窒化物-酸化物系セラミックスの高温での液相生成と液相焼結の機構解明-Y_2O_3添加AlN焼結体の液相生成と高熱伝導化処理にともなう物質移動

• 研究課題/領域番号: 05650629
• 研究種目: 一般研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 無機材料・物性
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 篠崎 和夫 東京工業大学, 工学部, 助教授 (00196388)
• 研究分担者: 桜井 修 東京工業大学, 工学部, 教務職員 (20108195) ; 舟窪 浩 東京工業大学, 工学部, 助手 (90219080)
• 研究期間 (年度): 1993 – 1994
• 研究課題ステータス: 完了 (1994年度)
• 配分額: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円); 1994年度: 400千円 (直接経費: 400千円); 1993年度: 2,100千円 (直接経費: 2,100千円)
• キーワード: 窒化アルミニウム / Y_2O_3-Al_2O_3粒界相 / 液相生成 / 液相焼結 / 高温DTA / Liquid Phase Sintering / High Temperature DTA

研究概要

AlNセラミックスの焼結は液相焼結機構で進むことが知られているが,この液相は焼結助剤と原料中の不純物酸素から生成すると考えられていた.本研究では粒界相成分が高温ではAlN自身と反応することを実験的に示し,焼結時の熱伝導率向上の機構の一端を明らかにした.
高温反応を明らかにするため非酸化雰囲気で使用可能な超高温DTA(最高温度2000℃)を試作した.試作したDTAはW/W-Re系熱電対を組み込んだBN製のDTAユニットを用いており,ヒ-タからのリ-ク電流やC蒸気が試料に影響しないような構造を工夫した.また,直流電源を用いてノイズとなりうる急峻な制御電流の変化を極力抑えた.一方,高温での状態を凍結するために試料を高温から急冷する実験も行った.
Y_4Al_2O_9-AlN系,Y_3Al_5O_<12>-AlN系およびAl_2O_3-Y_2O_3共晶組成とAlNの間の各組成について液相生成温度を測定した.測定後の構成相分析から実験範囲内で化合物の生成は認められず,いずれの系でもAlNを添加するとAl_2O_3-Y_2O_3系のそれぞれの化合物に対して液相生成温度が大幅(80〜230℃)に低下した.実験範囲で最低液相生成温度は約1690℃であった.
上記組成を高温から急冷した試料のXRD,EPMA測定の結果から,粒界相成分の格子定数が液相生成温度以上で若干変化する現象が見られたが,液相中に窒素が溶解しているという直接的な証拠は得られなかった.これはDTAの結果と合わせてAlNと粒界相がそれぞれ共晶系の振る舞いをすると考えると理解できる.Y_3Al_5O_<12>-AlN系の一部について予想状態図を提案した.
AlNの焼結は添加助剤と原料中の不純物酸素から生成する液相により進行するが,その際にAlNが粒界相中に大量に溶解し再析出する過程で不純物酸素が粒界相中に取り残され高純度化する.

研究成果

• [文献書誌] K.Shinozaki: "Phase Chemistry and Migration of Grain Boundary Phases in AlN Ceramics." Proceedings of Japan-US Workshop on Functional Fronts in Advanced Ceramics,PA-16. 227-229 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 有永 俊: "非酸化雰囲気用小型高温DTAの試作" 日本セラミックス協会学術論文誌. (投稿中).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Shinozaki: "Liquid Phase Formation in the System Y_2O_3-Al_2O_3-AlN System." J.Am.Ceram.Soc.,in preparation.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Shinozaki: "Liquid phase formation and sintering of AlN." The Abstracts of the 95th Annual Meeting of the American Ceramic Society,SXV-40-93. 210 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 山下裕久: "自作の高温DTAを用いたAlN-Y_2O_3(CaO)-Al_2O_3系における液相生成温度の測定" 日本セラミックス協会1993年年会講演予稿集3C05. 601 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 有永 俊: "Y_2O_3,CaOを添加したAlNの液相生成" 日本セラミックス協会1994年年会講演予稿集2C04. 349 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Shinozaki, A.Saiki, S.Arinaga, Y.Sawada and N.Mizutani: "Phase Chemistry and Migration of Grain Boundary Phases in AlN Ceramics." Proceedings of Japan-US Workshop on Functional Fronts in Advanced Ceramics. PA-16. 227 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Arinaga, H.Yamashita, Y.Sawada, K.Shinozaki and N.Mizutani: "Development of High Temperature Nonoxidizing-Atomospheric DTA(in Japanese)" J.Ceram.Soc.Japan. (in submission.).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Shinozaki, S.Arunaga, H.Yamashita, Y.Sawada and N.Mizutani: "Liquid Phase Formation in the System Y_2O_3-Al_2O_3-AlN System." J.Am.Ceram.Soc.(in preparation.).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Shinozaki, H.Yamashita, N.Mizutani and Y.Sawada: "Liquid phase formation and sintering of AlN." The Abstracts of the 95th Annual Meeting of the American Ceramic Society. SXV-40-93. 210 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Yamashita, K.Shinozaki and N.Mizutani: "The temperature measurement of the liquid phase fromation in AlN-Y_2O_3(CaO)-Al_2O_3 system using a self-made high temperarure DTA(in Japanese)." Teh Abstract of 1993 Annual Meeting of Ceram.Soc.Japan. 3C05. 601 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Arinaga, K.Shinozaki and N.Mizutani: "The liquid phase formation of AlN with addition of Y_2O_3 and CaO(in Japanese)." The Abstract of 1994 Annual Meeting of Ceram.Soc.Japan. 2C04. 349 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Shinozaki,et.al.: "Phase Chemistry and Migration of Grain Boundary Phases in AlN Ceramics." Proceedings of Japan-US Workshop on Functional Fronts in Advanced Ceramics,. 227-229 (1994)