非酸化物セラミックスの特性向上

非酸化物セラミックスの特性向上
Keyword : 非酸化物セラミックス、粉末合成、焼結、微構造制御、イオン伝導性
研究の背景
窒化けい素、炭化けい素に代表される非酸化物セラミックスは、1900年代から高温構造材
料として、研究・開発が進められてきました。2000年前後から、その機運は一時期衰えを見
せ蛍光体等の機能材料への展開が見られましたが、近年、航空機エンジンへの実用化が、
現実的になりつつあり、国を挙げて、高温・構造材料としての研究・開発が推進されつつあり
ます。
研究の狙い
非酸化物セラミックスは、機能材料としての研究・開発はこれからであり、機械特性に関して
も十分な評価が行われた訳ではありません。今後、さらなる特性向上が見こまれると考えて
います。そこで、必要な場合は化学組成、結晶相、粒径を制御して原料粉末の合成から行い、
焼結によりセラミックスを作製します。得られたセラミックスの特性を測定し、粉末合成、焼結
条件を検討することで、特性向上を目指します。
最先端研究トピックス
表：Ca添加リチウム窒化ケイ素のイオン伝導性
x in
Li1-2xCaxSi2N3
Sintering
temperature (K)
σ/Sm-1
(298K)
Ea
(kJmol-1)
0
2073
3.1×10－9
67
0
1873
3.9×10－10
68
0.02
1873
1.9×10－9
55
0.05
1873
9.1×10－7
30
0.075
1873
1.6×10－5
21
文献
窒化アルミニウム
ナノセラミック
Intensity (arb. unit)
メチルシリケート・＋フュームドシリカ
1.非酸化物粉末合成
*炭化けい素粉末[1]
＋フェノール重合体＋溶媒＋H2O
高純度粉末
重合
*窒化アルミニウム粉末[2]
ゲル化（大気中）
酸化物ナノ粉末から窒化物ナノ粉末を合成
炭化（Ar中）
2. セラミックス（焼結体）の作製
CuK
*窒化アルミニウムナノセラミックス[2]
:SiC (3C)
ナノ粉末を粒成長を抑制して高密度化
窒化アルミニウム
放電プラズマ焼結
ナノ粉末
*リチウム窒化ケイ素セラミックス[3]
Ca添加によりLiSi2N3のイオン伝導性が向上（表参照）
Aerosil 200
(C/Si=3.5)
1800oC
1000oC
Gel powder
10
20
30
40
50
60
70
2 (degree)
1 石原ら、マテリアルインテグレーションVol20, No.2 10-16 (2007).
2 T. NISHIMURA, K. SEKINE, Y. YAMAMOTO, N. HIROSAKI and T. ISHIGAKI, J. Ceram. Soc.
Japan, 118 [11] 1050-1052 (2010).
3 E. Narimatsu, Y. Yamamoto, T. Takeda, T. Nishimura, N. Hirosaki, High lithium conductivity in
Li1-xCaxSi2N3, J. Mater. Res. 26, (2011)1133-1142
まとめ
実用化の目標
 有機金属ポリマーの熱分解、高純度酸化物の還元窒化に
より、形態を制御しながら高純度粉末を作製。
 高純度炭化けい素粉末は、高純度セラミックス原料とし
て重要。
 放電プラズマ焼結法など多彩な手法を用いて所望の微構
造、特性を持つセラミックスを作製。
 酸化物の還元窒化による合成手法は、窒化物、酸窒化
物粉末の合成の重要な手段。
 非酸化物セラミックスは構造用のみでなく機能性材料とし
ても有望。
 リチウム窒化ケイ素は、リチウム2次電池の全固体化実
現につながるか。
エネルギー構造材料分野構造用非酸化物セラミックスグループ
西村聡之
E-mail: NISHIMURA.Toshiyuki●nims.go.jp
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