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超伝導磁石による高磁場空間を利用するコロイド成形法は、非接触で球状微粒子を配向でき、任意の形状の成形体も作製可能な魅力的な成形方法である。本研究では、多結晶の利点である微細構造制御と添加物による組成制御、および、単結晶で見出された優れた光学特性を併せ持つ光学デバイスを開発し特性向上を目指した。結晶配向透明セラミックスを目指してニオブ酸タンタル酸カリウム及びニオブ酸バリウムナトリウム等について、その粉体から焼結までを検討した。
それぞれの粉体を固相反応で合成した。原料粉の粒度、反応条件を検討して、1μm程度の合成粉を得た。成形段階では、非水系溶媒でのスラリー分散性を検討して最適化を行い、磁場中でのコロイド成形によりc軸配向成形体を得た。ペロブスカイト構造をもつニオブ酸タンタル酸カリウムの配向性は粒径の増加すると配向性は上がるが、a軸の配向もみられた。これは粒子内の複数のドメインの存在を示した。ニオブ酸バリウムナトリウムでは高いc軸性が得られ、粒子径とスラリーの分散性が配向性に強く影響することが明らかとなった。
磁場中での配向性に及ぼす粒子径や磁束密度、配向時間依存性を明らかにした。両物質ともに焼結密度は90%程度で飽和した。そこでアルカリ金属の添加について検討したところ、相対密度は95%以上となり、アルカリ成分の過剰添加が緻密化に効果的であることがわかった。加えて、粒成長抑止にも効果的であることも明らかとなった。最後に、相対密度が95%以上となった試料において、カプセルフリーの高温等方圧加圧焼結を行って緻密化させたところ、両者ともに相対密度が99%以上の試料となり、透光性は得られたが、光機能性を示す透明体とはならなかった。透過率はニオブ酸バリウムナトリウムでは波長1100 nmで直線透過率が14 %となった。透明体とする焼結条件の課題が残った。
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