平成6年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

2 戦略プロジェクト研究開発事業（1）金属・セラミックス傾斜・複合材料の開発（第一報）

材料開発部 二 宮 信 治 吉 浦 洋 之
要 旨
傾斜構造を取り入れた新しい複合材料の開発研究の第一段階として、放電プラズマ焼結法により焼結温度を代えてセラミックス焼結体を作製した。その結果、ジルコニア（3mol％Y203）は1200℃で相対密度99％以上の焼結体が得られたが、ジルコニア（3moIY20，、20wt％A1203）は1300℃で約97％であった。アルミナは1250〜1300℃の焼結温度でほぼ100％の焼結体が得られた。ジルコニア（3mol％Y203）焼結体についてピッカース硬さ測定とSEM観察を行ったところ、相対密度の変化にほぼ対応した挙動を示した。

1．緒 言

スペースプレーソ用耐熱材料として提案された傾斜機

装置SPS−2050である。図1に装置の概略を示す。
使用した原材料粉末は、ジルコニア系が東ソー製のT

能材料1）は、その概念が各方面から注目され、幅広い分

Zr3Y（3mol％Y20。）、TZ−3Y20A（3野で研究されている。これは傾斜させる要素を選択する

mol％Y20い20wt％A120。）の2種類、アルミナはことにより、多様な新機能の発言、新材料の開発が期待

大明化学工業㈱製でTM−D、TM−DAR（いずれもされる2）ためである。

純度99．99％以上）の2種頬である。

傾斜機能材料の作製方法としては、CVD法、粉末冶黒鉛型（内径20mm、外径45rnm、高さ40mm）に100金法、溶射法など多くの方法が試みられているが、近年％緻密化した場合厚さが3mmになるように粉末を充填普及しつつある「放電プラズマ焼結法」もそのひとつでし、焼結圧力49MPaで真空中で焼結した。

ある。放電プラズマ焼結法は加圧焼結法の一種で、黒鉛型の中で充填した粉末に圧力をかけながらパルス状の大はON／OFFパルス通電により粉末粒子間に発生する放電プラズマが、粉体表面の活性化や拡散を促進することによる低温短時間焼結や難焼結性材料の焼結である3）。

水冷民望チャンバー

電流を流し、ジュール熱を発生させ焼結する。その特徴

異種材料を同時に焼結させる場合、焼結温度の違いが最大の問題となる。放電プラズマ焼結法の場合、黒鉛型内における粉末の位置や黒鉛型の形状を工夫することにより温度勾配を作り出すことができるため、傾斜磯能材

図1放電プラズマ焼結装置の概略

料の作製に適している4）5）。
本研究では傾斜構造を取り入れた新しい複合材料の開室温から所定温度まで10分で昇温し、その温度に5分発を目指しているが、その第一段階として放電プラズマ間保持した後直ちに圧力を除くと同時に真空中で放冷し焼結法によりセラミックス焼結体を作製し、焼結温度のた。温度は放射温度計により、黒鉛型の表面温度を測定影響について検討したので報告する。

した。

得られた焼結体は洗浄した後、密度（アルキメデス法）
2．実験方法使用した装置は、住友石炭鉱業㈱製放電プラズマ焼結−22仙を測定した。またTZ−3Yについては、ピッカース硬さを測定し、SEM観察を行った。

平成6年度 研究報告 大分県産業科学技術センターいる9）。これらのことからTZ−3Y20Aでは、203．結果と考察
図2に、ジルコニア系2種摂の焼結体の、焼結温度とwt％配合されたアルミナのために焼結性が低下してい相対密度との関係を示す。5分間という短い焼結ながら、るものと思われる。

TZ−3Yほ1200℃で相対密度99％以上の緻密な焼結体

図3にアルミナ焼結体の焼結温度と相対密度との関係が得られた。

を示す。TM…D、TM−DARともに1250〜1300℃でジルコニア（3Y）の加圧焼結（ホットプレス）では、相対密度がはぼ100％に達している。

99％以上の相対密度を得るためには1400℃以上が必要でアルミナの放電プラズマ焼結は、斉藤ら10）によって詳あると報告されており6）7〉、その際の焼結時間も0．5〜しく検討されている。純度99．9％の原料粉末を用いた場2時間となっている。セラミックスの焼結特性は原料粉合、放電プラズマ焼結法で1500℃3分間焼結したものは、末の形態、メーカーなどによって大きく異なることがあ

1600℃で2時間HPあるいぼHIPしたものと比較してるが、TZ−3Yにおいて1200℃、5分間という低温、良好な強度特性を示しており、放電プラズマ焼結の有効短時間で99％以上の相対密度の焼結体が得られたことは、性を確認している。

放電プラズマの効果によるものであると考えられる。

今回、これよりも200℃以上低温で緻密な焼結体が得

一方、TZ−3Y20Aでは、焼結温度の上昇に伴っられているが、これは使用した原料粉体の純度の遠いにて相対密度も上昇しているが、1300℃でも98％に達してよるものと思われる。

いない。近藤ら8）は、TZ…3Yにアルミナウイスカー

今回使用した原料粉末はどとらとも99．99％以上の高を分散させ、放電プラズマ焼結を行っているが、99％以純度であるが、TM−DARはTMADをさらに高純度、上の相対密度は1300℃以上で得られている。またアルミ単粒子化したものである。1250℃において、TM−DA

ナにジルコニア（3Y）を配合すると焼結製が低下し、Rはほぼ100％に緻密化しているのにTM−Dが99％焼結温度の上昇が必要となる、ということも報告されて達していない原因は、このことによるものと思われる。

1100 ‖50 1200 1250 1300
焼結温度（Oc）

図2 ジルコニア焼結体の相対密度1200 1250 1300 1350 1400
焼結温度（℃）

図3 アルミナ焼結体の相対密度

23一

‥1、「・モニー ー＿−−、、 − こ・∵ ‥−■常長意音∴●￣、ニ、−
図4 TZ−3Y焼結体の硬さ
図5にTZ−3Y焼結体の切断面のSEM写真を示す。
1150℃では、気孔あるいは切断の際の破壊、未焼結部分の欠落と思われる凹みが多数認められるが− その数は1200℃では大きく減少している。1250℃でほ切断の際の傷が見えるだけで凹みなどは認められず、十分に緻密化している。

射∴緒 言
放電プラズマ焼結法により焼結温度を代えてジルコニ
ア、アルミナの焼結体を作製し、焼結温度の影響を調べ

図5 TZ−3Y焼結体の切断面（a）1150℃（b）1200℃（c）1250℃た。その結果は以下のとおりである。
①ジルコニア（3mol％Y。0。）は1200℃、5分間の低温短時間焼結で相対密度99％以上の緻密な焼結体が得ら密化し、より高純度、単粒子化したものが良好な焼結性

れたが、これは放電プラズマの効果であると考えられる。

を示した。

しかし、ジルコニア（3mol％Y20。、20wt％Al。0。）③ジルコニア（3mol％Y20。）焼結体についてピッカー

は、1300℃でも相対密度98％に達しなかった。これはアス硬さ測定及びSEM観察を行なった。その結果、相対ルミナの添加により焼結性が低下したためと思われる。

密度の変化にほぼ対応した挙動が認められた。

②高純度アルミナは、1250〜1300℃でほぼ100％まで緻−24−平成6年度 研究報告 大分県産業科学技術センター参考文献
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