2019 Fiscal Year Research-status Report
Creation and Properties Evaluation of High Performance Reduction-Resistant Lead-Free Ferroelectric Oxide Ceramics with Crystal Growth Orientation Control
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18K04698
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| Research Institution | Chubu University |
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Principal Investigator |
坂本 渉 中部大学, 工学部, 教授 (50273264)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 無鉛圧電セラミックス / 耐還元性付与 / 酸素分圧制御 / 粒成長促進剤 / 結晶配向付与 / 圧電特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和元年度（平成31年度）は、BaTiO3系材料よりもキュリー温度が高いNaNbO3系強誘電体酸化物を中心として低酸素分圧下での焼成を可能にする耐還元性を有し、かつ圧電特性評価に耐えうる高絶縁性のセラミックス材料を開発する研究を主に行った。試料焼成時の還元雰囲気の制御を再現性よくかつ正確に行う酸素分圧制御法については、前年度と同様にCO2-H2混合ガス系における平衡反応を応用したCO2-H2-Ar混合ガス雰囲気を用いる方法で、Ni卑金属電極との同時焼結を想定した高精度な酸素分圧制御を行った。NaNbO3-BaTiO3固溶体系組成に対してMnCO3, ZrO2, Li2CO3を微量添加したとき、還元雰囲気焼成試料においても大気中焼成試料と同条件で分極処理が可能な高抵抗率を示す試料となり、圧電特性を評価可能な試料が得られることがわかった。また、組成を最適化することにより強誘電-常誘電相転移温度であるキュリー温度も200℃以上にできることもわかった。また、前年度に開発した優れた圧電特性を示すLi2CO3を添加したBaTiO3系材料については、その特性を高めるため、セラミックス中の結晶粒子の成長方位を制御する技術（Templated Grain Growth法）を応用した粒子配向セラミックスの作製について検討を行った。特に、結晶配向を付与するためのシード結晶となる板状ペロブスカイト結晶微粒子の合成条件については、板状ビスマス層状ペロブスカイト酸化物前駆体粒子の合成および板状ペロブスカイト結晶微粒子を得るトポケミカルマイクロクリスタルコンバージョン反応の条件（フラックス剤の効果、加熱処理条件の効果など）を最適化した。ここで得られた板状粒子を用いて粒子配向セラミックスの作製を行い、目的とする結晶面方位に90％以上の配向度を有する試料の作製に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和元（平成31）年度までの本研究課題の進捗状況については、以下のような理由からほぼ順調に遂行できていると考えられる。①セラミックス試料焼成時の還元雰囲気の制御を再現性よくかつ正確に行える酸素分圧制御法の確立ができた。②BaTiO3系セラミックス試料に対する粒成長促進剤の選択とその添加量を最適化することにより、電極材料として想定したNi金属の融点よりもかなり低い焼結温度域でも、鉛系圧電セラミックスに匹敵するような圧電定数値を示す試料の作製を可能とし、かつ還元雰囲気焼成試料において大気雰囲気焼成試料と同等の圧電特性を達成することに成功した。また、③耐還元性を有する無鉛多結晶セラミックス材料の機能を最大限に（単結晶に近いレベルまで）高めるセラミックス中の結晶粒子の成長方位を制御する技術としてのTemplated Grain Growth法による粒子配向セラミックス作製については、目的とする結晶面方位に90％以上の配向度を有する試料の作製に成功した。さらに、④BaTiO3系材料よりもキュリー温度が高いNaNbO3系材料については、NaNbO3-BaTiO3固溶体系組成を最適化し、MnCO3, ZrO2, Li2CO3を微量添加することで、低酸素分圧下で焼成した試料においても大気中焼成試料と同条件で分極処理が可能な高抵抗率の試料となり、圧電特性の評価に耐えうる耐還元試料が得られることに加え、強誘電-常誘電相転移温度であるキュリー温度を200℃以上にできることも明らかにできた。以上、①～④で得られた知見をもとに、種々の無鉛圧電セラミックス材料に対して耐還元性の付与と高機能化を達成するための道筋をより明確にすることができた。このことは本研究課題で目指す高機能耐還元粒子配向無鉛圧電セラミックス材料の実現に向けて大きく貢献するものとなり得る。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度は、前年度に開発した高キュリー温度を示すNaNbO3系強誘電体酸化物材料のさらなる特性向上を目指した組成の探索を継続して行い、耐還元性の付与を行う。ここでは、還元雰囲気焼成試料においても高キュリー温度を維持したまま大気中焼成試料と同等の電気的特性の達成を目指す。また、これまでに開発した耐還元性を有する圧電セラミックス材料の機能を最大限に（単結晶に近いレベルまで）高めるため、セラミックス中の結晶粒子の成長方位を制御する技術（Templated Grain Growth法）を応用した粒子配向セラミックスの作製についての検討も継続して行う。特に、結晶配向を付与するためのシード結晶となる板状ペロブスカイト結晶微粒子の合成条件については、板状ビスマス層状ペロブスカイト前駆体粒子の合成および板状ペロブスカイト結晶微粒子を得るためのトポケミカルマイクロクリスタルコンバージョン反応の条件（フラックス剤の効果、組成変性効果、加熱処理条件の効果など）についてさらに最適化できるよう継続して検討を行う。粒子配向試料作製については、各組成系に対して粒成長促進のための添加物を駆使した焼結挙動の制御を行い、高機能耐還元粒子配向無鉛圧電セラミックスの実現を目指す。ここでは、これまでに作製したものも含めて粒子配向セラミックスの結晶配向度、微構造、電気的特性を詳細に調べることで試料作製プロセスの改善を行い、粒子配向性, 結晶格子歪み状態と誘電特性, 強誘電特性, 圧電特性の解析データ間の関係性から特性向上のための因子を明らかにする。さらに、実際の積層型圧電素子を想定した際に重要となる卑金属（Ni）電極材料との同時焼結を行い、これに関する問題点（電極との界面の評価を含む）と改善点を明確にする。
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| Causes of Carryover |
研究遂行のため初年度に購入を予定していた備品類が事前に調達できたため、これまでの支出額が少なくなり次年度使用額が生じた。次年度に新たな試料作製・評価用装置の購入と計画よりも多くの試料作製・評価用の消耗品類の購入を予定しているためこれに使用する。また、現在一部の評価装置に故障（不具合）が生じているため、これらの修理に関わる費用も必要となる可能性がありこれにも充てる予定。
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