烧成用夹具的制作方法

1.本说明书公开了与烧成用夹具相关的技术。特别是公开了与在电子器件材料的烧成、或锂电池中采用的活性物质材料的烧成中使用的烧成用夹具相关的技术。


背景技术：

2.在日本特开2003－306392号公报(以下称为专利文献1)中，作为电子器件用陶瓷的烧成用夹具，公开了如下烧成用夹具，其中，在sic质基板(第一层)的表面形成有al2o3－sio2质的第二层，在第二层的表面形成有8y－zro2(8wt％y2o3－zro2)的第三层。设置第三层的目的在于，防止被烧成物(电子器件用陶瓷)与烧成用夹具发生反应。另外，设置第二层的目的在于，防止第三层自sic质基板(第一层)剥离。更具体而言，第二层防止从第三层通过的氧到达sic质基板，抑制sic质基板的表面发生氧化。应予说明，如果sic质基板的表面发生氧化，则第三层自烧成用夹具剥离。另外，在专利文献1中，作为第二层中可使用的材料，除了al2o3－sio2质以外，还举出了al2o3、al2o3－sio2－mgo质、mgo－al2o3－zro2质。另外，作为第三层中可使用的材料，除了8y－zro2质以外，还举出了al2o3、多铝红柱石、zro2、y2o。


技术实现要素：

3.通常，已知zro2为反应性较低的材料(难反应性材料)。因此，如果将zro2形成于烧成用夹具的最表层(外涂层)，则能够以一定程度抑制电子器件(或电子器件的原料)与烧成用夹具的构成材料发生反应。专利文献1也基于通过采用以zro2为代表的、上述第三层(外涂层)的材料能够抑制电子器件与烧成用夹具的反应的前提，对第三层自烧成用夹具剥离提出了应对方案。然而，即便将上述的材料用作外涂层，也无法完全防止电子器件材料(电子器件及其原料)与烧成用夹具发生反应。因此，为了提高电子器件材料的制造成品率，要求具有使与电子器件等之间的反应性进一步降低的烧成用夹具。本说明书的目的在于，提供一种与电子器件等(电子器件材料、锂电池的活性物质材料)之间的反应性更低的新的烧成用夹具。
4.本说明书中公开的烧成用夹具的一个方案用于电子器件材料的烧成。该烧成用夹具可以具备：sic质或si－sic质的基材、以及将基材的表面覆盖的涂层。另外，涂层可以具备：第一层，该第一层以al2o3－sio2质为主成分，且设置于基材表面；以及第二层，该第二层以选自y2o3、hfo2、ceo2、nio、wc、ni、mo中的至少1种为主成分，且在涂层的表层暴露出来。
5.本说明书中公开的烧成用夹具的另一个方案用于锂电池的活性物质材料的烧成。该烧成用夹具可以具备：sic质或si－sic质的基材、以及将基材的表面覆盖的涂层。另外，涂层可以具备：第一层，该第一层以al2o3－sio2质为主成分，且设置于基材表面；以及第二层，该第二层以选自y2o3、hfo2、ceo2、nio中的至少1种为主成分，且在涂层的表层暴露出来。
附图说明
6.图1示出针对batio3计算多元体系的热力学平衡状态下的反应生成物的计算结
果。
7.图2示出实验例的结果。
8.图3示出涂层的sem照片。
具体实施方式
9.以下，对本说明书中公开的技术特征进行整理。应予说明，以下记载的事项分别独立地具有技术上的有用性。
10.(烧成用夹具)
11.本说明书中公开了用于对例如以钛酸钡(batio3)为主成分的陶瓷电容器及该陶瓷电容器的原料这样的电子器件材料进行烧成的烧成用夹具。另外，本说明书中还公开了用于对例如以钴酸锂(licoo2)为主成分的锂电池的活性物质及该活性物质的原料这样的活性物质材料进行烧成的烧成用夹具。这两种烧成用夹具可以具有如下通用特征，即，具备sic质或si－sic质的基材以及将基材的表面覆盖的涂层。作为基材的厚度，可以为0.4～5mm。如果在该范围内，则可控制基材的热容量，能够对电子器件材料或锂电池的活性物质材料进行效率良好的烧成。另外，在这两种烧成用夹具中可以具有如下通用特征，即，涂层具备设置于基材表面的第一层以及在涂层的表层暴露出来的第二层，该第一层以al2o3－sio2质为主成分。在电子器件材料中，第二层可以以选自y2o3、hfo2、ceo2、nio、wc、ni、mo中的至少1种为主成分。另外，在活性物质材料中，第二层可以以选自y2o3、hfo2、ceo2、nio中的至少1种为主成分。
12.应予说明，所谓“电子器件材料”，不仅包括例如陶瓷电容器等电子器件成型体，还包括用于形成该成型体的原料(中间体)。同样地，所谓“活性物质材料”，不仅包括锂电池的活性物质本身，还包括用于形成活性物质的原料(中间体)。另外，所谓第一层“以al2o3－sio2质为主成分”是指：al2o3－sio2质占据构成第一层的原料(化合物)的50质量％以上。例如，第一层有时除了包含al2o3－sio2质还包含小于50质量％的al2o3质。应予说明，第一层中，al2o3－sio2质的含量可以为70质量％以上，也可以为80质量％以上，还可以为90质量％以上，还可以仅由al2o3－sio2质(有时包含不可避免的杂质)构成。
13.同样地，所谓第二层的“主成分”是指：占据构成第二层的原料(化合物)的50质量％以上的原料(成分)。例如，在第二层以y2o3为主成分的情况下，y2o3的质量为第二层的总质量的50％以上。另外，在第二层以y2o3和hfo2为主成分的情况下，y2o3和hfo2的合计质量为第二层的总质量的50％以上。应予说明，优选为，在电子器件材料中，第二层以y2o3、hfo2、ceo2、nio、wc、ni、mo中的任一者为主成分，在活性物质材料中，第二层以y2o3、hfo2、ceo2、nio中的任一者为主成分。第二层可以由上述原料(化合物)单独或组合构成，其含量可以为60质量％以上，也可以为70质量％以上，还可以为80质量％以上，还可以为90质量％以上，还可以实质上仅由上述原料(有时包含不可避免的杂质)构成。
14.上述烧成用夹具的第二层(外涂层)的材料与以往使用的材料不同。作为电子器件材料用的第二层举出的材料是：针对通常的电子器件材料中采用的钛酸钡(batio3)计算(模拟)高温环境下的多元体系的热力学平衡状态而得到反应性较低的结果的材料。应予说明，对于以往作为外涂层使用的al2o3、zro2等，针对batio3，在多元体系的热力学平衡状态的计算中，得到在高温环境下容易生成反应生成物的结果。另外，作为活性物质材料用的第
二层举出的材料是：将作为电子器件材料用的第二层举出的材料(y2o3、hfo2、ceo2、nio、wc、ni、mo)中的氧化物(y2o3、hfo2、ceo2、nio)实际制成试样并进行实验而针对通常的活性物质材料中采用的钴酸锂(licoo2)得到良好的结果的材料。
15.作为第二层举出的材料与以往作为外涂层使用的材料相比较，其材料本身针对batio3及licoo2的反应性较低。如上所述，对于以往的烧成用夹具，如果作为外涂层使用al2o3、zro2等，则能够抑制被烧成物与烧成用夹具之间的反应，以此为前提，进行了涂层耐久性的改善。然而，即便涂层的耐久性得到改善，如果被烧成物与涂层(外涂层)发生反应，则被烧成物的制造成品率也没有提高。上述的烧成用夹具着眼于使外涂层本身相对于被烧成物(电子器件材料)的反应性降低，就这一点而言，利用与以往完全不同的技术思想来实现。
16.电子器件材料用的烧成用夹具中，第二层可以以选自y2o3、hfo2、ceo2、nio中的至少1种为主成分。这些材料为氧化物，因此，化学上稳定，处理容易。另外，如上所述，这些材料在实验中确认到针对licoo2得到良好的结果(反应性较低)。可以将电子器件材料用的烧成用夹具直接兼用作电子器件用的烧成用夹具。
17.上述烧成用夹具中，可以按第一层的热膨胀系数为基材的热膨胀系数以上且第二层的热膨胀系数为第一层的热膨胀系数以上的方式选择基材、第一层以及第二层的材料。上述烧成用夹具中使用的基材(sic质、si－sic质)的热膨胀系数约为4(ppm/k)。与此相对，作为上述第二层举出的材料的热膨胀系数均为4(ppm/k)以上。通过使第一层的热膨胀系数为基材的热膨胀系数以上，使第二层的热膨胀系数为第一层的热膨胀系数以上，能够缓和由加热所引起的基材与第二层之间的热膨胀系数差，抑制涂层自基材剥离。
18.上述烧成用夹具中，可以在第一层与第二层之间设置有以al2o3质为主成分的第三层。应予说明，所谓“第三层以al2o3质为主成分”是指：第三层包含50质量％以上的al2o3质。通过设置第三层，能够将第一层和第二层更牢固地接合，能够抑制第一层与第二层之间的剥离。另外，还能够抑制第一层(或基材)的构成元素和第二层的构成元素相互扩散。第三层的厚度可以为10～200μm，也可以为整个涂层的厚度的50％以下。应予说明，第三层中，al2o3质的含量可以为60质量％以上，也可以为70质量％以上，还可以为80质量％以上，还可以为90质量％以上，可以实质上仅由al2o3质构成。另外，在第一层和第二层直接接触的情况下(即、未设置第三层的情况下)，可以在第一层与第二层之间设置有两者的组成逐渐变化的梯度层。同样地，在第一层与第二层之间设置有第三层的情况下，可以在第一层与第三层之间、和/或、第三层与第二层之间设置有梯度层。另外，可以在第一层与第二层之间设置有多个层。
19.上述烧成用夹具中，可以在第二层内存在多个扁平粒，该扁平粒是构成第二层的粒子熔融凝固而形成的。扁平粒可以是构成第二层的粒子在对第二层进行烧成(烧结)时熔融凝固而形成的。扁平粒可以在基材、第一层以及第二层层叠的方向上层叠。即，扁平粒可以在涂层的厚度方向上层叠。应予说明，扁平粒的层叠数为2以上即可，没有特别限制。通过在第二层内存在扁平粒，能够缓和基材与第二层之间的热膨胀差，抑制第二层的剥离。如上所述，构成第二层的材料的热膨胀系数有时为基材(sic质、si－sic质)的热膨胀系数以上。在这种情况下，如果对烧成用夹具进行加热，则有时基材对第二层施加压缩力，或者第二层对基材施加拉力。如果扁平粒在第二层内层叠，则加热时向第二层施加的(第二层所施加
的)力得到缓和，由热膨胀系数差所引起的涂层的剥离进一步被抑制。
20.应予说明，扁平粒的扁平率((宽度方向长度/长度方向长度)
×
100)可以为95％以下。另外，如果扁平粒的扁平率为95％以下，则可确保扁平粒本身的强度，结果，可确保第二层的强度。应予说明，扁平粒可以为平坦的形状，也可以为弯曲的形状。特别是，扁平粒为弯曲的形状的情况下，容易得到缓和基材与第二层之间的热膨胀差的效果。扁平粒可以存在于第二层的整面，也可以局部存在。即便扁平粒局部地存在于第二层内的情况下，也能够得到上述的热膨胀差的缓和效果。应予说明，可以从涂层的截面的sem图像(例如1000倍)中测定粒子的纵(长度方向)横(宽度方向)的长度，根据上述计算式，计算出扁平粒的扁平率。
21.上述烧成用夹具中，涂层的厚度可以为20～600μm。另外，第一层的厚度可以比第二层的厚度厚。具体而言，第一层的厚度可以为50～500μm，第二层的厚度可以为5～500μm。如果第一层的厚度为50μm以上，则能够抑制与被烧成物之间的反应，并且，可维持涂层的强度，能够进一步抑制涂层的剥离。如果第一层的厚度为500μm以下，则能够抑制与被烧成物之间的反应，并且，涂层的强度更加稳定，能够进一步抑制涂层的剥离。如果第二层的厚度为5μm以上，则在基板的整面可靠地形成第二层，能够充分抑制被烧成物与烧成用夹具发生反应。如果第二层的厚度为500μm以下，则可抑制第二层本身发生层间剥离，结果，能够抑制第二层自基材(第一层)剥离。应予说明，第二层的厚度可以为10μm以上，也可以为50μm以上。另外，第二层的厚度可以为200μm以下，也可以为150μm以下，还可以为100μm以下。应予说明，第二层为在涂层的表层暴露出来的层，也可以称为外涂层。
22.上述烧成用夹具中，涂层(第一层、第二层)的空隙率(气孔率)可以为10～60体积％。如果空隙率为10体积％以上，则能够抑制与被烧成物之间的反应，并且，涂层的强度更加稳定，能够进一步抑制涂层的剥离。如果空隙率为60体积％以下，则能够抑制与被烧成物之间的反应，并且，可维持涂层的强度，能够进一步抑制涂层的剥离。另外，涂层的热传导率可以为2～250w/(m
·
k)。如果涂层的热传导率为2～250w/(m
·
k)，则在对被烧成物进行烧成时，能够使被烧成物的面内温度变得均匀。涂层的热传导率更优选为3～30w/(m
·
k)。应予说明，空隙率(气孔率)可以如下计算，即，对涂层的截面的sem图像(例如1000倍)进行剪裁，制作仅有各层(第一层、第二层等)的图像，采用图像处理软件(imagenos version 1.04：免费软件)，利用二值化，将空隙和空隙以外的部分区别开，计算出空隙相对于整体的面积比，由此计算出空隙率。
23.(电子器件材料用的烧成用夹具)
24.如上所述，在用于对电子器件材料进行烧成的烧成用夹具中，第二层可以以选自y2o3、hfo2、ceo2、nio、wc、ni、mo中的至少1种为主成分。如图1所示，对于y2o3、hfo2、ceo2、nio、wc、ni、mo，利用热力学平衡计算软件(factsage：gtt－technologies、thermfact ltd.制)计算针对batio3的热力学平衡状态，结果确认了没有与batio3发生反应(没有形成反应生成物)。与此相对，对于以往认识到作为第二层(外涂层)有用的zro2、al2o3、tio2，确认到与batio3发生反应并生成反应生成物(ba化合物)。应予说明，如图1所示，确认到：hfo2没有与batio3发生反应，但是，hf与batio3发生反应而生成反应生成物(bahfo3)。即，确认到：不是只要包含y、hf、ce、ni这些元素的化合物(或者单质)就不与batio3发生反应，而是因为上述的氧化物的形态(hfo2、y2o3、ceo2、nio)，才不与batio3发生反应。
25.图1中，关于作为基板材料的一个例子的sic、作为第一层的材料的一个例子的
al2o3·
sio2也一并示出了针对batio3的热力学平衡状态的计算结果。确认到：sic、al2o3·
sio2与batio3发生反应而形成反应生成物。应予说明，图1中还一并示出了上述的第二层的各材料、sic、al2o3·
sio2的热膨胀系数。通过按各层的热膨胀系数没有随着从基材趋向涂层的表面而变小、即、第一层的热膨胀系数为基材的热膨胀系数以上且第二层的热膨胀系数为第一层的热膨胀系数以上的方式选择基材、第一层以及第二层的材料，能够进一步抑制涂层的剥离。
26.实施例
27.如上所述，电子器件材料用的烧成用夹具中，如果作为第二层使用y2o3、hfo2、ceo2、nio、wc、ni、mo，则能够抑制电子器件材料与烧成用夹具(第二层)发生反应。以下，制作使用上述材料中的y2o3、hfo2、ceo2、nio形成了第二层(外涂层)的试样，评价各试样针对batio3及licoo2的特性(试样1～20)。另外，为了比较，制作使用zro2形成了第二层的试样(试样21～24)，一并评价了特性。将评价结果示于图2。
28.首先，对试样的制作方法进行说明。准备纵横150
×
150mm、厚度2mm的si－sic板以及sic烧结体板(基板)，采用喷涂法，在基板表面形成多铝红柱石(al2o3－sio2质)的第一层。在试样3、6、13、22、24中，作为基板采用sic烧结体板，在其他试样中，作为基板采用si－sic板。另外，第一层的厚度在试样2、3、10、21、22中为50μm，在其他试样中为100μm。接下来，将各试样在大气气氛中于1350℃进行2小时烧成。然后，采用喷镀法，在第一层的表面以图2所示的材料及厚度形成第二层。针对得到的试样1～24，进行反应试验和剥离试验。应予说明，反应试验和剥离试验采用不同的试样。另外，针对试样5，采用sem(扫描型电子显微镜：日本电子(株)制jsm－5600)，以300倍观察涂层。图3中示出sem照片。
29.(sem观察)
30.如图3所示，确认到：第二层由多个扁平粒构成，各扁平粒在厚度方向上层叠。还确认到：各扁平粒为不规则弯曲的形状而不是平板状，在扁平粒间设置有间隙。推测：该间隙缓和第二层(构成第二层的扁平粒)的热膨胀。
31.(反应试验)
32.对各试样进行反应试验。对于反应试验，在试样的表面的中央部分载放被烧成物(batio3、licoo2)10g，对载放有batio3的试样进行35个循环的以下试验，该试验以在大气气氛中于1200℃进行1小时烧成后冷却至室温的处理为1个循环。另外，对载放有licoo2的试样进行35个循环的以下试验，该试验以在大气气氛中于1000℃进行1小时烧成后冷却至室温的处理为1个循环。应予说明，在开始各循环时，将被烧成物(batio3、licoo2)更换为新品。因此，在反应试验中，对合计350g的被烧成物进行了烧成。
33.针对反应试验后的各试样，评价被烧成物的构成元素(ba、ti、li、co)在试样中的渗透性、涂层的密合性。渗透性如下评价，即，采用安装于sem的eds(能量分散型x射线分光器)，对ba、ti、li、co元素进行映射，测定被烧成物的构成元素从涂层的表层进行渗透的深度。自表层起算的渗透深度越深，说明被烧成物越与试样(相当于烧成用夹具)发生了反应。将上述构成元素的渗透深度自表层起算为10μm以下的试样评价为“a”，将渗透深度自表层起算超过10μm且为20μm以下的试样评价为“b”，将渗透深度自表层起算超过20μm且为30μm以下的试样评价为“c”，将渗透深度自表层起算超过30μm的试样评价为“d”。评价“a”及“b”说明被烧成物与试样之间的反应抑制效果较高(特别是“a”良好)，评价“c”说明反应抑制效
果稍差，评价“d”说明反应抑制效果较低。将评价结果示于图2。
34.关于密合性，在更换被烧成物时(1个循环结束后)，利用肉眼观察来确认涂层有无剥离，进行评价。将在30个循环结束后没有确认到剥离的试样评价为“a”，将在21～30个循环之间确认到剥离的试样评价为“b”，将在11～20个循环之间确认到剥离的试样评价为“c”，将在1～10个循环之间确认到剥离的试样评价为“d”。将评价结果示于图2。
35.(剥离试验)
36.对各试样进行剥离试验。制作有别于反应试验的另一试样进行剥离试验。对于剥离试验，对各试样进行6个循环的如下试验，该试验以在大气气氛中于1350℃进行2小时烧成后冷却至室温的处理为1个循环。各循环结束后，在各试样的表面粘贴10mm
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15mm的胶带(菊水胶带(株)制、布基胶带no.212 50毫米25m)后，将该胶带剥下，利用肉眼观察确认涂层有无剥离，进行评价。应予说明，胶带粘贴于试样的中央部分。另外，将胶带粘贴于试样后，将2kg的秤砣载放在胶带上10秒钟，以使胶带与试样(涂层)密合。将在6个循环结束后没有确认到剥离的试样评价为“a”，将在4或5个循环结束后确认到剥离的试样评价为“b”，将在2或3个循环结束后确认到剥离的试样评价为“c”，将在1个循环结束后确认到剥离的试样评价为“d”。将评价结果示于图2。
37.(有用性的判定)
38.对于上述反应试验及剥离试验的结果，将评价“a”为3个以上的试样设为判定“a”，将评价“a”为1或2个且没有评价“c”及评价“d”的试样设为判定“b”，将评价“a”1个都没有的试样设为判定“c”。判定“a”及“b”的试样(烧成用夹具)说明：与电子器件材料及锂电池中使用的活性物质材料之间的反应性较低，作为烧成用夹具有用。特别是，可以说：判定“a”的试样(烧成用夹具)作为电子器件材料及锂电池中使用的活性物质材料用的烧成用夹具具有优异的特性。
39.如图2所示，确认到：采用y2o3、hfo2、ceo2、nio、wc、ni、mo形成了第二层的试样(试样1～20)与采用zro2形成了第二层的试样(试样21～24)相比较，显示出优异的特性(例如将试样5、12、18、19、20、23进行比较)。另外，还确认到：在si－sic板和sic烧结体板这两者中均得到同样的效果(将试样2、3、试样5、6、试样12、13、试样21、22、试样23、24进行比较)。另外，确认到：在采用y2o3、hfo2形成了第二层的试样(试样1～15)中，使第二层的厚度在10μm～200μm之间进行变化，结果均得到良好的结果。特别是，厚度50～150μm的试样(试样2～7、试样10～14)显示出良好的结果。应予说明，确认到：采用ceo2、nio、wc、ni、mo形成了第二层的试样(试样16～21)与采用y2o3、hfo2形成了第二层的试样(试样5、12)同样地，显示出优异的特性。
40.以上，虽然对本发明的具体例详细地进行了说明，但是，这些只不过是示例，并不限定权利要求书。权利要求书中记载的技术中包括对以上例示的具体例进行各种变形、变更得到的技术。另外，本说明书或附图中说明的技术要素以单独或者各种的组合而发挥出技术有用性，并不限定于申请时权利要求中记载的组合。另外，本说明书或附图中例示的技术能够同时实现多个目的，实现其中一个目的的技术本身具有技术有用性。