希土類-ジルコニア多核水酸化物錯体の超臨界溶媒処理による高強度セラミックスの作製

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中和沈殿法により生成した12mol%セリア固溶ジルコニア(12Ce-ZrO_2)と3mol%イットリア固溶ジルコニア(3Y-ZrO_2)の混合非晶質多核水酸化物錯体ゲルをメタノールやヘキサン中に分散し、25℃付近の穏和な条件下で熱処理し、結晶化させるとともに、超臨界乾燥すると著しく焼結性に優れた正方晶ジルコニア粉末が得られることを見い出した。粉末の結晶化速度は、溶媒に水を添加すると促進されたが、過剰の水を添加すると、生成粉末の焼結性が損なわれた。水の最適添加量は、溶媒により異なり、メタノールの場合、50vol%までの水の添加では、焼結性を損なうことなく結晶化を著しく促進できることが明らかとなった。これより、ゲルの結晶化は、溶解-再析機構で進行し、水はゲルの溶解反応を促進しているものと推察された。得られた結晶化粉末は、通常のジルコニアの焼結温度(1500℃)より、300℃も低温の1200℃の常圧焼結で理論密度まで緻密化し、粒径0.2μm程度の著しく微細なジルコニア粒子からなる焼結体が得られた。12Ce-ZrO_2と3Y-ZrO_2は完全固溶し、いずれも正方晶ジルコニアのX線回折パターンを示し、3Y-ZrO_2の固溶割合の増加とともに格子定数は連続的に減少した。12Ce-ZrO_2への3Y-ZrO_2の固溶割合を増すと、焼結体の熱安定性は低下し、200℃の水熱条件下でアニールした時の単斜晶ジルコニアへの相転移割合が増加したが、3Y-ZrO_2の固溶割合25mol%以下では水熱処理による正方晶→単斜晶相転移は認められなかった。なお、1450℃で焼結した3Y-ZrO_2は水熱処理により70%の正方晶ジルコニアが単斜晶に相転移したが、1200℃で低温焼結すると相転移率を5%以下に減少させることができた。一方、焼結体の破壊強度は、25mol%の3Y-ZrO_2の固溶により3Y-ZrO_2単独の値(1000MPa)まで増加したが、さらに50〜75mol%3Y-ZrO_2の固溶では低下した。これらの結果より、12Ce-ZrO_2に25mol%の3Y-ZrO_2を固溶することにより、機械的性質と熱安定性の優れた正方晶ジルコニアを合成できることがわかった。