WO2019167924A1 - 負熱膨張材料、複合材料、及び負熱膨張材料の製造方法 - Google Patents

負熱膨張材料、複合材料、及び負熱膨張材料の製造方法 Download PDF

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negative thermal
expansion material
temperature
sample
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敏宏 磯部
裕子 早川
ゆり 足立
綾介 上原
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国立大学法人東京工業大学
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    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/32—Thermal properties

Definitions

  • the present invention relates to a negative thermal expansion material, a composite material, and a method for manufacturing the negative thermal expansion material.
  • Patent Document 1 discloses Bi 1-x Sb x NiO 3 (where x is 0.02 ⁇ x ⁇ 0.20) as a material having a negative coefficient of thermal expansion.
  • an object of the present invention is to provide a negative thermal expansion material, a composite material, and a method for manufacturing the negative thermal expansion material that can realize cost reduction and density reduction.
  • the negative thermal expansion material having a negative coefficient of thermal expansion is characterized by being represented by Zr 2-a M a S x P 2 O 12 + ⁇ .
  • M is at least one selected from Ti, Ce, Sn, Mn, Hf, Ir, Pb, Pd, and Cr
  • a is 0 ⁇ a ⁇ 2
  • x is 0.4 ⁇ x ⁇ . 1 and ⁇ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition.
  • a composite material according to the present invention includes the negative thermal expansion material and a material having a positive thermal expansion coefficient.
  • the method for producing a negative thermal expansion material according to the present invention includes a step of hydrothermally treating a mixture containing zirconium oxychloride octahydrate, ammonium phosphate, and sulfuric acid at a temperature of 130 ° C. or higher, and the hydrothermal treatment. After that, the mixture is fired at a temperature of 450 ° C. or higher, and Zr 2 S x P 2 O 12 + ⁇ (where 0.4 ⁇ x ⁇ 1 and ⁇ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. And forming a material having a negative coefficient of thermal expansion represented by:
  • the method for producing a negative thermal expansion material according to the present invention includes hydrothermal treatment of a mixture containing zirconium oxychloride octahydrate, ammonium phosphate, sulfuric acid, and an additive containing element M at a temperature of 130 ° C. or higher. And a material having a negative coefficient of thermal expansion represented by Zr 2-a M a S x P 2 O 12 + ⁇ by calcining the mixture after the hydrothermal treatment at a temperature of 450 ° C. or higher (
  • M is at least one selected from Ti, Ce, Sn, Mn, Hf, Ir, Pb, Pd, and Cr, a is 0 ⁇ a ⁇ 2, and x is 0.4 ⁇ x ⁇ . 1 and ⁇ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition).
  • the present invention it is possible to provide a negative thermal expansion material, a composite material, and a method for manufacturing the negative thermal expansion material that can realize cost reduction and density reduction.
  • FIG. 4 is a view showing an FE-SEM image of Sample 4.
  • FIG. 4 is a view showing an FE-SEM image of Sample 4. It is a figure which shows the XRD measurement result of each sample (hydrothermal treatment temperature: 110 degreeC). It is a figure which shows the XRD measurement result of each sample (hydrothermal treatment temperature: 130 degreeC). It is a figure which shows the XRD measurement result of each sample (hydrothermal treatment temperature: 180 degreeC). It is a figure which shows the XRD measurement result of each sample (hydrothermal treatment temperature: 230 degreeC). It is a graph which shows the relationship between the calcination temperature of the sample processed at each hydrothermal treatment temperature, and content of S atom.
  • the negative thermal expansion material according to the present embodiment is characterized by being represented by Zr 2-a M a S x P 2 O 12 + ⁇ .
  • M is at least one selected from Ti, Ce, Sn, Mn, Hf, Ir, Pb, Pd, and Cr
  • a is 0 ⁇ a ⁇ 2
  • x is 0.4 ⁇ x ⁇ . 1 and ⁇ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition.
  • the negative thermal expansion material is a material represented by Zr 2 S x P 2 O 12 + ⁇ .
  • a material in which part of the Zr site is replaced with M is obtained.
  • the negative thermal expansion material is a material represented by Zr 2-a Ti a S x P 2 O 12 + ⁇ , and the range of a in this case is preferably 0 ⁇ a ⁇ 0. .7.
  • the negative thermal expansion material is a material represented by Zr 2-a Ce a S x P 2 O 12 + ⁇ , and the range of a in this case is preferably 0 ⁇ a ⁇ 0. .4.
  • the negative thermal expansion material is a material represented by Zr 2-a Sn a S x P 2 O 12 + ⁇ , and the range of a in this case is preferably 0 ⁇ a ⁇ 1 .
  • the negative thermal expansion material is a material represented by Zr 2-a Mn a S x P 2 O 12 + ⁇ , and the range of a in this case is preferably 0 ⁇ a ⁇ 0.2. It is.
  • the element M that substitutes a part of the Zr site may be Hf, Ir, Pb, Pd, or Cr.
  • a part of the S site of the negative thermal expansion material represented by Zr 2-a M a S x P 2 O 12 + ⁇ may be replaced with Mo or W.
  • a part of the P site may be substituted with an element such as V, Mn, Cr, As, or Nb.
  • the negative thermal expansion material according to this embodiment is composed mainly of cheap and relatively light atoms. Therefore, cost reduction and density reduction of the negative thermal expansion material can be realized.
  • 1A to 1C are graphs showing temperature characteristics of a negative thermal expansion material represented by Zr 2 S x P 2 O 12 + ⁇ .
  • 1A shows the temperature characteristic of the lattice constant of the a (b) axis
  • FIG. 1B shows the temperature characteristic of the lattice constant of the c axis
  • FIG. 1C shows the temperature characteristic of the lattice volume.
  • the negative thermal expansion material concerning this Embodiment is a rhombohedral system, the length of a axis
  • the thermal expansion coefficient of the negative thermal expansion material varies depending on the value of x, that is, the content of sulfur atoms S.
  • x that is, the content of sulfur atoms S.
  • the absolute value of the volume expansion coefficient of the negative thermal expansion material at a temperature of 100 to 180 ° C. is the value under the condition where the temperature is higher than 180 ° C. It becomes larger than the absolute value of the volume expansion coefficient of the negative thermal expansion material. That is, when the value of x is 0.48 ⁇ x ⁇ 0.9, the lattice volume changes rapidly from 100 ° C. to 180 ° C. In this temperature range, the a-axis expands, but the c-axis contracts rapidly, so that a rapid volume contraction occurs in the entire lattice.
  • the volume expansion coefficient at 30 to 100 ° C. is ⁇ 26 ppm / ° C.
  • the volume expansion coefficient at 100 to 180 ° C. is ⁇ 108 ppm / ° C.
  • the volume expansion coefficient at 180 to 350 ° C. is The volume expansion coefficient at ⁇ 8.1 ppm / ° C. and 350 to 500 ° C. is ⁇ 13 ppm / ° C.
  • the negative thermal expansion material according to the present embodiment has a negative thermal expansion coefficient in the range of room temperature to 500 ° C.
  • a large negative thermal expansion is exhibited in the range of 100 to 180 ° C., and the magnitude is smaller as the content of sulfur atom S is smaller. Get smaller.
  • the volume expansion coefficient of the negative thermal expansion material is substantially constant at 80 ° C. or higher.
  • the crystal phase of the negative thermal expansion material according to the present embodiment is ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 (ICDD card number: 04-017-0937), but some other crystal phases are included. Also good.
  • a ⁇ phase ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 (ICDD card: 04-007-8019) may be included in part.
  • the atoms constituting the negative thermal expansion material (Zr 2 S x P 2 O 12 + ⁇ ) according to the present embodiment are Zr, S, and P, and these materials are inexpensive.
  • the negative thermal expansion material can be formed at a lower cost than when the negative thermal expansion material is used. Therefore, cost reduction of the negative thermal expansion material can be realized.
  • the atoms constituting the negative thermal expansion material (Zr 2 S x P 2 O 12 + ⁇ ) according to the present embodiment are Zr, S, and P, and these atoms (particularly, S and P) are relatively Since it is a light atom, the density of a negative thermal expansion material can be made lower than the conventional negative thermal expansion material. Therefore, the density of the negative thermal expansion material can be reduced.
  • the density of Mn—Sn—Zn—N (Smartec®), which is a negative thermal expansion material, is about 7 g / cm 3 .
  • the density of Zr 2 WP 2 O 12 is negative thermal expansion material is 3.86 g / cm 3
  • the density of Zr 2 MoP 2 O 12 is 3.36 g / cm 3.
  • the density of Zr 2 SP 2 O 12 is negative thermal expansion material according to this embodiment is 3.02 g / cm 3, the density is lower than conventional negative thermal expansion material.
  • the negative thermal expansion material is mixed with a material having a positive thermal expansion coefficient (positive thermal expansion material), in other words, the thermal expansion coefficient is controlled by dispersing the negative thermal expansion material in the positive thermal expansion material.
  • Composite materials can be formed. For example, by reducing the density of the negative thermal expansion material to be mixed at this time, the negative thermal expansion material can be uniformly dispersed in the positive thermal expansion material.
  • the thermal expansion coefficient of the negative thermal expansion material according to the present embodiment varies depending on the value of x, that is, the content of sulfur atoms S. That is, when the value of x is 0.48 ⁇ x ⁇ 0.9, a large negative thermal expansion is exhibited in the range of 100 to 180 ° C., and the magnitude is smaller as the content of sulfur atom S is smaller. Get smaller.
  • the volume expansion coefficient of the negative thermal expansion material is substantially constant at 80 ° C. or higher.
  • the value of x of the negative thermal expansion material is set according to the characteristics of the positive thermal expansion material used when forming the composite material, the characteristics of the target composite material, the temperature range in which the composite material is used, and the like. It is preferable to decide.
  • the value x of the negative thermal expansion material is set to 0.48 ⁇ x ⁇ 0.9 in consideration of the use temperature (heat resistance temperature) of the resin material. preferable. That is, considering the heat-resistant temperature of the resin material, the range of use temperature of the resin material is considered to be about room temperature to 200 ° C. Further, when the value of x is 0.48 ⁇ x ⁇ 0.9, huge negative thermal expansion is exhibited in the range of 100 to 180 ° C. Therefore, by setting the value of x of the negative thermal expansion material to 0.48 ⁇ x ⁇ 0.9, the operating temperature range of the resin material and the region where the negative thermal expansion material exhibits a huge negative thermal expansion overlap each other. And the coefficient of thermal expansion of the composite material can be controlled efficiently.
  • the value of x of the negative thermal expansion material is set to 0.4 ⁇ x ⁇ 0.48 in consideration of the use temperature (heat resistance temperature) of the metal material. Is preferred. That is, in the case of a composite material containing a metal material, the range of operating temperatures is often wide.
  • the value of x is 0.4 ⁇ x ⁇ 0.48, the volume expansion coefficient of the negative thermal expansion material is substantially constant at 80 ° C. or higher. Therefore, by setting the value of x of the negative thermal expansion material to 0.4 ⁇ x ⁇ 0.48, a region where the use temperature range of the composite material including the metal material and the volume expansion coefficient of the negative thermal expansion material are substantially constant. In a wide temperature range, and the coefficient of thermal expansion of the composite material can be controlled efficiently.
  • the positive thermal expansion material when the positive thermal expansion material is a metal material, a composite material is formed by setting the value x of the negative thermal expansion material to 0.48 ⁇ x ⁇ 0.9. May be.
  • the composite material may be formed by setting the value of x of the negative thermal expansion material to 0.4 ⁇ x ⁇ 0.48. That is, in this embodiment, the value of x of the negative thermal expansion material can be determined in consideration of the temperature range in which the composite material is used, the characteristics of the positive thermal expansion material to be mixed, and the like.
  • zirconium oxychloride octahydrate ZrCl 2 O.8H 2 O
  • ammonium phosphate at least one selected from ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ) and diammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ) can be used.
  • NH 4 H 2 PO 4 ammonium dihydrogen phosphate
  • diammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 )
  • the aqueous solution (mixture) after stirring is hydrothermally treated at a temperature of 130 ° C. or higher, preferably 180 ° C. or higher (step S2).
  • the hydrothermal treatment time is 0.5 to 4 days.
  • the mixture after the hydrothermal treatment is dried (step S3). Specifically, since a white precipitate is generated in the container after the hydrothermal treatment, a solution (mixture) containing this white precipitate is poured into an evaporating dish and heated with a heater at about 100 ° C. to remove excess moisture. Is evaporated (first drying). At this time, since the mixture contains excessive sulfuric acid, it is not completely dried, so the evaporating dish is placed in an electric furnace at 300 ° C. and the second drying is performed (step S4).
  • the dried mixture is fired at a temperature of 450 ° C. or higher to form a material having a negative coefficient of thermal expansion represented by the above general formula (step S5).
  • the temperature at which the mixture is fired can be set to 450 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.
  • the value of x in the said general formula can be adjusted by adjusting the temperature at the time of baking the mixture after drying. Specifically, the higher the firing temperature, the more easily the sulfur S in the above general formula is released, so the amount of sulfur S decreases.
  • the value of x in the general formula (that is, the amount of S) may be adjusted by adjusting the firing time.
  • the negative thermal expansion material is manufactured using the hydrothermal method, the negative thermal expansion material can be manufactured at low cost.
  • the particle size distribution of a negative thermal expansion material can be made small by using a hydrothermal method.
  • the negative thermal expansion material can be uniformly dispersed in the positive thermal expansion material.
  • the negative thermal expansion material can be shaped into a cube having a side of 200 to 300 nm (see FIG. 7).
  • the particle size of the negative thermal expansion material can be reduced, when the composite material is formed by mixing the negative thermal expansion material and the positive thermal expansion material, the surface roughness of the composite material should be reduced. Can do.
  • Zr 2-a M in which a part of the Zr site is replaced with M.
  • M cerium sulfate tetrahydrate (Ce (SO 4 ) 2 .4H 2 O) is added.
  • M tin oxide
  • M manganese dioxide
  • these additives are merely examples, and other materials may be used as long as they are additives (raw materials) that can add the element M to the negative thermal expansion material.
  • ZrCl 2 O.8H 2 O (Wako Special Grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (currently Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)), NH 4 H 2 PO 4 (reagent special grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and H 2 SO 4 (reagent special grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were prepared.
  • a ZrCl 2 O ⁇ 8H 2 O and NH 4 H 2 PO 4 respectively dissolved in distilled water to a 0.8 M.
  • 10 ml of each of these aqueous solutions and 3 ml of H 2 SO 4 were mixed and stirred with a stirrer for 90 minutes (step S1).
  • the agitated aqueous solution (mixture) is poured into a Teflon (registered trademark) container (HUT-100, Sanai Kagaku Co., Ltd.) and put into a pressure-resistant stainless steel outer tube (HUS-100, Sanai Kagaku Co., Ltd.). I set it.
  • the container was then placed in a hot air circulation oven (KLO-45M, Koyo Thermo System Co., Ltd.) and heated to perform hydrothermal treatment (step S2).
  • the hydrothermal treatment temperature was 180 ° C., and the hydrothermal treatment time was 4 days.
  • step S3 first drying
  • step S4 second drying
  • step S5 the samples dried at 300 ° C. are baked at 400 to 900 ° C. for 4 hours or 12 hours using an electric furnace (KDF-S80, Denken Hydental Co., Ltd.) to obtain samples 1 to 9 in the form of white powder.
  • compositions (atomic ratios) of the produced samples 1 to 9 were analyzed using ICP-OES (Inductivity Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry).
  • ICP-OES Inductivity Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry
  • a calibration curve of the atomic concentration contained in the solution was prepared using Zr, P, and S standard solutions of Samples 1 to 9 (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and mixed acid (0.5% Of HF + 5% HNO 3 ) was measured quantitatively.
  • Fig. 3 shows the relationship between the firing conditions and atomic ratios of Samples 1-9.
  • the atomic ratio of Zr was 2 and constant.
  • the atomic ratio of P was 1.8 to 2 and was substantially constant.
  • the atomic ratio of S was different depending on the firing conditions of Samples 1-9.
  • the atomic ratio of S was 1.6.
  • the atomic ratio of S was 1.2.
  • the atomic ratio of S was 1.
  • the atomic ratio of S was 0.90.
  • the atomic ratio of S was 0.76.
  • the atomic ratio of S was 0.54.
  • the atomic ratio of S was 0.48.
  • the atomic ratio of S was 0.44.
  • the atomic ratio of S was 0.43.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the firing temperature and the S atom content (atomic ratio).
  • FIG. 4 plots the firing temperature and the atomic ratio of S atoms of samples 1 to 4 and 6 to 9 in the table shown in FIG. As shown in FIG. 4, the amount of S decreased as the firing temperature of each sample increased. This is because S easily escapes from each sample as the firing temperature rises. From the results shown in FIG. 4, it was found that the amount of S in the sample, that is, the value x of Zr 2 S x P 2 O 12 + ⁇ can be adjusted by adjusting the firing temperature.
  • sample 4 (firing condition: 500 ° C., 4 hours) has an atomic ratio of S of 0.90
  • sample 5 firing condition: 500 ° C., 12 hours has S.
  • the atomic ratio was 0.76. From this result, it can be said that the amount of S decreases as the firing time increases. Therefore, it was found that the amount of S in the sample can also be adjusted by adjusting the firing time.
  • the XRD measurement results of Samples 1 to 9 are shown in FIG. As shown in FIG. 5, a phase of ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 (ICDD card number: 04-017-0937) was observed in all the samples 1 to 9. In Samples 7 to 9 fired at 700 ° C. or higher, a broad peak was observed at around 30.5 °. This is considered to be a ZrO 2 peak. From the XRD measurement results, it is considered that a firing temperature of 450 to 600 ° C. is appropriate for obtaining single-phase ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 .
  • 6A and 6B show the results of plotting the calculated lattice constant of each sample against the ratio of S (the ratio of S when Zr is normalized to 2).
  • 6A shows an a-axis lattice constant
  • FIG. 6B shows a c-axis lattice constant.
  • FIGS. 6A and 6B it was shown that the lattice constant decreased linearly as the S content was reduced by half from 1.0 to 0.48 for both the a-axis and the c-axis.
  • thermal expansion coefficient of each sample 1 to 9 was measured using the following method.
  • a bench top heating stage (BTS 500, Anton Paar) was attached to the following powder X-ray diffractometer, and an X-ray diffraction pattern was measured at an arbitrary temperature.
  • a high-speed one-dimensional detector (D / teX Ultra2, Rigaku Co., Ltd.) was used as a detector, and measurement was performed under the following conditions.
  • Si NIST SRM 640c was used as an internal standard.
  • the crystal structure was refined by the Rietveld method, and the lattice constant was calculated.
  • the calculated lattice constant was plotted against the temperature, and the linear thermal expansion coefficient ⁇ l and the volume thermal expansion coefficient ⁇ v for each crystal axis were calculated in the temperature range obtained by linear approximation using the following formula.
  • FIG. 1A to 1C show the linear thermal expansion coefficient and the volume thermal expansion coefficient for each crystal axis.
  • FIG. 1C it was revealed that the volume of ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 changed rapidly from 100 ° C. to 180 ° C. In this temperature range, the a-axis expanded, but the c-axis contracted rapidly, resulting in rapid volume shrinkage throughout the lattice.
  • the linear thermal expansion coefficient of the a axis 100 to 180 ° C.
  • the linear thermal expansion coefficient of the c axis (same) was ⁇ 263 ppm / ° C.
  • the volume thermal expansion coefficient (same as above) was found to be ⁇ 108 ppm / ° C.
  • the linear thermal expansion coefficient of the a axis (100 to 180 ° C.) is +8.3 ppm / ° C.
  • the linear thermal expansion coefficient of the c axis (same) is ⁇ 44 ppm / ° C.
  • the coefficient of thermal expansion (same as above) was calculated to be ⁇ 27 ppm / ° C.
  • ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 is a material having a negative coefficient of thermal expansion in the range of room temperature to 500 ° C. In particular, in the range of 100 to 180 ° C., it showed a huge negative thermal expansion, and the magnitude was shown to be smaller as the S content was smaller. Since ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 undergoes a phase transition from 100 ° C. to 180 ° C., it is considered that such a large negative thermal expansion is exhibited.
  • FIGS. 7A and 7B show the results of observing Sample 4 using an electron microscope (FE-SEM).
  • FIG. 7B shows an observation result with a higher magnification than FIG. 7A.
  • FE-SEM -Equipment used: JSM-7500F (JEOL) ⁇ Acceleration voltage: 7-10kV
  • the manufacturing method of Samples 10 to 25 is the same as the manufacturing method of Samples 1 to 9 described above, except for hydrothermal treatment conditions.
  • the apparatus used for the evaluation of the sample is the same as the apparatus for evaluating the samples 1 to 9 described above.
  • the following table shows the hydrothermal treatment conditions, firing conditions, and constituent atomic ratios of Samples 10 to 25. Note that “300 ° C. (drying)” indicates that the sample has not been subjected to the baking process (step S5) after being dried at 300 ° C. (step S4 in FIG. 2). The same applies hereinafter.
  • FIG. 8 shows the XRD measurement results of Samples 10 to 13 (hydrothermal treatment temperature: 110 ° C., hydrothermal treatment time: 2 days).
  • the hydrothermal treatment temperature was 110 ° C.
  • the XRD peak of ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 was observed regardless of the firing at 500 ° C., 700 ° C., or 900 ° C.
  • ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 (ICDD card: 04-007-8019) was present as a slight impurity.
  • the ⁇ phase and the ⁇ phase are different in crystal system and space group, the ⁇ phase is rhombohedral and R-3c, and the ⁇ phase is orthorhombic and Pbcn-60.
  • FIG. 9 shows the XRD measurement results of Samples 14 to 17 (hydrothermal treatment temperature: 130 ° C., hydrothermal treatment time: 2 days).
  • hydrothermal treatment temperature 130 ° C.
  • ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 having good crystallinity was obtained at a firing temperature of 500 ° C., but a ZrO 2 peak was also observed.
  • the firing temperatures of 700 ° C. and 900 ° C. the mixed phase state of ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 and ZrO 2 was maintained, but the value of S in the constituent atomic ratio was reduced to 0.4.
  • FIG. 10 shows the XRD measurement results of samples 18 to 21 (hydrothermal treatment temperature: 180 ° C., hydrothermal treatment time: 2 days).
  • hydrothermal treatment temperature 180 ° C.
  • a single phase of ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 could be produced by firing at 500 ° C.
  • Samples having a hydrothermal treatment time of 0.5 to 7 days were also prepared under the hydrothermal treatment temperature of 180 ° C.
  • the hydrothermal treatment temperature is 180 ° C.
  • all samples having a hydrothermal treatment time of 0.5 to 7 days are calcined at 500 ° C. for 4 hours after the hydrothermal treatment, whereby ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 It was possible to produce a single phase. Therefore, when the hydrothermal treatment temperature is 180 ° C., a single phase of ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 can be manufactured by performing hydrothermal treatment for at least 0.5 days and then firing.
  • FIG. 11 shows the XRD measurement results of Samples 22 to 25 (hydrothermal treatment temperature: 230 ° C., hydrothermal treatment time: 4 days).
  • hydrothermal treatment temperature 230 ° C.
  • a single phase of ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 could be produced by firing at 500 ° C.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the firing temperature of the sample treated at each hydrothermal treatment temperature and the S atom content. As shown in FIG. 12, when the hydrothermal treatment temperature was 110 ° C., the decrease in S with respect to the firing temperature was gradual. Based on the results of FIG. 12, it was found that when the hydrothermal treatment temperature is 130 ° C. or higher, the S content in the sample can be adjusted to around 0.4 by adjusting the firing temperature. Therefore, considering the composition control of Zr 2 SP 2 O 12 , the hydrothermal treatment temperature is preferably set to 130 ° C. or higher.
  • FIG. 13A shows the result of observation of Sample 11 (hydrothermal treatment temperature: 110 ° C.) using an electron microscope (FE-SEM).
  • FIG. 13B shows the results of observation of Sample 19 (hydrothermal treatment temperature: 180 ° C.) using an electron microscope (FE-SEM).
  • FIG. 13A in Sample 11 having a hydrothermal treatment temperature of 110 ° C., many particles considered to be impurities existed on the surface of cubic ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 . Considering that the ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 peak was observed in the XRD measurement results shown in FIG. 8, the impurities are presumed to be ⁇ -Zr 2 SP 2 O 12 particles.
  • FIG. 13B in Sample 19 having a hydrothermal treatment temperature of 180 ° C., cubic particles having a side of 200 to 300 nm were observed. Further, no impurities were observed on the surface of the cubic particles.
  • the hydrothermal treatment temperature is preferably 180 ° C. or higher.
  • the shape and size of the produced particles did not depend on the hydrothermal treatment temperature.
  • FIG. 14 is a flowchart showing a manufacturing method of the negative thermal expansion material, and shows a manufacturing method in the case where the Zr site is replaced with the element M. In the flowchart shown in FIG. 14, the same steps as those in the flowchart shown in FIG.
  • the negative thermal expansion material applied to Zr 2-a Ti a S x P 2 O 12 + ⁇ was produced according to the flowchart shown in FIG. First, as raw materials, ZrCl 2 O ⁇ 8H 2 O (Wako Special Grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 30% titanium sulfate (IV) solution (chemical use, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), (NH 4 ) 2 HPO 4 (special reagent grade, Kanto Chemical Co., Inc.) and H 2 SO 4 (special reagent grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were prepared. Then, a ZrCl 2 O ⁇ 8H 2 O and (NH 4) 2 HPO 4, respectively dissolved in distilled water to a 0.8 M.
  • step S1 20 ml of each of these aqueous solutions, 30% titanium sulfate (IV) solution (amount according to the ratio of a), and [6- (amount of S added by titanium sulfate)] ml of H 2 SO 4 And stirred for 90 minutes using a stirrer (step S1).
  • the 30% titanium (IV) sulfate solution corresponds to a substance derived from the substitution element in the flowchart shown in FIG.
  • the agitated aqueous solution (mixture) is poured into a Teflon (registered trademark) container (HUT-100, Sanai Kagaku Co., Ltd.) and put into a pressure-resistant stainless steel outer tube (HUS-100, Sanai Kagaku Co., Ltd.). I set it.
  • the container was then placed in a hot air circulation oven (KLO-45M, Koyo Thermo System Co., Ltd.) and heated to perform hydrothermal treatment (step S2).
  • the hydrothermal treatment temperature was 180 ° C., and the hydrothermal treatment time was 12 hours.
  • step S3 first drying
  • step S4 second drying
  • FIG. 15 is a diagram showing an XRD measurement result of a material (Zr 2-a Ti a S x P 2 O 12 + ⁇ ) in which a part of the Zr site is substituted with Ti.
  • the apparatus and measurement conditions used for XRD measurement are the same as those described above.
  • FIG. 16 is a table showing the actual composition of the produced Zr 2-a Ti a SP 2 O 12 .
  • the apparatus and measurement conditions used for elemental analysis are the same as those described above.
  • FIG. 17 is a graph showing the temperature characteristics (temperature dependence of lattice volume) of the produced Zr 2-a Ti a SP 2 O 12 .
  • the apparatus and measurement conditions used for the high temperature XRD measurement are the same as those described above.
  • a negative thermal expansion material applied to Zr 2-a Ce a S x P 2 O 12 + ⁇ was also produced according to the flowchart shown in FIG. First, as raw materials, ZrCl 2 O ⁇ 8H 2 O (Wako Special Grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), cerium sulfate tetrahydrate (Wako Special Grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), NH 4 H 2 PO 4 (Reagent Special Grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and H 2 SO 4 (Reagent Special Grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were prepared. Then, a ZrCl 2 O ⁇ 8H 2 O and NH 4 H 2 PO 4, respectively dissolved in distilled water to a 0.8 M.
  • cerium sulfate tetrahydrate corresponds to a substance derived from the substitution element in the flowchart shown in FIG.
  • the subsequent manufacturing method is the same as the manufacturing method of the negative thermal expansion material according to the above-described Zr 2-a Ti a S x P 2 O 12 + ⁇ , and thus a duplicate description is omitted.
  • FIG. 20 is a diagram showing an XRD measurement result of a material (Zr 2-a Ce a S x P 2 O 12 + ⁇ ) in which a part of the Zr site is substituted with Ce.
  • the apparatus and measurement conditions used for XRD measurement are the same as those described above.
  • FIG. 21 is a graph showing the temperature characteristics (temperature dependence of lattice volume) of the produced Zr 2-a Ce a SP 2 O 12 .
  • the apparatus and measurement conditions used for the high temperature XRD measurement are the same as those described above.
  • a negative thermal expansion material applied to Zr 2-a Mn a S x P 2 O 12 + ⁇ was also produced according to the flowchart shown in FIG. First, as raw materials, ZrCl 2 O ⁇ 8H 2 O (Wako Special Grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), manganese dioxide (MnO 2 ) (reagent special grade, Kokusan Chemical Co., Ltd.), (NH 4 ) 2 HPO 4 ( Reagent special grade, Kanto Chemical Co., Ltd.) and H 2 SO 4 (reagent special grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were prepared. Then, a ZrCl 2 O ⁇ 8H 2 O and (NH 4) 2 HPO 4, respectively dissolved in distilled water to a 0.8 M.
  • manganese dioxide (MnO 2 ) corresponds to a substance derived from the substitution element in the flowchart shown in FIG.
  • the subsequent manufacturing method is the same as the manufacturing method of the negative thermal expansion material according to the above-described Zr 2-a Ti a S x P 2 O 12 + ⁇ , and thus a duplicate description is omitted.
  • FIG. 22 is a diagram showing an XRD measurement result of a material (Zr 2-a Mn a S x P 2 O 12 + ⁇ ) in which a part of the Zr site is substituted with Mn.
  • the apparatus and measurement conditions used for XRD measurement are the same as those described above.
  • FIG. 23 is a graph showing temperature characteristics (temperature dependence of lattice volume) of the manufactured Zr 2-a Mn a SP 2 O 12 .
  • the apparatus and measurement conditions used for the high temperature XRD measurement are the same as those described above.
  • a negative thermal expansion material applied to Zr 2-a Sn a S x P 2 O 12 + ⁇ was also produced according to the flowchart shown in FIG. First, as raw materials, ZrCl 2 O ⁇ 8H 2 O (Wako Special Grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), tin oxide (SnO 2 ) (Deer Special Grade, Kanto Chemical Co., Ltd.), (NH 4 ) 2 HPO 4 ( Reagent special grade, Kanto Chemical Co., Ltd.) and H 2 SO 4 (reagent special grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were prepared. Then, a ZrCl 2 O ⁇ 8H 2 O and (NH 4) 2 HPO 4, respectively dissolved in distilled water to a 0.8 M.
  • tin oxide (SnO 2 ) corresponds to a substance derived from the substitution element in the flowchart shown in FIG.
  • the subsequent manufacturing method is the same as the manufacturing method of the negative thermal expansion material according to the above-described Zr 2-a Ti a S x P 2 O 12 + ⁇ , and thus a duplicate description is omitted.
  • FIG. 24 is a diagram showing an XRD measurement result of a material (Zr 2 ⁇ a Sn a S x P 2 O 12 + ⁇ ) in which a part of the Zr site is substituted with Sn.
  • the apparatus and measurement conditions used for XRD measurement are the same as those described above.
  • FIG. 25 is a graph showing the temperature characteristics (temperature dependence of lattice volume) of the produced Zr 2-a Sn a SP 2 O 12 .
  • the apparatus and measurement conditions used for the high temperature XRD measurement are the same as those described above.
  • FIG. 26 is a graph summarizing the thermal expansion coefficients in the respective temperature ranges of the samples in which the Zr sites are replaced with Ce, Mn, and Sn. As shown in FIG. 26, it can be seen that a sample in which the Zr site is substituted with Ce, Mn, and Sn also shows a negative thermal expansion coefficient. It can also be seen that each sample exhibits various thermal expansion coefficients in each temperature range. Therefore, materials having various thermal expansion coefficients can be formed by substituting a part of Zr sites with these elements. Therefore, the element to be substituted can be appropriately selected according to the purpose of use.
  • step S1 10 ml of each of these aqueous solutions and (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 ⁇ 4H 2 O aq. (Amount corresponding to the ratio of b) and 3 ml of H 2 SO 4 were mixed and stirred with a stirrer for 90 minutes (step S1).
  • (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 ⁇ 4H 2 O aq. corresponds to a substance derived from the substitution element in the flowchart shown in FIG.
  • step S5 2 types, the sample baked at 500 degreeC for 4 hours, and the sample baked at 800 degreeC for 4 hours were produced.
  • steps S1 to S5 in the flowchart shown in FIG. 27 are basically the same as steps S1 to S5 in the flowchart shown in FIG.
  • step S1 As shown in FIG. 27, first, as raw materials, ZrCl 2 O.8H 2 O (Wako Special Grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), (NH 4 ) 2 HPO 4 (Reagent Special Grade, Kanto Chemical Co., Inc.), And H 2 SO 4 (special grade reagent, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were prepared. Then, a ZrCl 2 O ⁇ 8H 2 O and (NH 4) 2 HPO 4, respectively dissolved in distilled water to a 0.8 M. Subsequently, 10 ml of each of these aqueous solutions and 3 ml of H 2 SO 4 were mixed and stirred with a stirrer for 90 minutes (step S1). The subsequent steps S2 to S5 are the same as those in the manufacturing method shown in FIG. In addition, about the baking process of step S5, two types, the sample baked at 600 degreeC for 4 hours, and the sample baked at 800 degreeC for 4 hours were produced.
  • Step S5 the Zr 2 SP 2 O 12 + ⁇ powder prepared in Step S5 was added to (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 ⁇ 4H 2 O aq. (Wako Special Grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was impregnated (step S6). Then, Zr 2 SP 2 O 12 + ⁇ powder and (NH 4) 6 Mo 7 O 24 ⁇ 4H 2 O aq. The solution containing was filtered (step S7). Thereafter, the filtered powder was fired at 500 ° C. for 4 hours to prepare a sample (step S8).
  • FIG. 28 is a diagram showing an XRD measurement result of Zr 2 S 1-b Mo b P 2 O 12 + ⁇ produced by the manufacturing method A.
  • the apparatus and measurement conditions used for XRD measurement are the same as those described above.
  • FIG. 29 is a diagram showing an XRD measurement result of Zr 2 S 1-b Mo b P 2 O 12 + ⁇ produced by the manufacturing method B.
  • the XRD measurement result (the following figure) of this sample is shown.
  • the apparatus and measurement conditions used for XRD measurement are the same as those described above.
  • the lattice volume (coefficient of thermal expansion) of the sample in which a part of the S site was replaced with Mo was determined using a high temperature XRD apparatus.
  • 30 and 31 are graphs showing the temperature characteristics (temperature dependence of lattice volume) of the produced Zr 2 S 1-b Mo b P 2 O 12 .
  • the apparatus and measurement conditions used for the high temperature XRD measurement are the same as those described above.
  • Zr 2 SP 2 O 12 (ZSP) (ZSP_500 ° C.) having a firing temperature of 500 ° C. in step S5 of FIG. 14, ZSP (ZSP_600 ° C.) of 600 ° C., and a firing temperature of step S5 in FIG.
  • the temperature characteristics of Zr 2 S 1-b Mo b P 2 O 12 (Mo — 600 ° C.) at ° C. are shown.
  • Zr 2 S 1-b Mo b P 2 O 12 (Mo_800 ° C.) having a firing temperature of 800 ° C. shows the same temperature dependence as ZSP_900 ° C. at 300 to 800 (K). It was. Therefore, it was confirmed that Zr 2 S 1-b Mo b P 2 O 12 in which a part of the S site was substituted with Mo also showed a negative coefficient of thermal expansion.
  • a material (Zr 2 S 1-b W b P 2 O 12 + ⁇ ) in which a part of the S site is substituted with W will be described.
  • the negative thermal expansion material applied to Zr 2 S 1-b W b P 2 O 12 + ⁇ was prepared by using two manufacturing methods, manufacturing method A shown in the flowchart of FIG. 14 and manufacturing method B shown in the flowchart of FIG.
  • step S1 using with these aqueous solutions each 10 ml, (NH 4) and 10 W 12 O 41 ⁇ 5H 2 O ( an amount corresponding to the ratio of b), mixing the H 2 SO 4 in 3 ml, 90 minutes with a stirrer And stirred (step S1).
  • (NH 4) 10 W 12 O 41 ⁇ 5H 2 O corresponds to the material derived from substitution element of the flowchart shown in FIG. 14.
  • step S5 two types, the sample baked at 500 degreeC for 4 hours, and the sample baked at 800 degreeC for 4 hours were produced.
  • steps S1 to S5 in the flowchart shown in FIG. 27 are basically the same as steps S1 to S5 in the flowchart shown in FIG.
  • step S1 As shown in FIG. 27, first, as raw materials, ZrCl 2 O.8H 2 O (Wako Special Grade, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), (NH 4 ) 2 HPO 4 (Reagent Special Grade, Kanto Chemical Co., Inc.), And H 2 SO 4 (special grade reagent, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were prepared. Then, a ZrCl 2 O ⁇ 8H 2 O and (NH 4) 2 HPO 4, respectively dissolved in distilled water to a 0.8 M. Subsequently, 10 ml of each of these aqueous solutions and 3 ml of H 2 SO 4 were mixed and stirred with a stirrer for 90 minutes (step S1). The subsequent steps S2 to S5 are the same as those in the manufacturing method shown in FIG. In addition, about the baking process of step S5, two types, the sample baked at 600 degreeC for 4 hours, and the sample baked at 800 degreeC for 4 hours were produced.
  • Step S6 the powder of Zr 2 SP 2 O 12 + ⁇ prepared in step S5, (NH 4) 10 W 12 O 41 ⁇ 5H 2 Oaq.
  • Step S7 The filtered solution containing the Zr 2 SP 2 O 12 + ⁇ powder and (NH 4) 10 W 12 O 41 ⁇ 5H 2 O ( Step S7). Thereafter, the filtered powder was fired at 500 ° C. for 4 hours to prepare a sample (step S8).
  • FIG. 32 is a diagram showing an XRD measurement result of Zr 2 S 1-b Wo b P 2 O 12 + ⁇ produced by the manufacturing method A.
  • the apparatus and measurement conditions used for XRD measurement are the same as those described above.
  • an impurity phase peak indicated by an arrow
  • FIG. 33 is a diagram showing an XRD measurement result of Zr 2 S 1-b W b P 2 O 12 + ⁇ produced by the manufacturing method B.
  • the XRD measurement result (the following figure) of this sample is shown.
  • the apparatus and measurement conditions used for XRD measurement are the same as those described above.
  • the lattice volume (coefficient of thermal expansion) of the sample in which a part of the S site was replaced with W was determined using a high temperature XRD apparatus.
  • 34 and 35 are graphs showing temperature characteristics (temperature dependence of lattice volume) of the produced Zr 2 S 1-b W b P 2 O 12 .
  • the apparatus and measurement conditions used for the high temperature XRD measurement are the same as those described above.
  • ZSP (ZSP_500 ° C.) with a firing temperature of 500 ° C. in step S5 of FIG. 14, ZSP (ZSP_600 ° C.) of 600 ° C., and Zr 2 S 1-b with a firing temperature of 600 ° C. in step S5 of FIG. W b P 2 O 12 shows the temperature characteristic of the (W_600 °C).
  • ZSP (ZSP_700 ° C.) with a firing temperature of 700 ° C. in step S5 of FIG. 14, ZSP (ZSP_900 ° C.) of 900 ° C., and Zr 2 S 1-b with a firing temperature of 800 ° C. in step S5 of FIG. W b P 2 O 12 shows the temperature characteristic of the (W_800 °C).
  • the lattice volume of the sample is smaller than that of ZSP at 300 to 400 (K). However, regarding the temperature dependence of the lattice volume, the same behavior as ZSP was exhibited. Further, as shown in FIG. 35, in Zr 2 S 1-b W b P 2 O 12 (W_800 ° C.) with a firing temperature of 800 ° C., the lattice volume of the sample is compared with ZSP_700 ° C. at 300 to 400 (K). Became smaller. In addition, as shown in FIG.
  • Zr 2 S 1-b W b P 2 O 12 (W_800 ° C.) having a firing temperature of 800 ° C. shows the same temperature dependence as ZSP_900 ° C. at 300 to 800 (K). It was. Therefore, it was confirmed that Zr 2 S 1-b W b P 2 O 12 in which a part of the S site was replaced with W also showed a negative coefficient of thermal expansion.

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Abstract

本発明にかかる負の熱膨張率を有する負熱膨張材料は、Ｚｒ２－ａＭａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表されることを特徴とする。ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｃｒから選択される少なくとも１種であり、ａは０≦ａ＜２であり、ｘは０．４≦ｘ≦１であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。本発明により、低コスト化や低密度化が実現可能な負熱膨張材料、複合材料、及び負熱膨張材料の製造方法を提供することができる。

Description

負熱膨張材料、複合材料、及び負熱膨張材料の製造方法
　本発明は、負熱膨張材料、複合材料、及び負熱膨張材料の製造方法に関する。
　電子機器や光学機器、燃料電池やセンサ等、複数の素材を組み合せるデバイスでは、熱膨張による位置ずれが問題になるほか、各素材の熱膨張係数の違いが界面剥離や断線といった深刻な障害に繋がる。このため、様々なニアゼロ熱膨張材料や熱膨張制御技術が研究されている。インバー合金、ガラス、コージェライト等は、単相でニアゼロ熱膨張であることが広く知られ、工業製品や民生製品に応用されている。近年、低熱膨張率のフィラー材との複合化によって、単味で熱膨張率の制御が困難な物質の低熱膨張化が検討されている。特に、低配合比で効果的に熱膨張を相殺できることから、負の熱膨張率を有する材料（以下、負熱膨張材料とも記載する）との複合化が注目されている。
　特許文献１には、負の熱膨張率を有する材料として、Ｂｉ１－ｘＳｂｘＮｉＯ３（ただし、ｘは０．０２≦ｘ≦０．２０である）が開示されている。
特開２０１７－４８０７１号公報
　負の熱膨張率を有する材料として、これまで様々な材料が報告されているが、いずれの材料も貴金属や重金属を主成分とする材料が多いため、低コスト化や低密度化が実現されていないという問題がある。
　上記課題に鑑み本発明の目的は、低コスト化や低密度化が実現可能な負熱膨張材料、複合材料、及び負熱膨張材料の製造方法を提供することである。
　本発明にかかる負の熱膨張率を有する負熱膨張材料は、Ｚｒ２－ａＭａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表されることを特徴とする。ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｃｒから選択される少なくとも１種であり、ａは０≦ａ＜２であり、ｘは０．４≦ｘ≦１であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。
　本発明にかかる複合材料は、上記の負熱膨張材料と、正の熱膨張率を有する材料と、を含むことを特徴とする。
　本発明にかかる負熱膨張材料の製造方法は、オキシ塩化ジルコニウム八水和物と、リン酸アンモニウムと、硫酸と、を含む混合物を１３０℃以上の温度で水熱処理する工程と、前記水熱処理された後の混合物を４５０℃以上の温度で焼成して、Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δ（ただし、０．４≦ｘ≦１であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である）で表される負の熱膨張率を有する材料を形成する工程と、を備える。
　本発明にかかる負熱膨張材料の製造方法は、オキシ塩化ジルコニウム八水和物と、リン酸アンモニウムと、硫酸と、元素Ｍを含む添加物と、を含む混合物を１３０℃以上の温度で水熱処理する工程と、前記水熱処理された後の混合物を４５０℃以上の温度で焼成して、Ｚｒ２－ａＭａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表される負の熱膨張率を有する材料（ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｃｒから選択される少なくとも１種であり、ａは０≦ａ＜２であり、ｘは０．４≦ｘ≦１であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である）を形成する工程と、を備える。
　本発明により、低コスト化や低密度化が実現可能な負熱膨張材料、複合材料、及び負熱膨張材料の製造方法を提供することができる。
本発明にかかる負熱膨張材料の温度特性を示すグラフである。 本発明にかかる負熱膨張材料の温度特性を示すグラフである。 本発明にかかる負熱膨張材料の温度特性を示すグラフである。 本発明にかかる負熱膨張材料の製造方法を示すフローチャートである。 各サンプルの焼成条件および原子比を示す表である。 焼成温度とＳ原子の含有量との関係を示すグラフである。 各サンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である。 ２Ｓ／Ｚｒと格子定数との関係を示すグラフである。 ２Ｓ／Ｚｒと格子定数との関係を示すグラフである。 サンプル４のＦＥ－ＳＥＭ像を示す図である。 サンプル４のＦＥ－ＳＥＭ像を示す図である。 各サンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である（水熱処理温度：１１０℃）。 各サンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である（水熱処理温度：１３０℃）。 各サンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である（水熱処理温度：１８０℃）。 各サンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である（水熱処理温度：２３０℃）。 各水熱処理温度で処理したサンプルの焼成温度とＳ原子の含有量との関係を示すグラフである。 サンプル１１（水熱処理温度：１１０℃）のＦＥ－ＳＥＭ像を示す図である。 サンプル１９（水熱処理温度：１８０℃）のＦＥ－ＳＥＭ像を示す図である。 負熱膨張材料の製造方法を示すフローチャートである。 ＺｒサイトをＴｉで置換したサンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である。 Ｚｒ２－ａＴｉａＳＰ２Ｏ１２の実際の組成を示す表である。 Ｚｒ２－ａＴｉａＳＰ２Ｏ１２の温度特性を示すグラフである。 Ｔｉ量と格子体積の関係を示すグラフである。 Ｚｒ２－ａＴｉａＳＰ２Ｏ１２の各々の温度域における熱膨張係数をまとめたグラフである。 ＺｒサイトをＣｅで置換したサンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である。 Ｚｒ２－ａＣｅａＳＰ２Ｏ１２の温度特性を示すグラフである。 ＺｒサイトをＭｎで置換したサンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である。 Ｚｒ２－ａＭｎａＳＰ２Ｏ１２の温度特性を示すグラフである。 ＺｒサイトをＳｎで置換したサンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である。 Ｚｒ２－ａＳｎａＳＰ２Ｏ１２の温度特性を示すグラフである。 ＺｒサイトをＣｅ、Ｍｎ、Ｓｎで置換したサンプルの各々の温度域における熱膨張係数をまとめたグラフである。 負熱膨張材料の製造方法を示すフローチャートである。 ＳサイトをＭｏで置換したサンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である。 ＳサイトをＭｏで置換したサンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である。 Ｚｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２の温度特性を示すグラフである。 Ｚｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２の温度特性を示すグラフである。 ＳサイトをＷで置換したサンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である。 ＳサイトをＷで置換したサンプルのＸＲＤ測定結果を示す図である。 Ｚｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２の温度特性を示すグラフである。 Ｚｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２の温度特性を示すグラフである。
　以下、本発明の実施の形態について説明する。
　本実施の形態にかかる負熱膨張材料は、Ｚｒ２－ａＭａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表されることを特徴とする。ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｃｒから選択される少なくとも１種であり、ａは０≦ａ＜２であり、ｘは０．４≦ｘ≦１であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。
　例えば、ａがａ＝０の場合は、負熱膨張材料はＺｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δで表される材料となる。また、ａがａ＝０以外の場合は、Ｚｒサイトの一部がＭで置換された材料となる。
　例えば、ＭがＴｉの場合は、負熱膨張材料はＺｒ２－ａＴｉａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表される材料となり、この場合のａの範囲は、好ましくは０＜ａ≦０．７である。
　また、ＭがＣｅの場合は、負熱膨張材料はＺｒ２－ａＣｅａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表される材料となり、この場合のａの範囲は、好ましくは０＜ａ≦０．４である。
　ＭがＳｎの場合は、負熱膨張材料はＺｒ２－ａＳｎａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表される材料となり、この場合のａの範囲は、好ましくは０＜ａ≦１である。
　ＭがＭｎの場合は、負熱膨張材料はＺｒ２－ａＭｎａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表される材料となり、この場合のａの範囲は、好ましくは０＜ａ≦０．２である。
　その他、Ｚｒサイトの一部を置換する元素Ｍは、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｃｒであってもよい。
　また、本実施の形態では、Ｚｒ２－ａＭａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表される負熱膨張材料のＳサイトの一部を、ＭｏまたはＷで置換してもよい。
　また、本実施の形態では更に、Ｐサイトの一部をＶ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａｓ、Ｎｂ等の元素で置換してもよい。
　上述のように、本実施の形態にかかる負熱膨張材料は、安価でかつ比較的軽い原子を主成分として構成されている。したがって、負熱膨張材料の低コスト化や低密度化を実現することができる。
　以下、本実施の形態にかかる負熱膨張材料について詳細に説明する。以下の実施の形態では、一例として、Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δ（ただし、０．４≦ｘ≦１であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である）について説明するが、本実施の形態では、Ｚｒ２－ａＭａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表される他の負熱膨張材料についても同様の特性を示す。
　図１Ａ～図１Ｃは、Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δで表される負熱膨張材料の温度特性を示すグラフである。図１Ａは、ａ（ｂ）軸の格子定数の温度特性を示し、図１Ｂは、ｃ軸の格子定数の温度特性を示し、図１Ｃは、格子体積の温度特性を示している。なお、本実施の形態にかかる負熱膨張材料は、稜面体晶系であるためａ軸とｂ軸の長さが等しい。
　図１Ａ～図１Ｃに示すように、本実施の形態にかかる負熱膨張材料は、ｘの値、すなわち硫黄原子Ｓの含有量に応じて熱膨張率が変化する。例えば、ｘの値が０．４８≦ｘ≦０．９である場合は、温度が１００～１８０℃における負熱膨張材料の体積膨張率の絶対値は、温度が１８０℃よりも高い条件下における負熱膨張材料の体積膨張率の絶対値よりも大きくなる。つまり、ｘの値が、０．４８≦ｘ≦０．９である場合は、１００℃から１８０℃にかけて急激に格子体積が変化する。この温度域では、a軸が膨張しながらもc軸が急激に収縮することで、格子全体で急激な体積収縮を発現する。
　一例を挙げると、本実施の形態にかかる負熱膨張材料の体積膨張率（１００～１８０℃）は、ｘ＝０．４８の場合は－９４ｐｐｍ／℃であり、ｘ＝０．５４の場合は－１０１ｐｐｍ／℃であり、ｘ＝０．７６の場合は－１０１ｐｐｍ／℃であり、ｘ＝０．９０の場合は－１０８ｐｐｍ／℃であり、ｘの値が大きいほど体積膨張率（１００～１８０℃）が小さくなる傾向がある。
　また、ｘ＝０．９０の場合に着目すると、３０～１００℃における体積膨張率は－２６ｐｐｍ／℃、１００～１８０℃における体積膨張率は－１０８ｐｐｍ／℃、１８０～３５０℃における体積膨張率は－８．１ｐｐｍ／℃、３５０～５００℃における体積膨張率は－１３ｐｐｍ／℃となる。
　また、ｘの値が０．４≦ｘ＜０．４８である場合は、負熱膨張材料の体積膨張率が８０℃以上において略一定となる（図１Ｃのｘ＝０．４３参照）。つまり、ｘの値が０．４≦ｘ＜０．４８である場合は、他のサンプルと比べて８０℃から１８０℃にかけての体積収縮の大きさが小さいため、体積膨張率が８０℃以上において略一定となる。ｘ＝０．４３の場合に着目すると、８０℃以上で体積膨張率が－１６ｐｐｍ／℃で略一定となった。
　以上で説明したように、本実施の形態にかかる負熱膨張材料は、室温から５００℃の範囲で負の熱膨張率を有する。特に、ｘの値が０．４８≦ｘ≦０．９である場合は、１００～１８０℃の範囲において巨大な負の熱膨張を示し、その大きさは、硫黄原子Ｓの含有量が少ないほど小さくなる。また、ｘの値が０．４≦ｘ＜０．４８である場合は、負熱膨張材料の体積膨張率が８０℃以上において略一定となる。
　本実施の形態にかかる負熱膨張材料の結晶相は、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２（ＩＣＤＤカード番号：０４－０１７－０９３７）であるが、一部に他の結晶相が含まれていてもよい。例えば、α相（α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２）以外に、β相（β－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２（ＩＣＤＤカード：０４－００７－８０１９））が一部に含まれていてもよい。
　本実施の形態にかかる負熱膨張材料（Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δ）を構成する原子はＺｒ、Ｓ、Ｐであり、これらの材料は安価であるので、従来のように貴金属を用いて負熱膨張材料を形成した場合よりも安価に負熱膨張材料を形成することができる。よって、負熱膨張材料の低コスト化を実現することができる。
　また、本実施の形態にかかる負熱膨張材料（Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δ）を構成する原子はＺｒ、Ｓ、Ｐであり、これらの原子（特に、Ｓ、Ｐ）は比較的軽い原子であるので、従来の負熱膨張材料よりも負熱膨張材料の密度を低くすることができる。よって、負熱膨張材料の低密度化を実現することができる。
　例えば、負熱膨張材料であるＭｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｎ（Smartec：登録商標）の密度は、約７ｇ／ｃｍ３である。また、負熱膨張材料であるＺｒ２ＷＰ２Ｏ１２の密度は３．８６ｇ／ｃｍ３であり、Ｚｒ２ＭｏＰ２Ｏ１２の密度は３．３６ｇ／ｃｍ３である。これに対して、本実施の形態にかかる負熱膨張材料であるＺｒ２ＳＰ２Ｏ１２の密度は３．０２ｇ／ｃｍ３であり、従来の負熱膨張材料よりも密度が低い。
　負熱膨張材料は正の熱膨張率を有する材料（正熱膨張材料）と混合することで、換言すると、正熱膨張材料中に負熱膨張材料を分散させることで、熱膨張率が制御された複合材料を形成することができる。例えば、このとき混合する負熱膨張材料の密度を小さくすることで、負熱膨張材料を正熱膨張材料中に均一に分散させることができる。
　また、上述のように、本実施の形態にかかる負熱膨張材料は、ｘの値、すなわち硫黄原子Ｓの含有量に応じて熱膨張率が変化する。すなわち、ｘの値が０．４８≦ｘ≦０．９である場合は、１００～１８０℃の範囲において巨大な負の熱膨張を示し、その大きさは、硫黄原子Ｓの含有量が少ないほど小さくなる。また、ｘの値が０．４≦ｘ＜０．４８である場合は、負熱膨張材料の体積膨張率が８０℃以上において略一定となる。
　本実施の形態では、複合材料を形成する際に用いる正熱膨張材料の特性、目的とする複合材料の特性、複合材料を使用する温度領域等に応じて、負熱膨張材料のｘの値を決定するようにするのが好ましい。
　例えば、正熱膨張材料が樹脂材料である場合は、樹脂材料の使用温度（耐熱温度）を考慮して、負熱膨張材料のｘの値を０．４８≦ｘ≦０．９とするのが好ましい。つまり、樹脂材料の耐熱温度を考慮すると、樹脂材料の使用温度の範囲は室温から２００℃程度と考えられる。また、ｘの値が０．４８≦ｘ≦０．９の場合は、１００～１８０℃の範囲において巨大な負の熱膨張を示す。よって、負熱膨張材料のｘの値を０．４８≦ｘ≦０．９とすることで、樹脂材料の使用温度範囲と負熱膨張材料が巨大な負の熱膨張を示す領域とを重ねることができ、複合材料の熱膨張率を効率的に制御することができる。
　また、例えば、正熱膨張材料が金属材料である場合は、金属材料の使用温度（耐熱温度）を考慮して、負熱膨張材料のｘの値を０．４≦ｘ＜０．４８とするのが好ましい。つまり、金属材料を含む複合材料の場合は、使用温度の範囲が広い場合が多い。ここで、ｘの値が０．４≦ｘ＜０．４８である場合は、負熱膨張材料の体積膨張率が８０℃以上において略一定となる。よって、負熱膨張材料のｘの値を０．４≦ｘ＜０．４８とすることで、金属材料を含む複合材料の使用温度範囲と負熱膨張材料の体積膨張率が略一定となる領域とを広い温度範囲において重ねることができ、複合材料の熱膨張率を効率的に制御することができる。
　なお、上記構成は一例であり、本実施の形態では、正熱膨張材料が金属材料である場合に、負熱膨張材料のｘの値を０．４８≦ｘ≦０．９として複合材料を形成してもよい。また、正熱膨張材料が樹脂材料である場合に、負熱膨張材料のｘの値を０．４≦ｘ＜０．４８として複合材料を形成してもよい。すなわち、本実施の形態では、複合材料を使用する温度範囲や混合する正熱膨張材料の特性等を考慮して、負熱膨張材料のｘの値を決定することができる。
　次に、本実施の形態にかかる負熱膨張材料（Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δ）の製造方法について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。まず、原料として、オキシ塩化ジルコニウム八水和物（ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏ）、リン酸アンモニウム、及び硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を準備する。ここで、リン酸アンモニウムは、リン酸二水素アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）およびリン酸水素二アンモニウム（（ＮＨ４）２ＨＰＯ４）から選択される少なくとも１種を用いることができる。そして、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２ＯとＮＨ４Ｈ２ＰＯ４とを蒸留水に溶解させた後、これらの水溶液に硫酸を混合して所定の時間、攪拌する（ステップＳ１）。
　その後、攪拌した後の水溶液（混合物）を１３０℃以上の温度、好ましくは１８０℃以上の温度で水熱処理する（ステップＳ２）。水熱処理の時間は、０．５～４日間とする。そして、所定の時間、水熱処理を行った後、水熱処理された後の混合物を乾燥する（ステップＳ３）。具体的には、水熱処理後の容器には白い沈殿物が生成されているので、この白い沈殿物を含む溶液（混合物）を蒸発皿に流し込み、約１００℃のヒータで加熱して余分な水分を蒸発させる（１回目の乾燥）。このとき、混合物には過剰な硫酸が含まれているので完全には乾燥しないので、蒸発皿を３００℃の電気炉に入れて２回目の乾燥を実施する（ステップＳ４）。
　２回目の乾燥が終了した後、乾燥後の混合物を４５０℃以上の温度で焼成して、上記一般式で表される負の熱膨張率を有する材料を形成する（ステップＳ５）。例えば、混合物を焼成する際の温度は４５０℃以上９００℃以下とすることができる。このとき、乾燥後の混合物を焼成する際の温度を調整することで、上記一般式中のｘの値を調整することができる。具体的には、焼成温度を高くするほど、上記一般式中の硫黄Ｓが抜けやすくなるため硫黄Ｓの量が減少する。また、このとき、焼成時間を調整することで、上記一般式中のｘの値（つまり、Ｓの量）を調整してもよい。
　本実施の形態では、水熱法を用いて負熱膨張材料を製造しているので、安価に負熱膨張材料を製造することができる。また、詳細は後述するが、水熱法を用いることで、負熱膨張材料の粒度分布を小さくすることができる。このように負熱膨張材料の粒度分布を小さくすることで、負熱膨張材料を正熱膨張材料の中に均一に分散させることができる。
　また、本実施の形態にかかる負熱膨張材料の製造方法を用いた場合は、負熱膨張材料の形状を一辺が２００～３００ｎｍの立方体状とすることができる（図７参照）。つまり、負熱膨張材料の粒子径を小さくすることができるので、負熱膨張材料と正熱膨張材料とを混合して複合材料を形成した際に、この複合材料の表面粗さを小さくすることができる。
　なお、上述した製造方法では、Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δ（つまり、ａ＝０の場合）の製造方法について説明したが、Ｚｒサイトの一部をＭで置換したＺｒ２－ａＭａＳｘＰ２Ｏ１２+δ（０＜ａ＜２）を作製する際は、次のようにして作製することができる。すなわち、ステップＳ１において原料を混合する際に、オキシ塩化ジルコニウム八水和物、リン酸アンモニウム、及び硫酸の他に、元素Ｍを含む添加物を更に加える。例えば、ＭがＴｉである場合は、硫酸チタン（ＩＶ）溶液（Ｔｉ（ＳＯ４）２）を加える。ＭがＣｅである場合は、硫酸セリウム４水和物（Ｃｅ（ＳＯ４）２・４Ｈ２Ｏ）を加える。ＭがＳｎである場合は、酸化スズ（ＳｎＯ２）を加える。ＭがＭｎである場合は、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）を加える。なお、これらの添加物は一例であり、負熱膨張材料に元素Ｍを添加することができる添加物（原料）であれば、これら以外の材料を用いてもよい。
　また、上述のように本実施の形態では、Ｚｒ２－ａＭａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表される負熱膨張材料のＳサイトの一部を、ＭｏまたはＷで置換してもよい。この場合も、Ｍｏ元素を含む添加物またはＷ元素を含む添加物を製造時に添加することで、Ｓサイトの一部をＭｏまたはＷで置換することができる。
　次に、本発明の実施例について説明する。
　以下では、下記に示す負熱膨張材料の具体的な実施例について説明する。
（１）Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δ
（２）Ｚｒ２－ａＴｉａＳｘＰ２Ｏ１２+δ（Ｚｒサイトの一部をＴｉで置換）
（３）Ｚｒ２－ａＣｅａＳｘＰ２Ｏ１２+δ（Ｚｒサイトの一部をＣｅで置換）
（４）Ｚｒ２－ａＳｎａＳｘＰ２Ｏ１２+δ（Ｚｒサイトの一部をＳｎで置換）
（５）Ｚｒ２－ａＭｎａＳｘＰ２Ｏ１２+δ（Ｚｒサイトの一部をＭｎで置換）
（６）Ｚｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２+δ（Ｓサイトの一部をＭｏで置換）
（７）Ｚｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２+δ（Ｓサイトの一部をＷで置換）
＜（１）Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δ＞
（負熱膨張材料の作製と評価）
　まず、本発明にかかる負熱膨張材料であるＺｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δ（０．４≦ｘ≦１であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である）の組成と熱膨張率との関係を調べるために、サンプル１～９を作製した。サンプル１～９は、図２に示すフローチャートの流れに従って作製した。
　具体的には、まず、原料として、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏ（和光特級、和光純薬工業(株)（現富士フイルム和光純薬（株）。以下同様）。）、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（試薬特級、和光純薬工業(株)）、及びＨ２ＳＯ４（試薬特級、和光純薬工業(株)）を準備した。そして、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２ＯとＮＨ４Ｈ２ＰＯ４とを、それぞれ０．８Ｍになるように蒸留水に溶解させた。続いて、これらの水溶液各１０ｍｌと３ｍｌのＨ２ＳＯ４とを混合し、９０分間スターラーを用いて攪拌した（ステップＳ１）。
　その後、攪拌した後の水溶液（混合物）をテフロン（登録商標）製の容器（ＨＵＴ－１００、三愛科学（株））に注ぎ、耐圧ステンレス製外筒（ＨＵＳ－１００、三愛科学（株））にセットした。そして、この容器を熱風循環オーブン（ＫＬＯ－４５Ｍ、光洋サーモシステム（株））に入れて加熱して水熱処理を行った（ステップＳ２）。水熱処理の温度は１８０℃、水熱処理の時間は４日間とした。
　水熱処理後、取り出したテフロン容器内には白い沈殿物が生成されていた。この沈殿物を含んだ溶液を蒸発皿に流し込み、約１００℃のヒータ上で加熱して余分な水分を蒸発させた（ステップＳ３：１回目の乾燥）。このとき、サンプルは過剰なＨ２ＳＯ４を含んでいるため完全には乾燥されずに水分が残っている状態となっていた。このため、蒸発皿ごと３００℃の電気炉（ＫＤＦ－Ｓ８０、デンケン・ハイデンタル（株））で１２時間更に乾燥させた（ステップＳ４：２回目の乾燥）。その後、３００℃で乾燥したサンプルを電気炉（ＫＤＦ－Ｓ８０、デンケン・ハイデンタル（株））を用いて４００～９００℃で４時間または１２時間焼成して白色粉末状のサンプル１～９を得た（ステップＳ５）。
　また、作製したサンプル１～９の組成（原子比）をＩＣＰ－ＯＥＳ（Inductivity Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry）を用いて分析した。
［ＩＣＰ－ＯＥＳ］
・使用したＩＣＰ－ＯＥＳ装置：５１００ ＶＤＶ ＩＣＰ－ＯＥＳ（アジレント・テクノロジー）
・ＩＣＰイオン化部：Ａｒプラズマ
　作製したサンプル１～９のＺｒ、Ｐ、Ｓについての標準溶液（いずれも和光純薬工業(株)）を用いて溶液中に含まれる原子濃度の検量線を作製し、混酸（０．５％のＨＦ＋５％のＨＮＯ３）に完全に溶解させたサンプルの原子濃度を定量的に測定した。
　図３に、サンプル１～９の焼成条件と原子比との関係を示す。サンプル１～９では、Ｚｒの原子比が２となり一定であった。また、Ｐの原子比は１．８～２となり略一定であった。一方、Ｓの原子比は、サンプル１～９の焼成条件によって異なっていた。
　具体的には、サンプル１（３００℃の乾燥のみ）では、Ｓの原子比が１．６であった。サンプル２（焼成条件：４００℃、４時間）では、Ｓの原子比が１．２であった。サンプル３（焼成条件：４５０℃、４時間）では、Ｓの原子比が１であった。サンプル４（焼成条件：５００℃、４時間）では、Ｓの原子比が０．９０であった。サンプル５（焼成条件：５００℃、１２時間）では、Ｓの原子比が０．７６であった。サンプル６（焼成条件：６００℃、４時間）では、Ｓの原子比が０．５４であった。サンプル７（焼成条件：７００℃、４時間）では、Ｓの原子比が０．４８であった。サンプル８（焼成条件：８００℃、４時間）では、Ｓの原子比が０．４４であった。サンプル９（焼成条件：９００℃、４時間）では、Ｓの原子比が０．４３であった。
　図４は、焼成温度とＳ原子の含有量（原子比）との関係を示すグラフである。図４では、図３に示す表のサンプル１～４、６～９の焼成温度とＳ原子の原子比をプロットしている。図４に示すように、各サンプルの焼成温度が上昇するにつれて、Ｓの量が減少した。これは、焼成温度が上昇するにつれて、各サンプルからＳが抜けやすくなるためである。図４に示す結果から、焼成温度を調整することで、サンプル中のＳの量、つまり、Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δのｘの値を調整することができることが分かった。
　また、サンプル４とサンプル５とを比較すると、サンプル４（焼成条件：５００℃、４時間）ではＳの原子比が０．９０でり、サンプル５（焼成条件：５００℃、１２時間）ではＳの原子比が０．７６であった。この結果から、焼成時間を長くするほどＳの量が減少するといえる。したがって、焼成時間を調整することでもサンプル中のＳの量を調整することができることが分かった。
　また、各サンプル１～９の結晶構造を確認するために、Ｘ線回折法（ＸＲＤ：X‐ray diffraction）を用いて測定を行った。
［ＸＲＤ］
・使用装置：ＸＲＤ－６１００（島津製作所（株））
・雰囲気：Ａｉｒ
・管電流／管電圧：３０ｍＡ／４０ｋＶ
・ターゲット：Ｃｕ
・ステップ幅：０．０２°
・測定範囲（走査速度）：１０～７０°（１°／ｍｉｎ）
　サンプル１～９のＸＲＤ測定結果を図５に示す。図５に示すように、全てのサンプル１～９において、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２（ＩＣＤＤカード番号：０４－０１７－０９３７）の相が観察された。また、７００℃以上で焼成したサンプル７～９では、３０．５°付近にブロードなピークがみられるようになった。これは、ＺｒＯ２のピークと考えられる。ＸＲＤ測定結果から、単相のα－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２を得るためには、焼成温度は４５０～６００℃が適切であると考えられる。
　また、ＸＲＤ測定結果を用いてＳの含有量と格子定数との相関性を調べた。図６Ａ、図６Ｂに、算出した各サンプルの格子定数をＳの割合（Ｚｒを２に規格化した際のＳの割合）に対してプロットした結果を示す。図６Ａは、ａ軸の格子定数を示し、図６Ｂは、ｃ軸の格子定数を示している。図６Ａ、図６Ｂに示すように、ａ軸、ｃ軸ともにＳの含有量が１．０から０．４８に半減するに伴って格子定数が線形的に小さくなることが示された。この傾向はベガード則と一致しており、Ｓの含有量が０．４８まで半減してもα－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２が固溶体として存在することが示唆された。しかし、Ｓの含有量が０．４４や０．４３まで減少すると、ベガード則から外れた。ａ軸の格子定数は膨張したが、ｃ軸が急激に収縮し、格子体積は急速に収縮することが分かった。以上の結果より、Ｓの含有量が０．４近傍まで減少した場合は、Ｓの固溶量の下限を下回り、α－Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２の相が分解したと推察される。サンプル８、９のＸＲＤ測定結果においてＺｒＯ２のピークが観察されたことを考慮すると、Ｓの含有量が０．４４や０．４３のサンプルは、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２とＺｒＯ２の混相状態であると推察される。
　また、各サンプル１～９の熱膨張率を以下の方法を用いて測定した。
　下記の粉末Ｘ線回折装置にベンチトップ加熱ステージ（ＢＴＳ ５００、ＡｎｔｏｎＰａａｒ）を取り付け、任意の温度でＸ線回折パターンを測定した。なお、検出器には高速１次元検出器（Ｄ／ｔｅＸ Ｕｌｔｒａ２、（株）リガク）使用し、下記の条件で測定を行った。また、内部標準にＳｉ（ＮＩＳＴ ＳＲＭ ６４０ｃ）を用いた。
［高温ＸＲＤ］
・使用装置：Ｍｉｎｉ　Ｆｌｅｘ　６００（（株）リガク）
・雰囲気：Ａｉｒ
・管電流／管電圧：１５ｍＡ／４０ｋＶ
・ターゲット：Ｃｕ
・ステップ幅：０．０２°
・測定範囲（走査速度）：１０～８０°（４°／ｍｉｎ）
・測定温度：３０～５００℃（８０～２２０℃の間は２０℃ごと、２５０℃以上では５０℃ごとに測定)
　得られたＸ線回折パターンと解析ソフトウェア（ＨｉｇｈＳｃｏｒｅ Ｐｌｕｓ、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ）を用いて、リートベルト法で結晶構造を精密化し、格子定数を算出した。算出した格子定数を温度に対してプロットし、直線近似した温度範囲で、下記の式を用いて、結晶軸ごとの線熱膨張率αｌと体積熱膨張率αｖを算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　図１Ａ～図１Ｃに、結晶軸ごとの線熱膨張率と体積熱膨張率とを示す。図１Ｃに示すように、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２は、１００℃から１８０℃にかけて急激に体積が変化することが明らかになった。この温度域では、a軸が膨張しながらもc軸が急激に収縮することで、格子全体で急激な体積収縮を発現した。サンプル４（ｘ＝０．９０）について熱膨張率を算出すると、a軸の線熱膨張率(１００～１８０℃)は＋７９ｐｐｍ／℃、c軸の線熱膨張率(同)は－２６３ｐｐｍ／℃であり、体積熱膨張率(同)は－１０８ｐｐｍ／℃と求まった。
　サンプル６（ｘ＝０．５４）とサンプル７（ｘ＝０．４８）をサンプル４（ｘ＝０．９０）と比較すると、焼成温度が高く、Ｓの含有量が少ないほど体積変化が小さくなる傾向がみられた。体積熱膨張率(１００～１８０℃)は、サンプル６（ｘ＝０．５４）で－１０１ｐｐｍ／℃、サンプル７（ｘ＝０．４８）で－９４ｐｐｍ／℃であった。また、焼成時間が長いサンプル５（ｘ＝０．７６）も、体積熱膨張率(同)が－１０１ｐｐｍ／℃であり、サンプル４（ｘ＝０．９０）と比較するとその体積変化が小さいことが示された。
　さらに、本測定においてサンプル９（ｘ＝０．４３）は他の試料と比べて、１００℃から１８０℃にかけての体積収縮の大きさが小さかった。サンプル９（ｘ＝０．４３）では、a軸の線熱膨張率(１００～１８０℃)は＋８．３ｐｐｍ／℃、c軸の線熱膨張率(同)は－４４ｐｐｍ／℃であり、体積熱膨張率(同)は－２７ｐｐｍ／℃と算出された。サンプル９（ｘ＝０．４３）は最もＳの含有量が少なく、室温での格子体積が他の試料と比べて小さかった。
　また、室温から１００℃、１８０～５００℃の温度域においても連続的な体積収縮がみられた。サンプル４（ｘ＝０．９０）について熱膨張率を算出すると、体積熱膨張率(３０～１００℃)は－２６ｐｐｍ／℃、体積熱膨張率(１８０～３５０℃)は－８．１ｐｐｍ／℃、体積熱膨張率(３５０～５００℃)は－１３ｐｐｍ／℃であった。
　以上の結果より、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２は室温から５００℃の範囲で負の熱膨張率を有する材料であることが示された。特に１００～１８０℃の範囲では巨大な負の熱膨張を示し、その大きさは、Ｓの含有量が少ないほど小さくなることが示された。α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２は１００℃から１８０℃にかけて相転移を起こすために、このような巨大な負の熱膨張を示すと考えられる。
　また、電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）を用いてサンプル４を観察した結果を図７Ａ、図７Ｂに示す。図７Ｂは、図７Ａよりも倍率の高い観察結果を示している。図７Ａ、図７Ｂに示すように、サンプル４の粒子は一辺が２００～３００ｎｍの立方体状で、粒度分布が小さいことが分かった。
［ＦＥ－ＳＥＭ］
・使用装置：ＪＳＭ－７５００Ｆ（ＪＥＯＬ）
・加速電圧：７～１０ｋＶ
（水熱処理条件の検討）
　水熱処理の最適な条件についても検討した。具体的には以下に示すサンプル１０～２５を作製し、これらのサンプルをＩＣＰ－ＯＥＳ、ＸＲＤ、ＦＥ－ＳＥＭを用いて評価して、水熱処理の最適な条件を調べた。
　サンプル１０～２５の作製方法は、水熱処理の条件以外は上述のサンプル１～９の作製方法と同様である。また、サンプルの評価に用いた装置も、上述のサンプル１～９を評価した装置と同様である。下記の表にサンプル１０～２５の水熱処理条件、焼成条件、及び構成原子比を示す。なお、「３００℃（乾燥）」とは３００℃で乾燥（図２のステップＳ４）した後、焼成処理（ステップＳ５）を行っていないサンプルであることを示している。以下、同様である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　図８にサンプル１０～１３（水熱処理温度：１１０℃、水熱処理時間：２日）のＸＲＤ測定結果を示す。水熱処理温度が１１０℃の場合は、５００℃、７００℃、９００℃のいずれの温度で焼成してもα－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２のＸＲＤピークが観測された。また、僅かな不純物としてβ－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２（ＩＣＤＤカード：０４－００７－８０１９）が存在した。α相とβ相とでは結晶晶系と空間群が異なり、α相が稜面体晶系でＲ－３ｃ、β相が斜方晶系でＰｂｃｎ－６０である。また、構成原子比におけるＳの値はそれぞれで１．１、０．８、０．７と算出された。これらの値は、後述の１８０℃、１３０℃で水熱処理を行ったサンプルに比べて大きく、他の条件の場合よりもＳが残留していることが示唆された。この原因は、α相よりも安定なβ相が生成しているために加熱してもＳの脱離が起こりにくくなったからと考えられる。
　図９にサンプル１４～１７（水熱処理温度：１３０℃、水熱処理時間：２日）のＸＲＤ測定結果を示す。水熱処理温度が１３０℃の場合は、５００℃の焼成温度で結晶性の良いα－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２が得られたが、ＺｒＯ２のピークもみられた。また、その構成原子比はＺｒ：Ｓ＝２：０．８と理論組成よりも僅かにＳが少なかった。７００℃、９００℃の焼成温度では、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２とＺｒＯ２の混相状態を維持していたが、構成原子比のＳの値は０．４に減少していた。
　図１０にサンプル１８～２１（水熱処理温度：１８０℃、水熱処理時間：２日）のＸＲＤ測定結果を示す。水熱処理温度が１８０℃の場合は、５００℃で焼成することでα－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２の単相を作製することができた。また、５００℃で焼成した際の構成原子比はＺｒ：Ｓ＝２：０．９であった。さらに、７００℃で焼成すると構成原子比はＺｒ：Ｓ＝２：０．５に減少し、９００℃で焼成すると構成原子比はＺｒ：Ｓ＝２：０．４に減少した。
　水熱処理温度１８０℃の条件について、水熱処理時間が０．５日から７日のサンプルも作製した。この結果、水熱処理温度が１８０℃の場合は、水熱処理時間が０．５日から７日の全てのサンプルにおいて、水熱処理後に５００℃で４時間焼成することでα－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２の単相を作製することができた。よって、水熱処理温度が１８０℃の場合は、少なくとも０．５日、水熱処理を実施し、その後、焼成することで、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２の単相を作製することができる。
　図１１にサンプル２２～２５（水熱処理温度：２３０℃、水熱処理時間：４日）のＸＲＤ測定結果を示す。水熱処理温度が２３０℃の場合は、５００℃で焼成することでα－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２の単相を作製することができた。５００℃で焼成した際の構成原子比はＺｒ：Ｓ＝２：０．８であり、水熱処理温度が１８０℃の場合よりも僅かにＳの割合が少なかったが不純物のピークは見られなかった。また、７００℃で焼成すると構成原子比はＺｒ：Ｓ＝２：０．５に減少し、９００℃で焼成すると構成原子比はＺｒ：Ｓ＝２：０．４に減少した。
　図１２は、各水熱処理温度で処理したサンプルの焼成温度とＳ原子の含有量との関係を示すグラフである。図１２に示すように、水熱処理温度が１１０℃の場合は、焼成温度に対するＳの減少が緩やかであった。図１２の結果を踏まえると、水熱処理温度が１３０℃以上である場合、焼成温度を調整することで、サンプル中のＳの含有量を０．４近傍まで調整できることが分かった。よって、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２の組成制御を考慮すると、水熱処理温度を１３０℃以上とすることが好ましい。
　図１３Ａに、電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）を用いてサンプル１１（水熱処理温度：１１０℃）を観察した結果を示す。また、図１３Ｂに、電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）を用いてサンプル１９（水熱処理温度：１８０℃）を観察した結果を示す。図１３Ａに示すように、水熱処理温度が１１０℃のサンプル１１では、立方体状のα－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２の表面に不純物と考えられる粒子が多数存在した。図８に示したＸＲＤ測定結果においてβ－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２のピークが観察されたことを考慮すると、不純物はβ－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２の粒子と推測される。一方、図１３Ｂに示すように、水熱処理温度が１８０℃のサンプル１９では、一辺が２００～３００ｎｍの立方体状の粒子が観察された。また、立方体状の粒子の表面に不純物は観察されなかった。
　以上で検討した結果を考慮すると、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２の組成制御を考慮すると、水熱処理温度を１３０℃以上とすることが好ましい。また、図１０のＸＲＤ測定結果に示したように、水熱処理温度が１８０℃である場合は、５００℃で焼成することでα－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２の単相を作製することができた。よって、単相のα－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２を作製する場合は、水熱処理温度を１８０℃以上にすることが好ましい。また、１８０℃以上で水熱処理を行った場合は、作製される粒子の形状や大きさは水熱処理温度によらないことが示唆された。
＜（２）Ｚｒ２－ａＴｉａＳｘＰ２Ｏ１２+δ＞
　次に、Ｚｒサイトの一部をＴｉで置換した材料（Ｚｒ２－ａＴｉａＳｘＰ２Ｏ１２+δ）について説明する。図１４は、負熱膨張材料の製造方法を示すフローチャートであり、Ｚｒサイトを元素Ｍで置換する場合の製造方法を示している。なお、図１４に示すフローチャートにおいて、図２に示したフローチャートと同一の工程には同一の符号を付している。
　Ｚｒ２－ａＴｉａＳｘＰ２Ｏ１２+δにかかる負熱膨張材料は、図１４に示すフローチャートにしたがって作製した。まず、原料として、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏ（和光特級、和光純薬工業(株)）、３０％硫酸チタン（ＩＶ）溶液（化学用、和光純薬工業(株)）、（ＮＨ４）２ＨＰＯ４（試薬特級、関東化学(株)）、及びＨ２ＳＯ４（試薬特級、和光純薬工業(株)）を準備した。そして、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏと（ＮＨ４）２ＨＰＯ４とを、それぞれ０．８Ｍになるように蒸留水に溶解させた。続いて、これらの水溶液各２０ｍｌと、３０％硫酸チタン（ＩＶ）溶液（ａの割合に応じた量）と、［６―（硫酸チタンで添加されるＳの量）］ｍｌのＨ２ＳＯ４とを混合し、９０分間スターラーを用いて攪拌した（ステップＳ１）。ここで、３０％硫酸チタン（ＩＶ）溶液は、図１４に示すフローチャートの置換元素に由来する物質に対応している。
　その後、攪拌した後の水溶液（混合物）をテフロン（登録商標）製の容器（ＨＵＴ－１００、三愛科学（株））に注ぎ、耐圧ステンレス製外筒（ＨＵＳ－１００、三愛科学（株））にセットした。そして、この容器を熱風循環オーブン（ＫＬＯ－４５Ｍ、光洋サーモシステム（株））に入れて加熱して水熱処理を行った（ステップＳ２）。水熱処理の温度は１８０℃、水熱処理の時間は１２時間とした。
　水熱処理後、取り出したテフロン容器内には白い沈殿物が生成されていた。この沈殿物を含んだ溶液を蒸発皿に流し込み、約１００℃のヒータ上で５時間加熱して余分な水分を蒸発させた（ステップＳ３：１回目の乾燥）。このとき、サンプルは過剰なＨ２ＳＯ４を含んでいるため完全には乾燥されずに水分が残っている状態となっていた。このため、蒸発皿ごと３００℃の電気炉（ＫＤＦ－Ｓ８０、デンケン・ハイデンタル（株））で１２時間更に乾燥させた（ステップＳ４：２回目の乾燥）。その後、３００℃で乾燥したサンプルを電気炉（ＫＤＦ－Ｓ８０、デンケン・ハイデンタル（株））を用いて５００℃で４時間焼成して白色粉末状のサンプルを得た（ステップＳ５）。
　このようにして作製したサンプルの結晶構造を確認するために、Ｘ線回折法を用いて測定を行った。図１５は、Ｚｒサイトの一部をＴｉで置換した材料（Ｚｒ２－ａＴｉａＳｘＰ２Ｏ１２+δ）のＸＲＤ測定結果を示す図である。なお、ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図１５に示すＸＲＤ測定結果では、ａ＝０のサンプルのＸＲＤパターンがα－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２の結晶相（ＩＣＤＤカード番号：０４－０１７－０９３７）とほぼ一致した。また、ａ＝０．８～１．８のサンプルでは、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２以外の不純物相が確認され、ピークはブロードであった。一方で、ａ＝０．１～０．７のサンプルでは、不純物相が確認されず、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２の結晶相のみが確認された。したがって、ａの値が０＜ａ≦０．７のサンプルでは、Ｚｒサイトの一部がＴｉで置換できたと考えられる。
　また、Ｚｒサイトの一部をＴｉで置換したサンプル（ａ＝０．１～０．７）の原子比を、ＩＣＰ－ＯＥＳ装置を用いて測定した。図１６は、作製したＺｒ２－ａＴｉａＳＰ２Ｏ１２の実際の組成を示す表である。なお、元素分析に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図１６に示すように、ＺｒとＴｉの比はＳの濃度で規格化して算出した。その際、Ｓの濃度は上述の結果よりｘ＝０．９として規格化した。図１６に示すように、Ｔｉはおおよそ化学量論比で存在していることが確認された。Ｚｒは若干少なめであるが、ａ＝０．１以外のサンプルではおおよそ化学量論比で存在することが示唆された。ａ＝０．１のサンプルでＺｒが少なくなってしまった原因としては、混酸に試料を溶解させた際Ｚｒのみが十分に溶解できていなかったことが考えられる。
　また、Ｚｒサイトの一部をＴｉで置換したサンプルの格子体積（熱膨張係数）を、高温ＸＲＤ装置を用いて求めた。図１７は、作製したＺｒ２－ａＴｉａＳＰ２Ｏ１２の温度特性（格子体積の温度依存性）を示すグラフである。なお、高温ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図１７に示すように、Ｚｒ２－ａＴｉａＳＰ２Ｏ１２(ａ＝０．１～０．７)では、全サンプルの格子体積が、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ａ＝０)と比べて小さくなった。また、格子体積は、Ｔｉ量が増加するにつれて減少する傾向であった。４価６配位のＺｒイオンのイオン半径は０．７２Å、４価６配位のＴｉイオンのイオン半径は０．６０５Åである。したがって、Ｔｉ量が増加するごとに格子体積が減少した原因は、ＺｒサイトにＺｒよりもイオン半径の小さなＴｉを置換したためであると考えられる。
　また、ａ＝０．１～０．４のサンプルでは、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ａ＝０)と同様、三段階の熱膨張挙動を示すことが明らかとなった。したがって、格子体積の傾きが変わるごとにフレームワーク－相転移－フレームワークに起因する負の熱膨張率を示していると考えられる。また、図１７に示すように、相転移による体積収縮を示す温度範囲は、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ａ＝０)よりもａ＝０．１～０．４のサンプルの方が増大傾向にあるといえる。
　一方、ａ＝０．５～０．７のサンプルでは、相転移部分の体積収縮が大幅に減少していた。さらに、ａ＝０．１～０．４のサンプルと比較して、測定初期（低温側）の格子体積が大幅に減少していた。また、ａ＝０．７のサンプルでは、格子体積の変化を見る限り、相転移によるとみられる体積収縮がほとんど確認できなかった。このため、ａ＝０．１～０．４のサンプルとａ＝０．５～０．７のサンプルとでは、サンプルの状態が大幅に異なる可能性があると思われる。
　また、室温での格子定数はＴｉ量によりばらつきがあるものの、７７３Ｋではすべてのサンプルで、Ｔｉの量が増えるにつれ等間隔で格子体積が減少することが確認された。Ｔｉの量と格子体積の関係を図１８に示す。図１８に示すように、Ｔｉの量と格子体積の減少は線形関係にあることが示唆され、ベガード則に従うことが確認できた。
　また、Ｚｒ２－ａＴｉａＳＰ２Ｏ１２+δ(ａ＝０．１～０．７)のサンプルにおいても、a軸、c軸の格子定数の温度依存性について確認した。その結果、全サンプルにおいて、ａ軸の格子定数の変化量よりもｃ軸の格子定数の変化量の方が大きくなった。この結果は、上述したα－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２の結果（図１参照）と同様であった。
　図１９は、Ｚｒサイトの一部をＴｉで置換したサンプル（Ｚｒ２－ａＴｉａＳＰ２Ｏ１２：ａ＝０．１～０．７）の各々の温度域における熱膨張係数をまとめたグラフである。図１９において、ＺＳＰはａ＝０のサンプルを示している。図１９に示すように、Ｚｒ２－ａＴｉａＳＰ２Ｏ１２+δ(ａ＝０．１～０．７)では、各々の温度域において様々な熱膨張係数をとることがわかる。本発明にかかる負熱膨張材料は、Ｔｉの組成に応じて様々な熱膨張係数を有するので、使用する目的等に応じて材料の組成を適宜選択することができる。
＜（３）Ｚｒ２－ａＣｅａＳｘＰ２Ｏ１２+δ＞
　次に、Ｚｒサイトの一部をＣｅで置換した材料（Ｚｒ２－ａＣｅａＳｘＰ２Ｏ１２+δ）について説明する。
　Ｚｒ２－ａＣｅａＳｘＰ２Ｏ１２+δにかかる負熱膨張材料についても、図１４に示すフローチャートにしたがって作製した。まず、原料として、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏ（和光特級、和光純薬工業(株)）、硫酸セリウム４水和物（和光特級、和光純薬工業(株)）、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（試薬特級、和光純薬工業(株)）、及びＨ２ＳＯ４（試薬特級、和光純薬工業(株)）を準備した。そして、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２ＯとＮＨ４Ｈ２ＰＯ４とを、それぞれ０．８Ｍになるように蒸留水に溶解させた。続いて、これらの水溶液各１０ｍｌと、硫酸セリウム４水和物（ａの割合に応じた量）と、３ｍｌのＨ２ＳＯ４とを混合し、９０分間スターラーを用いて攪拌した（ステップＳ１）。ここで、硫酸セリウム４水和物は、図１４に示すフローチャートの置換元素に由来する物質に対応している。なお、以降の製造方法については、上述のＺｒ２－ａＴｉａＳｘＰ２Ｏ１２+δにかかる負熱膨張材料の製造方法と同様であるので、重複した説明は省略する。
　このようにして作製したサンプルの結晶構造を確認するために、Ｘ線回折法を用いて測定を行った。図２０は、Ｚｒサイトの一部をＣｅで置換した材料（Ｚｒ２－ａＣｅａＳｘＰ２Ｏ１２+δ）のＸＲＤ測定結果を示す図である。なお、ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図２０に示すＸＲＤ測定結果では、ａ＝０．２～０．６（Ｃｅ０．２～０．６）のサンプルにおいて、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２（α－ＺＳＰ）の結晶相が確認された。一方、Ｃｅ量がａ＝０．６以上のサンプルでは、ＺｒＰ２Ｏ７の結晶相が確認された。したがって、ａの値が０＜ａ≦０．４のサンプルでは、Ｚｒサイトの一部がＣｅで置換できたと考えられる。
　また、Ｚｒサイトの一部をＣｅで置換したサンプルの格子体積（熱膨張係数）を、高温ＸＲＤ装置を用いて求めた。図２１は、作製したＺｒ２－ａＣｅａＳＰ２Ｏ１２の温度特性（格子体積の温度依存性）を示すグラフである。なお、高温ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図２１に示すように、Ｚｒ２－ａＣｅａＳＰ２Ｏ１２(ａ＝０．４)では、サンプルの格子体積が、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ＺＳＰ)と比べて大きくなったが、格子体積の温度依存性に関しては、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ＺＳＰ)と同様の挙動を示した。つまり、Ｚｒ２－ａＣｅａＳＰ２Ｏ１２(ａ＝０．４)では、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ＺＳＰ)と同様、三段階の熱膨張挙動を示すことが明らかとなった。したがって、格子体積の傾きが変わるごとにフレームワーク－相転移－フレームワークに起因する負の熱膨張率を示していると考えられる。
＜（４）Ｚｒ２－ａＭｎａＳｘＰ２Ｏ１２+δ＞
　次に、Ｚｒサイトの一部をＭｎで置換した材料（Ｚｒ２－ａＭｎａＳｘＰ２Ｏ１２+δ）について説明する。
　Ｚｒ２－ａＭｎａＳｘＰ２Ｏ１２+δにかかる負熱膨張材料についても、図１４に示すフローチャートにしたがって作製した。まず、原料として、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏ（和光特級、和光純薬工業(株)）、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）（試薬特級、国産化学(株)）、（ＮＨ４）２ＨＰＯ４（試薬特級、関東化学(株)）、及びＨ２ＳＯ４（試薬特級、和光純薬工業(株)）を準備した。そして、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏと（ＮＨ４）２ＨＰＯ４とを、それぞれ０．８Ｍになるように蒸留水に溶解させた。続いて、これらの水溶液各１０ｍｌと、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）（ａの割合に応じた量）と、３ｍｌのＨ２ＳＯ４とを混合し、９０分間スターラーを用いて攪拌した（ステップＳ１）。ここで、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）は、図１４に示すフローチャートの置換元素に由来する物質に対応している。なお、以降の製造方法については、上述のＺｒ２－ａＴｉａＳｘＰ２Ｏ１２+δにかかる負熱膨張材料の製造方法と同様であるので、重複した説明は省略する。
　このようにして作製したサンプルの結晶構造を確認するために、Ｘ線回折法を用いて測定を行った。図２２は、Ｚｒサイトの一部をＭｎで置換した材料（Ｚｒ２－ａＭｎａＳｘＰ２Ｏ１２+δ）のＸＲＤ測定結果を示す図である。なお、ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図２２に示すＸＲＤ測定結果では、ａ＝０．１～０．４（Ｍｎ０．１～０．４）のサンプルにおいて、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２（α－ＺＳＰ）の結晶相が確認された。一方、Ｍｎ量がａ＝０．３以上のサンプルでは、不純物相（矢印で示している）が確認された。したがって、ａの値が０＜ａ≦０．２のサンプルでは、Ｚｒサイトの一部がＭｎで置換できたと考えられる。
　また、Ｚｒサイトの一部をＭｎで置換したサンプルの格子体積（熱膨張係数）を、高温ＸＲＤ装置を用いて求めた。図２３は、作製したＺｒ２－ａＭｎａＳＰ２Ｏ１２の温度特性（格子体積の温度依存性）を示すグラフである。なお、高温ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図２３に示すように、Ｚｒ２－ａＭｎａＳＰ２Ｏ１２(ａ＝０．１、ａ＝０．２)では、サンプルの格子体積が、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ＺＳＰ)とほぼ同程度となった。また、格子体積の温度依存性に関しても、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ＺＳＰ)と同様の挙動を示した。つまり、Ｚｒ２－ａＭｎａＳＰ２Ｏ１２(ａ＝０．１、ａ＝０．２)では、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ＺＳＰ)と同様、三段階の熱膨張挙動を示すことが明らかとなった。したがって、格子体積の傾きが変わるごとにフレームワーク－相転移－フレームワークに起因する負の熱膨張率を示していると考えられる。
＜（５）Ｚｒ２－ａＳｎａＳｘＰ２Ｏ１２+δ＞
　次に、Ｚｒサイトの一部をＳｎで置換した材料（Ｚｒ２－ａＳｎａＳｘＰ２Ｏ１２+δ）について説明する。
　Ｚｒ２－ａＳｎａＳｘＰ２Ｏ１２+δにかかる負熱膨張材料についても、図１４に示すフローチャートにしたがって作製した。まず、原料として、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏ（和光特級、和光純薬工業(株)）、酸化スズ（ＳｎＯ２）（鹿特級、関東化学(株)）、（ＮＨ４）２ＨＰＯ４（試薬特級、関東化学(株)）、及びＨ２ＳＯ４（試薬特級、和光純薬工業(株)）を準備した。そして、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏと（ＮＨ４）２ＨＰＯ４とを、それぞれ０．８Ｍになるように蒸留水に溶解させた。続いて、これらの水溶液各１０ｍｌと、酸化スズ（ＳｎＯ２）（ａの割合に応じた量）と、３ｍｌのＨ２ＳＯ４とを混合し、９０分間スターラーを用いて攪拌した（ステップＳ１）。ここで、酸化スズ（ＳｎＯ２）は、図１４に示すフローチャートの置換元素に由来する物質に対応している。なお、以降の製造方法については、上述のＺｒ２－ａＴｉａＳｘＰ２Ｏ１２+δにかかる負熱膨張材料の製造方法と同様であるので、重複した説明は省略する。
　このようにして作製したサンプルの結晶構造を確認するために、Ｘ線回折法を用いて測定を行った。図２４は、Ｚｒサイトの一部をＳｎで置換した材料（Ｚｒ２－ａＳｎａＳｘＰ２Ｏ１２+δ）のＸＲＤ測定結果を示す図である。なお、ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図２４に示すＸＲＤ測定結果では、ａ＝０．２～０．８（Ｓｎ０．２～０．８）のサンプルにおいて、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２（α－ＺＳＰ）の結晶相が確認された。一方、Ｓｎ量がａ＝１．０以上のサンプルでは、不純物相が確認された。したがって、ａの値が０＜ａ≦０．８のサンプルでは、Ｚｒサイトの一部がＳｎで置換できたと考えられる。
　また、Ｚｒサイトの一部をＳｎで置換したサンプルの格子体積（熱膨張係数）を、高温ＸＲＤ装置を用いて求めた。図２５は、作製したＺｒ２－ａＳｎａＳＰ２Ｏ１２の温度特性（格子体積の温度依存性）を示すグラフである。なお、高温ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図２５に示すように、Ｚｒ２－ａＳｎａＳＰ２Ｏ１２(ａ＝０．４、ａ＝０．６)では、３００～４００（Ｋ）において、サンプルの格子体積がＺｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ＺＳＰ)と比べて大きくなったが、格子体積の温度依存性に関しては、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ＺＳＰ)と同様の挙動を示した。また、Ｚｒ２－ａＳｎａＳＰ２Ｏ１２(ａ＝０．２)では、サンプルの格子体積がＺｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ＺＳＰ)とほぼ同程度となった。つまり、Ｚｒ２－ａＳｎａＳＰ２Ｏ１２(ａ＝０．２～０．６)では、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２(ＺＳＰ)と同様、三段階の熱膨張挙動を示すことが明らかとなった。したがって、格子体積の傾きが変わるごとにフレームワーク－相転移－フレームワークに起因する負の熱膨張率を示していると考えられる。
　図２６は、ＺｒサイトをＣｅ、Ｍｎ、Ｓｎで置換したサンプルの各々の温度域における熱膨張係数をまとめたグラフである。図２６に示すように、ＺｒサイトをＣｅ、Ｍｎ、Ｓｎで置換したサンプルにおいても、負の熱膨張係数を示すことがわかる。また、各々のサンプルでは、各々の温度域において様々な熱膨張係数を示すことがわかる。したがって、Ｚｒのサイトの一部をこれらの元素で置換することで、様々な熱膨張係数を有する材料を形成することができる。したがって、使用する目的等に応じて、置換する元素を適宜選択することができる。
＜（６）Ｚｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２+δ＞
　次に、Ｓサイトの一部をＭｏで置換した材料（Ｚｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２+δ）について説明する。Ｚｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２+δにかかる負熱膨張材料については、図１４のフローチャートに示す製法Ａと図２７のフローチャートに示す製法Ｂの２つの製法を用いて作製した。
（製法Ａ）
　まず、製法Ａについて説明する。図１４に示すように、原料として、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏ（和光特級、和光純薬工業(株)）、（ＮＨ４）６Ｍｏ７Ｏ２４・４Ｈ２Ｏ ａｑ．（和光特級、和光純薬工業(株)）、（ＮＨ４）２ＨＰＯ４（試薬特級、関東化学(株)）、及びＨ２ＳＯ４（試薬特級、和光純薬工業(株)）を準備した。そして、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏと（ＮＨ４）２ＨＰＯ４とを、それぞれ０．８Ｍになるように蒸留水に溶解させた。続いて、これらの水溶液各１０ｍｌと、（ＮＨ４）６Ｍｏ７Ｏ２４・４Ｈ２Ｏ ａｑ．（ｂの割合に応じた量）と、３ｍｌのＨ２ＳＯ４とを混合し、９０分間スターラーを用いて攪拌した（ステップＳ１）。ここで、（ＮＨ４）６Ｍｏ７Ｏ２４・４Ｈ２Ｏ ａｑ．は、図１４に示すフローチャートの置換元素に由来する物質に対応している。以降の製造方法については、上述の他の負熱膨張材料の製造方法と同様である。なお、図１４に示すステップＳ５の焼成工程については、５００℃で４時間焼成したサンプルと、８００℃で４時間焼成したサンプルの２種類を作製した。
（製法Ｂ）
　次に、製法Ｂについて説明する。なお、図２７に示すフローチャートにおいてステップＳ１～Ｓ５については、図１４に示したフローチャートのステップＳ１～Ｓ５と基本的に同様である。
　図２７に示すように、まず、原料として、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏ（和光特級、和光純薬工業(株)）、（ＮＨ４）２ＨＰＯ４（試薬特級、関東化学(株)）、及びＨ２ＳＯ４（試薬特級、和光純薬工業(株)）を準備した。そして、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏと（ＮＨ４）２ＨＰＯ４とを、それぞれ０．８Ｍになるように蒸留水に溶解させた。続いて、これらの水溶液各１０ｍｌと３ｍｌのＨ２ＳＯ４とを混合し、９０分間スターラーを用いて攪拌した（ステップＳ１）。以降のステップＳ２～Ｓ５については、図１４に示した製造方法と同様である。なお、ステップＳ５の焼成工程については、６００℃で４時間焼成したサンプルと、８００℃で４時間焼成したサンプルの２種類を作製した。
　その後、ステップＳ５で作製したＺｒ２ＳＰ２Ｏ１２+δの粉末を、（ＮＨ４）６Ｍｏ７Ｏ２４・４Ｈ２Ｏ ａｑ．（和光特級、和光純薬工業(株)）に含浸させた（ステップＳ６）。そして、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２+δ粉末と（ＮＨ４）６Ｍｏ７Ｏ２４・４Ｈ２Ｏ ａｑ．とを含む溶液をろ過した（ステップＳ７）。その後、ろ過した後の粉末を５００℃で４時間焼成してサンプルを作製した（ステップＳ８）。
　このようにして作製したサンプルの結晶構造を確認するために、Ｘ線回折法を用いて測定を行った。図２８は、製法Ａで作製したＺｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２+δのＸＲＤ測定結果を示す図である。なお、ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図２８に示すＸＲＤ測定結果は、Ｍｏ量がｂ＝０．２でステップＳ５の焼成温度が５００℃のサンプル（ｂ＝０．２－５００）、Ｍｏ量がｂ＝０．２でステップＳ５の焼成温度が８００℃のサンプル（ｂ＝０．２－８００）、Ｍｏ量がｂ＝０．６でステップＳ５の焼成温度が５００℃のサンプル（ｂ＝０．６－５００）、Ｍｏ量がｂ＝０．６でステップＳ５の焼成温度が８００℃のサンプル（ｂ＝０．６－８００）のＸＲＤ測定結果を示している。
　図２８に示すＸＲＤ測定結果では、Ｍｏ量ｂ＝０．２、焼成温度５００℃のサンプル（ｂ＝０．２－５００）、及びＭｏ量ｂ＝０．６、焼成温度５００℃のサンプル（ｂ＝０．６－５００）において、α－Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２（α－ＺＳＰ）の結晶相が確認された。よって、この条件では、Ｓサイトの一部がＭｏで置換できたと考えられる。
　一方、Ｍｏ量ｂ＝０．２、焼成温度８００℃のサンプル（ｂ＝０．２－８００）、及びＭｏ量ｂ＝０．６、焼成温度８００℃のサンプル（ｂ＝０．６－８００）では、α－ＺＳＰの結晶相の他にＺｒＯ２のピークが確認された。よって、ステップＳ５の焼成温度が高い場合（８００℃）は、ＺｒＯ２が出現することが確認された。
　図２９は、製法Ｂで作製したＺｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２+δのＸＲＤ測定結果を示す図である。図２９は、ステップＳ５における焼成温度が６００℃、Ｍｏ量がｂ＝０．０２のサンプルのＸＲＤ測定結果（上図）と、ステップＳ５における焼成温度が８００℃、Ｍｏ量がｂ＝０．０２のサンプルのＸＲＤ測定結果（下図）を示している。なお、ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図２９の上図（Ｍｏ_６００）に示すＸＲＤ測定結果では、α－ＺＳＰの結晶相の他にβ－ＺＳＰの結晶相のピークが若干確認された。また、図２９の下図（Ｍｏ_８００）に示すＸＲＤ測定結果では、α－ＺＳＰの結晶相の他にＺｒＯ２のピークが若干確認された。β－ＺＳＰ、ＺｒＯ２のピークが現れたものの、これらのピークは弱く、α－ＺＳＰの結晶相のピークがメインであるため、この条件では、Ｓサイトの一部がＭｏで置換できたと考えられる。
　また、Ｓサイトの一部をＭｏで置換したサンプルの格子体積（熱膨張係数）を、高温ＸＲＤ装置を用いて求めた。図３０、図３１は、作製したＺｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２の温度特性（格子体積の温度依存性）を示すグラフである。なお、高温ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図３０では、図１４のステップＳ５の焼成温度が５００℃のＺｒ２ＳＰ２Ｏ１２（ＺＳＰ）（ＺＳＰ_５００℃）、６００℃のＺＳＰ（ＺＳＰ_６００℃）、及び図２７のステップＳ５の焼成温度が６００℃のＺｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２（Ｍｏ_６００℃）の温度特性を示している。図３１では、図１４のステップＳ５の焼成温度が７００℃のＺＳＰ（ＺＳＰ_７００℃）、９００℃のＺＳＰ（ＺＳＰ_９００℃）、及び図２７のステップＳ５の焼成温度が８００℃のＺｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２（Ｍｏ_８００℃）の温度特性を示している。
　図３０に示すように、焼成温度が６００℃のＺｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２（Ｍｏ_６００℃）では、３００～４００（Ｋ）において、サンプルの格子体積がＺＳＰと比べて小さくなったが、格子体積の温度依存性に関しては、ＺＳＰと同様の挙動を示した。また、図３１に示すように、焼成温度が８００℃のＺｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２（Ｍｏ_８００℃）では、３００～４００（Ｋ）において、サンプルの格子体積がＺＳＰ_７００℃と比べて小さくなった。また、図３１に示すように、焼成温度が８００℃のＺｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２（Ｍｏ_８００℃）は、３００～８００（Ｋ）においてＺＳＰ_９００℃と同様の温度依存性を示した。したがって、Ｓサイトの一部をＭｏで置換したＺｒ２Ｓ１－ｂＭｏｂＰ２Ｏ１２においても負の熱膨張率を示していることが確認できた。
＜（７）Ｚｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２+δ＞
　次に、Ｓサイトの一部をＷで置換した材料（Ｚｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２+δ）について説明する。Ｚｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２+δにかかる負熱膨張材料については、図１４のフローチャートに示す製法Ａと図２７のフローチャートに示す製法Ｂの２つの製法を用いて作製した。
（製法Ａ）
　まず、製法Ａについて説明する。図１４に示すように、原料として、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏ（和光特級、和光純薬工業(株)）、（ＮＨ４）１０Ｗ１２Ｏ４１・５Ｈ２Ｏ（和光純薬工業(株)）、（ＮＨ４）２ＨＰＯ４（試薬特級、関東化学(株)）、及びＨ２ＳＯ４（試薬特級、和光純薬工業(株)）を準備した。そして、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏと（ＮＨ４）２ＨＰＯ４とを、それぞれ０．８Ｍになるように蒸留水に溶解させた。続いて、これらの水溶液各１０ｍｌと、（ＮＨ４）１０Ｗ１２Ｏ４１・５Ｈ２Ｏ（ｂの割合に応じた量）と、３ｍｌのＨ２ＳＯ４とを混合し、９０分間スターラーを用いて攪拌した（ステップＳ１）。ここで、（ＮＨ４）１０Ｗ１２Ｏ４１・５Ｈ２Ｏは、図１４に示すフローチャートの置換元素に由来する物質に対応している。以降の製造方法については、上述の他の負熱膨張材料の製造方法と同様である。なお、ステップＳ５の焼成工程については、５００℃で４時間焼成したサンプルと、８００℃で４時間焼成したサンプルの２種類を作製した。
（製法Ｂ）
　次に、製法Ｂについて説明する。なお、図２７に示すフローチャートにおいてステップＳ１～Ｓ５については、図１４に示したフローチャートのステップＳ１～Ｓ５と基本的に同様である。
　図２７に示すように、まず、原料として、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏ（和光特級、和光純薬工業(株)）、（ＮＨ４）２ＨＰＯ４（試薬特級、関東化学(株)）、及びＨ２ＳＯ４（試薬特級、和光純薬工業(株)）を準備した。そして、ＺｒＣｌ２Ｏ・８Ｈ２Ｏと（ＮＨ４）２ＨＰＯ４とを、それぞれ０．８Ｍになるように蒸留水に溶解させた。続いて、これらの水溶液各１０ｍｌと３ｍｌのＨ２ＳＯ４とを混合し、９０分間スターラーを用いて攪拌した（ステップＳ１）。以降のステップＳ２～Ｓ５については、図１４に示した製造方法と同様である。なお、ステップＳ５の焼成工程については、６００℃で４時間焼成したサンプルと、８００℃で４時間焼成したサンプルの２種類を作製した。
　その後、ステップＳ５で作製したＺｒ２ＳＰ２Ｏ１２+δの粉末を、（ＮＨ４）１０Ｗ１２Ｏ４１・５Ｈ２Ｏａｑ．に含浸させた（ステップＳ６）。そして、Ｚｒ２ＳＰ２Ｏ１２+δ粉末と（ＮＨ４）１０Ｗ１２Ｏ４１・５Ｈ２Ｏとを含む溶液をろ過した（ステップＳ７）。その後、ろ過した後の粉末を５００℃で４時間焼成してサンプルを作製した（ステップＳ８）。
　このようにして作製したサンプルの結晶構造を確認するために、Ｘ線回折法を用いて測定を行った。図３２は、製法Ａで作製したＺｒ２Ｓ１－ｂＷｏｂＰ２Ｏ１２+δのＸＲＤ測定結果を示す図である。なお、ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図３２に示すＸＲＤ測定結果は、Ｗ量がｂ＝０．２でステップＳ５の焼成温度が５００℃のサンプル（ｂ＝０．２－５００）、Ｗ量がｂ＝０．２でステップＳ５の焼成温度が８００℃のサンプル（ｂ＝０．２－８００）、Ｗ量がｂ＝０．６でステップＳ５の焼成温度が５００℃のサンプル（ｂ＝０．６－５００）、Ｗ量がｂ＝０．６でステップＳ５の焼成温度が８００℃のサンプル（ｂ＝０．６－８００）のＸＲＤ測定結果を示している。
　図３２に示すＸＲＤ測定結果では、Ｗ量ｂ＝０．２、焼成温度５００℃のサンプル（ｂ＝０．２－５００）において、α－ＺＳＰの結晶相が確認された。よって、この条件では、Ｓサイトの一部がＷで置換できたと考えられる。
　一方、Ｗ量ｂ＝０．２、焼成温度８００℃のサンプル（ｂ＝０．２－８００）、Ｗ量ｂ＝０．６、焼成温度５００℃のサンプル（ｂ＝０．６－５００）、及びＷ量ｂ＝０．６、焼成温度８００℃のサンプル（ｂ＝０．６－８００）では、α－ＺＳＰの結晶相の他に不純物相のピーク（矢印で示す）が確認された。
　図３３は、製法Ｂで作製したＺｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２+δのＸＲＤ測定結果を示す図である。図３３は、ステップＳ５における焼成温度が６００℃、Ｗ量がｂ＝０．０６のサンプルのＸＲＤ測定結果（上図）と、ステップＳ５における焼成温度が８００℃、Ｗ量がｂ＝０．０６のサンプルのＸＲＤ測定結果（下図）を示している。なお、ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図３３の上図（Ｗ_６００）に示すＸＲＤ測定結果では、α－ＺＳＰの結晶相の他にβ－ＺＳＰの結晶相のピークが若干確認された。また、図３３の下図（Ｗ_８００）に示すＸＲＤ測定結果では、α－ＺＳＰの結晶相の他にＺｒＯ２のピークが若干確認された。β－ＺＳＰ、ＺｒＯ２のピークが現れたものの、これらのピークは弱く、α－ＺＳＰの結晶相のピークがメインであるため、この条件では、Ｓサイトの一部がＷで置換できたと考えられる。
　また、Ｓサイトの一部をＷで置換したサンプルの格子体積（熱膨張係数）を、高温ＸＲＤ装置を用いて求めた。図３４、図３５は、作製したＺｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２の温度特性（格子体積の温度依存性）を示すグラフである。なお、高温ＸＲＤ測定に用いた装置および測定条件は上述の場合と同様である。
　図３４では、図１４のステップＳ５の焼成温度が５００℃のＺＳＰ（ＺＳＰ_５００℃）、６００℃のＺＳＰ（ＺＳＰ_６００℃）、及び図２７のステップＳ５の焼成温度が６００℃のＺｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２（Ｗ_６００℃）の温度特性を示している。図３５では、図１４のステップＳ５の焼成温度が７００℃のＺＳＰ（ＺＳＰ_７００℃）、９００℃のＺＳＰ（ＺＳＰ_９００℃）、及び図２７のステップＳ５の焼成温度が８００℃のＺｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２（Ｗ_８００℃）の温度特性を示している。
　図３４に示すように、焼成温度が６００℃のＺｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２（Ｗ_６００℃）では、３００～４００（Ｋ）において、サンプルの格子体積がＺＳＰと比べて小さくなったが、格子体積の温度依存性に関しては、ＺＳＰと同様の挙動を示した。また、図３５に示すように、焼成温度が８００℃のＺｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２（Ｗ_８００℃）では、３００～４００（Ｋ）において、サンプルの格子体積がＺＳＰ_７００℃と比べて小さくなった。また、図３１に示すように、焼成温度が８００℃のＺｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２（Ｗ_８００℃）は、３００～８００（Ｋ）においてＺＳＰ_９００℃と同様の温度依存性を示した。したがって、Ｓサイトの一部をＷで置換したＺｒ２Ｓ１－ｂＷｂＰ２Ｏ１２においても負の熱膨張率を示していることが確認できた。
　以上で説明した実施例では、Ｚｒ２－ａＭａＳｘＰ２Ｏ１２+δのうち、Ｚｒサイトの一部を置換した実施例とＳサイトの一部を置換した実施例を別々に説明した。しかし本発明では、ＺｒサイトとＳサイトの両方を置換してもよい。
　以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

Claims (19)

  1. 　Ｚｒ２－ａＭａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表されることを特徴とする、負の熱膨張率を有する負熱膨張材料。ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｃｒから選択される少なくとも１種であり、ａは０≦ａ＜２であり、ｘは０．４≦ｘ≦１であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。
  2. 　前記ａがａ＝０であり、Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δで表される、請求項１に記載の負熱膨張材料。
  3. 　前記ＭがＴｉであり、前記ａが０＜ａ≦０．７である、請求項１に記載の負熱膨張材料。
  4. 　前記ＭがＣｅであり、前記ａが０＜ａ≦０．４である、請求項１に記載の負熱膨張材料。
  5. 　前記ＭがＳｎであり、前記ａが０＜ａ≦１である、請求項１に記載の負熱膨張材料。
  6. 　前記ＭがＭｎであり、前記ａが０＜ａ≦０．２である、請求項１に記載の負熱膨張材料。
  7. 　前記Ｓの一部がＭｏまたはＷで置換されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の負熱膨張材料。
  8. 　前記ｘが、０．４８≦ｘ≦０．９である、請求項１～７のいずれか一項に記載の負熱膨張材料。
  9. 　温度が１００～１８０℃における前記負熱膨張材料の体積膨張率の絶対値が、温度が１８０℃よりも高い条件下における前記負熱膨張材料の体積膨張率の絶対値よりも大きいことを特徴とする、請求項８に記載の負熱膨張材料。
  10. 　前記ｘが、０．４≦ｘ＜０．４８である、請求項１～７のいずれか一項に記載の負熱膨張材料。
  11. 　前記負熱膨張材料の体積膨張率が８０℃以上において略一定である、請求項１０に記載の負熱膨張材料。
  12. 　請求項１～１１のいずれか一項に記載の負熱膨張材料と、
    　正の熱膨張率を有する材料と、を含むことを特徴とする複合材料。
  13. 　請求項８または９に記載の負熱膨張材料と、
    　正の熱膨張率を有する樹脂材料と、を含むことを特徴とする複合材料。
  14. 　請求項１０または１１に記載の負熱膨張材料と、
    　正の熱膨張率を有する金属材料と、を含むことを特徴とする複合材料。
  15. 　オキシ塩化ジルコニウム八水和物と、リン酸アンモニウムと、硫酸と、を含む混合物を１３０℃以上の温度で水熱処理する工程と、
    　前記水熱処理された後の混合物を４５０℃以上の温度で焼成して、Ｚｒ２ＳｘＰ２Ｏ１２+δ（ただし、０．４≦ｘ≦１であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である）で表される負の熱膨張率を有する材料を形成する工程と、を備える、負熱膨張材料の製造方法。
  16. 　オキシ塩化ジルコニウム八水和物と、リン酸アンモニウムと、硫酸と、元素Ｍを含む添加物と、を含む混合物を１３０℃以上の温度で水熱処理する工程と、
    　前記水熱処理された後の混合物を４５０℃以上の温度で焼成して、Ｚｒ２－ａＭａＳｘＰ２Ｏ１２+δで表される負の熱膨張率を有する材料（ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｃｒから選択される少なくとも１種であり、ａは０≦ａ＜２であり、ｘは０．４≦ｘ≦１であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である）を形成する工程と、を備える、
    　負熱膨張材料の製造方法。
  17. 　前記水熱処理された後の混合物を焼成する際の温度を調整することで、前記ｘの値を調整する、請求項１５または１６に記載の負熱膨張材料の製造方法。
  18. 　前記水熱処理の温度が１８０℃以上である、請求項１５～１７のいずれか一項に記載の負熱膨張材料の製造方法。
  19. 　前記水熱処理された後の混合物を焼成する際の温度が９００℃以下である、請求項１５～１８のいずれか一項に記載の負熱膨張材料の製造方法。
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