JP7578866B1 - Zirconia sintered body and its manufacturing method - Google Patents
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
本開示により、透光性および耐水熱劣化性に優れたジルコニア焼結体を実現する技術が提供される。ここで開示されるジルコニア焼結体の製造方法は、ジルコニアと、イットリア及び/又はイッテルビアとを含む成形体であって、ジルコニアと、イットリアと、イッテルビアとの合計を100mol%としたとき、イットリアとイッテルビアとの合計割合が3mol%以上4mol%未満である成形体を準備する成形体準備工程と、上記成形体を800℃以上1200℃以下で加熱する第1加熱工程と、上記第1加熱工程を経た上記成形体をマイクロ波加熱により1600℃以上2000℃以下で加熱する第2加熱工程と、上記第2加熱工程を経た上記成形体を50℃/min以上の速さで1300℃まで降温する冷却工程とを包含する。The present disclosure provides a technology for realizing a zirconia sintered body having excellent translucency and resistance to hydrothermal degradation. The manufacturing method of the zirconia sintered body disclosed herein includes a molded body preparation step of preparing a molded body containing zirconia and yttria and/or ytterbia, in which the total ratio of yttria and ytterbia is 3 mol% or more and less than 4 mol% when the total of zirconia, yttria, and ytterbia is 100 mol%, a first heating step of heating the molded body at 800°C or more and 1200°C or less, a second heating step of heating the molded body that has undergone the first heating step at 1600°C or more and 2000°C or less by microwave heating, and a cooling step of lowering the temperature of the molded body that has undergone the second heating step to 1300°C at a rate of 50°C/min or more.
Description
本開示は、ジルコニア焼結体とその製造方法に関する。なお、本出願は2023年6月2日に出願された日本国特許出願第2023-091593号に基づく優先権を主張しており、その出願の全内容は本明細書中に参照として組み入れられている。This disclosure relates to a zirconia sintered body and a method for producing the same. This application claims priority to Japanese Patent Application No. 2023-091593, filed on June 2, 2023, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
安定化剤としてイットリア(Y2O3)等の希土類元素を少量固溶させたジルコニア焼結体(以下「部分安定化ジルコニア焼結体」ともいう)は、安定化剤を含まないジルコニア焼結体に比べて強度、靭性等の機械的特性が向上する傾向にある。そのため、部分安定化ジルコニア焼結体は、切断工具、ベアリング、分散・粉砕機等の機械構造用材料、歯科材料等の生体材料等に利用されている。 A zirconia sintered body in which a small amount of a rare earth element such as yttria (Y 2 O 3 ) is dissolved as a stabilizer (hereinafter also referred to as a "partially stabilized zirconia sintered body") tends to have improved mechanical properties such as strength and toughness compared to a zirconia sintered body that does not contain a stabilizer. Therefore, the partially stabilized zirconia sintered body is used in machine structural materials such as cutting tools, bearings, and dispersing/pulverizing machines, and biomaterials such as dental materials, etc.
例えば、特許文献1には、安定化剤として4.0mol%を超え6.5mol%以下のイットリアとを含む透光性ジルコニア焼結体が開示されている。また、特許文献2および3には、ジルコニア焼結体の焼結温度を少なくとも1350℃以下とすることで、耐水熱劣化性に優れたジルコニア焼結体が実現されることが開示されている。For example, Patent Document 1 discloses a translucent zirconia sintered body containing more than 4.0 mol% and not more than 6.5 mol% yttria as a stabilizer. Patent Documents 2 and 3 disclose that a zirconia sintered body with excellent resistance to hydrothermal degradation can be realized by setting the sintering temperature of the zirconia sintered body to at least 1350°C or less.
ところで、部分安定化ジルコニア焼結体に含まれる安定化剤の含有量を調整することで、ジルコニア焼結体の機械的特性を調整することができる。例えば、安定化剤の含有量を低くすると、曲げ強度、破壊靭性等の機械的特性が向上する傾向にある。しかしながら、このような部分安定化ジルコニア焼結体では、耐水熱劣化性および透光性が低下する傾向にある。By adjusting the amount of stabilizer contained in the partially stabilized zirconia sintered body, the mechanical properties of the zirconia sintered body can be adjusted. For example, lowering the amount of stabilizer tends to improve mechanical properties such as bending strength and fracture toughness. However, such partially stabilized zirconia sintered bodies tend to have reduced hydrothermal degradation resistance and translucency.
本開示では、透光性および耐水熱劣化性に優れたジルコニア焼結体を実現する技術を提供することを主な目的とする。The main objective of this disclosure is to provide technology that realizes zirconia sintered bodies with excellent translucency and resistance to hydrothermal degradation.
上記目的を実現するべく、本発明者が検討したところ、所定の割合でイットリア及び/又はイッテルビア(Yb2O3)を有する部分安定化ジルコニアの成形体をマイクロ波加熱により焼結させ、その後1300℃まで急速に冷却することにより、透光性および耐水熱劣化性に優れたジルコニア焼結体が実現されることを見出した。かかるジルコニア焼結体の結晶相の解析によれば、ジルコニア焼結体が単位格子のc/a軸長比が1.0055以上1.010未満の範囲内にある結晶相を有していることが見出された。 In order to achieve the above object, the present inventors have conducted research and found that a zirconia sintered body excellent in light transmittance and resistance to hydrothermal degradation can be realized by sintering a molded body of partially stabilized zirconia containing a predetermined ratio of yttria and/or ytterbia (Yb 2 O 3 ) by microwave heating and then rapidly cooling it to 1300° C. Analysis of the crystal phase of such a zirconia sintered body has found that the zirconia sintered body has a crystal phase in which the c/a axial length ratio of the unit lattice is in the range of 1.0055 or more and less than 1.010.
本開示により、ジルコニア焼結体の製造方法が提供される。かかるジルコニア焼結体の製造方法は、ジルコニアと、イットリア及び/又はイッテルビアとを含む成形体であって、ジルコニアと、イットリアと、イッテルビアとの合計を100mol%としたとき、イットリアとイッテルビアとの合計割合が3mol%以上4mol%未満である成形体を準備する成形体準備工程と、上記成形体を800℃以上1200℃以下で加熱する第1加熱工程と、上記第1加熱工程を経た上記成形体をマイクロ波加熱により1600℃以上2000℃以下で加熱する第2加熱工程と、上記第2加熱工程を経た上記成形体を50℃/min以上の速さで1300℃まで降温する冷却工程とを包含する。
かかる製造方法によれば、透光性および耐水熱劣化性に優れたジルコニア焼結体を製造することができる。
The present disclosure provides a method for producing a zirconia sintered body. The method for producing the zirconia sintered body includes a molded body preparation step of preparing a molded body containing zirconia, yttria and/or ytterbia, in which the total ratio of yttria and ytterbia is 3 mol% or more and less than 4 mol% when the total of zirconia, yttria and ytterbia is 100 mol%, a first heating step of heating the molded body at 800°C or more and 1200°C or less, a second heating step of heating the molded body that has undergone the first heating step at 1600°C or more and 2000°C or less by microwave heating, and a cooling step of lowering the temperature of the molded body that has undergone the second heating step to 1300°C at a rate of 50°C/min or more.
According to this manufacturing method, a zirconia sintered body having excellent translucency and resistance to hydrothermal deterioration can be manufactured.
いくつかの好ましい態様では、上記マイクロ波加熱の加熱方式が、マルチモードである。これにより、プラズマの発生を抑制しながら加熱することができる。この結果、ジルコニア焼結体の割れの発生が抑制され、透光性および耐水熱劣化性により優れたジルコニア焼結体を製造することができる。In some preferred embodiments, the microwave heating method is a multi-mode method. This allows heating while suppressing plasma generation. As a result, the occurrence of cracks in the zirconia sintered body is suppressed, and a zirconia sintered body with excellent translucency and resistance to hydrothermal degradation can be produced.
いくつかの好ましい態様では、上記第2加熱工程において、上記マイクロ波加熱を酸化雰囲気下で実施する。これにより、ジルコニア焼結体が黒ずむことが抑制され、透光性および耐水熱劣化性に優れ、かつ、審美性にも優れたジルコニア焼結体を製造することができる。In some preferred embodiments, the microwave heating in the second heating step is performed in an oxidizing atmosphere. This prevents the zirconia sintered body from darkening, and produces a zirconia sintered body that is excellent in translucency, resistance to hydrothermal degradation, and aesthetics.
いくつかの好ましい態様では、上記第2加熱工程において、上記マイクロ波加熱を酸素濃度が30vol%以上100vol%以下の雰囲気下で実施する。これにより、ジルコニア焼結体が黒ずむのを効果的に抑制することができるため、より審美性に優れ、かつ、透光性および耐水熱劣化性に優れたジルコニア焼結体を製造することができる。In some preferred embodiments, in the second heating step, the microwave heating is performed in an atmosphere with an oxygen concentration of 30 vol% or more and 100 vol% or less. This effectively prevents the zirconia sintered body from darkening, making it possible to produce a zirconia sintered body that is more aesthetically pleasing, translucent, and resistant to hydrothermal degradation.
いくつかの好ましい態様では、上記第2加熱工程において、SiCサセプタを上記成形体の所定の方向の両側から挟むように配置する。これにより、成形体の内部の焼結をより好適に進行させることができるため、透光性および耐水熱劣化性により優れたジルコニア焼結体を製造することができる。In some preferred embodiments, in the second heating step, SiC susceptors are arranged to sandwich the molded body from both sides in a predetermined direction. This allows the sintering inside the molded body to proceed more optimally, making it possible to produce a zirconia sintered body with superior translucency and resistance to hydrothermal degradation.
いくつかの好ましい態様では、上記成形体準備工程において、ジルコニアを有する顆粒を含む材料を成形して上記成形体を準備する。これにより、成形体の形状安定性が向上し、取扱性や作業性が向上し得る。In some preferred embodiments, in the compact preparation step, the compact is prepared by molding a material containing zirconia-containing granules. This can improve the shape stability of the compact and improve the ease of handling and workability.
また、本開示によりジルコニア焼結体が提供される。このジルコニア焼結体は、ジルコニアと、イットリア及び/又はイッテルビアとを含み、ジルコニアと、イットリアと、イッテルビアとの合計を100mol%としたとき、イットリアとイッテルビアとの合計割合は3mol%以上4mol%未満であり、結晶相の全体を100質量%としたとき、単位格子のc/a軸長比が1.0055以上1.010未満の範囲内にある結晶相の割合が10質量%以上である。かかる構成のジルコニア焼結体では、優れた透光性および耐水熱劣化性が実現されている。The present disclosure also provides a zirconia sintered body. The zirconia sintered body contains zirconia, yttria and/or ytterbia, and when the total of zirconia, yttria and ytterbia is 100 mol%, the total ratio of yttria and ytterbia is 3 mol% or more and less than 4 mol%, and when the entire crystal phase is 100 mass%, the ratio of the crystal phase in which the c/a axial length ratio of the unit lattice is in the range of 1.0055 or more and less than 1.010 is 10 mass% or more. In the zirconia sintered body of such a configuration, excellent translucency and hydrothermal deterioration resistance are realized.
なお、本明細書において、ジルコニア焼結体の単位格子のc/a軸長比及びその割合は、ジルコニア焼結体のX線回折パターンのプロファイルを解析プログラムとしてRIETAN-FPを用いたリートベルト解析することによって得ることができる。In this specification, the c/a axial length ratio and its proportion of the unit cell of the zirconia sintered body can be obtained by Rietveld analysis of the profile of the X-ray diffraction pattern of the zirconia sintered body using RIETAN-FP as an analysis program.
いくつかの好ましい態様では、結晶相の全体を100質量%としたとき、単位格子のc/a軸長比が1.007以上1.010未満の範囲内にある結晶相の割合が10質量%以上である。これにより、耐水熱劣化性がより向上する。In some preferred embodiments, when the entire crystal phase is taken as 100% by mass, the proportion of the crystal phase having a unit lattice c/a axial length ratio in the range of 1.007 or more and less than 1.010 is 10% by mass or more. This further improves hydrothermal degradation resistance.
いくつかの態様では、134℃の熱水中に6時間浸漬させた後の単斜晶の割合が10%以下である。ここで開示されるジルコニア焼結体は、このような優れた耐水熱劣化性を有し得る。In some embodiments, the proportion of monoclinic crystals is 10% or less after immersion in hot water at 134°C for 6 hours. The zirconia sintered body disclosed herein can have such excellent resistance to hydrothermal degradation.
いつくかの態様では、結晶相の全体を100質量%としたとき、単位格子のc/a軸長比が、1以上1.0055未満の範囲内にある結晶相の割合が20質量%以下である。かかる構成によれば、結晶相がより均質になるため、より優れた透光性および耐水熱劣化性が実現され得る。In some embodiments, when the entire crystal phase is taken as 100% by mass, the proportion of the crystal phase in which the c/a axial length ratio of the unit lattice is in the range of 1 or more and less than 1.0055 is 20% by mass or less. With this configuration, the crystal phase becomes more homogeneous, and therefore better light transmittance and resistance to hydrothermal degradation can be achieved.
いくつかの態様では、厚さ1mmの試験片の厚さ方向におけるD65光源に対する全光線透過率が44%以上である。In some embodiments, the total light transmittance in the thickness direction of a 1 mm thick test specimen for a D65 light source is 44% or more.
また、本開示により、ここで開示されるジルコニア焼結体を含む歯科材料が提供される。かかる歯科材料は、例えば、義歯、義歯ミルブランク、または歯科矯正ブラケットとして使用することができる。ここで開示されるジルコニア焼結体は、透光性および耐水熱劣化性に優れているため、歯科材料に適している。The present disclosure also provides a dental material containing the zirconia sintered body disclosed herein. Such a dental material can be used, for example, as a denture, a denture mill blank, or an orthodontic bracket. The zirconia sintered body disclosed herein is suitable for use as a dental material because of its excellent translucency and resistance to hydrothermal degradation.
以下、ここで開示される技術のいくつかの実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項(例えば、マイクロ波加熱の温度)以外の事柄であって本技術の実施に必要な事柄は、本明細書により教示されている技術内容と、当該分野における当業者の一般的な技術常識とに基づいて理解することができる。ここで開示される技術の内容は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、本明細書において、数値範囲を「A~B(ここでA、Bは任意の数値)」と記載している場合は、「A以上B以下」を意味すると共に、「Aを超えてB未満」、「Aを超えてB以下」、および「A以上B未満」の意味を包含する。 Below, several embodiments of the technology disclosed herein are described. Matters other than those specifically mentioned in this specification (e.g., the temperature of microwave heating) that are necessary for implementing this technology can be understood based on the technical content taught by this specification and the general technical common sense of a person skilled in the art in the relevant field. The content of the technology disclosed here can be implemented based on the content disclosed in this specification and the technical common sense of a person skilled in the art in the relevant field. In this specification, when a numerical range is described as "A to B (where A and B are any numerical value)," this means "A or more and B or less," and also includes the meanings of "more than A and less than B," "more than A and B or less," and "A or more and less than B."
ここで開示されるジルコニア焼結体は、少なくともジルコニア(ZrO2)を含む。また、ここで開示されるジルコニア焼結体は、イットリア(Y2O3)およびイッテルビア(Yb2O3)のうち少なくとも一方を含んでいる。即ち、ここで開示されるジルコニア焼結体は、イットリアとイッテルビアとの両方を含む態様、イットリアを含み、イッテルビアを含まない態様、または、イッテルビアを含み、イットリアを含まない態様であり得る。ここで開示されるジルコニア焼結体は、ジルコニアを主成分として含む。ここで、「ジルコニアを主成分として含む」とは、ジルコニア焼結体を構成する化合物のうち、ジルコニアが占める割合が最も多いことを意味する。ジルコニア焼結体全体を100質量%としたとき、ジルコニアが占める割合は、例えば70質量%以上であって、80質量%以上が好ましく、90質量%以上がより好ましい。ジルコニアの割合が高いことで、ジルコニア焼結体の強度、靭性、耐水熱劣化性等が向上し得る。 The zirconia sintered body disclosed here contains at least zirconia (ZrO 2 ). The zirconia sintered body disclosed here contains at least one of yttria (Y 2 O 3 ) and ytterbia (Yb 2 O 3 ). That is, the zirconia sintered body disclosed here may be an embodiment containing both yttria and ytterbia, an embodiment containing yttria and not containing ytterbia, or an embodiment containing ytterbia and not containing yttria. The zirconia sintered body disclosed here contains zirconia as a main component. Here, "containing zirconia as a main component" means that the proportion of zirconia is the largest among the compounds constituting the zirconia sintered body. When the entire zirconia sintered body is 100 mass%, the proportion of zirconia is, for example, 70 mass% or more, preferably 80 mass% or more, and more preferably 90 mass% or more. A high proportion of zirconia can improve the strength, toughness, hydrothermal degradation resistance, and the like of the zirconia sintered body.
ジルコニア焼結体に含まれるイットリア及び/又はイッテルビアは、例えば、ジルコニアに部分的に固溶した部分安定化ジルコニアの一部(所謂、安定化剤)として含まれ得る。部分安定化ジルコニアは、室温下において単斜晶の割合が抑制されるため、強度、靭性等の機械的特性が向上し得る。また、単斜晶の割合が抑制されることで、ジルコニア焼結体を構成する結晶相のばらつきが抑制されるため、透光性が向上し得る。The yttria and/or ytterbia contained in the zirconia sintered body may be included, for example, as part of partially stabilized zirconia partially dissolved in zirconia (so-called stabilizer). Partially stabilized zirconia has a suppressed proportion of monoclinic crystals at room temperature, which may improve mechanical properties such as strength and toughness. Furthermore, suppressing the proportion of monoclinic crystals suppresses the variation in the crystal phase that constitutes the zirconia sintered body, which may improve translucency.
ところで、一般に、部分安定化ジルコニアの安定化剤の割合を低くすると、機械的特性が向上する一方で、結晶相の安定性が低下する傾向にある。結晶相の安定性が低い場合には、正方晶から単斜晶への相転移が生じやすく、透光性が低下する。また、単斜晶の割合が増加すると、耐水熱劣化性が低下する傾向にある。そのため、安定化剤の割合が低い部分安定化ジルコニアにおいて、透光性および耐水熱劣化性を向上させることが望まれる。Generally, when the proportion of stabilizer in partially stabilized zirconia is reduced, the mechanical properties improve, but the stability of the crystal phase tends to decrease. When the stability of the crystal phase is low, a phase transition from tetragonal to monoclinic is likely to occur, and translucency decreases. Furthermore, as the proportion of monoclinic crystals increases, hydrothermal degradation resistance tends to decrease. Therefore, it is desirable to improve the translucency and hydrothermal degradation resistance in partially stabilized zirconia with a low proportion of stabilizer.
ここで開示されるジルコニア焼結体は、安定化剤として含まれるイットリア及び/又はイッテルビアの割合が比較的低めであるが、優れた透光性及び耐水熱劣化性を有している。ジルコニア焼結体に含まれるジルコニアとイットリアとイッテルビアとの合計を100mol%としたとき、イットリアとイッテルビアとの合計割合は、例えば、4.2mol%以下、4mol%以下、4mol%未満、または3.9mol%以下であり得る。このように、イットリア及び/又はイッテルビアの合計割合が低いにも関わらず、優れた透光性及び耐水熱劣化性が実現される。また、イットリアとイッテルビアとの合計割合の下限値は、例えば3mol%以上、3.1mol%以上、3.3mol%以上、または3.5mol%以上であり得る。これにより、結晶相を安定化することができる。
なお、「イットリアとイッテルビアとの合計割合」とは、イットリアまたはイッテルビアの割合が0mol%の場合(即ち、ジルコニア焼結体がイットリアまたはイッテルビアを含まない場合)も含むものとする。即ち、イットリアを含み、イッテルビアを含まない態様において、イットリアの割合は上記合計割合の範囲と同じである。また、イッテルビアを含み、イットリアを含まない態様において、イッテルビアの割合は上記合計割合の範囲と同じである。
The zirconia sintered body disclosed herein has a relatively low ratio of yttria and/or ytterbia contained as a stabilizer, but has excellent light transmittance and hydrothermal deterioration resistance. When the total of zirconia, yttria, and ytterbia contained in the zirconia sintered body is 100 mol%, the total ratio of yttria and ytterbia can be, for example, 4.2 mol% or less, 4 mol% or less, less than 4 mol%, or 3.9 mol% or less. In this way, excellent light transmittance and hydrothermal deterioration resistance are realized despite the low total ratio of yttria and/or ytterbia. In addition, the lower limit of the total ratio of yttria and ytterbia can be, for example, 3 mol% or more, 3.1 mol% or more, 3.3 mol% or more, or 3.5 mol% or more. This can stabilize the crystal phase.
The "total ratio of yttria and ytterbia" also includes the case where the ratio of yttria or ytterbia is 0 mol% (i.e., the zirconia sintered body does not contain yttria or ytterbia). That is, in an embodiment that contains yttria but does not contain ytterbia, the ratio of yttria is the same as the range of the total ratio. Also, in an embodiment that contains ytterbia but does not contain yttria, the ratio of ytterbia is the same as the range of the total ratio.
ジルコニア焼結体がイットリアとイッテルビアの両方を有する場合、イットリアの割合がイッテルビアよりも多くてもよく、イットリアの割合がイッテルビアよりも少なくてもよい。
なお、イットリア及び/又はイッテルビアは、全てがジルコニアに固溶していてもよく、ジルコニアに固溶していない未固溶の状態のものを含んでいてもよい。
When the zirconia sintered body contains both yttria and ytterbia, the proportion of yttria may be greater than that of ytterbia, or the proportion of yttria may be less than that of ytterbia.
The yttria and/or ytterbia may be entirely dissolved in zirconia, or may include some that is not dissolved in zirconia.
いくつかの態様において、ジルコニア焼結体は、さらにアルミナ(Al2O3)を含む。アルミナを含むジルコニア焼結体では、異常粒成長が抑制されるため、ジルコニア焼結体の強度および透光性を向上し得る。また、耐低温劣化特性が向上し得るため、ジルコニア焼結体の強度および透光性を長期にわたり保持することができ得る。一方で、アルミナは、焼結体内部で不純物として残留し光散乱因子として働くためアルミナ含有量は高すぎない方がよい。そのため、アルミナの含有量は、ジルコニア焼結体全体を100質量%としたとき、例えば、0.15質量%以下であるとよく、0.125質量%以下、0.1質量%以下、または0.05質量%以下であり得る。 In some embodiments, the zirconia sintered body further contains alumina (Al 2 O 3 ). In the zirconia sintered body containing alumina, abnormal grain growth is suppressed, so that the strength and translucency of the zirconia sintered body can be improved. In addition, the low-temperature deterioration resistance can be improved, so that the strength and translucency of the zirconia sintered body can be maintained for a long period of time. On the other hand, since alumina remains as an impurity inside the sintered body and acts as a light scattering factor, it is better that the alumina content is not too high. Therefore, when the entire zirconia sintered body is taken as 100 mass%, the alumina content may be, for example, 0.15 mass% or less, and may be 0.125 mass% or less, 0.1 mass% or less, or 0.05 mass% or less.
また、ジルコニア焼結体は、ここで開示される技術の効果が著しく損なわれない範囲で、従来公知の着色剤を含み得る。着色剤としては、例えば、遷移金属元素やランタノイド系希土類元素等が挙げられる。このような元素としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、ニオブ、プラセオジム、ネオジム、ユーロピウム、ガドリニウム、エルビウム等が挙げられる。着色剤は、例えば、ジルコニア焼結体全体に対して2質量%以下であるとよく、1質量%以下、または0.5質量%以下であり得る。 The zirconia sintered body may contain a conventionally known coloring agent to the extent that the effect of the technology disclosed herein is not significantly impaired. Examples of coloring agents include transition metal elements and lanthanoid rare earth elements. Examples of such elements include iron, nickel, cobalt, manganese, niobium, praseodymium, neodymium, europium, gadolinium, erbium, etc. The coloring agent may be, for example, 2% by mass or less of the entire zirconia sintered body, 1% by mass or less, or 0.5% by mass or less.
また、ジルコニア焼結体は、不可避的に混入し得る元素を含み得る。例えば、ハフニウム、マグネシウム、ケイ素、チタン等が挙げられる。これらの元素の合計の含有量は、ジルコニア焼結体全体に対して、酸化物換算で2.5質量%以下であることが好ましく、2質量%以下がより好ましく、例えば1.8質量%以下であるとよい。In addition, the zirconia sintered body may contain elements that may be unavoidably mixed in. Examples include hafnium, magnesium, silicon, titanium, etc. The total content of these elements is preferably 2.5 mass% or less, more preferably 2 mass% or less, for example 1.8 mass% or less, calculated as oxide, based on the entire zirconia sintered body.
図1は、一態様におけるジルコニア焼結体の製造方法を示すフローチャートである。いくつかの態様において、ジルコニア焼結体の製造方法は、ジルコニアとイットリア及び/又はイッテルビアとを含む成形体(ワーク)を準備する成形体準備工程S10と、成形体を加熱する第1加熱工程S20と、第1加熱工程S20を経た成形体(以下、「仮焼結体」ともいう)をマイクロ波加熱により加熱する第2加熱工程S30と、第2加熱工程を経た成形体を降温する冷却工程S40とを包含し得る。 Figure 1 is a flowchart showing a method for producing a zirconia sintered body in one embodiment. In some embodiments, the method for producing a zirconia sintered body may include a molded body preparation step S10 for preparing a molded body (workpiece) containing zirconia and yttria and/or ytterbia, a first heating step S20 for heating the molded body, a second heating step S30 for heating the molded body (hereinafter also referred to as a "preliminary sintered body") that has undergone the first heating step S20 by microwave heating, and a cooling step S40 for lowering the temperature of the molded body that has undergone the second heating step.
<成形体準備工程S10>
成形体準備工程S10は、成形体を構成する材料(以下、「成形体材料」ともいう)を準備すること(以下「成形体材料準備工程」ともいう)と、成形体材料を成形すること(以下「成形工程」ともいう)とを包含し得る。
<Molded object preparation step S10>
The compact preparation step S10 includes preparing a material constituting the compact (hereinafter also referred to as a "compact material") (hereinafter also referred to as a "compact material preparation step") and compacting the compact material ( Hereinafter, this may include a molding process.
成形体材料準備工程では、まず、ジルコニア原料を準備する。ジルコニア原料としては、特に限定されるものではないが、例えば、ジルコニウム塩またはその水和物を用いることができる。ジルコニウム塩としては、例えば、オキシ塩化ジルコニウム、塩化ジルコニウム、硫酸ジルコニウム、硝酸ジルコニウム等が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。In the molding material preparation process, first, a zirconia raw material is prepared. The zirconia raw material is not particularly limited, but for example, a zirconium salt or a hydrate thereof can be used. Examples of zirconium salts include zirconium oxychloride, zirconium chloride, zirconium sulfate, zirconium nitrate, etc. These may be used alone or in combination of two or more types.
次に、ジルコニア原料の水溶液を準備し、加水分解反応を行うことで、ジルコニアゾルを調製する。加水分解反応は、かかる水溶液にアルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、アンモニア水溶液等を添加して行うことができる。アルカリ金属水酸化物としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等を用いることができ、アルカリ土類金属水酸化物としては、例えば、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等を用いることができる。Next, an aqueous solution of the zirconia raw material is prepared, and a hydrolysis reaction is carried out to prepare the zirconia sol. The hydrolysis reaction can be carried out by adding an alkali metal hydroxide, an alkaline earth metal hydroxide, an aqueous ammonia solution, or the like to the aqueous solution. Examples of the alkali metal hydroxide that can be used include lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide, and examples of the alkaline earth metal hydroxide that can be used include magnesium hydroxide and calcium hydroxide.
次に、加水分解により得られたジルコニアゾル(ZrO2・nH2O)に、イットリア及び/又はイッテルビア、若しくはその原料を混合する。イットリアの原料としては、焼成によりイットリアとなり得るイットリウム含有化合物である。イットリウム含有化合物としては、塩化イットリウム、硝酸イットリウム等が例示される。イッテルビアの原料としては、焼成によりイッテルビアとなり得るイッテルビウム含有化合物であってもよい。イッテルビウム含有化合物としては、塩化イッテルビウム、硝酸イッテルビウム等が例示される。 Next, yttria and/or ytterbia, or a raw material thereof, is mixed with the zirconia sol ( ZrO2.nH2O ) obtained by hydrolysis . The raw material of yttria is an yttrium-containing compound that can become yttria by firing. Examples of the yttrium-containing compound include yttrium chloride and yttrium nitrate. The raw material of ytterbia may be an ytterbium-containing compound that can become ytterbia by firing. Examples of the ytterbium-containing compound include ytterbium chloride and ytterbium nitrate.
上記ジルコニアゾルに、イットリア及び/又はイッテルビアを混合する場合には、混合するイットリア及び/又はイッテルビアの割合は、上述したジルコニア焼結体におけるイットリアとイッテルビアとの合計割合と同様であってよい。ジルコニアと、イットリアと、イッテルビアとの合計を100mol%としたときに、例えば3mol%以上、3.1mol%以上、3.3mol%以上、または3.5mol%以上であり得る。また、イットリアとイッテルビアとの合計割合は、例えば、4.2mol%以下、4mol%以下、4mol%未満、または3.9mol%以下であり得る。When yttria and/or ytterbia are mixed into the zirconia sol, the ratio of yttria and/or ytterbia to be mixed may be the same as the total ratio of yttria and ytterbia in the zirconia sintered body described above. When the total of zirconia, yttria, and ytterbia is taken as 100 mol%, it may be, for example, 3 mol% or more, 3.1 mol% or more, 3.3 mol% or more, or 3.5 mol% or more. In addition, the total ratio of yttria and ytterbia may be, for example, 4.2 mol% or less, 4 mol% or less, less than 4 mol%, or 3.9 mol% or less.
また、上記ジルコニアゾルにイットリア原料及び/又はイッテルビア原料を混合する場合には、これら原料を焼成して得られるイットリア及び/又はイッテルビアの量が、上述のイットリア及び/又はイッテルビアの割合の範囲となるようにすればよい。例えば、イットリア原料として塩化イットリウム(YCl3)Xmol(Xは正の数)を用いた場合には、イットリア(Y2O3)を0.5Xmol得ることができるため、イットリアそのものを混合するときと比較して、2倍の物質量となるように塩化イットリウムを混合すればよい。 In addition, when the zirconia sol is mixed with an yttria raw material and/or an ytterbia raw material, the amount of yttria and/or ytterbia obtained by firing these raw materials should be within the above-mentioned range of the ratio of yttria and/or ytterbia. For example, when X mol (X is a positive number) of yttrium chloride (YCl 3 ) is used as the yttria raw material, 0.5X mol of yttria (Y 2 O 3 ) can be obtained, so that the amount of yttrium chloride is doubled compared to when yttria itself is mixed.
次に、イットリア及び/又はイッテルビア、若しくはその原料を添加したジルコニアゾルを乾燥することで、各原料が均質に分散された乾燥粉末を得ることができ得る。乾燥方法は特に限定されるものではなく、例えば、自然乾燥、送風乾燥、熱風乾燥、加熱炉等を利用した加熱による乾燥、真空乾燥、吸引乾燥、凍結乾燥等を適宜選択することができる。Next, the zirconia sol to which yttria and/or ytterbia or their raw materials have been added is dried to obtain a dry powder in which each raw material is uniformly dispersed. The drying method is not particularly limited, and can be appropriately selected from, for example, natural drying, air drying, hot air drying, drying by heating using a heating furnace or the like, vacuum drying, suction drying, freeze drying, etc.
乾燥して得られた粉末を仮焼することで、イットリア及び/又はイッテルビア部分安定化ジルコニアを含む仮焼粉末を得ることができる。仮焼温度は、特に限定されるものではないが、例えば、800℃~1200℃、好ましくは1000℃~1200℃とすることができる。なお、かかる仮焼により、イットリア原料はイットリアへと酸化され、イッテルビア原料はイッテルビアへと酸化され得る。仮焼のための加熱装置は、従来公知の加熱装置を用いることができ、加熱装置としては、例えば、電気炉、マッフル炉、トンネル式加熱炉、マイクロ波焼成炉等が挙げられる。The dried powder is calcined to obtain a calcined powder containing yttria and/or ytterbia partially stabilized zirconia. The calcination temperature is not particularly limited, but may be, for example, 800°C to 1200°C, preferably 1000°C to 1200°C. By such calcination, the yttria raw material may be oxidized to yttria, and the ytterbia raw material may be oxidized to ytterbia. The heating device for calcination may be a conventional heating device, and examples of the heating device include an electric furnace, a muffle furnace, a tunnel heating furnace, and a microwave furnace.
仮焼粉末は、様々な形状および粒径を有する粒子を含むため、粉砕することが好ましい。粉砕方法は特に限定されず、例えば、公知の粉砕装置(例えばボールミル等)により粉砕することができる。ボールミルとしては、例えば、直径0.1mm~5mm程度のジルコニアボールを用いることが好ましい。
また、粉砕後の粉末は、所望の粒径に選別することが好ましい。例えば、メッシュ篩により所望の粒径のジルコニア粉末を得ることができ、メッシュの目開きの大きさは所望の粒径に合わせて適宜選択すればよい。
The calcined powder contains particles having various shapes and particle sizes, and therefore it is preferable to pulverize the powder. The pulverization method is not particularly limited, and the powder can be pulverized, for example, by a known pulverizing device (e.g., a ball mill, etc.). As the ball mill, it is preferable to use zirconia balls having a diameter of about 0.1 mm to 5 mm.
In addition, it is preferable to select the powder after pulverization to have a desired particle size. For example, a zirconia powder having a desired particle size can be obtained by using a mesh sieve, and the size of the mesh openings may be appropriately selected according to the desired particle size.
成形体材料として用いられるジルコニア粉末の好ましい平均粒径は、例えば、100nm~300nmであって、150nm~200nmがより好ましい。かかる範囲の平均粒径であれば、焼結性が高く、強度および透光性が向上し得る。なお、本明細書において、「平均粒径」とは、レーザー回折・光散乱法により測定された体積基準の粒度分布において、微粒子側から累積50%に相当する粒径(D50)のことをいう。かかる測定には、例えば、粒子径分布測定装置LA950V2(株式会社堀場製作所製)を用いることができる。 The preferred average particle size of the zirconia powder used as the compact material is, for example, 100 nm to 300 nm, more preferably 150 nm to 200 nm. With an average particle size in this range, the sinterability is high, and the strength and translucency can be improved. In this specification, the "average particle size" refers to the particle size (D 50 ) corresponding to the cumulative 50% from the fine particle side in the volume-based particle size distribution measured by the laser diffraction/light scattering method. For example, a particle size distribution measuring device LA950V2 (manufactured by Horiba, Ltd.) can be used for such measurement.
上記のように製造されたジルコニア粉末は、主にイットリア及び/又はイッテルビア部分安定化ジルコニア粒子を含んでいる。かかるジルコニア粉末中のイットリア及び/又はイッテルビア部分安定化ジルコニア粒子の割合は、50個数%以上であって、60個数%以上が好ましく、70個数%以上、80個数%以上、90個数%以上、95個数%以上であり得る。なお、ジルコニア粉末は、完全安定化ジルコニアを含んでいてもよい。また、ジルコニア粉末は、イットリア及び/又はイッテルビアが固溶していないジルコニア粒子を含んでいてもよい。さらに、ジルコニア粉末は、イットリア粒子及び/又はイッテルビア粒子を含んでいてもよい。The zirconia powder produced as described above mainly contains yttria and/or ytterbia partially stabilized zirconia particles. The proportion of yttria and/or ytterbia partially stabilized zirconia particles in such zirconia powder is 50% by number or more, preferably 60% by number or more, and may be 70% by number or more, 80% by number or more, 90% by number or more, or 95% by number or more. The zirconia powder may contain fully stabilized zirconia. The zirconia powder may also contain zirconia particles in which yttria and/or ytterbia are not solid-dissolved. Furthermore, the zirconia powder may contain yttria particles and/or ytterbia particles.
このようにして、成形体材料としてのジルコニア粉末を得ることができるが、成形体材料は、このようなジルコニア粉末に限定されるものではない。In this manner, zirconia powder can be obtained as a molding material, but the molding material is not limited to such zirconia powder.
いくつかの態様において、上記ジルコニア粉末にアルミニウム化合物を混合してもよい。アルミニウム化合物は、第1加熱工程S20及び/又は第2加熱工程S30の加熱によりアルミナへと酸化され得る。そのため、アルミニウム化合物の混合量は、該アルミニウム化合物に含まれるアルミニウムが全てアルミナに酸化されると仮定し、上述のジルコニア焼結体におけるアルミナの含有量となるように決定すればよい。アルミニウム化合物としては、アルミナ粉末、アルミナゾル、水和アルミナ、水酸化アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム等を用いることができる。なお、ジルコニア粉末と、アルミニウム化合物とを水等の溶媒に分散させたスラリーとしてもよい。スラリーとした場合には、スラリーを乾燥させることでアルミニウム化合物が好適に分散したジルコニア粉末を得ることができる。In some embodiments, an aluminum compound may be mixed with the zirconia powder. The aluminum compound may be oxidized to alumina by heating in the first heating step S20 and/or the second heating step S30. Therefore, the amount of the aluminum compound to be mixed may be determined so as to be the content of alumina in the above-mentioned zirconia sintered body, assuming that all of the aluminum contained in the aluminum compound is oxidized to alumina. As the aluminum compound, alumina powder, alumina sol, hydrated alumina, aluminum hydroxide, aluminum chloride, aluminum nitrate, aluminum sulfate, etc. may be used. In addition, the zirconia powder and the aluminum compound may be dispersed in a solvent such as water to form a slurry. In the case of forming a slurry, the slurry can be dried to obtain a zirconia powder in which the aluminum compound is suitably dispersed.
アルミニウム化合物の平均粒径は、ジルコニア粉末と同程度、または、それよりも小さいことが好ましい。特に限定されるものではないが、アルミニウム化合物の平均粒径は、例えば、300nm以下が好ましく、200nm以下がより好ましく、150nm以下、100nm以下(例えば20nm~50nm)であってよい。これにより、アルミニウム化合物がジルコニア粉末中へ好適に分散させることができる。そのため、ジルコニア焼結体により均一にアルミナを分布させることができ、好適にジルコニア焼結体の異常粒成長を抑制することができる。The average particle size of the aluminum compound is preferably the same as or smaller than that of the zirconia powder. Although not particularly limited, the average particle size of the aluminum compound is preferably 300 nm or less, more preferably 200 nm or less, and may be 150 nm or less, 100 nm or less (e.g., 20 nm to 50 nm). This allows the aluminum compound to be suitably dispersed in the zirconia powder. Therefore, alumina can be distributed more uniformly in the zirconia sintered body, and abnormal grain growth of the zirconia sintered body can be suitably suppressed.
また、いくつかの態様において、成形体材料は顆粒を含む。顆粒状の成形体材料の平均粒径は、例えば、10μm~100μmであって、20μm~90μm、または40μm~80μmであり得る。成型体材料が顆粒を含むことにより、形状安定性が向上し、取扱性や作業性が向上し得る。加えて、成形時の残留応力が緩和されることでマイクロ波加熱時の粉体粗密差に起因したホットスポットの発生が抑制され得る。また、ここで開示される製造方法では、マイクロ波による加熱によってジルコニアを焼結させるため、粉末よりも平均粒径の大きい顆粒であっても、顆粒内部まで好適に加熱することができる。In some embodiments, the molded body material includes granules. The average particle size of the granular molded body material may be, for example, 10 μm to 100 μm, 20 μm to 90 μm, or 40 μm to 80 μm. When the molded body material includes granules, shape stability is improved, and handling and workability can be improved. In addition, the residual stress during molding is alleviated, and the occurrence of hot spots due to powder density differences during microwave heating can be suppressed. In addition, in the manufacturing method disclosed herein, zirconia is sintered by heating with microwaves, so that even granules with an average particle size larger than that of the powder can be suitably heated to the inside of the granules.
顆粒状の成形体材料の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、ジルコニア粉末を噴霧乾燥(スプレードライ)させることにより製造することができる。なお、かかるジルコニア粉末はアルミニウム化合物が含まれていてもよく、さらに、バインダを含み得る。噴霧乾燥では、ジルコニア粉末と、分散媒(例えば水)とを混合してスラリーを調製し、当該スラリーを液滴上に噴霧して乾燥させることで、顆粒状の成形体材料を得ることができる。The method for producing the granular compact material is not particularly limited, but for example, the granular compact material can be produced by spray drying zirconia powder. The zirconia powder may contain an aluminum compound and may further contain a binder. In the spray drying process, the zirconia powder is mixed with a dispersion medium (e.g., water) to prepare a slurry, which is then sprayed onto droplets and dried to obtain the granular compact material.
バインダとしては、後述する第1加熱工程または第2加熱工程の加熱温度により燃え抜ける成分であるとよい。バインダとしては、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アミン系樹脂、アルキド系樹脂、セルロース系高分子などが挙げられる。なかでも、アクリル系樹脂を含むことが好ましい。アクリル系樹脂を含むことにより、ジルコニア粉末同士の接着性が高まり、ジルコニア顆粒を好適に製造することができる。また、成形された成形体の形状安定性が高まり、成形体を安定的に保持することができる。アクリル系樹脂としては、アルキル(メタ)アクリレートを主モノマー(単量体全体の50質量%以上を占める成分)として含む重合体や、かかる主モノマーと当該主モノマーに共重合性を有する副モノマーとを含む共重合体が挙げられる。なお、本明細書中において「(メタ)アクリレート」とは、アクリレートおよびメタクリレートを意味する用語である。The binder may be a component that burns out at the heating temperature of the first or second heating step described below. Examples of the binder include acrylic resins, epoxy resins, phenolic resins, amine resins, alkyd resins, and cellulose polymers. Among them, it is preferable to include an acrylic resin. By including an acrylic resin, the adhesion between the zirconia powders is increased, and the zirconia granules can be suitably produced. In addition, the shape stability of the molded body is increased, and the molded body can be stably held. Examples of the acrylic resin include a polymer containing an alkyl (meth)acrylate as a main monomer (a component that accounts for 50% by mass or more of the total monomers) and a copolymer containing such a main monomer and a sub-monomer that is copolymerizable with the main monomer. In this specification, "(meth)acrylate" is a term that means acrylate and methacrylate.
バインダの量が多すぎる場合には、バインダが燃え抜けた後、ジルコニア焼結体に空隙が生じやすくなる場合がある。ジルコニア焼結体に空隙が生じると耐水熱劣化性が低下し得る。また、空隙により光が屈折し易くなり、透光性が低下し得る。そのため、バインダの含有量は、噴霧乾燥に用いる粉末全体を100質量%としたとき、例えば、10質量%以下であるとよく、好ましくは5質量%以下である。また、バインダの量が少なすぎると、バインダの効果が不十分となり得る。そのため、バインダの含有量は、例えば、0.5質量%以上であるとよく、1質量%以上であり得る。If the amount of binder is too large, voids may easily occur in the zirconia sintered body after the binder burns through. If voids occur in the zirconia sintered body, the hydrothermal deterioration resistance may decrease. In addition, the voids may cause light to be easily refracted, and the translucency may decrease. Therefore, the binder content may be, for example, 10% by mass or less, and preferably 5% by mass or less, when the entire powder used for spray drying is taken as 100% by mass. Furthermore, if the amount of binder is too small, the effect of the binder may be insufficient. Therefore, the binder content may be, for example, 0.5% by mass or more, and may be 1% by mass or more.
次に、成形工程について説明する。成形体材料を成形する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、加圧成形、射出成形、押出成形、鋳込成形等を採用することができる。加圧成形としては、例えば、冷間静水圧加圧成形(Cold Isostatic Pressing:CIP)、熱間静水圧加圧成形(Hot Isostatic Pressing:HIP)等が好ましく採用される。CIPまたはHIPによれば、均質性が高く、高密度な成形体(成形体)を製造できる。Next, the molding process will be described. The method for molding the molded body material is not particularly limited, and for example, pressure molding, injection molding, extrusion molding, cast molding, etc. can be used. As the pressure molding, for example, cold isostatic pressing (CIP) and hot isostatic pressing (HIP) are preferably used. By using CIP or HIP, a molded body (molded body) with high homogeneity and high density can be produced.
<第1加熱工程S20>
第1加熱工程S20では、成形体を加熱することで成形体を仮焼結し、仮焼結体を得る。かかる加熱により、成形体中に含まれ得る水分、バインダ、不純物等の成分を除去することができ得る。また、仮焼結により、成形体中に存在し得る空隙を低減させることができるため、高温かつ高速の加熱による焼結において生じ得るクラックを好適に防止することができる。仮焼結は、例えば、800℃~1200℃、好ましくは1000℃~1100℃の加熱温度で実施することができる。仮焼結の時間は、成形体の形状、大きさ、組成等により変動し得るため、適宜調整すればよいが、例えば、1.5時間~5時間であってよく、2時間~4時間であり得る。成形体の加熱は、公知方法によって行うことができ、例えば、マッフル炉、電気炉、マイクロ波焼成炉等の加熱装置を用いることができる。
<First heating step S20>
In the first heating step S20, the molded body is heated to pre-sinter the molded body to obtain a pre-sintered body. By this heating, components such as moisture, binder, impurities, etc. that may be contained in the molded body are removed. In addition, since the preliminary sintering can reduce voids that may be present in the molded body, it is possible to suitably prevent cracks that may occur during sintering due to high-temperature and high-speed heating. The preliminary sintering can be carried out at a heating temperature of, for example, 800° C. to 1200° C., preferably 1000° C. to 1100° C. The time of the preliminary sintering varies depending on the shape, size, composition, etc. of the molded body. The heating time may be appropriately adjusted to obtain the desired result, and may be, for example, 1.5 hours to 5 hours, or 2 hours to 4 hours. The molding may be heated by a known method, for example, a muffler. Heating devices such as a furnace, an electric furnace, a microwave furnace, etc. can be used.
成形体の形状は特に限定されず、例えば、板状、円盤状、直方体状、立方体状、柱状等であってよい。The shape of the molded body is not particularly limited and may be, for example, plate-like, disk-like, rectangular, cubic, columnar, etc.
第1加熱工程S20の加熱における昇温速度は、特に限定されるものではないが、例えば、800℃に達するまでを100℃/h~250℃/h、所定温度(例えば、1000℃~1200℃)に達するまでを50℃/h~150℃/hとすることができる。これにより、急激な焼結を防止し、クラックの発生を抑制することができる。 The heating rate in the first heating step S20 is not particularly limited, but can be, for example, 100°C/h to 250°C/h until 800°C is reached, and 50°C/h to 150°C/h until a predetermined temperature (for example, 1000°C to 1200°C) is reached. This makes it possible to prevent rapid sintering and suppress the occurrence of cracks.
<第2加熱工程S30>
第2加熱工程S30では、第1加熱工程S20を経た成形体(仮焼結体)をマイクロ波加熱により焼結させ、焼結物を得る。マイクロ波加熱を行うことで、仮焼結体の内部側を迅速に加熱することができるため、仮焼結体の表面側の焼結の進行と内部側の焼結の進行との差が小さくなり、ジルコニア焼結体の内部の空隙をより低減することができる。以下、図を参照しながら第2加熱工程S30の一実施形態について説明する。なお、マイクロ波加熱の方法は以下の例に限定されるものではない。
<Second heating step S30>
In the second heating step S30, the molded body (preliminary sintered body) that has been subjected to the first heating step S20 is sintered by microwave heating to obtain a sintered product. Since the inside can be heated quickly, the difference in the progress of sintering between the surface side of the pre-sintered body and the inside side is small, and the voids inside the zirconia sintered body are further reduced. Hereinafter, one embodiment of the second heating step S30 will be described with reference to the drawings. Note that the microwave heating method is not limited to the following example.
図2は、仮焼結体をマイクロ波加熱する方法の一例を示す模式図である。なお、図2における寸法関係(長さ、幅、厚みなど)は実際の寸法関係を反映するものではない。上、下、左、右の向きは、図中、U、D、L、Rの矢印でそれぞれ表されている。ここで、上、下、左、右の向きは、説明の便宜上定められているに過ぎず、設置形態を限定するものではない。 Figure 2 is a schematic diagram showing an example of a method for microwave heating a pre-sintered body. Note that the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in Figure 2 do not reflect the actual dimensional relationships. The directions of up, down, left, and right are represented by arrows U, D, L, and R in the figure, respectively. Here, the directions of up, down, left, and right are determined merely for the convenience of explanation and do not limit the installation form.
図2に示すように、マイクロ波加熱装置10は、隔壁12と、加熱空間14とを有している。加熱空間14には、断熱容器20が設置され、断熱容器20の収容空間22にはサセプタ40と、仮焼結体50とが収容されている。また、断熱容器20の収容空間22は、ガス供給機30が接続されている。放射温度計60は、マイクロ波加熱装置10の外側の離れた位置に設置されている。As shown in Figure 2, the
マイクロ波加熱装置10は、隔壁12に囲まれた加熱空間14を有している。加熱空間14は、マイクロ波加熱する対象物を収容する空間である。図示していないが、加熱空間14の側壁、天井及び/又は底壁は、マイクロ波照射部を有しており、加熱空間14に収容された対象物にマイクロ波を照射し、加熱することができる。なお、マイクロ波は、従来マイクロ波加熱に使用されている周波数を有していればよく、例えば、周波数0.3GHz~3GHz(例えば2.45GHz)のマイクロ波を利用することができる。The
隔壁12はマイクロ波加熱装置10の加熱空間14と外部とを断熱しており、市販されているマイクロ波装置を使用することができる。また、断熱性を高める観点から、隔壁12の加熱空間14側に断熱材を裏張りしてもよい。The
隔壁12には、加熱空間14内の対象物の温度を測定するための貫通孔16が設けられている。貫通孔16は、加熱空間14とマイクロ波加熱装置10の外部をつなぐように貫通している。
このような構成を有するマイクロ波加熱装置10としては、例えば、四国計測工業株式会社製のμ-Reactor EXやμ-Reactor Mx等を用いることができる。
The
As the
断熱容器20は、内部にサセプタ40と仮焼結体50とを収容可能な収容空間22を有している。また、図2に示すように、この実施形態では、断熱容器20は、収容空間22とガス供給機30とを接続するためのガス導入孔24と、収容空間22と加熱空間14とを連通するガス排出孔26と、収容空間22内の被加熱物の温度を測定するための貫通孔28とを有している。この実施形態では、断熱容器20は直方体状の箱型容器であるが、その形状は特に限定されず、例えば、円筒状、角柱状等であってよい。また、図示していないが、この実施形態では、断熱容器20は、蓋部分と、ケース部分に分離可能なように設計されており、収容空間22に被加熱物を容易に出し入れ可能なように設計されている。断熱容器20の材質は、例えば、アルミナシリカファイバー等のセラミックファイバーを採用することができる。The
ガス導入孔24は、収容空間22と加熱空間14とを連通する貫通孔であり、ガス供給機30と接続されたポンプ32が挿通できるように設計されている。これにより、収容空間22に所望のガスを供給し、収容空間22内の雰囲気を制御することができる。The
ガス排出孔26は、収容空間22と加熱空間14とを連通する貫通孔であり、収容空間22が密閉されないように設計されている。これにより、仮焼結体50の焼成に進行に伴い、収容空間22の酸素が消費され、収容空間22が還元雰囲気になるのを防ぐことができる。また、ガス排出孔26は、ガス導入孔24から供給されるガスが収容空間22に滞留するのを防止することができる。なお、図2では、ガス排出孔26は1つ設けられているが、複数(2つ以上)設けられていてもよい。また、この実施形態では、ガス排出孔26は、ガス導入孔24が設けられた壁と対向する壁に設けられているが、ガス排出孔26の位置は特に限定されない。ガス排出孔26の直径は、特に限定されるものではないが、例えば、5mm~50mm程度、また例えば、5mm~20mm程度とすることができる。The
図2に示すように、この実施形態では、断熱容器20の上側に、収容空間22と加熱空間14とを連通する貫通孔28が設けられている。また、ここでは、貫通孔28とマイクロ波加熱装置10の貫通孔16とが直線上に並ぶように配置されている。これにより、マイクロ波加熱装置10の外部に設置された放射温度計60によって収容空間22に配置された被加熱物の温度を測定することができる。貫通孔28は、放射温度計60によって被加熱物の温度を測定できる大きさで設けられればよいため、特に限定されるものではないが、例えば、貫通孔28の直径は5mm~10mm程度とすることができる。なお、この実施形態では、ガス排出孔26と貫通孔28とがそれぞれ設けられているが、一つの貫通孔であっても、上述したガス排出孔26と貫通孔28の両者の機能を発揮し得るため、どちらか一方だけが設けられた構成であってもよい。2, in this embodiment, a through
ガス供給機30は、ポンプ32を介して断熱容器20の収容空間22に所望のガスを供給し、収容空間22の雰囲気を調整することができる。ガス供給機30は、所望のガスに合わせて適宜変更され得るものであり、市販されているガス供給機(例えば、酸素供給機)を特に制限なく使用できる。なお、収容空間22を大気雰囲気下に調整する場合には、ガス供給機30として送風機等を採用してもよい。The
仮焼結体50の焼成に伴い、仮焼結体50の周囲の酸素濃度が低下すると、仮焼結体50に含まれるジルコニアが還元される場合がある。これにより、ジルコニア焼結体が黒ずみ、審美性が損なわれ得る。そのため、マイクロ波加熱は、酸化雰囲気下で実施されることが好ましい。酸化雰囲気としては、例えば、大気雰囲気や、大気雰囲気よりも酸素濃度が高い雰囲気が挙げられる。特に、酸素濃度が30vol%以上であることが好ましく、例えば、50vol%以上、70vol%以上であり得る。このような酸化雰囲気下であれば、ジルコニア焼結体の黒ずみをより抑制することができる。なお、雰囲気中の酸素濃度の上限は特に制限されるものではなく、酸素濃度を100vol%以下とすることができるが、酸素濃度が高すぎると、酸素プラズマによる異常加熱が生じる場合がある。そのため、酸素濃度は、例えば、95vol%以下が好ましく、90vol%以下がより好ましい。なお、このような酸化雰囲気への制御は、少なくとも仮焼結体50が設置されている断熱容器20の収容空間22で実施されればよい。When the oxygen concentration around the provisionally sintered
また、仮焼結体50の焼成中は、上記酸化雰囲気へ制御するため、大気または上記酸素濃度を含むガスを収容空間22(詳細には、仮焼結体50)へ供給し続けることが好ましい。これにより、焼成に伴う収容空間22の雰囲気の変動(例えば酸素濃度が低下する等)を抑制することができる。また、図2中に矢印で示されるように、ガス供給機30から供給されるガスは、収容空間22へ流入した後、ガス排出孔26及び/又は貫通孔28から排出される。このような酸素フロー環境を仮焼結体50の周囲に形成することで、酸素プラズマによる異常加熱の発生を抑制することができる。During the firing of the
サセプタ40は、マイクロ波のエネルギーを効率よく熱エネルギーに変換することで、マイクロ波加熱の効率を高めることができる加熱補助部材である。具体的には、サセプタ40は、マイクロ波を吸収することで仮焼結体50よりも素早く高温になるため、熱伝導により仮焼結体50の昇温を補助することができる。仮焼結体50は、高温に達すると、仮焼結体50自身がマイクロ波を吸収し易くなり、マイクロ波吸収体として振舞うことができるようになる。仮焼結体50がマイクロ波を吸収し易くなると、マイクロ波加熱によって仮焼結体50の内部加熱機構が促進され易くなる。これにより、仮焼結体50の内部の焼結が促進され、内部に空隙が残り難くなり、強度と透光性に優れたジルコニア焼結体を製造することができ得る。The
仮焼結体50をより短時間で昇温する観点から、マイクロ波加熱前に仮焼結体50を所定の方向の両側から挟む位置にサセプタ40を配置することが好ましい。例えば、サセプタ40を仮焼結体50の鉛直方向(上下方向)の両側(即ち、上側と下側)に配置する態様、または、仮焼結体50の水平方向の少なくとも一方向の両側に配置する態様等が挙げられる。これにより、仮焼結体50の所定方向の両側の表面がサセプタ40によって加熱されるため、より短時間で仮焼結体50のマイクロ波吸収効率を高めることができる。この結果、マイクロ波加熱による仮焼結体50の内部加熱がより短時間で実現され得るため、ジルコニア焼結体内部の空隙をより低減することができる。なお、配置されるサセプタ40は、典型的には、仮焼結体50の表面に接するように配置されるが、サセプタ40と仮焼結体50の表面との間に隙間があってもよい。かかる隙間は、特に限定されるものではないが、例えば、好ましくは3mm以下、より好ましくは2mm以下、さらに好ましくは1mm以下である。From the viewpoint of raising the temperature of the
また、仮焼結体50はサセプタ40によって密閉されていないことが好ましい。これにより、マイクロ波がサセプタ40に阻害されることなく仮焼結体50へ直接吸収され易くなる。そのため、サセプタが仮焼結体を完全に被包している場合(例えば閉鎖式の箱型のサセプタの内部に仮焼結体を設置する場合)よりも、仮焼結体の内部加熱をより低温域から誘起することができる。この結果、表面からの熱伝導に起因した焼結様態と比較して、ジルコニア焼結体の内部に残留してしまう気孔が低減することができる。また、仮焼結体50がサセプタ40によって密閉されていないことで、仮焼結体50の周囲の酸素が消費されて還元雰囲気になるのを防ぐことができる。
In addition, it is preferable that the
また、仮焼結体50において、サセプタ40が配置される所定の方向とは異なる少なくとも一方向の両側にサセプタ40が設置されていない(開放されている)ことが好ましい。これにより、さらにマイクロ波が仮焼結体50へ直接吸収され易くなり、内部加熱をより低温域から且つより均質に誘起することができる。また、サセプタ40が設置されない一方向が設けられることで、ガス供給機30から供給されるガスの流れ(フロー)の中に仮焼結体50を配置できるため、仮焼結体50の周囲の雰囲気をより好適に制御することができる。
In addition, it is preferable that the
この実施形態では、図2に示すように、仮焼結体50が、2枚の板状のサセプタ40によって上下方向から挟持されており、仮焼結体50の水平方向はサセプタ40によって覆われていない。かかる構成では、仮焼結体50の水平方向のいずれにもサセプタ40が配置されていないため、特に、マイクロ波が仮焼結体50へ吸収され易くなり、内部の空隙が低減されたジルコニア焼結体を製造し易くなる。In this embodiment, as shown in Fig. 2, the
サセプタ40としては、炭化ケイ素(SiC)を主成分とするSiCサセプタが好ましく採用される。ここで、「SiCを主成分とする」とは、サセプタ40を構成する化合物において、SiCが50質量%以上を占めるものをいう。SiCサセプタとしては、例えば、単結晶SiC、再結晶SiC、反応焼結SiC、窒化物結合SiC、酸化物結合SiC、炭化ケイ素繊維等が挙げられる。また、マイクロ波吸収効率を高める観点から、このなかでも比較的気孔率の高い材料である、再結晶SiC、炭化ケイ素繊維を好ましく用いることができる。また、このなかでも再結晶SiCは耐熱性に優れているため、再結晶SiCを特に好ましく用いることができる。さらに、再結晶SiCにおいても、緻密な再結晶SiCではマイクロ波吸収効率が低下する場合があるため、再結晶SiCの気孔率は、例えば10%~90%であるとよく、好ましくは10%~30%である。なお、気孔率は、従来公知の方法で測定することができ、例えば、水銀圧入法によって測定することができる。As the
サセプタ40が板状である場合、1枚あたりの厚みは、例えば1mm~4mmであることが好ましく、2mm~3mmがより好ましい。サセプタ40が薄すぎると、サセプタの強度が下がり得る。また、サセプタ40が厚すぎると、サセプタ40が加熱され難く、昇温速度が遅くなり得る。そのため、上記厚みの範囲であれば、サセプタ40の強度と、サセプタ40の昇温速度の両者のバランスが好適となる。これにより、より好適にジルコニア焼結体の内部の空隙を低減することができる。
When the
図2に示す実施形態では、仮焼結体50の上下にそれぞれ1枚ずつ板状のサセプタ40が配置されているが、板状のサセプタ40の場合、複数(2以上)であれば、その数は特に限定されない。例えば、サセプタ40を仮焼結体50の上側と下側それぞれで2枚以上重ねてもよい。また、仮焼結体50の上側と下側とで異なる枚数のサセプタ40を使用してもよい。In the embodiment shown in FIG. 2, one plate-shaped
なお、本実施形態では、サセプタ40は板状であったが、サセプタ40は仮焼結体50の所定方向の両側に配置されれば特に限定されない。例えば、一対の対向面に貫通孔が設けられた箱型(例えば、六面体形状)のサセプタ、柱体状のサセプタ(例えば、円筒状、角柱状)等が挙げられる。In this embodiment, the
放射温度計60は、非接触で対象物の温度を測定することができる。図2に示すように、この実施形態では、放射温度計60は、マイクロ波加熱装置10と離れた位置に設置されており、仮焼結体50の上側のサセプタ40の表面温度を測定している。本明細書において、第2加熱工程S30におけるマイクロ波加熱における加熱温度、および、後述の冷却工程S40で降温速度の算出に用いられる温度は、放射温度計60で計測された温度のことをいう。なお、マイクロ波加熱による温度変化をより正確に測定する観点から、クランプ等によって放射温度計60を所定の位置を固定することが好ましい。放射温度計60としては、例えば、Optris社製のOPTCTRF1MHSFVFC3センサ(疑似放射率設定1.0)を使用することができる。The
マイクロ波加熱は、例えば、1600℃以上(例えば1600℃超)であるとよく、1630℃以上が好ましく、1650℃以上がより好ましく、1700℃以上(例えば、1700℃超)がさらに好ましく、1720℃以上が特に好ましい。特にメカニズムが限定されるものではないが、マイクロ波加熱の温度を1600℃以上の高温に設定することにより、ジルコニア焼結体の内部に生じ得る空隙を抑制した緻密な焼結体が製造される。また、ジルコニア焼結体の結晶相において、結晶相のばらつきが低減され、結晶粒界の不連続性が低減され得る。これにより、ジルコニア焼結体を通過する光が、結晶の界面で反射や屈折し難くなるため、透光性が向上すると推定される。
また、特に限定されるものではないが、加熱装置の耐熱性等の観点から、マイクロ波加熱は、例えば、2000℃以下とするのが適当であり、1900℃以下、1800℃以下、1750℃以下、または1730℃以下とすることができる。マイクロ波加熱の保持時間は、仮焼結体50の形状、大きさ、組成等によって適宜変更されるが、例えば、1分~20分程度、また例えば1分~10分程度とすることができる。なお、ここでいう保持時間には、上記マイクロ加熱温度に達するまでの昇温時間を含めないものとする。
The microwave heating temperature is preferably 1600°C or higher (e.g., over 1600°C), more preferably 1630°C or higher, more preferably 1650°C or higher, even more preferably 1700°C or higher (e.g., over 1700°C), and particularly preferably 1720°C or higher. Although the mechanism is not particularly limited, by setting the microwave heating temperature to a high temperature of 1600°C or higher, a dense sintered body is produced in which voids that may occur inside the zirconia sintered body are suppressed. In addition, in the crystal phase of the zirconia sintered body, the variation of the crystal phase can be reduced, and the discontinuity of the grain boundaries can be reduced. As a result, it is estimated that the light passing through the zirconia sintered body is less likely to be reflected or refracted at the crystal interface, thereby improving the translucency.
In addition, although not particularly limited, from the viewpoint of the heat resistance of the heating device, the microwave heating is suitably performed at, for example, 2000°C or less, and can be performed at 1900°C or less, 1800°C or less, 1750°C or less, or 1730°C or less. The holding time of the microwave heating is appropriately changed depending on the shape, size, composition, etc. of the provisionally sintered
マイクロ波加熱の加熱方式は、特に限定されず、例えば、シングルモード、マルチモードのどちらも使用することができるが、好ましくはマルチモードが採用される。シングルモードでは、仮焼結体50の配置位置、大きさ等により、仮焼結体50にプラズマが生じる可能性があり、ジルコニア焼結体に割れが生じる場合がある。一方で、マルチモードでは、加熱空間14内の電磁界の集中が抑制されるため、プラズマが生じにくくなる。これにより、ジルコニア焼結体の割れの発生が抑制され得る。The microwave heating method is not particularly limited, and for example, either single mode or multi-mode can be used, but multi-mode is preferably adopted. In single mode, plasma may be generated in the
マイクロ波加熱の昇温速度は、仮焼結体の形状、大きさ、組成等によって適宜変更されるため、特に限定されるものではない。例えば、1000℃~1100℃に達するまでの昇温速度を500℃/min~900℃/min、好ましくは500℃/min~700℃/minとすることができる。これにより、ジルコニア焼結体をより短時間で製造できる。その後、1100℃~1200℃に達するまでは、例えば、昇温速度を10℃/min~50℃/min、好ましくは15℃/min~25℃/minとすることができる。これにより、ジルコニアの急激な焼結によるクラックの発生を低減することができ得る。その後、1600℃~2000℃程度に達するまでは、例えば、昇温速度を40℃/min~100℃/min、好ましくは40℃/min~60℃/minとすることができる。これにより、仮焼結体の焼結の進行が適切に制御され、より透光性および耐水熱劣化性に優れたジルコニア焼結体を製造することができ得る。The heating rate of microwave heating is not particularly limited, as it is appropriately changed depending on the shape, size, composition, etc. of the pre-sintered body. For example, the heating rate until reaching 1000°C to 1100°C can be 500°C/min to 900°C/min, preferably 500°C/min to 700°C/min. This allows the zirconia sintered body to be manufactured in a shorter time. Thereafter, until reaching 1100°C to 1200°C, for example, the heating rate can be 10°C/min to 50°C/min, preferably 15°C/min to 25°C/min. This can reduce the occurrence of cracks due to rapid sintering of zirconia. Thereafter, until reaching about 1600°C to 2000°C, for example, the heating rate can be 40°C/min to 100°C/min, preferably 40°C/min to 60°C/min. This allows the progress of sintering of the provisionally sintered body to be appropriately controlled, making it possible to produce a zirconia sintered body having better translucency and resistance to hydrothermal degradation.
仮焼結体50の形状は、特に限定されるものではないが、より均一にマイクロ波による焼結を行う観点から、例えば、円盤状であることが好ましい。仮焼結体50の厚みは、例えば、0.5mm~10mmであることが好ましく、0.5mm~2mmがより好ましい。かかる範囲であれば、仮焼結体50の強度を保ちつつ、効率的にマイクロ波による焼結を実施することができる。また、仮焼結体50の最大径は、例えば、10mm~60mmが好ましく、10mm~20mmがより好ましい。かかる範囲であれば、より均一にマイクロ波による焼結を行うことができる。
The shape of the
<冷却工程S40>
冷却工程S40では、第2加熱工程S30を経た成形体を1300℃まで急速に冷却する。冷却工程S40は、第2加熱工程S30においてマイクロ波加熱された成形体が所定の温度(例えば1600℃~2000℃)まで昇温・保持された後に実施される工程であり、典型的には、マイクロ波加熱から連続的に実施される。このような急速冷却により、ここで開示されるジルコニア焼結体を得ることができる。
<Cooling step S40>
In the cooling step S40, the molded body that has been subjected to the second heating step S30 is rapidly cooled to 1300°C. The cooling step S40 is a step that is performed after the molded body that has been microwave-heated in the second heating step S30 is heated to and maintained at a predetermined temperature (for example, 1600°C to 2000°C), and is typically performed continuously from the microwave heating. By such rapid cooling, the zirconia sintered body disclosed herein can be obtained.
成形体を1300℃まで冷却する際の降温速度は、例えば、50℃/min以上であって、好ましくは100℃/min以上、より好ましくは200℃/min以上である。冷却速度が速いほど、耐水熱劣化性を向上させることができる。降温速度の上限は、特に限定されるものではないが、例えば、1000℃/min以下、500℃/min以下であり得る。冷却方法としては、上述の範囲の降温速度を実現できる限りにおいて特に限定されるものではないが、例えば、マイクロ波照射の制御、自然放冷、送風等が挙げられる。なお、冷却工程S40において、第2加熱工程S30でガス供給機30からの酸素を含むガスの供給を行っていた場合には、当該ガスの供給を続けてもよく、停止してもよい。本発明者の検討によれば、降温中に当該ガスの供給を停止することで、ジルコニア焼結体がより安定して製造され易くなり得る。
本明細書において、冷却工程S40における「降温速度」とは、降温が開始した時から1300℃に達するまでの平均降温速度のことをいう。
The cooling rate when cooling the molded body to 1300 ° C. is, for example, 50 ° C. / min or more, preferably 100 ° C. / min or more, more preferably 200 ° C. / min or more. The faster the cooling rate, the more the hydrothermal deterioration resistance can be improved. The upper limit of the temperature drop rate is not particularly limited, but may be, for example, 1000 ° C. / min or less, 500 ° C. / min or less. The cooling method is not particularly limited as long as it can realize the temperature drop rate in the above range, but examples include control of microwave irradiation, natural cooling, and air blowing. In addition, in the cooling step S40, if a gas containing oxygen was supplied from the
In this specification, the "temperature decreasing rate" in the cooling step S40 refers to the average temperature decreasing rate from when the temperature decrease starts until the temperature reaches 1300°C.
上述のとおり、ここで開示される製造方法により、マイクロ波加熱によって成形体を焼結させるため、内部の空隙が少なく、緻密なジルコニア焼結体を得ることができ得る。さらに、マイクロ波加熱を行うことで、マイクロ波加熱装置の加熱空間自体の温度は成形体およびサセプタほど高くならないため、上述したような降温速度での急速冷却が可能となり、ジルコニア焼結体の単位格子のc/a軸長比が1.0055以上1.010未満の範囲内にある結晶相の割合を高めることができる。その結果、透光性および耐水熱劣化性に優れたジルコニア焼結体が実現される。As described above, the manufacturing method disclosed herein sinters the molded body by microwave heating, so that a dense zirconia sintered body with few internal voids can be obtained. Furthermore, by performing microwave heating, the temperature of the heating space itself of the microwave heating device does not become as high as that of the molded body and the susceptor, so that rapid cooling at the above-mentioned temperature drop rate is possible, and the proportion of crystalline phases in which the c/a axial length ratio of the unit lattice of the zirconia sintered body is in the range of 1.0055 or more and less than 1.010 can be increased. As a result, a zirconia sintered body with excellent translucency and resistance to hydrothermal degradation is realized.
優れた透光性および耐水熱劣化性が実現される理由は、特に限定されるものではないが、以下のように推定される。
従来の加熱空間自体が高温となる加熱炉で焼結された成形体では、焼結後の降温速度が緩やかであるため、単位格子のc/a軸長比が1.012超1.017以下の範囲内にある結晶相(例えば正方晶)と単位格子のc/a軸長比が1以上1.0055未満の範囲内にある結晶相(例えば立方晶)とが混在して存在しており、イットリウム濃度が局所的に偏析する傾向にある。一般に、かかる偏析が起因となり、ジルコニア焼結体の水熱劣化が誘起されると考えられている。その一方で、本技術では、マイクロ波による焼結後に急速冷却を行うことで、イットリウムの偏析が抑制されると推測される。その結果、従来では単位格子のc/a軸長比が1以上1.0055未満の範囲内にある結晶相(例えば立方晶)として析出していた相が、単位格子のc/a軸長比が1.0055以上1.010未満の範囲内にある結晶相(例えば準安定正方晶)または単位格子のc/a軸長比が1.012超1.017以下の範囲内にある結晶相(例えば正方晶)として析出し、従来よりも均質な結晶構造が実現されていると考えられる。均質な結晶構造では、水熱劣化が誘起され難く、結晶界面での光の反射および屈折が抑制される。また、マイクロ波加熱により、空隙が少なく緻密性の高いジルコニア焼結体が実現されるため、水がジルコニア焼結体内部に侵入しづらくなる。以上のことから、ここで開示されるジルコニア焼結体は、優れた透光性および耐水熱劣化性を有すると推測される。
The reason why excellent light transmittance and resistance to hydrothermal deterioration are realized is not particularly limited, but is presumed to be as follows.
In a conventional molded body sintered in a heating furnace where the heating space itself is at a high temperature, the cooling rate after sintering is slow, so that a crystal phase (e.g., tetragonal) in which the c/a axial length ratio of the unit lattice is in the range of more than 1.012 and not more than 1.017 and a crystal phase (e.g., cubic) in which the c/a axial length ratio of the unit lattice is in the range of 1 or more and less than 1.0055 are mixed and the yttrium concentration tends to segregate locally. In general, it is believed that such segregation induces hydrothermal deterioration of the zirconia sintered body. On the other hand, in this technology, it is presumed that the segregation of yttrium is suppressed by performing rapid cooling after sintering by microwaves. As a result, a phase that was previously precipitated as a crystal phase (e.g., cubic) in which the c/a axial length ratio of the unit lattice is in the range of 1 or more and less than 1.0055 is precipitated as a crystal phase (e.g., metastable tetragonal) in which the c/a axial length ratio of the unit lattice is in the range of 1.0055 or more and less than 1.010, or a crystal phase (e.g., tetragonal) in which the c/a axial length ratio of the unit lattice is in the range of more than 1.012 and 1.017 or less, and it is considered that a more homogeneous crystal structure than the conventional one is realized. In a homogeneous crystal structure, hydrothermal deterioration is unlikely to be induced, and reflection and refraction of light at the crystal interface are suppressed. In addition, microwave heating realizes a zirconia sintered body with few voids and high density, so that water is unlikely to penetrate into the zirconia sintered body. From the above, it is presumed that the zirconia sintered body disclosed here has excellent light transmittance and hydrothermal deterioration resistance.
ここで開示されるジルコニア焼結体では、結晶相の全体を100質量%としたとき、単位格子のc/a軸長比が1.0055以上1.010未満の範囲内にある結晶相の割合が、例えば、10質量%以上であって、好ましくは15質量%以上、より好ましくは20質量%以上である。かかる割合の上限は、特に限定されるものではないが、例えば、50質量%以下、40質量%以下、30質量%以下、または25質量%以下であり得る。かかる結晶相の割合が10質量%以上であれば、透光性および耐水熱劣化性が向上する傾向にある。In the zirconia sintered body disclosed herein, when the entire crystal phase is taken as 100 mass%, the proportion of the crystal phase in which the c/a axial length ratio of the unit lattice is in the range of 1.0055 or more and less than 1.010 is, for example, 10 mass% or more, preferably 15 mass% or more, and more preferably 20 mass% or more. The upper limit of such a proportion is not particularly limited, but may be, for example, 50 mass% or less, 40 mass% or less, 30 mass% or less, or 25 mass% or less. If the proportion of such a crystal phase is 10 mass% or more, the translucency and resistance to hydrothermal degradation tend to be improved.
いくつかの態様において、結晶相の全体を100質量%としたとき、単位格子のc/a軸長比が1.007以上1.010未満の範囲にある結晶相の割合が、例えば、10質量%以上であって、好ましくは15質量%以上、より好ましくは20質量%以上である。かかる割合の上限は、特に限定されるものではないが、例えば、50質量%以下、40質量%以下、30質量%以下、または25質量%以下であり得る。かかる範囲のc/a軸長比を有することで、耐水熱劣化性がより向上し得る。In some embodiments, when the entire crystal phase is taken as 100% by mass, the proportion of the crystal phase in which the c/a axial length ratio of the unit cell is in the range of 1.007 or more and less than 1.010 is, for example, 10% by mass or more, preferably 15% by mass or more, and more preferably 20% by mass or more. The upper limit of such a proportion is not particularly limited, but may be, for example, 50% by mass or less, 40% by mass or less, 30% by mass or less, or 25% by mass or less. By having a c/a axial length ratio in such a range, the hydrothermal degradation resistance may be further improved.
ここで開示されるジルコニア焼結体では、結晶相の全体を100質量%としたとき、単位格子のc/a軸長比が、1.0055以上1.010未満の範囲にある結晶相と、1.012超1.017以下の範囲である結晶相との合計割合が、例えば75質量%以上であって、好ましくは85質量%以上、より好ましくは95質量%以上、特に好ましくは98質量%以上、さらには100質量%であり得る。かかる割合が高いほど、結晶構造の均質性が向上し得るため、より優れた透光性および耐水熱劣化性が実現される。In the zirconia sintered body disclosed herein, when the entire crystal phase is taken as 100 mass%, the total ratio of the crystal phase in which the c/a axial length ratio of the unit cell is in the range of 1.0055 to less than 1.010 and the crystal phase in which the c/a axial length ratio is in the range of more than 1.012 to 1.017 may be, for example, 75 mass% or more, preferably 85 mass% or more, more preferably 95 mass% or more, particularly preferably 98 mass% or more, or even 100 mass%. The higher this ratio, the more homogeneity of the crystal structure can be improved, and therefore better translucency and resistance to hydrothermal degradation can be achieved.
ここで開示されるジルコニア焼結体では、結晶相の全体を100質量%としたとき、単位格子のc/a軸長比が1以上1.0055未満の範囲内にある結晶相の割合が、例えば、25質量%以下であって、より好ましくは15質量%以下、さらに好ましくは5質量%以下、特に好ましくは2質量%以下、さらには0質量%(含まない、または、検出限界以下)であり得る。かかる割合が低いほど、イットリウム及び/又はイッテルビウムの偏析が抑制され、より優れた透光性および耐水熱劣化性が実現され得る。In the zirconia sintered body disclosed herein, when the entire crystal phase is taken as 100 mass%, the proportion of the crystal phase in which the c/a axial length ratio of the unit lattice is in the range of 1 or more and less than 1.0055 may be, for example, 25 mass% or less, more preferably 15 mass% or less, even more preferably 5 mass% or less, particularly preferably 2 mass% or less, or even 0 mass% (not included or below the detection limit). The lower this proportion, the more the segregation of yttrium and/or ytterbium is suppressed, and better translucency and resistance to hydrothermal degradation can be achieved.
ここで開示されるジルコニア焼結体では、134℃の熱水中に6時間浸漬させる水熱劣化試験後の単斜晶の割合が、例えば5%以下であって、好ましくは2%以下、より好ましくは1%以下、特に好ましくは0.5%以下である。なお、水熱劣化試験は、表面を鏡面研磨したジルコニア焼結体を高圧マイクロリアクター(オーエムラボテック社製、MMS―500)を用いて134℃の熱水中に6時間浸漬することで実施することができる。また、単斜晶の割合は、水熱劣化試験後のジルコニア焼結体の研磨面のX線回折パターンを取得することで測定することができる。In the zirconia sintered body disclosed herein, the proportion of monoclinic crystals after a hydrothermal degradation test in which the body is immersed in hot water at 134°C for 6 hours is, for example, 5% or less, preferably 2% or less, more preferably 1% or less, and particularly preferably 0.5% or less. The hydrothermal degradation test can be performed by immersing a zirconia sintered body with a mirror-polished surface in hot water at 134°C for 6 hours using a high-pressure microreactor (MMS-500, manufactured by O-M Labotec Co., Ltd.). The proportion of monoclinic crystals can be measured by obtaining an X-ray diffraction pattern of the polished surface of the zirconia sintered body after the hydrothermal degradation test.
ここで開示されるジルコニア焼結体の透光性は、例えば、全光線透過率が44%以上であり、好ましくは44.5%以上、より好ましくは45%以上、さらに好ましくは46%以上である。また、特に限定されるものではないが、全光線透過率は、例えば、60%以下であり得る。なお、本明細書において「全光線透過率」とは、厚さ1mmの円盤状の試験片の厚さ方向におけるD65光源に対する全光線透過率のことをいう。The translucency of the zirconia sintered body disclosed herein is, for example, a total light transmittance of 44% or more, preferably 44.5% or more, more preferably 45% or more, and even more preferably 46% or more. Although not particularly limited, the total light transmittance may be, for example, 60% or less. In this specification, "total light transmittance" refers to the total light transmittance for a D65 light source in the thickness direction of a disk-shaped test piece having a thickness of 1 mm.
上述のとおり、ここで開示されるジルコニア焼結体は、優れた透光性と優れた耐水熱劣化性とを兼ね備えているため、例えば、歯科材料に好適に用いることができる。歯科材料としては、例えば、前歯用義歯、奥歯用義歯等の義歯、義歯ミルブランク、歯科矯正ブラケット、歯科補綴物、ブリッジ等が挙げられる。As described above, the zirconia sintered body disclosed herein has both excellent translucency and excellent resistance to hydrothermal deterioration, and can therefore be suitably used, for example, as a dental material. Examples of dental materials include dentures such as front teeth dentures and back teeth dentures, denture mill blanks, orthodontic brackets, dental prostheses, bridges, and the like.
以上の通り、ここで開示される技術の具体的な態様として、以下の各項に記載のものが挙げられる。
項1:
ジルコニア焼結体の製造方法であって、以下の工程:
ジルコニアと、イットリア及び/又はイッテルビアとを含む成形体であって、ジルコニアと、イットリアと、イッテルビアとの合計を100mol%としたとき、イットリアとイッテルビアとの合計割合が3mol%以上4mol%未満である成形体を準備する成形体準備工程;
上記成形体を800℃以上1200℃以下で加熱する第1加熱工程;
上記第1加熱工程を経た上記成形体をマイクロ波加熱により1600℃以上2000℃以下で加熱する第2加熱工程;および
上記第2加熱工程を経た上記成形体を50℃/min以上の速さで1300℃まで降温する冷却工程;
を包含する、ジルコニア焼結体の製造方法。
項2:上記マイクロ波加熱の加熱方式が、マルチモードである、項1に記載の製造方法。
項3:上記第2加熱工程において、上記マイクロ波加熱を酸化雰囲気下で実施する、項1または2に記載の製造方法。
項4:上記第2加熱工程において、上記マイクロ波加熱を酸素濃度が30vol%以上100vol%以下の雰囲気下で実施する、項3に記載の製造方法。
項5:上記第2加熱工程において、SiCサセプタを上記成形体の所定の方向の両側から挟むように配置する、項1~4のいずれか一項に記載の製造方法。
項6:上記成形体準備工程において、ジルコニアを有する顆粒を含む材料を成形して上記成形体を準備する、項1~5のいずれか一項に記載の製造方法。
項7:
ジルコニアと、イットリア及び/又はイッテルビアとを含むジルコニア焼結体であって、
ジルコニアと、イットリアと、イッテルビアとの合計を100mol%としたとき、イットリアとイッテルビアとの合計割合は3mol%以上4mol%未満であり、
結晶相の全体を100質量%としたとき、単位格子のc/a軸長比が1.0055以上1.010未満の範囲内にある結晶相の割合が10質量%以上である、
ジルコニア焼結体。
項8:結晶相の全体を100質量%としたとき、単位格子のc/a軸長比が1.007以上1.010未満の範囲内にある結晶相の割合が10質量%以上である、項7に記載のジルコニア焼結体。
項9:134℃の熱水中に6時間浸漬させた後の単斜晶の割合が10%以下である、項7または8に記載のジルコニア焼結体。
項10:結晶相の全体を100質量%としたとき、単位格子のc/a軸長比が、1以上1.0055未満の範囲内にある結晶相の割合が20質量%以下である、項7~9のいずれか一項に記載のジルコニア焼結体。
項11:厚さ1mmの試験片の厚さ方向におけるD65光源に対する全光線透過率が44%以上である、項7~10のいずれか一項に記載のジルコニア焼結体。
項12:項7~11のいずれか一項に記載のジルコニア焼結体を含む、歯科材料。
項13:義歯、義歯ミルブランク、または歯科矯正ブラケットである、項12に記載の歯科材料。
As described above, specific aspects of the technology disclosed herein include those described in the following sections.
Item 1:
A method for producing a zirconia sintered body, comprising the following steps:
a molded body preparation step of preparing a molded body containing zirconia and yttria and/or ytterbia, in which the total ratio of yttria and ytterbia is 3 mol % or more and less than 4 mol % when the total of zirconia, yttria, and ytterbia is 100 mol %;
a first heating step of heating the compact at 800° C. or more and 1200° C. or less;
a second heating step of heating the molded body having undergone the first heating step at 1600° C. or more and 2000° C. or less by microwave heating; and a cooling step of lowering the temperature of the molded body having undergone the second heating step to 1300° C. at a rate of 50° C./min or more.
The method for producing a zirconia sintered body includes the steps of:
Item 2: The manufacturing method according to Item 1, wherein the microwave heating is performed in a multi-mode manner.
Item 3: The method according to Item 1 or 2, wherein in the second heating step, the microwave heating is carried out in an oxidizing atmosphere.
Item 4: The manufacturing method according to Item 3, wherein in the second heating step, the microwave heating is carried out in an atmosphere having an oxygen concentration of 30 vol% or more and 100 vol% or less.
Item 5: The manufacturing method according to any one of items 1 to 4, wherein in the second heating step, SiC susceptors are arranged to sandwich the molded body from both sides in a predetermined direction.
Item 6: The manufacturing method according to any one of Items 1 to 5, wherein in the compact preparation step, a material containing zirconia-containing granules is molded to prepare the compact.
Clause 7:
A zirconia sintered body containing zirconia and yttria and/or ytterbia,
When the total of zirconia, yttria, and ytterbia is 100 mol %, the total ratio of yttria and ytterbia is 3 mol % or more and less than 4 mol %,
When the entire crystal phase is taken as 100 mass%, the proportion of the crystal phase having a c/a axial length ratio of the unit lattice in the range of 1.0055 or more and less than 1.010 is 10 mass% or more.
Zirconia sintered body.
Item 8: When the entire crystal phase is taken as 100 mass%, the proportion of the crystal phase having a unit lattice c / a axial length ratio in the range of 1.007 or more and less than 1.010 is 10 mass% or more. The zirconia sintered body according to item 7.
Item 9: The zirconia sintered body according to item 7 or 8, wherein the proportion of monoclinic crystals after immersion in hot water at 134 ° C. for 6 hours is 10% or less.
Item 10: When the entire crystal phase is 100 mass%, the proportion of the crystal phase having a c / a axial length ratio of the unit lattice in the range of 1 to less than 1.0055 is 20 mass% or less. The zirconia sintered body according to any one of items 7 to 9.
Item 11: The zirconia sintered body according to any one of items 7 to 10, wherein the total light transmittance to a D65 light source in the thickness direction of a 1 mm thick test piece is 44% or more.
Item 12: A dental material comprising the zirconia sintered body according to any one of items 7 to 11.
Item 13: The dental material according to
以下、ここで開示される技術に関する実施例を説明するが、かかる実施例はここで開示される技術を限定することを意図したものではない。 Below, we describe examples of the technology disclosed herein, but these examples are not intended to limit the technology disclosed herein.
(例1)
オキシ塩化ジルコニウム溶液を加水分解反応させて生成したジルコニアゾルに対し、塩化イットリウムを混合した。なお、塩化イットリウムをイットリア換算したとき、ジルコニアとイットリアとの合計を100mol%として、イットリアが3.3mol%となるように塩化イットリウムを混合した。かかる混合物を乾燥させた後、1120℃、4時間仮焼し、部分安定化ジルコニア粉末を得た。かかるジルコニア粉末を直径1mmのジルコニアボールを用いたボールミルで粉砕後、メッシュ篩により選別し、成形体材料として平均粒径150nm~200nmのジルコニア粉末を得た。このジルコニア粉末を円盤状の金型に充填し、0.78MPaの圧力を加えた後、金型から成形体を取り出し、かかる成形体に対して196MPaのCIP成形を行った。その後、得られた成形体を1100℃で2時間加熱し、仮焼結体を得た。このときの昇温速度が800℃までを120℃/h、1100℃までを100℃/hとなるように実施した。
(Example 1)
The zirconia sol produced by hydrolysis of the zirconium oxychloride solution was mixed with yttrium chloride. When the yttrium chloride was converted to yttria, the total of zirconia and yttria was 100 mol%, and yttrium chloride was mixed so that yttria was 3.3 mol%. After drying the mixture, it was calcined at 1120°C for 4 hours to obtain a partially stabilized zirconia powder. The zirconia powder was pulverized in a ball mill using zirconia balls with a diameter of 1 mm, and then selected with a mesh sieve to obtain a zirconia powder with an average particle size of 150 nm to 200 nm as a compact material. The zirconia powder was filled into a disk-shaped mold, and a pressure of 0.78 MPa was applied, after which the molded body was removed from the mold, and the molded body was subjected to CIP molding at 196 MPa. The obtained molded body was then heated at 1100°C for 2 hours to obtain a provisionally sintered body. The heating rate was 120°C/h up to 800°C and 100°C/h up to 1100°C.
仮焼結体を厚さ2mmの板状SiCサセプタの上に載せ、さらに、仮焼結体の上に厚さ2mmの板状SiCサセプタを載せた状態で、断熱容器内に収容した。なお、断熱容器は、図2に示す断熱容器20と同様の構成のものを使用した。そして、断熱容器をマイクロ波加熱装置内に設置した。SiCサセプタは、再結晶SiCを用いた。マイクロ波加熱装置は、四国計測工業株式会社製のμ-Reactor EXを使用した。The pre-sintered body was placed on a 2 mm thick plate-shaped SiC susceptor, and the 2 mm thick plate-shaped SiC susceptor was placed on the pre-sintered body and placed in a thermal insulation container. The thermal insulation container used had the same structure as the
次に、ガス供給機としてM1O2 silent(株式会社神戸メディケア製)を用いて、断熱容器内に酸素濃度90vol%のガスを供給した。そして、ガスを供給しながら、マイクロ波加熱を開始し、1000℃までを600℃/min、1100℃までを20℃/min、1730℃までを50℃/minとなるように昇温し、1730℃で1分間維持した。その後、10℃/minの降温速度で1300℃まで降温し、1300℃に達したタイミングでマイクロ波加熱装置の電源を切って降温させた。なお、降温時には、上記ガスの供給を停止した。このようにして、例1のジルコニア焼結体を製造した。なお、マイクロ波加熱方式はマルチモードとした。また、温度測定には、Optris社製のOPTCTRF1MHSFVFC3センサを使用し、仮焼結体の上側のSiCサセプタの温度を測定した。Next, gas with an oxygen concentration of 90 vol% was supplied into the insulated container using M1O2 silent (manufactured by Kobe Medicare Co., Ltd.) as a gas supplying machine. Then, while supplying gas, microwave heating was started, and the temperature was raised to 1000°C at 600°C/min, 1100°C at 20°C/min, and 1730°C at 50°C/min, and maintained at 1730°C for 1 minute. After that, the temperature was lowered to 1300°C at a temperature lowering rate of 10°C/min, and when it reached 1300°C, the microwave heating device was turned off to lower the temperature. Note that the supply of the gas was stopped when the temperature was lowered. In this way, the zirconia sintered body of Example 1 was manufactured. Note that the microwave heating method was multi-mode. In addition, an OPTCTRF1MHSFVFC3 sensor manufactured by Optris was used for temperature measurement, and the temperature of the SiC susceptor on the upper side of the provisional sintered body was measured.
(例2)
例1の製造方法から、マイクロ波加熱後の1300℃までの降温速度を50℃/minに変更した。これ以外は例1と同様にして例2のジルコニア焼結体を製造した。
(Example 2)
The rate of temperature drop to 1,300° C. after microwave heating was changed to 50° C./min from the production method of Example 1. A zirconia sintered body of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except for this.
(例3)
例1の製造方法から、マイクロ波加熱後の1300℃までの降温速度を100℃/minに変更した。これ以外は例1と同様にして例3のジルコニア焼結体を製造した。
(Example 3)
The rate of temperature drop to 1,300° C. after microwave heating was changed to 100° C./min from the production method of Example 1. A zirconia sintered body of Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except for this.
(例4)
例1の製造方法から、マイクロ波加熱後の1300℃までの降温速度を200℃/minに変更した。これ以外は例1と同様にして例4のジルコニア焼結体を製造した。
(Example 4)
The rate of temperature drop to 1,300° C. after microwave heating was changed to 200° C./min from the production method of Example 1. A zirconia sintered body of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1 except for this.
(例5)
例1の製造方法のうち、マイクロ波による加熱を電気炉による加熱に変更した。具体的には、仮焼結体を120℃/hの速度で1500℃に昇温して、120分間保持した後、5℃/minの速度で降温した。これら以外の操作は例1と同様にして、例5のジルコニア焼結体を製造した。
(Example 5)
In the manufacturing method of Example 1, the heating by microwave was changed to heating by an electric furnace. Specifically, the temperature of the pre-sintered body was raised to 1500°C at a rate of 120°C/h, held for 120 minutes, and then lowered at a rate of 5°C/min. The zirconia sintered body of Example 5 was manufactured in the same manner as in Example 1 except for these operations.
(例6)
例4の製造方法のうち、ジルコニア粉末中のイットリアが3.9mol%となるように塩化イットリウムを混合するよう変更し、平均粒径150nm~200nmのジルコニア粉末を得た。かかるジルコニア粉末に、バインダとしてポリアクリル系バインダを全体の3質量%となるように混合した。かかる混合物を分乾燥により顆粒状とし、平均粒径70μmのジルコニア顆粒を得た。かかるジルコニア顆粒を成形体材料とし、例4と同様にして例6のジルコニア焼結体を製造した。ただし、マイクロ波加熱による焼結温度を1730℃から1630℃へと変更した。
(Example 6)
The manufacturing method of Example 4 was modified by mixing yttrium chloride so that the yttria in the zirconia powder was 3.9 mol%, and a zirconia powder with an average particle size of 150 nm to 200 nm was obtained. A polyacrylic binder was mixed into the zirconia powder as a binder so that the binder was 3 mass% of the total. The mixture was granulated by partial drying to obtain zirconia granules with an average particle size of 70 μm. The zirconia granules were used as a molded body material, and the zirconia sintered body of Example 6 was manufactured in the same manner as in Example 4. However, the sintering temperature by microwave heating was changed from 1730°C to 1630°C.
(例7)
例6の製造方法のうち、マイクロ波による加熱を電気炉による加熱に変更した。具体的には、仮焼結体を120℃/hの速度で1500℃に昇温して、120分間保持した後、5℃/minの速度で降温した。これら以外の操作は例6と同様にして、例7のジルコニア焼結体を製造した。
(Example 7)
In the manufacturing method of Example 6, the heating by microwave was changed to heating by an electric furnace. Specifically, the temperature of the pre-sintered body was raised to 1500°C at a rate of 120°C/h, held for 120 minutes, and then lowered at a rate of 5°C/min. The zirconia sintered body of Example 7 was manufactured in the same manner as in Example 6 except for these operations.
(例8)
オキシ塩化ジルコニア溶液を加水分解反応させて生成したジルコニアゾルに対し、塩化イットリウムと塩化イッテルビウムとを混合した。なお、塩化イットリウムをイットリア換算し、塩化イッテルビウムをイッテルビア換算したとき、ジルコニアとイットリアとイッテルビアとの合計を100mol%として、イットリアが1.7mol%、イッテルビアが1.8mol%となるように塩化イットリウムおよび塩化イッテルビウムを混合した。かかる混合物を乾燥させた後、1120℃、4時間仮焼し、部分安定化ジルコニア粉末を得た。かかるジルコニア粉末を直径1mmのジルコニアボールを用いたボールミルで粉砕後、メッシュ篩により選別し、成形体材料として平均粒径150nm~200nmのジルコニア粉末を得た。その後、例6と同様にしてジルコニア顆粒を製造した。このジルコニア顆粒を円盤状の金型に充填し、0.78MPaの圧力を加えた後、金型から成形体を取り出し、かかる成形体に対して196MPaのCIP成形を行った。その後、得られた成形体を1100℃で2時間加熱し、仮焼結体を得た。このときの昇温速度が800℃までを120℃/h、1100℃までを100℃/hとなるように実施した。その後、例1と同様にしてマイクロ波加熱をした後、1300℃までの降温速度を200℃/minとして降温を行い、例8のジルコニア焼結体を得た。ただし、マイクロ波加熱の最高焼結温度を1640℃に変更した。また、マイクロ波加熱の条件を、1000℃までを600℃/min、1100℃までを20℃/min、1730℃までを50℃/minとなるように昇温した後、1730℃で1分間維持、となるように変更した。
(Example 8)
The zirconia sol produced by hydrolysis of the zirconia oxychloride solution was mixed with yttrium chloride and ytterbium chloride. The yttrium chloride and ytterbium chloride were mixed so that the yttria was 1.7 mol% and the ytterbia was 1.8 mol% when the yttrium chloride was converted to yttrium and the ytterbium chloride was converted to ytterbia, with the total of the zirconia, yttria and ytterbia being 100 mol%. The mixture was dried and then calcined at 1120°C for 4 hours to obtain a partially stabilized zirconia powder. The zirconia powder was pulverized in a ball mill using zirconia balls with a diameter of 1 mm, and then screened with a mesh sieve to obtain a zirconia powder with an average particle size of 150 nm to 200 nm as a molding material. Thereafter, zirconia granules were produced in the same manner as in Example 6. The zirconia granules were filled into a disk-shaped mold, and a pressure of 0.78 MPa was applied. The molded body was removed from the mold, and the molded body was subjected to CIP molding at 196 MPa. The obtained molded body was then heated at 1100 ° C for 2 hours to obtain a provisional sintered body. The heating rate at this time was 120 ° C / h up to 800 ° C, and 100 ° C / h up to 1100 ° C. Then, microwave heating was performed in the same manner as in Example 1, and the temperature was lowered at a temperature lowering rate of 200 ° C / min up to 1300 ° C, to obtain the zirconia sintered body of Example 8. However, the maximum sintering temperature of microwave heating was changed to 1640 ° C. In addition, the conditions of microwave heating were changed to 600 ° C / min up to 1000 ° C, 20 ° C / min up to 1100 ° C, and 50 ° C / min up to 1730 ° C, and then maintained at 1730 ° C for 1 minute.
(例9)
例8の製造方法のうち、マイクロ波による加熱を電気炉による加熱に変更した。具体的には、仮焼結体を120℃/hの速度で1500℃に昇温して、120分間保持した後、5℃/minの速度で降温した。これら以外の操作は例8と同様にして、例9のジルコニア焼結体を製造した。
(Example 9)
In the manufacturing method of Example 8, the heating by microwave was changed to heating by an electric furnace. Specifically, the temperature of the presintered body was raised to 1500°C at a rate of 120°C/h, held for 120 minutes, and then lowered at a rate of 5°C/min. The zirconia sintered body of Example 9 was manufactured in the same manner as in Example 8 except for the above.
<結晶相解析>
X線回折装置としてX’Pert Pro Alpha-1(Malvern PaNalytical製)を用いて、各例で製造したジルコニア焼結体のX線回折パターンのプロファイルを得た。測定条件は以下のとおりとした。
線源:CuKα1(45kV 40mA)
測定範囲:10°≦2θ≦90°
スキャン速度:1.5°/min
ステップサイズ:0.0131°
<Crystal Phase Analysis>
An X-ray diffraction pattern profile of the zirconia sintered body produced in each example was obtained using an X'Pert Pro Alpha-1 (manufactured by Malvern Pharmaceuticals) as an X-ray diffractometer. The measurement conditions were as follows:
Radiation source: CuKα1 (45kV 40mA)
Measurement range: 10°≦2θ≦90°
Scan speed: 1.5°/min
Step size: 0.0131°
得られたXRDプロファイルを解析ソフト:RIETAN-FPを用いて、リートベルト解析を行い、単位格子のc/a軸長比および結晶相の割合(質量%)を解析した。解析は、正方晶、準安定正方晶、及び立方晶の混相とし、各元素の温度パラメータは同一とした。なお、ここで言う準安定正方晶とは、正方晶のa軸長、c軸長のみが異なる結晶相とする。結果を表1に示す。The obtained XRD profile was subjected to Rietveld analysis using analysis software RIETAN-FP to analyze the c/a axis length ratio of the unit cell and the proportion of crystalline phases (mass%). The analysis was performed on a mixed phase of tetragonal, metastable tetragonal, and cubic crystals, with the same temperature parameters for each element. Note that metastable tetragonal crystals here refer to a crystalline phase in which only the a-axis length and c-axis length of the tetragonal crystal differ. The results are shown in Table 1.
<透光性の評価>
各例で製造したジルコニア焼結体を厚さ1mmの円盤状の試験片となるように加工し、ダイヤモンドスラリー(平均粒径0.5μm)を研磨剤として用いて、上記試験片の両面を鏡面研磨した後、厚み方向におけるD65光源の全光線透過率を測定した。かかる測定には、日本電色工業製のヘーズメーターNDH4000を用いた。結果を表1に示す。
<Evaluation of Translucency>
The zirconia sintered body produced in each example was processed into a disk-shaped test piece with a thickness of 1 mm, and both sides of the test piece were mirror-polished using diamond slurry (average particle size 0.5 μm) as an abrasive, and then the total light transmittance of the D65 light source in the thickness direction was measured. For this measurement, a haze meter NDH4000 manufactured by Nippon Denshoku Kogyo Co., Ltd. was used. The results are shown in Table 1.
<水熱劣化試験>
各例で製造したジルコニア焼結体を以下に示す手法に従い、水熱処理後の単斜晶率(%)を測定した。具体的には、まず、ジルコニア焼結体の表面をダイヤモンドスラリー(平均粒径0.5μm)にて鏡面研磨した。次に、研磨後の焼結体に対して、装置名:高圧マイクロリアクター(オーエムラボテック株式会社製)にて、140℃で100時間の水熱劣化処理を施した。その後、研磨面のX線回折パターンをX線回折装置(装置名:UltimaIV、株式会社リガク製)で測定した。そして、測定結果を用いて、下記式より単斜晶率(%)を求めた。下記式より理解されるように、単斜晶率は、単斜晶相(111)面に相当するX線回折ピーク強度[Im(111)]、単斜晶相(11-1)面に相当するX線回折ピーク強度[Im(11-1)]、および、単斜晶相以外の結晶相(111)面に相当するX線回折ピーク強度の合計[Io(111)]より、算出することができる。その結果を表1に示す。
[単斜晶率(%)]
={Im(111)+Im(11-1)}
/{Im(111)+Im(11-1)+Io(111)}
×100
なお、X線回折装置の各条件は、以下の通りである。
線源:CuKα(40kV 40mA)
測定範囲:26°≦2θ≦38°
スキャン速度:2.0°/min
ステップサイズ:0.02°
<Hydrothermal Deterioration Test>
The monoclinic rate (%) after hydrothermal treatment of the zirconia sintered body produced in each example was measured according to the method shown below. Specifically, first, the surface of the zirconia sintered body was mirror-polished with diamond slurry (average particle size 0.5 μm). Next, the polished sintered body was subjected to hydrothermal deterioration treatment at 140 ° C for 100 hours using a device named: High Pressure Microreactor (manufactured by O-M Labotec Co., Ltd.). Then, the X-ray diffraction pattern of the polished surface was measured using an X-ray diffractometer (device name: Ultima IV, manufactured by Rigaku Corporation). Then, using the measurement results, the monoclinic rate (%) was calculated from the following formula. As can be seen from the following formula, the monoclinic ratio can be calculated from the X-ray diffraction peak intensity [I m (111)] corresponding to the monoclinic phase (111) plane, the X-ray diffraction peak intensity [I m (11-1)] corresponding to the monoclinic phase (11-1) plane, and the sum of the X-ray diffraction peak intensity [I o (111)] corresponding to the (111) plane of a crystal phase other than the monoclinic phase. The results are shown in Table 1.
[Monoclinic crystal ratio (%)]
={I m (111)+I m (11-1)}
/{I m (111)+I m (11-1)+I o (111)}
×100
The conditions for the X-ray diffraction device are as follows:
Radiation source: CuKα (40kV 40mA)
Measurement range: 26°≦2θ≦38°
Scan speed: 2.0°/min
Step size: 0.02°
表1に示すように、例1~5では、最高焼結温度から1300℃までの降温速度を50℃/min以上としたことで、水熱劣化後単斜晶率が低くなり、ジルコニア焼結体の耐水熱劣化性が向上したことがわかる。これは、最高焼結温度から1300℃までの降温速度が50℃/min以上にした場合に、ジルコニア焼結体が、単位格子のc/a軸長比が1.0055以上1.010未満の範囲内にある結晶相を有していることに起因すると考えられる。As shown in Table 1, in Examples 1 to 5, the rate of temperature drop from the maximum sintering temperature to 1300°C was set to 50°C/min or more, which reduced the monoclinic ratio after hydrothermal degradation and improved the hydrothermal degradation resistance of the zirconia sintered body. This is thought to be due to the fact that when the rate of temperature drop from the maximum sintering temperature to 1300°C is set to 50°C/min or more, the zirconia sintered body has a crystalline phase in which the c/a axial length ratio of the unit lattice is in the range of 1.0055 or more and less than 1.010.
また、例2~4に示されるように、1300℃までの降温速度を向上させると、例2のc/a軸長比1.0066の結晶相が、例3ではc/a軸長比1.0070の結晶相、例4ではc/a軸長比1.0074の結晶相へシフトしていることが観察された。また、例2~4では、例2よりも例3、例4の方が水熱劣化後単斜晶率が低くなった。このことから、単位格子のc/a軸長比が1.0055以上1.010未満の範囲において、c/a軸長比が比較的高い結晶相(例えば、c/a軸長比が1.0070以上)を有するジルコニア焼結体の方が、耐水熱劣化性が向上することがわかる。 As shown in Examples 2 to 4, when the cooling rate to 1300°C was increased, the crystal phase with a c/a axial length ratio of 1.0066 in Example 2 was observed to shift to a crystal phase with a c/a axial length ratio of 1.0070 in Example 3 and to a crystal phase with a c/a axial length ratio of 1.0074 in Example 4. In addition, among Examples 2 to 4, the monoclinic rate after hydrothermal degradation was lower in Examples 3 and 4 than in Example 2. From this, it can be seen that in the range of the c/a axial length ratio of the unit lattice being 1.0055 or more and less than 1.010, a zirconia sintered body having a crystal phase with a relatively high c/a axial length ratio (for example, a c/a axial length ratio of 1.0070 or more) has improved resistance to hydrothermal degradation.
例6~7は、例1~5よりもイットリアの割合を高くしたジルコニア焼結体の試験例である。この場合においても、例6に示すように、優れた透過性および耐水熱劣化性を有するジルコニア焼結体を実現できることがわかる。 Examples 6 to 7 are test examples of zirconia sintered bodies in which the proportion of yttria is higher than in Examples 1 to 5. Even in this case, as shown in Example 6, it is clear that a zirconia sintered body with excellent permeability and resistance to hydrothermal degradation can be realized.
例8~9は、イッテルビアを含むジルコニア焼結体の試験例である。この場合においても、例8に示すように、優れた透過性および耐水熱劣化性を有するジルコニア焼結体を実現できることがわかる。 Examples 8 and 9 are test examples of zirconia sintered bodies containing ytterbia. Even in this case, as shown in Example 8, it is clear that a zirconia sintered body with excellent permeability and resistance to hydrothermal deterioration can be realized.
以上、ここで開示される技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Specific examples of the technology disclosed herein have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and variations of the specific examples given above.
10 マイクロ波加熱装置
12 隔壁
14 加熱空間
16 貫通孔
20 断熱容器
22 収容空間
24 ガス導入孔
26 ガス排出孔
28 貫通孔
30 ガス供給機
32 ポンプ
40 サセプタ
50 仮焼結体
60 放射温度計
REFERENCE SIGNS
Claims (13)
ジルコニアと、イットリア及び/又はイッテルビアとを含む成形体であって、ジルコニアと、イットリアと、イッテルビアとの合計を100mol%としたとき、イットリアとイッテルビアとの合計割合が3mol%以上4mol%未満である成形体を準備する成形体準備工程;
前記成形体を800℃以上1200℃以下で加熱する第1加熱工程;
前記第1加熱工程を経た前記成形体をマイクロ波加熱により1600℃以上2000℃以下で加熱する第2加熱工程;および
前記第2加熱工程を経た前記成形体を100℃/min以上の速さで1300℃まで降温する冷却工程;
を包含する、ジルコニア焼結体の製造方法。 A method for producing a zirconia sintered body, comprising the following steps:
a molded body preparation step of preparing a molded body containing zirconia and yttria and/or ytterbia, in which the total ratio of yttria and ytterbia is 3 mol % or more and less than 4 mol % when the total of zirconia, yttria, and ytterbia is 100 mol %;
a first heating step of heating the molded body at 800° C. or more and 1200° C. or less;
a second heating step of heating the molded body having undergone the first heating step at 1600° C. or more and 2000° C. or less by microwave heating; and a cooling step of lowering the temperature of the molded body having undergone the second heating step to 1300° C. at a rate of 100 ° C./min or more.
The method for producing a zirconia sintered body includes the steps of:
ジルコニアと、イットリアと、イッテルビアとの合計を100mol%としたとき、イットリアとイッテルビアとの合計割合は3mol%以上4mol%未満であり、
結晶相の全体を100質量%としたとき、単位格子のc/a軸長比が1.0068以上1.010未満の範囲内にある結晶相の割合が10質量%以上である、
ジルコニア焼結体。 A zirconia sintered body containing zirconia and yttria and/or ytterbia,
When the total of zirconia, yttria, and ytterbia is 100 mol %, the total ratio of yttria and ytterbia is 3 mol % or more and less than 4 mol %,
When the entire crystal phase is taken as 100 mass%, the proportion of the crystal phase having a c/a axial length ratio of the unit lattice in the range of 1.0068 or more and less than 1.010 is 10 mass% or more.
Zirconia sintered body.
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