JPH059007A - セラミツクス粉末の製造方法 - Google Patents

セラミツクス粉末の製造方法

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JPH059007A
JPH059007A JP3183902A JP18390291A JPH059007A JP H059007 A JPH059007 A JP H059007A JP 3183902 A JP3183902 A JP 3183902A JP 18390291 A JP18390291 A JP 18390291A JP H059007 A JPH059007 A JP H059007A
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JP
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ceramic powder
alkoxide
producing
general formula
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JP3183902A
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Keiichi Sato
馨一 佐藤
Masakazu Nakamura
雅一 中村
Shinichi Yoyogi
新一 代々城
Yusuke Mitsuyoshi
裕介 光吉
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Artience Co Ltd
Original Assignee
Toyo Ink Mfg Co Ltd
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
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  • Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、セラミックスの前駆体であるような
材料あるいはそれらの混合物から、焼結および粉砕とい
う煩雑な工程を経ず直接セラミックス粉末を製造する方
法を提供することにある。 【構成】セラミックスの前駆体であるような材料、例え
ば、それぞれのセラミックの前駆体ゾル溶液から熱プラ
ズマにより、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸
化ジルコニウム粉末を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス粉末の製
造方法に関する。さらに詳しくは、機能性材料用、構造
材料用等として、焼結性、結晶性、分散性、均一性、流
動性等に優れた特性を有するセラミックス粉末の製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、セラミックス粉末は、固相法
あるいは共沈澱法等によって得られた前駆体であるよう
な材料からバインダー混合、焼結および粉砕工程を経由
して製造する方法が知られている。しかしながら何れの
製造方法も、セラミックス粉末を製造する前駆体である
ような材料および原材料の焼結に際して多大なエネルギ
ーを必要とし、また焼結物の粉砕時に不純物が混入する
恐れや、物理的な力による構造的結晶歪が生起する可能
性等種々の問題点を有する。そのため粉砕工程を伴わな
い方法、すなわち焼結による粒成長を抑制するための抑
制剤の添加、あるいは粒成長が著しく進行する前の状態
である仮焼程度に焼結を留めておく方法等も試みられて
いる。前者の粒成長抑制剤を添加する方法は、添加する
抑制剤の種類によっては製品の特性に悪影響を及ぼし、
また予期せぬ不純物等が混入する恐れもあるために、粒
成長抑制剤の種類および添加方法が限定され、さらには
製造する製品の設計も制限される。さらに後者の仮焼程
度に留める場合でも、その原材料の焼結が不完全である
ために、使用に際して再度高温で焼結する必要があり、
製品として成型を行なう場合、焼結過程で原料の収縮等
によりひび割れ等が発生しやすく、特別の注意を必要と
する。
【0003】他方、焼結および粉砕工程を伴わないでセ
ラミックス粉末を得る水熱合成法およびゾル−ゲル法も
考案されてはいる。しかしながら前者の水熱合成法によ
るセラミックス粉末の製造には、およそ数十気圧、20
0℃以上の反応条件を必要とする工程が含まれるため、
実験室レベルでの研究はかなり行なわれているが、工業
化する場合には製造装置が複雑になり、実用的ではな
い。また後者のアルコキシドを使用したゾル−ゲル法に
よるセラミックス粉末の製造方法は、蒸留等により、純
度の高いアルコキシドが得られるため、高純度のセラミ
ック粉末が生成できる。そのため、近年電子材料の分野
における微細加工技術の面で注目され研究が行なわれて
はいるが、生成される粒子の大きさが極めて小さく、二
次凝集を起こし易いために取り扱いが複雑になる。この
ため粒子径をさらに大きくするために、少なくとも10
00℃以上の熱処理が必要となるが、通常の前記固相法
あるいは共沈澱法等によって製造する場合より比較的低
温で焼成が可能である。しかしながら、固相法あるいは
共沈澱法等によって製造される粒子径に比較して、製造
される粒子径が小さいため、焼成時間が長時間になる等
の欠点があり、場合によっては粉砕工程も必要となるた
め、省エネルギー化が望めない。
【0004】これらいずれの製造方法も、多工程でしか
も得られたセラミックス粉末は、分散性、流動性等に劣
るという欠点を有する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、以上の
ことを鑑み、従来のセラミックス粉末製造における欠
点、すなわち焼結および粉砕に多大のエネルギーを必要
とし、しかも多工程であり、かつ得られた粉末は分散
性、流動性に劣るという欠点を克服するために鋭意検討
した結果、公知の手法である熱プラズマ法を使用し、セ
ラミックスの前駆体であるような材料である金属元素の
アルコキシドの混合物あるいは複合アルコキシド、さら
にはそれらの加水分解生成物から長時間の焼成、場合に
よっては粉砕という煩雑な工程を経由することなく、直
接セラミックス粉末を製造できることを見出した。さら
に特定の熱プラズマ条件および原材料の特定の粒度条件
の時に、球状のセラミックス粉末を製造できることを見
出した。加えて原材料の粒度をさらに適切に選ぶことに
より、セラミックスの超微粒子が得られることも知っ
た。
【0006】本発明者等は、かかる知見に基づきさらに
重ねて検討した結果、本発明を完成するに至ったもので
ある。
【0007】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、Aの
金属元素が元素周期律表の第IA 族、第IIA 族、第IIB
族、第IIIA族、第IIIB族、第IVA 族、第IVB 族、第VA
族、第VB族、第VIA 族、第VIIA族、第VIII族から選ばれ
る少なくとも1種類以上の元素を有するアルコキシドあ
るいは構成元素のそれぞれの元素のアルコキシドの混合
物を熱プラズマ中にて、下記一般式(1)で表されるペ
ロブスカイト型複合酸化物を除く、セラミックス粉末の
製造方法を提供するものである。 一般式(1) AOx (ただしxは0.5以上の実
数である。)
【0008】本発明において上記A元素としては、例え
ばB、Mg、Al、Si、Fe、Sn、Zn、Zr、N
i、Li、Ba、Mn、Co、Sc、Y、La、Ce、
Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、E
r、Tm、Yb、Lu等を挙げることができ、さらに好
ましくは、Mg、Al、Fe、Ba、Sc、Y、La、
Ce、Nd、Sm、Euを挙げることができるが、これ
のみに限定されるものではない。また本発明において製
造されるセラミックス粉末は単純酸化物であるセラミッ
クス粉末、例えば酸化マグネシウム、酸化アルミニウ
ム、酸化鉄、酸化バリウム、酸化スカンジウム、酸化イ
ットリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ネオジ
ウム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム等に限定され
るものではなく、上述した元素によって構成された複合
酸化物、例えば酸化アルミニウムバリウム、酸化アルミ
ニウムマグネシウム等さらには酸化マグネシウム鉄、酸
化ケイ素アルミニウム等のセラミックス粉末等も含まれ
る。本発明における金属元素としては、元素周期律表の
第IA 族、第IIA 族、第IIB 族、第IIIA族、第IIIB族、
第IVA 族、第IVB 族、第VA族、第VB族、第VIA 族、第VI
IA族、第VIII族であるとし、希土類元素は元素周期律表
の第IIIA族のうちSc、Yを除いた元素とする。
【0009】A元素の中から選ばれる少なくとも1種類
以上の元素を有するアルコキシドあるいは複合アルコキ
シド、また構成元素のそれぞれの元素のアルコキシドの
混合物、さらにはそれらの加水分解生成物等何れでも良
く、単一のアルコキシドとしては、マグネシウムメトキ
シド、マグネシウムエトキシド、マグネシウムプロポキ
シド、マグネシウムブトキシド、アルミニウムメトキシ
ド、アルミニウムエトキシド、アルミニウムプロポキシ
ド、アルミニウムブトキシド、鉄メトキシド、鉄エトキ
シド、鉄プロポキシド、鉄ブトキシド、バリウムメトキ
シド、バリウムエトキシド、バリウムプロポキシド、バ
リウムブトキシド、スカンジウムメトキシド、スカンジ
ウムエトキシド、スカンジウムプロポキシド、スカンジ
ウムブトキシド、イットリウムメトキシド、イットリウ
ムエトキシド、イットリウムプロポキシド、イットリウ
ムブトキシド、ランタンメトキシド、ランタンエトキシ
ド、ランタンプロポキシド、ランタンブトキシド、セリ
ウムメトキシド、セリウムエトキシド、セリウムプロポ
キシド、セリウムブトキシド、ネオジウムメトキシド、
ネオジウムエトキシド、ネオジウムプロポキシド、ネオ
ジウムブトキシド、サマリウムメトキシド、サマリウム
エトキシド、サマリウムプロポキシド、サマリウムブト
キシド、ユウロピウムメトキシド、ユウロピウムエトキ
シド、ユウロピウムプロポキシド、ユウロピウムブトキ
シド等を挙げることができるが、これのみに限定される
ものではない。この場合にアルコキシドとしては、中心
金属とハロゲン原子が1種類または2種類以上結合した
ものでも良いが、好ましくは1種類および1個以下が良
い。
【0010】さらに複合アルコキシドとしてはアルミニ
ウムバリウムメトキシド、アルミニウムバリウムエトキ
シド、アルミニウムバリウムプロポキシド、アルミニウ
ムバリウムブトキシド、アルミニウムマグネシウムメト
キシド、アルミニウムマグネシウムエトキシド、アルミ
ニウムマグネシウムプロポキシド、アルミニウムマグネ
シウムブトキシド、マグネシウム鉄メトキシド、マグネ
シウム鉄エトキシド、マグネシウム鉄プロポキシド、マ
グネシウム鉄ブトキシド、アルミニウムケイ素メトキシ
ド、アルミニウムケイ素エトキシド、アルミニウムケイ
素プロポキシド、アルミニウムケイ素ブトキシド等を挙
げることができるが、これのみに限定されるものではな
い。この場合にアルコキシドとしては、中心金属とハロ
ゲン原子が1種類または2種類以上結合したものでも良
いが、好ましくは1種類および1個以下が良い。
【0011】またアルコキシドを混合する場合、各アル
コキシドが均一に混合される方法であれば特に制限され
ないが、各アルコキシド間の相溶性が乏しい場合あるい
は固体の場合には必要に応じて溶媒を添加して、溶解さ
せても良い。この場合溶媒は公知の溶媒あるいは水が適
宜使用される。有機溶媒としては、メタノール、エタノ
ール、メチルエチルケトン、アセトン等必要に応じて何
れでも良い。
【0012】加水分解は、アルコキシドの混合物または
複合アルコキシドに加水分解剤を添加することにより、
あるいは加水分解剤中にアルコキシドの混合物または複
合アルコキシドを添加することにより行なわれる。加水
分解剤は、酸またはアルカリ水溶液、さらには水等が使
用可能であるが、これらに限定されるものではない。酸
またはアルカリとしては無機酸、有機酸、有機アミン
類、水酸化物等何れでも良く、例えば無機酸としては硝
酸、リン酸、硫酸、塩酸、有機酸としては蟻酸、シュウ
酸、酢酸、プロピオン酸、コハク酸、リンゴ酸、酒石
酸、クエン酸、アジピン酸、ムチン酸、安息香酸、サリ
チル酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、トリ
メリット酸、セバシン酸、ピロメリット酸、ステアリン
酸、有機アミン類としてはトリメチルアミン、ジメチル
アミン、水酸化物としては水酸化アンモニウム、水酸化
ナトリウム、水酸化カリウム等を挙げることができる
が、これのみに限定されるものではない。
【0013】本発明において、アルコキシドあるいは混
合物、または複合アルコキシドを加水分解剤によって加
水分解すると、加水分解の条件によって、ゾル溶液ある
いは生成したゲルがスラリー状または塊状になる場合が
あるが、何れの場合も使用可能である。スラリー状また
は塊状になる場合には適宜ゲルを砕いて使用すれば良
い。
【0014】上述したそれぞれの元素のアルコキシドあ
るいは混合物、または2種類以上の金属元素を含有して
いる複合アルコキシドは、アルコキシド調製時あるいは
加水分解時に、A元素と置換可能な元素を金属化合物、
例えば金属酸化物として添加し、調製したものでも良
い。またアルコキシド溶液中に、さらに各種金属酸化物
あるいはガラス等を添加配合しても良い。これらを添加
配合する場合、上述した元素のアルコキシド調製時ある
いは加水分解時に、各種金属酸化物あるいはガラスを添
加して、そのアルコキシドあるいは加水分解生成物中に
混在させても良い。もちろん混合した添加剤がアルコキ
シドあるいは加水分解生成物中に完全に溶融している必
要はないが、好ましくは溶融していた方が良い。さらに
アルコキシドあるいは複合アルコキシドの調製に必要な
アルコールは、異種のアルコールを混合したもの、例え
ばメタノールとエタノールを混合したものでも良い。
【0015】A元素の中から選ばれる少なくとも1種類
以上の元素を有するアルコキシドあるいは複合アルコキ
シド、また構成元素のそれぞれの元素のアルコキシドの
混合物、さらにはそれらの加水分解生成物等を、熱プラ
ズマ炎中に導入することにより、下記一般式(1)で表
されるペロブスカイト型複合酸化物を除く、セラミック
ス粉末を得ることができ、さらに特定の熱プラズマ条件
の時に、球状のセラミックス粉末も製造でき、加えて熱
プラズマ条件をさらに適切に選ぶことにより、セラミッ
クスの超微粒子も得られる。 一般式(1) AOx (ただし、xは0.5以上
の実数である。)
【0016】用いる熱プラズマ源としては、好ましく
は、高周波誘導プラズマ、マイクロ波誘導プラズマある
いは直流アークプラズマのいずれでも良いが、これに限
定されるものではない。
【0017】
【作用】上記一般式(1)に示したセラミックス材料あ
るいは従来の製造方法により仮焼程度に留めておいたセ
ラミックス材料を熱プラズマ炎中に供給した場合には、
熱プラズマ条件、原材料の粒度条件によっては球状ない
しは球状に近い粉末も製造することができるが、結晶性
の低い粉末しか得られず、しかも粉末の組成を要求され
る値にするためには、厳密に熱プラズマ条件をコントロ
ールする必要があり、技術的な困難さを伴う。この原因
としては、供給した材料が供給されると同時に熱プラズ
マ炎中で昇温し、超高温で溶融されるため、上記一般式
(1)に示したセラミックス粉末が酸素を放出して分解
するか、あるいは還元を受ける等の構造変化等が進行し
やすいためであると考えられる。
【0018】一方本発明の如く、熱プラズマ炎中への供
給原料として、セラミックスの前駆体であるようなアル
コキシドあるいは複合アルコキシド、または構成元素の
それぞれの元素のアルコキシドの混合物、さらにはそれ
らの加水分解生成物等を使用する場合には、熱プラズマ
中で超高温が加わると、アルコキシドの熱分解反応ある
いは複合アルコキシド、さらにはそれらの加水分解生成
物中に残存する有機物の熱分解反応および脱水反応と、
熱分解により生成される一般式(1)に示されるセラミ
ックスの分解あるいはガラス化反応とが前後して起こる
が、熱分解反応や脱水反応が遅いためか、あるいは熱分
解反応あるいは脱水反応により、熱プラズマによる超高
温から、生成されつつあるセラミックス粉末が保護され
るために、構造変化を起こすような分解等が抑制され、
セラミックス粉末の生成反応が主反応として進行し、結
晶性の高い材料や、要求される組成の非晶質の材料が、
比較的容易に製造されると考えられる。さらに特定の熱
プラズマ条件の時に、球状粉末が得られ、加えてさらに
供給条件等を適切に選ぶことにより、セラミックスの超
微粒子が得られる。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、従来行なわれてきた、
焼結および粉砕工程を経由する方法と同程度の結晶性を
有するセラミックス粉末あるいは要求される組成のセラ
ミックス粉末を単一工程で製造することができ、省力化
および省エネルギー化を図ることができる。
【0020】以下の実施例に示した表1から明らかな如
く、セラミックスの前駆体であるようなアルコキシドあ
るいは複合アルコキシド、または構成元素のそれぞれの
元素のアルコキシドの混合物、さらにはこれらの加水分
解生成物等を熱プラズマ中に供給すれば、焼結法に匹敵
するほどの結晶性良好なセラミックス粉末あるいは要求
される組成のセラミックス粉末が得られる。
【0021】したがって、本発明により、熱プラズマ装
置を使用して、直接的にしかも連続的にセラミックス粉
末を製造することが出来るようになったことは安価なセ
ラミックス原料を提供するものであり、その産業的意義
は極めて多大である。
【0022】
【実施例】以下実施例を挙げて、本発明を具体的に説明
する。ただし、本発明の範囲は、下記実施例により何等
限定されるものではない。
【0023】実施例1 撹拌機および滴下器を備えた1000mlフラスコに、
市販のアルミニウムイソプロポキシド61.28gとイ
ソプロピルアルコール300mlを仕込み、フラスコ内
を窒素ガスで置換しながら攪拌させて、徐々に80℃ま
で昇温させ、アルミニウムイソプロポキシドを溶解させ
た。80℃に保持したまま、予め調製した純水30ml
とイソプロピルアルコール110mlの混合物を滴下
し、80℃で適宜熟成を行ない、加水分解生成物を得
た。
【0024】次にマイクロ波誘導熱プラズマを発生さ
せ、この熱プラズマ炎中に加水分解生成物を0.01〜
0.05g/分にて供給し、酸化アルミニウムの粉末を
得た。得られた酸化アルミニウムの粉末は、X線回折実
験を行ない、最強ピーク強度比を求めた結果を表1に示
す。
【0025】実施例2〜3 実施例1と同様に市販のマグネシウムメトキシドおよび
ジルコニウムイソプロポキシドの加水分解を行ない、直
流アーク熱プラズマ炎中に供給した。得られた酸化マグ
ネシウムおよび酸化ジルコニウムの粉末は、X線回折実
験を行ない、最強ピーク強度比を求めた結果を表1に示
す。
【0026】実施例4 市販のマグネシウムメトキシドおよびアルミニウムイソ
プロポキシドを別々に実施例1のように加水分解を行な
い、混合後、高周波誘導熱プラズマ炎中に供給した。得
られたアルミン酸マグネシウムの粉末は、X線回折実験
を行ない、最強ピーク強度比を求めた結果を表1に示
す。
【0027】実施例5 市販のマグネシウムメトキシドおよびアルミニウムイソ
プロポキシドを混合後、実施例1のように加水分解を行
ない、高周波誘導熱プラズマ炎中に供給した。得られた
アルミン酸マグネシウムの粉末は、X線回折実験を行な
い、最強ピーク強度比を求めた結果を表1に示す。
【0028】
【表1】
【0029】なお、セラミックス粉末の特性は、下記方
法によって測定した。日本電子社製X線回折実験装置J
DX−8030を使用し、2θ=10〜100度の間で
その回折パターンを求め、式(2)に示すように、熱プ
ラズマによって製造したセラミックス粉末と市販のセラ
ミックス粉末との最強ピーク強度比を比較した。 最強ピーク強度比=(I/I0 )・・・・・・・・・・・・・(2) I ;熱プラズマにより製造したセラミックス粉末のX
線回折パターンの最強ピーク強度。 I0 ;市販のセラミックス粉末のX線回折パターンの最
強ピーク強度
【0030】なお各試料のピーク強度は、測定毎にケイ
素の(111)面のピークである2θ=28.44のピ
ーク強度によって補正を行なった。また製造したセラミ
ックス粉末は、JCPDSデータベース中の標準回折ピ
ーク位置と比較し、同定を行なった。
【0031】比較例 市販の酸化アルミナ、酸化マグネシウム、酸化ジルコニ
ウム、アルミン酸マグネシウム粉末のX線回折実験を行
ない、最強ピーク強度比を求めた結果実施例1ないし5
とほぼ同程度の強度比が得られた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C01G 1/02 7202−4G 25/02 7202−4G C04B 35/00 A 8924−4G (72)発明者 光吉 裕介 東京都中央区京橋二丁目3番13号 東洋イ ンキ製造株式会社内

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (I)2種類以上の金属元素を有するア
    ルコキシド、 (II)1種類の金属元素を有するアルコキシドあるい
    は2種類以上の混合物、(I)および/または(II)
    を用いた熱プラズマによるセラミックス粉末の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 一般式(1)で表されるセラミックス粉
    末において、Aの金属元素が元素周期律表の第IA族、第
    IIA 族、第IIB 族、第IIIA族、第IIIB族、第IVA 族、第
    IVB 族、第VA族、第VB族、第VIA 族、第VIIA族、第VIII
    族から選ばれる少なくとも1種類以上を有するアルコキ
    シドを用いることを特徴とする請求項1記載のセラミッ
    クス粉末の製造方法。 一般式(1) AOx (ただしx は0.5以上の
    実数。)
  3. 【請求項3】 一般式(1)において、Aの金属元素が
    元素周期律表の第IA族、第IIA 族、第IIB 族、第IIIA
    族、第IIIB族、第IVA 族、第IVB 族、第VA族、第VB
    族、第VIA 族、第VIIA 族、第VIII族から選ばれる少な
    くとも1種類以上を有するアルコキシドの加水分解生成
    物を用いることを特徴とする請求項1記載のセラミック
    ス粉末の製造方法。
  4. 【請求項4】 一般式(1)において、Aの金属元素が
    元素周期律表の第IA族、第IIA 族、第IIIA族、第IIIB
    族、第VIIA族、第VIII族から選ばれる少なくとも1種類
    以上を有するアルコキシドを用いることを特徴とする請
    求項1記載のセラミックス粉末の製造方法。
  5. 【請求項5】 一般式(1)において、Aの金属元素が
    元素周期律表の第IA族、第IIA 族、第IIIA族、第IIIB
    族、第VIIA族、第VIII族から選ばれる少なくとも1種類
    以上を有するアルコキシドの加水分解生成物を用いるこ
    とを特徴とする請求項1記載のセラミックス粉末の製造
    方法。
  6. 【請求項6】 一般式(1)において、Aの金属元素が
    B、Mg、Al、Si、Fe、Sn、Zn、Zr、N
    i、Li、Ba、Mn、Co、Sc、Y、希土類から選
    ばれる少なくとも1種類以上を有するアルコキシドを用
    いることを特徴とする請求項1記載のセラミックス粉末
    の製造方法。
  7. 【請求項7】 一般式(1)において、Aの金属元素が
    B、Mg、Al、Si、Fe、Sn、Zn、Zr、N
    i、Li、Ba、Mn、Co、Sc、Y、希土類から選
    ばれる少なくとも1種類以上を有するアルコキシドの加
    水分解生成物を用いることを特徴とする請求項1記載の
    セラミックス粉末の製造方法。
  8. 【請求項8】 一般式(1)において、Aの金属元素が
    Mg、Al、Fe、Ba、Sc、Y、希土類から選ばれ
    る少なくとも1種類以上を有するアルコキシドを用いる
    ことを特徴とする請求項1記載のセラミックス粉末の製
    造方法。
  9. 【請求項9】 一般式(1)において、Aの金属元素が
    Mg、Al、Fe、Ba、Sc、Y、希土類から選ばれ
    る少なくとも1種類以上を有するアルコキシドの加水分
    解生成物を用いることを特徴とする請求項1記載のセラ
    ミックス粉末の製造方法。
  10. 【請求項10】 熱プラズマ源として高周波誘導プラズ
    マ、マイクロ波誘導プラズマまたは直流アークプラズマ
    を用いることを特徴とする請求項1ないし9いずれか記
    載のセラミックス粉末の製造方法。
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