JEMEA Journal Vol.3 (2019.9)

学術論文
2.45 GHz 帯における Al4SiC4 のマイクロ波加熱特性
Microwave Heating Behavior of Al4SiC4 in 2.45 GHz band
木村 奈津子※1,3、藤井 隆司 3 、樫村 京一郎 3、中尾 航 2Natsuko Kimura, Takashi Fujii, Keiichiro Kashimura, Wataru Nakao
1. 横浜国立大学大学院工学府、2. 横浜国立大学大学院工学研究院、3．中部大学工学部
1. 2. 〒240-8501 神奈川県横浜市保土ヶ谷区常盤台 79-5
3. 〒487-8501 愛知県春日井市松本町 1200
1.

Graduate school of engineering, Yokohama National University, 79-5, Tokiwadai, Hodogaya, Yokohama, Kanagawa,240-8501, Japan
2.

Faculty of engineering, Yokohama National University, 79-5, Tokiwadai, Hodogaya, Yokohama, Kanagawa,240-8501, Japan

3. College of engineering, Chubu University, 1200, Matsumoto-cho, Kasugai city, Aichi, 487-8501, Japancorresponding author*, e-mail address : kimura-natsuko-jc@ynu.jp
キーワード: マイクロ波加熱、Al4SiC4、プラズマ、誘電特性、粒径、Keywords: microwave, heating, Al4SiC4, plasma, dielectric property, particle size
Abstract
The heating properties were investigated for Al4SiC4 powders with various particle sizes (3.0 m to 1-2 mm) to develop
2.45GHz microwave well absorber. The single-mode cavity, which is able to separate electric field heating and magnetic fieldheating, was employed as microwave heating systems and the heating behavior was investigated at separated electrical field
employing a radiation thermometer. Their electrical permittivity for 2.45GHz were measured by the cavity perturbation method.
Al4SiC4 were compared with Al2O3 in both heating behavior and electrical permittivity. The microwave absorption of Al4SiC4powders increases with their grain size, 1-2 mm particles powders indicates higher temperature than 3 m in their microwave
heating.
1. 緒言
Al4SiC4 は耐水和性に優れ、2037oC という高融点を有火物内の空隙を埋め緻密化に寄与することにより、耐しており高温でも安定に使用することが可能な炭化物

火物の腐食を防ぐ役割を持つ添加剤である 2)。酸化防で、近年では耐火物の酸化防止剤として応用研究が検止剤には，Al があるが、酸化によって水和しやすい1-3)。酸化防止剤とは、高温における炭素Al4C3 を生成する。それに対し Al4SiC4 は、最初に Al2O3の酸化減少を抑制すると同時に、生成した酸化物が耐を生成するため反応過程で Al4C3 を生成することがな討されている

40

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く、耐水和性に優れている 3)。そのため Al4SiC4 は、腐討する。Al4SiC4 は一定の圧電特性 d を有することが知

食環境の厳しい高温で耐火物の腐食を防ぐ有用物質とられており（𝑑して今後の発展が期待されている。

係数、0：真空の誘電率、’：比誘電率、s：弾性コン𝑘 𝜀 𝜀′𝑠。ここで、k：電気機械結合

マイクロ波は急速昇温、自己発熱、及び選択加熱が）18-19)、Al4SiC4 は誘電性を示すこ
プライアンス（m2/N）

可能な革新的な技術で 4–11)、セラミックスや鉱物など誘とが推察される。そこで Al4SiC4 のマイクロ波による発電体への加熱応用が検討されている 12–14)。これらの報

熱特性、比誘電率と誘電損率を測定し、粒径と発熱と告によれば、マイクロ波が誘電体に照射された際におの関係を明らかにする。耐火材として代表的な Al2O3

ける単位体積当たりの損失電力密度 P[J･m ･s ]は、磁の複素誘電率 17)、発熱特性 12)を比較し、Al4SiC4 のマイ性損失を考慮しなければ、下記式で近似できる 15)。

クロ波吸収体としての有用性を調査する。

-3𝑃

1 "𝜀 𝜔|𝐸 |
2𝜎|𝐸 |

-1(1)

2.方法

ここで、”：誘電損率（複素誘電率の虚部）、：角2-1.マイクロ波による加熱特性周波数（=2f、f: 周波数）、：電気伝導度、E：電界強供試材である Al4SiC4（Tateho Co., Ltd.）には平均粒度である。(1)式から、マイクロ波加熱装置依存のと E

径、3.0 m、10.4 m、16.3 m、1-2 mm の粉末を用いを一定とすると、発熱量 P は各物質の誘電損率が大きた。Fig. 1 は各粉末の SEM 画像であり粒子形状を示し

いほど誘電体に吸収されるエネルギーが高く、より発ている。比較試料として、-Al2O3（TM-DAR、TAIMEI熱することが示される。

CHEMICALS Co., Ltd.、平均粒径 0.1 m）を用いた。

さらに、実際の加熱特性を評価するためには、(2)式

マイクロ波加熱炉は、電場と磁場を分離し、一定方に表される浸透深さ D（tand≪1 の場合）を考慮する必向からマイクロ波を照射可能であるシングルモードの要がある 16)。

空洞共振器を用いた 20)。試料は電場が最大となる点

𝐷𝑐√𝜀𝜔𝜀 "（Emax）に配置し、炉内の磁場を排除し電場のみが試料(2)に照射されるようにした。マグネトロンより発振されここで、’：比誘電率、c：光速である。分母に誘電たマイクロ波は、E-H チューナにより最も照射効率の損率を有していることから、誘電損失が低い物質ほど良い波に調整され、共振器内部に導入される。ここで、浸透深さは深くなり、高い物質ほど深さは短くなる。

結合窓（52 mm）と短絡板（プランジャ）間で形成さつまり、誘電損率が高い物質ほど、マイクロ波エネルれる TE103 の電界最大点に試料を配置した。試料が電界ギーを熱に変換するため内部までマイクロ波が届かな最大点に設置されるように、プランジャの位置を調整いのに対し、誘電損率が低い物質は熱に変換されないし、マイクロ波の入射波（PW）と反射波（RW）の位ため内部までマイクロ波が浸透するといえる。例えば、

相ずれが起こらないようにした。マイクロ波の出力電17)

Al2O3 は’=9.48、”=0.00092（6 GHz の場合）であり 、力（入射波）および反射波はパワーモニタを用いて確

浸透深さは 26.61 m である。SiC は ’=19.1、”=1.26（6認した。

17)

GHz の場合）であり 、浸透深さは 0.03 m である。つ

加熱条件は、マイクロ波照射電力 220 W 一定、乾燥まり、体積が小さい物質であれば、Al2O3 はマイクロ波

空気 0.7 ml/min 一定とし、最大で 20 分間照射した。試のエネルギーをすべて熱に変換させずに透過してしま料は、約 0.5 g を12 mm の石英管に詰めて空洞共振器

うのに対し、SiC はエネルギーを熱にする変換効率が内に設置した。昇温は観察用窓からファイバ型放射温高い。一定の大きさを持つ物質の加熱特性を評価する度計（FTK9-P300R, Japan Sensor Co.）を用いて、試料ためには、こうした浸透深さの影響を吟味する必要が側面の表面温度を測定した。放射温度計は、装置の仕ある。

スポット径を2.5
様上 280oC 以下の測定が不可であり、上述した 2 つの観点から、Al4SiC4 のマイクロ波発熱mm とした。

特性を評価し、Al4SiC4 の新規用途に有用であるかを検41

JEMEA Journal Vol.3 (2019.9)が明らかであるテフロンと石英を参照試料として採用し、測定結果の妥当性を担保した。
3.結果および考察
3-1 Al4SiC4 粉末のマイクロ波加熱特性
Al4SiC4 は粒径が大きいものほど、昇温が速く、到達温度も高温であることが示された。Fig. 2 は、マイクロ波照射開始から終了後の冷却過程までの試料温度経時変化を示す。ここで、マイクロ波の入射出力は 220±10 W 一定であり、反射出力は Al4SiC4(粒径 1-2 mm)において 0-1 W であり、その他の粒径および Al2O3 において 50±5 W である。温度測定開始時は、放射温度計の仕様上 280oC 以下の測定は不可であるため、温度は280oC 一定を示している。また、図中に示す灰色の破線はマイクロ波を停止した時間を示している。高温で急激な温度上昇を示した位置では、プラズマが確認された。プラズマはマイクロ波を吸収しやすいため、マイクロ波による試料の直接加熱を妨害する。ゆえに、プラズマ発生時は、マイクロ波の照射を瞬間的に停止させ、プラズマを消去した。粒径 1-2 mm の試料ではマイクロ波照射開始後 500oC に達するまで 23 s だったのに対し、粒径 16.3 m のものでは 172 s、粒径 10.4 mFig. 1 SEM Images of Al4SiC4 for each particle size. (a)1-2のものでは 540 s だった。
粒径 3 m の試料と Al2O3 は、mm, (b)16.3 m, (c)10.4 m, (d) 3.0 m, (e) Al2O3.

放射温度計が測定可能な温度まで昇温せず、正確な温度を測定できなかった。また、最大温度に達する温度は、粒径 1-2 mm の試料では 930oC だったのに対し、粒2-2. Al4SiC4 粉末の誘電率測定(1)式に示す通り、誘電率複素部はマイクロ波加熱に

径 16.3 m のものでは 680oC、粒径 10.4 m のものではおいて発熱量と線形である。複素誘電率測定を行い、590oC だった。粒径 1-2 mm の試料は、マイクロ波照射比誘電率 (’)と誘電損率(”)を明らかにする。

開始後 2.9 s から昇温しはじめたのに対し、粒径 10.4 mのものでは 411 s から昇温し始めた。なお、Al2O3 は、誘電率測定は、円筒空洞共振器（TM010 モード）による摂動法

16, 21)を用いて、各試料を 3 回計測した。試料同様の条件で加熱が困難であった。には、 2 mm のガラス管のキャピラリーチューブ

上述した加熱挙動は、エネルギー保存則の観点から（F-6009-015、フロン工業株式会社）に挿入可能である説明できる。粒径が大きい Al4SiC4 は、粒径が小さい

平均粒径 3.0 m、10.4 m、16.3 m の粉末を用いた。

Al4SiC4 に比べ、体積に対する表面積が小さい。粒子かAl4SiC4(粒径 1-2 mm)は、キャピラリーチューブに挿入ら損なわれる熱エネルギーは、表面積の減少に伴い少できない大きさのため、測定はしなかった。測定に要なくなる。そのため、粒径が大きい Al4SiC4 は、粒径がするかさ密度は、体積（2×25 mm）において 12.83±小さい Al4SiC4 に比べ、蓄熱に有利であるので、マイク1.343 mg/mm になるようにした。比誘電率(’)と誘電損

ロ波を吸収した試料の発熱と試料からの抜熱が釣り合率(”)は、この測定結果から明らかにした。測定は、摂う温度が高くなったと推察される。

3動係数 1.855 を用い、常温で実施した。また、既に値42JEMEA Journal Vol.3 (2019.9)

Temperature, T/oC

1000

MW Off

800

1-2 mm

0.15

MW Off16.3 m

600

0.20

1-2 mm16.3 m
10.4 m
Al2O3 m
Al2O3

Plasma On

Loss factor, "1200

Plasma On
10.4 m

400

16.3 m
10.4 m

0.100.05

0Al2O33.0 m Al2O32000200

400

600

800

10000.00

1200

012

3.0 m345

Dielectric constant, 'Time, t/s

Fig. 3 Dielectric properties of Al4SiC4 samples

Fig. 2 Heating curves when the microwave was irradiated tosamples

Table 1 Results of dielectric properties of Al4SiC4 and Al2O322)

having different particle sizes

下記に示す Al4SiC4 の素反応を考慮すると 、マイク
ロ波エネルギーは、温度上昇に伴い、Al4SiC4 から SiC

Compositionへの異なる担い手を経由して試料に与えられることがParticle size
[m]

Al4SiC4

16.3
16.3
16.3
10.4

わかる。
Al4SiC4＋6O2→2-Al2O3+SiC+3CO(3)-Al2O3→-Al2O3(4)SiC+3/2O2→SiO2＋CO(5)3-Al2O3＋2SiO2→3Al2O3・2SiO2(6)式(3)は、引用文献において 600oC 近傍で Al と SiC に分

Al2O3解されることが報告されている。そのため、Al4SiC4 にマイクロ波が吸収されると電力を半減しながら内部にDielectricconstant, Loss factor, ”

12.9

3.95

0.0995

0.025

14.0

4.67

0.149

0.032

12.9

4.21

0.121

0.029

12.9

3.99

0.125

0.031

10.4

13.0

4.16

0.122

0.029

10.4

11.5

3.31

0.080

0.024

3.0

13.3

3.56

0.010

0.003

3.0

14.2

3.83

0.014

0.004

3.0

13.5

3.71

0.015

0.004

2.0

16.4

2.66

0.012

0.005

2.0

17.2

2.76

0.028

0.010

2.0

17.9

2.78

0.027

0.010

Density[g/mm3]tan 

浸透し、その後生成した SiC にマイクロ波は吸収され16.3 m）と Al4SiC（粒径10.4 m）は、Al4SiC（粒径44るようになったと推定される。
プラズマの発生は、高温になるにつれ分子運動が活粒径の差分がそれほどないため tanがわずかに異なる発となり放出された電子と電離した空気中の気体が反だけで、誘電特性に大きな差はみられなかった。しか応したものと考えられる。この気体は，系内に存在すし、Al4SiC4（粒径 3.0 m）はこれらより 1 桁小さい粒る気体（N2、O2、CO）のなかで最も絶縁破壊しやすい径であり、著しく誘電損率が低下していた。これらの23)物質である N2 が考えられる 。

ことから、測定されていない粒径 1-2 mm の試料は、これらの試料より 2~3 桁大きな粒径であるため、誘電損3-2 誘電率の測定結果率がさらに高いことが予想される。

Al4SiC4 の平均粒径 10.4 m と 16.3 m の試料は、Fig.

Table 1 にまとめたこれらの結果から、Al4SiC4（粒径3 に示すように Al2O3 よりも高い誘電損率を示した。横16.3 m）と Al4SiC4（粒径 10.4 m）において熱変換効軸は比誘電率であり縦軸は誘電損率、直線の傾きが率である tanが同程度であるのに対し発熱特性に違いtanであり、傾きが大きいほど熱エネルギーへの変換効がみられた要因は、前述したように粒径によって熱収率がよいことを示している。エラーバーは標準誤差を支が異なっていたためと考えられる。また、粒径 3.0 m示している。Table1 は各試料の測定時の密度と比誘電の試料が発熱しなかった要因は、誘電特性が低いこと

率’と誘電損率”、 誘電正接 tanである。によると考えられる。今回の実験結果において、Al4SiC443JEMEA Journal Vol.3 (2019.9)

Res. Soc. Symp. Proc., 269 (2018) 329–334.の粒径が大きいものは Al2O3 より加熱効率が良いこと
6)が示された。

J. Fukushima, S. Takayama, H. Goto, M. Satoand H. Takizawa, Phys. Chem. Chem. Phys., 19(2017) 17904–17908.

4. 結論
7)

Al4SiC4 の 2.45GHz マイクロ波帯における発熱特性を

H. bo Jin, M. sheng Cao, W. Zhou and S.

評価し、マイクロ波プロセス応用への有用性を検討しAgathopoulos, Mater. Res. Bull., 45 (2010) 247–

た。Al4SiC4 はマイクロ波により、よく発熱することが250.
8)確認され、粒径が大きいほど到達温度が高く、粒径 1-2o

M. Mizuno et al., J. Eur. Ceram. Soc., 24 (2004)387–391.

mm の試料では 930 C に達することがわかった。これ
9)に対し、粒径が小さいほど到達温度が低く、粒径 10.4o

A. Ahmed and E. Siores, J. Mater. Process.

Technol., 118 (2001) 88–95.

m の試料では 590 C であり、粒径 3 m のものでは放o10) R. Silberalitt, Iftikhar Ahmad, W. M. Black and

射温度計が測定可能な温度（280 C）まで昇温しなかっ

J. D. Katz, MRS Bull., 18 (1993) 47–50.

た。これらの要因として、発熱特性は、粒径が大きい

11) H. Fukushima, T. Yamanaka and M. Matsui, J.

ほど比表面積小さくなり抜熱が少なくなるため、到達Mater. Res., 5 (1990) 397–405.

温度が高くなると考えられる。また、粒径が小さくなると誘電損率が小さくなるのと同時に抜熱量が粒径の12) B. S. L. Mcgill, W. Walkiewicz and A. E. Clark,

大きいものよりも多くなるため、発熱しないものと考US Dep. Inter. Bur. Mines, (1995) 1–28.

えられる。これらの結果から、Al4SiC4 は粒径を大きく

13) K. Kashimura, H. Sugawara, M. Hayashi, T.

するとマイクロ波場において急速に発熱することが確

Mitani and N. Shinohara, AIP Adv., 6 (2016) 1–

認された。

7.
14) X. Zhang and D. O. Hayward, Inorganica Chim.

これにより Al4SiC4 の新規用途として、マイクロ波加Acta., 359 (2006) 3421–3433.

熱のエネルギー吸収体としても有用な物質であること

15) 吉川昇, 材料マイクロ波プロセッシングの基礎,が示された。

コロナ社，(2014) 21.
16) 福島英沖, 困らない!マイクロ波サイエンスとエン

5. 謝辞
本研究は、タテホ化学工業株式会社から試料のご提ジニアリング, S&T出版，(2018) 37–52.

供を受けて成果を報告することができました。この場

17) 福島英沖, 近藤勇太, マイクロ波化学プロセス技術Ⅱ, シーエムシー出版, (2013) 116.

をお借りして御礼申し上げます。

18) L. Pedesseau, J. Even, M. Modreanu, D.
引用文献

Chaussende, E. Sarigiannidou, O.

1)

H. Yokokawa, M. Fujishige, S. Ujiie and M.

Chaix-Plucgery and O. Durand, APL Mater., 3Dokiya, Metall. Trans., B 18 (1987) 433–444.

(2015) 1–10.

2)

星山 基宏, 山口 明良, 陰明寺 準治, 耐火物, 6119) 内野研ニ, 強誘電体デバイス, 森北出版株式会社,(2009) 290–294 .
3)
4)(2005) 135–137.

J. Zhao, W. Lin, A. Yamaguchi, J. Ommyoji and20) H. Yokawa, H. Mutou, S. Tsubaki, N. Haneishi,J. Sun, J. Ceram. Soc. Jpn., 115 (2007) 761–766.

T. Fuji, N. Asano, K. Kashimura, T. Mitani, S.

C. Y. Hsieh, C. N. Lin, S. L. Chung, J. Cheng

Fujii, N. Shinohara and Y. Wada J. Civ.

and D. K. Agrawal, J. Eur. Ceram. Soc., 27

Environ. Eng., 07 (2017) 1–6.

(2007) 343–350.
5)21) R. Dubertrand, E. Bogomolny and N. Djellali, M.

Jinsong Zhang, Lihua Cao and Fei Xia, Mat.

Lebental and C. Schmit, Phys. Rev. A 77, (2008)

44

JEMEA Journal Vol.3 (2019.9)

1–16.
22) 木村 奈津子, 中尾 航, 耐火物, 70 (2018) 203–
208.
23) 赤崎正則, プラズマ工学の基礎, 産業図書, (1984)
39.

Manuscript
received:

June 3, 2019

Revised: Aug. 11, 2019
Accepted: Aug. 31, 201945