Al-Zr-C

特別電源所在県科学技術振興事業
新規合成化合物（Al-Zr-C系化合物）の合成とその特性評価
研究者：西川智洋
平成２５年度研究内容
背景および目的（Al-Zr-C系化合物）
Zr3Al3C5の結晶構造
六方晶：P63mc
密度：5.14 g cm-3
27.6 Å
● Zr
● Al
●C
3.33 Å


高い結合エネルギー（kJ mol-1）
Al-C： 208.8
Zr-C： 202.9
Al-Zr-C系化合物は以下の数種の組成
複合炭化物（Zr3Al3C5）は高強度材として期待
Bluk modulus: 202 GPa*
Shear modulus: 166 GPa*
Young modulus: ≈380 GPa*
99.3%
-75 m
Al
C


木質炭素：樹皮の炭化処理
炭素で埋没
合成に及ぼす炭素源の影響
98%,
-75 m
Schuster JC, Nowotny H, Vaccaro C., J. Solid State Chem., 1980, 32, 213.
Schuster JC, Nowotny H., Z. Metallkd., 1980, 71, 341.
Leela-adisorn U, Choi SM, Tera N, Takeuchi T, Hashimoto S, Honda S, Awaji H, Hayakawa K,
Yamaguchi A., J. Ceram. Soc. Jpn., 2005, 113, 188.
Fukuda K, Mori S, Hashimoto S., J. Am. Ceram. Soc., 2005, 88, 3528.
Z.J. Lin et al., Acta Materialia, 2006, 54, 3843.



耐火物の機能性添加剤
Al-Zr-C系化合物の固相合成
Zr
が報告（以下の代表文献）
* Wang JY, Zhou YC, Lin ZJ, Liao T, He LF., Phys. Rev. B, 2006;73:134107.
Z.J. Lin et al., Acta Materialia, 2006, 54, 3843.
Th. M. Gesing and W. Jeitschko, J. Solid State Chem., 1998, 140, 396.
（112）
（234）
（235）
（335）
AlZrC2
Zr2Al3C4
Zr2Al3C5
Zr3Al3C5
樹皮
炭化 1000C
（電気炉大気雰囲気）
110C, 24h乾燥
 木質炭素
（1000C炭化, 88%, 約100 m）
 カーボンブラック（>99%, Dn=25 nm）
 鱗状黒鉛（98%, -75 m）
酸化過程の評価
仕込み比（mol）
Al:Zr:C=1:1:2
Al-Zr-C系化合物の酸化特性
Al-Zr-C系化合物
X線回折
SEM観察
真密度
1973 K, 5h
ｱﾙｺﾞﾝ気流
熱重量示差熱分析（TG-DTA）
酸化反応の予測
熱重量-排ガス質量分析（TG-MASS）
酸化反応で発生する燃焼ガス分析
酸化状態の解析
加熱状態で急冷による結晶相同定
平成２５年度研究成果
3
2
1
0
10
20 30 40 50
2 theta / degree
60
70
黒鉛が残存
炭素源：木質炭素
10
20 30 40 50
2 theta / degree
60
70
真密度：4.69 g
cm-3
Al-Zr-C系化合物のみ合成
II
100
I
v
25
DTA
20
V
IV
10
5
TG
i
ii
発熱① 吸熱
III
Zｒ3Al3C5理論密度：5.14 g
10
20 30 40 50
2 theta / degree
60
70
真密度： 4.48 g cm-3
cm-3に近づく
 廃棄される樹皮（木質炭素）から複合
炭化物の合成が可能
 木質炭素が炭素源として有効
Mean weight changes / %
Intensity / counts [103]
 木質炭素の使用で真密度が向上
1
0
 炭素源によって合成物に影響
 炭素源は非晶質炭素が適当
2
 完全酸化（1300C）
で、29%の体積増加
TG-MASS
まとめ1
3
 1200Cまで炭素成
分が残存
吸熱
→相転移
発熱②
→酸化と
脱離
-150
発熱②
40
4
-100
発熱①
→酸化
Temperature / C
カーボンブラックを使用
● Zr3Al3C5
○ Zr2Al3C5
-50
-200
200 400 600 800 1000 1200 1400
木質炭素を使用
Al, Zr, C 混合物の固相合成
3
[10 ] 5
50
0
15
0
Al-Zr-C系化合物のみ合成
 部分酸化（900C）に
よる炭素残存で75%
の体積増加
150
iv
30
0
鱗状黒鉛を使用
まとめ2
200
iii
35
40
5.0E-06
CO2
35
4.0E-06
30
25
3.0E-06
20
15
2.0E-06
10
5
1.0E-06
0
-5
0
0.0E+00
200 400 600 800 1000 1200 1400
Heating temperature / C
赤の領域でCO2発生
今後の展望
5.0E-06
CO
35
4.0E-06
30
25
3.0E-06
20
15
2.0E-06
10
5
1.0E-06
0
-5
0
0.0E+00
200 400 600 800 1000 1200 1400
Heating temperature / C
赤の矢印でCO発生
 炭素含有耐火物の機能性付与をめざして展開
 Al-Zr-C系セラミックスとして探索
Partial pressure of CO / Pa
1
r.t.→1300C（10C min-1） in air.
40
● Zr3Al3C5
○ Zr2Al3C5
Heat flow / V
2
4
Mean weight changes / %
3
0
TG-DTA
3
[10 ] 5
● Zr3Al3C5
○ Zr2Al3C5
△ Graphite
Partial pressure of CO2 / Pa
4
Mean mass changes / %
3
[10 ] 5
Al-Zr-C（木質炭素）系化合物の酸化
Intensity / counts [103]
Intensity / counts [103]
Al-Zr-C系合成物の評価

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