JPH06206727A - Zirconia thin film - Google Patents

Zirconia thin film

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JPH06206727A
JPH06206727A JP50A JP3391393A JPH06206727A JP H06206727 A JPH06206727 A JP H06206727A JP 50 A JP50 A JP 50A JP 3391393 A JP3391393 A JP 3391393A JP H06206727 A JPH06206727 A JP H06206727A
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zirconia
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良一 四方
Masaru Nozaki
勝 野崎
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正恭 成松
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Abstract

PURPOSE:To improve electrical conductivity of a zirconia thin film by including CaO and one or more kinds of rare earth metal oxides in the form of a solid solution and forming a ZrO2 thin film having a specific film thickness, wherein the length of the part composed of one crystal grain in the direction of thickness is longer than a half of the film thickness. CONSTITUTION:A ZrO2 raw material such as ZrOCl2.8H2O is compounded with 5-18mol% of a stabilizer consisting of CaO and one or more kinds of rare earth metal oxides such as Y2O3 and Yb2O3 and optionally <=20mol% of a crystal growth accelerator such as TiO2 and CeO2. The mixture is dissolved in water, precipitated with NH3 water, filtered, washed with water, dried and calcined to obtain raw material powder. The raw material powder is incorporated with proper amounts of binder, plasticizer and solvent and kneaded to form a slurry. A green sheet is formed from the slurry with doctor-blade method, etc., dried and baked at 1300-1900 deg.C in air to obtain an electrically conductive ZrO3 thin film having a thickness of 5-300mum, wherein the length of the part composed of one crystal grain in the direction of thickness is >=50% of the film thickness.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、良好な酸素イオン導電
体として幅広く利用されるジルコニア薄膜に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a zirconia thin film which is widely used as a good oxygen ion conductor.

【0002】[0002]

【従来技術とその課題】安定化剤としてカルシア(Ca
O)、或いはイットリア(Y)等の希土類酸化物
などを固溶したいわゆる安定化ジルコニアは、耐熱性に
優れているだけでなく、イオン導電性にも優れているこ
とから良好な固体電解質として燃料電池、酸素センサー
等をはじめ様々な分野において利用されている。
2. Description of the Related Art Calcia (Ca
O), or so-called stabilized zirconia in which a rare earth oxide such as yttria (Y 2 O 3 ) is solid-solved, is not only excellent in heat resistance but also excellent in ionic conductivity, and thus is a good solid. It is used as an electrolyte in various fields such as fuel cells and oxygen sensors.

【0003】燃料電池は、発電効率が高く、低公害であ
るという点で注目されている。そして、燃料電池の1種
である固体電解質型燃料電池は、ジルコニアを電解質部
として用いており、形式的には円筒型と平板型に大別で
きる。円筒型は、その固体電解質部分が、化学蒸着法
(CVD)、電気化学蒸着法(EVD)、溶射法などの
薄膜成形法によって厚さ10〜100μmのジルコニア
膜として形成されている。一方、平板型は、テープ成形
法、押出し成形法、鋳込み成形法等の従来のセラミック
ス成形方法によってその固体電解質部分が形成されてい
る。しかし、円筒型のものは、膜の気密性が十分でな
く、また製造コストも高くなるという問題がある。ま
た、平板型のものは、膜厚が薄いものでも100〜30
0μmと薄膜化に限界があり、大型化及び高出力化が困
難であるという問題がある。
Fuel cells have been attracting attention because of their high power generation efficiency and low pollution. A solid oxide fuel cell, which is one type of fuel cell, uses zirconia as an electrolyte portion and can be roughly classified into a cylindrical type and a flat type. The solid electrolyte portion of the cylindrical type is formed as a zirconia film having a thickness of 10 to 100 μm by a thin film forming method such as a chemical vapor deposition method (CVD), an electrochemical vapor deposition method (EVD), and a thermal spraying method. On the other hand, the flat plate mold has its solid electrolyte portion formed by a conventional ceramics molding method such as a tape molding method, an extrusion molding method, and a casting molding method. However, the cylindrical type has a problem that the airtightness of the film is not sufficient and the manufacturing cost becomes high. Further, the flat plate type has a thin film thickness of 100 to 30
There is a limit to thinning to 0 μm, and there is a problem that it is difficult to increase the size and output.

【0004】酸素センサーとしては、従来の酸素濃淡電
池型センサーに比べて高感度で且つ広い測定範囲を有す
るという利点から、酸素ポンプ作用を利用した限界電流
型センサーが注目されている。このセンサーは、ジルコ
ニア薄膜の膜厚を約100〜300μmとし、これをヒ
ーターにより加熱して400〜650℃という高温に保
ち、直流電流を印加して酸素ポンプとして作用させるも
のである。しかし、上記限界電流型センサーは、その応
答性能、使用温度、ヒーター仕込み時のヒーター容量の
低減等の点において更に改善の余地がある。
As the oxygen sensor, a limiting current type sensor utilizing an oxygen pump action has been attracting attention because it has the advantages of higher sensitivity and wider measuring range than the conventional oxygen concentration battery type sensor. This sensor has a thickness of a zirconia thin film of about 100 to 300 μm, is heated by a heater to maintain a high temperature of 400 to 650 ° C., and a direct current is applied to act as an oxygen pump. However, the limiting current type sensor has room for further improvement in terms of response performance, operating temperature, reduction in heater capacity during heater preparation, and the like.

【0005】これらの用途に用いられるジルコニア固体
電解質膜は、通常ジルコニア多結晶体により構成されて
いる。そして、ジルコニアが電解質としての性質をもつ
のは次の理由に基づく。即ち、Zr4+イオンとそのイ
オン半径が近似し、原子価がそれより小さい陽イオン酸
化物を固溶して酸素イオン空格子を形成し、加熱により
酸素イオンの振動エネルギーが増加し、この酸素イオン
がジャンピングによって空格子点に移動して結晶内を動
く結果、電流が流れることによる。このような特性を発
現させる物質としてはCaO、或いはYb、Sc
等の希土類酸化物等が知られており、これらの物
質が安定化剤と言われるものである。そして、最も一般
的な安定化剤としてYが用いられており、これを
約5〜10モル%固溶したY−ZrO系のもの
が代表的な安定化ジルコニアとして知られている。この
安定化ジルコニアの電気抵抗率は室温で約1012Ω・
cm、800℃で10Ω・cm、1000℃で約20
Ω・cmである。この高温における電気抵抗の減少は電
子伝導によるものではなく、酸素イオン伝導によるもの
である。
The zirconia solid electrolyte membrane used for these purposes is usually composed of a zirconia polycrystal. The reason why zirconia has the property as an electrolyte is based on the following reasons. That is, a Zr 4+ ion and its ionic radius are similar to each other, and a cation oxide having a smaller valence is solid-solved to form an oxygen ion vacancy, and the vibrational energy of the oxygen ion is increased by heating. Is caused by a current flowing as a result of moving to a vacancy by jumping and moving in the crystal. Examples of substances that exhibit such characteristics are CaO, Yb 2 O 3 , and Sc.
Rare earth oxides such as 2 O 3 are known, and these substances are called stabilizers. Y 2 O 3 is used as the most common stabilizer, and a Y 2 O 3 —ZrO 2 type solid solution containing about 5 to 10 mol% of this is known as a typical stabilized zirconia. Has been. The electrical resistivity of this stabilized zirconia is about 10 12 Ω ・ at room temperature.
cm, 800 ℃ 10 2 Ω · cm, 1000 ℃ about 20
Ω · cm. This decrease in electrical resistance at high temperature is due to oxygen ion conduction, not electron conduction.

【0006】ジルコニア薄膜が固体電解質として優れた
効果を発揮するためには、(1)気密性であること、
(2)比抵抗が小さいこと、(3)低温でも酸素イオン
導電性が高いこと、(4)応答性に優れていること、
(5)化学的、熱的に安定であること、等の特性が要求
される。このような特性を有する膜としてはジルコニア
単結晶膜が挙げられるが、ジルコニアの融点は約280
0℃と高く、製造コストが非常に高くなるという点か
ら、かかる単結晶膜は工業的規模での生産に適したもの
とは言い難い。
In order for the zirconia thin film to exhibit excellent effects as a solid electrolyte, (1) it must be airtight.
(2) low specific resistance, (3) high oxygen ion conductivity even at low temperature, (4) excellent responsiveness,
(5) Properties such as being chemically and thermally stable are required. A zirconia single crystal film can be cited as a film having such characteristics. The melting point of zirconia is about 280.
Since it is as high as 0 ° C. and the manufacturing cost becomes very high, it is hard to say that such a single crystal film is suitable for production on an industrial scale.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、単結晶膜に
近い電気的特性を有するジルコニア薄膜を比較的容易に
且つ安価に提供することを主な目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is to provide a zirconia thin film having electrical characteristics similar to a single crystal film, relatively easily and at low cost.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記従来技
術の問題点に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、結晶粒の成
長を調整してジルコニア薄膜の構造自体の改質を行なう
ことによって、即ち一定の膜厚下で厚さ方向において1
結晶粒子で構成されている部分の長さが膜厚の50%以
上となる構造を採用することによって、単結晶膜を作製
する場合よりも容易に、単結晶膜に近い電気的特性をジ
ルコニア薄膜に付与することに成功し、本発明を完成す
るに至った。
The inventors of the present invention have conducted extensive studies in view of the above problems of the prior art, and as a result, adjusted the growth of crystal grains to modify the structure itself of the zirconia thin film. , That is, 1 in the thickness direction under a constant film thickness
By adopting a structure in which the length of the portion composed of crystal grains is 50% or more of the film thickness, the electrical characteristics close to those of the single crystal film can be obtained more easily than in the case of producing a single crystal film. And succeeded in completing the present invention.

【0009】即ち、本発明は、CaO及び希土類酸化物
の少なくとも1種を固溶するジルコニア薄膜であって、
膜厚5〜300μmであり且つ厚さ方向において1結晶
粒子で構成されている部分の長さが膜厚の50%以上で
あることを特徴とするジルコニア薄膜に係るものであ
る。
That is, the present invention is a zirconia thin film in which at least one of CaO and a rare earth oxide is formed as a solid solution,
The present invention relates to a zirconia thin film having a film thickness of 5 to 300 μm and a length of a portion composed of one crystal grain in the thickness direction is 50% or more of the film thickness.

【0010】以下、本発明について詳細に説明する。The present invention will be described in detail below.

【0011】本発明のジルコニア薄膜は、安定化ジルコ
ニアを主成分とするものである。安定化ジルコニアにお
ける安定化剤としてCaO及び希土類酸化物の少なくと
も1種を固溶している。希土類酸化物としては、Y
、Yb、Sc等のジルコニア安定化剤と
して一般に知られているものが用いられる。安定化剤の
含有量は、通常5〜18モル%程度とすれば良いが、最
終的に得られるジルコニア薄膜の電気抵抗が最も小さく
なるような値であれば上記範囲外となっても差支えな
い。なお、SiO、Fe、Al、Na
O等の不純物は、ジルコニア薄膜の電気的特性等に悪影
響を及ぼすことがあるため当然少ないほうが好ましい
が、本発明における効果が得られる限り、それぞれ0.
01重量%程度まで含有されていても問題はない。
The zirconia thin film of the present invention is mainly composed of stabilized zirconia. At least one of CaO and a rare earth oxide is solid-dissolved as a stabilizer in the stabilized zirconia. As the rare earth oxide, Y 2 O
Those generally known as zirconia stabilizers such as 3 , Yb 2 O 3 and Sc 2 O 3 are used. The content of the stabilizer may be usually about 5 to 18 mol%, but may be out of the above range as long as the electric resistance of the finally obtained zirconia thin film is the smallest. . In addition, SiO 2 , Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , and Na 2
Since impurities such as O may adversely affect the electrical characteristics and the like of the zirconia thin film, it is naturally preferable that the amount is small, but as long as the effect of the present invention can be obtained, it is 0.
There is no problem even if the content is up to about 01% by weight.

【0012】本発明のジルコニア薄膜の構造は、その厚
さ方向の構造において、1結晶粒子で構成されている部
分の長さが膜厚の50%以上であることにより特徴付け
られる。このように厚さ方向の構造を実質的に結晶粒界
のない単結晶的な構造とすることにより、厚さ方向にお
ける酸素イオンの移動を良好にし、電気抵抗の低減化を
図ることが可能となる。本発明のジルコニア薄膜を構成
する結晶は、そのほとんどが立方晶であるが、上記安定
化剤が少ない場合には正方晶を含む場合もある。また、
本発明ジルコニア薄膜を構成する結晶の粒径は通常5〜
200μm程度である。従って、かかる粒径から構成さ
れる薄膜の膜厚は通常5〜300μm程度である。な
お、その平面方向の構造は、多数の結晶粒子から構成さ
れた多結晶体となっている。
The structure of the zirconia thin film of the present invention is characterized in that, in the structure in the thickness direction, the length of the portion constituted by one crystal grain is 50% or more of the film thickness. By making the structure in the thickness direction a single crystal structure having substantially no grain boundaries, it is possible to improve the movement of oxygen ions in the thickness direction and reduce the electric resistance. Become. Most of the crystals constituting the zirconia thin film of the present invention are cubic crystals, but when the amount of the stabilizer is small, they may include tetragonal crystals. Also,
The grain size of crystals constituting the zirconia thin film of the present invention is usually 5 to
It is about 200 μm. Therefore, the thickness of the thin film having such a grain size is usually about 5 to 300 μm. The structure in the plane direction is a polycrystalline body composed of a large number of crystal grains.

【0013】本発明ジルコニア薄膜の製法について説明
する。まず、通常の安定化ジルコニア粉末の調製方法に
従って、原料ジルコニア、安定化剤等を所定の割合で混
合して原料粉末の調製を行なう。この場合、上記の各成
分の他に、必要に応じてTiO又はCeOを添加す
れば、焼成時における結晶粒の成長を促進させることが
できる。その添加量は20モル%以下の範囲内とするの
が好ましい。また、その下限値は薄膜の組成、所望の粒
径等によって適宜定めれば良い。かかる結晶粒成長促進
助剤の添加により比較的低い焼成温度でも所定の薄膜構
造とすることができ、特に100μm以上の膜厚のもの
を作製する場合には有利である。
The method for producing the zirconia thin film of the present invention will be described. First, the raw material powder is prepared by mixing the raw material zirconia, the stabilizer and the like in a predetermined ratio according to a usual method for preparing the stabilized zirconia powder. In this case, if necessary, TiO 2 or CeO 2 is added in addition to the above-mentioned components to promote the growth of crystal grains during firing. The addition amount is preferably within the range of 20 mol% or less. Further, the lower limit value may be appropriately determined depending on the composition of the thin film, the desired particle size, and the like. By adding such a crystal grain growth accelerating aid, a predetermined thin film structure can be formed even at a relatively low firing temperature, and it is particularly advantageous when producing a film having a film thickness of 100 μm or more.

【0014】次いで、上記原料粉末に、必要に応じて通
常の結合剤、可塑剤、溶剤等の各種添加剤を所定量配合
してスラリーをする。
Next, if necessary, various additives such as ordinary binders, plasticizers and solvents are blended with the above-mentioned raw material powder to prepare a slurry.

【0015】次に、得られたスラリーを用いて膜成形体
を作製する。成形方法はドクターブレード法、コーター
によるテープ成形法等の湿式薄膜成形方法を採ることが
でき、これらの方法によって生シートを成形する。乾燥
後、生シートの焼成を行なう。焼成雰囲気は、通常、酸
化雰囲気とする。焼成方法は、セラミックスの焼成にお
いて通常行なわれる常圧焼結で良い。なお、場合によっ
ては、予備焼結の後に熱間静水圧プレス成形(HIP)
法を行なっても良い。焼成温度及び焼成時間は、スラリ
ーの組成、所望の膜厚、助剤の添加量等のよって異なり
一様ではないが、通常1300〜1900℃程度とす
る。この場合、焼成温度を高くすればするほど得られる
結晶の結晶粒径は一般に大きくなる。従って、焼成温度
は、特に焼成すべき薄膜の厚さによって決まり、一般的
にはその厚さが厚いほど焼成温度を高くする必要があ
る。また、上述の如くTiO又はCeOを添加して
焼成すれば、比較的低い焼成温度でも所定の構造をもつ
薄膜が得られる。
Next, a film molded body is prepared using the obtained slurry. As a forming method, a wet thin film forming method such as a doctor blade method or a tape forming method using a coater can be adopted, and a green sheet is formed by these methods. After drying, the raw sheet is fired. The firing atmosphere is usually an oxidizing atmosphere. The firing method may be atmospheric pressure sintering which is usually performed in firing ceramics. In some cases, hot isostatic pressing (HIP) is performed after pre-sintering.
You may practice the law. The firing temperature and the firing time differ depending on the composition of the slurry, the desired film thickness, the amount of the auxiliary agent added, and the like, and are not uniform, but usually about 1300 to 1900 ° C. In this case, generally, the higher the firing temperature, the larger the crystal grain size of the obtained crystal. Therefore, the firing temperature depends on the thickness of the thin film to be fired, and generally, the thicker it is, the higher the firing temperature needs to be. If TiO 2 or CeO 2 is added and baked as described above, a thin film having a predetermined structure can be obtained even at a relatively low baking temperature.

【0016】このようにジルコニアを含むスラリーを用
いて薄膜を成形し、膜厚に見合った結晶粒径が期待でき
る最適な焼成温度を設定することによって、薄膜の厚さ
方向の構造を実質的に単粒子化して単結晶的な構造をも
つジルコニア薄膜を得ることができる。
By thus forming a thin film using a slurry containing zirconia and setting an optimum firing temperature at which a crystal grain size commensurate with the film thickness can be expected, the structure in the thickness direction of the thin film is substantially A zirconia thin film having a single crystal structure can be obtained by making it into single particles.

【0017】[0017]

【発明の効果】本発明のジルコニア薄膜は、厚さの方向
の構造が実質的に単粒子化されているため、電気的特性
などが単結晶膜に近い特性を有する。特に、従来のジル
コニア膜に比して電気抵抗が低く、優れた導電性を発揮
する。このため、固体電解質型燃料電池、酸素センサー
等の用途に特に好適である。
Since the zirconia thin film of the present invention has a structure in the thickness direction substantially made into a single particle, it has electrical characteristics similar to those of a single crystal film. In particular, it has a lower electric resistance than the conventional zirconia film and exhibits excellent conductivity. Therefore, it is particularly suitable for applications such as solid oxide fuel cells and oxygen sensors.

【0018】また本発明のジルコニア薄膜は、単結晶膜
を作製する場合に比べ、大面積の膜が容易に且つ安価に
製造することができ、しかもTiO又はCeOの添
加により厚い膜の単粒子化も容易であるため、工業的規
模での生産に適したものである。
The zirconia thin film of the present invention can be easily and inexpensively produced as a large-area film as compared with the case of producing a single crystal film, and the addition of TiO 2 or CeO 2 makes it possible to obtain a thick film as a single film. Since it can be easily made into particles, it is suitable for production on an industrial scale.

【0019】[0019]

【実施例】以下、実施例を示し、本発明の特徴とすると
ころをより明瞭にする。 (原料粉末の調製)出発原料としてオキシ塩化ジルコニ
ウム(ZrOCl・8HO)、塩化イットリウム
(YCl・6HO)、四塩化チタン(TiCl
及び硝酸セリウム(Ce(NO・6HO)を用
い、これらを水に溶解してアンモニア水を加えて共沈さ
せることにより、YとZrOとが均一に混合さ
れた沈殿物を得た。次いで、この沈殿物を十分に水洗し
た後、乾燥して乾燥ケーキとした。この乾燥ケーキを電
気炉中1100℃で3時間仮焼した後、解砕・粉砕する
ことにより、表1に示すような化学組成と不純物をもっ
た6種類の原料粉末A〜Fをそれぞれ調製した。なお、
これらの粉末の比表面積は7〜8m/g及び平均粒径
1〜1.3μmであった。
EXAMPLES Examples will be shown below to clarify the characteristics of the present invention. (Raw material powder preparation) zirconium oxychloride as the starting material (ZrOCl 2 · 8H 2 O) , yttrium chloride (YCl 3 · 6H 2 O) , titanium tetrachloride (TiCl 4)
And cerium nitrate (Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O) were dissolved in water and ammonia water was added to cause coprecipitation, whereby Y 2 O 3 and ZrO 2 were uniformly mixed. A precipitate was obtained. Next, this precipitate was washed thoroughly with water and then dried to obtain a dry cake. The dried cake was calcined in an electric furnace at 1100 ° C. for 3 hours, and then crushed and pulverized to prepare six kinds of raw material powders A to F having chemical compositions and impurities as shown in Table 1, respectively. . In addition,
The specific surface area of these powders was 7 to 8 m 2 / g and the average particle diameter was 1 to 1.3 μm.

【0020】[0020]

【表1】 (薄膜の成形・焼成)上記の各原料粉末100重量部に
対して、結合剤としてポリビニルブチラール(PVB)
10重量部、可塑剤としてジオクチルフタレート(DO
P)7重量部、及び溶剤としてトルエン33重量部とエ
タノール22重量部を配合してボールミルにより7日間
混合してスラリーをそれぞれ調製した。得られた各スラ
リーを真空脱泡した後、スラリー粘度を約4000CP
Sに調整してテープ成形用スラリーとした。テープ成形
用スラリーをドクターブレード法によりスリットクリア
ランスを変えて塗工した。これにより得られたグリーン
シートを乾燥した後、焼成を行なった。焼成スケジュー
ルは、室温〜100℃間は100℃/hr、100〜5
00℃間は10℃/hr、500〜750℃間は60℃
/hrの昇温速度で加熱し、750℃で3時間保持し、
さらに後記の各実施例における所定の焼成温度で3時間
保持した後、上記焼成温度から室温まで250℃/hr
の冷却速度で冷却した。なお、一部の試料については、
焼成後さらにHIP法により処理し、次いで空気中13
00℃で再焼成した。
[Table 1] (Formation and firing of thin film) Polyvinyl butyral (PVB) as a binder for 100 parts by weight of each raw material powder described above.
10 parts by weight of dioctyl phthalate (DO
P) 7 parts by weight, and 33 parts by weight of toluene as a solvent and 22 parts by weight of ethanol were mixed and mixed by a ball mill for 7 days to prepare slurries. After vacuum degassing each of the obtained slurries, the slurry viscosity is about 4000 CP.
The slurry was adjusted to S to form a tape forming slurry. The tape molding slurry was applied by a doctor blade method while changing the slit clearance. The green sheet thus obtained was dried and then fired. The firing schedule is 100 ° C./hr, 100 to 5 between room temperature and 100 ° C.
10 ° C / hr between 00 ° C, 60 ° C between 500 and 750 ° C
/ Hr heating rate, hold at 750 ℃ for 3 hours,
Furthermore, after holding at a predetermined firing temperature in each of the examples described below for 3 hours, the firing temperature was increased to room temperature at 250 ° C./hr.
It cooled at the cooling rate of. For some samples,
After firing, it is further processed by the HIP method, and then in air 13
It was re-fired at 00 ° C.

【0021】実施例1 焼成温度の違いによる厚さ方向の構成結晶粒子数の変化
について調べた。
Example 1 The change in the number of constituent crystal grains in the thickness direction due to the difference in firing temperature was examined.

【0022】上記の原料粉末Bを用いてなるスラリーか
ら得られたグリーンシートを乾燥したものを5つ用意し
た。次いで、これらを(1)1400℃、(2)150
0℃、(3)1600℃及び(4)1700℃の焼成温
度で焼成したもの(試料1〜4)、並びに(5)170
0℃で焼成した後にさらにアルゴン雰囲気下1700℃
でHIP法により処理したもの(試料5)をそれぞれ得
た。得られた試料1〜5のジルコニア薄膜の膜厚は65
〜70μmであった。これらの薄膜をX線回折分析した
ところ、どの試料も立方晶ジルコニアのみから構成され
ていることが判明した。また、これらジルコニア薄膜
は、すべて密度が5.90g/cm以上と緻密化して
おり、しかも放電式ピンホール試験器を用いてのピンホ
ールも認められなかった。
Five green sheets obtained by drying the green sheets obtained from the slurry using the above-mentioned raw material powder B were prepared. Then, these are (1) 1400 ° C., (2) 150
Those fired at firing temperatures of 0 ° C., (3) 1600 ° C. and (4) 1700 ° C. (Samples 1 to 4), and (5) 170
After firing at 0 ° C, further 1700 ° C under argon atmosphere
A sample (sample 5) processed by the HIP method was obtained. The thickness of the zirconia thin films of the obtained samples 1 to 5 was 65.
Was about 70 μm. X-ray diffraction analysis of these thin films revealed that all samples were composed of cubic zirconia only. Further, all of these zirconia thin films were densified with a density of 5.90 g / cm 3 or more, and no pinholes were observed using the discharge type pinhole tester.

【0023】次に、得られた各ジルコニア薄膜の断面構
造を走査型電子顕微鏡で観察した。試料1〜5の断面構
造の電子顕微鏡写真を図1〜5に示す。また試料5の低
倍率走査型電子顕微鏡写真を図6に示す。図1〜5の結
果に基づき、各ジルコニア薄膜における1結晶粒子で構
成された部分の割合を求めたところ、試料1では0%、
試料2では0%、試料3では57%、試料4では83
%、試料5では86%であった。
Next, the sectional structure of each of the obtained zirconia thin films was observed with a scanning electron microscope. Electron micrographs of the cross-sectional structures of Samples 1 to 5 are shown in FIGS. A low-magnification scanning electron micrograph of Sample 5 is shown in FIG. Based on the results of FIGS. 1 to 5, the ratio of the portion composed of one crystal grain in each zirconia thin film was determined, and it was 0% in Sample 1.
Sample 2 is 0%, Sample 3 is 57%, Sample 4 is 83%
% And 86% in Sample 5.

【0024】このように、試料1では厚さ方向が5〜7
結晶粒子で構成されている(図1)のに対し、焼成温度
を高くするに従ってその結晶粒子数は減少し(図2)、
1600℃以上で焼成した場合には、試料3〜5のよう
に実質的に1結晶粒子で構成された薄膜となっているこ
とがわかる(図3〜5)。
As described above, in Sample 1, the thickness direction is 5 to 7
While it is composed of crystal grains (Fig. 1), the number of crystal grains decreases with increasing firing temperature (Fig. 2),
It can be seen that when fired at 1600 ° C. or higher, the thin film was substantially composed of one crystal grain as in Samples 3 to 5 (FIGS. 3 to 5).

【0025】実施例2 安定化剤としてのYの添加量の違いによる厚さ方
向の薄膜の構造について調べた。
Example 2 The structure of the thin film in the thickness direction was examined by the difference in the amount of Y 2 O 3 added as a stabilizer.

【0026】前記の原料粉末A及びCを用いてなるスラ
リーから得られたグリーンシートを乾燥したものをそれ
ぞれ用意し、焼成温度を1600℃として焼成を行なっ
て、試料A及びCを得た。得られたジルコニア薄膜の膜
厚は65〜70μmであった。得られた各ジルコニア薄
膜の断面構造を走査型電子顕微鏡で観察した。試料A及
びCの顕微鏡写真を図7及び図8にそれぞれ示す。
Samples A and C were obtained by preparing dried green sheets obtained from slurries using the above-mentioned raw material powders A and C and firing them at a firing temperature of 1600 ° C. The thickness of the obtained zirconia thin film was 65 to 70 μm. The cross-sectional structure of each of the obtained zirconia thin films was observed with a scanning electron microscope. Micrographs of Samples A and C are shown in FIGS. 7 and 8, respectively.

【0027】その結果、図7と図8からわかるように、
試料AよりもYの添加量が多い試料Cのほうは結
晶粒成長が大きく、1結晶粒子で構成された部分が増加
して膜厚の61%を占めた。また、試料Aは、その結晶
粒成長が試料Cに比して小さいものの、1結晶粒子で構
成された部分の割合は50%であり、所定の構造を形成
していることがわかる。
As a result, as can be seen from FIGS. 7 and 8,
The crystal grain growth was larger in the sample C in which the amount of Y 2 O 3 added was larger than that in the sample A, and the portion constituted by one crystal grain increased to occupy 61% of the film thickness. Further, although the crystal grain growth of sample A is smaller than that of sample C, the proportion of the portion composed of one crystal grain is 50%, which shows that a predetermined structure is formed.

【0028】実施例3 TiO添加による結晶粒成長促進の効果について調べ
た。
Example 3 The effect of promoting grain growth by adding TiO 2 was investigated.

【0029】前記の原料粉末D及びEを用いてなるスラ
リーから得られたグリーンシートを乾燥したものをそれ
ぞれ用意し、焼成温度を1600℃として焼成を行なっ
て、試料D及びEを得た。これにより得られたジルコニ
ア薄膜の膜厚は125μmであった。これらの薄膜をX
線回折分析したところ、どちらの試料もYとTi
が共にジルコニアに固溶し、立方晶ジルコニア単相
から構成されていることが判明した。各ジルコニア薄膜
の断面構造を走査型電子顕微鏡で観察した。試料D及び
Eの顕微鏡写真を図9及び図10にそれぞれ示す。これ
によると1結晶粒子で構成された部分の長さは膜厚の7
8〜81%であった。
Samples D and E were obtained by preparing dried green sheets obtained from slurries using the above-mentioned raw material powders D and E and firing them at a firing temperature of 1600 ° C. The thickness of the zirconia thin film thus obtained was 125 μm. X these thin films
Line diffraction analysis showed that both samples had Y 2 O 3 and Ti.
It was found that both O 2 were solid-dissolved in zirconia and were composed of cubic zirconia single phase. The cross-sectional structure of each zirconia thin film was observed with a scanning electron microscope. Micrographs of samples D and E are shown in FIGS. 9 and 10, respectively. According to this, the length of the portion composed of one crystal grain is 7
It was 8 to 81%.

【0030】図9と図10からわかるように、一定量の
TiOを添加すれば、125μmの厚い膜であっても
1600℃という比較的低い焼成温度で焼成して本発明
に係る所定構造のジルコニア薄膜が得られることがわか
る。
As can be seen from FIG. 9 and FIG. 10, if a certain amount of TiO 2 is added, even a 125 μm thick film is fired at a relatively low firing temperature of 1600 ° C. to obtain the predetermined structure of the present invention. It can be seen that a zirconia thin film can be obtained.

【0031】実施例4 CeO添加による結晶粒成長促進の効果について調べ
た。
Example 4 The effect of promoting grain growth by adding CeO 2 was investigated.

【0032】前記の原料粉末Fを用いてなるスラリーか
ら得られたグリーンシートを乾燥したものを用意し、焼
成温度を1600℃として焼成を行なって、試料Fを得
た。得られたジルコニア薄膜の膜厚は125μmであっ
た。試料FをX線回折分析したところ、YとCe
は共にジルコニアに固溶し、立方晶ジルコニア単相
から構成されていることが確認できた。次に得られた各
ジルコニア薄膜の断面構造を走査型電子顕微鏡で観察し
た。試料Fの顕微鏡写真を図11に示す。
A dried green sheet obtained from a slurry using the raw material powder F was prepared and fired at a firing temperature of 1600 ° C. to obtain a sample F. The thickness of the obtained zirconia thin film was 125 μm. X-ray diffraction analysis of sample F showed that Y 2 O 3 and Ce
It was confirmed that O 2 was both solid-solved in zirconia and was composed of cubic zirconia single phase. Next, the cross-sectional structure of each zirconia thin film obtained was observed with a scanning electron microscope. A micrograph of Sample F is shown in FIG.

【0033】その結果、図11からわかるように、一定
量のCeOの添加によりY単独で添加する場合
に比して1結晶粒子で構成されている部分が増加してお
り(1粒子部分の割合59%)、結晶粒の成長が促進さ
れていることがわかる。
As a result, as can be seen from FIG. 11, the addition of a certain amount of CeO 2 increased the portion composed of one crystal grain as compared with the case where Y 2 O 3 was added alone (1 It can be seen that the growth of crystal grains is promoted, with the ratio of the grain portion being 59%).

【0034】実施例5 ジルコニア薄膜の電気抵抗性について調べた。Example 5 The electrical resistance of the zirconia thin film was investigated.

【0035】前記原料粉末Bを用いて空気中1400℃
で焼成して得られた薄膜a、同じく原料粉末Bを用いて
空気中1700℃で焼成し、さらにアルゴンガス雰囲気
中1000気圧下1700℃でHIP法により処理した
後、空気中1300℃で再焼成して得られた薄膜b、及
び前記原料粉末Eを用いて空気中1600℃で焼成して
得られた薄膜cの電気抵抗率をそれぞれ測定した。その
結果を各薄膜の物性と共に表2に示す。なお、電気抵抗
率の測定は、各ジルコニア薄膜の両面に白金ペースト
(田中マッセイ製「TR 7905」)を塗布し、13
00℃で1時間熱処理したものを測定用試料とし、5〜
500Hzの周波数を用いて交流インピーダンス法によ
り空気中200〜1000℃で測定した。
Using the above raw material powder B in air at 1400 ° C.
The thin film a obtained by firing in the same manner as above, the same as the raw material powder B, was fired in air at 1700 ° C., further treated by the HIP method at 1700 ° C. under an atmospheric pressure of 1000 atm, and then re-fired in air at 1300 ° C. The electrical resistivities of the thin film b thus obtained and the thin film c obtained by firing the raw material powder E in air at 1600 ° C. were measured. The results are shown in Table 2 together with the physical properties of each thin film. The electrical resistivity was measured by applying platinum paste (“TR 7905” manufactured by Tanaka Massey) on both sides of each zirconia thin film, and
What was heat-treated at 00 ° C for 1 hour was used as a measurement sample, and
It was measured at 200 to 1000 ° C. in air by the AC impedance method using a frequency of 500 Hz.

【0036】[0036]

【表2】 薄膜aは、粒径10μmの結晶粒子から構成された厚さ
70μmのジルコニア薄膜である。これは、通常の多結
晶ジルコニア膜と同様に複素インピーダンスのCole
−Coleプロットで明確な二つの半円形が認められ、
粒内と粒界との成分からジルコニア薄膜の電気抵抗が構
成されていることを示した。その導電率のアレニウスプ
ロットを図12に示す。図12より、粒界抵抗は粒内抵
抗よりも大きくなる傾向があることがわかる。
[Table 2] The thin film a is a zirconia thin film having a thickness of 70 μm and composed of crystal particles having a particle size of 10 μm. This has a complex impedance Cole similar to that of a normal polycrystalline zirconia film.
-The Cole plot shows two distinct half circles,
It was shown that the electrical resistance of the zirconia thin film is composed of the components inside the grain and at the grain boundary. An Arrhenius plot of the conductivity is shown in FIG. From FIG. 12, it can be seen that the grain boundary resistance tends to be higher than the intragranular resistance.

【0037】薄膜b及びcは、完全に単粒子化された厚
さ70μmのジルコニア薄膜であり、薄膜bはY
8モル%を含有し、薄膜cはY7モル%とTiO
10モル%を含有する。これらの複素インピーダンス
のCole−Coleプロットは明確な半円形のみで構
成されており、粒界成分の電気抵抗をもたないことを示
している。その導電率のプロットを図13及び図14に
示す。薄膜b及びc共に粒界の抵抗は認められず、粒内
抵抗のみで構成されていることがわかる。
The thin films b and c are zirconia thin films having a thickness of 70 μm, which are completely made into single particles, and the thin film b is Y 2 O 3 film.
The thin film c contains Y 2 O 3 7 mol% and TiO 2.
It contains 210 mol%. The Cole-Cole plots of these complex impedances consisted only of distinct semicircles, indicating that they do not have the electrical resistance of grain boundary components. The conductivity plots are shown in FIGS. 13 and 14. It can be seen that no resistance of grain boundaries is observed in both thin films b and c, and the thin films b and c are composed only of intragranular resistance.

【0038】以上のように、ジルコニア薄膜において、
厚さ方向に結晶粒子を単粒子化することにより、粒界抵
抗をなくし、単結晶膜の電気的特性に近付けることが可
能となることがわかる。
As described above, in the zirconia thin film,
It is understood that by making the crystal grains into single grains in the thickness direction, the grain boundary resistance can be eliminated and the electrical characteristics of the single crystal film can be approximated.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】実施例1における試料1断面のセラミックス材
料組織を示す電子顕微鏡写真である。
FIG. 1 is an electron micrograph showing a ceramic material structure of a cross section of Sample 1 in Example 1.

【図2】実施例1における試料2断面のセラミックス材
料組織を示す電子顕微鏡写真である。
FIG. 2 is an electron micrograph showing a ceramic material structure of a cross section of Sample 2 in Example 1.

【図3】実施例1における試料3断面のセラミックス材
料組織を示す電子顕微鏡写真である。
FIG. 3 is an electron micrograph showing a ceramic material structure of a cross section of Sample 3 in Example 1.

【図4】実施例1における試料4断面のセラミックス材
料組織を示す電子顕微鏡写真である。
FIG. 4 is an electron micrograph showing a ceramic material structure of a cross section of Sample 4 in Example 1.

【図5】実施例1における試料5断面のセラミックス材
料組織を示す電子顕微鏡写真である。
5 is an electron micrograph showing a ceramic material structure of a cross section of Sample 5 in Example 1. FIG.

【図6】実施例1における試料5のセラミックス材料の
組織を示す低倍率走査型電子顕微鏡写真である。
FIG. 6 is a low-magnification scanning electron micrograph showing the structure of the ceramic material of Sample 5 in Example 1.

【図7】実施例2における試料A断面のセラミックス材
料組織を示す電子顕微鏡写真である。
7 is an electron micrograph showing a ceramic material structure of a cross section of Sample A in Example 2. FIG.

【図8】実施例2における試料C断面のセラミックス材
料組織を示す電子顕微鏡写真である。
FIG. 8 is an electron micrograph showing a ceramic material structure of a cross section of Sample C in Example 2.

【図9】実施例3における試料D断面のセラミックス材
料組織を示す電子顕微鏡写真である。
FIG. 9 is an electron micrograph showing a ceramic material structure of a cross section of Sample D in Example 3.

【図10】実施例3における試料E断面のセラミックス
材料組織を示す電子顕微鏡写真である。
10 is an electron micrograph showing a ceramic material structure of a cross section of Sample E in Example 3. FIG.

【図11】実施例4における試料F断面のセラミックス
材料組織を示す電子顕微鏡写真である。
FIG. 11 is an electron micrograph showing a ceramic material structure of a cross section of Sample F in Example 4.

【図12】実施例5の薄膜aにおける導電率のアレニウ
スプロットを示すグラフである。
FIG. 12 is a graph showing an Arrhenius plot of conductivity in the thin film a of Example 5.

【図13】実施例5の薄膜bにおける導電率のアレニウ
スプロットを示すグラフである。
13 is a graph showing an Arrhenius plot of conductivity in the thin film b of Example 5. FIG.

【図14】実施例5の薄膜cにおける導電率のアレニウ
スプロットを示すグラフである。
FIG. 14 is a graph showing an Arrhenius plot of conductivity in the thin film c of Example 5.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】CaO及び希土類酸化物の少なくとも1種
を固溶するジルコニア薄膜であって、膜厚5〜300μ
mであり且つ厚さ方向において1結晶粒子で構成されて
いる部分の長さが膜厚の50%以上であることを特徴と
するジルコニア薄膜。
1. A zirconia thin film in which at least one of CaO and a rare earth oxide is formed as a solid solution, and the film thickness is 5 to 300 μm.
A zirconia thin film characterized in that the length of a portion composed of one crystal grain in the thickness direction is 50% or more of the film thickness.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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