第５章

5-1

電気事業における超微粒子の利用 ………………… 38

5-2AℓN 超微粒子の合成 ………………………………… 38

5-2-1

AℓN の高純度化方策

5-2-2

原材料 Aℓ粒子の注入条件

5-3AℓN 球状ナノ構造複合粒子の合成 ………………… 39

5-3-1

複合粒子の円形度

5-3-2

ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の体積比

5-3-3

ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の粒径比5-4AℓN 複合粒子を充填したエポキシ樹脂の熱伝導率と絶縁破壊強度 ……………………………………… 41

5-4-1

複合粒子を充填したエポキシ樹脂

5-4-2

全固体変圧器用絶縁材料への適用性

第５章

超微粒子やナノ構造複合粒子など材料創製への応用

5-1 電気事業における超微粒子の利用

5-2-1

AℓN の高純度化方策

電気事業においては、より一層のコスト低減が求めら

ま ず、Aℓ と 反 応 ガ ス（ 窒 素（N2） と ア ン モ ニ ア

れており、機器の更なる高効率化や寿命延伸などによる（NH3）の混合ガス）から AℓN を合成するプロセスに関設備およびメンテナンスコストの低減が望まれている。

して化学平衡計算を行い生成条件について解析した。そまた、発電・送配電の全般において環境適合性が求めらの結果、Aℓから AℓN への転換率を高くするには AℓNれており、このようなニーズに対応していくために種々の生成温度と未反応の Aℓが凝縮する温度の間で Aℓとの新材料を利用してくことが不可欠である。材料の製造

N を反応させる必要があり 1,800 ～ 2,000℃の温度領域法のうちアークプラズマを用いる方法は、電気事業におに反応ガスを吹き込むことが必要であることが分かった。

いてこれまでも溶射による耐食・耐磨耗コーティングや次 に、 図 5-1 に 示 す 実 験 装 置 に お い て、 圧 力 30 ～遮熱コーティングなどに用いられてきたが、近年、実験50kPa のチャンバー内に発生させたプラズマに反応ガス

室規模では、将来、電気事業への適用が期待される高付（トーチガス、回収筒内の反応 ･ 急冷ガス）と原材料加価値の材料の創製にも用いられるようになってきていAℓ粒子を吹き込み AℓN 超微粒子の生成実験を行った。

る。その中でも超微粒子はサイズが 100nm 以下と小さ

トーチガス種および回収筒内の反応 ･ 急冷ガス種のく、その比表面積が大きいなどの特徴を持つため、発電AℓN 生成特性への影響を調べた。その結果、図 5-2 にプラントにおける反応吸収剤や触媒などへの利用示すように、トーチガスを N2、反応 ･ 急冷ガスを NH3や、（1）温度、圧力、振動、ガスなどを感知する各種センサーへの適用（2） が検討されている。また、最近では、電力プラズマ
トーチ(陰極)ケーブルやエナメル線の絶縁材料への適用も検討され始

トーチガス。これらの超微粒子の実機器への適用の際（3）

アークプラズマの課題として、製造コストの低減（1）、超微粒子の大量創製技術の開発などが挙げられる。

陰極
プラズマトーチ先端部 断面図

陽極

一方、当研究所では、電力流通設備の中の変電所に着排気真空ポンプ目し、絶縁油や地球温暖化係数の高い SF6 ガスに代え生成粉回収場所
反応・急冷ガス

フィルタて固体絶縁を全面的に活用した全固体変電所を提案して回収筒回収タンクいる（4）。また、この変電所の中の主要機器である変圧回収タンクへ（エタノール入り）

回収筒先端部 断面図器に注目し、変圧器の固体絶縁材料として、熱伝導率の図5-1高い窒化アルミニウム（AℓN）の粒子を充填したエポキシ樹脂について検討を進めてきた。この AℓN 粒子を超微粒子として利用することを考え、超微粒子の低100コストかつ大量の創製が期待できるアークプラズマ法を80使用し、AℓN 超微粒子などの合成を試みた（7）～（9）。また、合成した AℓN 粒子をエポキシ樹脂に充填してその熱伝導率および絶縁破壊強度の評価を行った（10）。

トーチガス

5-2 AℓN 超微粒子の合成
本節では、移行形アークプラズマを用いた AℓN 生成
特性について検討し、高純度 AℓN 超微粒子を得る条件を明らかにするとともに、原材料 Aℓ粒子の大量蒸発が期待できるプラズマへの注入条件を選定した。

・アーク電流：140A
・プラズマ長：75mm
・トーチガス流量：20 ℓ/min
・原材料Aℓ粉：20μm，0.5g/min
・反応･急冷ガス流量：20 ℓ/min
・陽極・回収筒間距離：75mm

6040
反応･急冷ガス2038

粉体制御プラズマ基礎実験装置

（5）
（6）

AℓN純度［%wt.］

第５章

めている

Aℓ粉＋トーチガス

チャンバー

0・プロット点：2～4個の平均値
・エラーバー：最大値～最小値

02040

60

80 100ガス中のNH3濃度［%Vol.］（混合ガス：N2）○：トーチガスをN2とし、反応・急冷ガス中のNH3濃度を変えた。
△：反応・急冷ガスをN2とし、トーチガス中のNH3濃度を変えた。

図5-2

生成粒子中AℓN純度のトーチガス種および反応･急冷ガス種依存性

とすることにより、AℓN 純度 90%wt. の超微粒子が得ら分な溶融・蒸発が得られた条件として、注入位置 C、注れた。なお、このときの超微粒子の平均粒径は 30nm 程

入角度 0 度、搬送ガス流量 1 ～ 15ℓ/min を選定した。
選定したこの条件で Aℓ粒子注入実験を行った結果、度であった。
また、エタノールが AℓN とは反応せずに Aℓと反応Aℓ蒸発による Aℓ原子の輝線（波長 396nm）の観測領することを利用して、上記の超微粒子を高純度化させる域が、数値解析で求めた Aℓ粒子の蒸発領域（図 5-3 の検討を行った。回収筒の下流側にエタノール入りタンクグレーの領域）とほぼ一致し、また生成粉はその平均粒を設置し、それを通過した粉をフィルタで回収すること径が 100nm 以下であった。このことから Aℓ粒子の蒸によって、AℓN 純度が 99%wt. 以上と高い超微粒子が得発・凝縮により生成されたと推定できる。さらに Aℓ注られた。

入量を 10 倍程度に増加させた場合も生成粉の平均粒径が 100nm 以下であったため、上記で選定した注入条件

5-2-2

原材料 Aℓ粒子の注入条件は Aℓ注入量増加時にも妥当と考えられた。

原材料の Aℓ粒子のプラズマ場への適切な注入条件を5-3 AℓN 球状ナノ構造複合粒子の合成明らかにするために、数値解析による Aℓ粒子注入条件の選定を試みた。図 5-3 において代表的な注入位置 A

5-1 節で述べたように、当研究所では、環境性や防災～ D を選択し、Aℓ粒子の注入角度と搬送ガス流量を変性の観点から全固体変圧器の開発研究を推進している。

え、プラズマの電磁流体方程式および Aℓ粒子の運動とこの絶縁材料にはエポキシ樹脂よりも高い熱伝導率、エAℓ粒子への伝熱を解析することにより Aℓ粒子の蒸発

ポキシ樹脂と同等の絶縁破壊強度が必要である。熱伝導挙動を求めた。この結果、アークプラズマ内における十性に優れた AℓN の異種サイズの球状粒子を混合しエポ
このためには、球状のミクロンオーダーの粒子の表面に半径方向の距離r(mm)100nm 以下の超微粒子が付着した複合粒子（AℓN 球状陰極
温度(K)17,000015,000

軸方向の距離x(mm)13,000
10ノズル

A5B

1015

注入角度
0度

20

注入管

CC

Θ：注入角度

θ20

蒸発完了
30
温度(K)
11,000ナノ構造複合粒子；以下、複合粒子と記す）を利用することが考えられるが、より簡易な合成プロセスの開発が望まれている。また、その合成プロセスでは、複合粒子の形状、ミクロンオーダーの粒子と超微粒子との体積比および粒径比などの粒子寸法条件を制御する必要がある（11）。これらの課題を解決するためには、当研究所が超微粒子の大量合成ツールとして着目している移行形
アークプラズマを利用し、プラズマ中の原材料粒子の蒸D
1,000

発挙動および原材料蒸気の凝縮挙動を制御する合成法が3,000

有望と考えられる。

5,000

本節では、絶縁材料用充填材として適切な粒子寸法条

7,000
温度(K)

件を明らかにするための第１段階として、移行形アーク
プラズマを用いて複合粒子の合成を試み、その複合粒子

9,000
40
A～Dは、Aℓ粒子を注入した位置を示す。注入角度（A：-90度、B：45、0、-45度、C：0、-45度、D：45度）や搬送ガス流量（1～30ℓ/min）をパラメータとし、Aℓ粒子の蒸発挙動を解析した。
Cから注入角度0度、搬送ガス流量1～15ℓ/minで注入する場合に、Aℓ粒子を効率的に蒸発させることができた。この条件で、粒子が沸点に達する領域を濃いグレーで示した。の円形度、ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の体積比および粒径比を制御する操作条件を明らかにする。なお、
円形度は、２次元の粒子の写真から求めた面積 S と周囲の長さ L から 4 p S/L2 で定義される。円であればこの値は１で最大となり、円から歪んだ形になるほど周囲長が

図5-3

Aℓ粒子の蒸発挙動の数値解析結果大きくなるので小さい値になる。

電中研レビュー No.54 ● 39第５章

キシ樹脂に高充填することによりその実現が期待できる。

前掲の図 5-1 と類似の実験装置を用いて、減圧下チャンバー内の窒素プラズマに原材料として AℓN 破砕粒子に超微粒子が付着した複合粒子が得られることが分かった。

を注入し、プラズマ中の滞留時間およびプラズマ下流部の反応・急冷ガスの流量を変化させて、以下の結果を5-3-2ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の体積比得た。

5-3-1

複合粒子の円形度

プラズマ中の原材料粒子の滞留時間を 2 ～ 5ms とすることにより、ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の体

図 5-4 に、 原 材 料 粒 子 お よ び 合 成 し た 複 合 粒 子 の積比を 8：2 から 5：5 程度まで制御できた（図 5-6 の○SEM 写真を示す。また、図 5-5 に、複合粒子の円形度印）。また、プラズマ中の粒子の直径の減少を考慮したに及ぼす原材料粒子のプラズマ中の滞留時間の影響を示

蒸発挙動計算を行った結果、実験結果と概略一致し（図す。これらの図から、円形度が 0.75 程度の原材料粒子

5-6 の破線）、プラズマ温度、原材料粒子の直径およびをプラズマ中に 2ms 以上滞留させることにより、そのプラズマ中の滞留時間を用いて、ミクロンオーダーの粒円形度を 0.9 程度まで向上でき、ほぼ円形の粒子の表面子と超微粒子の体積比を予測できることが明らかになった。

5-3-3

ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の粒径比[円形度：0.82]5μm(a) 原材料粒子

図5-4

粒子の走査型電子顕微鏡（SEM）写真

反応・急冷ガス流量を 5 ～ 20ℓ/min と変化させることにより、ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の粒径比を30：1 から 250：1 程度まで制御できた。

・AℓN供給速度：2.1g/min・プラズマ長：25～75 mm
・プラズマガス：N2、5～20 ℓ/min
・反応・急冷ガス：NH3、20 ℓ/min

・AℓN供給速度：2.1g/min
・アーク電流：140A
・プラズマ長：25～75mm
・プラズマガス：N2、5～20ℓ/min
・反応・急冷ガス：NH3、20ℓ/min

31.0
SEM画像から求めた粒子の円形度

5μm(b) 複合粒子100
プラズマ温度
Ｔ＝3200K

0.9

0.80.7・プロット点：40～80個の平均値
・エラーバー：１σの範囲

0.6

0.50123456

複合粒子中のミクロンオーダーの粒子が占める割合 [%vol.]第５章

プラズマ中に原材料粒子を 2 ～ 5ms 程度滞留させ、[円形度：0.70]80
Ｔ＝3500K
604020

プラズマ中の粒子の滞留時間 tp [ms]*＊プラズマ中の粒子の速度を次のように仮定して求めた。

0プラズマガス流量： 5 ℓ/min・・・速度：10m/s（実測値）
プラズマガス流量：10 ℓ/min・・・速度：20m/s
プラズマガス流量：20 ℓ/min・・・速度：40m/s

図5-540

プラズマ中の原材料粒子の滞留時間が合成粒子の円形度に及ぼす影響

Ｔ＝3800K

実験結果：○（40～80個の平均値）
計算結果：
実験結果：○（40～80個の平均値）
・粒子を球形と仮定して
－－－－－
計算結果：
計算
・温度Ｔは実測値から求めた径方向の平均温度
・超微粒子の回収率：
10％

012

3456

プラズマ中の粒子の滞留時間 tp [ms]図5-6

複合粒子中のミクロンオーダーの粒子が占める割合

5-4 AℓN 複合粒子を充填したエポキシ樹脂の熱伝導率と絶縁破壊強度

5-4-1

複合粒子を充填したエポキシ樹脂複合粒子をエポキシ樹脂に充填した結果、図 5-7 に示合成した AℓN 複合粒子をエポキシ樹脂に充填し、そすように、ミクロン粒子どうしの間にナノ粒子が分散しれの全固体変圧器用絶縁材料への適用性を明らかにするている様子が観察された。これにより、エポキシ樹脂にために、その熱伝導率および交流絶縁破壊強度を評価し40vol.％まで充填でき、同形状を持つ市販の球状化粒子た。に比べて高充填化できた。

熱伝導率を高くするために AℓN 純度が 99% 以上と高5-4-2

く、絶縁破壊強度を高くするためにミクロン粒子の円形

全固体変圧器用絶縁材料への適用性度が 0.9 程度と高い複合粒子を合成し、その複合粒子をエポキシ樹脂に充填し、その熱伝導率および交流絶縁破

全固体変圧器用絶縁材料に必要とされる熱伝導率と交壊強度をそれぞれ常温で計測し、以下の結果を得た。

流絶縁破壊強度の計算結果（図 5-8 の実線）に、常温における熱伝導率および交流絶縁破壊強度から推定した高温での値を併せて示す。複合粒子および破砕粒子は全固ミクロン粒子の表面

エポキシ樹脂ミクロン粒子の表面

この四角領域の一例が右のTEM写真

拡大ナノ粒子拡大ミクロン粒子

ナノ粒子エポキシ樹脂

100nm

ミクロン粒子(a) 模式図

図5-7(b) TEM写真（充填率：40vol.%）AℓN複合粒子を充填したエポキシ樹脂のTEM（透過型電子顕微鏡）写真

プロット点（×，▲，■，●）は135℃における推定値

3熱伝導率 （W/m/K）

実線の右上領域*aが全固体変圧器の設計可能領域

210

エポキシ樹脂に充填したAℓN粒子
×無（エポキシ樹脂単体）▲

破砕粒子（市販品）■

球状粒子（市販品）

●

複合粒子

注*ｃ*ｂ

注*a： 275/66kV、300MVAの全固体変圧器を設計できる領域の計算結果（文献(6)）
エラーバー：3σ*b

020
4060
800.5mm厚さ試料の交流絶縁破壊強度（kV/mm）

図5-8ナノ粒子*b： 破砕粒子を充填したエポキシ樹脂の交流絶縁破壊強度の温度依存性を基にして、常温における値から推定した値*c： 文献(6)のデータ

全固体変圧器用絶縁材料に必要とされる熱伝導率と交流絶縁破壊強度の関係

電中研レビュー No.54 ● 41

第５章

500nm

体変圧器設計可能領域に含まれており、さらに破砕粒子に比べて複合粒子は、より高い設計裕度を確保できることが明らかになった。

参考文献（1） 伊藤茂男：超微粒子の利用と粉体の機能化に関する調査、電力中央研究所調査報告、W94039（1995）（2） 先端材料事典編集委員会：先端材料事典、産業調査会、
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門裕之、堀康彦、土田秀一、金神雅樹、高橋紹大、武田敏尚、田中慎一、古川静枝、水谷嘉伸、鈴木寛：全
固体変電所の提案、電力中央研究所調査報告、W00047（2001）（5） 水谷嘉伸、岩田幹正、堀康彦、岡本達希：全固体変圧器の要素技術の開発―絶縁材料と巻線構造の熱特性―、
電力中央研究所研究報告、W01024（2002）（6） 水谷嘉伸、岩田幹正、堀康彦、岡本達希：全固体変圧第５章
42器の要素技術の開発（その２）―AℓN 微粒子を充填したエポキシ樹脂の初期絶縁破壊強度と機械強度―、電力中央研究所研究報告、W02024（2003）（7） 岩田幹正、足立和郎、古川静枝、天川正士：移行形
アークプラズマを用いた高純度窒化アルミニウム超微粒子の生成特性、電力中央研究所研究報告、W02012（2003）（8） 古川静枝、岩田幹正、足立和郎、天川正士：移行形
アークプラズマを用いた窒化アルミニウム超微粒子の合成―原材料アルミニウム粒子の注入条件―、電力中央研究所研究報告、W02022（2003）（9） 岩田幹正、古川静枝、天川正士、足立和郎：移行形
アークプラズマを用いた窒化アルミニウム球状複合粒子の新しい合成法、電力中央研究所研究報告、W03031（2004）（10）岩田幹正、古川静枝、水谷嘉伸、足立和郎、天川正士：
全固体変圧器の要素技術の開発（その４）―AℓN 球状
ナノ構造複合粒子を充填したエポキシ樹脂の熱伝導率と絶縁破壊強度―、電力中央研究所研究報告、H05008（2006）（11）K. Sawai: The technical trend of epoxy molding
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