融体急冷法による多成分セラミックスナノ材料の作製と評価

セラミックスは一般に固相プロセス、すなわち粉体合成(調整)→成形→固定化(焼結)の3段階を経て作製されている。近年注目されているナノセラミックス材料でもこのルートが探求されているが、微細な結晶粒子の均一な分散、固化、さらに焼結においてもそれぞれ困難があり、限られた系でしか成功していない。我々はこれらの固相プロセスに対してより簡便でありながら応用範囲の広い融体鋳造法によるセラミックナノコンポジットの作製法を開発した。この方法の新しさは、まず三元あるいは擬三元系の共晶点付近の融体を急冷すれば、三元共晶析出による微細な結晶の集合体(ナノ構造体)ができると予想したことにある。場合によっては、融体が過冷却された非晶質が得られるが、これを適切に熱処理してやれば多相の結晶相からなるナノコンポジットとすることができる。以上の考えを基に、HfO_2-Al_2O_3-SrTiO_3系およびHfO_2-AlO_3-BaTiO_3系を検討した。所定の酸化物混合粉体をアークイメージ炉で水冷銅版上で融解し、急速に冷却したところ数mm径の透明な球状試料が得られた。これらはほぼ完全は非晶質であり、1000℃以上のアニールによってHfO_2-Al_2O_3-SrTiO_3あるいはBaTiO_3からなるナノコンポジットになることが分かった。SiO_2やB_2O_3などのガラス形成成分を多量に含むガラスセラミックスを除けば、セラミックスの融体鋳造は困難と考えられていたので、このようなナノコンポジットセラミックスはこれまでほとんど報告もなく、どのような物性を示すか?も含めて新しいセラミック材料として大きな発展が期待される。

セラミックスは一般に固相プロセス、すなわち粉体合成(調整)→成形→固定化(焼結)の3段階を経て作製されている。近年注目されているナノセラミックス材料でもこのルートが探求されているが、微細な結晶粒子の均一な分散、固化、さらに焼結においてもそれぞれ困難があり、限られた系でしか成功していない。我々はこれらの固相プロセスに対してより簡便でありながら応用範囲の広い融体鋳造法によるセラミックナノコンポジットの作製法を開発した。この方法の新しさは、まず三元あるいは擬三元系の共晶点付近の融体を急冷すれば、三元共晶析出による微細な結晶の集合体(ナノ構造体)ができると予想したことにある。場合によっては、融体が過冷却された非晶質が得られるが、これを適切に熱処理してやれば多相の結晶相からなるナノコンポジットとすることができる。以上の考えを基に、HfO_2-Al_2O_3-SrTiO_3系およびHfO_2-AlO_3-BaTiO_3系を検討した。所定の酸化物混合粉体をアークイメージ炉で水冷銅版上で融解し、急速に冷却したところ数mm径の透明な球状試料が得られた。これらはほぼ完全は非晶質であり、1000℃以上のアニールによってHfO_2-Al_2O_3-SrTiO_3あるいはBaTiO_3からなるナノコンポジットになることが分かった。SiO_2やB_2O_3などのガラス形成成分を多量に含むガラスセラミックスを除けば、セラミックスの融体鋳造は困難と考えられていたので、このようなナノコンポジットセラミックスはこれまでほとんど報告もなく、どのような物性を示すか?も含めて新しいセラミック材料として大きな発展が期待される。