１緒言

コーデェライト(2MgO･2Al₂O₃･5SiO₂)は天然に存在し和名ではキンセイ石と呼ばれている。この物質は低熱膨張(1.5*10^-6K^-1)物質のため急熱急冷などの熱衝撃を受ける窯材、耐火物、自動車の排ガス浄化用触媒の担体として排気ガスの急激な温度変化に対応できるため、また電子材料の絶縁体など幅広く用いられている。本実験ではこの物質の低温での結晶化と温度変化に伴う結晶過程を報告する。

2実験方法

MgO、α-Al₂O₃、SiO₂、をモル比2:2:5の割合でまた天然に存在するタルク(3MgO･4SiO₂)、アンダルサイト(Al₂O3･SiO₂)、カオリン(Al₂O3･2SiO₂)をそれぞれ原料として自動乳鉢を用いて3時間混合し0.5gをとり、圧縮成形器で20MPaで錠剤を作り電気炉内で1時間で昇温、保持時間を0,15,30,60分として焼結させた。

焼結温度は700℃から1500℃の間で行い、また原料に添加物としてホウ酸(H₃BO₃),コレマナイト(2CaO・3B₂O₃)、ホウ砂(Na₂O･2B₂O₃)をそれぞれ加えた。

焼結後の試料をX線回折、フッ酸によりエッチング後、SEM観察により結晶を観察した。

3実験結果および考察

3.1温度とX線回折ピーク高さの変化

図1で示すようにMgO ,Al₂O₃が減少し､1100℃でスピネル(MgO･Al₂O₃)が結晶化し､1250℃でシリカ(SiO₂)のクォーツ型の一部がクリストバライト型に転移しスピネルとクォーツが減少すると共に1300℃でコーデェライトが結晶化した。その後1350℃でクリストバライトが減少した。H₃BO₃を3wt%加えた場合は1150℃からコーデェライト結晶が析出された。これは固相焼結が不純物のB₂O₃により液相焼結に代わり試料の拡散速度か速められたためである。

3.2添加物とX線回折ピーク高さの変化

図2で示すように不純物を加えると結晶化が低い温度で行われるが、添加量が過剰となると逆に結晶化を阻害していた。H₃BO₃が４wt%で高い焼結性を示すが､密度が低く気孔が増大していた。密度は2wt%添加した時が最も高かった。また、天然に存在する物質を用いた場合,より低い温度で結晶化が起きた。

3.3温度と密度の変化

添加物を加えずに焼結すると温度の上昇とともに密度が減少する傾向にあった。これは固相焼結のため粒子の拡散が遅く気孔が焼結体内にとどまり、凝集し膨張したためである。ホウ酸(H₃BO₃)を3wt%を添加するとH₃BO₃が180℃で 酸化ホウ素(B₂O₃)に変わりこれが液相となり粒子の拡散速度を高め温度の増加と共に密度が増加した。またホウ砂のNaO、コレマナイトのCaOはSiO₂のSi―O―Si結合を切断し結晶化を起こしやすくする。SEM観察からも1400℃では気孔が40~90μｍ,1300℃ H₃BO₃ 3wt%添加では気孔が10~60μｍと気孔が小さいことが観察された

3.4保持時間とX線ピーク高さの変化

1250℃　H₃BO₃(3wt%)添加で保持時間を変えて焼結すると15分という短時間でコーデェライトの結晶化が起きた。

3.5温度とアスペクト比の変化

SEM観察により長方形のコーデェライトの結晶が観察された。この結晶の長軸と短軸の比をアスペクト比として測定すると、温度と共に低下した。

図1 温度とピーク高さの関係 図２ 添加物量とピーク高さの関係

図3 1400℃ SEM像 図４ 1300℃

H₃BO₃ 3wt% SEM像

４結言

Al₂O₃とMgOが反応しスピネル(Al₂O₃･MgO)が結晶化し、SiO₂の一部がクォーツ型からクリストバライト型に変わり、スピネルとクォーツ、クリストバライトが反応しコーデェライト(2MgO･2Al₂O₃･5SiO₂)が結晶化した。

ホウ酸を添加した時150℃近く低い温度で結晶化した。1250℃で15分という短時間でコーデェライトの結晶化が起きた。

温度の上昇と共にアスペクト比が減少し粒子は細く小さかったものが太く大きくなった。1300℃の結晶と1450℃の結晶は長軸が1μｍほど増加した。

５参考文献