した混合物は、加熱生成物の温
度を周囲温度まで漸次、かつ連続的に低下させる冷却手
順に従って冷却させ得る。所期の加熱温度は上記冷却前
の所定の均熱期間中維持し得、混合物の加熱温度は10
00℃以上とし得る。
本発明の方法を単にβ″アルミナ類似化合物の製造に用
いる場合の加熱温度は、一般に可能なかぎり完全に圧縮
した単一の、もしくは一体内な自立型焼結加工品の製造
に必要な温度を下回る。加工品製造の場合は出発混合物
を、該混合物から単一自立物質を製造するのに十分な温
度である、通常1200℃を越える焼結温度に加熱する
。加工品を9 0 製造する際、出発混合物は加熱前に未処理状態で加工品
に成形し得る。含水量10質量%未溝の乾燥粉末状混合
物は加工品K、5000〜100000psi(lps
i= 6.894757x 10’Pa)の圧力でプレ
ス成形し得る。
成形方法は、圧力30000〜60000ps iでの
静水圧プレス成形であり得る。しかし、例えば噴霧乾燥
によって得られる乾燥粉末に対して普通は通常3000
0psiより大きい圧力での静水圧プレス成形を行なう
が、替わりに一軸ブレス成形またはダイプレス成形を行
なうことも可能である。諸成分を互いに混合するべく磨
砕することは典型的には、噴霧乾燥に適した固体含量約
50質量%のスリップを製造することであり、このスリ
ップを噴霧乾燥して含水量約2〜10質量%とする。
加工品を製造する場合、出発混合物は1550〜170
0℃、典型的には1600〜1630℃、好ましくは1
610〜1620℃に加熱し得る。混合物を加熱する速
度は、少なくとも550℃である温度から所期の加熱温
度より100℃以上低い温度までは150〜bその後所
期の温度に達するまでは100℃/ h r以下とし得
る。周囲温度から上記少なくとも550℃である温度ま
での混合物加熱速度は、好ましくは100’C/hr以
下とする。加熱速度を最初小さくすることによって、脱
水時に亀裂を生じるいかなる傾向も低減し、また最後に
小さくすることによって加工品の圧縮を行なうことがで
きる。
従って、混合物を周囲温度から所期の加熱温度まで加熱
する平均速度は、生のベーマイトを用いた場合通常30
0℃/hr以下である。しかし、■焼ベーマイトを用い
た場合は周囲温度から300℃/1】1以上で加熱し、
かつ必要であれば所期の温度に近付いた時加熱速度を落
とすことが可能である。
このようK、加熱時、出発混合物の温度は約550〜6
50℃で自由水、結合水その他のあらゆる揮発成分を総
て排除するまでは通常のセラミック製造でのように10
0℃/hrを下回る、即ち例えば60℃/h1 2 rの比較的小さい平均速度で上昇させ得、その後は温度
上昇速度を150〜b の加熱温度に達する僅が手前(ただし所期の温度との差
は100℃以上)まで維持し、更にその後再び落として
、100℃/hrを下回る比較的小さい速度、即ち例え
ば60℃/hrとし得る。温度上昇速度を最初小さくす
ることによって、加工品が亀裂発生その他のいかなる物
理的損傷を被ることも防止でき、また温度上昇速度を最
後に小さくすることによっては加工品の圧縮と、加熱さ
れた加工品全体において一律の温度プロフィールの実現
とが可能となる。
加熱温度の下限は、例えば電気化学電池の固体電解質ま
たはセパレーターとして用いる場合に最終加工品におい
て許容可能な電気抵抗率、並びに最終加工品の十分な焼
結度及び強度といっな諸要因に基づいて設定する。加熱
温度が約1600”Cより低いと、例えば電気化学電池
の固体電解質またはセパレーターとして用いようとして
も最終製品の電気抵抗率が高くなり、特に加工品の強度
は許容不能なほど低下する恐れが有る。
加工品は製造せず、単にβ″アルミナ類似化合物を含有
する粉末状もしくは粒状物質を製造する場合は、温度上
昇速度を最初小さくすることは最後に小さくすること同
様省略でき、また当然ながら加熱温度はより低く設定し
得る。
加熱を粉末状もしくは粒状製品の製造のためにだけ行な
う場合、加熱温度は実質的に加工品製造の場合より低く
設定でき、即ち例えば約1200’Cか、場合によって
は更に幾分低い温度とし得る。その際、加熱温度は製造
するβ″アルミナ類似化合物の量と、電力消費、炉に必
要な構成材料等のような諸要因との兼ね合いで選択する
。スピネル安定化剤は通常加工品製造の際に用いるが、
場合によっては加工品製造に用いるべく不定期間貯蔵す
る、部分的に処理した流動製品を製造する際にも、恐3 4 らくはより小さい比率で用い得る。
加工品製造の際に通常用いられている加熱手順では、出
発混合物を周囲温度から600°Cまで速度60℃/h
rで加熱し、次に600℃から1400°Cまで200
℃/hrて加熱し、続いて所期の加熱温度より約15℃
低い温度まで100℃/hrで加熱し、最後に約60℃
711rの速度で15分間はど加熱する。加熱速度を1
400℃において200℃/11rから100°C/h
rに変更し、かつ所期の温度より約15℃低い温度て1
00℃/hrから60’C/ h rに変更することは
用いる炉の諸特性によって規定されたもので、所期の加
熱温度に達するまで200℃/ h rの加熱速度の維
持を可能にする炉を用いれば上記のような速度変更は必
要ない。即ち、■焼ベーマイトを用いる場合、炉の性能
が許せば周囲温度から直接所期の加熱温度まで200〜
b/hrか、場合によっては更に大きい速度で加熱を実
施し得る。
加熱は、例えば電気炉か、場合によってはガス燃焼炉な
どの炉において該炉内に収容した試料を周囲温度から所
期の加熱温度まで加熱して行なっても、あるいはまた、
内部温度を所期の加熱温度に維持した炉に試料を適当速
度て通すことで行なってもよく、後者の場合炉は電気炉
であり得る。
本発明の方法で製造するβ″アルミナ類似化合物中のナ
トリウムイオン置換カチオンとしては様々な金属イオン
をそのイオン半径に従って、少なくとも場合により用い
得る。即ち、本発明に用いる置換金属カチオンは元素周
期表の 第1族のLi、 K、Rb、 Cs及びFr;第■族の
Be、 MB、Ca、Sr、Ba及びRa第■族のGa
、In及びT1; 第■族のGe、 Sn及びpb 第V族のAS、Sb及びBi; 第■族のSe、 Te及びPo: 第1遷移元素系列の原子番号21〜30の元素、即ちS
C−Zn・ 5 6 第2遷移元素系列の原子番号39〜48の元素、即ちY
〜Cd; 第3遷移元素系列の原子番号72〜80の元素、即ちH
f〜11g: 原子番号57〜71の元素である総てのランタニド、即
ちLa〜Lu;及び 原子番号89〜103の元素である総てのアクチニド、
即ち八〇〜I、w の中から選択し得る。
通常、ナトリウムカチオンのイオン半径に近似するイオ
ン半径を有する置換カチオンは比較的類似しないイオン
半径を有する置換カチオンより有望であると考えられる
。更K、置換カチオンの使用比率はその有用性に影響し
得、即ち同じ置換カチオンの優劣が使用比率次第で変化
する。
上記のような金属の酸化物またはその前駆物質は、本発
明に用いる置換金属カチオンを含有する物質として単独
でも、また規程かを混合しても用いることがてき、ソー
ダまたはその前駆物質を含有するか、または含有しない
混合物中に用いることも可能である。
従って、置換金属カチオンは、出発混合物を得るべくベ
ーマイト中に分散させた複数種の金属、複数種の金属酸
化物またはその前駆物質の金属カチオンであり得る。出
発混合物を製造する際、ベーマイト中には1種以上の置
換金属カチオン酸化物またはその前駆物質と共にソーダ
またはその前駆物質を分散させ得、あるいは他の場合に
は1種以上の置換金属カチオン酸化物をベーマイト中K
、ソータを一切伴わずに分散させ得る。
以前、アルミニウムイオン及び酸素イオンを含む層とナ
トリウムイオン層とが層状構造を成す、スピネル型構造
を有するβ″アルミナの製造にソーダまたはその前駆物
質を単独で、即ち置換金属カチオンを一切伴わずに用い
た際、転化温度への加熱後に95質量%以上のβ″アル
ミナを含有する7 8 製品を得るには、出発混合物でのNa2O:Al2O3
モル比に等価である出発物質比率を1 : 5.475
から1:10としなければならないことが判明した。上
記モル比の範囲は、製品中にソーダが質量で約1=9か
ら1 + 16.45の割合で、もしくは約5.7〜1
0質量%存在することに相当する。普通は約7〜10質
量%、即ち例えば9質量%のソーダを用いる。
ナトリウムの置換にカリウムのような一価の置換金属カ
チオンを用いる場合、出発物質比率は上記の場合同様、
゛X2吐^1□03モル比(Xは一価の置換カチオン)
″と表記する置換金属カチオン酸化物またはその前駆物
質の対ベーマイトモル比がやはり1 : 5.475か
ら1=10となるように選択するべきである。この範囲
内のモル比において、β″アルミナのナトリウムイオン
層中のナトリウムカチオンをカチオンXで置換したβ″
アルミナ類似X化合物を得ることができる。本出願人は
、×20:^I20、モル比が1 : 5.475から
1=8の時は普通、転移温度を上回る温度で、また16
00℃以上にも達する焼結温度で類似化合物のスピネル
型構造を保つには先に述べたLi2OまたはMgOのよ
うなスピネル安定化剤を先に示した質量比率以下の質量
比率て用いる必要が有ることを発見した。しかし、驚く
べきことK、本発明の方法により十分に発達し、かつ良
く揃った結晶構造を有するベーマイトを用い、しかもx
20:^1□03モル比と表記し得る出発物質比率を1
:8から1.10とすれば明らかK、1600℃までの
温度では何等かのスピネル安定化剤てスピネル型構造を
安定化する必要は無いことが判明した。
このことは、特に置換カチオンXとしてカリウムを用い
、かつCera 1lydrateベーマイトを用いる
場合に該当する。
ナトリウムの置換にバリウムのような二価の置換金属カ
チオンを用いる場合は出発物質比率を、”YO:Al2
O3モル比(Yは二価の置換カチオン)°“と表記する
置換金属カチオン酸化物またはその前駆9 0 物質の対ヘーマイ1〜モル比が1 : 2.875から
1・10となるように選択するl\きである。驚くへき
ことK、この場合も本出願人は、YO1Δ1203モル
比力弓8から1:10てあれば、特にYかBaである場
aスピネル安定化剤は不要であることを発見した。Y〇
八へ、03モル比が1:5から1:8の時は普通、Li
2O及びMgOを含めた先に述べたようなスピネル安定
化剤を先に示した質量比率以下の質量比率て用い得、ま
たY〇  へ1203モル比か1 : 2.875から
1.5の時は、T−゛またはZS’のような四価のカチ
オンを有する金属酸化物またはその前駆物質の形態のス
ピイ・ル安定化剤を用い得るが、この場合も安定化剤の
使用Sj旦比率は酸化物換算て、β″アルミナの安定化
に用いるLl。0またはMgOに関して先に示した質量
比率以下とする。
ナトリウムの置換にLaのような三価の置換金属カチオ
ンを用いる場合は出発物質比率を、°“z203、Δ1
203モル比(Zは三価の置換カチオン)″と表記する
置換金属カチオン酸化物またはその前駆物質の対ヘーマ
イ1〜モル比が1 : 5.475から1・30となる
ように選択するべきである。この場合も、Z203Δ1
203モル比が1.8から110であればスピネル安定
化剤は不要と考えられるが、2203 :Δ1203モ
ル比が]、 + 5.475からに8の時はβ″アルミ
ナの安定化に用いるLi2OまたはMgOのような安定
化剤を先に示した質量比率以下の質量比率で用い得、更
K、220:l : へl、O:+モル比が1 : 1
.0カら1 : 30ノ時は再ひTi”またはZr″゛
のような四価の金属カチオンを有する金属酸化物またほ
ぞの前駆物質の形態の安定化剤を用い得、その際安定化
剤の使用質量比率は酸化物換算で、1. i 20また
はM、0のようなβ″アルミナ安定化剤に関して先に示
した質量比率以下とする。
換言すれば、ベーマイト中に分散させる1種以上の置換
金属カチオン酸化物またはその前駆物質、及び任意に用
いるソーダまたはその前駆物質の対1 2 ベーマイトモル比は、置換金属カチオンのイオン価に従
属して1 : 2.875から1.30であり得る。置
換金属力チオンカ仁一価である場合、」1記モル比は好
ましくはl : 5.575から110であり、二価で
ある場合は好ましくは1 : 2.875から110、
三価である場合は好ましくは1 : 5.575から1
=30である。
置換金属カチオンが二価または三価であり、しかも加熱
を、β″アルミナ類似化合物がβアルミナ類似化合物に
戻る恐れの有る転移温度より高い温度まて行なう場合、
本発明の方法は、転化温度I\の加熱の前にベーマイト
中K、四価の金属カチオンの酸化物またはその前駆物質
であるスピネル安定化剤を分散させるステップを含み得
る。置換金属カチオンのイオン価が上記のいずれであっ
ても、通常好ましいモル比は1:8から1:10であり
、また一般に置換金属カチオンとしては単一種のカチオ
ンを用いる。
本発明の特別の例では、唯一の置換金属カチオンとして
カリウムカチオンを用い、このカチオンを単独でか、ま
たはソーダと共にベーマイト中に分散させる。その際、
K2Oまたはその前駆物質、とするのが適当であり、好
ましくは上記モル比を1=7から1=10とする。この
例の場合、本発明の方法は、転化温度への加熱前にベー
マイト中にマグネシアをスピネル安定化剤として5質量
%以丁、即ち例えば0.25〜4質量%の比率で分散さ
せるステップを含み得る。
当然ながら、転化後の製品中に問題のβ″アルミナ類似
化合物を所望比率で得るのに最適の、または少なくとも
適当な出発物質比率は、置換金属カチオン酸化物または
その前駆物質及び安定化剤またはその前駆物質を先に示
した範囲内の比率て用いる通常の実験によって決定する
ことがてきる。
そのうえ、置換金属カチオン酸化物またはその前3 4 駆物質は単独で用いることが多いが、複数種を混合して
、あるいはまたソーダまたはその前駆物−質と混合して
用いることも可能である。諸成分間の質量比またはモル
比を任意に特定したそのような置換金属カチオン酸化物
混合物、または置換金属カチオン酸化物とソーダとの混
合物を用いる場合、後に加熱する出発混合物においてベ
ーマイト中に分散させるべき上記混合物のモル比は、用
いる1種以上の置換金属カチオンのイオン価を勘案しつ
つ先に示した数値に基づいて計算し得、この計算は通常
の実験によって確認及び/または最適化可能である。
本発明の方法で製造する製品をカリウム、バリウムまた
はランタンといった特定の置換金属イオンの固体電解質
として用いようとする場合は通常、β″アルミナ中のナ
トリウムの総てか、または少なくとも可能なかぎり多く
を当該置換金属で置換し、また、所望のスピネル型構造
を実現するのに一定比率のナトリウムが必要である場合
以外、出発混合物中にナトリウムは用いない。しかし、
スピネル型構造を有するβ″アルミナにおいて通常ナト
リウムイオンが占有する層中に複数種の金属カチオンが
存在する固体電解質を得るためK、複数種の金属カチオ
ンを含有し得るβ″アルミナ類似化合物を製造するべく
金属カチオンの混合物を用いる場合は、金属カチオンの
相対比率を所望のように選択する。
本発明のセラミック金属は、電気化学電池において放電
時に該電池のアノードからナトリウム以外のカチオンを
移動させ、または前記アノードから複数種のカチオンを
移動させるセパレーターまたは固体電解質などに適用し
得る。置換金属カチオンをイオン交換によりヒドロニウ
ムイオンで置換して燃料電池用の、ヒドロニウムカチオ
ンを移動させる固体電解質を得ることも可能である。本
発明のセラミックは、例えば車両排気中の窒素酸5 6 化物(NO,)及び/または硫黄酸化物(SO,)の存
在及び/または比率を検出するガス検出装置に用いるこ
ともでき、上記酸化物ガスは、本発明のセラミックに吸
着されるか、またはその他の作用で該セラミックを汚染
してその抵抗率を高めたりする。
特にカリウム金属カチオンを置換金属カチオンとして用
いる場合、β″相の安定性を高めるために本発明の方法
は、出発混合物製造前にベーマイトを、空気中で650
℃より高く転化温度より低い温度、即ち例えば650〜
750℃、好ましくは約700℃に加熱することにより
■焼するステップを含む。
本発明は、本明細書に説明した、β″アルミナ一価、二
価及び三価の金属カチオン並びにこれらの混合物の中か
ら選択した置換金属カチオンで置換した層状β″アルミ
ナスピネル型構造を有するβ″アルミナ類似化合物を製
造する本発明方法で製造したあらゆるβ″アルミナ類似
化合物を包含する。
本出願人は、β″アルミナ(即ちナトリウムβ″アルミ
ナ)のナトリウムイオンをカリウムイオンで置換する、
出発物質としてCera Hydrateベーマイトを
用いるβ″アルミナ類似カリウム化合物製造で有望な成
果を得た。即ち、K2Oまたはその前駆物質の対ベーマ
イトモル比を酸化物換算で1=5から1:13とした出
発混合物から、以後“°カリウムβ−アルミナ”と呼称
するβ″アルミナ類似カリウム化合物を、スピネル安定
化剤としてマグネシアを用いるか、または、驚くべきこ
とにスピネル安定化剤を全く用いずに製造することがで
きた。
その一方で、スピネル安定化剤としてリチアを用いても
カリウムβ″アルミナ製造の一助となるとは実際上前え
られなかった。K2Oの対ベーマイトモル比を1=7か
ら1:10としたところ、1600℃に加熱することに
より実質的に単一相のカリウムβ7 8 ″アルミナをq%ることか用油であった。
本発明を、非限定的な実施例及び添付図面を参照しつつ
以下に詳述する。
及1燵 各実施例において、Ce r a II y d r 
a t eベーマイ1−と実験室グレートの水酸化カリ
ウムとの混合物を出発混合物として用いてカリウムβ″
アルミナを製造した。いずれの場合も、Cera fl
ydrateベーマイトは水酸化カリウムとの混合前に
CarboliLe TOP11AT炉内て、空気中で
700℃に加熱することにより焼して脱水した。炉設定
による公称加熱スケジュールは、周囲温度から200℃
まで3℃/min ; 200℃から660℃まて2℃
/min ; 660℃に60分間維持1660℃から
700℃まで2°C/min;及び700°Cから周囲
温度まで炉の自然冷却速度であった。このスケジュール
によって、炉内装填物全体(約130kg)が700°
C以上に達することが保証された。ヘーマイ1〜から水
分が失われる間、炉内から水分を一掃するべく05〜L
l/+ninの窒素を炉に通した。いずれの例ても、混
合物を加熱してカリウムβ″アルミナを製造する工程は
上記炉内の空気中で様々な加熱スケジュールに従い、し
かも特に断らないかぎりffi f=1きのマグネシウ
ム坩堝内で実施した。
いずれの実施例でも、得られた生成物を焼結して、必ず
しも完全な(理論上の)圧縮度を有しないディスクとし
、Cuk、i放射線を用いるPh1llips 182
4 Xfi回折計で分析して存在する相を確認した。
特に断らないかきり、ベーマイトと水酸化カリウムとは
、粉砕手段として直径10mmのジルコニアロッドを用
いて750m lポリプロピレンジャー内で2時間実施
する湿式磨砕によって混合し、それによって平均粒径8
〜12μmを有する、含水量約50質量%のスリップを
製造した。磨砕後、乾燥にッケルトレイに載せて120
℃で2時間実施するオーブン乾燥か、または噴霧乾燥)
を行ない、含水量を2〜10%とした。
9 0 実」U蜆よ スピネル安定化剤を含有しないベーマイト−水酸化カリ
ウム混合物を含む4試料を製造し、120°Cでオーブ
ン乾燥して定質量としてから4℃/ m i nて12
40℃に加熱し、かつこの温度に30分間維持した後5
℃/minで冷却させ、そのf&4試料のX線回折分析
を行なった。混合物の詳細を表Iに示す。表中、水酸化
カリウムをに20と、またベーマイl−を八I20゜と
表記する。
K−上 試料番号 K2O(重量%)Δ1203(重量%)  
K2O:Al2O3モル比1    6.80    
  93.2      1 : 12.72    
 8.83      91.17      1 +
 9.510.90      91.10     
 1 + 7..54    15.39      
84.61      1 : 5.1製造した製品の
χ線回折トレースを第1図に示す。
第1図からは、試料2及び3が少なくとも95質量%の
カリウムβ″アルミナを含有する単一絹製品をもたらし
たことが明らかである。他方、試料1はカリウムβ″ア
ルミナとびアルミナとを共に含有する多相混合物をもた
らし、また試料4はカリウムβ″アルミナ及びカリウム
βアルミナを含有する多相製品をもたらした。
新たに製造した、試料1〜4とそれぞれ同し組成を有す
る4種の試料を1600℃に加熱し、かつこの温度に維
持した後冷却させてからX線回折分析を行なった。結果
を第2図に示す。用いた加熱スゲジュールは、周囲温度
から1240°Cまで4℃/min ; ]240℃か
ら1590℃まで2.3℃/min ; 1590℃か
ら1600℃まで1℃/u+in ; 1600℃に3
0分間維持、 1600℃から1500℃まで15℃/
roin;及び1500°Cから周囲温度まで7,5℃
/minであった。第2図からは、試料2及び3は先の
試料2及び3に実質的に変わらないが、試料1は124
0℃で得られたカリウムβ″ルミナ及びαアルミナに加
えてカリウムβ″アルミナも含有し、また試料4は12
40℃に加熱した場合に比較してより低いカリウムβ″
アルミナ含量を有する1 2 ことが知見される。
この実施例は、少なくともに20の対ベーマイトモル比
り月、7から110である場合、実質的に単−相のカリ
ウムβ″アルミナ含有製品をスピネル安定化剤を用いず
に得ることができ、カリウムβ″アルミナが他の相と混
在し得るのはに20の対へ一マイトモル比が上記以外の
時であることを示している。
丸旅L1 実施例1での操作を繰り返して、表Hに示した組成を有
する別の試料を製造した。
創1 試料5の製造では、湿式磨砕で用いる水は同一比率(質
量に基づく)のプロパン−2−オールに替え、また用い
た加熱スケジュールは、周囲温度から1400℃まで3
℃/+nin ; 1400℃から1590℃まで1.
7”C/1oin ; 1590℃から1600℃まて
1℃/min ; 1600℃に6分間維持、 160
0℃から1500℃まで158C/ +n i n及び
1500℃から周囲温度まて7.5°C/minてあっ
た。
第3図に示した、冷却させた製品のX線回折分析の結果
から、製品はカリウムβ″アルミナ及びカリウムβアル
ミナを含有する多相製品であることが明らかである。
この実施例は、1.7より小さいに20  ベーマイト
モル比は、スピネル安定化剤を用いない場合、1600
℃への加熱による単一相製品製造には不適当であること
を示している。
X鳳あ1 実施例1での操作を繰り返し、かつ出発混合物に潜在的
安定化剤としてのリチアを様々な比率で付加して3種の
試料を製造した。用いた加熱スケジュールは、周囲温度
から1240 ’Cまで4℃/min;1240℃から
1590℃まで2.3℃/min ; 1590℃から
1600℃まで1℃/min ; 1600℃に30分
間維持; 1600°Cから1500℃まて15℃/m
in;及び1500°Cから周囲温度まで7,5℃/ 
m i nであった。混合物の詳細を表■に示す。
実施例2ての操作を繰り返して、出発混合物の成分比率
が様々である更に3種の試料を製造したが、その際安定
化剤としてはリチアに替えてマグネシアを用い、かつこ
のマグネシアを溶解さぜるべく、湿式磨砕で用いる水を
同一・比率(買足に基づく)のプロパン−2−オールに
替えた。混合物の詳細を表■に示す。
第4図に示した、製造した製品のX線回折トレースから
、試料6のみが単一相のカリウムβ″アルミナ製品であ
り、試料7及び8はカリウムβ″アルミナ及びカリウム
βアルミナを含有する多相製品をもたらしたことが明ら
かである。
この実施例は、安定化剤としてリチアを用いても特に利
点は焦<、実際のところに20及び付加Li2Oが低レ
ベルでなければ逆効果となる恐れも有ることを示してい
る。
火施L1 X線回折分析結果を第5図に示す。図示した結果は、先
に示した範囲内のに20 : A1203(ベーマイト
)モル比において表■に示した比率を用いて製造した試
料9〜11のいずれもが実質的に畦−相の製品をもたら
したことを示している。
護巴 5 6 実施例4ての操作を繰り返して、表Vに示した組成を有
する出発混a物を得た。
k□■ +2    13.1    4,0   82.9 
    ] : 0.71 : 5.84+3    
13.1    3.0   8:(,9] : 0.
54 : 5.9114    12.4    4,
2   83.4    1 : 0.94 : 5.
88第6図に示したX線回折分析イ、5果から、カリウ
ムβ′アルミナに加えて幾分かのカリウムβアルミナも
存在することか明らかであり、このカリウムβアルミナ
の量はピークの高さから製品の約7質量%と見積もるこ
とかできる。このような結果は、単一相製品製造のため
にはに20、Δ1201モル比り弓7を下回るへきてな
いこと含水している。
実画l殊旦 この実施例ては、β″アルミナ中のすl〜ツリウム一部
をカリウムで置換したβ″アルミナ類似化合物を試験し
た。即ち、ヘーマイトと、水酸化すI・リウムを脱イオ
ン水に溶解さぜな溶液とをαアルミナ粉砕手段を具備し
ノQDoultons VAEミルて6時間磨砕して製
造した平均粒径1〜2μtoのスリップを入口温度17
0 ’C及び出口温度60℃の噴霧乾燥1氏て噴霧乾燥
して、(Na20及びΔ1203として)”Na。
09質量%、八1゜0391質旦%“′と表記し得る成
分比率を有する混合物から成る噴霧乾燥組成物を得た。
48 、2gの噴霧乾燥組成物に2gのマクネシア(粒
径5μ【n未満の13Pグレー1・)を、プロパン−2
−オールを用いる湿式磨砕(固体50質量%)を2時間
実施することによって混入して再びスリップを14iた
。このスリップを、全体の173と2/3との2部分に
分りな。
少ない方の部分(試料15)K、実施例4の試1’E+
 9に用いた乾燥混合物16gを添加し、多い方の部分
(試料16)には同じ乾燥混合物を32g添加し、次に
いずれの試料にも、添加した乾燥混合物1g当たり1.
5g7 8 のプロパン−2−オールを添加してから30分[11i
湿式磨砕を実施した。磨砕後のスリップを120℃てオ
ーフン乾燥し、次いて加熱したか、その際の加メ((ス
ゲジュールは、周囲温度から1100°Cまて5°C/
1nan ; 1100’Cから1600’(IJて4
0°C/+nin ; 1600°Cに20分間II 
4=S;:及び1600″Cから周囲温度まて15゛C
/+n11てあ−ノた。
fl)らhだ製品のX線分U1結果を第7図に示す。試
i′、415及び16のいずれにおいても、ナトリウム
βアルミナに関してもカリウムβアルミナに関しても顕
著なピークは認められなかった。試料15及び16のい
ずれの場合もすトリウムβ″アルミナ含量とカリウムβ
″アルミナ3量との音51/1)95質量%を越え、即
らβ″アルミナ和95質量%企上回り、βアルミナ相が
5質量26を下回ることか明らかとなった。試料16の
に20 : Na2O比(モル比及び質旦比)はJ氏上
115の41&てあ一部た。
この実施例は、ナI・リウムβ″アルミナとカリウムβ
″アルミナとを共に含有する混合製品の製造も可能であ
ることを示している。
」二連の実施例1〜6は、出発物質と適当比率て用いれ
は実質的に単一相のカリウムβ″アルミナや、実質的に
単一相のすトリウム/カリウムβ″アルミナから成る製
品を製造し得ることを示している。
カリウムβ″アルミナ、即ちすl〜ツリウムβ″アルミ
ナ類以カリウム化自↑勿を、αアルミナ及び/またはカ
リウムβアルミナも含イjする多相製品中の一つの相と
して製造することも可能である。
実施例1〜6はまた、カリウムβ″アルミナ生成のため
の転化温度が1240℃より低い(本出願人の行なった
f1加的試験によれは約1200℃と者えられる)こと
を示しており、更K、それより高温ではカリウムβ″ア
ルミナかカリウムβアルミナに戻る転わ温度か1600
 ’Cより低いことも示している。
更に別の幾つかの試験ζJ、カリウムβ′アルミナまた
はすl〜リウム/カリウムβ″アルミナ加土晶9 0 製造のための焼結温度が1600℃を幾分上回って16
00〜1700℃であり、例えば1600〜1630℃
であることを示した。これらの試験及び実施例1〜6か
ら、転移は時間に従属し、かつ比較的I!!慢に進行す
るので、本発明により可能である300℃/11r以上
にも達する高い加熱速度では、所期の加熱温度に近付く
につれて加熱速度を落とすとしても、許容不能な比率の
β″アルミナ相がβアルミナ相に戻る前に適当な焼結温
度に達し、かつこの温度で加工品K、適度に強固で適度
に圧縮された加工品を得るのに十分な期間均熱処理を施
すことが可能であることは明らかである。
上述のもの以外にも本出願人が行なった試験によれば、
製品を固体電解質として用いる場合はカリウムβ″アル
ミナもす)・リウム/カリウムβ″アルミナも安定化剤
としてマグネシアを用いて製造することが望ましいが、
これは安定化剤を用いないで製造した場合より製品の抵
抗率が低くなると考えられるからである。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第7図はX線回折1〜レースを°2θに対する
計数値7秒(cps)で示すグラフである。

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)β″アルミナのスピネル型構造のAl及びOイオ
    ン層と交互に重なるNaイオン層中のNaイオンの少な
    くとも一部を、一価、二価及び三価の金属カチオン並び
    にこれらの混合物の中から選択した置換金属カチオンで
    置換した層状β”アルミナスピネル型構造を有するβ″
    アルミナ類似化合物を製造する方法であって、 十分に発達し、かつきわめて揃った結晶構造を有するベ
    ーマイト中に前記置換金属カチオンの少なくとも1種の
    酸化物またはその前駆物質を分散させて出発混合物とす
    るステップ、及び出発混合物を該混合物の少なくとも一
    部がβ″アルミナ類似化合物に転化する転化温度に加熱
    するステップを含むβ″アルミナ類似化合物の製造方法
  2. (2)ベーマイトの平均微結晶寸法が1000Å以上で
    あり、平均底面間隔は6.5Å以下であり、加熱時質量
    損失は17質量%以下で、質量損失率は500℃以上の
    温度で最大となり、ベーマイトのAl_2O_3・mH
    _2Oと表記し得る式中mは1.05以下であり、この
    ベーマイトは水熱反応で製造できることを特徴とする請
    求項1に記載の方法。
  3. (3)英国内でBA Chemicals Plc,G
    errardsCross,Buckinghamsh
    ire,Englandから商標“Cera Hydr
    ate”の下に市販されているベーマイトを用いること
    を特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. (4)置換金属カチオンを元素周期表の第 I 族のLi
    、K、Rb、Cs及びFr; 第II族のBe、Mg、Ca,Sr、Ba及びRa;第I
    II族のGa,In及びTl; 第IV族のGe、Sn及びPb; 第V族のAS、Sb及びBi; 第VI族のSe、Te及びPo; 第1遷移元素系列の原子番号21〜30の元素;第2遷
    移元素系列の原子番号39〜48の元素;第3遷移元素
    系列の原子番号72〜80の元素;原子番号57〜71
    の元素である総てのランタニド;及び原子番号89〜1
    03の元素である総てのアクチニドの中から選択するこ
    とを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の
    方法。
  5. (5)置換金属カチオンが、出発混合物を得るべくベー
    マイト中に分散させた複数種の金属、複数種の置換金属
    カチオン酸化物またはその前駆物質の金属カチオンであ
    ることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. (6)ベーマイト中に少なくとも1種の置換金属カチオ
    ン酸化物またはその前駆物質と共にソーダまたはその前
    駆物質を分散させて出発混合物とすることを特徴とする
    請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
  7. (7)ベーマイト中に少なくとも1種の置換金属カチオ
    ン酸化物を、ソーダを一切伴わずに分散させることを特
    徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
  8. (8)少なくとも1種の置換金属カチオン酸化物または
    その前駆物質、及び任意に用いるソーダまたはその前駆
    物質をベーマイト中に、対ベーマイトモル比を酸化物換
    算で1:2.875から1:30として分散させること
    を特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の方
    法。
  9. (9)一価の置換金属カチオンを用い、対ベーマイトモ
    ル比を1:5.575から1:10とすることを特徴と
    する請求項8に記載の方法。
  10. (10)二価の置換金属カチオンを用い、対ベーマイト
    モル比を1:2.875から1:10とすることを特徴
    とする請求項8に記載の方法。
  11. (11)三価の置換金属カチオンを用い、対ベーマイト
    モル比を1:5.575から1:30とすることを特徴
    とする請求項8に記載の方法。
  12. (12)加熱を、β″アルミナ類似化合物がβアルミナ
    類似化合物に戻り得る転移温度より高い温度まで行ない
    、転化温度への加熱前にベーマイト中に、四価金属カチ
    オンの酸化物またはその前駆物質であるスピネル安定化
    剤を分散させるステップを含むことを特徴とする請求項
    10または11に記載の方法。
  13. (13)対ベーマイトモル比を1:8から1:10とす
    ることを特徴とする請求項8から11のいずれか1項に
    記載の方法。
  14. (14)置換金属カチオンとして単一種の金属カチオン
    を用いることを特徴とする請求項13に記載の方法。
  15. (15)カリウムカチオンを唯一の置換金属カチオンと
    して用いることを特徴とする請求項6または7に記載の
    方法。
  16. (16)K_2Oまたはその前駆物質、及び任意に用い
    るソーダまたはその前駆物質の対ベーマイトモル比を酸
    化物K_2O及びNa_2O換算で1:5から1:13
    とすることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  17. (17)対ベーマイトモル比を1:7から1:10とす
    ることを特徴とする請求項16に記載の方法。
  18. (18)転化温度への加熱前にベーマイト中にマグネシ
    アをスピネル安定化剤として5質量%以下の比率で分散
    させるステップを含むことを特徴とする請求項15から
    17のいずれか1項に記載の方法。
  19. (19)出発混合物製造前にベーマイトを、空気中で6
    50℃より高く転化温度より低い温度に加熱して■焼す
    るステップを含むことを特徴とする請求項1から18の
    いずれか1項に記載の方法。
  20. (20)■焼を650〜750℃への加熱によって実施
    することを特徴とする請求項19に記載の方法。
  21. (21)請求項1から20のいずれか1項に記載の方法
    で製造したあらゆるβ″アルミナ類似化合物。
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