高温・還元雰囲気で作るセラミックス

質問

とんちんかんな質問かもしれませんが、そうだったらご容赦下さい。ふと思ったので・・。
酸化物などのセラミックスでは酸性雰囲気下で焼成して得られる者が多数ありますが、逆に還元雰囲気下で焼いて得られるセラミックス材料ってのはなにかあるでしょうか？？

回答No.2

noname#21649

還元の程度にもよりますが．
ぎゅうけっしゃ・しんゃ等のどうけい赤色ゅは．ちゅうせいから弱還元（水を多くする）にします。

スピネル顔料の一部に．還元をかけないときれいに発色しない顔料があります。

回答No.1

Umada

還元性でなく「単に非酸化性雰囲気での焼成」ということであれば、多くの非酸化物セラミックス(炭化ケイ素、窒化ケイ素など)が該当します。雰囲気が還元性であることはこれらの材料の焼成プロセスにおいて特に必要なことではありません。(材料が酸化や分解さえしなければよい)

雰囲気の還元性を積極的に利用して焼成するセラミックスの代表例には窒化アルミニウムがあります。ご存じかも知れませんが窒化アルミニウムは熱伝導率の高さを活かして半導体素子の絶縁基板として使われています。
窒化アルミニウムは原料窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウム(Y2O3)などの助剤を3～10 mass%程度混ぜて還元雰囲気で焼成します。焼成過程において、酸化イットリウムはまず粉末表面に存在する酸化層(酸化アルミニウム)*1と反応しイットリウムアルミネートになります。イットリウムアルミネートは焼結体表面で雰囲気中の窒素および炭素*2と反応して還元され、窒化アルミニウムと窒化イットリウムになります。
この過程によりイットリウムアルミネートが内部から表面に次々と移動し、助剤として加えた酸化イットリウムは最終的には大半が窒化イットリウムとして焼結体の外に排出されます。さらに同時に粒内の固溶酸素も外部に排出されます*2。

添加した助剤が粒界層として焼結体に残ると熱伝導率が下がってしまう、さりとて助剤を入れないと焼結そのものができないというジレンマを、還元性雰囲気を用いることでうまく解決しています。また熱伝導率低下の原因になる粒内の固溶酸素を排出できるというオマケまでついてきています。この結果、窒化アルミニウム焼結体は100～260 [W/m℃]という金属アルミニウム並みの高い熱伝導率を示すのです。

他にもあるかも知れません。とりあえず私が思い付いたものを挙げました。

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*1 窒化アルミニウムは非酸化物セラミックスですので、表面に必ず自然酸化層が存在します。その酸化層(=酸化アルミニウム)と酸化イットリウムが反応するわけです。

*2 焼成雰囲気としては単に窒素のみを供給します。炭素は炉内に固体の形で入れておくだけですが、窒化アルミニウムを焼成するような高温(1500℃以上)ではその一部は炉内で炭素蒸気の形として存在します。その炭素と反応します。

*3 やがて窒化アルミニウム粒子の内部に固溶している酸素も粒界へと移動し、酸化イットリウムと反応してイットリウムアルミネートになります。その後焼結体の外に排出されることも同じです。