JPH11278833A

JPH11278833A - セラミックス粉末及びその合成方法

Info

Publication number: JPH11278833A
Application number: JP10086384A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Iwashita; 修三岩下; Shuichi Fukuoka; 修一福岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 1999-10-12

Abstract

(57)【要約】粉砕処理することなく、粒子形状が揃った微細で且つ高
純度の単一結晶相からなるセラミック粉末を低温、短時
間の仮焼により合成する。【解決手段】平均粒子径が１μｍ以下、純度９９．９９
％以上の２種以上の単一金属化合物粉末を、所定の比率
で混合した後、該混合粉末にマイクロ波を照射して４５
０〜１０００℃で仮焼することによって、少なくとも２
種以上の金属元素を含有する実質的に単一結晶相からな
り、平均粒子径が１．５μｍ以下、平均アスペクト比が
１．５以下、前記金属元素の不純物金属量が１００ｐｐ
ｍ以下であり、且つ該粉末の表面に粉砕面を持たないセ
ラミック複合化合物粉末を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス粉末
およびその合成方法に関し、特に、電子部品用材料とし
て使用される２種以上の金属元素を含む化合物粉末に関
するものである。

【０００２】

【従来技術】従来から、電子部品用セラミックスなどに
使用されるセラミックスは、高性能、高特性が要求され
るため、使用するセラミック原料粉末に対しても、不純
物金属が少ない高純度であることが求められている。

【０００３】また、電子部品用セラミックスとして、Ｐ
ｂＴｉＯ₃、ＰｂＺｒＯ₃、ＢａＴｉＯ₃などの少なく
とも２種以上の金属元素を含有する複合セラミックスが
多用されている。このようなセラミックスは、例えば、
ＰｂＯ粉末と、ＴｉＯ₂粉末とを所定比率で混合した混
合粉末を、ヒータ等による加熱処理によって仮焼処理
し、ＰｂＴｉＯ₃仮焼粉末を作製した後、これを粉砕処
理して所定の粒径のＰｂＴｉＯ₃原料粉末を得、これを
所定形状に成形し、焼成することによりセラミックスを
作製される。

【０００４】また、このようなセラミックスにおいて
は、焼結体の強度を高めるために、微細な焼結体組織を
形成することが必要とされ、そのために、用いる原料粉
末は活性度が高く、低温で焼成可能であることが要求さ
れている。このような要求に対し、上記のような複合化
合物粉末を作製する方法として、共沈を利用した均一沈
殿法が採用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単一金
属化合物を混合して、所定温度で仮焼処理した場合、そ
の仮焼粉末は、凝集体となるために、セラミック原料粉
末として微粉末を得るためには、粉砕処理を施すことが
必要であった。このような粉砕処理では、粉砕機におけ
る粉砕ボールなどの媒体や粉砕容器の内壁の成分が、不
可避的に不純物として微粉末中に混入するという問題が
あった。また、凝集を抑制するために、仮焼温度を低く
すると、粉末自体の合成度が低くなるという問題があっ
た。

【０００６】また、上記共沈法において、３種以上の金
属元素を含む組成系では、組成比を維持しつつ沈殿させ
ることが難しく、組成ずれが生じる場合があり、また、
沈殿した粉末は非常に微粉末であるために、仮焼処理に
よって粒成長して粒径が大きくなり、微粒の粉末が得ら
れないという問題がある。また、粉末の合成度を高める
ためには高い温度で仮焼することが望ましいが、高い温
度で仮焼するほど、粒成長は助長される。

【０００７】そのために、共沈原料から微粉末を得る場
合においても、粉砕処理を必須とし、そのために、前述
したように粉砕時に不純物が不可避的に混入してしまう
という問題があった。

【０００８】また、粉砕処理を施すと、粒子自体の粒子
形状が不定形となり、粒子形状の揃った粉末が得られに
くいという問題があった。

【０００９】従って、本発明は、粉砕処理することな
く、粒子形状が揃った微細で且つ高純度の単一結晶相か
らなるセラミック粉末を提供することを目的とするもの
である。また、本発明は、低温、短時間の仮焼により合
成度が高く、且つ粒成長を抑制し、粉砕工程を必要とし
ない微細なセラミックス合成粉末を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、異なる２種
以上の単一金属化合物からなる混合物に対して、マイク
ロ波を照射して仮焼すると、低温での合成が可能であ
り、しかも粒成長を抑制し且つ合成度が高く、また、粉
砕工程を実質必要としない高純度なセラミックス粉末が
得られることを見いだし、本発明に至った。

【００１１】即ち、本発明のセラミックス粉末は、少な
くとも２種以上の金属元素を含有する実質的に単一結晶
相からなる複合化合物粉末であって、平均粒子径が１．
５μｍ以下、平均アスペクト比が１．５以下、前記金属
元素の不純物金属量が１００ｐｐｍ以下であり、且つ該
粉末の表面に粉砕面を持たないことを特徴とするもので
ある。なお、前記金属元素としてＰｂを含むこと、前記
単一結晶相が、ペロブスカイト型結晶相であることを特
徴とするものである。

【００１２】また、本発明のセラミック粉末の合成方法
は、平均粒子径が１μｍ以下、純度９９．９９％以上の
２種以上の単一金属化合物粉末を、所定の比率で混合し
た後、該混合粉末に、マイクロ波を照射して仮焼するこ
とを特徴とするものである。

【００１３】なお、前記単一金属化合物粉末の１種が、
ＰｂＯ粉末であることを特徴とするものである。

【００１４】また、一次原料としては各金属元素の酸化
物となる硝酸塩、酢酸塩あるいはアルコキシド等を用い
て、混合に共沈による均一沈殿法を用いてもなんら差し
支えない。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明は、少なくとも２種以上の
金属元素を含有する複合化合物粉末を合成するためのも
のである。より具体的には、２種以上の金属元素を含む
単一結晶相からなる化合物粉末であって、例えば、一般
式ＡＢＯ₃で表されるペロブスカイト、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄
等のスピネル、３Ｙ₂Ｏ₃・５Ａｌ₂Ｏ₃等のガーネッ
ト、３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂等のムライト、ＭｇＯ・
ＳｉＯ₂のエンスタタイト、２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂のフォ
ルステライト、Ｍｇ₂Ａｌ₄Ｓｉ₅Ｏ₁₈等のコージェラ
イト等が挙げられる。なお、ペロブスカイトとしては、
Ａサイト元素として、周期律表第１Ａ，２Ａ族元素、Ｐ
ｂ、Ｂサイト元素として、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｔ
ａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏおよび希土類元素などの周期律表
第３Ａ，４Ａ，５Ａ，６Ａ，７Ａ，８Ａ族元が挙げられ
る。

【００１６】本発明のセラミック粉末の合成方法によれ
ば、上記の複合化合物粉末を合成するにあたり、先ず、
一次原料として、２種以上の単一金属化合物を用いる。
単一金属化合物とは、１種のみの金属元素と、酸素など
の非金属元素との化合物粉末である。また、前記単一金
属化合物は、酸化物である場合には、仮焼によって酸化
物を形成し得る各金属元素の硝酸塩、酢酸塩あるいはア
ルコキシド等を用いてもよい。

【００１７】このような出発原料においては、平均粒子
径が１μｍ以下、特に０．８μｍ以下の微粉末からなる
とともに、純度が９９．９９％以上、特に９９．９９５
％以上の高純度の粉末からなることが必要である。平均
粒子径が１μｍよりも大きいと、最終的に得られるセラ
ミック粉末の粒径が大きくなり、また、純度が９９．９
９％よりも低いと、セラミック粉末中の不純物量が多く
なる。

【００１８】次に、複合化によって単一結晶を形成可能
な複数の単一金属化合物粉末を単一結晶を形成しえる化
学量論組成にて配合する。例えば、ペロブスカイト型結
晶を形成する場合は、基本的にＡサイト形成化合物粉末
と、Ｂサイト形成化合物粉末を金属元素比で１：１の比
率で混合する。但し、容易に固溶体化、および単一結晶
相を形成し得る組成範囲であれば問題はない。混合は、
ボールミル等の混合方法が適当であるが、この時、粉砕
メディアや容器等から不純物が混入しないように、これ
らの材質や混合条件等を調整することが必要である。ま
た、混合に共沈による均一沈殿法を用いてもなんら差し
支えない。

【００１９】次に、この混合粉末に対して、マイクロ波
を照射して仮焼する。この時の仮焼温度は混合粉末の材
質にもよるが、４５０〜１０００℃が適当である。この
マイクロ波の照射は、図１に示すように、混合粉末１を
ＭｇＯ等の容器２内に収納し、これをマイクロ波装置３
内に設置し、ジャイロトロン等のマイクロ波発振器４か
ら導波路５を経由して混合粉末１に対してマイクロ波を
照射する。

【００２０】照射するマイクロ波の出力は、混合粉末の
誘電損失、加熱温度に応じて適宜設定されるが、ジャイ
ロトロンを用いる場合、周波数は２８ＧＨｚ、最大出力
１０ＫＷに設定される。このマイクロ波照射によれば、
通常、ヒータ加熱による仮焼処理温度に比較して３００
〜８００℃程度低い温度で仮焼処理を行うことができ
る。しかも、ヒータ加熱の場合、単一結晶相となるまで
には、１〜５時間の長時間を有するのに対して、マイク
ロ波照射による仮焼では、５〜３０分の短時間で単一結
晶相を形成し得ることができる。

【００２１】本発明の製造方法によれば、低温且つ短い
時間で合成できる結果、合成されたセラミック粉末は、
ヒータ加熱による高温かつ長時間仮焼の場合に生じるよ
うな凝集および粒成長が生じないために、平均結晶粒径
が１μｍ以下の微粉末を形成できる。しかもその粉末
は、略球状粉末からなり、その平均アスペクト比が１．
５以下、特に１．３以下の非常に粒径の揃った粉末を作
製できる。

【００２２】また、このセラミック粉末は、仮焼後の状
態で、平均粒径が小さく、且つ粒径の揃った粉末である
ために、粉砕工程を全く必要としない。その結果、粉末
表面に粉砕面を全く有することがなく、粉砕処理に伴う
不純物の混入を抑制できる結果、単一結晶を形成する金
属以外の不純物金属量を原料粉末中の不純物量と同程度
に抑えることができ、具体的には１００ｐｐｍ以下、特
に５０ｐｐｍ以下に高純度化することができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を次の実施例で説明する。実施例１（複合ぺロブスカイト化合物粉末）原料粉末と
して、純度９９．９９％、１次粒子径が０．８μｍ以下
のＰｂＯ、ＴｉＯ₂、Ｎｄ₂Ｏ₃、ＣａＣＯ₃、ＭｇＣ
Ｏ₃、ＭｎＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₅の各原料粉末をＰｂ_0.81Ｎ
ｄ_0.04Ｃａ_0.15（Ｍｇ（_1/3+0.06Ｓｂ_2/3）_0.02Ｍｎ
_0.02Ｔｉ_0.96Ｏ₃の組成にて、耐摩耗性部分安定化ジル
コニアボールと、ポリエチレン製のポットを用いたボー
ルミルで湿式混合し、１２０℃で８時間乾燥して混合粉
末を得た。

【００２４】次に、この混合粉末をＭｇＯからなる容器
内に入れ、周波数２８ＧＨｚ、最大出力１０ＫＷのジャ
イラトロンを発信源としたマイクロ波発信器を用いたス
テンレス製のマイクロ波加熱炉を用いて、大気中で４０
０〜８００℃で１０分仮焼した。

【００２５】仮焼後の粉末に対して粉砕処理を施すこと
なく、走査型電子顕微鏡写真によって、平均粒子径、お
よび平均アスペクト比を観察した。なお、これらの平均
粒子径は、写真から見た１００個の粒子の短軸長の平均
値、アスペクト比（長軸長／短軸長）の平均値を算出し
たものである。また、仮焼粉末のＸ線回折測定を行い、
検出ピークより結晶相を同定し、これらの結果を表１に
示した。

【００２６】また、比較例として、上記混合粉末をＭｇ
Ｏ容器内に入れ、ヒータ加熱炉内に設置して、大気中、
７００〜１１００℃で３時間仮焼処理した。そして、同
様にして平均粒子径、平均アスペクト比、結晶相の同定
を行い、表１に示した。なお、試料Ｎo.７、１２につい
てＸ線回折チャート図を図４、図５に示した。

【００２７】

【表１】

【００２８】マイクロ波加熱により４５０℃以上で仮焼
した粉末は、いずれもＰｂＴｉＯ_３型ペロブスカイト結
晶の単相から構成されていた。また、平均結晶粒子径は
１μｍ以下であり、粉砕面を持たず、粒子形状もアスペ
クト比１．５以下の球形粒子であることがわかる。加え
て、仮焼粉末についてＩＣＰ発光分析を行った結果、投
入した元素以外の成分はいずれも１００ｐｐｍ以下であ
った。

【００２９】一方、比較例である通常ヒータ加熱炉で仮
焼した合成粉末では、Ｘ線回折測定の結果、ＰｂＴｉＯ
_３単一結晶相となるには、１０００℃以上まで温度を
上げる必要があった。しかも１０００℃以上での仮焼品
では、平均粒子径も２μｍ以上と大きいことがわかっ
た。

【００３０】また、この粉末に対して振動ミルを使用し
て平均結晶粒子径を１μｍ以下に粉砕したところ、ＩＣ
Ｐ発光分析による不純物含有量は１０００ｐｐｍ以上の
多量の不純物が混入した。しかも粒子形状は平均アスペ
クト比で２〜３のいびつな且つ粉砕面を持つ形状をして
いた。

【００３１】実施例２（スピネル化合物）原料粉末として純度９９．９９％、１次粒子径が０．９
μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯの各原料粉末をＭｇＯ：
Ａｌ₂Ｏ₃＝１：１のモル比でＡｌ₂Ｏ₃ボールによる
ボールミルで湿式混合し、乾燥した後、周波数２８ＧＨ
ｚ、最大出力１０ＫＷのジャイラトロンを発信源とした
マイクロ波発信器を用いたステンレス製のマイクロ波加
熱炉を用いて大気中４００〜８００で１０分間仮焼した
後、実施例１と同様にして、平均粒子径、平均アスペク
ト比、結晶相の同定を行い、表１に示した。

【００３２】また、比較例として、上記混合粉末をＡｌ
₂Ｏ₃容器内に入れ、ヒータ加熱炉内に設置して、大気
中、７００〜１２００℃で３時間仮焼処理した。そし
て、実施例１と同様にして平均粒子径、平均アスペクト
比、結晶相の同定を行い、表２に示した。

【００３３】

【表２】

【００３４】マイクロ波を用いて４５０℃以上で仮焼し
た粉末は、結晶相がＭｇＡｌ₂Ｏ_４のスピネル構造の単
一相になっていた。また、平均結晶粒子径は１μｍ以下
であり、粒子形状も平均アスペクト比１．５以下の球形
粒子であることがわかる。加えて、仮焼粉末についてＩ
ＣＰ発光分析を行った結果、投入した元素以外の成分は
１００ｐｐｍ以下であった。

【００３５】一方、比較例である通常ヒーター加熱炉で
仮焼した合成粉末では、Ｘ線回折測定の結果、ＭｇＡｌ
₂Ｏ₄単一結晶相となるには、１１００℃以上まで温度
を上げる必要があった。しかも１０００℃以上での仮焼
品では、平均粒子径も２μｍ以上と大きいことがわか
る。

【００３６】また、この粉末を振動ミルを使用して平均
結晶粒子径を１μｍ以下に粉砕したところ、ＩＣＰ発光
分析による不純物含有量は１０００ｐｐｍ以上の大量の
不純物が混入した。しかも粒子形状は平均アスペクト比
で２〜３のいびつな且つ粉砕面を持つ形状をしていた。

【００３７】実施例２（ガーネット化合物）原料粉末として純度９９．９９％、１次粒子径が０．９
μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃の各原料粉末をＹ₂Ｏ
₃：Ａｌ₂Ｏ₃＝３：５のモル比でＡｌ₂Ｏ₃ボールに
よるボールミルで湿式混合し、乾燥した後、周波数２８
ＧＨｚ、最大出力１０ＫＷのジャイラトロンを発信源と
したマイクロ波発信器を用いたステンレス製のマイクロ
波加熱炉を用いて大気中４５０〜８００℃で１０分間仮
焼した後、実施例１と同様にして、平均粒子径、平均ア
スペクト比、結晶相の同定を行い、表１に示した。

【００３８】また、比較例として、上記混合粉末をＡｌ
₂Ｏ₃容器内に入れ、ヒータ加熱炉内に設置して、大気
中、７００〜１４００℃で３時間仮焼処理した。そし
て、実施例１と同様にして平均粒子径、平均アスペクト
比、結晶相の同定を行い、表３に示した。

【００３９】

【表３】

【００４０】マイクロ波を用いて４５０℃以上で仮焼し
た粉末は、結晶相が３Ｙ₂Ｏ₃・５Ａｌ₂Ｏ₃のガーネ
ット構造の単一相になっていた。また、平均結晶粒子径
は１μｍ以下であり、粒子形状も平均アスペクト比１．
５以下の球形粒子であることがわかる。加えて、仮焼粉
末についてＩＣＰ発光分析を行った結果、投入した元素
以外の成分は１００ｐｐｍ以下であった。

【００４１】一方、比較例である通常ヒーター加熱炉で
仮焼した合成粉末では、Ｘ線回折測定の結果、３Ｙ₂Ｏ
₃・５Ａｌ₂Ｏ₃単一結晶相となるには、１３００℃以
上まで温度を上げる必要があった。しかも１０００℃以
上での仮焼品では、平均粒子径も２μｍ以上と大きいこ
とがわかる。

【００４２】また、この粉末を振動ミルを使用して平均
結晶粒子径を１μｍ以下に粉砕したところ、ＩＣＰ発光
分析による不純物含有量は１０００ｐｐｍ以上の多量の
不純物が混入した。しかも粒子形状は平均アスペクト比
で２〜３のいびつな、粉砕面を持つ形状をしていた。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明によれば、
マイクロ波照射によって、２種以上の金属を含む単一結
晶からなるセラミック粉末を合成することにより、低
温、且つ短時間で、微粉末で、粒子形状の揃った、高純
度のセラミック粉末を、粉砕を施すことなく作製するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるマイクロ波加熱装置の概略断面
図を示す。

【図２】本発明により合成されたセラミック粉末の電子
顕微鏡写真の模写図である。

【図３】従来のヒータ加熱により合成されたセラミック
粉末の電子顕微鏡写真の模写図である。

【図４】本発明により合成されたセラミック粉末のＸ線
回折チャート図である。

【図５】従来のヒータ加熱により合成されたセラミック
粉末のＸ線回折チャート図である。

【符号の説明】

１混合粉末２容器３マイクロ波加熱装置４ジャイロトロン５導波路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２種以上の金属元素を含有する
実質的に単一結晶相からなる複合化合物粉末であって、
平均粒子径が１．５μｍ以下、平均アスペクト比が１．
５以下、前記金属元素の不純物金属量が１００ｐｐｍ以
下であり、且つ該粉末の表面に粉砕面を持たないことを
特徴とするセラミック粉末。
【請求項２】前記金属元素としてＰｂを含むことを特徴
とする請求項１記載のセラミック粉末。
【請求項３】前記単一結晶相が、ペロブスカイト型結晶
相であることを特徴とする請求項１記載のセラミック粉
末。
【請求項４】平均粒子径が１μｍ以下、純度９９．９９
％以上の２種以上の単一金属化合物粉末を、所定の比率
で混合した後、該混合粉末に、マイクロ波を照射して仮
焼することを特徴とするセラミックス粉末の合成方法。
【請求項５】前記単一金属化合物粉末の１種が、ＰｂＯ
粉末であることを特徴とする請求項４記載のセラミック
粉末の合成方法。