JP2024164202A - 工業用セラミックスの改良された性能 - Google Patents
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Abstract
【課題】3Dインクを製造するのに適したコロイド状ゲルまたはスラリー、及びコロイド状ゲルまたはスラリーを使用して、3次元焼結構造体を形成する方法を提供する。
【解決手段】セラミック粒子であって、イットリア安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、および酸化セリウムから選択されるコア基板と;そして3ナノメートル未満の厚さを有し、前記コア基板を覆う、焼結助剤フィルムのコーティングと;を有する、セラミック粒子と;水と;そして1つまたはそれ以上の、分散剤、粘性調整剤、および凝集剤と;を有する、ことを特徴とするコロイド状ゲルまたはスラリーが提供される。
【選択図】図1
【解決手段】セラミック粒子であって、イットリア安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、および酸化セリウムから選択されるコア基板と;そして3ナノメートル未満の厚さを有し、前記コア基板を覆う、焼結助剤フィルムのコーティングと;を有する、セラミック粒子と;水と;そして1つまたはそれ以上の、分散剤、粘性調整剤、および凝集剤と;を有する、ことを特徴とするコロイド状ゲルまたはスラリーが提供される。
【選択図】図1
Description
本発明は、工業用セラミックスに関するものである。
(政府サポート)
本発明は、米国国立科学財団により授与された契約NSF CMMI 1563537に基づく米国政府の支援およびコロラド州のAdvanced Industries Accelerator Programにより授与されたGrant APP-43889により部分的になされた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
本発明は、米国国立科学財団により授与された契約NSF CMMI 1563537に基づく米国政府の支援およびコロラド州のAdvanced Industries Accelerator Programにより授与されたGrant APP-43889により部分的になされた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
(関連アプリケーション)
本出願は、2016年11月7日に出願された米国暫定特許出願第62/418,666号(特許文献1)、および2017年6月16日に出願された米国暫定特許出願第62/520,655号(特許文献2)の優先権を主張し、それらはここに参照して取り入れられる。
本出願は、2016年11月7日に出願された米国暫定特許出願第62/418,666号(特許文献1)、および2017年6月16日に出願された米国暫定特許出願第62/520,655号(特許文献2)の優先権を主張し、それらはここに参照して取り入れられる。
8モル%(8mol%)のイットリア安定化キュービックジルコニア(「8YSZ」)は、固体酸化物型燃料電池(「SOFC」)において実用的な用途を有するが、高い動作温度、高い焼結温度、低いイオン導電率、および弱い機械的強度などのいくつかの固有の欠点を有する。硬質ボールと、Al2O3および8YSZの粉末混合物と、の高エネルギー衝突を使用するプロセスである、ボールミル粉砕によるアルミナ(Al2O3)の添加は、焼結温度を低下させ、機械的強度およびイオン導電率を高めることが示されてきた。
8YSZは、化学的に安定で安価な選択肢であるため、SOFCにおいて固体電解質として最も一般的に使用されている。SOFCは、適切なイオン導電率を有するためには700℃以上の高温で動作されなければならない。この高い動作温度はまた、可能性のある構成材料の使用を制限し、そして長い始動時間を必要とする。8YSZの用途をさらに制限することには、緻密なSOFC電解質を製造するのに必要とされる高い焼結温度がある。典型的には、市販の電解質は1450℃で約4時間焼結される。SOFC製造への魅力的な経路は、電解質を他のすべての構成要素、例えばアノード、カソード、および接続材と同時に焼成することであるので、最高の焼結温度を必要とする材料(一般的には8YSZ)が同時焼成温度を決定づける。ただし、8YSZ以外の部品を1450℃に数時間さらすと、性能に悪影響を及ぼすことがある。高い焼結温度と所要時間の両方を最小限に抑えることが未だ解決されない要求として存在してきた。
利用可能な3Dインクを用いた3D印刷によって現在製造されている製品の品質および種類に対する期待は、いまだに充足されていない。溶融堆積モデリング(FDM)を含む3D印刷は、層が互いに融合して積層三次元部品を形成することを目的として、インク材料の層を配置する。FDMを含む3D印刷は、層が互いに融合して積層三次元部品を形成することを意図して、インク材料の層を配置する。しかし、3D印刷からの最終部品またはアウトプットは、一貫して良いわけではない。最終3D部品はしばしば壊れやすく、または簡単にはく離する。積層3D部品は、それらがX-Y平面内で接着するようにはZ軸ではあまり接着できず、その結果、側部からの力は部品を容易に破壊することができる。
さらに、現在の3D部品印刷は一般に高い解像度が必要とされる小さな部品の製造に適していない。印刷物は3次元なので、解像度はX-Y平面の最小フィーチャ寸法とZ軸解像度に依存する。Z軸の解像度はレイヤーの高さに関連し、印刷品質にはあまり関連しない。X-Y解像度、または最小フィーチャ寸法は顕微鏡画像化によって測定され、それが部品の細部の生成を可能にするので、2つのうちでより重要である。
発明は部分的に、セラミック粒子であって:イットリア安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、および酸化セリウムから選択されるコア基板と;そして3ナノメートル未満の厚さを有し、コア基板を覆う焼結助剤フィルムのコンフォーマルコーティングと;を有することを特徴とするセラミック粒子の発見に関する。本発明の一実施形態では、コア基板を覆う焼結助剤フィルムのコンフォーマルコーティングが、1ナノメートル未満から1ナノメートルまでの厚さを有する。他の一実施形態では、焼結助剤フィルムのコンフォーマルコーティングが、約2ナノメートルの厚さを有する。
さらにもう1つの実施形態では、焼結助剤フィルムのコンフォーマルコーティングが、コア基板の均一なコンフォーマルコーティングである。他の一実施形態では、コア基板のコンフォーマルコーティングが、セラミック粒子の表面全体に均一に分布したフィルムの島を含む。
本明細書ではコアがイットリア安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアを含み、焼結助剤フィルムがアルミナを含むセラミック粒子が開示される。
本明細書に開示されるのは、3ナノメートル未満の厚さを有する焼結助剤フィルムのコンフォーマルコーティングを有する、コア基板からなるセラミック粒子、を形成する方法であり、ここでコア基板を覆う焼結助剤フィルムは原子層堆積(「ALD」)によって形成される。本発明の一実施形態では、焼結助剤フィルムのコンフォーマルコーティングを有するセラミック粒子は、1サイクルの焼結助剤フィルムの原子層堆積を使用して調製され;その後、空気中において約2時間約1350℃で焼結された。本発明の別の実施形態では、セラミック粒子は、約1サイクル~約9サイクルの焼結助剤の原子層堆積によって調製される。
三次元印刷用の3Dインクを製造するのに適したコロイド状ゲルまたはスラリーに関する方法および組成物もまた開示され、その3Dインクは、本明細書に開示されているセラミック粒子を有し、そのセラミック粒子は、コア基板および、コア基板を覆う厚さ3ナノメートル未満の焼結助剤フィルムのコンフォーマルコーティングを含む。
本発明の別の実施形態は、固体酸化物型燃料電池電解質であって、本明細書に開示のセラミック粒子を有し、そのセラミック粒子は、コア基板と、3ナノメートル未満の厚さの、コア基板を覆う焼結助剤フィルムのコンフォーマルコーティングとを有する。
本発明の実施形態は、添付の図面を参照して以下にさらに説明される:
ALDサイクル数の関数として、空気中において1350℃で2時間焼結された様々な種類のサンプルについて体積測定により測定された相対密度のグラフであり、「BM」は従来技術のボールミル粉砕サンプルを表す。
空気中において1350℃で2時間焼結した様々な種類のサンプルについて電気化学インピーダンス分光法を用いて測定した、様々な温度での酸素イオン導電率のグラフ図であり、「BM」は従来技術のボールミル粉砕サンプルを表す。
図3Aは分析されたすべてのサンプル(コーティングされた、およびコーティングされない)についての膨張計実験における、10℃/分の加熱速度での一定加熱速度の間の、温度の関数としての相対密度(理論値%)のグラフである。図3Bは、分析した(コーティングされた、およびコーティングされない)全てのサンプルについての膨張計実験における、15℃/分の加熱速度での一定加熱速度の間の、温度の関数としての相対密度(%理論値)のグラフである。図3Cは、分析したすべての(コーティングされた、およびコーティングされない)サンプルについての膨張計実験における、10℃/分の加熱速度での一定の加熱速度の間の、温度の関数としての緻密化速度(1/K)のグラフである。図3Dは、分析した全ての(コーティングされた、およびコーティングされない)サンプルについての膨張計実験における、15℃/分の加熱速度での一定加熱速度の間の、温度の関数としての緻密化速度(1/K)のグラフ表示である。
ALDサイクル数の関数としての緻密化の見かけの活性化エネルギーのグラフであり、活性化エネルギーは一連の一定の加熱速度の膨張計実験から決定された。
焼結温度を1450℃から1350℃に低下させたときの、測定温度およびALDサイクル数の関数としての、イオン導電率(S/cm)の減少を示すグラフであり、導電率は電気化学インピーダンス分光法を用いて測定した。
0~5回のALDサイクルに対して、(1450℃で2時間焼結した後の粒界抵抗率対バルク抵抗率の比) - (1350℃で2時間焼結後の粒界抵抗率とバルク抵抗率の比)として定義される、300℃におけるR GB/Rバルクの増加を示す棒グラフであり、空気中300℃で電気化学インピーダンス分光法を用いて測定された。
本発明は、とりわけ、以下の例示的な実施形態を単独でまたは組み合わせで含む。本発明の特定の実施形態は例示として示されており、本発明を限定するものではないことが理解されよう。最初に、本発明をその最も広い全体的な態様で説明し、その後さらに詳細な説明を記す。
本明細書に開示されているのは、例えば撹拌粉末反応器を用いた原子層堆積によって、所望の厚さ(wt%)のセラミック焼結助剤の薄膜を一次セラミック粉末に添加するステップを含む方法、およびその方法によって形成される生成物である。例えば3Dインクの調製における使用では、各一次セラミック基板粒子の周囲に焼結助剤のコンフォーマルコーティングを組み込むことは、不純物除去、粒界拡散、粒成長、液相焼結、イオン導電率、熱導電率、他のような粒界現象に関連する製作された部品の特性を改善し、そしてボールミリング、スプレードライ、ゾル-ゲル加工などの従来の技術と比較して、緻密部品の均質性を向上させた。焼結は、材料を溶融または液化せずに熱および/または圧力を加えることによって材料を凝集性またはコンパクトな緻密な塊にするプロセスである。本明細書で使用されるとき、「緻密化」および「焼結」、ならびにそれらの文法的変形は、同じ意味を有する。焼結助剤は、焼結される材料に一体性および圧縮強度を付与するのを助ける。
さらに、例えばテープキャスティングまたはダイレクトインクライティングを介した積層造形におけるセラミックスラリーまたはコロイドの製造において、焼結助剤の薄膜は片面のみ(焼結助剤)を露出することによって、複数の表面、したがって複数の表面電荷が存在する(すなわち、焼結助剤および一次セラミック)従来の焼結助剤組込み方式と比較して、容易なレオロジー制御を可能にする。水性環境で劣化しがちな微細なセラミック前駆体粉末、例えば窒化アルミニウム(AlN)については、酸化物セラミック焼結助剤の薄くてピンホールのないコンフォーマルコーティングは粒子を水による劣化に対して耐性にし、それによって、例えばダイレクトインクライティング(積層造形)において重要である水性処理を可能にする。3重量%の酸化イットリウムは、窒化アルミニウム用の優れた焼結剤である。より詳細な説明は以下の通りである。
薄膜堆積技術である原子層堆積(ALD)は、粒子表面上に所望の前駆体の均一層を堆積させる自己制限的表面反応である。これは、粒子を流動化し、そして2つの異なる前駆体を順に添加することにより行われ、その結果、2つの反応が連続して起こる。 Al2O3を8YSZに添加するために、反応は、前駆体としてトリメチルアルミニウム(TMA)および水を利用し、最初にTMA、次に水、次にTMA、以下同じ順番で加える。1回のTMAと1回の水の添加は1サイクルを構成する。反応は流動床反応器(fluidized bed reactor)中で進行し、全ての表面のコーティングを確実にするのを助ける。
以前の研究では、8YSZ緻密化の動力学に対するAl2O3の効果を調査した。これらの研究では、無添加の8YSZを、0.1~10wt%Al2O3の範囲のAl2O3濃度と混合したサンプルと比較した。そのサンプルではAl2O3は、粉砕、スプレー乾燥、ゾル-ゲル型処理などの従来のプロセスを使用して、焼結温度および見かけの活性化エネルギーを最小化するのに最適な、典型的には1重量%未満の量、で組み込まれた。
本発明によれば、原子層堆積(ALD)を用いて焼結助剤としてAl2O3を8YSZに添加する方法が提供される。ALD生成混合物が焼結挙動、速度論、およびイオン導電率、および比較のための購入時の8YSZ、に及ぼす影響について試験した。Al2O3を、それぞれ1~9回のALDサイクルに相当する、約1~約4重量%の範囲の濃度で、8YSZ粒子上にコンフォーマルコーティングとして堆積させた。本発明の別の実施形態によれば、焼結助剤フィルム中のアルミナの質量または重量は、セラミック粒子の約0.2重量パーセントから約2重量パーセントまでである。Al2O3を添加すると、すべてのサンプルにおいて焼結に必要な温度が約100℃低下し、緻密化の見かけの活性化エネルギーが減少する。Al2O3の最適濃度は、見かけの活性化エネルギーを約700kJ/molから約400kJ/molに減少させる約5回のALDサイクルに相当する約2.2重量%であることが分かった。本発明の一実施形態に従って調製されたセラミック粒子は、水と非反応性である。
(3次元(3D)印刷用インク)
3Dインク産業において、セラミックおよび焼結助剤のより均一な分布、製造される部品の信頼性および一貫性の向上、ならびに粒子のより密な充填による緻密化を達成する方法に対して継続的な必要性が存在し、それは小さい部品の生産のため非常に重要である。
3Dインク産業において、セラミックおよび焼結助剤のより均一な分布、製造される部品の信頼性および一貫性の向上、ならびに粒子のより密な充填による緻密化を達成する方法に対して継続的な必要性が存在し、それは小さい部品の生産のため非常に重要である。
本発明者らは、緻密化およびイオン導電率に対する、ALDによるAl2O3の添加の効果を調査し、強力な3Dインク配合物を開発し、さらに分析される3D格子構造を首尾よく印刷した。8YSZに異なる量のAl2O3を添加して、水平プッシュロッド膨張計を使用して一定速度の加熱実験を通して緻密化挙動に対する効果を調べた。検討した効果には、焼結温度、最大の緻密化速度が生じる温度、緻密化が進行する動力学、温度の関数としての全体的イオン導電率、ならびに粒界およびバルクの抵抗率の相対的寄与が含まれた。最大固形分体積%で印刷するための所望のレオロジーを得るために、多数のインクバッチを調製し、固形分充填量および相対的ポリマー量を変えることによって、インク配合物を決定した。次に、最適化されたインクを使用して3D構造を印刷し、それは焼結され、SEM下で検査された。
本発明の一実施形態は、3D印刷用の材料組成であり、それはコロイド中に分散した固形分を含み、固形分は固相焼結添加剤でコンフォーマルにコーティングされる。別の実施形態では、分散した固形分は原子層堆積(ALD)により固相焼結添加剤でコンフォーマルにコーティングされる。さらに別の実施形態では、コンフォーマルコーティングもまた、全体を通して均一である。本発明は、とりわけ、以下のものを単独でまたは組み合わせて含む。
Al2O3および8YSZの従来技術のボールミル粉砕は、セラミックおよび焼結助剤の合理的に均一な分布のみをもたらす。しかしながら、ボールミル粉砕とは対照的に、粒子のALDコーティングを使用することは、8YSZセラミック粒子のAl2O3による正確で均一なコンフォーマルコーティングをもたらす。すべての基板粒子をALDによって均一にコーティングする際に、焼結助剤が緻密化マトリックス全体にわたって利用されることを確実にすることができる。均一なコンフォーマルコーティングはまた、緻密化のためにより低い温度を使用することを許容し、これはまた、粒径/欠陥寸法が成長する傾向を減少させるであろう。より低い温度はまた、部品製造時に高密度を達成するために基板粒子上に堆積させるのに必要とされる焼結助剤の量を減少させるように思われる。
従来技術の方法では、粒子添加剤としての焼結助剤の配合は、緻密化マトリックス中の三重粒子接合部に粒子状介在物をもたらすことが予想される。対照的に、焼結助剤添加剤が、本発明の一実施形態に従ってALDによるコンフォーマルコーティングまたは均一なコンフォーマルコーティングとして堆積される場合、添加剤は、微粒子としてではなく、粒間アモルファス薄膜として存在することになる。セラミック粒子の粒間の、アモルファスで、均一な、コンフォーマルなフィルムコーティングの存在は、より低い温度での緻密化および緻密部品の改善された均質性を可能にする。
安定性は、3D印刷または積層造形における使用にとって非常に重要であり、コロイド状ゲルは、コア/シェル基板/焼結助剤粒子から調製する必要がある。コロイド特性はインク/ゲル中に粒子を懸濁するために分散液を微調整することの結果であるので、懸濁セラミック粒子の化学的特性を最適化することが重要である。従来のボールミル粉砕前駆体については、安定化を必要とする2つの表面(基板セラミックおよび焼結助剤)があり、そしてゲル配合物は基板および焼結助剤の特性の妥協であろう。粒子ALDコーティングの場合、最適化されるべき表面は1つだけであり、それは各粒子を取り囲む焼結助剤の表面である。それゆえ、コロイド状ゲルを調製することがより容易であるだけでなく、そのシステムに真に最適化されているゲルを調製することもより容易である。これにより、積層造形のための流動性が向上し、最終的に部品間の信頼性が向上した3Dインク/ゲルの調製が改善される。
重要なことに、ボールミル粉砕よりもむしろALDを使用することにより、より小さいサイズの基板セラミック粒子を使用することができ、それ故より密な充填および全体的に改善された緻密化の均一性を達成することができる。この予想外の結果は、3Dインクを製造する際に基板セラミック粒子をコンフォーマルにコーティングするためにALDを使用することの重要性を実証し、完全な緻密化が要求される非常に小さい3D部品の製造にとって重要である。
(固体酸化物型燃料電池)
8YSZのイオン抵抗が温度の低下と共に増加することに少なくとも起因して、SOFCを運転するコストは、それらが高温で運転されなければならないので、現在高いままである。したがって、燃料電池の動作温度を下げることが出来ることについて未だ満たされていない必要性があり、これは8YSZの特性を改善することによって実現できる。8YSZは1450℃の高い焼結温度を有する。しかしながら、Al2O3の添加はこの温度を低下させ、同様にSOFCの製造コストを低減することが実証されている。それはまた、低い温度でイオン導電率を改善することにプラスの効果を示し、そのことは次にSOFCの動作温度を低下させる。SOFCに使用した場合に、8YSZのイオン導電率がかなり安定したままであることは重要であり得る。
8YSZのイオン抵抗が温度の低下と共に増加することに少なくとも起因して、SOFCを運転するコストは、それらが高温で運転されなければならないので、現在高いままである。したがって、燃料電池の動作温度を下げることが出来ることについて未だ満たされていない必要性があり、これは8YSZの特性を改善することによって実現できる。8YSZは1450℃の高い焼結温度を有する。しかしながら、Al2O3の添加はこの温度を低下させ、同様にSOFCの製造コストを低減することが実証されている。それはまた、低い温度でイオン導電率を改善することにプラスの効果を示し、そのことは次にSOFCの動作温度を低下させる。SOFCに使用した場合に、8YSZのイオン導電率がかなり安定したままであることは重要であり得る。
(例示)
膨張計による研究に使用された主な装置は、膨張計、自転公転ミキサ、油圧プレス、および円筒形鋼製ダイを含んだ。膨張計は、円筒形のセラミック粉末成形体を必要とする。これを達成するために、Al2O3の有無にかかわらず、8YSZ粉末を2重量%のポリ(ビニルアルコール)(Acros Organics、98.0-98.8%加水分解、平均分子量約31,000-50,000グラム/モル)の溶液である高分子バインダーおよび98重量%の脱イオン水と混合した。バインダーは、4グラムのバインダー、20グラムの8YSZ粉末、および25グラムの粉砕媒体(Tosoh Corp、直径5mm、YTZ粉砕媒体)を自転公転ミキサ内において1100rpmで30秒間混合することによって組み入れた。自転公転ミキサは、粉砕媒体が分散を助ける一方で、高速な公転および自転を同時に受けることによって、セラミック粉末全体にバインダーを十分に分散させる。
膨張計による研究に使用された主な装置は、膨張計、自転公転ミキサ、油圧プレス、および円筒形鋼製ダイを含んだ。膨張計は、円筒形のセラミック粉末成形体を必要とする。これを達成するために、Al2O3の有無にかかわらず、8YSZ粉末を2重量%のポリ(ビニルアルコール)(Acros Organics、98.0-98.8%加水分解、平均分子量約31,000-50,000グラム/モル)の溶液である高分子バインダーおよび98重量%の脱イオン水と混合した。バインダーは、4グラムのバインダー、20グラムの8YSZ粉末、および25グラムの粉砕媒体(Tosoh Corp、直径5mm、YTZ粉砕媒体)を自転公転ミキサ内において1100rpmで30秒間混合することによって組み入れた。自転公転ミキサは、粉砕媒体が分散を助ける一方で、高速な公転および自転を同時に受けることによって、セラミック粉末全体にバインダーを十分に分散させる。
十分に混合した後、8YSZ粉末/結合剤混合物を粉砕媒体から分離した。水圧プレスを用いて1トンの圧力に90秒間さらされた0.45グラムの8YSZ粉末/結合剤混合物を内径6mmの円筒形ダイに入れることによって、円筒形成形体を製造した。次いで成形体をダイから取り出し、成形体番号を割り当てた。サンプルを0~9回のAl2O3 ALDサイクルを有する8YSZ粉末のためにプレスした。
膨張計は、サンプルホルダー、炉、および変位を測定するためのプッシュロッドを含む。サンプルが加熱中に収縮するときに試験サンプルとの一定の接触を維持するため、35センチニュートン(35cN)の一定の力がプッシュロッドに加えられた。
各サンプルを空気中で焼結した。成形体を膨張計に挿入する前に、カリパスを使用して長さを測定し記録した。実行されるべき加熱試験と共に成形体番号を記録した。次に、一定速度の加熱実験を以下のように実施した:室温から600℃(バインダーの焼損)まで1℃/分の加熱速度で加熱、600℃から1550℃まで所望の加熱速度(5、10、15、または20℃/分)で加熱、20℃/分で室温に冷却。これらの実験の間、サファイア標準を使用して較正された膨張計によって線形収縮が記録された。次いで、曲線の冷却部分を用いて、そして等方性収縮を仮定して、サンプルの熱膨張を補正することによって収縮を密度に関連させた。このように、これらの実験は、温度、加熱速度、およびサンプルの種類の関数として密度を生み出すことを可能にする。次いで、緻密化速度を、温度に対する密度の一次導関数として採用し、有限差分を使用して近似する。次いで、密度および緻密化速度を用いて、緻密化速度の温度に対するアレニウス型依存性を利用することによって緻密化の見かけの活性化エネルギーを概算することができる。
インク調合のための主な装置は、0.1ミリグラムまで正確な高精度の秤および自転公転ミキサである。自転公転ミキサは、高粘度インクの十分な混合を可能にする。これは、コンテナを垂直軸に対して45°に向け、コンテナを反時計回りにスピンさせることによって機能する。容器がそれ自身の軸の上で反時計回りにスピンすると、容器は垂直軸に沿って時計回りの方向に回転し、それは垂直螺旋対流を引き起こしそしてインクに400Gの力を加え、全ての空気をも効率的に排出する。インクの調合は、自転公転ミキサにフィットする小さな容器から始まる。自転公転ミキサは、インクを製造して保管する場所である。まず、混合を助けるためにYTZ粉砕媒体を添加する。11.56グラムの水、次いで分散剤として3.86グラムのアンモニウムポリアクリレート(Darvan 821A)を加えた。均一な混合を確実にするのを助けるために、大量の粉末を2部に分けて加えた。最初に、37グラムの8YSZ粉末(コーティングされたまたはコーティングされていない)を水溶液に添加し、次いでこれを自転公転ミキサに入れ、1100rpmで30秒間混合するように設定した。さらに37グラムの8YSZ粉末を合計74グラムの粉末に加えた。それは同じ時間とスピードで再び混合された。次に、1.08グラムのヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)を増粘剤として添加して、インクが構成部分に分離するのを防止した。コロイド状インクをもう一度混合し、次に側面を削り取って再び混合した。最終成分添加はポリエチレンイミン(PEI)であり、これは水を含む40重量%溶液中にあり、粘度を下げそして取り扱いを可能にする。凝集剤として1滴、すなわち約0.02グラムを加えた。最後のインクを43.5%の最終固形分の体積と混合した。その後、使用するまでインクを空気から密封した。
ダイレクトインクライティングおよび部品の焼結のための主な装置は、3Dプリンタ、油浴、および高温炉を含む。3Dプリンタは非常に高い精度で作動するように、作動に磁石を利用する。プリンタをコンピューターに接続し、そこから特別に設計されたプログラムを用いて操作した。最初に、調製した3Dインクを注射器に充填し、330ミクロンの直径を有する先端を取り付けた。油浴を3Dプリンタの下に置き、そして印刷基板を油浴中に置いた。基板はセラミックであり、白色インクの視覚化を可能にするために色が濃い。印刷を開始するために、注射器をプリンタ内に配置し、そして基板の表面にちょうど触れるまでプリンタを下げ;それから200ミクロン上げられた。印刷ジョブを開始する前に、インクを滑らかに流すために、ラスタまたは一連の平行走査線を開始した。コンピュータプログラムを使用して、所望の形状が選択され、準備ができたら、プリンタは自動的に印刷ジョブを実行した。印刷が完了したら、部品片を油浴から取り出し、空気中で48時間乾燥させた。その部品片を高温管状炉中で焼結した。焼結プロセスは、バインダーの焼尽で始まり、次いで1.5℃/分の速度で1450℃に加熱した。その後、最高温度で1時間保持した。次いで20℃/分の速度で室温まで冷却した。
イオン導電率測定のための主な装置は、機械プレス、焼結炉、および電気化学インピーダンス分光計である。8YSZ粉末(コーティングされたまたはコーティングされていない)を2~3滴のポリ(ビニルアルコール)と混合し、そして機械プレスにより約0.5インチの厚さに圧縮した。次いで、圧縮ペレットを空気中で1350℃または1450℃のいずれかで2時間緻密化した。次いで焼結ペレットを導電性白金ペーストで塗装し、電気化学インピーダンス分光測定のために炉に挿入した。イオン導電率は、空気中、300~800℃の範囲の温度で測定した。
(結果と考察)
Al2O3をALDによって市販の8YSZ粉末上に堆積させた。ALDプロセスは、サイクル数に対してほぼ直線的な成長速度を示し、それにより制御可能な濃度でAl2O3の堆積を可能にした。Al2O3は、各一次8YSZ粒子を薄いアモルファスフィルムとして覆う均一でコンフォーマルなコーティングとして、正確に堆積された。ALDによるAl2O3の存在は、空気中において135℃で2時間焼結した後に、ペレットが理論密度近く(> 94%)に達することを可能にする。図1に見られるように、Al2O3を含まないYSZまたは、ボールミル粉砕によって組み込まれたAl2O3を含むYSZのいずれも、この同じ密度には達しない。
Al2O3をALDによって市販の8YSZ粉末上に堆積させた。ALDプロセスは、サイクル数に対してほぼ直線的な成長速度を示し、それにより制御可能な濃度でAl2O3の堆積を可能にした。Al2O3は、各一次8YSZ粒子を薄いアモルファスフィルムとして覆う均一でコンフォーマルなコーティングとして、正確に堆積された。ALDによるAl2O3の存在は、空気中において135℃で2時間焼結した後に、ペレットが理論密度近く(> 94%)に達することを可能にする。図1に見られるように、Al2O3を含まないYSZまたは、ボールミル粉砕によって組み込まれたAl2O3を含むYSZのいずれも、この同じ密度には達しない。
ALDによるAl2O3の正確な組み込みは、調査した全てのAl2O3濃度について、焼結/緻密化に必要な温度を約100℃低下させた。図3Aは、10℃/分の一定の加熱速度の間の温度の関数としての相対密度(%理論値)を示す図である。図3Bは、15℃/分の一定の加熱速度の間の温度の関数としての相対密度(%理論値)を示す図である。両方の加熱速度について、コーティングされていないサンプルはコーティングされたサンプルよりも相対密度が低かった。同様に、焼結の初期段階(相対密度<80%理論値)では、このレジーム内のすべての温度で、すべてのコーティングされたサンプルがコーティングされていないサンプルよりも緻密化速度が大きいことが分かった(図3Cおよび図3D)。最大の緻密化速度が得られる温度は、温度が100℃未満低下した9ALDサンプルを除いて、全てのコーティングされたサンプルは、コーティングされていない8YSZと比較し同様に約100℃低下する。
初期段階の密度(60~80%密度)における、温度の関数としての緻密化速度のアレニウス型分析は、各サンプルタイプについての緻密化の見かけの活性化エネルギーを明らかにする。活性化エネルギーはコーティングされていないサンプルで最も高く、低いAl2O3濃度(1、3サイクル)および高いAl2O3濃度(7、9サイクル)でわずかに減少し、5回のALDサイクルまたは約2.2重量%Al2O3の最適濃度(評価されたものの中で)大幅に減少する(図4)。5回のALD取り込みレベルでの活性化エネルギーのこの劇的な変化は、この厚さ(約0.5~0.7nm)のコンフォーマルALDフィルムが低活性化エネルギー拡散プロセスの発生を許容することを示唆している。約1から約3回までのALDサイクルでは、各8YSZ粒子の周囲に単分子層が存在せず、代わりにコーティングのサブ単分子層を形成する小さなAl2O3アイランドの形成を好むことが予想される。5回のALDサイクルで、各基板粒子の周囲に厚さ約0.5nmのAl2O3のコンフォーマルな単分子層ができた。ALDサイクルの数が増加するにつれて、この単分子層は厚さを増し、9ALDサイクルで厚さが約1~1.4nmになる。最小活性化エネルギーは、厚さ約0.5nmの5回のALDのフィルムについて見出され、これは、粒間アモルファスフィルムにとって、十分な陽イオン(Zr4+)を溶解するために十分に厚く、粒子から粒子への容易な拡散を可能にするために十分に薄い、最適な厚さであることを示唆する。より薄い厚さでは、粒間拡散経路の形成は不十分になる。より厚い厚さでは、フィルムは粒界拡散に対する障壁として部分的に作用するために十分に厚くなる。
焼結温度の低下は、部分的には微細構造内の細孔または欠陥の保持に起因して、8YSZ電解質のイオン導電率に有害な影響を与えると予想される。2つの焼結手順-1450℃で2時間および1350℃で2時間に続いて、電気化学インピーダンス分光法を用いて8YSZ(コーティングされた、およびコーティングされない)についてイオン導電率測定値を得た。焼結温度の低下に伴う導電率の低下は、評価された全てのコーティングされたサンプル(1~7回のALDサイクル)について縮小することがわかった。導電率の低下は測定温度に依存することが同様に予想される。しかしながら、我々は、3回のALDのサンプルを除いて、イオン導電率の低下がインピーダンス温度の関数としてほぼ一定であることを見出した。このように、Al2O3のALDコーティングは、コーティングされていないサンプルの場合のように、焼結温度の低下がイオン導電率(電解質性能)の低下を伴わないことを実証している。135℃で2時間焼結したサンプルのイオン導電率は、図5に見られるように、1回のALDサイクルのAl2O3(0.7重量%)で最適化または最大化されることが分かった。このサンプルの性能は、Al2O3を含まないYSZ、およびボールミル粉砕によって組み込まれたAl2O3を含むYSZよりも優れていることが分かった。イオン導電率の低下は、(1450℃で焼結した後の導電率から1350℃で焼結した後の導電率を引いたもの)として定義される。コーティングされたサンプルは、すべての温度でコーティングされていないサンプルよりも優れた性能を示した。ALDコーティングの利点は温度と共に増加する。
低温(300℃)電気化学インピーダンス分光法を使用して、電解質の全抵抗率に対する粒界および粒内部の相対的寄与を切り離すことができる。前述のように2つの温度で焼結した後、粒界抵抗率の増加は、コーティングされていないサンプルでは顕著であるが、コーティングされたサンプル、特に5回のALDのサンプルではそれほど顕著ではない(図6)。これは、ALDコーティングがミクロ構造、特に粒界ミクロ構造を十分に変化させ、その結果、粒界での抵抗率が、コーティングされていないサンプルと比較して低温焼結後に低下することを示唆する。
コロイド状ゲルインク配合物を、0、1、および3回のサイクルのAl2O3のALDを有する8YSZ用に開発した。0回のサイクルのAl2O3のALDを有する8YSZの場合、最適固形分体積パーセントは43.5体積%から44体積%の間であることが分かった。印刷可能な8YSZインクは、44体積%の固形分で製造することができるが、時間が経つにつれて増粘する傾向があり、プリンタを詰まらせそして失速させ、印刷された部品を使用不可能にする。しかしながら、43.5体積%の固形分からなるインクは確実に印刷することができ、そして変形に抵抗しそして押出後にそれらの形状を保持するための高い粘度を有していた。さらに、43.5体積%の固形分含有量を有するインク配合物は、緻密化後に最小の反りおよび均一な収縮を経験することが示された。固形分装填量が44体積%を超えると、コロイド状インクが崩壊し、印刷不可能で硬くなる。高分子電解質、ダルバン(Darvan)はもはや混合物を効果的に分散させず、液体と粉末の相は分離し始める。固形分装填量が43体積%未満であると、押出し後の変形、ならびに乾燥および緻密化中の反りおよび亀裂の可能性が高まる。0回のサイクルのAl2O3を有する8YSZ用の最終的な最適化インク配合物は、43.5体積%の8YSZ粉末、41.5体積%の水、11.1体積%のDarvan、3.8体積%のヒドロキシプロピルメチルセルロース、および0.2体積%のPEIであった。
次に、8YSZ用に最適化されたインク配合物を、1回および3回のサイクルのAl2O3のALDを有する8YSZに拡大した。1回のサイクルのAl2O3のALDを有する8YSZ用の最適インク配合は、42.4体積%の8YSZ/Al2O3粉末、42.0体積%の水、11.4体積%のDarvan、4.1体積%のヒドロキシプロピルメチルセルロース、および0.2体積%のPEIであった。さらに、3回のAl2O3のALDサイクルを有する8YSZ用の最適インク配合は、39.4体積%の8YSZ/Al2O3粉末、44.8体積%の水、12.2体積%のDarvan、3.4体積%のヒドロキシプロピルメチルセルロース、および0.2体積%のPEIであった。これらの配合物は両方とも、ダイレクトインクライティングを使用した3D正方格子構造の製造に成功し、印刷中に目詰まりが発生せず、最終部品は反ったり変形したりしなかった。
選択されたインクのレオロジー(流体力学)は、セラミック粒子の表面化学に大きく依存している。8YSZと水の溶液は約7のpHを有し、塩基性等電点では8YSZ表面は正に帯電するようになる。ファンデルワールス力は8YSZ粒子を凝集させるので、負に変化した高分子電解質であるDarvanを添加して、静電(electrosteric)反発により8YSZ粉末を均一に分散させた。分散剤はインクの均質性を可能にするが、インクがより強く、そして変形に抵抗するための望ましい機械的性質を有することを確実にするために凝集剤を添加しなければならない。添加した凝集剤はPEI(ポリエチレンイミン)であり、これは正に荷電した高分子電解質である。全部ではないがいくらかの分散剤効果が打ち消されるように、少量が添加された。ヒドロキシプロピルメチルセルロースを添加することによって粘度を調整し、そしてインクが個々の成分に分離しないことを確実にした。最終結果は、分離せずに印刷し、そして押出し、乾燥、および緻密化の間にその形を保持する、均質で粘性のあるインクであった
0、1、および3回のサイクルのAl2O3のALDを有する8YSZ用インク配合物は、粒子表面化学を制御し、必要なレオロジーを有するインクを製造するため、水およびDarvan含有量がわずかに異なる、同量の分散剤および凝集剤を必要とすることが発見された。インクの配合は粒子表面の化学的性質に依存し、そして1回および3回のサイクルのAl2O3のALDでは、Al2O3のサブ単分子層のみが存在する。粒子表面は8YSZとAl2O3の両方からなる。したがって、1回のサイクルのAl2O3を有する8YSZおよび3回のサイクルのAl2O3を有する8YSZの両方の粒子表面化学は、コロイドゲルインクの製造に利用される高分子電解質に対し同様に反応することが分かる。
また、3D印刷コロイド状ゲルインクの緻密化中にかなりの量の収縮が起こることも分かった。0回のサイクルのAl2O3のALDを有する8YSZの場合、すべての印刷部品の初期寸法は約35.3 mm×35.5 mmである。乾燥後の寸法は34.7mm×34.8mmであり、これは約4%の収縮である。焼結片の寸法は平均して27.3mm×26.9mmであり、これは約40%の収縮率である。これは、部品からの水、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、Darvan、およびPEIの排除と、セラミック粒子間からの細孔の減少によるものである。
本発明の一実施形態によれば、セラミック粒子は、コア基板を覆う焼結助剤フィルムのコンフォーマルコーティングを有し、流動層反応器、振動反応器、回転反応器、前駆体ガスが空間で分離される空間システム、およびバッチ反応器、ならびにそれらの任意の所望の組み合わせ、から選択されるシステムを用いた原子層堆積によって形成される。
本発明の一実施形態によるセラミック粒子は、酸化セリウムを含むコアと、アルミナ、酸化チタン、酸化イットリウム、酸化カルシウム、酸化鉄、酸化銅、酸化クロム、酸化ホウ素、二酸化シリコン、酸化ニッケル、およびそれらの任意の所望の組み合わせ、から選択される焼結助剤フィルムとを有する。別の実施形態では、セラミック粒子のコアは窒化アルミニウムを含み、焼結助剤フィルムは酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、二酸化ケイ素、酸化ランタン、およびそれらの任意の所望の組み合わせから選択される。
本発明の一実施形態によるセラミック粒子は、窒化ケイ素および炭化ケイ素から選択されるコアを有し、焼結助剤フィルムは、酸化イットリウム、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化ルテチウム、酸化イッテルビウム、およびそれらの任意の所望の組み合わせから選択される。
(分析と推奨事項)
8YSZに対するALDによるAl2O3の精密なコーティングは、焼結温度および最大緻密化速度が得られる温度を約100℃低下させるのに有効である。緻密化のための見かけの活性化エネルギーは、コーティングされていない8YSZと比較した場合、全てのコーティングされたサンプルについて同様に減少することが見出された。見かけの活性化エネルギーを最大に減少させるためのALD取り込みの最適レベルは、5回のALDサイクルまたは約2.2重量%のAl2O3であることが見出された。
8YSZに対するALDによるAl2O3の精密なコーティングは、焼結温度および最大緻密化速度が得られる温度を約100℃低下させるのに有効である。緻密化のための見かけの活性化エネルギーは、コーティングされていない8YSZと比較した場合、全てのコーティングされたサンプルについて同様に減少することが見出された。見かけの活性化エネルギーを最大に減少させるためのALD取り込みの最適レベルは、5回のALDサイクルまたは約2.2重量%のAl2O3であることが見出された。
8YSZに対するALDによるAl2O3の正確なコンフォーマルコーティングは、低減された焼結温度を使用する場合に、導電性の十分な電解質を可能にするのに同様に効果的である。この用途では、1回のALDサイクルまたは約0.7重量%のAl2O3が最適であることが分かったが、5回および7回のALDサイクル(約2.2%および約3.3重量%)も同様に機能する。低温(300℃)では、コーティングされたサンプル、特に5回のALDサイクルを有するサンプルでは、低温で焼結した後に粒界の抵抗率が大幅に減少する。
コーティングされていない8YSZ粉末に対して、最大の固形分充填量を有するコロイド状ゲルインク配合物が、焼結中に反ったり変形したりしない8YSZセラミック部品を確実に製造するために決定された。次に、8YSZ粉末用のコロイド状ゲルインク配合物を1回及び3回のサイクルのAl2O3のALDによるAl2O3コーティングを有する8YSZ粉末用に修正し、そして配合物が、焼結中に反ったり変形したりしないセラミック部品を、コア/シェルが8YSZ/Al2O3の粉末から確実に印刷するために決定された。8YSZ粉末へのAl2O3コーティングの添加は、コーティングされていない8YSZ粉末と比較して焼結温度を低下させる。すなわち、コーティングされていない8YSZ粉末を印刷および焼結/緻密化することはできるが、それには、1回および3回のサイクルのAl2O3のALDによるコーティングを有する8YSZ粉末から製造される部品に必要とされるよりも高い、緻密化温度が必要である。
3YSZは、3モルパーセント(3モル%)のイットリアがドープされたジルコニアを表す。3YSZは「Y-TZP」とも呼ばれる。原子層堆積によってアルミナでコンフォーマルにコーティングされた3YSZ(部分安定化ジルコニアまたはY-TZP)用のコロイド状ゲルインク配合物を調整し最適化した。アルミナによるジルコニウムセラミック粒子のALDコーティングは、酸化ジルコニウムの任意のレベルのイットリウムドーピングのための焼結助剤として有益であるはずである。実際には、異なる特性を得るために、ドーピング量を約3パーセントから約8パーセントまでわずかに変化させうることを我々は見出した。
ジルコニア中のドーパント濃度は材料の結晶構造を決定する。3モル%をドープしたジルコニア、3YSZは、機械的に強い正方晶相であり、歯科用セラミックに使用されてきた。本明細書は、20重量%のAl2O3がALDによって3YSZ(ATZ)へのコンフォーマルコーティングとして添加されると、機械的特性がさらに向上することを開示する。アルミナがALDによってコンフォーマルコーティングとして添加されているアルミナ強化ジルコニア(ATZ)セラミックは、生物医学的インプラントおよび、周囲温度で高い強度および耐摩耗性を必要とする他の工学的用途において使用するための重要な材料であり得る。
本明細書で使用されるとき、「YSZ」の前の数字は、イットリアによるドーピングされたモル百分率を示す。8mol%のドーピングは、ZrO2の立方晶構造を最適に安定化させ、それは(例えば、固体電気化学装置における)酸素イオン伝導に好適である。8YSZは、一般に、「イットリア安定化ジルコニア」、「イットリア安定化キュービックジルコニア」、「立方安定化ジルコニア」、または「完全安定化ジルコニア」と呼ばれている。3YSZも、「イットリア安定化ジルコニア」とも呼ぶことができるが、より一般的には「正方晶ジルコニア多結晶」、「TZP」、「Y-TZP」、「正方晶多結晶ジルコニア」、「イットリア安定化正方晶ジルコニア」、または「部分安定化ジルコニア」と呼ばれる。
Sc2O3のような他の「安定剤」もまた、Y2O3と同じ方法でZrO2の結晶構造を制御するために使用することができる。本発明のさらに他の実施形態では、原子層堆積によって堆積されたAl2O3焼結助剤はこれらの場合にも有益であるはずである。
本発明の特定の態様、実施形態または事例に関連して記載された特徴、整数、特性、化合物、化学的部分または基は、適合しない場合を除き、本明細書に記載の他の態様、実施形態または事例に適用可能であると理解されるべきである。本明細書に開示されたすべての特徴(添付図面を含む)、および/またはそのように開示された任意の方法もしくはプロセスのすべてのステップは、そのような特徴および/またはステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組み合わせを除いて、任意の組み合わせで組み合わせることができる。図面中の図面は必ずしも一定の縮尺ではない。本発明は、前述の実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書(添付図面を含む)に開示された特徴の任意の新規なもの、または任意の新規な組み合わせ、あるいはそのように開示された任意の方法またはプロセスのステップの任意の新規なものまたは任意の新規な組み合わせに及ぶ。
(同等のもの)
本発明をその好ましい実施形態を参照して具体的に示し説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細において様々な変更を加えることができることが当業者には理解されよう。
本発明をその好ましい実施形態を参照して具体的に示し説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細において様々な変更を加えることができることが当業者には理解されよう。
Claims (16)
- セラミック粒子であって、
イットリア安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、および酸化セリウムから選択されるコア基板と;そして
3ナノメートル未満の厚さを有し、前記コア基板を覆う、焼結助剤フィルムのコーティングと;
を有する、セラミック粒子と;
水と;そして
1つまたはそれ以上の、分散剤、粘性調整剤、および凝集剤と;
を有する、
ことを特徴とするコロイド状ゲルまたはスラリー。 - 前記コア基板を覆う前記焼結助剤フィルムのコーティングが、1つの単一層の厚さより小さい厚さを有する、ことを特徴とする請求項1に記載のコロイド状ゲルまたはスラリー。
- 前記コーティングがアルミナを含む、ことを特徴とする請求項1に記載のコロイド状ゲルまたはスラリー。
- 前記コア基板を覆う前記焼結助剤フィルムのコーティングが、前記セラミック粒子の表面全体にフィルムの島を有する、ことを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のコロイド状ゲルまたはスラリー。
- 前記コア基板がイットリア安定化ジルコニアであり、前記焼結助剤フィルムのコーティングがアルミナを含む、ことを特徴とする請求項1に記載のコロイド状ゲルまたはスラリー。
- 前記コア基板がイットリア部分安定化ジルコニアであり、前記焼結助剤フィルムのコーティングがアルミナを含む、ことを特徴とする請求項1に記載のコロイド状ゲルまたはスラリー。
- 前記コア基板が酸化セリウムであり、前記焼結助剤フィルムがアルミナ、酸化チタン、酸化イットリウム、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、ことを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のコロイド状ゲルまたはスラリー。
- 前記コロイド状ゲルまたはスラリーがヒドロキシプロピルメチルセルロースを含む粘性調整剤を有する、ことを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のコロイド状ゲルまたはスラリー。
- 前記コロイド状ゲルまたはスラリーがアンモニウムポリアクリレートを含む分散剤を有する、ことを特徴とする請求項8に記載のコロイド状ゲルまたはスラリー。
- 前記コロイド状ゲルまたはスラリーがポリエチレンイミンを含む凝集剤を有する、ことを特徴とする請求項9に記載のコロイド状ゲルまたはスラリー。
- 前記コア基板がイットリア安定化ジルコニアであり、前記イットリア安定化ジルコニアの酸化イットリウムドーピングが8モルパーセントである、ことを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のコロイド状ゲルまたはスラリー。
- 前記ゲルまたはスラリーが42.0体積%~44.8体積%の水を含む、ことを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のコロイド状ゲルまたはスラリー。
- 請求項1に記載のコロイド状ゲルまたはスラリーを使用して、3次元焼結構造体を形成する方法であって、前記方法は:
前記コロイド状ゲルまたはスラリーを使用して部品片を印刷するステップと;
前記部品片を乾燥するステップと;そして
前記部品片を焼結するステップと;
を有し、
前記コア基板と前記コーティングの間の粒界抵抗率は焼結後に減少する、
ことを特徴とする方法。 - 分散剤、粘性調整剤、および凝集剤を有する、ことを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のコロイド状ゲルまたはスラリー。
- 請求項1に記載の粒子を焼結することにより作成される固体酸化物型燃料電池。
- 前記コア基板は酸化スカンジウムを有する、ことを特徴とする請求項1に記載のコロイド状ゲル。
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