JPH07196364A - Production of sintered lanthanum-chromite ceramic - Google Patents

Production of sintered lanthanum-chromite ceramic

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JPH07196364A
JPH07196364A JP35231593A JP35231593A JPH07196364A JP H07196364 A JPH07196364 A JP H07196364A JP 35231593 A JP35231593 A JP 35231593A JP 35231593 A JP35231593 A JP 35231593A JP H07196364 A JPH07196364 A JP H07196364A
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JP
Japan
Prior art keywords
lanthanum chromite
sintered body
reduction
heat treatment
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
JP35231593A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshiyuki Someya
喜幸 染谷
Isao Mukaisawa
功 向沢
Motoaki Andou
基朗 安藤
Toshihiko Yoshida
利彦 吉田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER
Tonen General Sekiyu KK
Japan Petroleum Energy Center JPEC
Original Assignee
SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER
Petroleum Energy Center PEC
Tonen Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER, Petroleum Energy Center PEC, Tonen Corp filed Critical SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

PURPOSE:To improve lanthanum chromite in its electric conductivity, density as well as strength and elasticity. CONSTITUTION:Sintered ceramic of lanthanum chromite mainly having the I perovskite structure represented by the general formula, (La1-xAx)a(Cr1-yBy)bO3 (A is an alkaline earth metal except Mg, B is at least one selected from Co, Ni, Zn, Fe, Cu and Mn; 0<x<=0.2, 0<y<=0.05, 0.95<=a/b<=1.05) is heat-treated under reductive conditions where the temperature and the oxygen partial pressure are set so that the volume increase of the sintered product may be less than 0.3% measured at room temperature, before and after the reductive heat treatment.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は新規なランタンクロマイ
ト系セラミックスとその組成物の製造方法に係わる。こ
のランタンクロマイト系セラミックス及びその組成物
は、高温の大気及び還元雰囲気において安定であり、高
い電子伝導性をもち、固体電解質型燃料電池、MHD発
電、高温導電性材料に利用することができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel lanthanum chromite ceramic and a method for producing the composition. The lanthanum chromite ceramics and the composition thereof are stable in a high temperature atmosphere and a reducing atmosphere, have high electron conductivity, and can be used for solid oxide fuel cells, MHD power generation, and high temperature conductive materials.

【0002】[0002]

【従来の技術】ランタンクロマイト(LaCrO3
は、高温において導電性をもち、かつ耐酸化性、耐還元
性に優れるために、高温の腐食性雰囲気で使用する導体
材料として極めて有望視されている酸化物系セラミック
スである。ランタンクロマイトにマグネシウム、カルシ
ウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金
属を微量不純物元素として添加することにより、導電率
を向上させることができる。ランタンクロマイトはペロ
ブスカイト構造(ABO3〔式中、A,Bは金属元素、
Oは酸素である。〕)をなしている。添加したカルシウ
ム、ストロンチウム、バリウムはランタンクロマイト格
子中ランタン位置に置換固溶しており、一方マグネシウ
ムはクロム位置に固溶している。
2. Description of the Related Art Lanthanum chromite (LaCrO 3 )
Is an oxide-based ceramics which is extremely promising as a conductor material used in a corrosive atmosphere at high temperature because it has conductivity at high temperature and is excellent in oxidation resistance and reduction resistance. The conductivity can be improved by adding an alkaline earth metal such as magnesium, calcium, strontium, or barium as a trace impurity element to the lanthanum chromite. Lanthanum chromite has a perovskite structure (ABO 3 [wherein A and B are metallic elements,
O is oxygen. ]) The added calcium, strontium, and barium are in substitutional solid solution at the lanthanum position in the lanthanum chromite lattice, while magnesium is in solid solution at the chromium position.

【0003】上記、微量元素添加ランタンクロマイト
は、導電率の点では十分な性能を有しているが、常圧大
気中では緻密な焼結が得られにくく空隙が生じるために
ガスを十分に遮断できないという欠点がある。したがっ
て、例えば固体電解質型燃料電池のセパレータ材料とし
てランタンクロマイトを用いようとした場合、燃料ガス
と空気を完全に分離することが不可能であり、この目的
に用いることができなかった。
Although the above-mentioned lanthanum chromite containing a trace element has sufficient performance in terms of conductivity, it is difficult to obtain a dense sintered body in an atmospheric pressure atmosphere, and voids are generated, so that the gas is sufficiently blocked. There is a drawback that you cannot do it. Therefore, for example, when lanthanum chromite was used as a separator material for a solid oxide fuel cell, it was impossible to completely separate the fuel gas and the air, and the lanthanum chromite could not be used for this purpose.

【0004】ランタンクロマイトにおいて容易に緻密な
焼結体が得られないのは、第一に焼成温度において酸化
クロムの蒸気圧が高く、焼成時の緻密化過程で気孔が消
滅しにくく、焼結体中に気孔が残留するためであり、第
二に構成要素のイオンの拡散がきわめて遅く原料粉末の
界面が移動しにくいためである。そこで、本発明者ら
は、特開平3−65517号において、緻密な焼結体を
常圧大気中で容易に得られるようにするとともに、導電
率においても従来よりも向上せしめることを目的とし
て、一般式La1-x x Cr1-y Coy 3 (式中、M
はマグネシウムを除くアルカリ土類金属であり、0<x
≦0.5,0<y≦0.5である。)で表され、かつ、
ペロブスカイト構造を持つことを特徴とする新規なラン
タンクロマイト系複合酸化物と、これを用いた高温導電
性材料及び固体電解質型燃料電池セパレータを提供する
発明を開示した。
In the lanthanum chromite, a dense sintered body cannot be easily obtained. Firstly, the vapor pressure of chromium oxide is high at the firing temperature, and it is difficult for pores to disappear during the densification process during firing. This is because the pores remain inside, and secondly, the diffusion of the ions of the constituent elements is extremely slow and the interface of the raw material powder is difficult to move. Therefore, the inventors of the present invention have disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-65517 that a dense sintered body can be easily obtained in atmospheric pressure and the electrical conductivity can be improved as compared with the conventional one. General formula La 1-x M x Cr 1-y Co y O 3 (wherein M
Is an alkaline earth metal except magnesium, 0 <x
≦ 0.5 and 0 <y ≦ 0.5. ), And
Disclosed is a novel lanthanum chromite-based composite oxide having a perovskite structure, a high temperature conductive material using the same, and a solid oxide fuel cell separator.

【0005】このランタンクロマイト系複合酸化物は、
上記一般式で表されるように、ペロブスカイト構造を有
し、最も理想的には、ペロブスカイト構造(ABO3
のAサイトにLa、BサイトにCrが配置したランタン
クロマイトの基本構造において、Laの一部がアルカリ
土類金属で置換され、かつさらにCrの一部がCoに置
換された構造をなしていると考えられる。
This lanthanum chromite type composite oxide is
As represented by the above general formula, it has a perovskite structure, and most ideally, a perovskite structure (ABO 3 ).
In the basic structure of lanthanum chromite in which La is located at the A site and Cr is located at the B site, a part of La is replaced with an alkaline earth metal, and a part of Cr is further replaced with Co. it is conceivable that.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記、特開平3−65
517号に開示したランタンクロマイト系複合酸化物
は、固体電解質型燃料電池セパレータとして使用する場
合、導電率、焼結性の点では十分な性能を有している
が、固体電解質型燃料電池の大面積化、多段積層する場
合、熱応力の影響がセパレーターの破壊につながるので
高い材料強度が要求される。また、酸素分圧が1×10
-14 気圧以下の低酸素分圧下では材料結晶の格子定数が
増加し、その内部応力のために焼結体内部に微小なクラ
ックが発生して材料強度が低下する。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention
The lanthanum chromite composite oxide disclosed in Japanese Patent No. 517 has sufficient performance in terms of conductivity and sinterability when used as a solid electrolyte fuel cell separator, but it is not suitable for solid electrolyte fuel cells. In the case of increasing the area and stacking in multiple stages, the effect of thermal stress leads to the destruction of the separator, and thus high material strength is required. The oxygen partial pressure is 1 × 10.
Under a low oxygen partial pressure of -14 atm or less, the lattice constant of the material crystal increases, and due to the internal stress, minute cracks occur inside the sintered body and the material strength decreases.

【0007】焼結体板の両側雰囲気が酸化、還元雰囲気
のように異なる固体電解質型燃料電池セパレータとして
使用した場合、強度が低下することにより割れを生じた
り、還元側表面付近の体積増加のためにセパレータの還
元側に対し凸に反りが生じることがある。反りを荷重に
より平坦化させる場合に、発生応力が材料強度を上回れ
ば破壊につながる。
When used as a solid electrolyte fuel cell separator in which the atmosphere on both sides of the sintered plate is different, such as an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere, cracks may occur due to a decrease in strength, or the volume near the surface on the reducing side may increase. In some cases, the warp may occur in a convex shape on the reducing side of the separator. When the warp is flattened by a load, if the generated stress exceeds the material strength, it will lead to breakage.

【0008】セパレータの強度を大幅に向上させること
ができれば積層した固体電解質型燃料電池の信頼性を向
上させることにもつながる。その他の高温材料として用
いる場合にも材料強度を向上させることができれば、製
品の設計、製作が容易になる。したがって、本発明の目
的は、特定の還元熱処理下で大幅に強度を向上させた固
体電解質型燃料電池のセパレータ材料であるランタンク
ロマイト系セラミックス焼結体を製造することにある。
If the strength of the separator can be greatly improved, the reliability of the stacked solid oxide fuel cells can be improved. If the material strength can be improved even when it is used as another high-temperature material, product design and manufacture will be facilitated. Therefore, an object of the present invention is to produce a lanthanum chromite-based ceramics sintered body which is a separator material for a solid oxide fuel cell and whose strength is significantly improved under a specific reduction heat treatment.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、一般式(La1-x x ) a (Cr1-y
y ) b 3 (式中、AはMgを除くアルカリ土類金属、
BはCo,Ni,Zn,Fe,Cu及びMnのうち少な
くとも1種を示し、0<x≦0.2,0<y≦0.0
5,0.95≦a/b≦1.05である)で表わされ、
主としてペロブスカイト構造を有するランタンクロマイ
ト系セラミックス焼結体を還元熱処理を行ない、かつそ
の還元熱処理の条件が、還元熱処理の前後で焼結体の常
温下の体積が0.3%以下の増加率を示すような温度及
び酸素分圧下であることを特徴とするランタンクロマイ
ト系セラミックス焼結体の製造方法を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a compound represented by the general formula (La 1-x A x ) a (Cr 1-y B
y ) b O 3 (where A is an alkaline earth metal excluding Mg,
B represents at least one of Co, Ni, Zn, Fe, Cu and Mn, and 0 <x ≦ 0.2, 0 <y ≦ 0.0
5, 0.95 ≦ a / b ≦ 1.05),
A lanthanum chromite ceramics sintered body mainly having a perovskite structure is subjected to reduction heat treatment, and the condition of the reduction heat treatment shows that the volume of the sintered body at room temperature shows an increase rate of 0.3% or less before and after the reduction heat treatment. Provided is a method for producing a lanthanum chromite-based ceramics sintered body, which is characterized by being under such temperature and oxygen partial pressure.

【0010】本発明で用いるランタンクロマイト系セラ
ミックスは、上記一般式で表わされるペロブスカイト構
造を有し、最も理想的には、ペロブスカイト型(ABO
3 )構造のAサイトにLa、BサイトにCrが配置した
ランタンクロマイトの基本構造において、Laの一部が
アルカリ土類金属で置換され、かつさらにCrの一部が
Co,Ni,Zn,Fe,Cu、又はMn、これら異種
二元素以上の組みあわせに置換された構造をなしている
と考えられる。
The lanthanum chromite ceramics used in the present invention has a perovskite structure represented by the above general formula, and most ideally, is a perovskite type (ABO).
3 ) In the basic structure of the lanthanum chromite in which La is located at the A site and Cr is located at the B site, a part of La is replaced with an alkaline earth metal, and a part of Cr is further Co, Ni, Zn, Fe. , Cu, or Mn, which is considered to have a structure substituted by a combination of two or more different elements.

【0011】Laの一部をアルカリ土類金属で置換する
ことによって導電性が向上する。ただし、マグネシウム
は、AサイトのLaではなく、BサイトのCrと置換す
るので、本発明では用いない。アルカリ土類金属の置換
量は、モル比で0.2まで、好ましく、0.05〜0.
2より好ましくは、0.1〜0.2である。これらのア
ルカリ土類金属による置換が多いほど導電性は高くなる
が、この範囲を越えると還元時の体積増加率が高くな
り、ジルコニアを電解質とした固体電解質型燃料電池セ
パレータに使用した場合、反りが発生する。反りの発生
により、電解質であるジルコニアの破壊、セパレーター
自身の割れによって、ガスリークも発生する。また、熱
膨張係数も増加する為、電解質であるジルコニアとの熱
膨張係数の差が大きくなり、昇降温の熱サイクルをかけ
た場合にジルコニアの破壊を引きおこす。Laの一部を
置換するアルカリ土類金属は、マグネシウム以外なら、
種類を問わないが、Ca,Srが好ましい。
The conductivity is improved by substituting a part of La with an alkaline earth metal. However, magnesium does not use La in the A site but Cr in the B site, and is not used in the present invention. The substitution amount of the alkaline earth metal is 0.2, preferably 0.05 to 0.
More preferably, it is 0.1 to 0.2. The more the substitution with these alkaline earth metals, the higher the conductivity becomes, but if it exceeds this range, the volume increase rate at the time of reduction becomes high, and when used in a solid oxide fuel cell separator with zirconia as the electrolyte, the warpage Occurs. Due to the occurrence of warpage, zirconia, which is an electrolyte, is broken, and the separator itself is cracked, so that a gas leak also occurs. In addition, since the coefficient of thermal expansion also increases, the difference in coefficient of thermal expansion with that of zirconia, which is the electrolyte, becomes large, and the zirconia is destroyed when a thermal cycle of temperature rising / falling is applied. Alkaline earth metal substituting a part of La is other than magnesium,
The type is not limited, but Ca and Sr are preferable.

【0012】金属Bは、ランタンクロマイト格子のBサ
イトのクロムの一部と置換してランタンクロマイト粒子
の物質移動速度を上げたり、ランタンクロマイトから蒸
発する酸化クロムの蒸気圧を下げることによって緻密な
焼結体を得ることを可能にする金属である。このような
金属としては、第一に、ペロブスカイト構造をとること
が可能で、融点がランタンクロマイトより低いもの、第
二に酸化物中でイオンの拡散速度が速いもの、第三に酸
化クロムの蒸気圧を下げるものが好ましい。この条件を
満たす金属は、Co,Ni,Zn,Fe,Cu又はMn
とこれら異種二元素の組みあわせである。
The metal B is replaced with a part of chromium at the B site of the lanthanum chromite lattice to increase the mass transfer rate of the lanthanum chromite particles, and the vapor pressure of chromium oxide vaporized from the lanthanum chromite is reduced to obtain a fine calcination. It is a metal that makes it possible to obtain a unity. As such a metal, firstly, it is possible to have a perovskite structure and a melting point lower than that of lanthanum chromite, secondly, a diffusion rate of ions in an oxide is fast, and thirdly, chromium oxide vapor. Those that reduce the pressure are preferable. Metals satisfying this condition are Co, Ni, Zn, Fe, Cu or Mn.
And a combination of these two different elements.

【0013】また、金属Bの添加も、焼結体の導電率を
向上させる効果がある。金属Bの置換量はモル比で0<
y≦0.05、好ましくは、0.02≦y≦0.05で
ある。金属Bの添加量がこの範囲を越えると、還元時の
体積増加率が高くなり、ジルコニアを電解質とした固体
電解質型燃料電池のセパレータに使用した場合、反りが
発生する。反りの発生により電解質であるジルコニアの
破壊、セパレータ自身の割れによってガスリークも発生
する。また、熱膨張係数も増加する為、電解質であるジ
ルコニアとの熱膨張係数の差が大きくなり、昇降温の熱
サイクルをかけた場合にジルコニアの破壊を引きおこ
す。
The addition of metal B also has the effect of improving the conductivity of the sintered body. The substitution amount of metal B is 0 <
y ≦ 0.05, preferably 0.02 ≦ y ≦ 0.05. When the amount of the metal B added exceeds this range, the volume increase rate at the time of reduction increases, and when used in a separator of a solid oxide fuel cell using zirconia as an electrolyte, warpage occurs. Due to the warpage, zirconia, which is an electrolyte, is broken, and the separator itself is cracked, so that a gas leak occurs. Further, since the coefficient of thermal expansion also increases, the difference in coefficient of thermal expansion from that of zirconia, which is the electrolyte, becomes large, and the zirconia is destroyed when a thermal cycle of temperature rising / falling is applied.

【0014】前記のように、本出願人は、ランタンクロ
マイトを緻密化しかつ導電率を向上させるためにランタ
ンの一部をアルカリ土類金属で置換するとともに、クロ
ムの一部をCoなどで置換したものを開示したが、その
後、これは固体電解質であるジルコニアと熱膨張率差が
大きいために実用においてジルコニアを損傷する場合が
あることを見い出した。また、還元時の体積変化が大き
く、固体電解質型燃料電池として用いた場合に反りが発
生して破壊する場合もあることも見い出した。そして、
これらの欠点はAサイト及びBサイトの還元量、置換元
素類の組合せが適正化されなかったためであり、それら
の置換量を本発明のように限定することによって、ジル
コニアとの熱膨張係数差を小さくし、かつ還元時の体積
増加率を小さくし、かつ緻密性と導電率を高く維持する
ことができることを見い出し、本発明は為されたもので
ある。
As described above, the present applicant has replaced a part of lanthanum with an alkaline earth metal and a part of chromium with Co or the like in order to densify the lanthanum chromite and improve conductivity. However, it has been found out that this may damage zirconia in practical use due to the large difference in coefficient of thermal expansion from zirconia, which is a solid electrolyte. It was also found that the volume change during reduction is large, and when used as a solid oxide fuel cell, warpage may occur and the material may be destroyed. And
These drawbacks are due to the fact that the reduction amount of the A site and the B site and the combination of the substitution elements were not optimized, and by limiting the substitution amount as in the present invention, the difference in the thermal expansion coefficient from that of zirconia is reduced. The present invention has been made by finding that it can be made smaller, the volume increase rate at the time of reduction can be made smaller, and the denseness and the electric conductivity can be maintained high.

【0015】なお、焼結体の緻密性及び導電率をできる
だけ高くする観点からは上記一般式のyが大きい(0.
05に近い)方が好ましいが、ジルコニア等との熱膨張
係数差の観点からはyが小さく、例えばy≦0.04が
好ましい場合もある。ランタンクロマイトのAサイトと
Bサイトの比a/bは、必ずしも1でなくても焼結体は
得られる。しかし、a/b>1.05,a/b<0.9
5では、焼結性に影響したり、ランタンクロマイト単一
相が得られなくなることがある。特に、a/b≫1.0
5である場合、粒界に偏析するLa2 3 のために、緻
密に焼成された焼結体でも、経時的に脆くなる。したが
って0.95≦a/b≦1.05であることが好まし
い。
From the viewpoint of increasing the compactness and conductivity of the sintered body as much as possible, y in the above general formula is large (0.
(Close to 05) is preferable, but y is small from the viewpoint of the difference in thermal expansion coefficient from zirconia or the like, and for example, y ≦ 0.04 may be preferable. Even if the ratio a / b of A site and B site of lanthanum chromite is not always 1, a sintered body can be obtained. However, a / b> 1.05, a / b <0.9
In No. 5, sinterability may be affected, or a lanthanum chromite single phase may not be obtained. In particular, a / b >> 1.0
In the case of 5, due to La 2 O 3 segregated at the grain boundaries, even a densely sintered sintered body becomes brittle with time. Therefore, it is preferable that 0.95 ≦ a / b ≦ 1.05.

【0016】本発明においては、高温導電性、還元時の
体積変化の逸脱しない範囲で、上記一般式以外のセラミ
ックス、金属を体積比20%まで含有又は添加すること
ができる。この目的に適う金属としては、Ti−Al系
金属間化合物(Ni3 Al,Ni2 Al3 ,NiA
l),Ni2 TiAl,Co3 Ti,TiAl,TiA
3 ,VAl3 ,NbAl3 ,ZrAl3 ,FeAl,
MoSi2 ,Ti5 Si3 などがあるが、特にNi−A
l系金属間化合物があげられる。また、セラミックスと
しては、Al2 3 ,TiO2 ,Ta2 5 ,Nb2
5 ,CoCr2 などのCoCr複合酸化物、YCr
2 ,Y−Ca−Cr−Ca−O系があげられる。これ
らの金属、セラミックスの添加量は、20%以下、好ま
しくは10%以下、より好ましくは5%以下である。こ
れらの添加量が20%を越えると導電性の低下その他の
不都合が生じる。
In the present invention, ceramics and metals other than the above general formulas can be contained or added up to 20% by volume within a range that does not deviate from high temperature conductivity and volume change during reduction. The metal serve this purpose, Ti-Al intermetallic compound (Ni 3 Al, Ni 2 Al 3, NiA
l), Ni 2 TiAl, Co 3 Ti, TiAl, TiA
l 3 , VAl 3 , NbAl 3 , ZrAl 3 , FeAl,
There are MoSi 2 , Ti 5 Si 3, etc., but especially Ni-A
Examples include l-based intermetallic compounds. Further, as ceramics, Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O are used.
5 , CoCr complex oxide such as CoCr 2 , YCr
O 2, Y-Ca-Cr -Ca-O system and the like. The addition amount of these metals and ceramics is 20% or less, preferably 10% or less, and more preferably 5% or less. If the addition amount of these exceeds 20%, the conductivity is lowered and other problems occur.

【0017】上記の一般式で表わされるランタンクロマ
イト系セラミックス又はこれを主体とする組成物は、そ
れ自体、密度、導電性が高く、しかも還元されても体積
変化が小さい。また熱膨張係数がジルコニアのそれに近
いなどの有用性を有する新規な物質である(本出願人に
よる本願と同日出願の「ランタンクロマイト系セラミッ
クスとその製法、用途」参照)。
The lanthanum chromite ceramics represented by the above general formula or the composition mainly composed of the lanthanum chromite ceramics itself has high density and conductivity, and its volume change is small even when reduced. In addition, it is a novel substance having a usefulness such as a thermal expansion coefficient close to that of zirconia (see “Lanthan chromite ceramics and its manufacturing method and use” filed on the same date as the present application by the present applicant).

【0018】しかしながら、本発明に従って還元熱処理
することによって、粒界の欠陥を減少させ、曲げ強度及
び弾性率を向上させることができる。また、高温燃料電
池のセパレータの如く使用時に高温還元雰囲気にさらさ
れる用途に用いる場合には、予め高温還元熱処理してお
くことによって使用時に還元側での膨張(変形)が少な
くなる利点もある。
However, the reduction heat treatment according to the present invention can reduce the defects at the grain boundaries and improve the bending strength and elastic modulus. In addition, when used for applications such as a separator of a high-temperature fuel cell that is exposed to a high-temperature reducing atmosphere at the time of use, there is an advantage that expansion (deformation) on the reducing side is reduced during use by performing high-temperature reducing heat treatment in advance.

【0019】本発明の還元熱処理の雰囲気は、高温還元
雰囲気で、材料組成によって変化するが、たとえば10
00℃、水素と水蒸気の体積比が1/5の酸素分圧6×
10-14 気圧程度の高温還元雰囲気が利用される。熱処
理の条件を還元前後の体積増加率が0.3%以下、より
好ましくは0.2%、さらには0.1%以下となる酸素
分圧、温度を選択すると材料強度は著しく向上する。緻
密化が進行する1400℃よりも低い温度で、還元前後
において相対密度、結晶粒径がほとんど変化せずに高強
度化していることから、還元熱処理によって結晶粒界の
剥離等の欠陥が少なくなり、結晶の接合強度が高くなっ
たことにより、曲げ強度、弾性率などが向上したものと
考えられる。しかし、還元前後の体積増加が0.3%を
超えると、体積増加に起因する内部応力の上昇で、焼結
体内部に微小なクラックが発生し、材料強度を低下させ
たり、さらには、発生した応力が材料強度以上に達すれ
ば、ひび割れ、破壊にまでいたる。
The atmosphere of the reduction heat treatment of the present invention is a high-temperature reducing atmosphere and changes depending on the material composition.
Oxygen partial pressure at 00 ° C, volume ratio of hydrogen to water vapor is 1/5, 6 ×
A high temperature reducing atmosphere of about 10 −14 atm is used. When the heat treatment conditions are selected such that the volume increase rate before and after reduction is 0.3% or less, more preferably 0.2%, and further 0.1% or less, the material strength is significantly improved. At a temperature lower than 1400 ° C at which densification progresses, the relative density and the crystal grain size before and after the reduction hardly change, and the strength is increased. Therefore, the reduction heat treatment reduces defects such as separation of grain boundaries. It is considered that the bending strength and elastic modulus are improved due to the increased bonding strength of the crystals. However, if the volume increase before and after the reduction exceeds 0.3%, the internal stress due to the volume increase increases, and minute cracks occur inside the sintered body, which lowers the material strength and further If the applied stress reaches or exceeds the material strength, cracking or even destruction occurs.

【0020】一般式で表されるランタンクロマイト系セ
ラミックスは700℃以上の温度一定の条件下では、酸
素分圧の対数にほぼ比例して格子定数が変化し、還元後
体積増加する。つまり還元熱処理の温度、酸素分圧の条
件を定めれば、条件に応じた還元前後の体積増加率が定
まり、温度、体積増加率を定めれば、還元熱処理する酸
素分圧は決めることができる。従って、焼結体の組成に
応じて熱処理温度と酸素分圧とを選択する。一般的には
800〜1000℃で酸素分圧が1×10-14気圧、1
000〜1200℃では酸素分圧が1×10-13 、12
00〜1400℃では1×10-11 気圧、1400℃〜
1600℃では1×10-8気圧である。好ましくは80
0〜1200℃の温度域で1×10-14 〜1×10-13
気圧が良い。熱処理温度が高いと高い酸素分圧(弱い還
元雰囲気)で処理することが可能だが、体積変化を制御
しにくい。温度が高いと酸素分圧に敏感でしかも平衡に
達する速度が速い(体積変化速度が速い)ので、処理す
る焼結体寸法が大きくなると焼結体の表面と内部で体積
増加速度が異なり割れの原因にもなる。熱処理温度が低
すぎると低い酸素分圧(強い還元雰囲気)が必要にな
り、体積増加速度が遅く処理時間が長く必要になる。還
元熱処理の時間は温度と酸素分圧により焼結体全体が平
衡に達する時間で定まるので、熱処理条件と焼結体寸法
におうじて適正化する必要がある。
In the lanthanum chromite ceramics represented by the general formula, the lattice constant changes substantially in proportion to the logarithm of the oxygen partial pressure and the volume after reduction increases under the condition of a constant temperature of 700 ° C. or higher. In other words, if the conditions of the reduction heat treatment temperature and oxygen partial pressure are determined, the volume increase rate before and after reduction according to the conditions is determined, and if the temperature and volume increase rate are determined, the oxygen partial pressure for reduction heat treatment can be determined. . Therefore, the heat treatment temperature and the oxygen partial pressure are selected according to the composition of the sintered body. Generally, oxygen partial pressure is 1 × 10 −14 atm at 800 to 1000 ° C., 1
At 000 to 1200 ° C, the oxygen partial pressure is 1 × 10 -13 , 12
At 0 to 1400 ° C, 1 × 10 -11 atmospheric pressure, 1400 ° C to
At 1600 ° C., the pressure is 1 × 10 −8 atm. Preferably 80
1 × 10 −14 to 1 × 10 −13 in the temperature range of 0 to 1200 ° C.
The atmospheric pressure is good. If the heat treatment temperature is high, it is possible to perform treatment with a high oxygen partial pressure (weak reducing atmosphere), but it is difficult to control the volume change. When the temperature is high, it is sensitive to oxygen partial pressure and the rate at which equilibrium is reached is fast (volume change rate is fast), so when the size of the sintered body to be processed becomes large, the volume increase rate on the surface and inside the sintered body will differ and cracking will occur. It can also be a cause. If the heat treatment temperature is too low, a low oxygen partial pressure (strong reducing atmosphere) is required, the volume increasing rate is slow, and the treatment time is long. The time for the reduction heat treatment is determined by the time required for the entire sintered body to reach equilibrium depending on the temperature and the oxygen partial pressure, so it is necessary to optimize it according to the heat treatment conditions and the dimensions of the sintered body.

【0021】本発明の方法に従って、還元熱処理して得
られるランタンクロマイト系セラミックス又はこれを主
成分とする組成物の焼結体は、限定するわけではない
が、一般的に、理論密度の85%以上の密度、1000
℃大気中の導電率は10Ω-1cm-1以上、50〜1000
℃の熱膨張係数が9×10-6〜13×10-6 [1/
K]、より好ましくは9.5×10-6〜11.1×10
-6 [1/K] 、さらには9.7×10-6〜10.9×1
-6 [1/K] 、室温での4点曲げ強度が8[kgf/mm2]
以上、好ましくは10[kgf/mm2]以上、弾性率が0.6
×104 [kgf/mm2]を有することができる。焼結体の結
晶粒径は強度に影響する。結晶粒径が大きくなると結晶
粒界の欠陥サイズが大きくなり、強度が低下する。結晶
粒径は20μm以下で、好ましくは10μm以下がよ
い。
The lanthanum chromite ceramics obtained by the reduction heat treatment according to the method of the present invention or the sintered body of the composition having the lanthanum chromite ceramic as the main component is not limited, but is generally 85% of the theoretical density. Density above 1000
Conductivity in the atmosphere is 10 Ω -1 cm -1 or more, 50 to 1000
The coefficient of thermal expansion at ℃ is 9 × 10 −6 to 13 × 10 −6 [1 /
K], more preferably 9.5 × 10 −6 to 11.1 × 10
-6 [1 / K], and further 9.7 × 10 -6 to 10.9 × 1
0 -6 [1 / K], 4-point bending strength at room temperature is 8 [kgf / mm 2 ]
Or more, preferably 10 [kgf / mm 2 ] or more, and an elastic modulus of 0.6
It may have × 10 4 [kgf / mm 2 ]. The crystal grain size of the sintered body affects the strength. When the crystal grain size becomes large, the defect size at the crystal grain boundary becomes large and the strength decreases. The crystal grain size is 20 μm or less, preferably 10 μm or less.

【0022】こうして本発明により製造されるランタン
クロマイト系セラミックス焼結体は、耐熱導電性材料と
して有用であり、特に緻密、高強度であるので、固体電
解質型燃料電池のセパレータとして有用である。
The lanthanum chromite ceramics sintered body produced according to the present invention is useful as a heat-resistant conductive material, and is particularly dense and has high strength, and thus is useful as a separator in a solid oxide fuel cell.

【0023】[0023]

【実施例】実施例1 酸化ランタン11.057g、炭酸ストロンチウム2.
505g、酸化第二クロム6.283g、酸化第一コバ
ルト0.325gを秤量し、メノウ乳鉢を用いて湿式混
合した。この組成はLa0.8 Sr0.2 Cr0.95Co0.05
3 に相当する。この混合粉末を1200℃にして1時
間仮焼した。昇温速度は20℃/min である。
Example 1 11.057 g of lanthanum oxide, strontium carbonate 2.
505 g, chromic oxide 6.283 g, and cobaltous oxide 0.325 g were weighed and wet-mixed using an agate mortar. This composition is La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.95 Co 0.05
Equivalent to O 3 . This mixed powder was calcined at 1200 ° C. for 1 hour. The temperature rising rate is 20 ° C./min.

【0024】こうして得られたランタンクロマイト粉末
をX線回折法により分析した結果、第二相の存在は確認
できず、コバルトはペロブスカイト構造をもったランタ
ンクロマイト格子中に固溶していることがわかった。こ
のLa0.8 Sr0.2 Cr0.95Co0.053 を次のように
還元熱処理した。焼結体を水素、水蒸気を導入できる雰
囲気調整が可能なアルミナ製密器にいれて、1000℃
まで5℃/min で昇温し、1000℃到達後窒素ガスで
充分置換し、水蒸気/水素を所定量流通させて20時間
保持する。その後、600℃までは20℃/min 以上の
降温速度で降温する。
The lanthanum chromite powder thus obtained was analyzed by X-ray diffraction. As a result, the presence of the second phase could not be confirmed, and it was found that cobalt was solid-solved in the lanthanum chromite lattice having the perovskite structure. It was The La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.95 Co 0.05 O 3 was subjected to reduction heat treatment as follows. Put the sintered body in an alumina compactor capable of adjusting the atmosphere in which hydrogen and water vapor can be introduced, and leave it at 1000 ° C.
The temperature is raised up to 5 ° C./min, 1000 ° C. is reached, nitrogen gas is sufficiently replaced, and a predetermined amount of steam / hydrogen is passed through and maintained for 20 hours. Then, the temperature is lowered to 600 ° C. at a cooling rate of 20 ° C./min or more.

【0025】焼結体の還元前後の体積変化率は、粉末X
線回折により格子定数を測定し単位格子の体積変化によ
り求めた。相対密度が97%の焼結体を用い、還元前後
の強度の測定には、4×3×40mmの試験片をもちいJ
IS−R−1601に準拠した4点曲げ試験をおこなっ
た。
The volume change rate of the sintered body before and after the reduction is powder X
The lattice constant was measured by line diffraction and determined by the volume change of the unit cell. Using a sintered body with a relative density of 97%, a 4 × 3 × 40 mm test piece was used to measure the strength before and after reduction.
A 4-point bending test based on IS-R-1601 was performed.

【0026】弾性率は、試験片中央部の変位−荷重の関
係から次式より算出した。 E4b=(L−l)・{3L2 −(L−l)2 ΔP}/8
b・h3 ・Δu E4b=4点曲げ試験の弾性率[kgf/mm2] L :支点間距離[mm] l :荷重点間距離[mm] ΔP:荷重変化量[kg] Δu:ΔP荷重が変化したときの試験片中央部の変位量
[mm] 体積膨張率の酸素分圧依存性と処理後の試料の状態、還
元処理前後の強度比を表Iに示す。 表I:還元処理による体積膨張率と還元前後の4点曲げ強度比 ──────────────────────────────── 酸素分圧〔atm 〕 還元膨張率〔%〕 試料状態 4点曲げ強度比 3×10-19 0.46 × − 3×10-17 0.38 ○ 0.41 3×10-15 0.30 ○ 1.27 3×10-13 0.21 ○ 1.26 ──────────────────────────────── 注)試料状態:×…肉眼でひび割れ確認 ○…変化見られず 体積膨張率が0.30%以下の条件下で4点曲げ強度が
向上していることがわかる。
The elastic modulus was calculated from the following equation from the relation of displacement-load at the center of the test piece. E 4b = (L-l) · {3L 2 - (L-l) 2 ΔP} / 8
b · h 3 · Δu E 4b = Modulus of elasticity in 4-point bending test [kgf / mm 2 ] L: Distance between fulcrums [mm] l: Distance between load points [mm] ΔP: Load change [kg] Δu: ΔP Displacement in the center of the test piece when the load changes
[mm] Table I shows the oxygen partial pressure dependence of the volume expansion coefficient, the state of the sample after the treatment, and the strength ratio before and after the reduction treatment. Table I: Volume expansion coefficient by reduction treatment and 4-point bending strength ratio before and after reduction ───────────────────────────────── Oxygen partial pressure [atm] Reduction expansion coefficient [%] Sample state 4-point bending strength ratio 3 × 10 −19 0.46 × −3 × 10 −17 0.38 ○ 0.41 3 × 10 −15 0.30 ○ 1.27 3 × 10 -13 0.21 ○ 1.26 ──────────────────────────────── Note) Sample State: X ... Confirmation of cracks with the naked eye. O ... No change was observed. It can be seen that the 4-point bending strength is improved under the condition that the volume expansion coefficient is 0.30% or less.

【0027】実施例2 実施例1と同様な方法で各種ランタンクロマイトを10
00℃、酸素分圧1×10-14 〔atm 〕の還元処理前後
での体積膨張率、4点曲げ強度比、及び還元処理後の相
対密度、導電率、熱膨張係数、還元前後の弾性率を表II
に示す。ただし、試料の一部は粉末X線回折ではなく、
試料の寸法測定により還元前後の体積を測定した。
Example 2 Various lanthanum chromites were prepared in the same manner as in Example 1.
Volume expansion coefficient before and after reduction treatment at 00 ° C., oxygen partial pressure of 1 × 10 −14 [atm], 4-point bending strength ratio, and relative density, electrical conductivity, thermal expansion coefficient, elastic modulus before and after reduction treatment Table II
Shown in. However, part of the sample is not powder X-ray diffraction,
The volume before and after reduction was measured by measuring the dimensions of the sample.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】実施例3 実施例1と同様の方法で、La0.8 Sr0.2 Cr0.97
0.033 の相対密度の異なる焼結体を1000℃、酸
素分圧3×10-15 〔atm 〕の還元処理条件で還元熱処
理を行った。この還元条件での還元膨張率は、X線回折
から格子定数の伸びから算出すると0.18%である。
表III に格子定数及び試料の重量変化から求めた酸素欠
損量及び還元前の酸素欠損がないと仮定した場合の理論
密度を示す。
Example 3 In the same manner as in Example 1, La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.97 C
Sintered bodies having different relative densities of 0.03 O 3 were subjected to reduction heat treatment under the reduction treatment conditions of 1000 ° C. and oxygen partial pressure of 3 × 10 −15 [atm]. The reduction expansion coefficient under this reduction condition is 0.18% when calculated from the extension of the lattice constant from X-ray diffraction.
Table III shows the amount of oxygen deficiency obtained from the lattice constant and the weight change of the sample, and the theoretical density assuming that there is no oxygen deficiency before reduction.

【0030】 表III ────────────────────────────────── 還元熱処理 結晶構造 格子定数 酸素欠損量δ 理論密度 a軸 c軸 〔g/cm3 〕 無し 六方晶 5.493 13.192 − 6.56 有り 六方晶 5.503 13.316 0.05 6.50 ────────────────────────────────── 相対密度の異なる試料は、焼成温度を変えて作製した。
試料密度はサフィア単結晶を標準試料として、溶媒とし
てトルエンを用いたアルキメデス法で求めた。相対密度
は、試料密度を表3の理論密度から算出した。上記還元
熱処理前後での密度、4点曲げ強度比、4点曲げ強度
比、還元前後の弾性率、及び還元後の熱膨張率を表IVに
示す。
Table III ────────────────────────────────── Reduction heat treatment Crystal structure Lattice constant Oxygen deficiency δ Theory density a axis c axis [G / cm 3 ] None Hexagonal 5.493 13.192 − 6.56 Yes Hexagonal 5.503 13.316 0.05 6.50 ──────────────────────── ────────── Samples with different relative densities were prepared by changing the firing temperature.
The sample density was determined by the Archimedes method using toluene as a solvent, using a sapphire single crystal as a standard sample. Relative density calculated the sample density from the theoretical density of Table 3. Table IV shows the density before and after the reduction heat treatment, the 4-point bending strength ratio, the 4-point bending strength ratio, the elastic modulus before and after the reduction, and the thermal expansion coefficient after the reduction.

【0031】[0031]

【表2】 [Table 2]

【0032】[0032]

【発明の効果】緻密で高導電率を有するランタンクロマ
イト系セラミックス焼結体の強度、弾性率を向上させる
ことができる。また、ジルコニアとの熱膨張係数差が小
さい、高温還元雰囲気下での体積変化が小さいなどの効
果を有する。
The strength and elastic modulus of a lanthanum chromite-based ceramics sintered body which is dense and has high conductivity can be improved. Further, it has effects such as a small difference in thermal expansion coefficient with zirconia and a small volume change in a high temperature reducing atmosphere.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 基朗 埼玉県入間郡大井町西鶴ヶ岡1丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内 (72)発明者 吉田 利彦 埼玉県入間郡大井町西鶴ヶ岡1丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Motoaki Ando Nishi-tsurugaoka 1-3-3 Oi-cho, Iruma-gun, Saitama Prefecture Tonen Corporation Research Institute (72) Toshihiko Yoshida Nishitsuru Oi-cho, Iruma-gun, Saitama Prefecture 1-3-1, Kugaoka Inside Tonen Corporation Research Institute

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一般式(La1-x x ) a (Cr1-y
y ) b 3 (式中、AはMgを除くアルカリ土類金属、
BはCo,Ni,Zn,Fe,Cu及びMnのうち少な
くとも1種を示し、0<x≦0.2,0<y≦0.0
5,0.95≦a/b≦1.05である)で表わされ、
主としてペロブスカイト構造を有するランタンクロマイ
ト系セラミックス焼結体を還元熱処理を行ない、かつそ
の還元熱処理の条件が、還元熱処理の前後で焼結体の常
温下の体積が0.3%以下の増加率を示すような温度及
び酸素分圧下であることを特徴とするランタンクロマイ
ト系セラミックス焼結体の製造方法。
1. A general formula (La 1-x A x ) a (Cr 1-y B
y ) b O 3 (where A is an alkaline earth metal excluding Mg,
B represents at least one of Co, Ni, Zn, Fe, Cu and Mn, and 0 <x ≦ 0.2, 0 <y ≦ 0.0
5, 0.95 ≦ a / b ≦ 1.05),
A lanthanum chromite ceramics sintered body mainly having a perovskite structure is subjected to reduction heat treatment, and the condition of the reduction heat treatment shows that the volume of the sintered body at room temperature shows an increase rate of 0.3% or less before and after the reduction heat treatment. A method for manufacturing a lanthanum chromite-based ceramics sintered body, characterized in that the temperature and the oxygen partial pressure are as described above.
【請求項2】 前記一般式で表わされるランタンクロマ
イト系セラミックス焼結体の焼成工程において、その焼
成後の降温時に還元熱処理を行なう請求項1の方法。
2. The method according to claim 1, wherein in the firing step of the lanthanum chromite-based ceramics sintered body represented by the general formula, reduction heat treatment is performed at the time of temperature reduction after the firing.
【請求項3】 請求項1又は2記載の方法で製造したラ
ンタンクロマイト系セラミックス焼結体。
3. A lanthanum chromite ceramics sintered body produced by the method according to claim 1.
【請求項4】 一般式(La1-x x ) a (Cr1-y
y ) b 3 〔式中、AはMgを除くアルカリ土類金属を
示し、BはCo,Ni,Zn,Fe,CuおよびMnの
うち少なくとも1種の金属を示し、0<x≦0.2,0
<y≦0.05,0.95≦a/b≦1.05であ
る。〕で表わされるランタンクロマイト系セラミックス
の還元生成物であり、かつ上記一般式で表わされるラン
タンクロマイト系セラミックスの体積と比べて0.3%
以下の体積増を示すことを特徴とするランタンクロマイ
ト系セラミックス焼結体。
4. The general formula (La 1-x A x ) a (Cr 1-y B
y ) b O 3 [In the formula, A represents an alkaline earth metal except Mg, B represents at least one metal selected from Co, Ni, Zn, Fe, Cu and Mn, and 0 <x ≦ 0. 2,0
<Y ≦ 0.05 and 0.95 ≦ a / b ≦ 1.05. ] It is a reduction product of lanthanum chromite ceramics represented by the above formula, and is 0.3% compared with the volume of lanthanum chromite ceramics represented by the above general formula.
A lanthanum chromite-based ceramics sintered body having the following volume increase.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100599661B1 (en) * 2003-11-17 2006-07-12 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드 Controlled heating and cooling of mixed conducting metal oxide materials

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100599661B1 (en) * 2003-11-17 2006-07-12 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드 Controlled heating and cooling of mixed conducting metal oxide materials
EP2724997A1 (en) * 2003-11-17 2014-04-30 Air Products And Chemicals, Inc. Controlled heating and cooling of mixed conducting metal oxide materials

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