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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Processing for fabrication of multivalent cation conducting ceramics by external field

Research Project

Project/Area Number 19H02804
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

鈴木 達  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (50267407)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 鈴木 義和  筑波大学, 数理物質系, 准教授 (40357281)
田村 真治  大阪大学, 工学研究科, 准教授 (80379122)
小林 清  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (90357020)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Keywordsイオン伝導体 / 強磁場 / 結晶配向 / 焼結
Outline of Annual Research Achievements

セラミックス材料においては、結晶構造に異方性を持ち、伝導性が結晶方向に依存する物質の場合には、結晶配向を制御していくことにより、その特性に飛躍的な改善が期待出来る。多価カチオンの固体イオニクス中における伝導においても、結晶配向がその導電性を向上させることが期待される。本年度においては、β硫酸鉄型結晶構造となるMgイオン伝導体であるMgZr4(PO4)6に着目し、その配向制御を試みた。粒子合成に関しては分担研究者の筑波大にて行った。ゾルゲル法により前駆体を合成し、熱処理条件を変化させることで単相を得る条件を探索した。熱処理温度が700℃以下ではピークが見られずにアモルファス状態となっており、800℃でMgZr4(PO4)6の生成が確認された。前駆体合成時におけるpHが焼結後の反応相に大きく影響することを見出し、pH~1.1では1000℃で不純物相のZrP2O7の生成が確認されたが、pH~10.1では不純物相の生成が確認されなかったことから、 pH条件の変更によって副相の生成を抑制できることを明らかにした。最終的には、粒子合成条件を900℃×3h熱処理とすることで単相粒子を作製した。しかしながら、この段階では合成粒子同士がネックを形成し磁場による粒子の回転を妨げる要因となっていた。そこで、ボールミルの条件を検討することで、ネックを解砕した粒子でのスラリーの作製を行い、磁場配向に成功した。このとき、回転磁場と静磁場を用いることでc軸が磁化容易軸、b軸が磁化難易軸であることを見出した。この物質の緻密化に関しては、通常の常圧電気炉焼結では難しいことが分かったために、放電プラズマ焼結を用いて、焼結温度を分解および不純物生成温度以下の1150℃とし、圧力を100MPaとすることで緻密化を試みた。この焼結体において、b軸でのMgイオン伝導が一番高いことも確認した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (13 results)

All 2022 2021

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 4 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Extended Distribution of Relaxation Time Analysis for Electrochemical Impedance Spectroscopy2022

    • Author(s)
      KOBAYASHI Kiyoshi、SUZUKI Tohru S.
    • Journal Title

      Electrochemistry

      Volume: 90 Pages: 017004~017004

    • DOI

      10.5796/ELECTROCHEMISTRY.21-00111

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] pH-controlled synthesis and spark plasma sintering of fine and homogeneous MgZr4(PO4)6 powder2022

    • Author(s)
      FUKUSHIMA Kenta、SUZUKI Tohru S.、OZBILGIN Cem Eren、KOBAYASHI Kiyoshi、ABE Hiroya、SUZUKI Yoshikazu
    • Journal Title

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      Volume: 130 Pages: 243~248

    • DOI

      10.2109/JCERSJ2.21149

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Anisotropic thermal expansion and ionic conductivity of a crystal-oriented, Mg2+-conducting NASICON-type solid electrolyte2022

    • Author(s)
      Ozbilgin Cem E.、Kobayashi Kiyoshi、Tamura Shinji、Imanaka Nobuhito、Suzuki Tohru S.
    • Journal Title

      Ceramics International

      Volume: 48 Pages: 10733~10740

    • DOI

      10.1016/j.ceramint.2021.12.289

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Enhanced ionic conductivity of aluminum tungstate by crystallographic orientation in a strong magnetic field2021

    • Author(s)
      Ozbilgin Cem E.、Kobayashi Kiyoshi、Tamura Shinji、Imanaka Nobuhito、Suzuki Tohru S.
    • Journal Title

      Journal of the American Ceramic Society

      Volume: 104 Pages: 6364~6372

    • DOI

      10.1111/jace.18001

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Production of crystal-oriented lanthanum silicate oxyapatite ceramics with anisotropic electrical conductivity and thermal expansion2021

    • Author(s)
      Kobayashi Kiyoshi、Hirai Kenya、Uchikoshi Tetsuo、Sakka Yoshio、Akashi Takaya、Suzuki Tohru S.
    • Journal Title

      Open Ceramics

      Volume: 6 Pages: 100100~100100

    • DOI

      10.1016/j.oceram.2021.100100

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Free Analysis and Visualization Programs for Electrochemical Impedance Spectroscopy Coded in Python2021

    • Author(s)
      KOBAYASHI Kiyoshi、SUZUKI Tohru S.
    • Journal Title

      Electrochemistry

      Volume: 89 Pages: 218~222

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.21-00010

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Multi-dimensional orientation in ceramics by external fields2021

    • Author(s)
      Tohru S. Suzuki
    • Organizer
      8th International Congress on Ceramics (ICC8)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Alignment of tubal pores in textured ceramics by magnetic-field assisted colloidal processing2021

    • Author(s)
      T. S. Suzuki, S. Azuma, T. Uchikoshi, K. Yoshida
    • Organizer
      THERMEC2020
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 強磁場を用いた細孔および結晶方位を配向制御したB4C の創製2021

    • Author(s)
      鈴木達、東翔太、打越哲郎、吉田克己
    • Organizer
      日本セラミックス協会秋季シンポジウム
  • [Presentation] 強磁場を用いた高強度多層配向アルミナの創製2021

    • Author(s)
      長瀬敦資、清野肇、打越哲郎、鈴木達
    • Organizer
      日本セラミックス協会秋季シンポジウム
  • [Presentation] Fabrication of transparent polycrystalline ceramics by colloidal processing and SPS2021

    • Author(s)
      Tohru S. Suzuki
    • Organizer
      Materials Science & Technology 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 強磁場を用いたバルクセラミックスの微構造制御2021

    • Author(s)
      鈴木達
    • Organizer
      日 本セラミックス協会九州支部秋季研究発表会
    • Invited
  • [Presentation] Alignment of tubal pores in textured ceramics by magnetic-field assisted colloidal processing2021

    • Author(s)
      T. S. Suzuki, S. Azuma, T. Uchikoshi, K. Yoshida
    • Organizer
      14th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM 14)
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2022-12-28  

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