WO2019181604A1 - 複合粒子および複合粒子の製造方法 - Google Patents

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圭太郎 中村
大助 佐藤
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日清エンジニアリング株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a composite particle of titanium carbide and a method for producing the composite particle, and more particularly to a composite particle having excellent oxidation resistance and a method for producing the composite particle.
  • fine particles such as metal fine particles, oxide fine particles, nitride fine particles, and carbide fine particles are electrically insulating materials such as various electric insulating parts, functional materials such as cutting tools, machine work materials, sensors, sintered materials, fuel cells. It is used for electrode materials and catalysts.
  • Patent Document 1 describes a method for producing titanium carbide fine particles with respect to carbide fine particles. Patent Document 1 describes that titanium carbide fine particles having different volume resistance values (electrical resistance) can be produced.
  • An object of the present invention is to provide composite particles having excellent oxidation resistance and a method for producing composite particles.
  • the present invention provides composite particles characterized in that TiC and at least one of Zr and Si are combined.
  • the Zr content is preferably 0.1 to 20% by mass.
  • the Si content is preferably 0.1 to 20% by mass.
  • the contents of Zr and Si are preferably 0.1 to 10% by mass, respectively.
  • the present invention relates to a method for producing composite particles in which TiC and at least one of Zr and Si are combined, and includes titanium oxide powder, zirconium oxide powder, and silicon oxide powder.
  • the present invention provides a method for producing composite particles, characterized in that composite particles are produced using a gas phase method using at least one of the raw material powders.
  • the gas phase method is preferably a thermal plasma method, a flame method, an arc plasma method, a microwave heating method or a pulse wire method.
  • a thermal plasma method a slurry in which a raw material powder is dispersed in a liquid is formed into droplets and supplied into a thermal plasma flame, and a cooling gas is supplied to a terminal portion of the thermal plasma flame to generate composite particles. It is preferable to have.
  • the liquid in which the raw material powder is dispersed is preferably alcohol.
  • the thermal plasma flame is preferably derived from at least one gas of hydrogen, helium and argon.
  • composite particles having excellent oxidation resistance can be obtained.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows an example of the fine particle manufacturing apparatus used for the manufacturing method of the composite particle which concerns on embodiment of this invention.
  • (A) is a graph which shows the analysis result of the crystal structure by the X-ray diffraction method of the titanium carbide before baking
  • (b) is the crystal structure by the X-ray diffraction method of the composite particle of the titanium carbide and silicon before baking. It is a graph which shows an analysis result.
  • (A) is a graph which shows the analysis result of the crystal structure by the X-ray diffraction method of titanium carbide after baking for 15 minutes at the temperature of 200 degreeC in air
  • (b) is 15 degrees in the atmosphere at the temperature of 300 degreeC
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of a fine particle production apparatus used in a method for producing composite particles according to an embodiment of the present invention.
  • a fine particle manufacturing apparatus 10 (hereinafter simply referred to as a manufacturing apparatus 10) shown in FIG. 1 is used for manufacturing composite particles.
  • the composite particles are particles in which TiC and at least one of Zr and Si are combined.
  • Composite particles are not a mixture of carbide particles of single particles such as TiC, ZrC, and SiC, but TiC and at least one of Zr and Si are contained in a single particle. It is the carbide particle contained in.
  • the form of Zr and Si in the composite particles is not particularly limited, and may be not only a simple metal but also a form of a compound such as carbide, oxide, acid carbide, nonstoichiometric oxide, and nonstoichiometric carbide. .
  • the composite particles are called nanoparticles and can have a particle diameter of 1 to 100 nm.
  • the particle diameter is an average particle diameter measured using the BET method.
  • the composite particles are produced by, for example, a production method described later, and are obtained in a particle state rather than being dispersed in a solvent or the like.
  • the production apparatus 10 includes a plasma torch 12 that generates thermal plasma, a material supply apparatus 14 that supplies raw material powder of composite particles into the plasma torch 12, and a cooling tank for generating primary fine particles 15 of composite particles.
  • a chamber 16 having a function, a cyclone 19 for removing coarse particles having a particle size equal to or larger than a predetermined particle size from the primary fine particles 15 of the composite particles, and a composite having a desired particle size classified by the cyclone 19
  • a collection unit 20 that collects the secondary fine particles 18 of the particles.
  • the material supply device 14 the chamber 16, the cyclone 19, and the recovery unit 20, for example, various devices disclosed in JP 2007-138287 A can be used.
  • the primary fine particles 15 of the composite particles are also simply referred to as primary fine particles 15.
  • titanium oxide powder and at least one of zirconium oxide powder and silicon oxide powder are used as raw material powders for the production of composite particles.
  • the average particle diameter of the raw material powder is appropriately set so that it easily evaporates in the thermal plasma flame.
  • the average particle diameter is, for example, 100 ⁇ m or less, preferably 10 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less. is there.
  • the plasma torch 12 is composed of a quartz tube 12a and a high-frequency oscillation coil 12b that surrounds the quartz tube 12a.
  • a supply pipe 14a which will be described later, for supplying raw material powder of composite particles into the plasma torch 12 is provided at the upper part of the plasma torch 12.
  • the plasma gas supply port 12c is formed in the peripheral part (on the same circumference) of the supply pipe 14a, and the plasma gas supply port 12c has a ring shape.
  • the plasma gas supply source 22 supplies a plasma gas into the plasma torch 12, and includes, for example, a first gas supply unit 22a and a second gas supply unit 22b.
  • the first gas supply unit 22a and the second gas supply unit 22b are connected to the plasma gas supply port 12c via a pipe 22c.
  • the first gas supply unit 22a and the second gas supply unit 22b are each provided with a supply amount adjusting unit such as a valve for adjusting the supply amount.
  • the plasma gas is supplied from the plasma gas supply source 22 through the ring-shaped plasma gas supply port 12 c into the plasma torch 12 from the direction indicated by the arrow P and the direction indicated by the arrow S.
  • the plasma gas for example, a mixed gas of hydrogen gas and argon gas is used.
  • the thermal plasma flame is derived from hydrogen gas and argon gas.
  • Hydrogen gas is stored in the first gas supply unit 22a
  • argon gas is stored in the second gas supply unit 22b.
  • the direction indicated by the arrow P and the arrow S through the plasma gas supply port 12c through the pipe 22c, hydrogen gas from the first gas supply unit 22a of the plasma gas supply source 22 and argon gas from the second gas supply unit 22b. Is supplied into the plasma torch 12 from the direction indicated by. Note that only argon gas may be supplied in the direction indicated by the arrow P.
  • a thermal plasma flame 24 is generated in the plasma torch 12.
  • the temperature of the thermal plasma flame 24 needs to be higher than the boiling point of the raw material powder. On the other hand, it is preferable that the temperature of the thermal plasma flame 24 is higher because the raw material powder easily enters a gas phase state, but the temperature is not particularly limited.
  • the temperature of the thermal plasma flame 24 can be set to 6000 ° C., and is theoretically considered to reach about 10000 ° C.
  • the pressure atmosphere in the plasma torch 12 is preferably atmospheric pressure or lower.
  • the atmosphere at atmospheric pressure or lower is not particularly limited, but is, for example, 0.5 to 100 kPa.
  • a mixed gas of hydrogen gas and argon gas is used as the plasma gas, but the present invention is not limited to this, and a combination of hydrogen gas and helium gas may be used.
  • the thermal plasma flame is derived from hydrogen and at least one gas of helium and argon.
  • the outside of the quartz tube 12a is surrounded by a concentric tube (not shown), and cooling water is circulated between the tube and the quartz tube 12a to cool the quartz tube 12a.
  • the quartz tube 12a is prevented from becoming too hot by the thermal plasma flame 24 generated in the plasma torch 12.
  • the material supply device 14 is connected to the upper part of the plasma torch 12 through a supply pipe 14a.
  • the material supply device 14 supplies the raw material powder into the thermal plasma flame 24 in the plasma torch 12 in the form of powder, for example.
  • the material supply device 14 for example, the one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-213524 can be used.
  • the material supply device 14 supplies a high pressure to the slurry via a container (not shown) for containing the slurry (not shown), a stirrer (not shown) for stirring the slurry in the container, and the supply pipe 14a.
  • a pump for supplying the plasma to the torch 12 and a spray gas supply source (not shown) for supplying a spray gas for supplying the slurry into droplets by supplying it into the plasma torch 12.
  • the atomizing gas supply source corresponds to a carrier gas supply source.
  • the atomizing gas is also called carrier gas.
  • a slurry is a dispersion in which raw material powder is dispersed in a liquid.
  • alcohol is used as the liquid in which the raw material powder is dispersed.
  • ethanol, methanol, propanol, and isopropyl alcohol can be used, for example, and industrial alcohol may be used.
  • the liquid in which the raw material powder is dispersed is also called a dispersion medium.
  • the liquid to be dispersed (dispersion medium) is not limited to alcohol as long as it is a liquid substance containing carbon, and ketone, kerosene, octane, ether, and gasoline can also be used.
  • the spray gas applied with pressure from the spray gas supply source is supplied together with the slurry into the thermal plasma flame 24 in the plasma torch 12 through the supply pipe 14a.
  • the supply pipe 14a has a two-fluid nozzle mechanism for spraying the slurry into the thermal plasma flame 24 in the plasma torch to form droplets, whereby the slurry is placed in the thermal plasma flame 24 in the plasma torch 12.
  • Can be sprayed, that is, the slurry can be made into droplets.
  • the atomizing gas for example, the same gas as the above-described plasma gas, such as argon gas, helium gas inert gas, hydrogen gas, and a mixed gas thereof can be used as in the case of the carrier gas.
  • the two-fluid nozzle mechanism can apply high pressure to the slurry and spray the slurry with a spray gas (carrier gas) which is a gas, and is used as one method for making the slurry into droplets.
  • a spray gas carrier gas
  • the two-fluid nozzle mechanism is not limited to the above-described two-fluid nozzle mechanism, and a one-fluid nozzle mechanism may be used.
  • a slurry is dropped on a rotating disk at a constant speed to form a droplet by centrifugal force (a droplet is formed), and a liquid is applied by applying a high voltage to the slurry surface. Examples thereof include a method of forming droplets (generating droplets).
  • the raw material powder is not limited to supply in the form of a slurry
  • the material supply device 14 that supplies the raw material in the form of a raw material powder is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-138287. Can be used.
  • the material supply device 14 includes, for example, a storage tank (not shown) that stores the raw material powder, a screw feeder (not shown) that quantitatively conveys the raw material powder, and the raw material powder that is conveyed by the screw feeder is final. Before being sprayed, it has a dispersion part (not shown) for dispersing it in the state of primary particles and a carrier gas supply source (not shown).
  • the raw material powder is supplied into the thermal plasma flame 24 in the plasma torch 12 through the supply pipe 14a.
  • the configuration of the material supply device 14 is not particularly limited as long as the raw material powder can be dispersed in the plasma torch 12 while preventing the aggregation of the raw material powder and maintaining the dispersed state.
  • the carrier gas for example, an inert gas such as argon gas is used.
  • the carrier gas flow rate can be controlled using, for example, a flow meter such as a float type flow meter.
  • the flow rate value of the carrier gas is a scale value of the flow meter.
  • a reactive gas is supplied as a carbon source.
  • methane gas is used as the reactive gas.
  • an organic substance such as carbon or resin may be added to the raw material powder as a carbon source.
  • the chamber 16 is continuously provided below the plasma torch 12, and a gas supply device 28 is connected thereto. In the chamber 16, primary particles 15 of composite particles are generated.
  • the chamber 16 functions as a cooling tank.
  • the gas supply device 28 supplies cooling gas into the chamber 16.
  • the gas supply device 28 includes a gas supply source 28 a and a pipe 28 b, and further includes pressure applying means (not shown) such as a compressor and a blower for applying an extrusion pressure to the cooling gas supplied into the chamber 16. Further, a pressure control valve 28c for controlling the gas supply amount from the gas supply source 28a is provided.
  • pressure applying means such as a compressor and a blower for applying an extrusion pressure to the cooling gas supplied into the chamber 16.
  • a pressure control valve 28c for controlling the gas supply amount from the gas supply source 28a is provided.
  • argon gas is stored in the gas supply source 28a.
  • the cooling gas is argon gas.
  • the gas supply device 28 has, for example, an angle of 45 ° toward the tail of the thermal plasma flame 24, that is, the end of the thermal plasma flame 24 opposite to the plasma gas supply port 12c, that is, the end of the thermal plasma flame 24. Then, in the direction of arrow Q, a mixed gas such as argon gas, methane gas, and hydrogen gas is supplied as a cooling gas, and along the inner wall 16a of the chamber 16, from the upper side to the lower side, that is, the arrow shown in FIG. The above cooling gas is supplied in the direction of R.
  • a mixed gas such as argon gas, methane gas, and hydrogen gas
  • the raw material powder put into the gas phase state by the thermal plasma flame 24 is rapidly cooled by the cooling gas supplied into the chamber 16 from the gas supply device 28, and the primary fine particles 15 of the composite particles are obtained.
  • the above-described cooling gas has an additional action such as contributing to the classification of the primary fine particles 15 in the cyclone 19. If the fine particles immediately after the generation of the primary fine particles 15 of the composite particles collide with each other to form an aggregate, non-uniform particle size causes deterioration in quality.
  • the mixed gas supplied as the cooling gas in the direction of the arrow Q toward the tail part (terminal part) of the thermal plasma flame dilutes the primary fine particles 15, thereby preventing the fine particles from colliding and aggregating.
  • the cooling gas in the direction of arrow R prevents the primary fine particles 15 from adhering to the inner wall 16a of the chamber 16 in the process of collecting the primary fine particles 15, and the yield of the generated primary fine particles 15 is improved. .
  • the chamber 16 is provided with a cyclone 19 for classifying the primary fine particles 15 of the composite particles to a desired particle size.
  • the cyclone 19 includes an inlet pipe 19a for supplying the primary fine particles 15 from the chamber 16, a cylindrical outer cylinder 19b connected to the inlet pipe 19a and positioned at the upper part of the cyclone 19, and a lower part from the lower part of the outer cylinder 19b.
  • a frusto-conical part 19c that is continuous toward the side and gradually decreases in diameter, and is connected to the lower side of the frusto-conical part 19c, and collects coarse particles having a particle size equal to or larger than the desired particle size described above.
  • a chamber 19d and an inner pipe 19e connected to the recovery unit 20 described in detail later and projecting from the outer cylinder 19b are provided.
  • a negative pressure (suction force) is generated from the collection unit 20 described in detail later through the inner tube 19e. And by this negative pressure (suction force), the composite particles separated from the swirling air flow are sucked as indicated by the reference symbol U and sent to the collection unit 20 through the inner tube 19e.
  • a recovery unit 20 is provided for recovering secondary fine particles (composite particles) 18 having a desired nanometer order particle size.
  • the recovery unit 20 includes a recovery chamber 20a, a filter 20b provided in the recovery chamber 20a, and a vacuum pump 30 connected via a pipe provided below the recovery chamber 20a.
  • the fine particles sent from the cyclone 19 are drawn into the collection chamber 20a by being sucked by the vacuum pump 30, and are collected on the surface of the filter 20b.
  • the number of cyclones used is not limited to one and may be two or more.
  • titanium oxide (TiO 2 ) powder, at least one of zirconium oxide (ZrO 2 ) powder and silicon oxide (SiO 2 ) powder is used as a raw material powder for composite particles.
  • the various powders used for the raw material powder for example, those having an average particle diameter of 5 ⁇ m or less are used.
  • the raw material powder is charged into the material supply device 14.
  • titanium oxide powder and zirconium oxide powder are used as the raw material powder, composite particles of titanium carbide and zirconium are obtained as composite particles.
  • titanium oxide powder and silicon oxide powder are used as raw material powder, composite particles of titanium carbide and silicon are obtained as composite particles.
  • argon gas and hydrogen gas are used as the plasma gas, and a high frequency voltage is applied to the high frequency oscillation coil 12 b to generate a thermal plasma flame 24 in the plasma torch 12.
  • argon gas is supplied as a cooling gas in the direction of arrow Q from the gas supply device 28 to the tail of the thermal plasma flame 24, that is, the end of the thermal plasma flame 24.
  • argon gas is also supplied as a cooling gas in the direction of arrow R.
  • raw material powder is dispersed in a dispersion medium to obtain a slurry.
  • the mixing ratio of the raw material powder and the dispersion medium in the slurry is preferably 2 to 5: 8 to 5 (20 to 50%: 80 to 50%). Since the dispersion medium acts as a carbon source for reducing and carbonizing the raw material powder, the mass ratio of the raw material powder and the dispersion medium is appropriately changed so that surplus carbon is generated. Is prepared.
  • one or a mixture of two or more selected from the group consisting of a surfactant, a polymer, and a coupling agent may be added.
  • a surfactant for example, sorbitan fatty acid ester which is a nonionic surfactant is used.
  • ammonium polyacrylate is used as the polymer.
  • a silane coupling agent for example, a silane coupling agent or the like is used.
  • the slurry adjusted as described above is placed in a container (not shown) of the material supply device 14 shown in FIG. 1 and stirred with a stirrer. Thereby, the raw material powder in the dispersion medium is prevented from being precipitated, and the slurry in which the raw material powder is dispersed in the dispersion medium is maintained.
  • the slurry is formed into droplets by using the above-described two-fluid nozzle mechanism, and the slurry formed into droplets is supplied into the plasma torch 12, whereby the thermal plasma flame generated in the plasma torch 12. Carbon is generated without being burned into the dispersion medium.
  • the slurry is evaporated in a thermal plasma flame containing almost no oxygen, and further decomposed without burning a dispersion medium such as alcohol to obtain carbon.
  • the amount of the dispersion medium in the slurry is adjusted so that more carbon is produced than the raw material powder.
  • the generated carbon reacts with the raw material powder, and the metal oxide is reduced to metal. Thereafter, excess carbon and the reduced metal react to produce carbide.
  • the generated carbide is rapidly cooled by the gas (cooling gas) injected in the direction indicated by the arrow Q, and is rapidly cooled in the chamber 16 to obtain the primary fine particles 15 of the composite particles.
  • the primary fine particles 15 of the composite particles obtained in the chamber 16 are blown along the inner peripheral wall of the outer cylinder 19b from the inlet pipe 19a of the cyclone 19 together with the air current, and this air current is thereby shown in FIG.
  • the swirl flow is formed and descends.
  • the descending swirling flow is reversed and becomes an ascending flow, due to the balance between the centrifugal force and the drag force, coarse particles cannot fall on the ascending flow and descend along the side surface of the truncated cone part 19c.
  • it is recovered in the coarse particle recovery chamber 19d.
  • the fine particles that are more influenced by the drag force than the centrifugal force are discharged from the inner wall to the outside along with the upward flow on the inner wall of the truncated cone part 19c.
  • the discharged secondary fine particles (composite particles) 18 are sucked in the direction indicated by the symbol U in FIG. 1 by the negative pressure (suction force) from the collecting unit 20 by the vacuum pump 30, and are collected through the inner tube 19e. And collected by the filter 20b of the collection unit 20.
  • the internal pressure in the cyclone 19 is preferably not more than atmospheric pressure.
  • the particle size of the secondary fine particles (composite particles) 18 is defined as an arbitrary particle size on the order of nanometers depending on the purpose. As described above, the composite particles can be obtained easily and reliably by simply plasma-treating the raw material powder using the titanium oxide powder and at least one of the zirconium oxide powder and the silicon oxide powder. it can.
  • the composite particles produced by the method for producing composite particles of the present embodiment have a narrow particle size distribution width, that is, a uniform particle size, and almost no coarse particles of 1 ⁇ m or more are mixed.
  • the primary fine particles of the composite particles are formed using a thermal plasma flame
  • the primary fine particles of the composite particles can be formed using a gas phase method.
  • the gas phase method is not limited to the thermal plasma method using a thermal plasma flame, and the primary fine particles of the composite particles are obtained by a flame method, an arc plasma method, a microwave heating method, or a pulse wire method.
  • the manufacturing method which forms can also be used.
  • the flame method is a method of synthesizing composite particles by using a flame as a heat source and passing a gas phase or liquid phase raw material powder through the flame.
  • raw material powder is supplied to a flame in a gas phase or liquid phase, and a cooling gas is supplied to the flame to lower the temperature of the flame to obtain primary fine particles 15 of composite particles.
  • the raw material powder in the gas phase means, for example, a state in which the raw material powder is dispersed in the carrier gas described above.
  • the raw material powder in a liquid phase means a state in which the raw material powder is dispersed in a solvent, and is a slurry state.
  • the same thing as the above-mentioned thermal plasma method can be used for cooling gas.
  • the composite particles of the present invention are called nanoparticles having a particle diameter of 1 to 100 nm.
  • the particle diameter is an average particle diameter measured using the BET method.
  • the composite particles of the present invention are not dispersed in a solvent or the like, but exist alone. For this reason, the combination with a solvent etc. is not specifically limited, The freedom degree of selection of a solvent is high.
  • the composite particles are particles in which TiC and at least one of Zr and Si are combined.
  • the Zr content is preferably 0.1 to 20% by mass. If the content of Zr is in the above range, the oxidation resistance is excellent.
  • the Si content is preferably 0.1 to 20% by mass. If the Si content is in the above range, the oxidation resistance is excellent.
  • the contents of Zr and Si are preferably 0.1 to 10% by mass, respectively. If the content of Zr and Si is in the above range, the oxidation resistance is excellent.
  • FIG. 2A is a graph showing the analysis result of the crystal structure of titanium carbide before firing by X-ray diffraction
  • FIG. 2B is the crystal of composite particles of titanium carbide and silicon before firing by X-ray diffraction. It is a graph which shows the analysis result of a structure.
  • FIG. 3A is a graph showing the analysis result of the crystal structure of titanium carbide by X-ray diffraction after firing for 15 minutes at a temperature of 200 ° C. in the atmosphere
  • FIG. 5 is a graph showing an analysis result of a crystal structure of a composite particle of titanium carbide and silicon after being baked for 15 minutes.
  • ⁇ represents the diffraction peak of the titanium oxide.
  • FIG. 4 is a graph showing the transmittance of titanium carbide and silicon composite particles and titanium carbide particles.
  • symbol 40 shown in FIG. 4 shows titanium carbide
  • symbol 42 shows the composite particle of titanium carbide and silicon.
  • the composite particles of titanium carbide and silicon have the same transmittance as titanium carbide (see reference numeral 40) in the measured wavelength region.
  • the composite particles of titanium carbide and silicon are excellent in oxidation resistance and have the same transmittance as titanium carbide.
  • the transmittance is a value obtained by dispersing composite particles of titanium carbide and silicon in water with ultrasonic waves and measuring with an ultraviolet-visible spectrophotometer.
  • the composite particles can be used in a black matrix such as a liquid crystal display device or an organic EL display device.
  • the composite particles can be used as a light shielding material. In this case, it can be used as a light shielding material for the color filter and a light shielding material on the outside light side of the TFT. It can also be used for printing inks, inkjet inks, photomask preparation materials, printing proof preparation materials, etching resists, and solder resists.
  • the composite particles can be used, for example, as a catalyst carrier.
  • the particle size can be reduced, and thus the performance of the catalyst can be enhanced.
  • It can also be used as a pigment for adjusting the color tone by mixing with metal, oxide, plastic and the like.
  • electrical insulation materials such as semiconductor substrates, printed boards, various electrical insulation components, high-hardness and high-precision machine tool materials such as cutting tools, dies and bearings, functional materials such as grain boundary capacitors and humidity sensors, and precision sintering
  • sintered bodies such as shaped materials
  • sprayed parts such as materials that require high-temperature wear resistance such as engine valves
  • the electrodes of fuel cells electrolyte materials, and various catalysts.
  • the particle size of the carbide fine particles can be made nano-sized, for example, when used for a sintered body, the sinterability can be improved, and a high-strength sintered body can be obtained.
  • a tool with good cutting properties can be obtained.
  • the present invention is basically configured as described above. As mentioned above, although the composite particle of this invention and the manufacturing method of composite particle were demonstrated in detail, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, In the range which does not deviate from the main point of this invention, various improvement or change is carried out. Of course it is also good.
  • Fine particle production apparatus 10 Fine particle production apparatus 12 Plasma torch 14 Material supply apparatus 15 Primary fine particle 16 Chamber 18 Fine particle (secondary fine particle) 19 Cyclone 20 Recovery Unit 22 Plasma Gas Supply Source 24 Thermal Plasma Flame 28 Gas Supply Device 30 Vacuum Pump

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Abstract

耐酸化性に優れる複合粒子および複合粒子の製造方法を提供する。複合粒子はＴｉＣと、ＺｒおよびＳｉのうち、少なくとも１つとが複合化されたものである。複合粒子の製造方法は、チタン酸化物の粉末と、ジルコニウム酸化物の粉末およびケイ素酸化物の粉末のうち、少なくとも１つとを原料粉末として、気相法を用いて複合粒子を製造する。

Description

複合粒子および複合粒子の製造方法
　本発明は、炭化チタンの複合粒子および複合粒子の製造方法に関し、特に、耐酸化性に優れる複合粒子および複合粒子の製造方法に関する。
　現在、各種の微粒子が種々の用途に用いられている。例えば、金属微粒子、酸化物微粒子、窒化物微粒子、炭化物微粒子等の微粒子は、各種電気絶縁部品等の電気絶縁材料、切削工具、機械工作材料、センサ等の機能性材料、焼結材料、燃料電池の電極材料、および触媒に用いられている。
　上述の微粒子のうち、炭化物微粒子について、特許文献１に炭化チタン微粒子の製造方法が記載されている。特許文献１では体積抵抗値（電気抵抗）が異なる炭化チタン微粒子を製造できることが記載されている。
国際公開第２０１４／００２６９５号
　従来から、上述の特許文献１のように、体積抵抗値（電気抵抗）が異なる炭化物微粒子が提案されている。しかしながら、更なる用途の拡大、および他の機能の付加等が現状では要求されており、例えば、耐酸化性等が要求されている。
　本発明の目的は、耐酸化性に優れる複合粒子および複合粒子の製造方法を提供することにある。
　上述の目的を達成するために、本発明は、ＴｉＣと、ＺｒおよびＳｉのうち、少なくとも１つとが複合化されたことを特徴とする複合粒子を提供するものである。
　ＴｉＣと、Ｚｒとが複合化された場合、Ｚｒの含有量は、０．１～２０質量％であることが好ましい。
　ＴｉＣと、Ｓｉとが複合化された場合、Ｓｉの含有量は、０．１～２０質量％であることが好ましい。
　ＴｉＣと、ＺｒおよびＳｉが複合化された場合、ＺｒおよびＳｉの含有量は、それぞれ、０．１～１０質量％であることが好ましい。
　本発明は、ＴｉＣと、ＺｒおよびＳｉのうち、少なくとも１つとが複合化された複合粒子の製造方法であって、チタン酸化物の粉末と、ジルコニウム酸化物の粉末およびケイ素酸化物の粉末のうち、少なくとも１つとを原料粉末として、気相法を用いて複合粒子を製造することを特徴とする複合粒子の製造方法を提供するものである。
気相法は、熱プラズマ法、火炎法、アークプラズマ法、マイクロ波加熱法またはパルスワイヤ法であることが好ましい。
　熱プラズマ法は、原料粉末が液体に分散されたスラリーを液滴化して熱プラズマ炎中に供給する工程と、熱プラズマ炎の終端部に、冷却ガスを供給して、複合粒子を生成する工程とを有することが好ましい。
　原料粉末を分散させる液体はアルコールであることが好ましい。
　熱プラズマ炎は、水素、ヘリウムおよびアルゴンのうち、少なくとも１つのガスに由来するものであることが好ましい。
　本発明によれば、耐酸化性に優れた複合粒子が得られる。
本発明の実施形態に係る複合粒子の製造方法に用いられる微粒子製造装置の一例を示す模式図である。 （ａ）は焼成前の炭化チタンのＸ線回折法による結晶構造の解析結果を示すグラフであり、（ｂ）は焼成前の炭化チタンとケイ素との複合粒子のＸ線回折法による結晶構造の解析結果を示すグラフである。 （ａ）は大気中で温度２００℃にて１５分焼成した後における炭化チタンのＸ線回折法による結晶構造の解析結果を示すグラフであり、（ｂ）は大気中で温度３００℃にて１５分焼成した後における炭化チタンとケイ素との複合粒子の結晶構造の解析結果を示すグラフである。 炭化チタンとケイ素との複合粒子、および炭化チタン粒子の透過率を示すグラフである。
　以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の複合粒子および複合粒子の製造方法を詳細に説明する。
　図１は本発明の実施形態に係る複合粒子の製造方法に用いられる微粒子製造装置の一例を示す模式図である。
　図１に示す微粒子製造装置１０（以下、単に製造装置１０という）は、複合粒子の製造に用いられるものである。
　複合粒子は、ＴｉＣと、ＺｒおよびＳｉのうち、少なくとも１つとが複合化された粒子のことである。複合化された粒子とは、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＳｉＣのようにそれぞれの単独粒子の炭化物の粒子が混合して存在するのではなく、ＴｉＣと、ＺｒおよびＳｉのうち少なくとも１つとが単一粒子内に含まれる炭化物粒子のことである。複合粒子におけるＺｒおよびＳｉの形態は、特に限定されるものではなく、金属単体のみならず、炭化物、酸化物、酸炭化物、不定比酸化物および不定比炭化物等の化合物の形態であってもよい。
　また、複合粒子は、ナノ粒子と呼ばれるものであり、粒子径が１～１００ｎｍとすることもできる。粒子径はＢＥＴ法を用いて測定された平均粒径である。また、複合粒子は、例えば、後述の製造方法で製造され、溶媒内等に分散されている状態ではなく、粒子状態で得られる。
　製造装置１０は、熱プラズマを発生させるプラズマトーチ１２と、複合粒子の原料粉末をプラズマトーチ１２内へ供給する材料供給装置１４と、複合粒子の１次微粒子１５を生成させるための冷却槽としての機能を有するチャンバ１６と、複合粒子の１次微粒子１５から任意に規定された粒径以上の粒径を有する粗大粒子を除去するサイクロン１９と、サイクロン１９により分級された所望の粒径を有する複合粒子の２次微粒子１８を回収する回収部２０とを有する。
　材料供給装置１４、チャンバ１６、サイクロン１９、および回収部２０については、例えば、特開２００７－１３８２８７号公報の各種装置を用いることができる。なお、複合粒子の１次微粒子１５のことを単に１次微粒子１５ともいう。
　本実施形態において、複合粒子の製造には、例えば、チタン酸化物の粉末と、ジルコニウム酸化物の粉末およびケイ素酸化物の粉末のうち、少なくとも１つとを原料粉末として用いる。
　原料粉末は、熱プラズマ炎中で容易に蒸発するように、その平均粒径が適宜設定されるが、平均粒径は、例えば、１００μｍ以下であり、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下である。
　プラズマトーチ１２は、石英管１２ａと、その外側を取り巻く高周波発振用コイル１２ｂとで構成されている。プラズマトーチ１２の上部には複合粒子の原料粉末をプラズマトーチ１２内に供給するための後述する供給管１４ａがその中央部に設けられている。プラズマガス供給口１２ｃが、供給管１４ａの周辺部（同一円周上）に形成されており、プラズマガス供給口１２ｃはリング状である。
　プラズマガス供給源２２は、プラズマガスをプラズマトーチ１２内に供給するものであり、例えば、第１の気体供給部２２ａと第２の気体供給部２２ｂとを有する。第１の気体供給部２２ａと第２の気体供給部２２ｂは配管２２ｃを介してプラズマガス供給口１２ｃに接続されている。第１の気体供給部２２ａと第２の気体供給部２２ｂには、それぞれ図示はしないが供給量を調整するためのバルブ等の供給量調整部が設けられている。プラズマガスは、プラズマガス供給源２２からリング状のプラズマガス供給口１２ｃを経て、矢印Ｐで示す方向と矢印Ｓで示す方向からプラズマトーチ１２内に供給される。
　プラズマガスには、例えば、水素ガスとアルゴンガスの混合ガスが用いられる。熱プラズマ炎は、水素ガスとアルゴンガスとに由来するものである。
　第１の気体供給部２２ａに水素ガスが貯蔵され、第２の気体供給部２２ｂにアルゴンガスが貯蔵される。プラズマガス供給源２２の第１の気体供給部２２ａから水素ガスが、第２の気体供給部２２ｂからアルゴンガスが配管２２ｃを介してプラズマガス供給口１２ｃを経て、矢印Ｐで示す方向と矢印Ｓで示す方向からプラズマトーチ１２内に供給される。なお、矢印Ｐで示す方向にはアルゴンガスだけを供給してもよい。
　高周波発振用コイル１２ｂに高周波電圧が印加されると、プラズマトーチ１２内で熱プラズマ炎２４が発生する。
　熱プラズマ炎２４の温度は、原料粉末の沸点よりも高い必要がある。一方、熱プラズマ炎２４の温度が高いほど、容易に原料粉末が気相状態となるので好ましいが、特に温度は限定されるものではない。例えば、熱プラズマ炎２４の温度を６０００℃とすることもできるし、理論上は１００００℃程度に達するものと考えられる。
　また、プラズマトーチ１２内における圧力雰囲気は、大気圧以下であることが好ましい。ここで、大気圧以下の雰囲気については、特に限定されないが、例えば、０．５～１００ｋＰａである。
　また、プラズマガスには、例えば、水素ガスとアルゴンガスの混合ガスが用いたが、これに限定されるものではなく、水素ガスと、ヘリウムガスとの組合せでもよい。熱プラズマ炎は、水素と、ヘリウムおよびアルゴンのうち、少なくとも１つのガスに由来するものである。
　なお、石英管１２ａの外側は、同心円状に形成された管（図示されていない）で囲まれており、この管と石英管１２ａとの間に冷却水を循環させて石英管１２ａを水冷し、プラズマトーチ１２内で発生した熱プラズマ炎２４により石英管１２ａが高温になりすぎるのを防止している。
　材料供給装置１４は、供給管１４ａを介してプラズマトーチ１２の上部に接続されている。材料供給装置１４は、例えば、粉末の形態で原料粉末をプラズマトーチ１２内の熱プラズマ炎２４中に供給するものである。
　材料供給装置１４は、例えば、特開２０１１－２１３５２４号公報に開示されているものを用いることができる。この場合、材料供給装置１４は、スラリー（図示せず）を入れる容器（図示せず）と、容器中のスラリーを攪拌する攪拌機（図示せず）と、供給管１４ａを介してスラリーに高圧をかけプラズマトーチ１２内に供給するためのポンプ（図示せず）と、スラリーを液滴化させてプラズマトーチ１２内へ供給するための噴霧ガスを供給する噴霧ガス供給源（図示せず）とを有する。噴霧ガス供給源は、キャリアガス供給源に相当するものである。噴霧ガスのことをキャリアガスともいう。
　スラリーとは原料粉体が液体に分散された分散液のことである。原料粉体を分散させる液体には、例えば、アルコールが用いられる。なお、アルコールとしては、例えば、エタノール、メタノール、プロパノールおよびイソプロピルアルコールを用いることができ、また、工業用アルコールを用いてもよい。なお、原料粉体を分散させる液体のことを分散媒ともいう。
　分散させる液体（分散媒）としては、炭素を含む液体状の物質であれば、アルコールに限定されるものではなく、ケトン、ケロシン、オクタン、エーテルおよびガソリンを用いることもできる。
　原料粉末をスラリーの形態で供給する材料供給装置１４では、噴霧ガス供給源から押し出し圧力をかけられた噴霧ガスを、スラリーとともに供給管１４ａを介してプラズマトーチ１２内の熱プラズマ炎２４中へ供給する。供給管１４ａは、スラリーをプラズマトーチ内の熱プラズマ炎２４中に噴霧し液滴化するための二流体ノズル機構を有しており、これにより、スラリーをプラズマトーチ１２内の熱プラズマ炎２４中に噴霧する、すなわち、スラリーを液滴化させることができる。噴霧ガスには、キャリアガスと同様に、例えば、上述のプラズマガスとして例示したアルゴンガス、ヘリウムガスの不活性ガス、水素ガスおよびこれらの混合ガスと同じものを用いることができる。
　このように、二流体ノズル機構は、スラリーに高圧をかけ、気体である噴霧ガス（キャリアガス）によりスラリーを噴霧することができ、スラリーを液滴化させるための１つの方法として用いられる。
　なお、上述の二流体ノズル機構に限定されるものではなく、一流体ノズル機構を用いてもよい。さらに他の方法として、例えば、回転している円板上にスラリーを一定速度で落下させて遠心力により液滴化する（液滴を形成する）方法、スラリー表面に高い電圧を印加して液滴化する（液滴を発生させる）方法等が挙げられる。
　また、スラリーの形態で原料粉末を供給することに限定されるものではなく、原料粉末の形態で供給する材料供給装置１４としては、例えば、特開２００７－１３８２８７号公報に開示されているものを用いることができる。この場合、材料供給装置１４は、例えば、原料粉末を貯蔵する貯蔵槽（図示せず）と、原料粉末を定量搬送するスクリューフィーダ（図示せず）と、スクリューフィーダで搬送された原料粉末が最終的に散布される前に、これを一次粒子の状態に分散させる分散部（図示せず）と、キャリアガス供給源（図示せず）とを有する。
　キャリアガス供給源から押出し圧力がかけられたキャリアガスとともに、原料粉末は供給管１４ａを介してプラズマトーチ１２内の熱プラズマ炎２４中へ供給される。
　材料供給装置１４は、原料粉末の凝集を防止し、分散状態を維持したまま、原料粉末をプラズマトーチ１２内に散布することができるものであれば、その構成は特に限定されるものではない。キャリアガスには、例えば、アルゴンガス等の不活性ガスが用いられる。キャリアガス流量は、例えば、フロート式流量計等の流量計を用いて制御することができる。また、キャリアガスの流量値とは、流量計の目盛り値のことである。
　この場合、冷却ガスに加えて、炭素源として反応性ガスを供給する。反応性ガスとしては、例えば、メタンガスが用いられる。
　また、キャリアガスを用いた原料粉末の供給では、カーボンまたは樹脂等の有機物を炭素源として原料粉末に加えてもよい。
　チャンバ１６は、プラズマトーチ１２の下方に連続して設けられており、気体供給装置２８が接続されている。チャンバ１６内で複合粒子の１次微粒子１５が生成される。また、チャンバ１６は冷却槽として機能するものである。
　気体供給装置２８は、チャンバ１６内に冷却ガスを供給するものである。気体供給装置２８は、気体供給源２８ａと配管２８ｂとを有し、さらに、チャンバ１６内に供給する冷却ガスに押出し圧力をかけるコンプレッサ、ブロア等の圧力付与手段（図示せず）を有する。また、気体供給源２８ａからのガス供給量を制御する圧力制御弁２８ｃが設けられている。例えば、気体供給源２８ａにアルゴンガスが貯蔵されている。冷却ガスはアルゴンガスである。
　気体供給装置２８は、熱プラズマ炎２４の尾部、すなわち、プラズマガス供給口１２ｃと反対側の熱プラズマ炎２４の端、すなわち、熱プラズマ炎２４の終端部に向かって、例えば、４５°の角度で、矢印Ｑの方向に、冷却ガスとしてアルゴンガスとメタンガス、水素ガス等の混合ガスを供給し、かつチャンバ１６の内側壁１６ａに沿って上方から下方に向かって、すなわち、図１に示す矢印Ｒの方向に上述の冷却ガスを供給する。
　気体供給装置２８からチャンバ１６内に供給される冷却ガスにより、熱プラズマ炎２４で気相状態にされた原料粉末が急冷されて、複合粒子の１次微粒子１５が得られる。これ以外にも上述の冷却ガスはサイクロン１９における１次微粒子１５の分級に寄与する等の付加的作用を有する。
　複合粒子の１次微粒子１５の生成直後の微粒子同士が衝突し、凝集体を形成することで粒径の不均一が生じると、品質低下の要因となる。しかしながら、熱プラズマ炎の尾部（終端部）に向かって矢印Ｑの方向に冷却ガスとして供給される混合ガスが１次微粒子１５を希釈することで、微粒子同士が衝突して凝集することが防止される。
　また、矢印Ｒ方向に冷却ガスにより、１次微粒子１５の回収の過程において、１次微粒子１５のチャンバ１６の内側壁１６ａへの付着が防止され、生成した１次微粒子１５の収率が向上する。
　図１に示すように、チャンバ１６には、複合粒子の１次微粒子１５を所望の粒径で分級するためのサイクロン１９が設けられている。このサイクロン１９は、チャンバ１６から１次微粒子１５を供給する入口管１９ａと、この入口管１９ａと接続され、サイクロン１９の上部に位置する円筒形状の外筒１９ｂと、この外筒１９ｂ下部から下側に向かって連続し、かつ、径が漸減する円錐台部１９ｃと、この円錐台部１９ｃ下側に接続され、上述の所望の粒径以上の粒径を有する粗大粒子を回収する粗大粒子回収チャンバ１９ｄと、後に詳述する回収部２０に接続され、外筒１９ｂに突設される内管１９ｅとを備えている。
　サイクロン１９の入口管１９ａから、１次微粒子１５を含んだ気流が、外筒１９ｂ内周壁に沿って吹き込まれ、これにより、この気流が図１中に矢印Ｔで示すように外筒１９ｂの内周壁から円錐台部１９ｃ方向に向かって流れることで下降する旋回流が形成される。
　そして、上述の下降する旋回流が反転し、上昇流になったとき、遠心力と抗力のバランスにより、粗大粒子は、上昇流にのることができず、円錐台部１９ｃ側面に沿って下降し、粗大粒子回収チャンバ１９ｄで回収される。また、遠心力よりも抗力の影響をより受けた微粒子は、円錐台部１９ｃ内壁での上昇流とともに内管１９ｅから系外に排出される。
　また、内管１９ｅを通して、後に詳述する回収部２０から負圧（吸引力）が生じるようになっている。そして、この負圧（吸引力）によって、上述の旋回する気流から分離した複合粒子が、符号Ｕで示すように吸引され、内管１９ｅを通して回収部２０に送られるようになっている。
　サイクロン１９内の気流の出口である内管１９ｅの延長上には、所望のナノメートルオーダの粒径を有する２次微粒子（複合粒子）１８を回収する回収部２０が設けられている。回収部２０は、回収室２０ａと、回収室２０ａ内に設けられたフィルター２０ｂと、回収室２０ａ内下方に設けられた管を介して接続された真空ポンプ３０とを備える。サイクロン１９から送られた微粒子は、真空ポンプ３０で吸引されることにより、回収室２０ａ内に引き込まれ、フィルター２０ｂの表面で留まった状態にされて回収される。
　なお、上述の製造装置１０において、使用するサイクロンの個数は、１つに限定されず、２つ以上でもよい。
　次に、上述の製造装置１０を用いた複合粒子の製造方法の一例について説明する。
　まず、複合粒子の原料粉末として、チタン酸化物（ＴｉＯ２）の粉末と、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２）の粉末およびケイ素酸化物（ＳｉＯ２）の粉末のうち、少なくとも１つとを用いる。原料粉末に用いる各種の粉末は、例えば、平均粒径が５μｍ以下のものを用いる。原料粉末を材料供給装置１４に投入する。
　原料粉末にチタン酸化物の粉末とジルコニウム酸化物の粉末とを用いると、複合粒子として炭化チタンとジルコニウムの複合粒子が得られる。
　原料粉末にチタン酸化物の粉末とケイ素酸化物の粉末とを用いると、複合粒子として、炭化チタンとケイ素の複合粒子が得られる。
　プラズマガスに、例えば、アルゴンガスおよび水素ガスを用いて、高周波発振用コイル１２ｂに高周波電圧を印加し、プラズマトーチ１２内に熱プラズマ炎２４を発生させる。
　また、気体供給装置２８から熱プラズマ炎２４の尾部、すなわち、熱プラズマ炎２４の終端部に、矢印Ｑの方向に、冷却ガスとして、例えば、アルゴンガスを供給する。このとき、矢印Ｒの方向にも、冷却ガスとして、アルゴンガスを供給する。
　本実施形態の炭化物微粒子の製造方法では、まず、原料粉末を分散媒中に分散させてスラリーを得る。このとき、スラリー中の原料粉末と分散媒との混合比は、２～５：８～５（２０～５０％：８０～５０％）であることが好ましい。分散媒は、原料粉末を還元するとともに、炭化するための炭素源として作用するものであるため、余剰の炭素が生じるように、この原料粉末と分散媒との質量比は、適宜変更してスラリーが調製される。
　さらに、スラリーを調整する際に、界面活性剤、高分子、およびカップリング剤よりなる群より選ばれる１種または２種以上の混合物を添加してもよい。界面活性剤としては、例えば、ノニオン性界面活性剤であるソルビタン脂肪酸エステルが用いられる。高分子としては、例えば、ポリアクリル酸アンモニウムが用いられる。カップリング剤としては、例えば、シランカップリング剤等が用いられる。界面活性剤、高分子、およびカップリング剤よりなる群より選ばれる１種または２種以上の混合物をスラリーに添加することにより、原料粉末が分散媒で凝集することをより効果的に防止して、スラリーを安定化させることができる。
　上述のようにして調整されたスラリーは、図１に示す材料供給装置１４の容器（図示せず）内に入れられ、攪拌機で攪拌される。これにより、分散媒中の原料粉末が沈澱することを防止し、分散媒中で原料粉末が分散された状態のスラリーが維持される。なお、材料供給装置１４に原料粉末と分散媒とを供給して連続的にスラリーを調製してもよい。
　次に、前述の二流体ノズル機構を用いてスラリーを液滴化させ、液滴化されたスラリーが、プラズマトーチ１２内に供給されることにより、プラズマトーチ１２内に発生している熱プラズマ炎中に供給されて、分散媒を燃焼させることなく炭素が生成される。
　次に、酸素を殆ど含まない熱プラズマ炎中でスラリーが蒸発し、更にはアルコール等の分散媒を燃焼させることなく分解されて炭素が得られる。この炭素が、原料粉末に比して多く生成されるように、スラリーにおける分散媒の量が調整されている。発生した炭素と原料粉末とが反応し、金属酸化物が金属に還元される。その後、余剰の炭素と還元された金属とが反応して炭化物が生成される。この生成された炭化物が、矢印Ｑで示される方向に射出される気体（冷却ガス）によって急冷されて、チャンバ１６内で急冷されることにより、複合粒子の１次微粒子１５が得られる。
　そして、チャンバ１６内で得られた複合粒子の１次微粒子１５は、サイクロン１９の入口管１９ａから、気流とともに外筒１９ｂの内周壁に沿って吹き込まれ、これにより、この気流が図１の矢印Ｔに示すように外筒１９ｂの内周壁に沿って流れることにより、旋回流を形成して下降する。そして、上述の下降する旋回流が反転し、上昇流になったとき、遠心力と抗力のバランスにより、粗大粒子は、上昇流にのることができず、円錐台部１９ｃ側面に沿って下降し、粗大粒子回収チャンバ１９ｄで回収される。また、遠心力よりも抗力の影響をより受けた微粒子は、円錐台部１９ｃ内壁での上昇流とともに内壁から系外に排出される。
　排出された２次微粒子（複合粒子）１８は、真空ポンプ３０による回収部２０からの負圧（吸引力）によって、図１中、符号Ｕに示す方向に吸引され、内管１９ｅを通して回収部２０に送られ、回収部２０のフィルター２０ｂで回収される。このときのサイクロン１９内の内圧は、大気圧以下であることが好ましい。また、２次微粒子（複合粒子）１８の粒径は、目的に応じて、ナノメートルオーダの任意の粒径が規定される。
　このように、複合粒子を、チタン酸化物の粉末と、ジルコニウム酸化物の粉末およびケイ素酸化物の粉末のうち、少なくとも１つとを用いた原料粉末をプラズマ処理するだけで容易かつ確実に得ることができる。
　しかも、本実施形態の複合粒子の製造方法により製造される複合粒子は、その粒度分布幅が狭い、すなわち、均一な粒径を有し、１μｍ以上の粗大粒子の混入が殆どない。
　なお、熱プラズマ炎を用いて複合粒子の１次微粒子を形成しているが、気相法を用いて複合粒子の１次微粒子を形成することができる。このため、気相法であれば、熱プラズマ炎を用いた熱プラズマ法に限定されるものではなく、火炎法、アークプラズマ法、マイクロ波加熱法またはパルスワイヤ法により、複合粒子の１次微粒子を形成する製造方法でもよい。
　ここで、火炎法とは、火炎を熱源として用い，気相または液相の原料粉末を火炎に通すことにより複合粒子を合成する方法である。火炎法では、原料粉末を気相または液相の状態で、火炎に供給し、そして、冷却ガスを火炎に供給し、火炎の温度を低下させて複合粒子の１次微粒子１５を得る。
　気相の状態の原料粉末とは、例えば、上述のキャリアガスに原料粉末が分散した状態のことをいう。液相の状態の原料粉末とは、原料粉末が溶媒に分散した状態のことをいい、スラリーの状態である。
　なお、冷却ガスは、上述の熱プラズマ法と同じものを用いることができる。
　次に、複合粒子について説明する。
　上述のように、本発明の複合粒子は、粒子径が１～１００ｎｍであるナノ粒子と呼ばれるものである。粒子径はＢＥＴ法を用いて測定された平均粒径である。
　また、本発明の複合粒子は、上述のように、溶媒内等に分散されている状態ではなく、複合粒子単独で存在する。このため、溶媒との組合せ等も特に限定されるものではなく、溶媒の選択の自由度は高い。
　また、上述のように、複合粒子は、ＴｉＣと、ＺｒおよびＳｉのうち、少なくとも１つとが複合化された粒子のことである。
　ＴｉＣと、Ｚｒとが複合化された場合、Ｚｒの含有量は、０．１～２０質量％であることが好ましい。Ｚｒの含有量が上述の範囲であれば耐酸化性に優れる。
　ＴｉＣと、Ｓｉとが複合化された場合、Ｓｉの含有量は、０．１～２０質量％であることが好ましい。Ｓｉの含有量が上述の範囲であれば耐酸化性に優れる。
　ＴｉＣと、ＺｒおよびＳｉが複合化された場合、ＺｒおよびＳｉの含有量は、それぞれ、０．１～１０質量％であることが好ましい。ＺｒおよびＳｉの含有量が上述の範囲であれば耐酸化性に優れる。
　なお、上述の各元素の含有量（質量％）は、ＸＲＦ（蛍光Ｘ線分析）で測定して求めることができるが、各元素の含有量（質量％）は、不純物を省いて得られたものである。
　具体的には、Ｚｒの含有量の場合、ＸＲＦ（蛍光Ｘ線分析）で測定して求めた各元素の含有量（質量％）からＴｉとＺｒ以外の元素の含有量（質量％）を省いてＴｉとＺｒの合計質量％が１００となるようにした際の質量％のことである。
　図２（ａ）は焼成前の炭化チタンのＸ線回折法による結晶構造の解析結果を示すグラフであり、（ｂ）は焼成前の炭化チタンとケイ素との複合粒子のＸ線回折法による結晶構造の解析結果を示すグラフである。図３（ａ）は大気中で温度２００℃にて１５分焼成した後における炭化チタンのＸ線回折法による結晶構造の解析結果を示すグラフであり、（ｂ）は大気中で温度３００℃にて１５分焼成した後における炭化チタンとケイ素との複合粒子の結晶構造の解析結果を示すグラフである。なお、図３（ａ）における●はチタンの酸化物の回折ピークを示す。
　図３（ａ）と図３（ｂ）とを比較すると、炭化チタンとケイ素との複合粒子は、炭化チタンの焼成温度である２００℃よりも高い３００℃で焼成しても、焼成後にチタンの酸化物の回折ピークの強度が殆どなく、耐酸化性に優れている。
　色味についても、大気中で温度２００℃にて１５分焼成した後の炭化チタンではチタンの酸化物の生成に伴い粉全体が白く変化したが、炭化チタンとケイ素との複合粒子では３００℃にて１５分焼成しても変化しなかった。このことからも、炭化チタンよりも炭化チタンとケイ素との複合粒子の方が、酸化開始温度を高くでき、耐酸化性に関し有効である。
　さらには、炭化チタンとケイ素との複合粒子の透過率を測定した。図４は炭化チタンとケイ素との複合粒子および炭化チタン粒子の透過率を示すグラフである。なお、図４に示す符号４０は炭化チタンを示し、符号４２は炭化チタンとケイ素との複合粒子を示す。
　図４に示すように、炭化チタンとケイ素との複合粒子（符号４２参照）は、測定した波長域において、炭化チタン（符号４０参照）と同程度の透過率を有する。
　このように、炭化チタンとケイ素との複合粒子は、耐酸化性に優れ、かつ炭化チタンと同程度の透過率を有する。
　透過率は、炭化チタンとケイ素との複合粒子を水に超音波で分散させて、紫外可視分光光度計で測定して求めた値である。
　複合粒子は、例えば、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置等のブラックマトリックスに利用することができる。複合粒子は、遮光材として利用することができる。この場合、カラーフィルターの遮光材、およびＴＦＴの外光側の遮光材として利用することができる。
　印刷インク、インクジェットインク、フォトマスク作製材料、印刷用プルーフ作製用材料、エッチングレジスト、ソルダーレジストにも利用することができる。
　上述の以外に、複合粒子は、例えば、触媒担体に利用することができ、この場合、粒径を小さくすることができるため、触媒の性能を高めることができる。
　また、金属、酸化物、プラスチック等と混合し、色調を調整する顔料などにも利用することができる。
　その他、半導体基板、プリント基板、各種電気絶縁部品等の電気絶縁材料、切削工具、ダイス、軸受等の高硬度高精度の機械工作材料、粒界コンデンサ、湿度センサ等の機能性材料、精密焼結成形材料等の焼結体の製造、エンジンバルブ等の高温耐摩耗性が要求される材料等の溶射部品製造、さらには燃料電池の電極、電解質材料および各種触媒等に用いることができる。
　本実施形態においては、炭化物微粒子の粒径をナノサイズにできるため、例えば、焼結体に利用する場合、焼結性を高めることができ、高い強度の焼結体を得ることができる。これより、例えば、切削性が良好な工具を得ることができる。
　本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の複合粒子および複合粒子の製造方法について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。
１０　微粒子製造装置
　１２　プラズマトーチ
　１４　材料供給装置
　１５　１次微粒子
　１６　チャンバ
　１８　微粒子（２次微粒子）
　１９　サイクロン
　２０　回収部
　２２　プラズマガス供給源
　２４　熱プラズマ炎
　２８　気体供給装置
　３０　真空ポンプ
 

Claims (9)

  1. 　ＴｉＣと、ＺｒおよびＳｉのうち、少なくとも１つとが複合化されたことを特徴とする複合粒子。
  2. 　前記ＴｉＣと、前記Ｚｒとが複合化された場合、前記Ｚｒの含有量は、０．１～２０質量％である請求項１に記載の複合粒子。
  3. 　前記ＴｉＣと、前記Ｓｉとが複合化された場合、前記Ｓｉの含有量は、０．１～２０質量％である請求項１に記載の複合粒子。
  4. 　前記ＴｉＣと、前記Ｚｒおよび前記Ｓｉが複合化された場合、前記Ｚｒおよび前記Ｓｉの含有量は、それぞれ、０．１～１０質量％である請求項１に記載の複合粒子。
  5. 　ＴｉＣと、ＺｒおよびＳｉのうち、少なくとも１つとが複合化された複合粒子の製造方法であって、
    　チタン酸化物の粉末と、ジルコニウム酸化物の粉末およびケイ素酸化物の粉末のうち、少なくとも１つとを原料粉末として、気相法を用いて複合粒子を製造することを特徴とする複合粒子の製造方法。
  6. 前記気相法は、熱プラズマ法、火炎法、アークプラズマ法、マイクロ波加熱法またはパルスワイヤ法である請求項５に記載の複合粒子の製造方法。
  7. 　前記熱プラズマ法は、前記原料粉末が液体に分散されたスラリーを液滴化して熱プラズマ炎中に供給する工程と、
    　前記熱プラズマ炎の終端部に、冷却ガスを供給して、前記複合粒子を生成する工程とを有する請求項６に記載の複合粒子の製造方法。
  8. 　前記原料粉末を分散させる前記液体はアルコールである請求項７に記載の複合粒子の製造方法。
  9. 　前記熱プラズマ炎は、水素と、ヘリウムおよびアルゴンのうち、少なくとも１つのガスに由来するものである請求項７または８に記載の複合粒子の製造方法。
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