(57)【要約】【課題】酸化マグネシウムを主成分とし、熱伝導率が低く（断熱性が高い）、融点が高い新規の固体圧力媒体用セラミックス焼結体および固体圧力媒体を提供する。【解決手段】酸化マグネシウムを主成分とし、イットリウム元素を酸化イットリウム換算で５〜１０ｍｏｌ％含むことを特徴とする固体圧力媒体用セラミックス焼結体。前記固体圧力媒体用セラミックス焼結体であって、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である固体圧力媒体用セラミックス焼結体。また、前記固体圧力媒体用セラミックス焼結体であって、融点が２６５０℃以上である固体圧力媒体用セラミックス焼結体。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化マグネシウムを主成分とし、イットリウム元素を酸化イットリウム換算で５〜１０ｍｏｌ％含むことを特徴とする固体圧力媒体用セラミックス焼結体。
【請求項２】
熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体圧力媒体用セラミックス焼結体。
【請求項３】
融点が２６５０℃以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体圧力媒体用セラミックス焼結体。
【請求項４】
前記イットリウム元素がＹ２Ｏ３として添加されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の固体圧力媒体用セラミックス焼結体。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の固体圧力媒体用セラミックス焼結体からなることを特徴とする固体圧力媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧力下で物質合成や物性測定などを行う際に、圧力の伝達、および圧力分布の緩和を主目的として使用される固体圧力媒体用セラミックス焼結体および固体圧力媒体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧力分野で、圧力を伝達する媒体を圧力媒体という。例えば、ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）などは、原料を、高圧、高温に保持することにより合成されるが、この場合にも圧力媒体が使用される。すなわちこの合成は通常、圧力媒体で覆われた原料を一対のシリンダー体などにより形成される反応室内に置き、この圧力媒体に、ヒーターなどにより加熱およびアンビル体などにより加圧する方法により行われる（たとえば、特許文献１、段落０００４）。加えられた熱および圧力は、圧力媒体により前記原料に伝達される。圧力媒体としては、気体、液体、固体があり、それぞれが使用環境に応じて使い分けられているが、１ＧＰａ以上の圧力領域では、圧力封止を容易に行うことができるため、固体圧力媒体が広く用いられている。
【０００３】
図１は、固体圧力媒体を用いて、高圧、高温下で物質合成をするために使用される高圧合成セルの一例を示す断面図である。図１に示す例では、被合成物１は、固体圧力媒体２で覆われている。図中の３は、加熱ヒーターであり、固体圧力媒体２は、この加熱ヒーター３により覆われ、加熱ヒーター３に通電することにより固体圧力媒体２が加熱され、この熱は固体圧力媒体２により被合成物１に伝達される。
【０００４】
固体圧力媒体２は、加熱ヒーター３をさらに覆う圧力封止部材により加圧される。圧力封止部材は、シリンダー体４および一対のアンビル体５よりなり、このアンビル体５に外部より加圧することによって、固体圧力媒体２が加圧される。固体圧力媒体２は、低い剪断強度をもっているため、固体圧力媒体２に加えられた圧力は、固体圧力媒体２内に均一に分布し、被合成物１に均一に伝達される。このようにして、被合成物１は、加圧、加熱され、高圧、高温下での物質合成が行われる。
【０００５】
固体圧力媒体を用いて物質を合成する場合、合成温度を固体圧力媒体自体の融点以上に上げることはできず、固体圧力媒体の融点により被合成物を合成可能な温度が制限される。このため、固体圧力媒体には、高融点を有することが要求される。さらに、高温下において固体圧力媒体を囲む圧力封止部材（以下金型ともいう）に大きな応力が加わると、金型の劣化が促進されて寿命が速められるという問題が生じる。このため、固体圧力媒体には、金型にできるだけ熱が伝わらないように、熱伝導率が低い（断熱性が高い）ことが要求される。
【０００６】
中でも前記ダイヤモンドやｃＢＮの合成のように、特に高温、高圧下で用いられる固体圧力媒体の場合、具体的には熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以下、融点が２６５０℃以上であることが望ましい。
【０００７】
従来から固体圧力媒体としては、多孔質のセラミックス焼結体が知られている（たとえば、特許文献２、特許請求の範囲、非特許文献１）。そしてこれらのセラミックス焼結体の中では、特に酸化マグネシウム（以下、ＭｇＯとも記載する）が広く用いられている。
【０００８】
ＭｇＯは、融点が２８００℃と高いが、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋと高いため、ＭｇＯ単独では固体圧力媒体として好適ではない。このため、一般的にＭｇＯと固溶体を形成するＣｏＯやＣｒ２Ｏ３のような化合物を添加してフォノンの散乱の効果により熱伝導率を低下させた焼結体が用いられている。
【０００９】
具体的には、たとえば１０ｍｏｌ％のＣｏＯを含みＭｇＯを主成分とする焼結体、１．４ｍｏｌ％のＣｒ２Ｏ３を含みＭｇＯを主成分とする焼結体がある。これらの焼結体の物性は、たとえば前記１０ｍｏｌ％のＣｏＯを含みＭｇＯを主成分とする固体圧力媒体においては、ＭｇＯの融点２８００℃からは少し下がるが、２６５０℃の融点を維持しながら、熱伝導率を５Ｗ／ｍ・Ｋにまで低下させることができている。
【特許文献１】特開平８−３０９１７５号公報
【特許文献２】特開昭５１−１１３２５９号公報
【非特許文献１】Ａｋｉｆｕｍｉ  Ｏｎｏｄｅｒａ，Ｋａｉｃｈｉ  Ｓｕｉｔｏ，Ｎａｏｔｏ  Ｋａｗａｉ，「Ｓｅｍｉｓｉｎｔｅｒｅｄ  ｏｘｉｄｅｓ  ｆｏｒ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ  ｍｅｄｉａ」，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５１（１），Ｊａｎｕａｒｙ  １９８０，ｐ３１５−３１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、前記従来のＣｏＯやＣｒ２Ｏ３を添加したセラミックス焼結体からなる固体圧力媒体においても熱伝導率が十分に低いとは言えず、熱伝導率をさらに低下させるためにＣｏＯやＣｒ２Ｏ３の添加量を多くすると、融点がさらに低下するという問題が生じる。例えば、ＭｇＯ粉末にＣｏＯ粉末を２０ｍｏｌ％加えた焼結体では、熱伝導率を３．０Ｗ／ｍ・Ｋまで低下させることができるが、融点が２５５０℃にまで低下してしまう。これ以上に融点が低下すると特に２５００℃の合成温度で使用する場合などは、圧力封止が困難になり、圧力噴出（ブローアウト）の原因となる。このように、これまでＭｇＯを主成分とするセラミックス焼結体において融点を十分に高い温度（２６５０℃以上）に維持しながら熱伝導率を２Ｗ／ｍ・Ｋ以下にすることは極めて困難であるとされていた。
【００１１】
本発明は、十分に高い融点を維持しつつ、熱伝導率が従来より十分に低い（断熱性が高い）新規な固体圧力媒体用セラミックス焼結体および固体圧力媒体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者等は、上記の課題に鑑み、鋭意研究の結果、酸化マグネシウムにイットリウムを少量添加することにより、前記ダイヤモンドやｃＢＮの合成用の固体圧力媒体として望ましい十分に高い融点と、従来の固体圧力媒体においては達成されていない低い熱伝導率を併せて有するセラミックス焼結体を得ることができることを見出し本発明に至った。
【００１３】
請求項１に記載の本発明は、
酸化マグネシウムを主成分とし、イットリウム元素を酸化イットリウム換算で５〜１０ｍｏｌ％含むことを特徴とする固体圧力媒体用セラミックス焼結体である。
【００１４】
ＭｇＯを主成分とし、イットリウムを含むセラミックス焼結体の熱伝導率および融点は、イットリウムの含有比率に応じて変化し、イットリウムの含有比率が特定の値のときに低い熱伝導率と高い融点を併せ持つセラミックス焼結体となる。請求項１の発明においては、ＭｇＯを主成分とするセラミックス焼結体のイットリウムの含有比率を５〜１０ｍｏｌ％としているため、十分に高い融点と低い熱伝導率を併せ持つ新規な固体圧力媒体用セラミックス焼結体を提供することができる。
【００１５】
このため、請求項１の発明に係る固体圧力媒体を用いることにより、高温で使用される場合においても確実に圧力封止を行うことができ、被合成物の合成温度を高めることができる。また、固体圧力媒体を囲む金型への熱負荷が小さくなり、金型の劣化が抑制されるため、金型の寿命を伸ばすことができる。
【００１６】
ＭｇＯを主成分とするセラミックス焼結体において、少量のイットリウムを含ませることにより熱伝導率を効率的に低下させることができる理由は以下のように考えられる。
即ち、セラミックス焼結体の熱伝導率Ｋは次式（１）で表すことができる。
Ｋ＝α×（１−ｐ）×Ｃｐ×Ｄｔ  （１）
ここで、αは熱拡散率、ｐは気孔率、Ｃｐは比熱（Ｊ／ｇＫ単位）、Ｄｔは理論密度である。上式（１）から分かるように、熱伝導率は熱拡散率と気孔率に依存する。上記の式において、熱拡散率αは、焼結体のミクロ構造により影響を受け、その内部に存在する異なる元素のフォノンの散乱効果により低下する。そして、驚くべきことに、ＭｇＯの焼結体において、異なる元素として従来のＣｏやＣｒよりも原子番号の大きいイットリウムを少量加えることによりその効果が顕著となり、熱伝導率が効率的に低下するものと考えられる。
【００１７】
請求項２の発明は、
熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体圧力媒体用セラミックス焼結体である。
【００１８】
請求項２の発明に係る固体圧力媒体用セラミックス焼結体は、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以下の固体圧力媒体用セラミックス焼結体であるため、金型への熱負荷を顕著に低減することができる。例えば、本発明に係る固体圧力媒体を、従来の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋの固体圧力媒体と同一の温度で使用した場合には、金型の温度を従来に比べて約２０％低下させることができる。
【００１９】
請求項３の発明は、
融点が２６５０℃以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体圧力媒体用セラミックス焼結体である。
【００２０】
請求項３の発明に係る固体圧力媒体用セラミックス焼結体は、融点（常圧）が２６５０℃以上の固体圧力媒体用セラミックス焼結体であるため、例えばダイヤモンドやｃＢＮを合成する場合のように、２５００℃程度の高温で使用される場合においても余裕を持って確実に圧力封止を行うことができる。
【００２１】
請求項４の発明は、
前記イットリウム元素がＹ２Ｏ３として添加されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の固体圧力媒体用セラミックス焼結体である。
【００２２】
イットリウムまたはイットリウム化合物の中で、Ｙ２Ｏ３はＭｇＯと固溶体を作る酸化物である。請求項４の発明においては、イットリウム元素がＹ２Ｏ３として添加された固体圧力媒体用セラミックス焼結体であるため、熱伝導率の低い固体圧力媒体用セラミックス焼結体を提供することができる。
【００２３】
請求項５の記載の発明は、
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の固体圧力媒体用セラミックス焼結体からなる固体圧力媒体である。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４に記載の発明を固体圧力媒体の面から捉えた発明であり、ダイヤモンドやｃＢＮの合成のように、特に高温、高圧が要求される条件下で使用される固体圧力媒体として好適な圧力媒体を提供することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、十分に高い融点を維持しつつ、熱伝導率が低い（断熱性が高い）新規の固体圧力媒体用セラミックス焼結体および固体圧力媒体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００２７】
本発明に係る固体圧力媒体用セラミックス焼結体は、基本的には従来と同様の製造方法によりに作製することができる。たとえば、以下のようにして作製される。
（１）原料スラリーの作製
所定量のＭｇＯ粉末、Ｙ２Ｏ３粉末、プレス成形用のバインダーを有機溶媒中で混合して原料スラリーを作製する。混合には従来と同様、ボールミルによる混合法や超音波混合法を用いることができる。
【００２８】
ＭｇＯおよびＹ２Ｏ３としては、純度９９％以上のものが好ましいが、市販品を用いることもできる。平均粒子径は０．０５〜１０μｍのものが好ましい。
【００２９】
また、前記原料スラリーの作製に用いる有機溶媒としては、たとえばメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類を用いることができる。
【００３０】
また、バインダーとしては、たとえばポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリエチルメタクリレート、ポリｎ−ブチルメタクリレート、ポリイソブチルメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等を用いることができる。また、スラリーの濃度、使用する溶媒およびバインダーの種類等は、従来と同様、後の工程が行ない易いように必要に応じて適宜決定される。
【００３１】
（２）乾燥造粒
得られた原料スラリーを、従来と同様、例えばスプレードライヤー法で乾燥造粒する。このとき造粒径は、その後プレス成形しやすいように平均粒子径が１００〜３００μｍであることが好ましい。平均粒子径は例えばレーザー回折法で測定する。
【００３２】
（３）プレス成形
上記で得た造粒粉を、従来と同様、所定の形状の金型に入れてプレス成形する。また、プレス成形は、従来と同様の条件で行うことができる。
【００３３】
（４）脱バインダー処理
得られたプレス成形体を大気中でたとえば８００〜１２００℃において１〜３時間の加熱処理をしてバインダーを除去し、脱バインダー体を作製する。
【００３４】
（５）本焼結
得られた脱バインダー体を大気中でたとえば１７００〜１９００℃において２．５〜４時間加熱して本焼結を行う。焼結温度はＹ２Ｏ３の添加量に応じて決定する。
【００３５】
以下実施例にてさらに詳しく本発明を説明する。
（実施例）
（１）原料スラリーの作製
ＭｇＯ粉末（純度９９．９％以上、平均粒子径３．０μｍ）と、Ｙ２Ｏ３粉末（純度９９．９％以上、平均粒子径０．５μｍ）をｍｏｌ比で９５：５、９２．５：７．５、９０：１０の比率で混合し、混合比の異なる３種類の混合粉末を作製した後、３種類のそれぞれの混合粉末について、混合粉末を２５０ｇ、ポリビニルブチラール樹脂（品番「セルナＳＥ−６０４」：ユケン工業社製）３０ｇを、エチルアルコール９０ｇ中でボールミル法により９時間混合して３種類のスラリーを得た。
【００３６】
（２）乾燥造粒
得られた３種類のそれぞれのスラリーをスプレードライヤー法で乾燥造粒した。この粒子の平均粒子径は２００μｍであった。
【００３７】
（３）プレス成形
得られた３種類の乾燥造粒粉２００ｇをそれぞれ、φ１０ｍｍの金型に入れて１．５ｔ／ｃｍ２圧でプレスし、プレス成形体を作製した。
【００３８】
(４)脱バインダー処理
得られたプレス成形体を大気中で８００℃×１時間の熱処理をして、バインダーを除去し、脱バインダー体を作製した。
【００３９】
（５）本焼結
得られた脱バインダー体を大気中で所定の温度において２．５時間加熱して本焼結を行い、ＭｇＯ粉末とＹ２Ｏ３粉末の混合比の異なる３種類のセラミックス焼結体を作製し、それぞれを実施例１〜３とした。
【００４０】
（６）熱伝導率、融点の測定
その後、得られたセラミックス焼結体の熱伝導率、融点の測定を行った。なお、熱伝導率の測定は、φ１０×ｔ１．０ｍｍの試料を用いてＪＩＳ（ＪＩＳ  Ｒ１６１１）で規定されているレーザーフラッシュ法により行った。
【００４１】
（比較例）
ＭｇＯ粉末とＹ２Ｏ３粉末の混合比をｍｏｌ比で８８：１２、９６：４としたこと以外は実施例と同様にして、ＭｇＯ粉末とＹ２Ｏ３粉末の混合比の異なる２種類のセラミックス焼結体を作製し、それぞれを比較例１、２とした。
【００４２】
実施例１〜３、比較例１、２におけるＹ２Ｏ３の比率、本焼結における加熱温度（焼結温度）、作製した焼結体の熱伝導率、融点をまとめて表１に示す。また、図２に熱伝導率とＹ２Ｏ３の比率の関係を、図３に融点とＹ２Ｏ３の比率の関係を示す。
【００４３】
【表１】
2010013310.tif 000002
【００４４】
表１に示した結果および図２、３に示した結果から、本発明に係る固体圧力媒体用セラミックス焼結体は、熱伝導率、融点が共に、固体圧力媒体として好ましい値、即ち熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以下かつ融点が２６５０℃以上を満たしていることが分かる。このように、本発明によれば従来難しいとされている、高い融点と、低い熱伝導率を併せ持つ固体圧力媒体用セラミックス焼結体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】固体圧力媒体を用いた高圧合成セルの一例を示す断面図である。
【図２】本発明における実施例と比較例における固体圧力媒体用セラミックス焼結体の熱伝導率とＹ２Ｏ３粉末のｍｏｌ％との関係を示すグラフである。
【図３】本発明における実施例と比較例における固体圧力媒体用セラミックス焼結体の融点とＹ２Ｏ３粉末のｍｏｌ％との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１  被合成物
２  固体圧力媒体
３  加熱ヒーター
４  シリンダー体
５  アンビル体
【図１】
2010013310.tif 000003
【図２】
2010013310.tif 000004
【図３】
2010013310.tif 000005