ナノサイズTiN被覆Si_3N_4の放電プラズマ焼結と高導電性セラミックスの作製

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14655326
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 嶋田 志郎 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90002310)
• Keywords: Nano / TiN / Si_3N_4 / Composite / Spark Plasma Sintering / Conductive / Ceramics / Coating

Research Abstract

(I)TiCl_4の加水分解から生成したTiO_2の窒化によりTiN被覆Si_3N_4複合粒子の作製
塩酸水溶液にTiCl_4を滴下し、尿素、α-Si_3N_4粒子(平均粒径:0.5μm)を加えて超音波分散し、窒素中40-110℃で加熱加水分解した。尿素の分解でpHが上昇し、TiCl_4はTiO_2へ変換し、Si_3N_4粒子上に付着した。この時の加熱制御と加熱によるpH変化が重要であるので、pH値を高温pHメータで追跡した。pH変化に伴う被覆挙動を説明するため、α-Si_3N_4粒子とTiCl_4から作ったTiO_2のゼータ電位を測定した。
TiO_2の被覆状態をTEM-EDX,XRDで評価した結果、ナノサイズのTiO_2がSi_3N_4粒子を均一に被覆していることが明らかとなった。
モレキュラーシーブで脱水したNH_3雰囲気中、800-1000℃でSi_3N_4粒子上に被覆した、TiO_2を窒化しTiNへ変換して、TiN被覆Si_3N_4粒子を作製するのに成功した。TiNへの変換と粒子サイズをTEM-EDX,XRDで確認した。
(II)TiN/Si_3N_4複合粒子の放電プラズマ焼結と焼結体の評価
(I)で作製したTiN/Si_3N_4複合粒子をCIP成型し、BNとTiNの混合粉末で成型体を覆い、グラファイトダイスに入れ、1400〜1600℃で放電プラズマ焼結を保持時間0〜20分間で行い、相対密度が97%以上の緻密なTiN/Si_3N_4複合焼結体を作製した。この焼結体のTiN/Si_3N_4、Si_3N_4/Si_3N_4、TiN/TiN粒界の高分解能電子顕微鏡観察から、緻密化を、前者2粒子間では液相が関与し、後者では粒子の直接接触から説明できた。

Research Products

• [Publications] S.Kawano, J.Takahashi, S.Shimada: "Highly electroconductive TiN/Si_3N_4 composite ceramics fabricated by spark plasma sintering of S_3N_4 particles with a nano-sized TiN coating"J. Materials Chemistry. 12. 361-365 (2002)
• [Publications] S.Kawano, J.Takahashi, S.Shimada: "Fabrication of TiN/Si_3N_4 Ceramics by Spark Plasma sintering of Si_3N_4 particles Coated with nano-sized TiN particles"Key Engineering Materials. 206-213. 1125-1128 (2002)