JPH10502043A

JPH10502043A - 複合酸化物前駆体及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10502043A
Application number: JP7527546A
Authority: JP
Inventors: イェウンシクキム、; ゲオンバエキム、; ミンヨウンジョ、
Original assignee: イェウンシクキム、
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1995-04-22
Publication date: 1998-02-24
Also published as: WO1995029379A1; US6274110B1; KR950029226A; KR970010305B1

Abstract

(57)【要約】金属硝酸塩もしくはその溶液と、尿素もしくはカルボヒドラジドとの混合物を着火しない条件下で加熱して製造される複合酸化物前駆体は、微粉末の形状の完全に均一な混合物であって、これを用いて複合酸化物を製造する場合、生成物の品質が保証されるだけでなく、プロセスにおけるエネルギーが節約され、またプロセスが簡単かつ経済的なものとなり、さらに最終製品を焼結によって製造することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】複合酸化物前駆体及びその製造方法発明の背景発明の分野本発明はファインセラミック材の原料材料である複合酸化物に関し、より詳しくは、少ないエネルギーで容易に複合酸化物に変換できる微粉状の複合酸化物前駆体及びその製造方法に関する。関連技術の説明最近の科学と産業の急速な発達に伴って、いろいろな機能を有する新素材が必要とされ、これらは日常生活と産業に利用されている。特に、複合酸化物は、特別な物理化学的な機能を有する一つ以上の金属酸化物を含む酸化物である。かかる複合酸化物は、高温使用の原料材料として、キャパシタ、バリスター、固体電解質、蛍光材料、発熱体、圧電材料、構造的用途等のような機械、電気、電子、光学のような種々の分野で広く使用されている。複合酸化物の製造方法として、固相法、液相法、燃焼法が知られている。固相法は、各成分酸化物や炭酸塩の形態を入れたボールミルで機械的に混合し、その後焼結することによって、複合酸化物を製造する方法である。しかしながら、固相法は、長時間の混合を必要とし、高温の場合でも比較的長時間の焼結を必要とする。混合や焼結するための費用は製造の大きな比重を占めるので、エネルギー多消費型であり、非効率的な方法といえる。また、均一に混合することが難しく、低品質の製品が製品の発生を避けることができない。製品の品質管理の面では、混合過程において不純物の混入の可能性が大きくなる。かかる固相法の問題を解決するために、液相法が開発された。液相法は、可溶性の構成成分の均一な混合溶液から固体状態の中間産物を得てこれを熱処理する方法である。このような液相法として、熱分解法（thermal decomposition method）、共沈法（co-precipi tation method）、金属アルコキシド法（metal alkoxide method）などが知られている。熱分解法では、所望の酸化物の各金属塩を混合した後、分解される温度まで徐々に加熱することによって固体の分解産物が得られる。このような方法は、比較的低温（約１０００℃）でも合成が可能であるという長所を有する。しかしながら、製造工程が複雑であり、また、偏析を最小化すると共に完全な分解を得るためには原料材料をゆっくりと加熱しなければならないので、長い時間を必要とすると共に不純物の混入の可能性が高くなるという欠点がある。共沈法は、不溶性の金属材料を製造するために、シュウ酸やアンモニア水等の沈殿剤を含む塩酸、硝酸または硫酸の塩溶液からイツトリウム、アルミニウムのような単一元素の酸化物を沈殿させ、これを濾過し、乾燥し、か焼することによって複合酸化物を得る方法である。しかしながら、このような共沈法は、２つ以上の成分から構成される複合酸化物を製造する場合に欠点を有する。各元素の溶解度や沈殿速度の差異により分別沈殿の可能性が高いので、特殊な元素を除いては沈殿条件の設定が非常に難しい。また、汚染の可能性があり、大量生産や連続操業が困難であるという問題点がある。アルコキシド法は、金属をアルコールと反応させてアルコキシドを作り、加水分解過程を経てゲル状態の複合水酸化物を得た後、これを加熱することによって、複合酸化物を得る方法である。しかしながら、このようなアルコキシド法は、一定の金属に制限され、中間物質の製造工程が複雑で、原料費が占める原価比重が大きいという経済的な面での不都合がある。これ以外にも、ゾル−ゲル法、均一な沈殿がなされるコロイド状沈殿法、噴霧乾燥法などがあるが、ゾル−ゲル法及び均一沈殿法は大量生産には適さず、また、噴霧乾燥法は粉末内部の空孔により低品質となるという問題がある。それゆえ、今日では、簡単でかつ比較的低い温度で粉末を製造するための方法として、固相法と液相法の両者の長所を合わせ持つ方法が注目されている。この中で燃焼法は、金属硝酸塩と尿素を混合した後、比較的低い温度（約５００℃）で反応炉内で混合物を加熱し、分解ガスを燃焼させることにより、速く簡単に複合酸化物の粉末を得る方法である。しかし、この方法においては、混合物の加熱速度、原料の混合比、反応炉の形状や容積などによって燃焼条件が変わることができるので、定量的な合成条件を得ることに問題が残されている。また、均一な燃焼が常に維持されないので、製品の品質が一定しないという問題がある。従って、工業化にはまだ問題が残されている。実験的に小規模（１０ｇ）のバッチテストの結果のみが知られているだけである。大量生産は行われておらず、連続的な生産方法も確立されていない。発明の概要以上説明したように、複合酸化物を製造する方法は、燃焼法を含めて種々のものが知られているが、ただ固相法とアルコキシド法のみが工業的に利用されている。工業的な応用に当たっての重要な要因を考えてみるに、製造コストと製品の品質に絞られる。言い換えれば、この２つの点が解決されれば、理想的な工業的方法ということができる。即ち、製造コストの要因は、（１）材料の価格、（２）エネルギーの費用、（３）処理工程費であって、これらを最小化しなければならない。さらに、製品の品質が保証されなければならない。特に、品質保証の問題は、最終製品の高い回収率を得ることができるのみならず、最終製品に対する信頼度が確保されるので、必ず考慮すべきである。本発明の目的は、品質保証の下に製造コストを下げて製品の使用者に便宜を提供すると共に、製造設備投資や工程運営費を減少させることにある。本発明の他の目的は、少ないエネルギー費用で高品質の複合酸化物結晶化製品を生産できる複合酸化物前駆体を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、経済的で効率的な方法で、複合酸化物前駆体を用いて高品質の複合酸化物を製造する方法を提供することにある。本発明の上記目的を達成するために、本発明は、金属塩溶液またはその結晶と尿素またはカルボヒドラジドとを混合して混合物を製造し、前記混合物を着火しない範囲内で加熱する工程を含む複合酸化物前駆体の製造方法を提供する。前記混合物は金属塩化物をさらに含むことができる。本発明によれば、加熱工程における昇温速度は１℃／分ないし１００℃／分であることが好ましい。前記昇温速度が１℃／分未満であれば、十分な加熱が行わず、複合酸化物前駆体は生成されない。また、１００℃／分を超過する場合には、燃焼作用により複合酸化物前駆体の形成が達成されない。かつ、本発明の前記金属はAg、Al、Ba、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、K、Li、Mg、Na、Nb、Ni、 Pb、Si、Sn、Sr、Th、Ti、U、Zn、Zr及び希土類金属からなる群から選択される１つまたはそれ以上の金属である。さらに、本発明は、金属塩溶液またはその結晶と尿素またはカルボヒドラジドを混合して混合物を製造し、前記混合物を着火しない範囲内で加熱して複合酸化物前駆体を製造し、前記複合酸化物前駆体を加熱することによって結晶質複合酸化物を製造する複合酸化物の製造方法を提供する。本発明によれば、金属硝酸塩と尿素との混合比は金属（金属原子の配位数）に応じて異なり、多様な比率で混合することが可能である。しかしながら、好ましくは、金属に対する尿素またはカルボヒドラジドのモル比は１以上である。モル比が１未満である場合には、２次電気伝導率上昇が発生しないかまたは均一な溶液が形成されないため、保証できる複合酸化物前駆体が生成されない。さらに、本発明は前述した方法により生成された複合酸化物前駆体を提供する。加えて、本発明は、金属塩と尿素またはカルボヒドラジドを混合した後、これを低い温度（約250℃）に加熱することにより、原子規模で混合された微粉末状の完全に均一な複合酸化物を提供し、これを電子部品製造用の原料材料として用いることができ、必要に応じて、これを高温でさらに加熱して複合酸化物結晶質粉末状で提供することもできる。前述した金属塩と尿素またはカルボヒドラジドの混合物は、脱水作用と共に溶液に融解し、この溶液をさらに加熱すると、融解液中の成分の化学的相互作用によりクリアな溶液に変わる。このクリアな融解液を維持する温度区間では電気伝導性が大きいことから、イオン性粒子となっていることが分かり、このとき成分の最も完璧な混合が達成される。このように完全に均一な混合が行われた融液は、燃焼されない温度の上昇により、可燃性気体成分が発生され、反応容器内に残る粉体が高純度で均一な微粉状の複合酸化物となる。図面の簡単な説明本明細書の一部を構成すると共に本明細書と協同する添付の図面は、説明と共に本発明の一実施例を図解し、本発明の内容を説明する役割をなす。図１は、本発明による反応において生じる現象を観察するために研究に利用された実験装置の概略図である。図２Ａは、硝酸亜鉛と尿素の比が１：１．６７である場合における温度の関数として電気伝導度と溶液重量減少を示すグラフである。図２Ｂは、硝酸亜鉛と尿素の比が１：３．３３である場合における電気伝導度と重量減少を示すグラフである。図３Ａは、無水硝酸鉛と尿素の反応における時間の関数として温度による電気伝導度を示すグラフである。図３Ｂは、硝酸鉛溶液と尿素との反応における温度による電気伝導度を示すグラフである。図４は、酸化亜鉛と酸化テルビウムを９９：１のモル比で混合したものの蛍光特性を示すスペクトルである。図５は、図４で言及した混合比を有する酸化亜鉛と酸化テルビウムを硝酸に溶かした後、硝酸塩と尿素の燃焼混合比で２当量の尿素を添加して、３００℃で分解反応させることによって得た分解産物の蛍光特性を示すスペクトルである。図６は、Ｐｒ２．４重量％を添加して得たＹＡＧ組成の複合酸化物前駆体のＥＤＡＸパターンを示すグラフである。図７は、亜鉛とプラセオジムの混合比を異にして得た分解産物のＥＤＡＸパターンを示すグラフである。図８は、塩化チタン水溶液と尿素の混合物を反応させて時間の関数として温度による電気伝導度を示すグラフである。図９は、塩化チタン水溶液、尿素、硝酸の混合物を反応させて温度による電気伝導度を示すグラフである。図１０は、図８及び図９の混合物から得られた分解産物のＸ線回折パターンである。図１１は、複合酸化物前駆体の示差熱図を示すグラフである。図１２は、複合酸化物前駆体を種々の温度で加熱することにより得た産物のＸ線回折パターンである。図１３は、複合酸化物前駆体を９００℃まで加熱した後、この温度で産物を種々の時間にわたって維持して得られた産物のＸ線回折パターンである。実施例の詳細な説明以下本発明の好ましい実施例を記載する。しかし、この実施例は本発明の理解を手伝うための実施例に過ぎず、本発明が後述する実施例に限定されることではない。Ｉ．材料の準備１．試料の準備複合酸化物の製造のための試料としては、硝酸亜鉛、硝酸鉛、硝酸チタン、硝酸ジルコニウム、硝酸バリウム、硝酸銅、硝酸クロム、硝酸テルビウム、硝酸ニッケル、硝酸コバルト、硝酸セリウム、硝酸ランタン、硝酸ストロンチウム、硝酸イットリウム、硝酸アルミニウム、硝酸カリウム、硝酸プラセオジム等を使用した。これらは全て純度９９．９％またはそれ以上の高純度のものを購入または製造して使用した。製造のために、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet、化学式 Y₃Al₅O₁₂、構成成分のモル比は、Y₂O₃が３７．５％、Al₂O₃が６２．５％）を使用した。純度９９．９９％の酸化イットリウム(Y₂O₃)、純度９８％またはそれ以上の尿素（灰分は０．０１％以下）及び純度９９．９９％のアルミニウム（インゴット）を試薬級の塩酸と硝酸に溶かして各々の硝酸塩（硝酸イットリウム、硝酸アルミニウム）を作ることにより準備した。これらの詳細な準備方法は次のようである。酸化イットリウム(Y₂O₃)を８５０ ℃にてか焼した後、厳格に秤量してこれを当量の硝酸と混合した。次にこの溶液を熱板の上で若干加熱（約１２０℃）し、完全に溶解した硝酸イットリウム溶液を得た。また、化学秤でアルミニウム金属を正確に秤量し、これを先ず塩酸に溶かした後、ここに過剰の硝酸を入れて沸騰させて塩素イオンを完全に除去した後、余分の硝酸塩を除去するためこれを沸かし続けながら水を入れる過程を繰り返して硝酸アルミニウム溶液を得た。前記で用意した成分原料溶液と固体状の尿素をＹ：Ａｌ：尿素＝３：５：２０になるよう混ぜて貯蔵溶液を作って以下の実験に使用した。さらに、バリスター用の粉末材料を製造するために、純度９９．９％の酸化亜鉛(ZnO)、純度９９．９％の硝酸カリウム、純度９９．９％の金属コバルト粉末、及び純度９９．９％のクロム酸(CrO₃)を使用し、純度９９．９％の水和した硝酸プラセオジム(Pr(NO₃)₃5H₂O)を使用した。これらのうち酸化物は試薬級硝酸に溶かしてそれぞれの硝酸塩溶液とした。前記したその他の複合酸化物は前記した方法とは実質的に同一な方法で製造したり製造されたものを購入して使用した。２．反応装置本実験では反応過程に対する直接的な肉眼観察のために次のような小規模実験装置を設計制作して使用した。その構造は図１に図示した。すなわち、前駆体の合成反応過程を直接観察できるようにした反応炉（１）の中で、透明な石英管（内径３０ｍｍ、長さ３００ｍｍ）にリボン型熱線（厚さ０．１６ｍｍ、幅１．６ｍｍ、単位抵抗５．０２Ω／ｍのニクロム線）を約７ｍｍ間隔で巻いた後、周りへの熱損失を最大限減らすため、これをさらにこれより大きな石英管（２）（内径４０ｍｍ、長さ３００ｍｍ）の中にいれた。また、透明な内径２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのパイレックス管または同一な大きさの石英管を反応容器（３）炉として用いた。さらに、そして反応中の試料の温度変化を測定しようとする場合には、熱に敏感に反応するように反応容器の底面から上方に５ｍｍの位置に温接点を露出させて、直径０．１ｍｍのＰｔ／Ｐｔ−１３％Ｒｈ熱電対を設置した。反応炉の温度調節のために可変変圧器を使用し、制作された炉について予め加熱特性を試験しておいた。反応過程中の溶液の状態変化を予測する方法の１つとして、電気伝導度の変化を測定する方法を確立した。電極を使って反応過程中の電気伝導度を測定する装置は以下のようである。まず、銀ソルダーを用いて直径０．５ｍｍの白金線を銅線につなぎ、これを直径５ｍｍのガラス棒に差し込んだ。ガラス棒の外部へ白金線が約２ｍｍほど出るようにガラス棒の末を溶かして作った。露出した両側の白金電極の間隔は５ｍｍにして制作した。 II．燃焼を伴わない分解産物の準備１．ＹＡＧ用の分解産物の準備複合酸化物前駆体の生成は、Y(NO₃)₃5H₂O ２．１９ｇの硝酸イットリウム溶液と、Al(NO₃)₃9H₂O ３．７５１３ｇの硝酸アルミニウム溶液の混合溶液を尿素２．４０４２ｇと混合して、反応炉の温度を４００℃にして６分間、燃焼しない条件下で加熱して、１．１７８ｇの複合酸化物前駆体を製造した。２．バリスター用の分解産物の準備バリスター用Ｚｎ−Ｐｒ系酸化物に微量添加元素としてＣｒ、Ｃｏ、Ｋの元素を加えた。従って、次のようなモル比： ZnO : Pr₆O₁₁ : Cr₂O₃ : CoO : K₂O = 97.2 : 2.0 : 0.25 : 0.25 : 0.3 で各々の酸化物を含む混合硝酸塩溶液（亜鉛２Ｍ）５ｍｌを尿素２．３８４２ｇに加えて、反応炉の温度を３００℃に調節し、約７分間燃焼しない条件下で加熱して、約１．５８２ｇの複合酸化物前駆体を製造した。 III．硝酸亜鉛と尿素の分解産物の生成過程分析本発明の複合酸化物前駆体の生成過程をみるため、図１に示した管状炉と電気伝導度の測定装置を利用して、硝酸亜鉛と尿素の混合比が１：０．５、１：１、１：１．６７、及び１：３．３３である混合物を直径２．０ｃｍ、長さ１５ｃｍのパイレックス試験管に入れて、４００℃に維持した反応炉の中に入れた。反応の進行とともに混合物の温度と電気伝導度を調査し、中間生成物に対して赤外分光分析とＤＴＡを用いて反応過程を追跡した。１：１．６７以下の混合比では均一融液が形成されなかった。従って以下では、均一融液が形成される１：１．６７と１：３．３３の混合比をもつ混合物の反応過程を図２Ａと図２Ｂを参照しながら順に説明する。図２Ａは硝酸亜鉛と尿素の比率が１：１．６７である場合の電気伝導度と重さの減少を表わした図で、図２Ｂは硝酸亜鉛と尿素の比率が１：３．３３である場合の電気伝導度と重さの減少を表わした図である。尚、下記した第３段階の反応の分析のため、硝酸鉛と尿素の混合比が１：１．６７でありながら、各々無水硝酸鉛と硝酸鉛溶液を使用した混合物に対して、前記硝酸亜鉛と尿素の混合物の反応条件と同一の反応条件下でその分解反応を調査した。結果は以下の通りである。１．第１段階：加熱段階第１段階は図２Ａと図２Ｂにおいて“Ａ”で示した区間であって、硝酸亜鉛と尿素の混合物を加熱することにより硝酸亜鉛に水和していた水により混合物が溶け、その後この溶液が沸騰する前までの段階である。これら図面でわかるように加熱段階は温度が上がれば上がるほど電気伝導度は増加し、特別な重さの減少は起こらない領域である。この領域で電気伝導度の増加に影響を及ぼす因子は大きく二つに分けられるが、その一つは温度上昇による溶液内イオンの活量の増加であり、また一つは尿素分子による水構造の破壊による粘度の減少である。２．第２段階：均一融液形成段階第２段階は図２Ａと図２で“Ｂ”区間であり、混合物の温度が１００℃以上となるので急激な水の蒸発による重さの減少が起こり電気伝導度が減少する段階である。これは金属イオンに水和されている水が落ち、その部分を水に溶けている尿素が占め、水の蒸発によるイオン濃度の増加によりイオン会合が起こり電気伝導度を減少させるためである。３．第３段階：均一融液維持段階第３段階は図２Ａと図２Ｂの“Ｃ”で示される区間であって、電気伝導度は大きく増加し、重さの減少は起こらない段階である。これは単に温度の上昇に起因するものである。なお、前記第２段階の均一融液形成段階では必ず小量の水分が必要であるという事実を、均一融液が維持される第３段階の結果を示した図３Ａと図３Ｂから確かめることができた。図３Ａは、無水硝酸鉛と尿素の混合物の温度による電気伝導度の測定結果を示した図である。図３Ｂは、硝酸鉛と尿素の混合物の温度による電気伝導度の測定結果を示した図である。これらの図を比較して見ると、無水硝酸鉛を使用した場合には均一融液が形成されるときに電気伝導度の増加が見られなかった。肉眼観察でも均一融液が見られなかった。しかし、硝酸鉛溶液を使用した場合には均一融液と電気伝導度の上昇が観察できた。このような結果から均一融液の形成には必ず小量の水分が必要ということが確認できた。４．第４段階：均一融液の分解段階第４段階は図２Ａと図２Ｂで“Ｄ”で示される区間であって、温度の上昇によって一定の成分比の化合物が激な発熱分解反応をするため電気伝導度と重さが同時に大きく減少する段階であって、この時融液内のイオンの濃度は減少する。この第４段階の過程は事実上短時間（数分）のうちに行われるため、偏析される余裕なく融液状態の均一性がそのまま維持される。 IV．準備した試料の均一性分析本発明の分解産物の、複合酸化物の前駆体としての適合性を判断するために、得られた産物をか焼し、その構造をＸ線パターンによって解析した。結果は、複合酸化物の単一相の結晶であることを示した。また、か焼温度はかなり低いことも分かった。実用の目的のためには、１）構成成分の化学組成が一定でなければならず混合性が均一でなければならず、２）出来るだけ粒度が微細である必要がある。本発明により得られた分解産物の混和性と、現在複合酸化物製造方法で一番よく使われている粉末混合法により造られた粉末の混和性とを蛍光分析で比較し、成分元素の混合比に関係なく均一な混和性を有することをＥＤＡＸ分析による定量的な分析で確認した。１．電気伝導度と混和性二つ以上の元素が混合物を成す時、好適な混合は原子または分子レベルで各成分原子が均一に混ぜられている状態で得られる。このように原子規模で成分元素が混ぜられるためには、混合物の状態が液体状であるまたは気体状でなければならない。混合物の状態が液体状態である時、構成物質は原子またはイオン状態であり、イオン状態である場合電気伝導度は分子状態またはその他のコロイド状態よりは遥かに大きい。従って、電気伝導度は混合度を間接的に表す尺度になり得る。前記硝酸亜鉛、硝酸鉛及び尿素の分解反応に対する実験の所でも言及した通りに、原料溶液の分解反応過程中に１３０〜１７０℃間の温度で透明な均一融液を形成して一定時間特別な重さの減少なく維持されており、またこの時溶液の電気伝導度は急激な増加を見せた。このような現象は単一元素が分解されたときのみでなく、２元系以上の金属硝酸塩と尿素の混合物の分解過程でも起きていることを考えるべきである。金属硝酸塩と尿素が融液状態でイオン性化合物で存在していることを意味する。従って各成分が原子またはイオン規模でよく混合されていることは確かである。前記硝酸イットリウム、硝酸アルミニウム及び尿素の分解産物の形成過程中、電気伝導度及び混和性を観察しても、分解の直前まで温度約１７０℃で試料が透明な溶融状態が持続された。また、融液の期間、試料の分解も殆ど進行しなかった（重量減少が殆どない）。低い温度でＹＡＧが合成できる理由は、それが非晶質状であるもののよく混合されているからである。そのためこの過程を経て得られた分解産物は高い均一性を示す。２．蛍光分析による混合度調査酸化亜鉛及び酸化テルビウムは、次世代バリスターに使用されている。本発明による生産物の混合度を従来の粉末混合方法による混合度と比較調調査した。元々、プラセオジムはバリスターの材料として使用され及び蛍光を持つ希土類系元素であることは知られているが、その強度が低いために蛍光特性を評価できなかった。従って、プラセオジムの代わりにテルビウム(Tb) を使用した。試料の準備は次のように行った。酸化亜鉛に1.0mol％の酸化テルビウムを添加した。アルミナボールを使用したボールミルに水を溶媒として用い24時間よく混合した。混合された試料は90℃に維持された乾燥機で水が全部蒸発されるまで乾燥して、そしてめのう乳鉢で細かく挽いた。このように準備した試料の蛍光特性を図４に示した。不均一混合である場合又は偏析がある酸化物である場合蛍光が表われない。図４は、酸化亜鉛と酸化テルビウムをモル比99:1に混合した物の蛍光スペクトル(吸収及び発光)を表わす図面である。図４に示すように、いかなる波長の範囲でも吸収せず又蛍光が表れていない。これは、試料が緊密な混合状態でないことを示している。図５は、硝酸と尿素の２当量の同じ比率による混合物中に溶解して、そして300℃で分解反応させて得た上記と同じ混合比の酸化亜鉛と酸化テルビウムの結果としてこの試料の蛍光特性を表わしている。上記結果より、本発明によって得られた生産物の各成分元素が非常によい混合性を持っていることが明かになった。３．EDAX分析による混合性調査本発明の方法の一番重要な部分は、均一な融体を形成し、最終生産物も均一な混合体が得られるということである。 EDAX分析法を利用して各金属成分の含有量を定量的に決定することができる。硝酸イットリウム、硝酸アルミニウム、尿素の混合物の生産物に対するEDAX分析結果は次の通りである。まずPrを一部のYと代替した原料試料を作った後、これを加熱分解してPr:YAG生産物を製造し、この粉末に対して多様な位置で各々の成分(Y、Pr、Al)を定量分析した。もしある地点でもこれら成分の比が同じであるとしたらこれは均一混合を意味するためである。このような含有量分析から得られた結果を表１に整理して表わし、EDAXパタンも図６に表わした。表１からわかるように、含有量は各地点でわずかな差異があるものの投入量に対して非常に近いものであった。しかも、各元素の分布が分解生産物中で均一であることが推定することができる。さらに、各地点でのEDAX分析時、大きさが約 50ミクロンの狭いビームの範囲で成分分析を実施したにもかかわらず各構成成分の含有量に大きな差がないものから見てこれらは顕微鏡スケールの大変微細な領域で均一混合が行われていることは確実である。しかし、前記の場合のように定められた組成を基準とした上記分析の結果によってはそれらの全てが均一であるとは厳密には明言できない。従って、複合酸化物の一様性を確認するために、二つの成分元素の組成比の効果を観察することが好ましい。従って、原子結合半径が1.33Å(Zn)と1.82Å(Pr)で差がある二つの金属を選択して二つの元素の組成の変化に伴われる混合度を比較してみることとした。濃度を検定した硝酸亜鉛溶液と硝酸プラセオジム溶液を４つの混合比(Zn：Pr ＝1:9、3:7、5:5、9:1)で混合した。ここに均一な溶液が形成することができるのに適当な量の尿素を上記溶液に添加して、分解反応を400℃に維持された管状炉中で行った。各溶液は加熱により均一溶液を形成し、そして分解産物として得るために分解を行った。このようにして得た分解産物をEDAX分析を通じて亜鉛とプラセオジムの量を当初混合した量と比較した。図７は亜鉛とプラセオジムの混合比を別にして得られた分解産物を分析して得たEDAXパタンである。図７に示すように、プラセオジムのＫ殻を示す信号の量がプラセオジムの量に比例して増加している。下記の表２は、４種類の混合比による亜鉛とプラセオジムの混合物によって得られた分解生産物のED AX分析結果である。結果は定量的な値に補正してある。前記表２の結果に従えば、許容誤差範囲を勘案すれば、複合酸化物を構成する元素の混合比に関係なく本発明の新しい製造方法により得られた分解産物の混合度は原子または分子規模で達成されていることがわかる。従って前記結果から他の色々の複合酸化物の製造にも各元素の成分比に関係なく本方法が適用できることがわかる。Ｖ．金属硝酸塩と尿素の化合物本発明の目的は金属硝酸塩と尿素の混合物を加熱することにより均一溶液を形成させることにある。従って、均一溶液が形成されている状況を分析するのが重要である。金属硝酸塩と尿素の混合物を加熱する時金属硝酸塩は加熱とともに水和された状態で溶液中で溶解し、更にそのとき、金属イオンと硝酸イオンに解離している。尿素は温度が上がるに従ってその溶解度が大きくなる。尿素は水よりも金属イオンと結合しようとする傾向が大きい、これは希薄溶液中で尿素の双極子モーメントが水の双極枝モーメントより大きいためである。従って尿素は金属の水和物にかわって希薄溶液中で金属と結合を形成することができる。このような上記性質は、水和化された金属硝酸塩の融点より水の代わりに尿素で置換された尿素化合物の融点がより高いことから明かである。表３は各種金属硝酸塩と尿素間に形成される複合化合物を金属別に整理したものである。多くの種類の金属と尿素が複合化合物を形成できることを示している。言い換えると少なくとも表３に掲載された金属は加熱により、優れた電気伝導性を有する均一融体(硝酸塩と尿素の化合物)になり得ると予測することができる。すなわち、金属−硝酸基−尿素−水の４元系混合物が適切な比率にある時錯イオンを形成することができる。一応配合された金属が尿素との錯イオンを形成すると、溶液状態でこれら金属はイオンの粒子の大きさだけ接近した均一配合が行われる。このような均一混合状態で金属を除外した水素、窒素化合物が分解されて、同時に急激に気体状態となり界外に排出されるとしたら、金属成分粒子は原子配列を整える時間的余裕がないために非晶質状態でそのまま残存するようになると思われる。このような非晶質固体は適切な結晶化温度で加熱して単結晶複合酸化物に変化したら、この物質が複合酸化物前駆体に当たるものだと考える。 VII．金属塩化物と尿素との反応前記の金属硝酸塩のうち、硝酸チタニウムや硝酸ジルコニウムなどの金属硝酸塩はその製造及び保管が難しいので、金属塩化物を金属硝酸塩にかえ、本発明の方法によって前記前駆体の調製に用いた。１．チタン塩化物を硝酸塩にかえるため、常温で四塩化チタン（ＴｉＣｌ₄）に水を添加して水溶液とした後、尿素を添加した。温度の変化による電気伝導度を測定し、その結果を図８に示した。図８の通り、電気電導度は水の蒸発に比例して増加するが、蒸発が終了したあとは、電気伝導度は溶液の分解に伴って急激に減少した。この場合には、均一な溶融物は形成されなかった。チタンが硝酸塩になるように４当量比の硝酸を塩化チタン水溶液に添加し、次いで尿素を添加した。電気電導度を測定してみると、上記の混合物と、従来の硝酸塩と尿素との混合物の電気電導度との間にはあまり差がなかった。その結果を図９に示した。図９は塩化チタン、硝酸および尿素との混合物の温度による分解性に対する電気電導度を表わしたものである。そして、前記２つの場合に得られた分解生成物のＸＲＤパターンを図１０に示した。図１０のように、塩化チタンと尿素の混合物から得られた分解生成物には特別な結晶相は表われないが、塩化チタン、尿素および硝酸の混合物から得られた分解生成物はルチル（rutile）とアナターゼ（anatase）型のＴｉＯ₂結晶からなっていた。これは硝酸を添加する場合に、硝酸と尿素との発熱反応により結晶性が向上するものと判断される。２．ジルコニウムジルコニウムの場合、オキシ塩化ジルコニウム（ＺｒＯＣｌ₂８Ｈ₂Ｏ）を金属塩化物として用い、分解過程を測定した。オキシ塩化ジルコニウムと尿素との混合物、および４当量比の硝酸が添加されているオキシ塩化ジルコニウムと尿素との混合物とを調製し、温度に対する混合物の電気伝導度を測定した。結果はチタンの場合と同様であった。すなわち、硝酸を添加した場合、電気伝導度の上昇を示し、硝酸を添加しない場合には電気伝導度の上昇は示さなかった。 VII．結晶性複合酸化物の製造１．ＹＡＧの製造本発明のアモルファス複合酸化物前駆体を用いて結晶性複合酸化物を作る実験を行った。前駆体を使用し、加熱に伴う相転移過程を観察した。まず、一定の昇温速度（１０℃／ｍｉｎ）で示差熱分析曲線を得た。その結果を図１１に示した。図１１の通り、生成物は三つの吸熱反応ピークと二つの発熱反応ピークを示した。この結果に基づいて、他の試料を６００℃（吸熱反応が殆ど終了する温度）、８００℃（発熱反応が始まる直前の温度）、１０００℃（発熱反応が終了する温度）および１２００ ℃までの温度で個々に加熱し、その後各温度で１０分間維持し、４つの生成物を得た。４つの生成物の相分析（phase examination）を実施してその結果を図１２に示した。図１２の通り、１０００℃に加熱した生成物はＹＡＧ相が得られ、これは１０００℃以下ではより長い時間加熱することなしにはＹＡＧ相が得られないことを意味している。この温度に２０、４０、６０、８０分間維持して得られた生成物に対する相分析を実施し、その結果を図１３に示した。図１３の通り、９００℃の温度ではＹＡＧ相以外に他の相も出現し、これは主にＹＡＰ相であり、時間の経過に従ってＹＡＰ相のピークが減少している。しかしながら、比較的長時間加熱した試料もやはり複合相であることから、９００℃ではＹＡＧの単一の相が得られないと判断される。ＹＡＧの結晶は１０００℃で１０分間維持する条件の下で容易に得られることがわかる。従って、このような分解生成物は複合酸化物の前駆体として適当である。また、本発明の方法は、本発明のプロセスが従来の液相法よりもずっと容易であり、プロセス条件の制御も燃焼法の条件より簡単であるので、工業的プロセスに有用であることが明らかである。２．バリスター（varistor）の製造１：２の比率の金属硝酸塩と尿素との溶液を３００℃におよそ７分程度加熱し、バリスター製造用に用いられる次世代素材であるプラセオジムをドープした酸化亜鉛粉末を製造した。分解生成物の構成元素の混合性が高いため、完全に均一となり、バリスターとしての特徴的な性能は優れたものとなる。試験は次のようにして行った。分解生成物を８５０℃で１時間焼成した後、結着剤（binder）を添加し、次いで、２４０ＭＰａの圧力を加えてペレット(Pellet)を作った。得られたペレットを１２００℃で１時間焼結させた後、組織構造を観察をした。結晶粒子の平均のサイズはおよそ１．５μｍであった。電気的な性質の試験を行い、最大降伏電圧はおよそ１０００Ｖ／ｎｉｍが得られた。得られた結果は従来の方法により製造された他のバリスターの結果より優秀なことがわかった。 VIII．工業的プロセスのスキーム大量生産と連続操業の方法は工業的な適用分野の拡大と製造コストの削減を図るために重要である。ほとんどの最終セラミック製品は高温での焼結により製造されている。もし物質が均一であり細かい結晶粒を有するような結晶の代わりに出発物質として前駆体を用いれば、プロセスにおける熱エネルギーの総量を節約することができる。本発明の前駆体はある種の中間生成物で、これはこの生成物を製造する製造者およびこの生成物を使用する使用者の両者にとってこの目的に沿うものである。本発明のプロセスは２つの段階を備えている。すなわち、１）加熱して均一の溶融物を形成し、２）さらに、加熱して溶融物を分解する。用いる温度は高くはなく、時間もプロセスの装置や操作が上記の２つの部分にわけられないように短かすぎるものでもない。すなわち、金属硝酸塩と尿素との出発混合物（個体もしくは溶液の状態）を加熱して、１５０−２５０℃の範囲の一定な温度の容器のなかで均一な溶融物を形成し、この容器中では混合物が連続的に一方の側から供給され、他の側から溶融物として排出されている。溶融物は約３００℃の第２の容器に導かれ、ここで導入された溶融物は分解を受け、微粉末の形態の複合酸化物を生成する。分解器からのガスは回収し燃料として使用するか、副生成物として分離することができる。プロセスは装置や操作が比較的簡単であり、工業用として容易に適用することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ，ＵＳ (72)発明者ジョ、ミンヨウン大韓民国 135−080 ソウルカンナム− クヨクサム−ドン 635−12

Claims

【特許請求の範囲】１．金属硝酸塩もしくはその溶液と、尿素もしくはカルボヒドラジドとを混合し、混合物を製造する工程と、前記混合物を着火しない条件下で加熱する工程とを備える複合酸化物前駆体の製造方法。２．前記混合物を二次電気伝導率上昇点の温度と等しいかまたはそれ以上の温度で加熱する請求項１に記載の複合酸化物前駆体の製造方法。３．前記金属が、Ａｇ、Ａｌ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔｈ、Ｔｉ、Ｕ、Ｚｎ、Ｚｒ及び希土類金属からなる群から選択される少なくとも一つまたはそれ以上の金属である請求項１に記載の複合酸化物前駆体の製造方法。４．前記金属の尿素もしくはカルボヒドラジドに対するモル比が１モルかまたは１モル以上である請求項１に記載の複合酸化物前駆体の製造方法。５．前記混合物が金属塩化物をさらに含む請求項１に記載の複合酸化物前駆体の製造方法。６．金属塩もしくはその溶液と、尿素もしくはカルボヒドラジドとを混合し、混合物を製造する工程と、前記混合物を着火しない条件下で加熱し、複合酸化物前駆体を製造する工程と、前記複合酸化物前駆体を加熱する工程とを備える結晶性複合酸化物の製造方法。７．前記複合酸化物前駆体を３００℃または３００℃以上の温度で加熱する請求項６に記載の結晶性複合酸化物の製造方法。８．請求項１に記載の方法により製造された複合酸化物前駆体。９．請求項６に記載の方法により製造された複合酸化物。１０．金属塩もしくはその溶液と、尿素もしくはカルボヒドラジドとを混合し、混合物を製造する工程と、前記混合物を着火しない条件下で加熱する工程とを備える複合酸化物前駆体の製造方法。