特許 6397130 焼結セラミック構成要素及びその形成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6397130

(24)【登録日】2018年9月7日

(45)【発行日】2018年9月26日

(54)【発明の名称】焼結セラミック構成要素及びその形成方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 35/053 20060101AFI20180913BHJP

【ＦＩ】

   C04B35/053

【請求項の数】15

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2017-525006(P2017-525006)

(86)(22)【出願日】2015年10月30日

(65)【公表番号】特表2018-501178(P2018-501178A)

(43)【公表日】2018年1月18日

(86)【国際出願番号】US2015058346

(87)【国際公開番号】WO2016077085

(87)【国際公開日】20160519

【審査請求日】2017年6月2日

(31)【優先権主張番号】62/077,583

(32)【優先日】2014年11月10日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】593150863

【氏名又は名称】サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド

(73)【特許権者】

【識別番号】508004498

【氏名又は名称】サン−ゴバン サントル ドゥ ルシェルシェ エ デトゥードゥ ユーロペン

(74)【代理人】

【識別番号】100076428

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康徳

(74)【代理人】

【識別番号】100115071

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100112508

【弁理士】

【氏名又は名称】高柳 司郎

(74)【代理人】

【識別番号】100116894

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 秀二

(74)【代理人】

【識別番号】100130409

【弁理士】

【氏名又は名称】下山 治

(74)【代理人】

【識別番号】100134175

【弁理士】

【氏名又は名称】永川 行光

(74)【代理人】

【識別番号】100188857

【弁理士】

【氏名又は名称】木下 智文

(72)【発明者】

【氏名】グアンギョン・リン

(72)【発明者】

【氏名】イエシュワンス・ナレンダー

(72)【発明者】

【氏名】ブライアン・シー・ラクールス

(72)【発明者】

【氏名】ウェズリー・アール・ロビンス

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル・レネ・アーファー

【審査官】 神▲崎▼ 賢一

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１０−５２４８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１１４５５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２４７３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２４７３６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０４Ｂ ３５／０５３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも５０重量％のＭｇＯと；
ＴｉＯ_２を含む少なくとも１種の所望のドーパントであって、前記少なくとも１種の所望のドーパントの各ドーパントが、少なくとも０．１重量％の所望のドーパントの含有率を有する、少なくとも１種の所望のドーパント材料と、を含み、
全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在する、焼結セラミック構成要素であって、
前記焼結セラミック構成要素が、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４を含み、かつ理論密度の少なくとも９０％の密度を有する、焼結セラミック構成要素。

【請求項2】

前記密度が、前記理論密度の少なくとも９４％である、請求項１に記載の焼結セラミック構成要素。

【請求項3】

ＭｇＯが５０重量％〜８０重量％の含有率にある、請求項１に記載の焼結セラミック構成要素。

【請求項4】

前記所望のドーパントの含有率が０．２重量％〜５重量％の範囲内にある、請求項１に記載の焼結セラミック構成要素。

【請求項5】

前記少なくとも１種の所望のドーパントがＣａＯを含み、ＣａＯは少なくとも０．２重量％の含有率にある、請求項１に記載の焼結セラミック構成要素。

【請求項6】

ＴｉＯ_２は３重量％以下の含有率にある、請求項１に記載の焼結セラミック構成要素。

【請求項7】

少なくとも５０重量％のＭｇＯと；
ＣａＯ、ＴｉＯ_２、又はこれらの組み合わせを含む少なくとも１種の所望のドーパントであって、前記少なくとも１種の所望のドーパントの各ドーパントが、少なくとも０．１重量％の所望のドーパントの含有率を有する、少なくとも１種の所望のドーパント材料と、を含み、
全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在する、焼結セラミック構成要素であって、
前記焼結セラミック構成要素が、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４を含み、かつ理論密度の少なくとも９０％の密度を有し、
前記焼結セラミック構成要素がガスマニフォルドである、焼結セラミック構成要素。

【請求項8】

前記少なくとも１種の所望のドーパントがＴｉＯ_２を含み、ＴｉＯ_２は３重量％以下の含有率にある、請求項７に記載の焼結セラミック構成要素。

【請求項9】

前記焼結セラミック構成要素が、ガス液化膜システムの構成要素である、請求項１に記載の焼結セラミック構成要素。

【請求項10】

前記焼結セラミック構成要素が、９．０ｐｐｍ／℃〜１３．０ｐｐｍ／℃の範囲内の、２５℃〜１２００℃での熱膨張率を有する、請求項１に記載の焼結セラミック構成要素。

【請求項11】

焼結セラミック構成要素の形成方法であって：
バインダーと、少なくとも１種の粉末とを混ぜ合わせて、未加工混合物を形成することであって、前記少なくとも１種の粉末が：
少なくとも５０重量％のＭｇＯと；
ＴｉＯ_２を含む少なくとも１種の所望のドーパント材料であって、前記少なくとも１種の所望のドーパント材料の各ドーパント材料が、少なくとも０．１重量％の所望の含有率を有する、少なくとも１種の所望のドーパント材料と；を含み、
全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在する、形成することと、
前記未加工混合物を成形して、前記焼結セラミック構成要素に対応する形状を有する物体を形成することと；
前記物体を焼結して、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４を含み、かつ理論密度の少なくとも９０％の密度を有する前記焼結セラミック構成要素を形成することと、を含む、方法。

【請求項12】

前記少なくとも１種の粉末がＭｇＡｌ_２Ｏ_４を含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記少なくとも１種の粉末がＭｇＯ及びスピネルを含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項14】

前記少なくとも１種の所望のドーパント材料が、ＣａＯ、ＣａＣＯ_３、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項15】

ＴｉＯ_２は３重量％以下の含有率にある、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

以下は、焼結セラミック構成要素及びその形成方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物燃料電池用のマニフォルドは、マグネシア−アルミン酸マグネシウムスピネルセラミックスから作製され得る。このセラミックスの出発材料は、不純物を含む商業用等級の材料である場合があり、該不純物は、マニフォルドにとって望ましくない色を与える可能性があり、又は、潜在的に固体酸化物燃料電池中の他の構成要素を汚染する可能性がある。

【0003】

マニフォルド組成物を改善することが望ましい。

【図面の簡単な説明】

【0004】

実施形態は例として示され、添付の図面により限定されない。

【0005】

【図1】図１は、比較的高いレベルの不純物を有する比較サンプルに関する膨張曲線を含む。

【図2】図２は、比較的低いレベルの不純物を有する比較サンプルに関する膨張曲線を含む。

【図3】図３は、比較的低いレベルの不純物を有する他の比較サンプルに関する膨張曲線を含む。

【図4】図４は、比較的低いレベルの不純物を有する材料を使用して形成された、ＣａＯドープされたサンプルに関する膨張曲線を含む。

【図5】図５は、比較的低いレベルの不純物を有する材料を使用して形成された、Ｙ_２Ｏ_３ドープされたサンプルに関する膨張曲線を含む。

【図6】図６は、比較的低いレベルの不純物を有する材料を使用して形成された、ＴｉＯ_２ドープされたサンプルに関する膨張曲線を含む。

【図7】図７は、比較的低いレベルの不純物を有する材料を使用して形成された、共ドープされたサンプルに関する膨張曲線を含む。

【図8】図８は、比較的低いレベルの不純物を有する材料を使用して形成された、共ドープされたサンプルに関する膨張曲線を含む。

【図9】図９は、異なるドーパントのドーパント含有率の関数としての相対密度のプロットを含む。

【発明を実施するための形態】

【0006】

当業者は、図面中の要素が、単純さ及び明瞭さのために示され、必ずしも等尺に描かれていないことを認識するであろう。例えば、図面中のいくつかの要素の寸法は、本発明の実施形態の理解の向上を助けるために、他の要素に対して誇張され得る。異なる図面における同じ参照記号の使用は、同様の又は同一の品目を示す。

【0007】

詳細な説明
以下の説明は、図面と組み合わせて、本明細書に開示した教示を理解することを援助するよう提供される。以下の解説は、該教示の特定の実行及び実施形態に焦点を当てる。この焦点は、該教示の説明を援助するよう提供され、該教示の範囲又は適用性の限定として解釈されるべきではない。

【0008】

本明細書で使用されるように、色空間座標は、ＣＩＥ１９７６（ＣＩＥＬＡＢ）座標、Ｌ^＊、ａ^＊、及びｂ^＊により表される。

【0009】

用語「ドーパント」は、意図的に添加されて材料に影響を与える化合物であって、それらの化合物は該材料に添加される、化合物を意味することが意図される。

【0010】

元素周期律表の縦列に対応する族番号は、ＩＵＰＡＣ元素周期律表の２０１１年１月２１日付の版に基づくものである。

【0011】

用語「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」、又はそれらの任意の他の変形は、非排他的包含を含むことが意図される。例えば、特徴のリストを含む方法、方法、物品、又は装置は、必ずしもそれらの特徴のみに限定されず、明示的に列挙されていない、又は、そのような方法、方法、物品若しくは装置に固有の、他の特徴も含むことができる。更に、明示的に別段の定めをした場合を除いて、「又は」は、包含的な「又は」を指し、排他的な「又は」を指すものではない。例えば、状態Ａ又はＢは、以下のいずれか１つによって満たされる：Ａは真であり（又は存在し）Ｂは偽である（又は存在しない）、Ａは偽であり（又は存在せず）Ｂは真である（又は存在する）、Ａ及びＢの両方は真である（又は存在する）。

【0012】

また、「ａ」又は「ａｎ」の使用は、本明細書に記載される要素及び構成要素を記述するために用いられる。これは単に利便性のために行われ、本発明の範囲の一般的な意味を与える。この記載は、別異の意味が明らかではない限り、複数も含む１つ、若しくは少なくとも１つ、若しくは単数を含むものとして読まれるべきであり、又はこの逆も同様である。

【0013】

別段定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者が通常理解するものと同一の意味を有する。材料、方法及び例は、単なる例示であり、限定を意図するものではない。本明細書に記載されていない範囲で、特定の材料及び加工行為に関する多くの詳細が慣習的であり、固体酸化物燃料電池及びセラミックの技術分野における教科書及び他の情報源に見出すことができる。

【0014】

装置は、焼結セラミック構成要素を備えてもよい。装置は、焼結セラミック構成要素若しくは固体酸化物燃料電池を含むエネルギー発生装置であってもよく、又はガス液化膜システム（ｇａｓ−ｔｏ−ｌｉｑｕｉｄ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｙｓｔｅｍ）であってもよい。一実施形態において、焼結セラミック構成要素は、装置にガスを提供し、若しくは装置からガスを除去するマニフォルドであってもよく、又は固体酸化物燃料電池若しくはガス液化膜システムと共に使用される他の構成要素であってもよい。そのような他の構成要素は、複数の固体酸化物燃料電池又はシステムを互いに接続するのに使用されてもよい。

【0015】

焼結セラミック構成要素は、１種以上の不純物で意図的にドープされて良好な焼結性、高い密度、必要又は所望により特定の色を提供し、色に悪影響を与え得る、又は装置中の他の構成要素と悪い相互作用を起こす他の不純物を有さない、高純度マグネシアアルミン酸マグネシウム（「ＭＭＡ」）を含んでもよい。

【0016】

特定の実施形態では、焼結セラミック構成要素は、少なくとも５０重量％のＭｇＯと；少なくとも１種の所望のドーパントであって、前記少なくとも１種の所望のドーパントの各ドーパントが、少なくとも０．１重量％の所望のドーパントの含有率を有する、少なくとも１種の所望のドーパントと；全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在し；Ａｌ_２Ｏ_３を含む残部と、を含んでもよい。

【0017】

一実施形態において、所望のドーパントは、ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、他の好適なドーパント、又はそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。別の実施形態では、所望のドーパントは、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｖ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｍｏ_２Ｏ_３、Ｗ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、又はこれらの任意の組み合わせを含んでもよい。Ｆｅ_２Ｏ_３は、ＣａＯ等の他のドーパントと組み合わされた場合、共ドーパントとして有用であり得る。一実施形態において、所望のドーパントの含有率は、少なくとも０．２重量％、少なくとも０．３重量％、少なくとも０．４重量％、又は少なくとも０．５重量％であり、別の実施形態では、所望のドーパントの含有率は、５重量％以下、３重量％以下、２重量％以下、又は１．１重量％以下である。特定の実施形態では、所望のドーパントの含有率は、０．２重量％〜５重量％、０．３重量％〜３重量％、０．４重量％〜２重量％、又は０．５重量％〜１．１重量％の範囲内にある。

【0018】

望ましいドーパントの濃度は、特定のドーパントに対してより厳密に調整されてもよい。ＣａＯの場合、ＣａＯ含有率は、少なくとも０．２重量％、少なくとも０．３重量％、少なくとも０．４重量％、若しくは少なくとも０．５重量％であってもよく、又は３重量％以下、２重量％以下、１．５重量％以下、若しくは０．９５重量％以下であってもよい。ＣａＯを有する特定の実施形態では、ＣａＯ含有率は、０．２重量％〜３重量％、０．３重量％〜２重量％、０．４重量％〜１．５重量％、０．５重量％〜０．９５重量％、又は０．２重量％〜０．５重量％の範囲内にある。Ｙ_２Ｏ_３の場合、Ｙ_２Ｏ_３含有率は、少なくとも０．２重量％、少なくとも０．３重量％、少なくとも０．４重量％、若しくは少なくとも０．５重量％であってもよく、又は３重量％以下、２重量％以下、１．５重量％以下、若しくは０．９５重量％以下であってもよい。Ｙ_２Ｏ_３を有する特定の実施形態では、Ｙ_２Ｏ_３含有率は、０．２重量％〜３重量％、０．３重量％〜２重量％、０．４重量％〜１．５重量％、又は０．５重量％〜０．９５重量％の範囲内にある。ＴｉＯ_２の場合、ＴｉＯ_２含有率は、少なくとも０．２重量％、少なくとも０．３重量％、少なくとも０．４重量％、若しくは少なくとも０．５重量％であってもよく、又は３重量％以下、２．５重量％以下、２．０重量％以下、若しくは１．５重量％以下であってもよい。ＴｉＯ_２を有する特定の実施形態では、ＴｉＯ_２含有率は、０．２重量％〜３重量％、０．３重量％〜２．５重量％、０．４重量％〜２．０重量％、又は０．５重量％〜１．５重量％の範囲内にある。

【0019】

特定の実施形態では、いくつかの化合物は、所望のドーパントでない場合がある。例えば、所望のドーパントは、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＣｕＯ、又はこれらの任意の組み合わせを含まない場合がある。それらの化合物はＭｇＯ又はＡｌ_２Ｏ_３と反応して、異なる化合物を形成し得る。

【0020】

セラミック材料は、第１のドーパントと、第１のドーパントとは異なる第２のドーパントとで共ドープされてもよい。第１のドーパントは、ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、又はＴｉＯ_２を含んでもよく、第２のドーパントは、ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｖ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｍｏ_２Ｏ_３、Ｗ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、又はこれらの任意の組み合わせを含む。一実施形態において、第１のドーパントは、第２のドーパントよりも高い濃度で最終組成物中に存在し、別の実施形態では、第１のドーパントは、第２のドーパントよりも低い濃度で最終組成物中に存在する。特定の実施形態では、第１のドーパントと第２のドーパントとの組み合わせは、最終組成物の１重量％〜９重量％の範囲内にある。

【0021】

焼結セラミック構成要素の大部分は、マグネシア及びアルミナを含み得る。一実施形態では、焼結セラミック構成要素の組成は、該焼結セラミック構成要素が連結され得る他の構成要素と熱膨張率（ＣＴＥ）が一致するように選択されてもよい。本明細書に記載されるＣＴＥｓは、２５℃〜１２００℃で測定したＣＴＥｓである。上記に開示されたアニーリング条件に関連して、ＣＴＥは、少なくとも９．０ｐｐｍ／℃、例えば少なくとも１０．３ｐｐｍ／℃、又は少なくとも１０．６ｐｐｍ／℃等であってもよい。別の実施形態では、焼結セラミック構成要素は、１３．０ｐｐｍ／℃以下、例えば１２．７ｐｐｍ／℃以下、又は１２．５ｐｐｍ／℃以下等のＣＴＥを有してもよい。更なる別の実施形態では、焼結セラミック構成要素は、９．０ｐｐｍ／℃〜１３．０ｐｐｍ／℃、１０．３ｐｐｍ／℃〜１２．７ｐｐｍ／℃、又は１０．６ｐｐｍ／℃〜１２．５ｐｐｍ／℃の範囲内のＣＴＥを有してもよい。焼結セラミック構成要素の用途に応じて、焼結セラミック構成要素のＣＴＥは、連結される材料のＣＴＥと厳密に一致してもよい。例えば、１１．０ｐｐｍ／℃〜１２．５ｐｐｍ／℃の範囲内のＣＴＥを有する焼結物は、ＳＯＦＣと共に使用するのに非常に適している。別の実施形態では、１０．６ｐｐｍ／℃〜１２．５ｐｐｍ／℃の範囲内のＣＴＥを有する焼結セラミック構成要素は、ガス液化膜システムと共に使用するのに好適であり得る。

【0022】

別の実施形態では、含有率は、ＭｇＯの量と、他のＡｌ_２Ｏ_３の量とで表されてもよい。一実施形態では、ＭｇＯは、少なくとも５１重量％、少なくとも５５重量％、又は少なくとも６０重量％である含有率を有し、別の実施形態では、ＭｇＯは、８０重量％以下、７５重量％以下、又は７０重量％以下である含有率を有する。特定の実施形態では、ＭｇＯは、５１重量％〜８０重量％、５５重量％〜７５重量％、６０重量％〜７０重量％の範囲内にある含有率を有する。一実施形態では、Ａｌ_２Ｏ_３は、少なくとも２０重量％、少なくとも２５重量％、又は少なくとも３０重量％である含有率を有し、別の実施形態では、Ａｌ_２Ｏ_３は、４９重量％以下、４５重量％以下、又は４０重量％以下である含有率を有する。特定の実施形態では、Ａｌ_２Ｏ_３は、２０重量％〜４９重量％、２５重量％〜４５重量％、３０重量％〜４０重量％の範囲内にある含有率を有する。

【0023】

所望のドーパントは、セラミック構成要素を過度に高い温度で焼結する必要なく、又は、比較的高いレベルの望ましくない不純物を有することなく、良好な密度を達成することを助けることができる。一実施形態では、焼結セラミック構成要素は、理論密度の少なくとも９０％、理論密度の少なくとも９２％、又は理論密度の少なくとも９４％である密度を有し、別の実施形態では、理論密度の９９．９％以下、理論密度の９９．５％以下、又は理論密度の９９．０％以下である密度を有する。特定の実施形態では、焼結セラミック構成要素は、理論密度の９０％〜９９．９％、理論密度の９２％〜９９．５％、又は理論密度の９４％〜９９％の範囲内の密度を有する。

【0024】

密度は相対ベースで表すこともできる。相対密度は、理論密度の百分率における差として表すことができる。例として、２つの異なる構成要素は、異なる組成を有し、同じ条件下で焼結される。一方の構成要素は、理論密度の９７％である密度を有してもよく、他方の構成要素は、理論密度の９２％である密度を有してもよい。一方の構成要素の密度は、他方の構成要素の密度よりも５％高い。一実施形態では、同じ条件下で焼結された場合、焼結セラミック構成要素は、少なくとも５０重量％のＭｇＯと、全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在し、Ａｌ_２Ｏ_３を含む残部とを含み、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３以外には、少なくとも０．１重量％の含有率で存在する他の金属酸化物は存在しない、異なる焼結セラミック構成要素の密度よりも少なくとも３％、少なくとも６％、少なくとも９％、又は少なくとも１２％高い密度を有する。別の実施形態では、同じ条件下で焼結された場合、焼結セラミック構成要素は、少なくとも５０重量％のＭｇＯと、全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在し、Ａｌ_２Ｏ_３を含む残部とを含み、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３以外には、少なくとも０．１重量％の含有率で存在する他の金属酸化物は存在しない、異なる焼結セラミック構成要素の密度よりも１７％以下、１６％以下、１５％以下、又は１４％以下、高い密度を有する。特定の実施形態では、同じ条件下で焼結された場合、焼結セラミック構成要素は、少なくとも５０重量％のＭｇＯと、全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在し、Ａｌ_２Ｏ_３を含む残部とを含み、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３以外には、少なくとも０．１重量％の含有率で存在する他の金属酸化物は存在する、異なる焼結セラミック構成要素の密度よりも３％〜１７％、６％〜１６％、９％〜１５％の範囲内、高い密度を有する。

【0025】

焼結セラミック構成要素の色は、ＣＩＥＬＡＢ座標で表すことができる。一実施形態では、焼結セラミック構成要素は、少なくとも６５、少なくとも８０、又は少なくとも８８のＬ^＊を有し；ａ^＊は、−１．０〜＋７．０、−０．３〜＋２．０、又は−０．２〜＋１．５の範囲内にあり；ｂ^＊は、＋４．０〜＋２０、＋４．２〜＋１５、又は＋４．４〜＋１２の範囲内にある。焼結セラミック構成要素のユーザーは、焼結セラミック構成要素が比較的白い外観を有することを所望する可能性がある。一実施形態では、焼結セラミック構成要素は、少なくとも８５、少なくとも８８、又は少なくとも８９のＬ^＊を有し；ａ^＊は、−１．０〜＋１．０、−０．３〜＋０．７、又は−０．２〜＋０．４の範囲内にあり；ｂ^＊は、＋４．０〜＋９．０＋４．２〜＋８．５、又は＋４．４〜＋８．０の範囲内にある。色ではなく汚染がより関心事となり得る。代替的に、ユーザーは焼結セラミック構成要素が黄色又は暗黄色の外観を有することを所望する可能性がある。特定の実施形態では、焼結セラミック構成要素は、少なくとも６５、少なくとも７０、又は少なくとも７５のＬ^＊を有し；ａ^＊は、０．０〜＋７．０＋０．５〜＋６．６、又は＋０．７〜＋６．０の範囲内にあり；ｂ^＊は、＋５．０〜＋２０、＋６．０〜＋１７、又は＋６．５〜＋１５の範囲内にある。

【0026】

焼結セラミック化合物の形成方法は、焼結セラミック化合物を構成する適切な粉末を得ることを含み得る。ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３の供給源は、これら特定の化合物を含んでもよく、又は他の供給源を含んでもよい。一実施形態では、ＭｇＯ及びスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）の粉末を使用することができる。別の実施形態では、融合ＭｇＯ含有ＭｇＡｌ_２Ｏ_４を含む粉末を使用してもよい。かくして、ＭｇＯとＡｌ_２Ｏ_３の相対的な量は、多様なやり方で制御することができる。１種以上の所望のドーパントを添加してもよい。前述した任意のドーパントを、前述した量で添加することができる。別の実施形態では、ドーパントは、異なる化合物を使用して添加されてもよい。例えば、ＣａＣＯ_３がＣａＯの代わりに又はＣａＯと共に使用されてもよい。形成の連続の間、ＣａＣＯ_３はＣａＯとＣＯ_２に分解するので、焼結セラミック構成要素中にＣａＯを残留させる。出発材料中のＣａＣＯ_３の量は、ＣａＯと比較して大きい分子量を補償するよう調整されてもよい。粉末は、必要又は所望により、凝集若しくは粉砕され、又は他の粒子サイズ変更操作に供される等されてもよい。一実施形態において、粉末は、同じ材料又は異なる材料に関して異なる粒子サイズを有してもよい。セラミック構成要素用の粉末は、該粉末が適切な粒子サイズを得る前に、又は得ている間に、又は得た後に、混ぜ合わされてもよい。粉末は、少なくとも５０重量％のＭｇＯと；少なくとも１種の所望のドーパントであって、前記少なくとも１種の所望のドーパントの各ドーパントが、少なくとも０．１重量％の所望のドーパントの含有率を有する、少なくとも１種の所望のドーパントと；全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在し；Ａｌ_２Ｏ_３を含む残部とを含んでもよい。

【0027】

方法は、粉末と、バインダー、他の材料、又はそれらの組み合わせとを混ぜ合わせて、未加工混合物を形成することを更に含んでもよい。バインダー又は他の材料には、ポリアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、粉末の混合若しくは結合を補助する他の好適な材料、又はそれらの任意の組み合わせを挙げることができる。必要又は所望により、溶媒を使用してもよい。溶媒には、水、アルコール、グリコール、粉末とバインダーのより良好な混合を可能にすることを補助し得る他の好適な液体、又はそれらの任意の組み合わせを挙げることができる。必要又は所望により、１種以上の追加の材料を添加してもよい。そのような追加の材料には、界面活性剤、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、フタル酸ベンジルブチル、魚油、又はそれらの任意の組み合わせを挙げることができる。

【0028】

本方法は、焼結セラミック構成要素に対応する形状を有する未加工混合物を成形することを更に含んでもよい。この形状は、次の焼結操作中の緻密化に起因して、最終的な焼結セラミック構成要素よりも大きくてもよい。

【0029】

この物体は、焼結セラミック構成要素を形成する１つ以上の操作中に加熱されてもよい。物体は第１の温度に加熱されて、溶媒等の揮発性構成要素を追い出してもよい。温度は、１時間〜４時間の範囲内の時間、２５℃〜１５０℃の範囲内にあってもよい。揮発性構成要素の追い出し中の圧力は、大気圧、又は真空圧力下であってもよい。真空圧力を使用する場合、圧力は、物体中に任意の亀裂、破断、又は他の欠陥を生じさせるほど低いものであってはならない。温度は、バインダー及び任意の他の炭素含有材料を焼き尽くすよう上昇させてもよい。焼き尽くし操作の温度は、５〜４８時間の範囲内の時間、１５０℃〜６５０℃の範囲内にあってもよい。焼き尽くしの圧力は、大気圧、大気圧よりも高い圧力、又は真空下で行われてもよい。焼き尽くし中に放出するガスは、圧力が高すぎる場合、除去することが困難であり得る。一実施形態では、圧力は、３０ｋＰａを超えない可能性がある。圧力が低すぎる場合、亀裂、破断、又は他の欠陥が物体中に形成され得る。一実施形態では、圧力は、少なくとも０．２ｋＰａ（絶対圧）であってもよい。別の実施形態では、挙げたものよりも高い又は低い圧力が用いられてもよい。焼き尽くしは、Ｏ_２、オゾン、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ等の酸素含有ガスを使用して行われてもよい。Ｏ_２は、空気の形態（２１体積％のＯ_２）にあってもよく、又は空気とは異なる濃度で提供されてもよい。空気は、バインダー又は他の炭素含有材料の焼き尽くし中に、炉内に流されてもよい。

【0030】

温度を更に上昇させて、焼結セラミック構成要素を形成してもよい。物体中の１種以上のドーパントは、材料の焼結温度を低下させることを助け得る。それ故、焼結は、マグネシア−アルミナ材料のみよりも低い温度で行われ得る。焼結は、１６００℃未満の温度で行われてもよい。ドーパントがない場合、マグネシア−アルミナ材料は、材料が１６００℃を遥かに超えるまで、例えば１８００℃により近くなるまで、適切に焼結しないであろう。一実施形態では、焼結は、少なくとも１２００℃、少なくとも１２５０℃、又は少なくとも１３００℃の温度で行われ、別の実施形態では、焼結は、１５７５℃以下、１５００℃以下、又は１４５０℃以下の温度で行われる。特定の実施形態では、焼結は、１２００℃〜１５７５℃、１２５０℃〜１５５０℃、又は１３００℃〜１４５０℃の範囲内の温度で行われる。焼結は、十分な焼結と緻密化が起こることができる時間、行われてもよい。一実施形態では、この時間は、少なくとも１時間、少なくとも２時間、又は少なくとも３時間であり、別の実施形態では、この時間は、５０時間以下、２０時間以下、又は９時間以下であってもよい。特定の実施形態では、この時間は、１時間〜５０時間、２時間〜２０時間、又は３時間〜９時間の範囲内にある。焼結は、少なくとも大気圧（無圧焼結とも称される）の圧力から、比較的高い圧力の間で行われてもよい。圧力は、加圧ガス、ホットプレス又は熱間等方圧加圧の形態で付与されてもよい。焼結は、Ｏ_２、オゾン、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ等の酸素含有ガスを使用して行われてもよい。Ｏ_２は、空気の形態（２１体積％のＯ_２）にあってもよく、又は空気とは異なる濃度で提供されてもよい。

【0031】

焼結パラメータの多数の値が記載されているが、当業者は、この明細書を読んだ後、本明細書の概念から逸脱することなく、開示された値以外の値が使用できることを認識するであろう。上述した操作は、単一の加熱サイクル中、又は異なる加熱サイクル中に行われてもよい。加熱中に追加の操作を行うことができる。例えば、焼結後の冷却中、焼結セラミック構成要素は、該構成要素中に過度の歪みが蓄積される可能性を低減する温度に浸されてもよい。加熱速度及び冷却速度の制御を用いて、該構成要素中に過度の歪み及び亀裂が蓄積される可能性を低減することもできる。

【0032】

この焼結セラミック構成要素は、ガスマニフォルド、若しくは、固体酸化物燃料電池、ガス液化膜システムと共に使用される他の構成要素としての使用、又は、焼結セラミック構成要素が、装置の通常の操作条件中、比較的高い（即ち、４００℃を超える）への暴露に耐えるように構成されている他の用途に非常に適している。

【0033】

多くの異なる態様及び実施形態が可能である。それらの態様及び実施形態のいくつかを本明細書に記載する。当業者は、この明細書を読んだ後、それらの態様及び実施形態が単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものではないことを認識するであろう。加えて、当業者は、アナログ回路を含むいくつかの実施形態が、デジタル回路を使用して同様に実行でき、逆もまた同様であることを理解するであろう。実施形態は、以下に列挙する項目の任意の１つ以上に従ったものであり得る。

【0034】

実施形態１。少なくとも５０重量％のＭｇＯと；少なくとも１種の所望のドーパントであって、前記少なくとも１種の所望のドーパントの各ドーパントが、少なくとも０．１重量％の所望のドーパントの含有率を有する、少なくとも１種の所望のドーパントと；全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在し；Ａｌ_２Ｏ_３を含む残部と、を含み得る最終組成を有する焼結セラミック構成要素。

【0035】

実施形態２。焼結セラミック構成要素の形成方法であって：
バインダーと、少なくとも１種の粉末とを混ぜ合わせて、未加工混合物を形成することであって、前記少なくとも１種の粉末が、少なくとも５０重量％のＭｇＯと；少なくとも１種の所望のドーパントであって、前記少なくとも１種の所望のドーパントの各ドーパントが、少なくとも０．１重量％の所望のドーパントの含有率を有する、少なくとも１種の所望のドーパントと；全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在し；Ａｌ_２Ｏ_３を含む残部と、を含む、形成することと；
前記未加工混合物を成形して、焼結セラミック構成要素に対応する形状を有する物体を形成することと；
前記物体を焼結して、最終組成を有する焼結セラミック構成要素を形成することであって、焼結が１６００℃未満の温度で行われ、焼結セラミック構成要素が、理論密度の少なくとも９０％の密度を有する、形成することと、を含み得る、方法。

【0036】

実施形態３。バインダーを添加する前に、ＭｇＯを含む第１の粉末と、Ａｌ_２Ｏ_３を含む第２の粉末と、前記少なくとも１種の所望のドーパントを含む第３の粉末とを混ぜ合わせることを更に含む、実施形態２の方法。

【0037】

実施形態４。バインダーを添加する前に、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３を含む第１の粉末と、前記少なくとも１種の所望のドーパントを含む第２の粉末とを混ぜ合わせることを更に含む、実施形態２の方法。

【0038】

実施形態５。第１の粉末が融合ＭｇＯ含有ＭｇＡｌ_２Ｏ_４材料を含む、実施形態４の方法。

【0039】

実施形態６。焼結が、少なくとも１２００℃、少なくとも１２５０℃、又は少なくとも１３００℃の温度で行われる、実施形態２〜５のいずれか１つの方法。

【0040】

実施形態７。焼結が、１５７５℃以下、１５００℃以下、又は１４５０℃以下の温度で行われる、実施形態２〜６のいずれか１つの方法。

【0041】

実施形態８。焼結が、１２００℃〜１５７５℃、１２５０℃〜１５５０℃、又は１３００℃〜１４５０℃の範囲内の温度で行われる、実施形態２〜７のいずれか１つの方法。

【0042】

実施形態９。物体を焼結する前にバインダーを焼き尽くすことを更に含む、実施形態２〜８のいずれか１つの方法。

【0043】

実施形態１０。混ぜ合わせた粉末中の前記少なくとも１種の所望のドーパントがＣａＣＯ_３である、実施形態２〜９のいずれか１つの方法。

【0044】

実施形態１１。前記所望のドーパントの含有率が、少なくとも０．２重量％、少なくとも０．３重量％、少なくとも０．４重量％、又は少なくとも０．５重量％である、実施形態１〜１０のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0045】

実施形態１２。前記所望のドーパントの含有率が、５重量％以下、３重量％以下、２重量％以下、又は１．１重量％以下である、実施形態１〜１１のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0046】

実施形態１３。前記所望のドーパントの含有率が、０．２重量％〜５重量％、０．３重量％〜３重量％、０．４重量％〜２重量％、又は０．５重量％〜１．１重量％の範囲内にある、実施形態１〜１２のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0047】

実施形態１４。前記少なくとも１種の所望のドーパントがＣａＯを含む、実施形態１〜１３のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0048】

実施形態１５。ＣａＯ含有率が少なくとも０．２重量％、少なくとも０．３重量％、少なくとも０．４重量％、又は少なくとも０．５重量％である、実施形態１４の焼結セラミック構成要素又は方法。

【0049】

実施形態１６。ＣａＯ含有率が３重量％以下、２重量％以下、１．５重量％以下、又は０．９５重量％以下である、実施形態１４又は１５の焼結セラミック構成要素又は方法。

【0050】

実施形態１７。ＣａＯ含有率が０．２重量％〜３重量％、０．３重量％〜２重量％、０．４重量％〜１．５重量％、０．５重量％〜０．９５重量％、又は０．２重量％〜０．５重量％の範囲内にある、実施形態１４、１５、又は１６の焼結セラミック構成要素又は方法。

【0051】

実施形態１８。前記少なくとも１種の所望のドーパントがＹ_２Ｏ_３を含む、実施形態１〜１７のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0052】

実施形態１９。Ｙ_２Ｏ_３含有率が少なくとも０．２重量％、少なくとも０．３重量％、少なくとも０．４重量％、又は少なくとも０．５重量％である、実施形態１８の焼結セラミック構成要素。

【0053】

実施形態２０。Ｙ_２Ｏ_３含有率が３重量％以下、２重量％以下、１．５重量％以下、又は０．９５重量％以下である、実施形態１８又は１９の焼結セラミック構成要素。

【0054】

実施形態２１。Ｙ_２Ｏ_３含有率が０．２重量％〜３重量％、０．３重量％〜２重量％、０．４重量％〜１．５重量％、又は０．５重量％〜０．９５重量％の範囲内にある、実施形態１８、１９、又は２０の焼結セラミック構成要素。

【0055】

実施形態２２。前記少なくとも１種の所望のドーパントがＴｉＯ_２を含む、実施形態１〜２１のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0056】

実施形態２３。ＴｉＯ_２含有率が少なくとも０．２重量％、少なくとも０．３重量％、少なくとも０．４重量％、又は少なくとも０．５重量％である、実施形態２２の焼結セラミック構成要素。

【0057】

実施形態２４。ＴｉＯ_２含有率が３重量％以下、２．５重量％以下、２．０重量％以下、又は１．５重量％以下である、実施形態２２又は２３の焼結セラミック構成要素。

【0058】

実施形態２５。ＴｉＯ_２含有率が０．２重量％〜３重量％、０．３重量％〜２．５重量％、０．４重量％〜２．０重量％、又は０．５重量％〜１．５重量％の範囲内にある、実施形態２２、２３、又は２４の焼結セラミック構成要素。

【0059】

実施形態２６。前記少なくとも１種の所望のドーパントが、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｖ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｍｏ_２Ｏ_３、Ｗ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、又はこれらの任意の組み合わせを含む、実施形態１〜２５のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0060】

実施形態２７。前記少なくとも１種の所望のドーパントが、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、又はＣｕＯを含まない、実施形態１〜２６のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0061】

実施形態２８。前記少なくとも１種のドーパントが、第１のドーパント及び第２のドーパントを含む、実施形態１〜２７のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0062】

実施形態２９。第１のドーパントがＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、又はＴｉＯ_２を含む、実施形態２８の焼結セラミック構成要素又は方法。

【0063】

実施形態３０。第２のドーパントがＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｖ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｍｏ_２Ｏ_３、Ｗ_２Ｏ_３、又はＣｏ_２Ｏ_３を含む、実施形態２８又は２９の焼結セラミック構成要素又は方法。

【0064】

実施形態３１。第１のドーパントが、第２のドーパントよりも高い濃度で最終組成物中に存在する、実施形態２８〜３０のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0065】

実施形態３２。第１のドーパントが、第２のドーパントよりも低い濃度で最終組成物中に存在する、実施形態２８〜３１のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0066】

実施形態３３。第１のドーパントと第２のドーパントとの組み合わせが、最終組成物の１重量％〜９重量％の範囲内にある、実施形態２８〜３２のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0067】

実施形態３４。ＭｇＯが、少なくとも５１重量％、少なくとも５５重量％、又は少なくとも６０重量％の含有率を有する、実施形態１〜３３のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0068】

実施形態３５。ＭｇＯが、８０重量％以下、７５重量％以下、又は７０重量％以下の含有率を有する、実施形態１〜３４のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0069】

実施形態３６。ＭｇＯが、５１重量％〜８０重量％、５５重量％〜７５重量％、６０重量％〜７０重量％の範囲内にある含有率を有する、実施形態１〜３５のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0070】

実施形態３７。Ａｌ_２Ｏ_３が、少なくとも２０重量％、少なくとも２５重量％、又は少なくとも３０重量％である含有率を有する、実施形態１〜３６のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0071】

実施形態３８。Ａｌ_２Ｏ_３が、４９重量％以下、４５重量％以下、又は４０重量％以下である含有率を有する、実施形態１〜３７のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0072】

実施形態３９。Ａｌ_２Ｏ_３が、２０重量％〜４９重量％、２５重量％〜４５重量％、３０重量％〜４０重量％の範囲内にある含有率を有する、実施形態１〜３８のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0073】

実施形態４０。焼結セラミック構成要素がガスマニフォルドである、実施形態１〜３９のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0074】

実施形態４１。装置が固体酸化物燃料電池であり、ガスマニフォルドが、固体酸化物燃料電池の電極に流体連結されている、実施形態３８のガスマニフォルドを備える装置。

【0075】

実施形態４２。焼結セラミック構成要素が、ガス液化膜システムの構成要素である、実施形態１〜３９のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0076】

実施形態４３。焼結セラミック構成要素が以下のＣＩＥＬＡＢ座標を有する、実施形態１〜４２のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法：
Ｌ^＊は、少なくとも６５、少なくとも８０、又は少なくとも８８であり；
ａ^＊は、−１．０〜＋７．０、−０．３〜＋２．０、又は−０．２〜＋１．５の範囲内にあり；
ｂ^＊は、＋４．０〜＋２０、＋４．２〜＋１５、又は＋４．４〜＋１２の範囲内にある。

【0077】

実施形態４４。焼結セラミック構成要素が以下のＣＩＥＬＡＢ座標を有する、実施形態１〜４３のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法：
Ｌ^＊は、少なくとも８５、少なくとも８８、又は少なくとも８９であり；
ａ^＊は、−１．０〜＋１．０、−０．３〜＋０．７、又は−０．２〜＋０．４の範囲内にあり；
ｂ^＊は、＋４．０〜＋９．０＋４．２〜＋８．５、又は＋４．４〜＋８．０の範囲内にある。

【0078】

実施形態４５。焼結セラミック構成要素が以下のＣＩＥＬＡＢ座標を有する、実施形態１〜４３のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法：
Ｌ^＊は、少なくとも６５、少なくとも７０、又は少なくとも７５であり；
ａ^＊は、０．０〜＋７．０＋０．５〜＋６．６、又は＋０．７〜＋６．０の範囲内にあり；
ｂ^＊は、＋５．０〜＋２０、＋６．０〜＋１７、又は＋６．５〜＋１５の範囲内にある。

【0079】

実施形態４６。焼結セラミック構成要素が、少なくとも５０重量％のＭｇＯと、全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在し、Ａｌ_２Ｏ_３を含む残部とを含み、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３以外には、少なくとも０．１重量％の含有率で存在する他の金属酸化物は存在しない、異なる焼結セラミック構成要素よりも少なくとも３％、少なくとも６％、少なくとも９％、又は少なくとも１２％高い密度を有する、実施形態１〜４５のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0080】

実施形態４７。焼結セラミック構成要素が、少なくとも５０重量％のＭｇＯと、全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在し、Ａｌ_２Ｏ_３を含む残部とを含み、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３以外には、少なくとも０．１重量％の含有率で存在する他の金属酸化物は存在しない、異なる焼結セラミック構成要素よりも１７％以下、１６％以下、１５％以下、又は１４％以下、高い密度を有する、実施形態１〜４６のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0081】

実施形態４８。焼結セラミック構成要素が、少なくとも５０重量％のＭｇＯと、全不純物は０．７重量％未満の総不純物含有率で存在し、Ａｌ_２Ｏ_３を含む残部とを含み、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３以外には、少なくとも０．１重量％の含有率で存在する他の金属酸化物は存在しない、異なる焼結セラミック構成要素よりも３％〜１７％、６％〜１６％、９％〜１５％の範囲内、高い密度を有する、実施形態１〜４７のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0082】

実施形態４９。焼結セラミック構成要素が、少なくとも９．０ｐｐｍ／℃、少なくとも１０．３ｐｐｍ／℃、又は少なくとも１０．６ｐｐｍ／℃の、２５℃〜１２００℃での熱膨張率を有する、実施形態１〜４８のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0083】

実施形態５０。焼結セラミック構成要素が、１３．０ｐｐｍ／℃以下、１２．７ｐｐｍ／℃以下、又は１２．５ｐｐｍ／℃以下の、２５℃〜１２００℃での熱膨張率を有する、実施形態１〜４９のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0084】

実施形態５１。実施形態５１。焼結セラミック構成要素が、９．０ｐｐｍ／℃〜１３．０ｐｐｍ／℃、１０．３ｐｐｍ／℃〜１２．７ｐｐｍ／℃、又は１０．６ｐｐｍ／℃〜１２．５ｐｐｍ／℃の範囲内の、２５℃〜１２００℃での熱膨張率を有する、実施形態１〜５０のいずれか１つの焼結セラミック構成要素又は方法。

【0085】

実施例
以下に提示する実施例は、上述した組成を有する焼結セラミック構成要素が、１６００℃未満の焼結温度で形成され、所望の密度及び外観を達成し得ることを示す。焼結セラミック構成要素は、選択されるドーパントとドーパント濃度に応じて、異なる色を有し得る。サンプルを生成して、焼結温度、１５５０℃で４時間焼結した場合の密度、及び焼結材料の色情報を分析した。

【0086】

１ サンプルの組成及びアニーリング
異なる組成を有するサンプルを生成した。１つのサンプルは、不純物が比較的多い商業用等級の従来の出発材料を使用して作製し、不純サンプルと称した。比較的低い不純物レベルを有する出発材料でサンプルを作製し、純粋１サンプル及び純粋２サンプルと称した。下記の表１及び表２は、不純サンプル、純粋１サンプル及び純粋２サンプルの粒子サイズ分布及び組成を含む。粒子サイズ分布に関して、ｄ_１０、ｄ_５０、及びｄ_９０は、不純及び純粋サンプルの１０パーセンタイル値、５０パーセンタイル値、及び９０パーセンタイル値を表す。

【0087】

表１−不純及び純粋サンプルの粒子サイズ分布

【0088】

【表1】

【0089】

表２−不純及び純粋サンプルの組成

【0090】

【表2】

【0091】

比較的低い不純物レベルを有する出発材料を使用して他のサンプルを生成し、それらの出発材料にはドーパントが異なる濃度で添加されていた。詳細には、ＴｉＯ_２及びＹ１−Ｃａ０．５でドープ又は共ドープされたサンプル（これらは各々、純粋２サンプルの形成に使用した材料を使用して生成した）のサンプル以外は、純粋１サンプルの形成に使用した材料を使用して、下記のドープされたサンプルを生成した。下記は、サンプル及びドーピング濃度を示す表である。

【0092】

表３−ＣａＯドープされたサンプル（純粋１サンプルに使用した材料をドープした）

【0093】

【表3】

【0094】

表４−Ｙ_２Ｏ_３ドープされたサンプル（純粋１サンプルに使用した材料をドープした）

【0095】

【表4】

【0096】

表５−ＴｉＯ_２ドープされたサンプル（純粋２サンプルに使用した材料をドープした）

【0097】

【表5】

【0098】

表６−共ドープされたサンプル

【0099】

【表6】

【0100】

サンプルの調製後、サンプルを１０℃／分の速度で１６００℃に加熱して、膨張曲線に関するデータを得た。他のサンプルを空気中、１５５０℃で４時間加熱して緻密化データを得た。

【0101】

２ 実験データ
サンプルに関する膨張曲線を生成した。膨張曲線は図１〜８に含まれ、これらの図は、１６００℃に加熱中の温度の関数としての％ｄＬ／ｄＴを有する。図１は、不純サンプルの膨張曲線を含む。図２及び３は、純粋１及び純粋２サンプルの膨張曲線を含む。図４〜８は、選択されたドープ及び共ドープサンプルに関する膨張曲線を含む。

【0102】

緻密化は、明記したものを除いて、空気中、１５５０℃で４時間行った。図９は、特定のドーパントに関するドーピング濃度の関数としての、理論密度の百分率として表した緻密化のプロットを含む。不純サンプルに関する材料は、一般に９５．７％〜９８．８％の範囲内の緻密化を有する。表７は、緻密化データを含む。

【0103】

表７−緻密化（空気中、１５５０℃で４時間）

【0104】

【表7】

【0105】

サンプルを、ヒトの眼に対するそれらの外観に関して確認した。サンプルを緻密化後に検査し、緻密化サンプルはアニール後、空気中、８００℃で７２時間アニールされた。表８は、外観情報を含む。

【0106】

表８−外観

【0107】

【表8】

【0108】

緻密化後のサンプルを、色空間座標Ｌ^＊、ａ^＊及びｂ^＊によるそれらの色に関して分析した。ＹＩＥ３１３［Ｄ６５／１０］は、ＡＳＴＭ標準Ｅ３１３を使用し、本明細書の出願日にて有効な版を使用して測定した黄色度である。Ｄ６５は標準イルミナントであり、１０は挿入光の角度を指す。表９は、色空間座標及び黄色度情報を含む。

【0109】

表９−色空間座標及び黄色度

【0110】

【表9】

【0111】

３ 観察事項
不純サンプルは、良好な焼結及び緻密化特性を有する；しかしながら、不純サンプルは、使用されている商業用等級の出発材料に起因して、高いレベルの不純物を有する。純粋１サンプルは白色の外観を有するが、１５５０℃で４時間暴露された際の密度は８３％である。ある用途においては、少なくとも９５％の緻密化が必要であり又は所望され得る。従って、焼結が１６００℃を超える温度で行われ、又は１６００℃以下での暴露が長時間である必要があり、これらは両方とも望ましくない。純粋１及び純粋２サンプルは、非常に低いレベルの不純物を有し、白色の外観を有する。純粋１サンプルと比較すると、純粋２サンプルは有意に高いＺｒＯ_２含有率を有する；しかしながら、そのようなＺｒＯ_２含有率にあっても、純粋２サンプルは尚、十分良好な焼結及び密度特性を有さない。

【0112】

ＣａＯドープサンプルは、白色の外観と良好な焼結特性を有する。空気中、１５５０℃で４時間の焼結後、密度は、０．１３重量％以上のＣａＯ含有率で理論密度の９５％を超える。全体的に見れば、密度は、０．４０重量％〜０．５５重量％の範囲内のＣａＯ含有率で最も高い。より多量のＣａＯを使用することができる；しかしながら、より高い含有率レベルは、製造コストを増大させ、密度を更に向上させることはない。

【0113】

Ｙ_２Ｏ_３ １サンプルは、白色の外観を有する。Ｙ_２Ｏ_３含有率が増大するにつれて、サンプルはより黄色となる。２体積％以上で、Ｙ_２Ｏ_３ドープサンプルは暗黄色の外観を有し、この暗黄色は、空気中、８００℃で７２時間暴露された際に黄色に変化し得る。焼結特性は良好であるが、ＣａＯドープサンプルほどではない。データに基づけば、密度は、Ｙ_２Ｏ_３含有率が１．４０重量％に達するまで増大し、次いで低下する。

【0114】

ＴｉＯ_２ドープサンプルは、白色の外観を有する。焼結特性は良好であり、ＣａＯドープサンプルの焼結特性と、Ｙ_２Ｏ_３ドープサンプルとの焼結特性との間にある。データに基づけば、密度は、ＴｉＯ_２含有率が０．９重量％に達するまで増大し、次いで低下する。

【0115】

Ｙ１．０−Ｃａ０．５−共ドープサンプルは、白色の外観を有し、９５．１％の密度を有し、密度及び外観の両方においてＣａＯ０．５単独でドープされたサンプルと同じである一方、Ｙ１．０（１．０体積％のＹ_２Ｏ_３）単独でドープされたサンプル（９１．８％）よりも高い。Ｙ２．２−Ｃａ０．８４は、それらの対応する単独でドープされたサンプルのＹ又はＣａ含有率に関係なく、Ｙ又はＣａサンプルの密度よりも高い密度（９７．４％）を有し、Ｙ２．２−Ｃａ０．８４共ドープサンプルは暗黄色の外観を有し、２．７８重量％以上のＹ_２Ｏ_３含有率を有するＹ_２Ｏ_３ドープサンプルと同じである。これらのデータは、ある用途において色及び密度の両方が重要である場合、所定の量のＹ_２Ｏ_３及びＣａＯドーピングを使用することができることを示している。Ｔｉ０．５−Ｃａ０．５及びＴｉ１．０−Ｃａ０．５共ドープサンプルの両方は、密度及び外観の両方において、ＣａＯ０．５単独でドープされたサンプルと同様の結果を有するが、密度はＴｉ０．５及びＴｉ１．０単独でドープされたサンプルよりも高い。

【0116】

一般的説明又は実施例において上述した作業の全てが必要ではなく、特定の作業の一部は必要ではない場合があり、記載されたものに加えて１つ以上の更なる作業を行い得ることに留意されたい。また更に、作業が列挙される順序は、必ずしもそれらが行われる順序ではない。

【0117】

利益、他の利点、及び問題に対する解決法は、特定の実施形態に関連して上述した。しかしながら、利益、利点、及び問題に対する解決法、並びに任意の利益、利点及び解決法を生じ得る、又はそれらがより明白となる任意の特徴は、任意の又は全ての特許請求の範囲の重大な、必要な、又は必須の特徴であると解釈されるべきではない。

【0118】

本明細書に記載した実施形態の詳述及び実例は、様々な実施形態の構造の一般的理解を提供することが意図される。詳述及び実例は、本明細書に記載した構造又は方法を用いた装置及びシステムの要素及び特徴の全ての網羅的かつ包括的な記載としての役割を果たすことを意図していない。別個の実施形態は、単一の実施形態における組み合わせで提供されてもよく、逆に、簡潔さのために単一の実施形態の文脈で記載された様々な特徴は、別個に又は任意のサブコンビネーションで提供されてもよい。更に、範囲で言及された値に対する参照は、その範囲内の各値及び全ての値を含む。本明細書を読んだ後のみ、多数の他の実施形態が当業者に明らかであり得る。本開示の範囲から逸脱することなく、構造的代替、論理的代替、又は他の変更を為し得るように、他の実施形態を使用し、本開示から誘導することができる。従って、本開示は、限定するものではなく、例示であると考慮するべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】