FZ法による単結晶作成

質問

ＦＺ法（Floating Zone Method) を用いて超伝導体の
単結晶を作成しています。
供給原料は、粉末の薬品類を静水圧プレスで円柱状に
押し固め、さらにその後、縦に吊るして雰囲気炉中で
焼成させることにより作成しています。
この出来上がった供給原料が、まっすぐであれば問題は
無いのですが、どうしても曲がってしまうのです。
グニャグニャと曲がっているのではなく、しなっている
ような感じです。
よく見ると、静水圧プレスをして押し固めた時点で
既に微妙に緩やかなカーブを描いているのです。
サンプルを焼成することによりこの曲がり具合が
増幅されていると自分では考えているのですが。

原因は一体なんなんでしょうか。また、対処法などが
ありましたら、ぜひ教えてください。お願いします。

回答No.1

Umada · ベストアンサー

shopboyさん、こんにちは。
超伝導材料は全く素人ですが、圧粉/静水圧プレス/焼成には多少の経験がある者です。
ただしこれまでに反り・曲がりをあまり経験していないため、ズバリの対策は申し上げられなくてすみません。以下は「こういう手も、解決策として試す価値がある」くらいでお読み下さい。

まず静水圧プレス中の反りですが、型への粉の詰め方に不均質がある可能性が考えられます。手軽に試せる対策としては「粉を十分にほぐす」「ほぐした後に篩いにかける」があります。
「スプレードライヤで粉末をいったん顆粒にし、それを型に詰める」方法もありますが、装置が大掛かりなのと、専用機でない限りコンタミネーションを避けられないこと、1回あたりまとまった量の粉末を用意しなくてはならないなどでラボレベルですと向きません。

焼成中の反りは、静水圧プレス後の不均質がさらに拡大されて生じることもありますが、炉内の温度不均一で生じることもあります。もし一度にたくさんの成形体を炉に入れているのでしたら、本数を減らして温度が比較的均一な領域(大抵は炉の中心付近)だけを使うことで改善される可能性はあります。
「詰め粉」をする方法もあります。成形体を適当な容器(焼成に堪えうるもの)に入れ、成形体と同じような組成の粉末を容器との隙間に詰めて(容器ごと)焼成するものです。温度分布の均一性が改善されますので、反りや曲がりが小さくなる可能性があります。

圧粉体をいかに均一に焼成するか、形状を安定させるかは窯業の分野において古くから取り組まれてきた問題です。お近くの図書室・資料室で窯業やセラミックス分野の書籍があればパラパラとめくってみてください、参考になる情報が見つかると思います。(最新のファインセラミックスを扱った本でなく、茶碗や花瓶などの焼成法についても扱った古めの本を探すのがポイントです)

回答No.3

Luckycats

プレスした成形体の密度分布と、焼成時の温度ムラがが原因と考えられます。
　どのような静水圧プレスか分からないので、詳しくアドバイスできませんが、小型の装置であるほど、均一にはプレスできていないでしょう。但し、成型体密度を測定して、これが焼成体密度に対してある値まで上がっていれば、焼成時の密度差は少ないはずです。金型プレスした成型体を更に高圧で静水圧プレスするのも、一つの方法です。静水圧プレスのゴム材質も、ＦＺ原料のように小さいものですと影響があるかも知れません。実験で私たちは、下品な話かも知れませんが、このゴムにコンドームを使用していました。粉は、金型またはゴム型を振動させながら充填した方が良いでしょう。この装置は、実験器具のカタログに大抵掲載されています。但し、振動が強いと、原料の粉体が密度、大きさにより送別されてしまう可能性があります。木槌で叩きながら充填する方法もあります。

　焼成体の変形は、他の方も述べていらっしゃるように、殆ど焼成時の温度ムラに起因するでしょう。成型体が直接ヒーターの輻射熱を受けないようにするだけでも、かなり改善されます。詰粉は有効な方法ですが、超伝導材料の場合採用には十分な検討を有すると思います。例えば、アルミナ管の中に入れて焼成する等と言う手法は、如何でしょうか？

　最悪曲がってしまう場合、曲がった焼成体を加工機で研削すると云う力業も在ります。安い卓上旋盤に焼成体を取り付け、乾式のダイヤモンドホイール、面倒ならタングステンカーバイトのチップで削ってしまえば、真っ直ぐな焼成体が出来ます。

　ＣＺ法は、ＦＺ法同様にMelt Growthですから超伝導単結晶が出来るかも知れませんが、手法の違いによる（装置の作成、条件の決定、坩堝材質の選定、坩堝からのコンタミ、コングルエント又はストイキオか等）問題点が発生する可能性もあります。現在、ＦＺ法を採用しているなら、そのままで結晶育成した方が、早く結晶が得られるでしょう。

　以上、なんか取り留めのない文章ですが、ご参考になれば幸いです。

回答No.2

kent-milds

セラミックの焼結が参考になると思いますが・・・とりあえず私なりの考察を書きます。
仮定として、
１．詰め込んだ時は直線
２．静水圧で加圧したときに若干湾曲している
とするならば、加圧後は密度分布が出ている可能性があります。
密度分布が出ているなら、その後焼結すればその湾曲が増大するのはすぐわかると思います。
もしこれが原因なら、原料を詰め込む際に超音波を当てるなどをして、分布を無くす事で対策が打てると思います。

・・・ＣＺ法では作れないんですか？

補足

超音波？超音波で密度分布を解消できるんですか？超音波というと、めがねを洗浄するときに使う、あの装置を思い出すのですが、あのような装置でも可能なんですか？

ＣＺ法…ですか。ＣＺ法というのははじめて聞きました。おそらく、うちのボスもＣＺ法というのは想定していないと思います。