解 説 新たな処女地,フ ァインセラミックス製造プロセス - J

解
説
新 た な処 女 地,フ ァ イ ン セ ラ ミッ ク ス製 造 プ ロセ ス
Fine
Ceramic Production
Process
which
Frontier
of Powder
Technology
is a New
椿
淳
TSUBAKI
Key Words:
1.
Fine Ceramics,
Powder
Technology,
Powder
Properties,
Slurry Properties
一
郎**
Jun
Ichiro
Forming,
味 な 製 造 プ ロ セ ス の 研 究 を や る こ と に し,フ ァ イ ン セ
は じめ に
ラ ミ ッ ク ス(以 下FCと
て み た 。FCの
第30回 夏 期 シ ンポ 特 集 号 に 何 か解 説 記 事 を書 くよ う
略 記)の 製 造 プ ロ セ ス を勉 強 し
製 造 プ ロ セ ス は 原 料 調 製,成
形,焼 成
に,編 集 委 貝 会 よ り依 頼 を受 け た 。 夏 期 シ ン ポ で は 基
に 分 け ら れ,一 見 単 純 に見 え る が そ の 中 身 は 一 筋 縄 で
調 講 演 を や らせ て い た だ き,そ の 講 演 内容 の 骨 子 は既
は い か な い 。 そ の 原 因 は2つ あ っ て,1つ
に本 誌1)に 書 か せ て い た だ い て い る の で な に も書 く こ
中 に 溶 融 工 程 が な い こ と で あ る 。 溶 融 工 程 が あ れ ば,
と は な い の だ が,で き が 悪 か っ たせ い か ま た 宿 題 を 仰
出 発 原 料 の 粒 度 が 不 揃 い で も 原 料 の 混 合 が 多 少 悪 くて
せ つ か っ て し ま っ た。
も,溶 融 時 間 を長 くす る な ど して 何 と か取 り返 し は っ
夏 期 シ ン ポ の テ ー マ で あ る 「粉 体 の 多 機 能 化 と複 合
く,し か しFCの
はプ ロ セ ス
場 合 は 最 初 か ら最 後 ま で 粒 子 の ま ま
化 」は,十 数 年 ぐ ら い前 に始 ま っ た 新 素 材 ブ ー ム を意
で あ り,一 度 起 こ した 失 敗 は 取 り返 しが つ か な い。 さ
識 して の テ ー マ で あ る と思 わ れ る。 また 同 じ よ う な キ
ー ワ ー ド と し て 「粉 体 新 素 材 」
,「機 能 性 粉 体 」,「粒 子
傷 口 に 塩 を 塗 り込 む工 程 が あ る こ とで あ る。 焼 結 は 粒
設 計 」等 が使 わ れ て い る が,実 際 材 料 の 分 野 で 仕 事 を
子 接 触 点 へ の 物 質 移 動 現 象 と理 解 で き る 。 し た が っ て
し て み る と,こ れ ら の キ ー ワ ー ドに は何 と な く物 足 り
焼 結 が 進 む に 従 っ て 緻 密 化 し て い く が,粒 子 接 触 点 数
な さ と言 うか 違 和 感 を感 じ る。 と い うよ うな こ と を シ
が 多 い ほ ど 緻 密 に な り,接 触 点 数 の 少 な い 部 分 は 孔 と
ン ポ で 話 を し,記 事1)を 書 か せ て も ら っ た 。 今 回 の 宿
し て 残 っ て し ま う。 つ ま り焼 成 工 程 は 「不 均 質 性 増 幅
題 は,「 抽 象 論 は い い か ら具 体 例 を 出 せ 」と 言 うこ とで
回 路 」と 呼 ぶ こ と が で き る 。 こ の よ う にFCプ
あ る と 解 釈 し て,筆 者 らの 問 題 意 識 と こ れ まで に得 ら
は,取
れ た 研 究 成 果 及 び 粉 体 工 学 が 解 く べ き 課題 を,恥 を忍
け か ね な い厳 し い 人 生 な の で あ る 。 ま た組 成 や微 構 造
んで 以 下 に 紹 介 し た い 。
の わ ず か の 違 い がFCの
2.
取 り返 し の つ か な い 人 生/砂
ら に 厳 し い も う一 つ の 原 因 は,プ ロ セ ス 中 に は 失 敗 の
と も あ っ て,原
と水 と 空 気 は
特 性 を左 右 す る場 合 が あ る こ
料 粉 体 や 製 造 プ ロ セ ス はnm/ppmの
オ ー ダ で 管 理 さ れ て い る。 これ が粉 体 工 学 屋 が先 ず 認
使 えな い
識 し な け れ ば な ら な い ポ イ ン トで あ る。
筆 者 は プ ロ パ ー の 材 料 屋 で は な い の で,当 時 新 設 さ
れ た フ ァ イ ン セ ラ ミ ッ ク ス セ ン タ ー(以 下JFCCと
記)に 転 職 し た と き に,華
ロセ ス
り返 し の つ か な い 人 生 ど こ ろ か,加 重 の 罰 を受
現 実 のFCプ
略
か?答
ロ セ ス は ど こ まで 設 計 ・制 御 が 可 能
え は 残 念 な が ら,や っ て み な け れ ば 分 か ら な い,
で あ る 。 理 由 の 一 つ に,地 味 で しか も手 間 暇 の か か る
々 し い材 料 開 発 で は な く地
製 造 プ ロ セ ス に 関 す る研 究 が,材 料 の 研 究 者 に 敬 遠 さ
1995年1月19日
受付
*名 古 屋 大 学大 学 院 工 学 研 究 科 マ イ ク ロ シ ステ ム工 学 専 攻
(〒464-01
180
名 古 屋 市 千種 区不 老 町)TEL.
れ た と い う こ と も あ る が,酸 化 物,窒
化 物,炭
化 物,
… と,添 加 物 の 組 成 まで 考 慮 す る とFCの 種 類 は 無 限
052-789-5030
(40)
粉 体工 学会 誌
で あ る こ と,ま
た 細 か く言 え ばFCの
数 だ け製造 プ ロ
セ ス が 存 在 す る と い うふ う に,対 象 と な る粉 体 も プ ロ
セ ス も 多 様 で あ る と い うこ と が,一 番 の理 由 で あ る。
つ ま り砂 と 水 と空 気 の モ デ ル実 験 は,ほ
とん ど 意 味 を
持 た な い の で あ る。 こ れ が粉 体 工 学 屋 が 認 識 し な け れ
ば な ら な い 第2の ポ イ ン トで あ る。
FCの
製 造 プ ロ セ ス は 「取 り返 しの つ か な い 人 生 」で
あ り,そ の 研 究 に 「砂 と水 と 空 気 は使 え な い 」と言 う
こ と を ご 理 解 い た だ い た と こ ろ で,筆 者 らの 研 究 例 を
図2
紹 介す る。
成形 体密度 に及ぼす顆粒特性
い え る 。 一 方k1は 圧 密 特 性 を 表 して い る が,図2か
3.
製 造 プ ロ セ ス の 概 観2,3)
る こ と が 分 か る。 ま た一 次 粒 子 のTEM観
粉 体 工 学 で 身 に つ け た粉 体 評 価 技 術 と 解 析 手 法 が,
FCの
ら
緻 密 な 成 形 体 を得 る た め に は 流 動 性 の 向 上 が 有 効 で あ
察 結 果 か ら,
製 造 プ ロ セ ス の 研 究 に ど の よ うに 寄 与 で き る か
k2の 値 は 塊 状 の 粒 子 で 大 き く,枝 状 の 粒 子 で 小 さ い こ
を 知 る 目 的 で,成 形 体 お よ び 焼 結 体 密 度 を粉 体 特 性 と
と が 分 か っ た 。 粉 砕 に よ っ て枝 状 の 粒 子 はk2の 値 が 向
プ ロ セ ス 条 件 の 関 数 と し て 表 す こ と を試 み た 。 先 ず,
上 し,流 動 性 は 改 善 さ れ る が,塊 状 粒 子 の 場 合 は む し
製 法 や 結 晶 相 の 異 な る24種 類 の 高 純 度 ア ル ミナ粉 体 を
ろ悪 く な る こ とが 明 ら か に さ れ,粉 砕 操 作 が 充 填 特 性
原 料 と し て,金 型 プ レ ス され た 成 形 体 の 密 度 を粉 体 特
に及 ぼ す 影 響 も明 らか に され た 。 測 定 の容 易 な タ ップ
性 と プ レ ス 圧 か ら推 定 す る こ と を 試 み た2)。 原 料 粉 体
密 度 に よ っ て,金 型 プ レ ス 成 形 体 の 密 度 推 定 が あ る程
は,粒 子 密 度,結 晶 相,粒 子 径 分 布,比 表 面 積(ガ ス吸
度 可 能 で,か
着 法),凝
きる ことは興味 深 い。
集 度(50%ス
嵩 密 度,粉
トー ク ス径/比 表 面 積 径),充
体 タ ップ 密 度,TEM観
填
察 によ って評 価 し
次 に,上 記24種 類 の 高 純 度 ア ル ミナ の 中 か ら,結 晶
た 。 そ の 結 果 成 形 体 の 相 対 密 度 ρ9は,原 料 粉 体 の タ ッ
プ 密 度 ρtapと強 く相 関 づ け ら れ,成 形 圧 力 をpと
と き,図1に
っ粉 砕 の よ う な原 料 調 製 の 影 響 も評 価 で
相,一
次 粒 子 形 状,粒 子 構 造(凝 集 状 態)を 選 択 基 準 と
する
し て4種 類 を試 料 と して 選 び,同 一 の 条 件 で 原 料 調 製,
示 す よ うに 次 式 で 表 され る こ と が 分 か っ
成 形,焼 結 を行 い,成 形 体 密 度 と 原料 調 製 条 件 か ら焼
た。
結 体 密 度 を推 定 す る こ と を 試 み た3)。 そ の 結 果 焼 結 体
相 対 密 度 ρsはい ず れ の 試 料 に お い て も,次 式 に よ っ て
(1)
成 形 体 相 対 密 度 ρgと相 関 づ け ら れ る こ と が 分 か っ
(2)
た。
(3)
こ こ で,k2は 成 形 圧 力 が1.0kg/cm2の
成 形 体 密 度 を表
し て い る 。 成 形 は102∼103kg/cm2オ
ーダ で行 っ て い
る の で,k2は
(4)
こ の 式 よ り図3に
金 型 充 填 後 の 充 填 密 度 を代 表 して い る と
の 関 係 は 直 線 で 示 す こ と が で き便 利 で あ る。 本 研 究 で
考 え ら れ る 。 高 い充 填 密 度 は,粉 体 の 高 い流 動 性 の み
は,混 合,粉
に よ っ て 達 成 さ れ る た め,k2は 流 動 性 を 表 して い る と
助 剤,バ
図1
タ ップ密 度 か らの 成 形 体 密 度 の推 定
Vol.32 No.3 (1995)
示 す よ う な 線 図 を つ く る と,ρgと ρs
砕,噴
操 作 の 有 無,焼 結
イ ンダ ー 添 加 無 添 加 の 影 響 も 検 討 し た 。 い ず
図3
(41)
霧 造 粒,CIPの
焼結 体/成 形体密 度線図
181
図5
図4
焼 結 体/成 形 体 密 度 線 図 に よ る粉 砕 操 作 の 評 価
粉 体 比 表 面 積 と成 形 体 構 造 に よ る 窒 化 ケ イ素 焼 結 体 密
度の推定
れ の 調 製 条 件 に お い て も,ρgと ρsの関 係 は 線 図 上 で 直
一 次 粒 子 の 粉 体 を 原 料 に 選 び ,で き る だ け緻 密 に成 形
線 と な る 。 例 えば 図4は
すれば よ いこ とを示 して いる。
図 よ り30∼40nmの
るNo.1の
粉 砕 の 影 響 を み た もの だ が,
さ ら に研 究 が 進 む に つ れ,図6に
微 細 な一 次 粒 子 が 固 く凝 集 して い
試 料 で は,粉 砕 が 充 填 性 の 向上 に 全 く 寄 与
潰 れ 残 り が,焼 結 後 に図7に
示 す よ う な顆 粒 の
示 す よ うな 空 孔 と して 残
し て い な い が,焼 結 性 の 向 上 に は大 き く寄 与 し,一 次
る た め,強 度 低 下 の 最 も大 き な原 因 で あ る こ と に 気 づ
粒 子 が サ ブμmで 枝 状 の 試 料No.2,4で
い た6)。 そ こ で 同 じSi3N4/Y2O3/Al2O3の
は,粉 砕 に よ っ
て 成 形 体 密 度 は 向 上 し,そ れ に 伴 い試 料No.2で
原 料 粉 体 で,
は焼結
分 散 媒 を無 水 マ レ イ ン酸 系 分 散 剤 水 溶 液 に変 え,同 じ
体 密 度 も 向 上 して い る,し か し塊 状 の 一 次 粒 子 で も と
プ ロ セ ス に よ っ て 焼 結 体 を得 た7)。 本実 験 に お い て は,
も と充 填 性 の 良 い 試 料No.3で
分 散 剤 の 濃 度 に よ っ て 顆 粒 体 の 圧 潰 強 度 を 調 整 し,顆
は,粉 砕 に よ っ て 焼 結 体
密 度 は 変 わ ら な い もの の,成 形 体 密 度 は 著 し く低 く な
っ て い る こ と が分 か る 。 し た が っ て 図3,4に
示すよ
うな 線 図 を 用 い れ ば,調 製 条 件 の 影 響 は た や す く識 別
す る こ と が で き る 。 式(4)中 の 定 数k3,k4を
原料 調製
条 件 と定 量 的 に相 関 づ け る こ と を 試 み た が,実 験 精 度
が 十 分 で な く満 足 す る結 果 は得 ら れ な か っ た 。
4.
顆粒構 造の制御
当 時FCの
特 性 は ば らつ き や す く,標 準 物 質 は 作 れ
な い と言 わ れ て い た 。 筆 者 らは ば ら つ きの 範 囲 を定 量
的 に 評 価 し て お け ば,相 対 的 な意 味 で の 標 準 物 質 は 可
能 で あ る と の 立 場4)か ら,実 用 標 準 焼 結 体 リ フ ァ セ ラ
図6
窒 化 ケ イ素 仮 焼 結 体 中 顆 粒 痕 の 透 視 観 察
ムの 開 発 研 究 を行 っ た 。 焼 結 体 の ば ら つ き を で きる だ
け抑 え る た め,焼 結 体 密 度 に 及 ぼ す 成 形 体 構 造 と粉 体
特 性 の 影 響 を さ ら に 検 討 した5}。 製 法 及 び 一 次 粒 子 径
が 異 な る3種 類 の 窒 化 ケ イ素 を原 料 と し,焼 結 助 剤 と
して アル ミナ と イ ッ トリア を そ れ ぞ れ5wt%添
加 した。
ト リクロ ロェ タ ン中で 解膠 剤 を添 加 して粉 砕混 合 の
後,噴 霧 乾 燥 機 に よ り造 粒 し,金 型 プ レ ス に よ り成 形
の 後 焼 成 した 。 そ の 結 果 焼 結 体 の 相 対 密 度 ρsは,図5
に 示 す よ う に 原 料 粉 体 の 比 表 面 積Swと
メデ ィア ン 径Dmに
成形 体 細孔 の
相 関 づ け ら れ,次 式 に よ っ て 表 さ
れ る。
(5)
式(5)は 緻 密 な 窒 化 ケ イ素 焼 結 体 を得 る に は,微 細 な
182
図7
(42)
窒 化 ケ イ素焼 結 体 中 の 欠 陥
粉 体工学 会誌
図8
成 形 体 細孔 径 分 布 のCIP圧
粒 体 強 度 が成 形 体 微 構 造 に 及 ぼ す影 響 を 検 討 し た 。 顆
5.
粒 の 圧 潰 強 度 分 布 は,マ イ ク ロ材 料 試 験 機 に よ っ て 実
測 した 。 顆 粒 成 形 体 の 細 孔 は 顆 粒 間 細 孔 と顆 粒 内 細 孔
に区 別 さ れ る た め,細 孔 径 分 布 は 図8に
峰 分 布 と な る が,成 形 圧(図8で
微 粒子分散 系の制 御及 び評価
顆 粒 の 強 度 が 成 形 体 微 構 造 に大 き く影 響 す る こ と が
示 す よ うに 双
はCIP圧)が
に よ る変 化
分 か っ た が,強 度 だ けで な く顆 粒 の 構 造 も ま た 成 形 体
高 くな る
微 構 造 に 大 き な影 響 を 及 ぼ す 。 顆 粒 を 顕 微 鏡 で 観 察 す
に つ れ 顆 粒 間 細 孔 は 小 さ く な り,顆 粒 が 完 全 に 潰 さ れ
る と,そ の 形 は 球 だ け で な く 中 央 に窪 み の あ る もの,
た とみ な せ る と き に,分 布 は 単 峰 分 布 と な る 。 図8に
表 面 が つ や つ や し て い る も の,く す ん で い る もの な ど
お い て,顆 粒 内 細 孔 径 は 正 規 分 布 に 従 っ て い る と仮 定
様 々 で あ る 。 ま た 顆 粒 を裁 断 す る か 透 視 観 察6)し て 内
す る と,顆 粒 間 空 隙 率 εGを求 め る こ とが で き る 。CIP
部 を観 察 す る と,中 実 顆 粒 だ け で な く中 空 の 顆 粒 も 多
圧 をpc,顆 粒 圧 潰 強 度 を σTとす る と,εGは 図9に
く観 察 さ れ る 。 強 度 を含 め た こ れ ら の 顆 粒 特 性 が,焼
示す
よ う に ア ル ミナ の 添 加 量 や 分 散 剤 の に よ ら ず に,次 の
結 体 の 強 度 と信 頼 性 に 大 き く影 響 す る こ と が 分 か っ て
実 験 式 に よ っ て相 関 づ け ら れ る こ とが 分 か っ た 。
き た8)。 そ こ で 造 粒 前 の,ス
ラ リ ー特 性 と 顆 粒 特 性 の
関 係 を実 験 的 に検 討 した 。 ス ラ リー の 特 性 は 一 般 に粘
(6)
度 で 評 価 さ れ る こ と が 多 い の で,増 粘 剤 とpH調
整 に
よ っ て ス ラ リ ー の 粘 度 を調 整 した と こ ろ,同 じ粘 度 で
図9か
らεGを0.1以 下 に す る た め に は,顆
整 に よ る 方 が よ り均 質 な 成 形 体 を得 る こ と が
が 必 要 で あ る が,実 操 業 で は で き る だ け
で き た8)。 こ の こ と は ス ラ リ ー の 粘 度 と して 評 価 さ れ
を 下 げ た い の で,顆 粒 強 度 の 制 御 が 均 質 な成 形
る 粒 子 の 凝 集 構 造 が,顆 粒 特 性 を 支 配 し て い る こ と が
千 倍 のCIP圧
CIP圧
もpH調
粒 強度 の数
体 を得 る上 で 重 要 で あ る こ とが 分 か る 。
分 か る 。 ス ラ リー の 粘 度 と成 形 体 の構 造 の 関 係 を,分
散 剤 の 種 類 と濃 度 を変 え て 実 験 し て み た9,10)。図10が,
窒 化 ケ イ素 粉 体 を無 水 マ レ イ ン酸 系 分 散 剤 水 溶 液 に分
散 し た と き の,見 か け 粘 度 と分 散 剤 濃 度 と の 関 係 で あ
り,図11が,成
形 体密 度 の細孔 径 分布 の一例 で あ る。
両 図 か ら明 ら か な とお り,粘 度 は ほ とん ど 同 じ で も成
図9
顆粒 間 空 隙 率 と顆粒 強 度 お よ びCIP圧
(CA:ア
ル ミナ 添 加 量,CD:分
Vol.32 No.3 (1995)
の関係
図10
散 剤 濃 度)
窒 化 ケ イ素 ス ラ リ ー の 見 か け粘 度 と無 水 マ レ イ ン酸
系分散剤濃度 の関係
(43)
183
図11
図12
窒化 ケ イ素 成形体細孔径 分布 に及ぼ す分散剤濃度 の
影響
図13
ア ル ミナ ス ラ リー の 見 か け粘 度 と ポ リア ク リ ル酸 ア
ンモ ニ ウ ム塩 系分 散 剤 濃 度 の 関 係
顆 粒 特 性 の新 た な評 価 法(顆 粒 強 度 と顆 粒 内空 隙率)
図14
形 体 密 度 に10%以
鋳 込み成形 体細孔径分布 に及ぼ す分 散剤濃度 の影響'
上 の 違 い が み られ る 。 顆 粒 の 圧 潰 強
度 と,水 銀 ポ ロ シ メ ー タ よ り求 め た 顆 粒 内 空 隙 率 の 関
布 を 見 る と,最
係 を,分 散 剤 濃 度 を パ ラ メー タ と し て プ ロ ッ ト した の
剤 の 添 加 に よ っ て得 ら れ て い る。 図13,14は
が 図12で あ る 。 図 中 の 破 線 は,分 散 剤 無 添 加 の 状 態 を
形 の 場 合 も,ス
基 準 と し て 考 え た場 合 の,粒 子 接 触 点(空 隙 率)の 変 化
な い こ と を 示 して い る。 本 実 験 に お い て は い くつ か の
の み に よ る顆 粒 圧 潰 強 度 の 変 化11)であ る 。 図10,12よ
評 価 法 に よ っ て ス ラ リー特 性 を評 価 し た が,ス
り,分 散 剤 の 量 がSi3N4100gに
特 性 の 評 価 技 術 と して は 従 来 ほ と ん ど 注 目 さ れ て い な
対 し て0.1gま で は,分 散
か っ た,X線
剤 の 添 加 に よ っ て粒 子 は よ り分 散 す る こ と に よ り,ス
も緻 密 な成 形 体 は0.120gよ
り多 い分 散
鋳 込み 成
ラ リー 粘 度 は 必 要 十 分 な評 価 項 目で は
ラ リー
透 過 法 に よ る 粒 子 径 分 布 測 定 結 果(図15)
ラ リ ー粘 度 は低 下 し顆 粒 内 空 隙 率 は減 少 し顆 粒 強 度 も
と,遠 心 場 に お け る沈 降 堆 積 試 験 で あ る遠 心 沈 降 重 心
増 大 し て い る 。 し か し 図12に お い て 分 散 剤 の 量 を
移 動 量 の 測 定 結 果(図16)が,図14に
示 した成形体 密度
0.5gに 増 や す と,粘 度 と 顆 粒 内 空 隙 率 は ほ と ん ど変 化
な い が 顆 粒 強 度 は 低 下 し,破 線 の 下 に プ ロ ッ トさ れ て
い る 。 こ の こ と は分 散 剤 の 添 加 が,顆 粒 内 の 粒 子 接 触
点 当 た りの 引 張 り強 度 を低 下 させ た こ と を表 して い る 。
図10,11よ
り,顆 粒 の 構 造 を 制 御 す る上 で,ス
ラ リー
粘 度 が 必 要 か つ 十 分 な評 価 項 目 で は な い こ と が 分 か
る。 ま た 図12に お い て,粉 体 層 内 の 力 学 状 態 の 解 析 に
用 い ら れ て き た手 法 が,顆 粒 体 の 構 造 を知 る上 で 有 効
図15
な評 価 手 段 で あ る こ と は興 味 深 い 。
X線 透 過 法 に よ る ス ラ リー 粒 子 径 分 布 測 定 結 果
金 型 プ レ ス と と も に一 般 的 な成 形 法 で あ る鋳 込 み 成
形 に お い て も,成 形 体 の 密 度 と ス ラ リ ー粘 度 の 関 係 を
見 て み た12)。低 ソ ー ダ ア ル ミナ を 原 料 粉 体 と し,ポ リ
ア ク リ ル酸 ア ン モ ニ ウ ム塩 系 分 散 剤 の 水 溶 液 分 散 媒 と
し て,見 か け 粘 度 と 分 散 剤 濃 度 の 関 係 を 見 た の が 図
13で あ る 。 図 か らAl2O3100g中
に0.120g分
散 剤 を添 加
し た と き が,粘 度 が 最 も低 く粒 子 が よ く分 散 し て い る
こ と を示 し て い る。 しか し図14の 成 形 体 内 の 細 孔 径 分
184
図16
(44)
遠心 沈降移動量 に及ぼ す分散 剤濃 度の影響
粉 体工学 会誌
の 測 定 結 果 と傾 向 が 一 致 し て い る の は大 変 興 味 深 い。
微 粒 子 凝 集/分 散 構 造 を ど う評 価 し,い か に し て 顆
粒 体 の 形 成 機 構 及 び 鋳 込 み 機 構 と結 び つ け る か が,筆
者 ら が最 も興 味 を持 っ て い る 課 題 の 一 つ で あ る。
6.
原料粉体 の評価
先 にFCの
製 造 プ ロ セ ス は 「取 り返 し の つ か な い 人
生 」と述 べ た が,こ の こ と は 原 料 粉 体 が 悪 け れ ば 救 わ
れ な い こ と を意 味 して い る 。 窒 化 ア ル ミニ ウ ム は,熱
伝 導 率 が 高 く熱 膨 張 係 数 が シ リ コ ン に近 い た め,高 級
図17
窒 化 ア ル ミニ ウ ム 焼 結 体 の 熱 伝 導 率 と酸 素 含 有 量
基 板 と し て 実 用 化 さ れ 始 め て い る 材 料 で あ る 。 図17
は,製 法 の 異 な る6種 類 の 窒 化 ア ル ミニ ウ ム粉 体 を 原
料 と し,同 じ 製 造 プ ロ セ ス に よ っ て 作 成 し た 焼 結 体 の
熱 伝 導 率 と酸 素 濃 度 の 関 係 で あ る。 明 ら か に6種 類 の
原 料 粉 体 は2つ の グ ル ー プ に 分 け られ て い る 。 図 中 ●
と□ の粉 体 は 金 属 不 純 物 を 多 く含 む た め 熱 伝 導 率 が 低
下 し て い る が,△ の 粉 体 の 金 属 不 純 物 は 少 な く,金 属
不純物 によ っては熱伝 導率低 下 の説明 が付 か ない。粒
子 径 の 測 定 結 果 か ら面 白 い こ と が分 か っ た 。 窒 化 ア ル
ミニ ウ ム焼 結 体 の 伝 熱 機 構 と焼 結 過 程 の 考 察 か ら,粗
大 凝 集 粒 子 に 着 目 し95%粒
ロ ッ ト し て み た(図18)。
バ ス に よ っ て5分
子 径 と超 音 波 照 射 条 件 をプ
図18に お い て,粒 子 は 超 音 波
まで 分 散 さ れ,超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ
図18
窒 化 ア ル ミニ ウ ム 原料 粉 体 の超 音 波 照 射 条 件 に よ る
95%径
ー の 場 合 は1分 間 だ け 超 音 波 が 照 射 さ れ た 。 図18と よ
り〇 ● △ の 原 料 中粗 粒 子 は凝 集 粒 子 で あ り,〇 ● の 凝
の変 化
評 価 の 重 要 性 は 繰 り返 す まで も な い 。
集 粒 子 は 柔 らか く超 音 波 の 照 射 に あ わせ て 解 砕 さ れ る
7.
こ と,そ れ に 対 して △ の凝 集 粒 子 は か な り固 く超 音 波
お わ りに
バ ス程 度 の 力 で は解 砕 さ れ な い こ とが 分 か る 。 詳 細 は
本 来 は,筆 者 らの 研 究 だ けで な く他 の 文 献 も 引 用 し
文 献13)を参 照 さ れ た い が,△ の 熱 伝 導 率 低 下 は 原 料 粒
な が ら総 説 と す べ き と こ ろ で あ るが,生 来 の 勉 強 嫌 い
子 の凝 集 構 造 か ら説 明 づ け られ た 。
を時 間 不 足 の せ い に し て 解 説 で 許 し て も ら っ た 。
原 料 粉 体 特 性 の うち粒 子 径 が 最 も基 本 的 な 特 性 で あ
FC産
業 の 課 題 は,コ
ス ト と信 頼 性 で あ る と 言 わ れ
るが,そ の 測 定 技 術 は 十 分 な水 準 に あ る と は 言 い が た
て い る が,ど
い状 況 で あ る。 筆 者 らは 大 が か り な ラ ウ ン ド ロ ビ ン テ
に よ っ て 解 決 され る 課題 で あ る。 浮 つ い た新 素 材 ブ ー
ち ら も 製 造 プ ロ セ ス に 関 す る地 道 な研 究
ス トに よ り,現 在 の 粒 子 径 分 布 測 定 技 術 の 水 準 を把 握
ム が 去 っ た 今 が,落
ち つ い て研 究 を す る絶 好 の チ ャ ン
し14∼16),試料 の 調 製 条 件 ・手 順 の 標 準 化17)をほ ぼ 完 了
ス で は な か ろ うか 。 筆 者 らの 研 究 例 か ら,粉 体 工 学 の
して い る。 現 在 は こ れ ら の 蓄 積 を背 景 に,原 料 中 に 微
手 法 がFC製
量 に含 ま れ る粗 大 粒 子 を対 象 と し て,そ の 粒 子 径 測 定
あ る こ と,ま
技 術,粗
が 宝 の 山 で あ り,新 た な 処 女 地 と も呼 べ る こ と を理 解
大 粒 子 の 構 造 評 価 技 術 の 確 立 を 目指 し て い
る。 窒 化 ア ル ミニ ウ ムの 例 で 示 し た よ うに,原 料 中 に
含 ま れ る粗 大 粒 子 は,機 能 性FC・
構 造 用FCを
性 能 低 下 の 大 き な 原 因 と な っ て い る 。FCの
た 粉 体 工 学 に と っ て はFC製
造 プ ロセ ス
い た だ け れ ば 幸 い で あ る。
問 わず
本 稿 で 紹 介 し た研 究 は,筆 者 がJFCCに
製造プロ
在職 中に行
っ た もの で あ り,研 究 に 協 力 い た だ い た 諸 氏 ・諸 兄 に
セ ス は 「取 り 返 し の つ か な い 人 生 」だ け に,原 料 粉 体
Vol.32 No.3 (1995)
造 プ ロ セ ス を 解 明 す る上 で 強 力 な 武 器 で
謝 意 を 表 す る。
(45)
185
引 用 文 献
1)
椿 淳 一 郎:粉
2)
椿 淳 一 郎,他:日
10)
体 工 学 会 誌,31,818(1994)
100, 320(1992)
3)
堀 田 禎,他:同
4) 椿 淳 一 郎:新
上,投
5)
稿 中
椿 淳 一 郎:粉
12)
福 田 悦 幸,他:第32回
13)
粉 体 に関 す る討 論 会 講 演要 旨
岩 本 雄 二,他:日
本 セ ラ ミ ッ ク ス 協 会 学 術 論 文 誌,
100,652(1992)
101, 285(1993)
Y.,
体 工 学 会 誌,21,30(1984)
集,p.154(1994)
本 セ ラ ミ ッ ク ス 協 会 学 術 論 文 誌,
6)
Iwamoto,
7)
Kamiya,
8)
未発表
9)
福 田 悦 幸,他:1994年
H.,
学 工 学 会 第27回 秋 季 大 会 研 究 発 表 講
冊,p.184(1994)
11)
東 技 報,No.13,1(1993)
神 谷 秀 博,他:日
福 田 悦 幸,他:化
演 要 旨 集,第2分
本 セ ラ ミ ッ ク ス協 会 学 術 論 文 誌,
et al: J.
et al: J.
Mate.
Am.
Res.,9,1208(1994)
Ceram.
Soc.,(in
press)
14)
早 川 修,他:同
上,掲
載 決 定,103,(1995)
15)
早 川 修,他:同
上,掲
載 決 定,103,(1995)
16)
早 川 修,他:同
上,掲
載 決 定,103,(1995)
17) JISRXXXX"フ
度 粉 体工 学 会 春 期研 究 発 表 会講
ァ イン セ ラ ミッ クス原 料 粒子 径 分
布 測 定 の た め の 試 料 調 製 通 則",原
演 要 旨 集,p.197(1994)
案作 成 中
基 準 が提 案 され る ま で に は至 っ て い な い。 しか も助 剤 の
添 加 は,あ る意 味 で粉 体 原 料 の純 度 を下 げ,原 料 コ ス ト
を 上 げ る訳 で あ る か ら,こ れ らの問 題 を十 分 補 うメ リ ッ
トが な い と使 用 す る意 味 が な い。 しか しセ メ ン ト工 業 等
で は,粉 砕 性 能 と製 品 の特 性 を 向上 させ る助 剤 が見 出 さ
れ て お り,既 に実 用 化 もさ れ て い る。
さ らに最 近 で は,粉 砕 助 剤 を単 に何 か を助 け る もの と
粉
砕
助
剤
して 狭 義 に捉 え る の だ け で は な くて,こ の概 念,手
法を
更 に発 展 させ る方 向 で の研 究 も進 め られ て い る 。 そ の一
一 般 に助 剤 と は何 か を助 け る もの と して 加 え る物 質 と
つ は,助 剤 添 加 を粉 体 に新 しい機 能 を与 え る とい う粒 子
い う意 味 で広 く使 わ れ る。 粉 砕 助 剤 もそ の一 つ で あ り,
の複 合 化 技 術 と して発 展 させ る方 向 で あ り,こ れ は 粉 砕
文 字通 り粉 砕 を助 け る た め に粉 砕 原 料 に 加 え る物 質 の こ
技 術 を 応 用 した 粒 子複 合 化技 術 と して,既 に 定着 しつ つ
とを 言 う。粉 砕 助 剤 の 目 的 は様 々で あ るが,古
あ る。 もう一 つ は,助 剤 の 考 え 方 を さ らに 科 学 的 に 発 展
くか ら粉
砕 速 度 の 向上 や粉 砕 品 の粒 度 分 布 改 善 な ど に用 い られ て
させ る方 向 で あ る。 例 え ば ソー ダ ガ ラス の ナ ト リウ ム イ
い る。粉 砕 助 剤 と して使 われ る物 質 に は,気 体,液 体,
オ ンを,そ れ よ りイ オ ン半 径 の 小 さい リチ ウム イ オ ン と
固 体(粉 体)の い つ れ も考 え られ,そ の 種 類 も様 々で あ
置 換 す る こ とで,ガ
る。 この こ とは,粉 砕 助 剤 の 目的 が 多 種 多 様 で あ る こ と
粉 砕 され や す くな る(伊 ヶ崎 ら:化 学 工 学,Vol.55,p.
と,そ の 作 用機 構 が十 分 解 明 され て い な い こ とを 示 して
61(1991))。
ラス 表 面 は 引 っ張 り応 力 状 態 とな り
これ は ソー ダ ガ ラ ス に窒 化 リチ ウ ム とい う
い る。 粉 砕 助剤 の 作用 機 構 と して は,粉 体 の 付 着 性 の 減
「
助 剤 」 を添 加 し,乾 式 混 合 粉 砕 す る こ とで も可 能 で あ
少,流 動 性 の 増 大 や粒 子 破 断面 の再 結 合 の防 止 とい った
る とい う。 こ の よ うな 考 え 方 は,粉 砕 助 剤 の 作 用 機 構 の
主 に粒 子 間 の 相 互 作 用 を 変 え る作 用 と,固 体 表 面 の エ ネ
解 明 に貢 献 す る と と もに,さ ら に その 応 用 範 囲 を広 げ る
ル ギ ーの 低 下 な ど とい った粒 子 自体 の強 度 を下 げ る作 用
もの と して注 目 され る。
とが 挙 げ られ て い る。 しか し現状 で は,粉 砕 助 剤 の 選 定
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((財)フ ァイ ンセ ラ ミ ック スセ ンタ ー
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内藤
牧 男)
粉 体工学 会誌