Rapid Communication "Gel-tape-casting of aluminum nitride ceramics" について

文献を読んで、覚えておきたいことをメモしておくためのnote。

Gel-tape-casting of aluminum nitride ceramics
J. Adv. Ceram. 2017, 6(1): 67–72

メモ

Introductionより

• テープキャスティングには非水系と水系の二種類がある。非水系では有機添加物は可燃性で毒性があるため、不燃性で毒性の無い、環境に優しい水系プロセスを開発。

• 窒化アルミニウム（AlN）粉末を水に分散させると加水分解するため、AlN粉末の表面修飾が必要。

• 2002年：Xiangらはアルミナシートを製造するため、gel-tape-casutingと呼ばれる、フリーラジカル重合による、新しい製法を開発。
  5種類の添加物：分散媒、モノマー、架橋剤、触媒および重合開始剤、さらに可塑剤を必要とする。添加物が多く、また酸素による重合阻害によりプロセスが複雑化。

• 2013年：Yangらは、毒性が無く、水溶性のイソブチレンと無水マレイン酸の共重合体（PIBM）を使用し、アルミナの簡単なゲルキャストを開発。PIBMは分散媒とゲル化剤の両方として作用。この系では酸素阻害は起こらない。

• 2014年：ShuらはPIBMを使用し、ゲルキャスティングでフィン状のAlNセラミックスを作製。

• 本研究：テープキャスティングとPIBMを使用したゲルキャスティングを組み合わせてAlNグリーンテープを得た。N2雰囲気、1840 ℃、4 hの常圧焼結で緻密なAlNシートを作製。

Experimental procedureより

• AlN原料粉末：平均粒径1.1 µm、密度3.26 g/cm3

• Y2O3原料粉末（焼結助剤）：平均粒径2.0 µm、密度5.01 g/cm3

• これら二種類の原料粉末は加水分解するため、防水材（主成分はポリウレタン）で被覆する。

• 可塑剤としてポリエチレングリコール（PEG）を使用。

• Y2O3はAlNに対し3 wt%添加

• レオロジー特性は直径25 mmの平行板を使用し、レオメーターで測定。

• スラリーの粘度は連続せん断モード（1から1000 s^-1まで、25 ℃）で測定。

• 微構造とEDSの試験はSEMとFESEMで実施。

• 熱拡散率はレーザーフラッシュで測定。

• AlNの密度はアルキメデス法で測定。

Results and discussionより

• PIBMはイソブチレンと無水マレイン酸の共重合体なので、スラリーの分散媒およびバインダーの両方として作用。

• 固形分率38 vol%、PIBM添加量2-4 wt%（粉末比）のスラリーはいずれもせん断速度の増加に伴い、shear-thinning性を示した。

• 粘度は、PIBM濃度の増加に伴い、高くなった。

• PIBMの添加量3-4 Wt%は差が無く、2 wt%ではグリーンテープの強度が弱く、無傷のテープが得られなかったため、PIBMの添加量は3 wt%とした。

• 固形分率38 vol%と40 vol%は大差無く、42 vol%まで増えると粘度が著しく高くなった。低粘度かつ高固形分率で、安定した均一なスラリーを重要。固形分比40 vol%のスラリーが妥当な粘度で、固形分比が高い。

• 固形分比40 vol%、PIBM添加量3 wt%を最適条件とした。

• 貯蔵弾性率はゲル化速度の解析に用いられる。

• 可塑剤無しではスラリーの貯蔵弾性率が開始時点で高く、時間経過とともに増加した。可塑剤添加後は、似た傾向を示したが、貯蔵弾性率は大幅に低かった。可塑剤添加により硬化時間が大幅に延長され、成形体は柔軟になる。

• 緻密なAlNが得られ、平均粒子径は約7 µmだった。

• 粒界には第二相がはっきり見えた。

• 破断面のEDSマッピングの結果、YとOが粒界に分布していた。

• Y2O3とAlNが反応し、Y、Al、Oの組成物およびY2O3が第二相となり得る。

• 第二相のスポット分析でも、Al、YおよびOが分布していた。

• 第二相の組成および分布はAlNの熱伝導率に影響する。

• AlNの密度：3.3 g/cm3

• 熱拡散率：0.66284 cm^2/s

• 比熱容量：純粋で緻密なAlNの0.734 J/(g･K)、20 ℃）を使用

• 熱伝導率：161 W/(m･K)

• AlNの熱伝導率は、粒界に分離された低熱伝導性の第二相の形態、微構造を含め、影響を受ける。

• 第二相は互いに連結しており、AlNシートの熱伝導率をかなり低下させる。

• 第二相の形態を孤立した構造に変えることで、熱伝導率を向上させることができる。

• 第二相の分布が不揃いであることから、防水剤が効果的な役割を果たしていないと推測。そのためスラリー中のAlNとY2O3の不均一な加水分解が生じ、第二相の生成が増加するかもしれない。

Conclusionsより

• 分散媒とゲル化剤として共重合PIBMを使用し、可塑剤としてPEGを使用して、簡単なgel-tape-casting法によりAlNセラミックシートを作製した。

• 作製したAlNシートの熱伝導率は161 W/(m･K)だった。第二相の組成と分布の効果的な制御により、特性が改善される。

Words

• Shear-thinning

• Storage modulus

所感（得られた知見を活用できるか、どう活用するか）

得られた知見を活用することができる。（個人の意見です）