スカンジア安定化ジルコニアおよびその製造方法
【課題】酸素イオン導電率の低い単斜晶相が少なく、熱膨張率が特定の範囲にあり、かつ熱収縮開始温度が高い低温作動型固体電解質燃料電池用の固体電解質材料であるスカンジア安定化ジルコニアを提供する。
【解決手段】（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表され、かつ立方晶相と単斜晶相とを含有し、単斜晶相率が１〜３０％であることを特徴とするスカンジア安定化ジルコニア。
【解決手段】（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表され、かつ立方晶相と単斜晶相とを含有し、単斜晶相率が１〜３０％であることを特徴とするスカンジア安定化ジルコニア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温作動型燃料電池の固体電解質として有用なスカンジア安定化ジルコニアであって、特に熱収縮開始温度が高く、熱膨張収縮特性に優れたスカンジア安定化ジルコニアに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スカンジア安定化ジルコニアは、その高い酸素イオン導電性から、低温作動型燃料電池の固体電解質として注目されている。
この固体電解質のスカンジア安定化ジルコニアは、同様の固体電解質としてのイットリア安定化ジルコニアと比較して、酸素イオン導電率が高いうえ、機械的強度に優れているという特徴を有している。
【０００３】
一方で、スカンジア安定化ジルコニアは結晶相が安定しないという欠点と、６００℃付近の温度で機械的強度の低下を起こすという欠点がある。
この機械的強度を補強するためにスカンジア安定化ジルコニアにドーパントとしてアルミナを固溶した三元系の複合酸化物は、結晶相が立方晶相で安定化され、高温での相変化が現れにくい物質として知られている。例えば、（1−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙＡｌ2Ｏ3（０．０７≦ｘ+ｙ≦０．１３、かつ０．００５≦ｙ＜０．０２）からなる組成を有し、室温から動作温度の間で立方晶相である酸素イオン導電体は、菱面体晶相のＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３系材料のような動作温度でのジルコニアの菱面体晶相から立方晶相への相変化がないため、熱サイクルによる燃料極や空気極との剥離がないことが知られている。（特許文献１参照）
【０００４】
また、１２ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３−８８ｍｏｌ％ＺｒＯ２に０.３から５重量％のアルミナを添加したスカンジア安定化ジルコニアは、立方晶相の安定化を図ることができることも知られている。（特許文献２参照）
しかし、アルミナは絶縁体であるためにアルミナを添加しないスカンジア安定化ジルコニアに比べて酸素イオン導電率が低下するという問題もあった。この問題を解決するために、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に代えてセリア（ＣｅＯ２）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、ガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）、イッテルビア（Ｙｂ２Ｏ３）などの稀土類酸化物をスカンジア安定化ジルコニアに固溶させることにより、結晶相を安定化させ、高い酸素イオン導電率と高い機械的強度とを備えた固体電解質が提案されている。すなわち、ジルコニアを主成分とし、これにスカンジア５〜１５モル％と、その他の１種または２種以上の上記稀土類酸化物０．５〜５モル％とが配合固溶されるとともに、スカンジアと上記稀土類酸化物との合計配合量を９〜１５モル％の範囲にする立方晶相を有する高イオン導電性固体電解質材料が提案されている。（特許文献３参照）
【０００５】
しかし、アルミナまたはセリアなどの稀土類酸化物を固溶させた立方晶相のスカンジア安定化ジルコニアの粉体を製造するにあたっては、焼成後に粉体の粒度を調整するためにボールミルなどを用いた粉砕工程が必要となる。この粉砕工程時に、粉体にかかる機械的応力により、スカンジア安定化ジルコニアの結晶相が立方晶相から単斜晶相へと変化してしまうため、酸素イオン導電率が低下するという問題があった。
【０００６】
スカンジア安定化ジルコニアを固体電解質として燃料電池に用いる場合には、酸素イオン導電率の低下や、機械的強度の脆弱さに関する問題の他に、固体電解質が高温で熱膨張または熱収縮すること、更に熱サイクルにともなう経時変化が問題となる。
固体電解質型燃料電池は、燃料極と固体電解質と空気極とを重ねた一つの単セルとし、単セルの複数個をインターコネクターによって接続し、積層して一つのモジュールとして使用する。燃料電池の動作温度６００℃以上では、燃料極を構成する酸化物の熱膨張率と、固体電解質を構成する酸化物の熱膨張率と、空気極を構成する酸化物の熱膨張率が異なるため、繰り返し使用すると、それぞれの界面において接触抵抗を生じて、エネルギー発電効率が低下するという問題がある。
【０００７】
この問題を解決するためには、各電極および固体電解質を構成する酸化物の熱膨張率を合せるか、または各酸化物の熱膨張率を小さくする２つの方法が考えられる。燃料極および空気極を構成するさまざまな酸化物との組み合わせに対応するためには、前者の方法による熱膨張率の低減が有効であると考えられる。また、熱収縮開始温度を上げることも一つの解決策として重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３４６０７２７号公報
【特許文献２】特開平０７−００６６２２号公報
【特許文献３】特開２０００−３４０２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、熱膨張率が特定の範囲内にあり、かつ熱収縮開始温度が高いスカンジア安定化ジルコニアを提供すること、およびスカンジア安定化ジルコニアの製造工程で生じる酸素イオン導電率の低い単斜晶相のスカンジア安定化ジルコニアの低減を可能とする製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記のような課題の下で、第三の酸化物が固溶したスカンジア安定化ジルコニアの結晶相を精密に解析し、立方晶相と単斜晶相とからなる全結晶相中に占める単斜晶相の割合が熱収縮開始温度や熱膨張収縮特性に影響を与えることを見出し、本発明は、かかる知見に基づくものである。
【００１１】
本発明は以下の(１)〜（１０）の要旨を有する。
（１）（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表され、かつ立方晶相と単斜晶相とを含有し、Ｘ線回折測定の結果から下記の式（１）より求めた単斜晶相率が１〜３０％であることを特徴とするスカンジア安定化ジルコニア。
【００１２】
【数１】
（２）９００℃における熱膨張率が０．５〜１．５％である、(１)に記載のスカンジア安定化ジルコニア。
【００１３】
（３）熱収縮開始温度が８６０℃以上である、 (１)または(２)のいずれかに記載のスカンジア安定化ジルコニア。
（４）前記スカンジア安定化ジルコニアが粉末状であって、該粉末の平均粒径が０．２８〜３．０μｍである、 (１)〜(３)のいずれかに記載のスカンジア安定化ジルコニア。
（５）Ｘ線回折測定から求めた立方晶相の（１１１）面に垂直方向の結晶子の大きさが２０〜５０ｎｍである、(１)〜(４)のいずれかに記載のスカンジア安定化ジルコニア。
【００１４】
（６）（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表されるスカンジア安定化ジルコニアの製造方法において、スカンジア安定化ジルコニアを構成する金属元素を含有する原料化合物を混合し、酸素含有雰囲気中１０００〜１４００℃で焼成した後、得られた焼成粉を粉砕し、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理することを特徴とするスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【００１５】
（７）（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表されるスカンジア安定化ジルコニアの製造方法において、水酸化物、酸化物または炭酸塩のいずれか１種以上であるスカンジア安定化ジルコニアを構成する金属元素を含有する原料化合物を有機酸または無機酸の溶液に加えて、該原料化合物と有機酸または無機酸とを反応させ、中間生成物である複合有機酸塩または複合無機酸塩を製造し、中間生成物を乾燥し、酸素含有雰囲気中１０００〜１４００℃で焼成した後、得られた焼成粉を粉砕し、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理することを特徴とするスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【００１６】
（８）有機酸がクエン酸、リンゴ酸、ギ酸、酢酸およびシュウ酸からなる群より選択される１種以上の酸である、（７）に記載のスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
（９）無機酸が塩酸、硝酸、硫酸、リン酸およびフッ化水素酸からなる群より選択される１種以上の酸である、（７）に記載のスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
（１０）（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表され、かつ立方晶相と単斜晶相とを含有し、Ｘ線回折測定の結果から下記の式（２）より求めた単斜晶相率が３０％超であるスカンジア安定化ジルコニアを、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理することを特徴とする、熱処理されたスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【００１７】
【数２】
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアは、熱処理なしのスカンジア安定化ジルコニアと比較して熱収縮開始温度が高く、熱膨張率が特定の範囲内にあるため燃料電池用の固体電解質の成形用材料として使用した場合に、その固体電解質型燃料電池は高温での使用が可能となり、熱サイクルによる電極と固体電解質との間の接触抵抗の増加を低減できるのでエネルギー変換効率の低下を抑制できる。
また、本発明に係る製造方法によれば比較的簡便な方法により、焼成後の粉砕工程で生じた酸素イオン導電率の低い単斜晶相のスカンジア安定化ジルコニアを低減でき、全結晶相中に占める立方晶相の割合が高くなるために酸素イオン導電率を高くすることができる。
したがって、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアは、単斜晶相率が低いため酸素イオン導電率が高く、燃料電池用の固体電解質として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例1におけるサンプル１のＸ線回折パターンを示した図である。
【図２】実施例1におけるサンプル１の熱機械的分析装置による熱膨張率の温度依存性を示した図である。
【図３】実施例1におけるサンプル２のＸ線回折パターンを示した図である。
【図４】実施例1におけるサンプル２の熱機械的分析装置による熱膨張率の温度依存性を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙで表される組成を有するスカンジアで安定化されたジルコニアに関するものである。
上記組成式において、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、マリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、特にアルミニウム、ランタンまたはセリウムが好ましい。また、ｘは０．０２≦ｘ≦０．２であり、さらに好ましくは０．０７≦ｘ≦０．１５である。ｙは０．００５≦ｙ≦０．１であり、好ましくは０．０１≦ｙ≦０．1である。また、ｚは１．０≦ｚ≦２．０である。
【００２１】
本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアの原料となる粉末は、スカンジウム元素を含む酸化物、水酸化物、硝酸塩、炭酸塩またはアルコキシドなどと、ジルコニウム元素を含む酸化物、水酸化物、硝酸塩、炭酸塩またはアルコキシドなどと、Ａ元素を含む酸化物、水酸化物、硝酸塩、炭酸塩またはアルコキシドなどである。
特に環境的な側面、入手し易さの理由から炭酸塩、水酸化物、または酸化物が好ましい。また、原料は１つの元素につき炭酸塩、酸化物、水酸化物、硝酸塩またはアルコキシドなどから選ばれた任意の２種類以上の化合物を元素源として選択することもできる。
【００２２】
まず、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアの製造方法について説明する。上記の原料粉末をスカンジウム元素とジルコニウム元素とＡ元素が目的の組成になるように秤量する。
次に、秤量した各原料粉末を乾式法または湿式法により粉砕および混合する。
乾式法とは、例えばボールミルを用いて原料粉末を粉砕容器中で粉砕混合する方法である。具体的には、混合容器中に原料粉末を入れ、粉砕混合用のボールを加えて所定時間混合粉砕する。混合粉砕の時間は、粉体に対するボール量や、混合容器（ポット）の回転速度にもよるが、１２〜２４時間が好ましい。混合粉砕時間が１２時間未満であると、均質な原料の混合粉末が得られないので好ましくない。また、２４時間超であると原料混合粉末の均質性はそれ以上進まず、生産性が低下するので好ましくない。
【００２３】
湿式法とは、分散媒を用いた粉砕混合方法をいう。分散溶媒としては、水、メタノールやエタノールなどのアルコール類、またはフッ素系溶剤などの有機溶剤が挙げられる。特に、環境への負荷の観点から水が好ましい。また、生成物中の不純物が酸素イオン伝導度に影響を与えるので、水は純水またはイオン交換水が好ましく、特にイオン交換水が好ましい。
また、原料を構成する元素が溶媒に溶出しないので、フッ素系溶剤などの有機溶剤も好ましい。
【００２４】
湿式法では、原料粉末に上記の分散媒を加え、ボールミルにより１２〜２４時間混合粉砕する。混合粉砕時間が１２時間未満であると、均質な原料の混合粉末が得られないため、その後の焼成によって得られる生成物の組成が均質とならないので好ましくない。また、２４時間超であると原料混合粉末の均質性はそれ以上進まず、生産性が低下するので好ましくない。
【００２５】
湿式法においては、分散媒中に原料中のスカンジウム、ジルコニウムまたはＡ元素を含有する原料化合物と錯体を形成する有機酸を加えることが好ましい。有機酸が金属元素と錯体を形成することにより、スカンジウム、ジルコニウムおよびＡ元素がより一層均質に混合できるという有利な効果があるからである。原料化合物の分散媒に有機酸に代えて無機酸を加える場合には、無機酸が原料粉末を溶解することにより元素レベルでの均質な混合が可能となる。無機酸を用いる場合には、アンモニアなどの弱塩基で溶液を中和した後、シュウ酸、クエン酸などの酸を沈殿剤としてその溶液に添加し、原料混合粉末を沈殿させる。
【００２６】
上記の有機酸としてはクエン酸、リンゴ酸、ギ酸、酢酸およびシュウ酸からなる群より選択される１種以上の酸が挙げられる。特に、クエン酸、リンゴ酸またはシュウ酸は原料の分散性が良好であるので好ましい。上記の無機酸としては塩酸、硝酸、硫酸、リン酸およびフッ化水素酸からなる群より選択される少なくとも1種の酸が挙げられる。特に、硝酸、塩酸およびフッ化水素酸は原料粉末を溶解するのに十分な酸性度を有しているので好ましい。
【００２７】
湿式法の粉砕混合は、比較的短時間で均質な原料粉末を得られることから、乾式法の粉砕混合よりも好ましい。
湿式法の中でも、より均質な原料混合が可能であるので、有機酸または無機酸共存化での粉砕混合が特に好ましい。
湿式法による粉砕混合を行った場合には、分散媒を取り除くために、乾燥処理が必要となる。この乾燥処理は、箱型（棚段）乾燥機またはスプレードライヤーなどを用いて行うことができる。
【００２８】
次に、乾式法の場合にはボールミルを用いて粉砕混合した原料粉砕混合粉末を、また湿式法の場合には乾燥させた粉砕混合原料粉末を焼成容器に移し、焼成炉にて焼成する。焼成は基本的には粗焼成、仮焼成、本焼成の焼成温度の異なる３工程からなるのが好ましいが、粗焼成と本焼成の２工程でも良く、仮焼成と本焼成の２工程でも良く、また本焼成のみからなる工程でも良い。焼成容器の材質は特に限定されず、例えばアルミナ、ムライト、コージュライトなどが挙げられる。
【００２９】
焼成炉は電気式またはガス式のシャトルキルンでも、場合によってはローラーハースキルンでもロータリーキルンでも良く、特に限定されない。
粗焼成工程においては、焼成炉の温度を２０〜８００℃／時の昇温速度で目的の焼成温度まで上げる。２０℃／時未満であると、目的の焼成温度まで達成するのに時間を要し、生産性が低下するので好ましくない。また、８００℃／時を超えると、各温度での反応物質の化学変化が十分に進行しないので好ましくない。
粗焼成時の焼成温度は、３００〜５００℃が好ましく、３５０〜４５０℃がより好ましい。３００℃未満であると炭素成分が残留するので好ましくない。また、５００℃を超えると構成元素が偏析するので好ましくない。
【００３０】
焼成時間は、４〜２４時間が好ましく、８〜２０時間がより好ましい。４時間未満であると、炭素成分が残留するので好ましくない。また、２４時間超であっても、生成物に変化はないが、生産性が低下するので好ましくない。
粗焼成を行う際の焼成炉の雰囲気は、酸素含有雰囲気であり、空気中（大気中）または酸素濃度が２０体積％以下の雰囲気中であることが好ましい。酸素濃度が２０体積％超であると原料混合粉中の炭素成分が燃焼し、部分的に酸化反応が進む結果、生成物の構成元素が局在化する場合があるので好ましくない。酸素濃度は１５体積％以下であるのが好ましい。
【００３１】
粗焼成を所定時間行った後、室温まで降温する。降温速度は、１００〜８００℃／時が好ましく、１００〜４００℃／時がより好ましい。１００℃／時未満であると生産性か落ちるので好ましくない。また、８００℃／時超であると用いる焼成容器が熱衝撃のために割れてしまう可能性があるので好ましくない。
次いで、粗焼成工程で得られた酸化物を解砕する。解砕にはカッターミル、ジェットミル、アトマイザーなどの粉砕機を用い、一般に乾式法により行う。解砕後の体積平均粒径としては２〜１００μｍが好ましい。より好ましくは５〜５０μｍである。
【００３２】
引き続き、上記の解砕された粗焼成粉を仮焼成する。
仮焼成工程においては、焼成炉の温度を１００〜８００℃／時、好ましくは１００〜４００℃／時の昇温速度で目的の焼成温度まで上げる。１００℃／時未満であると、目的の焼成温度まで達成するのに時間を要し、生産性が低下するので好ましくない。また、８００℃／時を超えると、各温度での反応物質の化学変化が十分に進行しない可能性があるので好ましくない。
【００３３】
仮焼成の温度は、６００〜１０００℃が好ましく、６００〜８００℃がより好ましい。６００℃未満であると炭素成分が残留するので好ましくない。また、１０００℃を超えると焼成粉が過度に焼結するので好ましくない。
焼成時間は、４〜２４時間が好ましく、８〜２０時間がより好ましい。４時間未満であると、炭素成分が残留するので好ましくない。また、２４時間超であっても、生成物に変化はないが、生産性が低下するので好ましくない。
【００３４】
仮焼成を行う際の焼成炉の雰囲気は、粗焼成時と同様の酸素含有雰囲気が好ましい。
仮焼成を所定時間行った後、室温まで降温する。降温速度は、１００〜８００℃／時が好ましく、１００〜４００℃／時がより好ましい。１００℃／時未満であると生産性が落ちるので好ましくない。また、８００℃／時超であると目的とする物質が生成しないので好ましくない。
【００３５】
次いで、仮焼成で得られた酸化物を粗焼成の後に行ったのと同様に解砕する。解砕にはカッターミル、ジェットミル、アトマイザーなどの粉砕機を用い、一般に乾式法により行う。解砕後の体積平均粒径としては２〜１００μｍが好ましい。より好ましくは５〜５０μｍである。
さらに、この仮焼成粉を本焼成する。
本焼成工程においては、焼成炉の温度を５０〜８００℃／時、好ましくは１００〜４００℃／時の昇温速度で目的の焼成温度まで上げる。５０℃／時未満であると、目的の焼成温度まで達成するのに時間を要し、生産性が低下するので好ましくない。また、８００℃／時を超えると、各温度での反応物質の化学変化が十分に進行せずに、反応物質が不均一な状態で目的の焼成温度に到達するため、焼成物中に副生成物を生じる場合があるので好ましくない。
【００３６】
本焼成の温度は、１０００〜１４００℃が好ましく、１０５０〜１４００℃がより好ましい。１０００℃未満または１４００℃を超えると、目的とする結晶相が生成しないので好ましくない。
焼成時間は、４〜２４時間が好ましく、５〜２０時間がより好ましい。４時間未満であると、未反応物質が目的とする酸化物中に混在し、また、単一の結晶相であっても目的とする結晶相が得られないので好ましくない。また、２４時間超であっても、生成物に変化はないが、生産性が低下するので好ましくない。
【００３７】
本焼成を行う際の焼成炉の雰囲気は、粗焼成または仮焼成時と同様の酸素含有雰囲気中であることが好ましい。
本焼成を所定時間行った後、室温まで降温する。降温速度は、５０〜８００℃／時が好ましい。５０℃／時未満であると生産性が落ちるので好ましくない。また、８００℃／時超であると目的とする物質が生成しないので好ましくない。
次いで、本焼成で得られた酸化物を粗焼成の後に行ったのと同様に解砕する。解砕にはカッターミル、ジェットミル、アトマイザーなどの粉砕機を用い、一般に乾式法により行う。解砕後の体積平均粒径としては２〜２００μｍが好ましい。より好ましくは５〜５０μｍである。
【００３８】
次に、本発明では、上記の焼成工程で得られた酸化物を解砕した後に粉砕を行い、その後６００〜１２００℃で熱処理する工程を有する。
本焼成後の粉砕は、ジェットミル、ボールミルなどの粉砕機を用い、まずは乾式法により行うのが好ましい。ボールミルにおけるボールの材質はジルコニアまたはアルミナなどが利用できる。ボールの大きさは２〜２０ｍｍが好ましい。より好ましくは２〜５ｍｍの範囲である。
【００３９】
次いで、乾式粉砕した粉砕粉をボールミルまたはビーズミルによって湿式粉砕するのが好ましい。ボールまたはビーズの材質はジルコニアまたはアルミナなどが利用できる。ボールの大きさは２〜２０ｍｍが好ましい。より好ましくは２〜５ｍｍの範囲である。ビーズの大きさは、０．１〜１ｍｍが好ましい。溶媒としては、水、アルコール類、フッ素系溶剤などの有機溶剤、またはこれらの混合溶媒を用いることができる。
湿式粉砕後の粉体の体積平均粒径は０．２〜２０μｍが好ましい。より好ましくは０．５〜１５μｍであり、更に好ましくは１〜１０μｍである。湿式での粉砕時間は、目的の粒度になるように適宜調整するが、１〜２４時間が好ましい。
粉砕により、立方晶相のスカンジア安定化ジルコニアの一部が単斜晶相へと変化する。また、結晶子が一部破壊され、結晶子の大きさが小さくなる。
【００４０】
その後、粉砕したスカンジア安定化ジルコニアを熱処理する。熱処理温度は、６００〜１２００℃が好ましく、６００〜９００℃がより好ましく、７００〜８５０℃が更に好ましい。熱処理時間は、６〜２４時間が好ましく、６〜１２時間がより好ましい。この熱処理により、粉砕の際に生じた単斜晶相のスカンジア安定化ジルコニアを立方晶相に戻すができる。また、粉砕により一部破壊された結晶子を大きくすることができる。熱処理温度が６００℃未満では粉砕の際に生じた単斜晶相のスカンジア安定化ジルコニアが十分に立方晶に戻らず、１２００℃超であると結晶が成長し、成型時に緻密な固体電解質ができなくなるので好ましくない。
【００４１】
本発明に係る熱処理をしたスカンジア安定化ジルコニアは、熱処理しないスカンジア安定化ジルコニアと比較して後述するように熱収縮開始温度が高く、かつ熱膨張率が特定の範囲にあるので、燃料電池用固体電解質の成形用の材料として好適である。
また、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアは単斜晶相と立方晶相とからなり、下記の式（１）で定義される単斜晶相率が１〜３０％である。
単斜晶相の割合が１％未満であると熱膨張率が空気極または燃料極の電極材料と合わないため好ましくなく、３０％を超えると酸素イオン導電率が低下するので好ましくない。好ましくは、２〜２０％、特に好ましくは、２〜１０％である。
【００４２】
【数３】
なお、生成物の結晶相は粉末Ｘ線回折測定法により求めることができる。
【００４３】
本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアにおいては、粉末Ｘ線回折測定により得られた、Ｘ線回折パターン中の立方晶相の（１１１）面に垂直な方向の結晶子の大きさが２０〜５０ｎｍが好ましく、２０〜４５ｎｍがさらに好ましい。２０ｎｍ未満であると酸素イオン導電率が低下する可能性があるので好ましくない。また、５０ｎｍを超えると電解質として緻密にならないので好ましくない。前記の結晶子の大きさは、粉末Ｘ線回折測定により得られたＸ線回折パターン中の立方晶相の（１１１）面に相当する回折線の半価幅の値を用いて、以下に示すシェラーの式（２）により求めることができる。
【００４４】
【数４】
【００４５】
また、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアの体積平均粒径（以下、Ｄ５０という。）は、０．２８〜３．０μｍであることが好ましく、０．２５〜１．０μｍがより好ましい。
Ｄ５０が０．２８μｍ未満であると高温での熱膨張または熱収縮が大きいので好ましくなく、３．０μｍを超えると緻密な固体電解質膜が形成できないので好ましくない。
Ｄ５０は、スカンジア安定化ジルコニア粉末をイオン交換水中に分散剤を用いて散させ、レーザー回折式の粒度分布測定装置を用いて測定することができる。
【００４６】
本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアのＢＥＴ比表面積（以下、比表面積という。）は５〜１５ｍ２／ｇが好ましく、５〜１２ｍ２／ｇがより好ましい。５ｍ２／ｇ未満であると酸素イオン導電率が低くなるので好ましくなく、１５ｍ２／ｇを超えると成型体にしづらくなるので好ましくない。比表面積は窒素ガス吸着法により測定することができる。
また、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアの９００℃における熱膨張率は０．５〜１．５％であることが好ましい。特に好ましくは、０．５５〜０．９％である。熱膨張率が１．５％を超えるとその酸化物を成型して燃料電池の固体電解質として用いた場合に、成型体が大きな熱膨張を起こし、電極との間で膨張率が合わず、セル作製時に電極に亀裂が入ったり、大きな接触抵抗を生じるので好ましくない。
熱膨張率は、熱機械的分析装置を用いて測定することができる。
【００４７】
また、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアの熱収縮開始温度は、８６０℃以上であるのが好ましく、８７０〜１０００℃がより好ましい。熱収縮開始温度は、８６０℃以上であれば、他の材料の収縮開始温度を一致するという効果がある。
本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアは、９００℃における熱膨張率が０．５〜１．５％であり、かつ熱収縮開始温度は、８６０℃以上であるのが特に好ましい。
なお、本発明おいて、熱収縮開始温度とは、熱膨張率の温度依存曲線を温度に対して一次微分し、その値がプラスからマイナスに転じた温度と定義する。
【００４８】
また、本発明は、本発明と同じ化学組成を有し、かつ前記式（１）における単斜晶相率が３０％超であるスカンジア安定化ジルコニアを、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理する、熱処理されたスカンジア安定化ジルコニアの製造方法も提供する。熱処理されるスカンジア安定化ジルコニアの単斜晶相率は、３１〜７０％が好ましく、３１〜５０％がより好ましい。熱処理の温度は、６００〜９００℃が好ましく、７００〜８５０℃がより好ましい。熱処理温度が６００℃未満では単斜晶相のスカンジア安定化ジルコニアが十分に立方晶に相転移されず、導電率が低いので好ましくない。１２００℃超であると結晶が成長し、成型時に緻密な固体電解質ができなくなるので好ましくない。熱処理を行う際の焼成炉の雰囲気は、酸素含有雰囲気であり、粗焼成または仮焼成時と同様の雰囲気中であることが好ましい。
【００４９】
また、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアは、例えば６００〜８００℃といった、低温作動型燃料電池の固体電解質として有用である。
また、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアの導電率は、７５０℃において、０．０８±０．０２Ｓ／ｃmであるのが好ましく、８５０℃において、０．１６±０．０４Ｓ／ｃmであるのが好ましく，９５０℃において、０．２８±０．０７Ｓ／ｃmであるのが好ましい。
【実施例】
【００５０】
以下に、本発明の具体的な実施例を実施例１から実施例２４で説明し、比較例１〜２４で説明する。しかし、本発明は、これらの実施例に特に限定されるものではない。
【００５１】
［実施例１］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウム（ＺｒＯ（ＣＯ3））と、Ｓｃ源としての炭酸スカンジウム（Ｓｃ2（ＣＯ3）3）と、Ｃｅ源としての炭酸セリウム（八水和物）（Ｃｅ（ＣＯ3）2）・8Ｈ２ＯとをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｅが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように原料粉末の合計１６１４ｇを秤量した。一方で、原料粉末中に含まれる金属イオンのモル数とその価数の積の合計である当量数と等しい当量数のクエン酸１４１６ｇを５５℃の純水１．５Ｌ（リットル）に加えてクエン酸溶液を調製した。
上記のクエン酸溶液に原料混合粉末を投入し、５５℃で２時間反応させた。
反応終了後、得られたスラリーを１０５℃で４８時間脱水乾燥して複合クエン酸塩を得た。
【００５２】
得られた複合クエン酸塩を大気中において、４００℃で１０時間粗焼成した。室温から４００℃までの昇温速度は３００℃／時とし、４００℃から室温までの降温速度は３００℃／時とした。
得られた粗焼成粉をカッタ−ミルで解砕し、その後、大気中において、６００で１０時間仮焼成した。室温から６００℃までの昇温速度は３００℃／時とし、６００℃から室温までの降温速度は３００℃／時とした。
得られた仮焼成粉をカッターミルで解砕し、その後、大気中において、１２００℃で６時間本焼成した。室温から１２００℃までの昇温速度は１００℃／時とし、１２００℃から室温までの降温速度は１００℃／時とした。
この本焼成により得られた（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１をカッターミルにて解砕した。この解砕粉１００ｇを１Ｌ（リットル）のポットに分取した。このポットに直径５ｍｍのジルコニアボールと、フッ素化合物系の有機溶剤である旭硝子社製のＡＫ−２２５ＡＥを入れて１４０回転／分の回転速度で２０時間ボールミル粉砕した。粉砕したスラリーをステンレス製のバットにあけ、６０℃で２４時間乾燥した後、カッターミルで解砕した。得られた解砕粉をサンプル１とした。
【００５３】
少量のサンプル１を以下のようにイオン交換水に分散させて試料を調製した。分散剤として和光純薬社製の二リン酸ナトリウム十水和物を使用した濃度0．２４重量％の水溶液を用い、約０．１ｇのサンプル１と分散液とから全体が１０ｍｌとなるように分散液を調製し、３分間超音波を照射したものを試料とした。その試料からサンプル１の粒度分布をＨＯＲＩＢＡ社製のレーザー回折／散乱式粒度分布装置ＬＡ−９２０を用いて測定した。測定の直前に１８０秒間出力３０Wの超音波処理を施した。その結果、サンプル１のＤ５０は０．４０μｍであった。
サンプル１の比表面積を測定するに際して、窒素雰囲気中で３００℃で１０分間脱気処理を行った。その後、サンプル１の比表面積をＭｏｕｂｎｔｅｃｈ社製のＭａｃｓｏｒｂ ＨＭ Ｍｏｄｅｌ−１２０８を用いて窒素吸着法により測定した。サンプル１の比表面積は８．０ｍ２／ｇであった。
【００５４】
次いで、サンプル１の結晶相を同定するためＣｕＫαをＸ線源とする粉末Ｘ線回折測定を行った。Ｘ線回折測定にはリガク社製のＲＩＮＴ２２００Ｖを用いた。図１にその測定結果を示す。
２８．２６度と３１．３８度付近に観測された回折ピークは、それぞれ単斜晶相の（１１１）面と（１，１，−１）面に由来するピークである。一方、３０．３６度に観測されたピークは立方晶相の（１１１）面に由来する回折ピークである。単斜晶相の（１１１）回折ピークに由来するピーク強度（Ｉｍ（１１１））と（１，１，−１）回折ピークに由来するピーク強度（Ｉｍ（１，１，−１））は、それぞれ５４６ｃｐｓ、７３７ｃｐｓであった。また、立方晶相の（１１１）回折ピークに由来するピーク強度（Ｉｃ（１１１））は、２３４６ｃｐｓであった。したがって式（１）から計算すると単斜晶相率は３５％であった。
また、立方晶相の（１１１）面の回折ピークの半価幅は０．４８４度であり、シェラーの式（２）から計算される結晶子の大きさは１７ｎｍであった。
【００５５】
熱膨張率は、セイコーインスツル（ＳＩＩ）社製の熱機械的分析装置ＴＭＡ／ＳＳ６３００を用いて行った。
サンプル１を平面が２０ｍｍ×４ｍｍの直方体状の金型に１ｇ充填し、圧力２５ＭＰａで一軸成型したものを試料片とした。その試料片を熱機械的分析装置中に設置し、４００ｍｌ／ｍｉｎの窒素ガス気流中で２５℃から１２００℃まで２℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温することにより熱膨張率の温度依存性を測定した。
サンプル１の熱膨張率の温度依存性を図２に示す。９００℃における熱膨張率は０．０２％であり熱収縮開始温度は７９５℃であった。
サンプル１をアルミナ製の焼成容器に移し、大気中において、昇温速度１００℃／ｈで８００℃まで昇温し、８００℃に達してから６時間熱処理した。その後、降温速度１００℃／ｈで５０℃以下まで降温した後に、サンプルを焼成容器から取り出して、カッターミルで粉砕し、サンプル２とした。
【００５６】
熱処理前と同様にしてサンプル２の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２のＤ５０の値は、０．４８μｍであり、比表面積は６．０ｍ２／ｇであった。
熱処理前と同様にしてサンプル２のＸ線回折測定を行った。サンプル２のＸ線回折パターンを図３に示す。回折ピーク強度から式（１）を用いて求めた単斜晶率は９％であり、（１１１）面に垂直方向の結晶子の大きさは２８ｎｍであった。
熱処理前と同様にして、サンプル２に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。その結果を図４に示す。サンプル２の９００℃における熱膨張率は０．８５％であり熱収縮開始温度は９００℃であった。
【００５７】
［実施例２］
本焼成温度を１０２５℃とした以外は実施例１と同様にして熱処理前のサンプル３（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１を作成した。
実施例１と同様にしてサンプル３の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３のＤ５０の値は、０．２１μｍであり、比表面積は１９．０ｍ２／ｇであった。
サンプル３のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３の単斜晶率は４９％であり、結晶子の大きさは１１ｎｍであった。
次いで、サンプル３に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３の９００℃における熱膨張率は−１．３０％であり熱収縮開始温度は８５０℃であった。
【００５８】
サンプル３を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル４とした。
実施例１と同様にしてサンプル４の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４のＤ５０の値は０．２８μｍであり、比表面積は１１．０ｍ２／ｇであった。
サンプル４のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４の単斜晶率は１１％であり、結晶子の大きさは２３ｎｍであった。
次いで、サンプル４に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４の９００℃における熱膨張率は０．９０％であり熱収縮開始温度は８９０℃であった。
【００５９】
［実施例３］
本焼成温度を１１３０℃とした以外は実施例１と同様にして熱処理前のサンプル５（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１を作成した。
実施例１と同様にしてサンプル５の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル５のＤ５０の値は、０．６５μｍであり、比表面積は９．２ｍ２／ｇであった。
サンプル５のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル５の単斜晶率は３３％であり、結晶子の大きさは２０ｎｍであった。
次いで、サンプル５に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル５の９００℃における熱膨張率は０．２５％であり熱収縮開始温度は８２５℃であった。
【００６０】
サンプル５を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル６とした。
実施例１と同様にしてサンプル６の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル６のＤ５０の値は０．５６μｍであり、比表面積は６．２ｍ２／ｇであった。
サンプル６のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル６の単斜晶率は８％であり、結晶子の大きさは３０ｎｍであった。
次いで、サンプル６に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル６の９００℃における熱膨張率は０．８９％であり熱収縮開始温度は８９０℃であった。
【００６１】
［実施例４］
実施例１のサンプル１をサンプル７とし、熱処理温度を９００℃とした以外は実施例１と同様にしてサンプル７を熱処理した試料をサンプル８とした。
実施例１と同様にしてサンプル８の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル８のＤ５０の値は０．５９μｍであり、比表面積は５．４ｍ２／ｇであった。
サンプル８のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル８の単斜晶率は４％であり、結晶子の大きさは３６ｎｍであった。
次いで、サンプル８に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル８の９００℃における熱膨張率は０．８６％であり熱収縮開始温度は９５０℃であった。
【００６２】
［実施例５］
実施例２のサンプル３をサンプル９とし、熱処理温度を９００℃とした以外は実施例１と同様にしてサンプル９を熱処理した試料をサンプル１０とした。
実施例１と同様にしてサンプル１０の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１０のＤ５０の値は０．３４μｍであり、比表面積は９．０ｍ２／ｇであった。
サンプル１０のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１０の単斜晶率は４％であり、結晶子の大きさは３０ｎｍであった。
次いで、サンプル１０に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１０の９００℃における熱膨張率は０．８７％であり熱収縮開始温度は９３０℃であった。
【００６３】
［実施例６］
実施例３のサンプル５をサンプル１１とし、熱処理温度を９００℃とした以外は実施例１と同様にしてサンプル１１を熱処理した試料をサンプル１２とした。
実施例１と同様にしてサンプル１２の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１２のＤ５０の値は０．５８μｍであり、比表面積は５．６ｍ２／ｇであった。
サンプル１２のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１２の単斜晶率は２％であり、結晶子の大きさは４１ｎｍであった。
次いで、サンプル１２に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１２の９００℃における熱膨張率は０．９１％であり熱収縮開始温度は９５０℃であった。
【００６４】
［実施例７］
実施例１のサンプル１をサンプル１３とし、熱処理温度を６００℃とした以外は実施例１と同様にしてサンプル１３を熱処理した試料をサンプル１４とした。
実施例１と同様にしてサンプル１４の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１４のＤ５０の値は０．３８μｍであり、比表面積は７．１ｍ２／ｇであった。
サンプル１４のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１４の単斜晶率は２％であり、結晶子の大きさは２１ｎｍであった。
次いで、サンプル１４に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１４の９００℃における熱膨張率は０．９０％であり熱収縮開始温度は８５０℃であった。
【００６５】
［実施例８］
本焼成温度を１４００℃とした以外は実施例１と同様にして熱処理前のサンプル１５を作成した。
実施例１と同様にしてサンプル１５の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１５のＤ５０の値は０．４０μｍであり、比表面積は８．０ｍ２／ｇであった。
サンプル１５のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１５の単斜晶率は３１％であり、結晶子の大きさは１７ｎｍであった。
次いで、サンプル１５に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１５の９００℃における熱膨張率は０．０２％であり熱収縮開始温度は８１５℃であった。
【００６６】
熱処理温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にしてサンプル１５を熱処理した試料をサンプル１６とした。
実施例１と同様にしてサンプル１６の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１６のＤ５０の値は３．００μｍであり、比表面積は２．４ｍ２／ｇであった。
サンプル１６のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１６の単斜晶率は２％であり、結晶子の大きさは２７ｎｍであった。
次いで、サンプル１６に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１６の９００℃における熱膨張率は０．８１％であり熱収縮開始温度は８９３℃であった。
【００６７】
［実施例９］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＣｅ源としての炭酸セリウム（八水和物）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｅが原子比で０．９７５：０．０４：０．００５となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル１７（ＺｒＯ２）０．９７５（Ｓｃ２Ｏ３）０．０２（ＣｅＯ２）０．００５を作製した。
【００６８】
実施例１と同様にしてサンプル１７の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１７のＤ５０の値は０．４１μｍであり、比表面積は８．２ｍ２／ｇであった。
サンプル１７のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１７の単斜晶率は３３％であり、結晶子の大きさは１８ｎｍであった。
次いで、サンプル１７に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１７の９００℃における熱膨張率は０．０２％であり熱収縮開始温度は８０２℃であった。
【００６９】
サンプル１７を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル１８とした。
実施例１と同様にしてサンプル１８の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１８のＤ５０の値は０．４９μｍであり、比表面積は６．５ｍ２／ｇであった。
サンプル１８のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１８の単斜晶率は９％であり、結晶子の大きさは３０ｎｍであった。
次いで、サンプル１８に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１８の９００℃における熱膨張率は０．６４％であり熱収縮開始温度は９１０℃であった。
【００７０】
［実施例１０］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＣｅ源としての炭酸セリウム（八水和物）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｅが原子比で０．８８：０．０４：０．１０となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル１９（ＺｒＯ２）０．８８（Ｓｃ２Ｏ３）０．０２（ＣｅＯ２）０．１０を作製した。
【００７１】
実施例１と同様にしてサンプル１９の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１９のＤ５０の値は０．３９μｍであり、比表面積は７．９ｍ２／ｇであった。
サンプル１９のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１９の単斜晶率は３５％であり、結晶子の大きさは１９ｎｍであった。
次いで、サンプル１９に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１９の９００℃における熱膨張率は０．１０％であり熱収縮開始温度は８０５℃であった。
【００７２】
サンプル１９を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル２０とした。
実施例１と同様にしてサンプル２０の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２０のＤ５０の値は０．４８μｍであり、比表面積は６．２ｍ２／ｇであった。
サンプル２０のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２０の単斜晶率は８％であり、結晶子の大きさは２４ｎｍであった。
次いで、サンプル２０に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２０の９００℃における熱膨張率は０．７０％であり熱収縮開始温度は９１３℃であった。
【００７３】
［実施例１１］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＣｅ源としての炭酸セリウム（八水和物）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｅが原子比で０．７９５：０．４０：０．００５のとなるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル２１（ＺｒＯ２）０．７９５（Ｓｃ２Ｏ３）０．２０（ＣｅＯ２）０．００５を作製した。
【００７４】
実施例１と同様にしてサンプル２１の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２１のＤ５０の値は０．４０μｍであり、比表面積は８．１ｍ２／ｇであった。
サンプル２１のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２１の単斜晶率は４０％であり、結晶子の大きさは１９ｎｍであった。
次いで、サンプル２１に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２１の９００℃における熱膨張率は０．２０％であり熱収縮開始温度は７９８℃であった。
【００７５】
サンプル２１を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル２２とした。
実施例１と同様にしてサンプル２２の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２２のＤ５０の値は０．３５μｍであり、比表面積は５．８ｍ２／ｇであった。
サンプル２２のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２２の単斜晶率は１０％であり、結晶子の大きさは２２ｎｍであった。
次いで、サンプル２２に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２２の９００℃における熱膨張率は０．５５％であり熱収縮開始温度は９２０℃であった。
【００７６】
［実施例１２］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＡｌ源としての水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）3）とをＺｒ：Ｓｃ：Ａｌが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル２３（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＡｌＯ１．５）０．０１を作製した。
【００７７】
実施例１と同様にしてサンプル２３の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２３のＤ５０の値は０．３８μｍであり、比表面積は８．５ｍ２／ｇであった。
サンプル２３のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２３の単斜晶率は４１％であり、結晶子の大きさは１５ｎｍであった。
次いで、サンプル２３に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２３の９００℃における熱膨張率は０．１５％であり熱収縮開始温度は８２０℃であった。
【００７８】
サンプル２３を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル２４とした。
実施例１と同様にしてサンプル２４の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル ４のＤ５０の値は０．４０μｍであり、比表面積は７．０ｍ２／ｇであった。
サンプル２４のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２４の単斜晶率は１２％であり、結晶子の大きさは２２ｎｍであった。
次いで、サンプル２４に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２４の９００℃における熱膨張率は０．８０％であり熱収縮開始温度は９００℃であった。
【００７９】
［実施例１３］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＬａ源としての酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｌａが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル２５（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＬａＯ１．５）０．０１を作製した。
【００８０】
実施例１と同様にしてサンプル２５の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２５のＤ５０の値は、０．２９μｍであり、比表面積は９．０ｍ２／ｇであった。
サンプル２５のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２５の単斜晶率は４０％であり、結晶子の大きさは１４ｎｍであった。
次いで、サンプル２５に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２５の９００℃における熱膨張率は０．００％であり熱収縮開始温度は８０５℃であった。
【００８１】
サンプル２５を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル２６とした。
実施例１と同様にしてサンプル２６の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２６のＤ５０の値は０．４２μｍであり、比表面積は６．５ｍ２／ｇであった。
サンプル２６のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２６の単斜晶率は１０％であり、結晶子の大きさは２４ｎｍであった。
次いで、サンプル２６に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２６の９００℃における熱膨張率は０．７５％であり熱収縮開始温度は９４０℃であった。
【００８２】
［実施例１４］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＰｒ源としての炭酸プラセオジム（八水和物）（Ｐｒ2（ＣＯ3）3）・8Ｈ２ＯとをＺｒ：Ｓｃ：Ｐｒが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル２７（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＰｒＯ１．５）０．０１を作製した。
【００８３】
実施例１と同様にしてサンプル２７の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２７のＤ５０の値は、０．４３μｍであり、比表面積は７．５ｍ２／ｇであった。
サンプル２７のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２７の単斜晶率は３１％であり、結晶子の大きさは１５ｎｍであった。
次いで、サンプル２７に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２７の９００℃における熱膨張率は０．４０％であり熱収縮開始温度は７９２℃であった。
【００８４】
サンプル２７を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル２８とした。
実施例１と同様にしてサンプル２８の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２８のＤ５０の値は０．５０μｍであり、比表面積は５．９ｍ２／ｇであった。
サンプル２８のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２８の単斜晶率は９％であり、結晶子の大きさは２９ｎｍであった。
次いで、サンプル２８に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２８の９００℃における熱膨張率は０．７４％であり熱収縮開始温度は９３１℃であった。
【００８５】
［実施例１５］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＳｍ源としての炭酸サマリウム（ｎ水和物）（Ｓｍ2（ＣＯ３）３）・ｎＨ２ＯとをＺｒ：Ｓｃ：Ｓｍが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル２９（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＳｍＯ１．５）０．０１を作製した。
【００８６】
実施例１と同様にしてサンプル２９の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２９のＤ５０の値は、０．４１μｍであり、比表面積は８．５ｍ２／ｇであった。
サンプル２９のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２９の単斜晶率は３５％であり、結晶子の大きさは１７ｎｍであった。
次いで、サンプル２９に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２９の９００℃における熱膨張率は０．３０％であり熱収縮開始温度は８０１℃であった。
【００８７】
サンプル２９を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル３０とした。
実施例１と同様にしてサンプル３０の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３０のＤ５０の値は０．５１μｍであり、比表面積は６．１ｍ２／ｇであった。
サンプル３０のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３０の単斜晶率は７％であり、結晶子の大きさは３０ｎｍであった。
次いで、サンプル３０に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３０の９００℃における熱膨張率は０．７０％であり熱収縮開始温度は９２５℃であった。
【００８８】
［実施例１６］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＧｄ源としての酸化ガドリニウム（Ｇｄ2Ｏ3）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｇｄが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル３１（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＧｄＯ１．５）０．０１を作製した。
【００８９】
実施例１と同様にしてサンプル３１の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３１のＤ５０の値は、０．３５μｍであり、比表面積は８．５ｍ２／ｇであった。
サンプル３１のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３１の単斜晶率は４０％であり、結晶子の大きさは１８ｎｍであった。
次いで、サンプル３１に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３１の９００℃における熱膨張率は０．００％であり熱収縮開始温度は８１１℃であった。
【００９０】
サンプル３１を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル３２とした。
実施例１と同様にしてサンプル３２の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３２のＤ５０の値は０．４９μｍであり、比表面積は６．３ｍ２／ｇであった。
サンプル３２のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３２の単斜晶率は１２％であり、結晶子の大きさは３５ｎｍであった。
次いで、サンプル３２に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３２の９００℃における熱膨張率は０．６５％であり熱収縮開始温度は９１２℃であった。
【００９１】
［実施例１７］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＣｏ源としての炭酸コバルト（ＣｏＣＯ3）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｏが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル３３（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｏＯ１．３）０．０１を作製した。
【００９２】
実施例１と同様にしてサンプル３３の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３３のＤ５０の値は、０．４０μｍであり、比表面積は８．３ｍ２／ｇであった。
サンプル３３のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３３の単斜晶率は４０％であり、結晶子の大きさは１７ｎｍであった。
次いで、サンプル３３に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３３の９００℃における熱膨張率は−０．０３％であり熱収縮開始温度は７９０℃であった。
【００９３】
サンプル３３を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル３４とした。
実施例１と同様にしてサンプル３４の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３４のＤ５０の値は０．５３μｍであり、比表面積は５．４ｍ２／ｇであった。
サンプル３４のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３４の単斜晶率は５％であり、結晶子の大きさは４０ｎｍであった。
次いで、サンプル３４に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３４の９００℃における熱膨張率は０．５５％であり熱収縮開始温度８９８℃であった。
【００９４】
［実施例１８］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＭｎ源としての炭酸マンガン（Ｍｎ２（ＣＯ３）３）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｍｎが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル３５（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＭｎＯ１．５）０．０１を作製した。
【００９５】
実施例１と同様にしてサンプル３５の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３５のＤ５０の値は、０．３８μｍであり、比表面積は８．４ｍ２／ｇであった。
サンプル３５のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３５の単斜晶率は３２％であり、結晶子の大きさは１９ｎｍであった。
次いで、サンプル３５に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３５の９００℃における熱膨張率は０．１０％であり熱収縮開始温度は８０５℃であった。
【００９６】
サンプル３５を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル３６とした。
実施例１と同様にしてサンプル３６の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３６のＤ５０の値は０．４８μｍであり、比表面積は６．０ｍ２／ｇであった。
サンプル３６のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３６の単斜晶率は１０％であり、結晶子の大きさは２８ｎｍであった。
次いで、サンプル３６に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３６の９００℃における熱膨張率は０．６４％であり熱収縮開始温度は８９６℃であった。
【００９７】
［実施例１９］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムと銅源としての酸化銅（ＣｕＯ）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｕが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させ、本焼成温度を１４００℃とした以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル３７（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｕＯ）０．０１を作製した。
【００９８】
実施例１と同様にしてサンプル３７の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３７のＤ５０の値は、０．３８μｍであり、比表面積は８．１ｍ２／ｇであった。
サンプル３７のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３７の単斜晶率は３１％であり、結晶子の大きさは１５ｎｍであった。
次いで、サンプル３７に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３７の９００℃における熱膨張率は０．２１％であり熱収縮開始温度は８１０℃であった。
【００９９】
サンプル３７を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル３８とした。
実施例１と同様にしてサンプル３８の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３８のＤ５０の値は０．５０μｍであり、比表面積は７．０ｍ２／ｇであった。
サンプル３８のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３８の単斜晶率は１３％であり、結晶子の大きさは３０ｎｍであった。
次いで、サンプル３８に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３８の９００℃における熱膨張率は０．５０％であり熱収縮開始温度は９０２℃であった。
【０１００】
［実施例２０］
クエン酸に代えてリンゴ酸を用いた以外は実施例1と同様にして（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１である熱処理前のサンプル３９を作製した。
実施例１と同様にしてサンプル３９の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３９のＤ５０の値は、０．４３μｍであり、比表面積は８．２ｍ２／ｇであった。
サンプル３９のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３９の単斜晶率は３２％であり、結晶子の大きさは１８ｎｍであった。
次いで、サンプル３９に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３９の９００℃における熱膨張率は０．３０％であり熱収縮開始温度は７９３℃であった。
【０１０１】
サンプル３９を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル４０とした。
実施例１と同様にしてサンプル４０の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４０のＤ５０の値は０．４８μｍであり、比表面積は１０．０ｍ２／ｇであった。
サンプル４０のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４０の単斜晶率は２４％であり、結晶子の大きさは２０ｎｍであった。
次いで、サンプル４０に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４０の９００℃における熱膨張率は１．００％であり熱収縮開始温度は９０２℃であった。
【０１０２】
［実施例２１］
クエン酸に代えてシュウ酸を用いた以外は実施例1と同様にして（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１である熱処理前のサンプル４１を作製した。
実施例１と同様にしてサンプル４１の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４１のＤ５０の値は、０．４１μｍであり、比表面積は９．０ｍ２／ｇであった。
サンプル４１のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４１の単斜晶率は３２％であり、結晶子の大きさは１３ｎｍであった。
次いで、サンプル４１に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４１の９００℃における熱膨張率は０．２１％であり熱収縮開始温度は７６２℃であった。
【０１０３】
サンプル４１を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル４２とした。
実施例１と同様にしてサンプル４２の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４２のＤ５０の値は０．４０μｍであり、比表面積は１１．０ｍ２／ｇであった。
サンプル４２のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４２の単斜晶率は２５％であり、結晶子の大きさは２０ｎｍであった。
次いで、サンプル４２に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４２の９００℃における熱膨張率は０．９２％であり熱収縮開始温度は８７３℃であった。
【０１０４】
［実施例２２］
クエン酸に代えて硝酸を用い原料混合粉を溶解し、その溶液のｐＨをアンモニアで中和し十分に均質な原料混合溶液を作成した後、その溶液にシュウ酸を加え原料粉を沈殿させ、この沈殿した原料混合粉を含む溶液をろ過することにより得た原料混合粉を乾燥させ原料混合粉を作製した以外は実施例1と同様にして（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１である熱処理前のサンプル４３を作製した。
実施例１と同様にしてサンプル４３の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４３のＤ５０の値は、０．４０μｍであり、比表面積は８．５ｍ２／ｇであった。
サンプル４３のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４３の単斜晶率は３１％であり、結晶子の大きさは１２ｎｍであった。
次いで、サンプル４３に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４３の９００℃における熱膨張率は０．４５％であり熱収縮開始温度は７９２℃であった。
【０１０５】
サンプル４３を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル４４とした。
実施例１と同様にしてサンプル４４の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４４のＤ５０の値は０．４１μｍであり、比表面積は１２．０ｍ２／ｇであった。
サンプル４４のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４４の単斜晶率は１２％であり、結晶子の大きさは２０ｎｍであった。
次いで、サンプル４４に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４４の９００℃における熱膨張率は１．００％であり熱収縮開始温度は９１２℃であった。
【０１０６】
［実施例２３］
硝酸に代えて濃度１０％のフッ化水素水溶液と濃度５０％の硝酸と濃度５０％の塩酸との体積比３０：４０：３０の混酸を用いた以外は実施例２２と同様にして（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１である熱処理前のサンプル４５を作製した。
実施例１と同様にしてサンプル４５の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４５のＤ５０の値は、０．４２μｍであり、比表面積は８．３ｍ２／ｇであった。
サンプル４５のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４５の単斜晶率は３１％であり、結晶子の大きさは１５ｎｍであった。
次いで、サンプル４５に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４５の９００℃における熱膨張率は０．３０％であり熱収縮開始温度は７６５℃であった。
【０１０７】
サンプル４５を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル４６とした。
実施例１と同様にしてサンプル４６の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４６のＤ５０の値は０．５２μｍであり、比表面積は１１．２ｍ２／ｇであった。
サンプル４６のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４６の単斜晶率は１０％であり、結晶子の大きさは２１ｎｍであった。
次いで、サンプル４６に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４６の９００℃における熱膨張率は１．５０％であり熱収縮開始温度は８８６℃であった。
【０１０８】
［実施例２４］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウム（ＺｒＯ（ＣＯ3））と、Ｓｃ源としての炭酸スカンジウム（Ｓｃ2（ＣＯ3）3）と、Ｃｅ源としての炭酸セリウム（八水和物）（Ｃｅ（ＣＯ3）2）・8Ｈ２ＯとをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｅが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、ボールミルを用いて１２時間粉砕混合した。
【０１０９】
上記の粉砕混合工程で得た調合粉をアルミナ製の焼成容器に移し、６００℃で１０時間仮焼成した。室温から６００℃までの昇温速度は１００℃／時とし、６００℃から室温までの降温速度は１００℃／時とした。得られた仮焼成粉をカッターミルで解砕し、その後１２００℃で６時間本焼成した。室温から１２００℃までの昇温速度は１００℃／時とし、１２００℃から室温までの降温速度は１００℃／時とした。
この本焼成により得られた（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１を実施例１と同様にしてサンプル４７とした。
【０１１０】
実施例１と同様にしてサンプル４７の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４７のＤ５０の値は０．４μｍであり、比表面積は８．１ｍ２／ｇであった。
サンプル４７のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４７の単斜晶相率は３３％であり、（１１１）面に垂直方向の結晶子の大きさは１９ｎｍであった。
次いで、サンプル４７に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。９００℃における熱膨張率は０．４０％であり、熱収縮開始温度は７７３℃であった。
サンプル４７を実施例１と同様に８００℃、６時間熱処理した試料をサンプル４８とした。
実施例１と同様にしてサンプル４８の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４８のＤ５０の値は０．６０μｍであり、比表面積は１０．５ｍ２／ｇであった。
【０１１１】
サンプル４８のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４８の単斜晶相率は９％であり、（１１１）面に垂直な方向の結晶子の大きさは２１ｎｍであった。
次いで、サンプル４８に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４８の９００℃における熱膨張率は１．２０％であり、熱収縮開始温度は８９５℃であった。
【０１１２】
表１にサンプル１から４８のＤ５０、比表面積、単斜晶相率、結晶子の大きさ、９００℃における熱膨張率および熱収縮開始温度をまとめて示す。
Ｄ５０は熱処理後大きくなる傾向があった。例えば、熱処理前のサンプル１のＤ５０は０．４０μｍであったが、８００℃で熱処理したサンプル２では０．４８μｍとなった。また、９００℃で熱処理した実施例４のサンプル８では０．５６μｍとなった。
比表面積は熱処理により小さくなった。例えば、熱処理前のサンプル１の比表面積は８．０ｍ２／ｇであったが、８００℃で熱処理したサンプル２では６．０ｍ２／ｇとなった。また、９００℃で熱処理した実施例４のサンプル８では５．４μｍとなった。
熱処理温度の上昇により、粒子が焼結したためにＤ５０が増加し、比表面積が減少したものと考えられる。
【０１１３】
単斜晶相率は熱処理により低減した。例えば、熱処理前のサンプル１の単斜晶相率は３５％であったが、８００℃で熱処理したサンプル２では９％となった。熱処理により単斜晶相が立方晶相へ再転位したためであると考えられる。
結晶子の大きさは熱処理により大きくなった。例えば、熱処理前のサンプル１の結晶子は１７ｎｍであったが、８００℃で熱処理したサンプル２では２８ｎｍとなった。熱処理により結晶性が高くなったと考えられる。
【０１１４】
熱収縮開始温度は、熱処理により上昇した。例えば、熱処理前のサンプル１の熱収縮開始温度は７９５℃であったが、８００℃で熱処理したサンプル２では９００℃となった。この熱収縮開始温度の上昇は、結晶子径の大きさに起因すると考えられる。熱収縮開始温度は、スカンジア安定化ジルコニアのＤ５０と結晶子の大きさに依存し、スカンジア安定化ジルコニアのＤ５０が大きくなるほど、また結晶子の大きさが大きいほど高くなる傾向にあった。
【０１１５】
［比較例１〜２４］
実施例１〜２４において、最後の熱処理を行わなかった他は実施例１〜２４と同様にして、熱処理前のスカンジア安定化ジルコニアを作製した。熱処理前のスカンジア安定化ジルコニアの、組成、本焼成の焼成温度、平均粒径、比表面積、単斜晶相率、結晶子の大きさ、９００℃における熱膨張率、及び熱収縮開始温度を表１に示した。
【０１１６】
【表１】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温作動型燃料電池の固体電解質として有用なスカンジア安定化ジルコニアであって、特に熱収縮開始温度が高く、熱膨張収縮特性に優れたスカンジア安定化ジルコニアに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スカンジア安定化ジルコニアは、その高い酸素イオン導電性から、低温作動型燃料電池の固体電解質として注目されている。
この固体電解質のスカンジア安定化ジルコニアは、同様の固体電解質としてのイットリア安定化ジルコニアと比較して、酸素イオン導電率が高いうえ、機械的強度に優れているという特徴を有している。
【０００３】
一方で、スカンジア安定化ジルコニアは結晶相が安定しないという欠点と、６００℃付近の温度で機械的強度の低下を起こすという欠点がある。
この機械的強度を補強するためにスカンジア安定化ジルコニアにドーパントとしてアルミナを固溶した三元系の複合酸化物は、結晶相が立方晶相で安定化され、高温での相変化が現れにくい物質として知られている。例えば、（1−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙＡｌ2Ｏ3（０．０７≦ｘ+ｙ≦０．１３、かつ０．００５≦ｙ＜０．０２）からなる組成を有し、室温から動作温度の間で立方晶相である酸素イオン導電体は、菱面体晶相のＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３系材料のような動作温度でのジルコニアの菱面体晶相から立方晶相への相変化がないため、熱サイクルによる燃料極や空気極との剥離がないことが知られている。（特許文献１参照）
【０００４】
また、１２ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３−８８ｍｏｌ％ＺｒＯ２に０.３から５重量％のアルミナを添加したスカンジア安定化ジルコニアは、立方晶相の安定化を図ることができることも知られている。（特許文献２参照）
しかし、アルミナは絶縁体であるためにアルミナを添加しないスカンジア安定化ジルコニアに比べて酸素イオン導電率が低下するという問題もあった。この問題を解決するために、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に代えてセリア（ＣｅＯ２）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、ガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）、イッテルビア（Ｙｂ２Ｏ３）などの稀土類酸化物をスカンジア安定化ジルコニアに固溶させることにより、結晶相を安定化させ、高い酸素イオン導電率と高い機械的強度とを備えた固体電解質が提案されている。すなわち、ジルコニアを主成分とし、これにスカンジア５〜１５モル％と、その他の１種または２種以上の上記稀土類酸化物０．５〜５モル％とが配合固溶されるとともに、スカンジアと上記稀土類酸化物との合計配合量を９〜１５モル％の範囲にする立方晶相を有する高イオン導電性固体電解質材料が提案されている。（特許文献３参照）
【０００５】
しかし、アルミナまたはセリアなどの稀土類酸化物を固溶させた立方晶相のスカンジア安定化ジルコニアの粉体を製造するにあたっては、焼成後に粉体の粒度を調整するためにボールミルなどを用いた粉砕工程が必要となる。この粉砕工程時に、粉体にかかる機械的応力により、スカンジア安定化ジルコニアの結晶相が立方晶相から単斜晶相へと変化してしまうため、酸素イオン導電率が低下するという問題があった。
【０００６】
スカンジア安定化ジルコニアを固体電解質として燃料電池に用いる場合には、酸素イオン導電率の低下や、機械的強度の脆弱さに関する問題の他に、固体電解質が高温で熱膨張または熱収縮すること、更に熱サイクルにともなう経時変化が問題となる。
固体電解質型燃料電池は、燃料極と固体電解質と空気極とを重ねた一つの単セルとし、単セルの複数個をインターコネクターによって接続し、積層して一つのモジュールとして使用する。燃料電池の動作温度６００℃以上では、燃料極を構成する酸化物の熱膨張率と、固体電解質を構成する酸化物の熱膨張率と、空気極を構成する酸化物の熱膨張率が異なるため、繰り返し使用すると、それぞれの界面において接触抵抗を生じて、エネルギー発電効率が低下するという問題がある。
【０００７】
この問題を解決するためには、各電極および固体電解質を構成する酸化物の熱膨張率を合せるか、または各酸化物の熱膨張率を小さくする２つの方法が考えられる。燃料極および空気極を構成するさまざまな酸化物との組み合わせに対応するためには、前者の方法による熱膨張率の低減が有効であると考えられる。また、熱収縮開始温度を上げることも一つの解決策として重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３４６０７２７号公報
【特許文献２】特開平０７−００６６２２号公報
【特許文献３】特開２０００−３４０２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、熱膨張率が特定の範囲内にあり、かつ熱収縮開始温度が高いスカンジア安定化ジルコニアを提供すること、およびスカンジア安定化ジルコニアの製造工程で生じる酸素イオン導電率の低い単斜晶相のスカンジア安定化ジルコニアの低減を可能とする製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記のような課題の下で、第三の酸化物が固溶したスカンジア安定化ジルコニアの結晶相を精密に解析し、立方晶相と単斜晶相とからなる全結晶相中に占める単斜晶相の割合が熱収縮開始温度や熱膨張収縮特性に影響を与えることを見出し、本発明は、かかる知見に基づくものである。
【００１１】
本発明は以下の(１)〜（１０）の要旨を有する。
（１）（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表され、かつ立方晶相と単斜晶相とを含有し、Ｘ線回折測定の結果から下記の式（１）より求めた単斜晶相率が１〜３０％であることを特徴とするスカンジア安定化ジルコニア。
【００１２】
【数１】
（２）９００℃における熱膨張率が０．５〜１．５％である、(１)に記載のスカンジア安定化ジルコニア。
【００１３】
（３）熱収縮開始温度が８６０℃以上である、 (１)または(２)のいずれかに記載のスカンジア安定化ジルコニア。
（４）前記スカンジア安定化ジルコニアが粉末状であって、該粉末の平均粒径が０．２８〜３．０μｍである、 (１)〜(３)のいずれかに記載のスカンジア安定化ジルコニア。
（５）Ｘ線回折測定から求めた立方晶相の（１１１）面に垂直方向の結晶子の大きさが２０〜５０ｎｍである、(１)〜(４)のいずれかに記載のスカンジア安定化ジルコニア。
【００１４】
（６）（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表されるスカンジア安定化ジルコニアの製造方法において、スカンジア安定化ジルコニアを構成する金属元素を含有する原料化合物を混合し、酸素含有雰囲気中１０００〜１４００℃で焼成した後、得られた焼成粉を粉砕し、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理することを特徴とするスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【００１５】
（７）（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表されるスカンジア安定化ジルコニアの製造方法において、水酸化物、酸化物または炭酸塩のいずれか１種以上であるスカンジア安定化ジルコニアを構成する金属元素を含有する原料化合物を有機酸または無機酸の溶液に加えて、該原料化合物と有機酸または無機酸とを反応させ、中間生成物である複合有機酸塩または複合無機酸塩を製造し、中間生成物を乾燥し、酸素含有雰囲気中１０００〜１４００℃で焼成した後、得られた焼成粉を粉砕し、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理することを特徴とするスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【００１６】
（８）有機酸がクエン酸、リンゴ酸、ギ酸、酢酸およびシュウ酸からなる群より選択される１種以上の酸である、（７）に記載のスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
（９）無機酸が塩酸、硝酸、硫酸、リン酸およびフッ化水素酸からなる群より選択される１種以上の酸である、（７）に記載のスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
（１０）（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表され、かつ立方晶相と単斜晶相とを含有し、Ｘ線回折測定の結果から下記の式（２）より求めた単斜晶相率が３０％超であるスカンジア安定化ジルコニアを、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理することを特徴とする、熱処理されたスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【００１７】
【数２】
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアは、熱処理なしのスカンジア安定化ジルコニアと比較して熱収縮開始温度が高く、熱膨張率が特定の範囲内にあるため燃料電池用の固体電解質の成形用材料として使用した場合に、その固体電解質型燃料電池は高温での使用が可能となり、熱サイクルによる電極と固体電解質との間の接触抵抗の増加を低減できるのでエネルギー変換効率の低下を抑制できる。
また、本発明に係る製造方法によれば比較的簡便な方法により、焼成後の粉砕工程で生じた酸素イオン導電率の低い単斜晶相のスカンジア安定化ジルコニアを低減でき、全結晶相中に占める立方晶相の割合が高くなるために酸素イオン導電率を高くすることができる。
したがって、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアは、単斜晶相率が低いため酸素イオン導電率が高く、燃料電池用の固体電解質として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例1におけるサンプル１のＸ線回折パターンを示した図である。
【図２】実施例1におけるサンプル１の熱機械的分析装置による熱膨張率の温度依存性を示した図である。
【図３】実施例1におけるサンプル２のＸ線回折パターンを示した図である。
【図４】実施例1におけるサンプル２の熱機械的分析装置による熱膨張率の温度依存性を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙで表される組成を有するスカンジアで安定化されたジルコニアに関するものである。
上記組成式において、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、マリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、特にアルミニウム、ランタンまたはセリウムが好ましい。また、ｘは０．０２≦ｘ≦０．２であり、さらに好ましくは０．０７≦ｘ≦０．１５である。ｙは０．００５≦ｙ≦０．１であり、好ましくは０．０１≦ｙ≦０．1である。また、ｚは１．０≦ｚ≦２．０である。
【００２１】
本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアの原料となる粉末は、スカンジウム元素を含む酸化物、水酸化物、硝酸塩、炭酸塩またはアルコキシドなどと、ジルコニウム元素を含む酸化物、水酸化物、硝酸塩、炭酸塩またはアルコキシドなどと、Ａ元素を含む酸化物、水酸化物、硝酸塩、炭酸塩またはアルコキシドなどである。
特に環境的な側面、入手し易さの理由から炭酸塩、水酸化物、または酸化物が好ましい。また、原料は１つの元素につき炭酸塩、酸化物、水酸化物、硝酸塩またはアルコキシドなどから選ばれた任意の２種類以上の化合物を元素源として選択することもできる。
【００２２】
まず、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアの製造方法について説明する。上記の原料粉末をスカンジウム元素とジルコニウム元素とＡ元素が目的の組成になるように秤量する。
次に、秤量した各原料粉末を乾式法または湿式法により粉砕および混合する。
乾式法とは、例えばボールミルを用いて原料粉末を粉砕容器中で粉砕混合する方法である。具体的には、混合容器中に原料粉末を入れ、粉砕混合用のボールを加えて所定時間混合粉砕する。混合粉砕の時間は、粉体に対するボール量や、混合容器（ポット）の回転速度にもよるが、１２〜２４時間が好ましい。混合粉砕時間が１２時間未満であると、均質な原料の混合粉末が得られないので好ましくない。また、２４時間超であると原料混合粉末の均質性はそれ以上進まず、生産性が低下するので好ましくない。
【００２３】
湿式法とは、分散媒を用いた粉砕混合方法をいう。分散溶媒としては、水、メタノールやエタノールなどのアルコール類、またはフッ素系溶剤などの有機溶剤が挙げられる。特に、環境への負荷の観点から水が好ましい。また、生成物中の不純物が酸素イオン伝導度に影響を与えるので、水は純水またはイオン交換水が好ましく、特にイオン交換水が好ましい。
また、原料を構成する元素が溶媒に溶出しないので、フッ素系溶剤などの有機溶剤も好ましい。
【００２４】
湿式法では、原料粉末に上記の分散媒を加え、ボールミルにより１２〜２４時間混合粉砕する。混合粉砕時間が１２時間未満であると、均質な原料の混合粉末が得られないため、その後の焼成によって得られる生成物の組成が均質とならないので好ましくない。また、２４時間超であると原料混合粉末の均質性はそれ以上進まず、生産性が低下するので好ましくない。
【００２５】
湿式法においては、分散媒中に原料中のスカンジウム、ジルコニウムまたはＡ元素を含有する原料化合物と錯体を形成する有機酸を加えることが好ましい。有機酸が金属元素と錯体を形成することにより、スカンジウム、ジルコニウムおよびＡ元素がより一層均質に混合できるという有利な効果があるからである。原料化合物の分散媒に有機酸に代えて無機酸を加える場合には、無機酸が原料粉末を溶解することにより元素レベルでの均質な混合が可能となる。無機酸を用いる場合には、アンモニアなどの弱塩基で溶液を中和した後、シュウ酸、クエン酸などの酸を沈殿剤としてその溶液に添加し、原料混合粉末を沈殿させる。
【００２６】
上記の有機酸としてはクエン酸、リンゴ酸、ギ酸、酢酸およびシュウ酸からなる群より選択される１種以上の酸が挙げられる。特に、クエン酸、リンゴ酸またはシュウ酸は原料の分散性が良好であるので好ましい。上記の無機酸としては塩酸、硝酸、硫酸、リン酸およびフッ化水素酸からなる群より選択される少なくとも1種の酸が挙げられる。特に、硝酸、塩酸およびフッ化水素酸は原料粉末を溶解するのに十分な酸性度を有しているので好ましい。
【００２７】
湿式法の粉砕混合は、比較的短時間で均質な原料粉末を得られることから、乾式法の粉砕混合よりも好ましい。
湿式法の中でも、より均質な原料混合が可能であるので、有機酸または無機酸共存化での粉砕混合が特に好ましい。
湿式法による粉砕混合を行った場合には、分散媒を取り除くために、乾燥処理が必要となる。この乾燥処理は、箱型（棚段）乾燥機またはスプレードライヤーなどを用いて行うことができる。
【００２８】
次に、乾式法の場合にはボールミルを用いて粉砕混合した原料粉砕混合粉末を、また湿式法の場合には乾燥させた粉砕混合原料粉末を焼成容器に移し、焼成炉にて焼成する。焼成は基本的には粗焼成、仮焼成、本焼成の焼成温度の異なる３工程からなるのが好ましいが、粗焼成と本焼成の２工程でも良く、仮焼成と本焼成の２工程でも良く、また本焼成のみからなる工程でも良い。焼成容器の材質は特に限定されず、例えばアルミナ、ムライト、コージュライトなどが挙げられる。
【００２９】
焼成炉は電気式またはガス式のシャトルキルンでも、場合によってはローラーハースキルンでもロータリーキルンでも良く、特に限定されない。
粗焼成工程においては、焼成炉の温度を２０〜８００℃／時の昇温速度で目的の焼成温度まで上げる。２０℃／時未満であると、目的の焼成温度まで達成するのに時間を要し、生産性が低下するので好ましくない。また、８００℃／時を超えると、各温度での反応物質の化学変化が十分に進行しないので好ましくない。
粗焼成時の焼成温度は、３００〜５００℃が好ましく、３５０〜４５０℃がより好ましい。３００℃未満であると炭素成分が残留するので好ましくない。また、５００℃を超えると構成元素が偏析するので好ましくない。
【００３０】
焼成時間は、４〜２４時間が好ましく、８〜２０時間がより好ましい。４時間未満であると、炭素成分が残留するので好ましくない。また、２４時間超であっても、生成物に変化はないが、生産性が低下するので好ましくない。
粗焼成を行う際の焼成炉の雰囲気は、酸素含有雰囲気であり、空気中（大気中）または酸素濃度が２０体積％以下の雰囲気中であることが好ましい。酸素濃度が２０体積％超であると原料混合粉中の炭素成分が燃焼し、部分的に酸化反応が進む結果、生成物の構成元素が局在化する場合があるので好ましくない。酸素濃度は１５体積％以下であるのが好ましい。
【００３１】
粗焼成を所定時間行った後、室温まで降温する。降温速度は、１００〜８００℃／時が好ましく、１００〜４００℃／時がより好ましい。１００℃／時未満であると生産性か落ちるので好ましくない。また、８００℃／時超であると用いる焼成容器が熱衝撃のために割れてしまう可能性があるので好ましくない。
次いで、粗焼成工程で得られた酸化物を解砕する。解砕にはカッターミル、ジェットミル、アトマイザーなどの粉砕機を用い、一般に乾式法により行う。解砕後の体積平均粒径としては２〜１００μｍが好ましい。より好ましくは５〜５０μｍである。
【００３２】
引き続き、上記の解砕された粗焼成粉を仮焼成する。
仮焼成工程においては、焼成炉の温度を１００〜８００℃／時、好ましくは１００〜４００℃／時の昇温速度で目的の焼成温度まで上げる。１００℃／時未満であると、目的の焼成温度まで達成するのに時間を要し、生産性が低下するので好ましくない。また、８００℃／時を超えると、各温度での反応物質の化学変化が十分に進行しない可能性があるので好ましくない。
【００３３】
仮焼成の温度は、６００〜１０００℃が好ましく、６００〜８００℃がより好ましい。６００℃未満であると炭素成分が残留するので好ましくない。また、１０００℃を超えると焼成粉が過度に焼結するので好ましくない。
焼成時間は、４〜２４時間が好ましく、８〜２０時間がより好ましい。４時間未満であると、炭素成分が残留するので好ましくない。また、２４時間超であっても、生成物に変化はないが、生産性が低下するので好ましくない。
【００３４】
仮焼成を行う際の焼成炉の雰囲気は、粗焼成時と同様の酸素含有雰囲気が好ましい。
仮焼成を所定時間行った後、室温まで降温する。降温速度は、１００〜８００℃／時が好ましく、１００〜４００℃／時がより好ましい。１００℃／時未満であると生産性が落ちるので好ましくない。また、８００℃／時超であると目的とする物質が生成しないので好ましくない。
【００３５】
次いで、仮焼成で得られた酸化物を粗焼成の後に行ったのと同様に解砕する。解砕にはカッターミル、ジェットミル、アトマイザーなどの粉砕機を用い、一般に乾式法により行う。解砕後の体積平均粒径としては２〜１００μｍが好ましい。より好ましくは５〜５０μｍである。
さらに、この仮焼成粉を本焼成する。
本焼成工程においては、焼成炉の温度を５０〜８００℃／時、好ましくは１００〜４００℃／時の昇温速度で目的の焼成温度まで上げる。５０℃／時未満であると、目的の焼成温度まで達成するのに時間を要し、生産性が低下するので好ましくない。また、８００℃／時を超えると、各温度での反応物質の化学変化が十分に進行せずに、反応物質が不均一な状態で目的の焼成温度に到達するため、焼成物中に副生成物を生じる場合があるので好ましくない。
【００３６】
本焼成の温度は、１０００〜１４００℃が好ましく、１０５０〜１４００℃がより好ましい。１０００℃未満または１４００℃を超えると、目的とする結晶相が生成しないので好ましくない。
焼成時間は、４〜２４時間が好ましく、５〜２０時間がより好ましい。４時間未満であると、未反応物質が目的とする酸化物中に混在し、また、単一の結晶相であっても目的とする結晶相が得られないので好ましくない。また、２４時間超であっても、生成物に変化はないが、生産性が低下するので好ましくない。
【００３７】
本焼成を行う際の焼成炉の雰囲気は、粗焼成または仮焼成時と同様の酸素含有雰囲気中であることが好ましい。
本焼成を所定時間行った後、室温まで降温する。降温速度は、５０〜８００℃／時が好ましい。５０℃／時未満であると生産性が落ちるので好ましくない。また、８００℃／時超であると目的とする物質が生成しないので好ましくない。
次いで、本焼成で得られた酸化物を粗焼成の後に行ったのと同様に解砕する。解砕にはカッターミル、ジェットミル、アトマイザーなどの粉砕機を用い、一般に乾式法により行う。解砕後の体積平均粒径としては２〜２００μｍが好ましい。より好ましくは５〜５０μｍである。
【００３８】
次に、本発明では、上記の焼成工程で得られた酸化物を解砕した後に粉砕を行い、その後６００〜１２００℃で熱処理する工程を有する。
本焼成後の粉砕は、ジェットミル、ボールミルなどの粉砕機を用い、まずは乾式法により行うのが好ましい。ボールミルにおけるボールの材質はジルコニアまたはアルミナなどが利用できる。ボールの大きさは２〜２０ｍｍが好ましい。より好ましくは２〜５ｍｍの範囲である。
【００３９】
次いで、乾式粉砕した粉砕粉をボールミルまたはビーズミルによって湿式粉砕するのが好ましい。ボールまたはビーズの材質はジルコニアまたはアルミナなどが利用できる。ボールの大きさは２〜２０ｍｍが好ましい。より好ましくは２〜５ｍｍの範囲である。ビーズの大きさは、０．１〜１ｍｍが好ましい。溶媒としては、水、アルコール類、フッ素系溶剤などの有機溶剤、またはこれらの混合溶媒を用いることができる。
湿式粉砕後の粉体の体積平均粒径は０．２〜２０μｍが好ましい。より好ましくは０．５〜１５μｍであり、更に好ましくは１〜１０μｍである。湿式での粉砕時間は、目的の粒度になるように適宜調整するが、１〜２４時間が好ましい。
粉砕により、立方晶相のスカンジア安定化ジルコニアの一部が単斜晶相へと変化する。また、結晶子が一部破壊され、結晶子の大きさが小さくなる。
【００４０】
その後、粉砕したスカンジア安定化ジルコニアを熱処理する。熱処理温度は、６００〜１２００℃が好ましく、６００〜９００℃がより好ましく、７００〜８５０℃が更に好ましい。熱処理時間は、６〜２４時間が好ましく、６〜１２時間がより好ましい。この熱処理により、粉砕の際に生じた単斜晶相のスカンジア安定化ジルコニアを立方晶相に戻すができる。また、粉砕により一部破壊された結晶子を大きくすることができる。熱処理温度が６００℃未満では粉砕の際に生じた単斜晶相のスカンジア安定化ジルコニアが十分に立方晶に戻らず、１２００℃超であると結晶が成長し、成型時に緻密な固体電解質ができなくなるので好ましくない。
【００４１】
本発明に係る熱処理をしたスカンジア安定化ジルコニアは、熱処理しないスカンジア安定化ジルコニアと比較して後述するように熱収縮開始温度が高く、かつ熱膨張率が特定の範囲にあるので、燃料電池用固体電解質の成形用の材料として好適である。
また、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアは単斜晶相と立方晶相とからなり、下記の式（１）で定義される単斜晶相率が１〜３０％である。
単斜晶相の割合が１％未満であると熱膨張率が空気極または燃料極の電極材料と合わないため好ましくなく、３０％を超えると酸素イオン導電率が低下するので好ましくない。好ましくは、２〜２０％、特に好ましくは、２〜１０％である。
【００４２】
【数３】
なお、生成物の結晶相は粉末Ｘ線回折測定法により求めることができる。
【００４３】
本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアにおいては、粉末Ｘ線回折測定により得られた、Ｘ線回折パターン中の立方晶相の（１１１）面に垂直な方向の結晶子の大きさが２０〜５０ｎｍが好ましく、２０〜４５ｎｍがさらに好ましい。２０ｎｍ未満であると酸素イオン導電率が低下する可能性があるので好ましくない。また、５０ｎｍを超えると電解質として緻密にならないので好ましくない。前記の結晶子の大きさは、粉末Ｘ線回折測定により得られたＸ線回折パターン中の立方晶相の（１１１）面に相当する回折線の半価幅の値を用いて、以下に示すシェラーの式（２）により求めることができる。
【００４４】
【数４】
【００４５】
また、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアの体積平均粒径（以下、Ｄ５０という。）は、０．２８〜３．０μｍであることが好ましく、０．２５〜１．０μｍがより好ましい。
Ｄ５０が０．２８μｍ未満であると高温での熱膨張または熱収縮が大きいので好ましくなく、３．０μｍを超えると緻密な固体電解質膜が形成できないので好ましくない。
Ｄ５０は、スカンジア安定化ジルコニア粉末をイオン交換水中に分散剤を用いて散させ、レーザー回折式の粒度分布測定装置を用いて測定することができる。
【００４６】
本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアのＢＥＴ比表面積（以下、比表面積という。）は５〜１５ｍ２／ｇが好ましく、５〜１２ｍ２／ｇがより好ましい。５ｍ２／ｇ未満であると酸素イオン導電率が低くなるので好ましくなく、１５ｍ２／ｇを超えると成型体にしづらくなるので好ましくない。比表面積は窒素ガス吸着法により測定することができる。
また、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアの９００℃における熱膨張率は０．５〜１．５％であることが好ましい。特に好ましくは、０．５５〜０．９％である。熱膨張率が１．５％を超えるとその酸化物を成型して燃料電池の固体電解質として用いた場合に、成型体が大きな熱膨張を起こし、電極との間で膨張率が合わず、セル作製時に電極に亀裂が入ったり、大きな接触抵抗を生じるので好ましくない。
熱膨張率は、熱機械的分析装置を用いて測定することができる。
【００４７】
また、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアの熱収縮開始温度は、８６０℃以上であるのが好ましく、８７０〜１０００℃がより好ましい。熱収縮開始温度は、８６０℃以上であれば、他の材料の収縮開始温度を一致するという効果がある。
本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアは、９００℃における熱膨張率が０．５〜１．５％であり、かつ熱収縮開始温度は、８６０℃以上であるのが特に好ましい。
なお、本発明おいて、熱収縮開始温度とは、熱膨張率の温度依存曲線を温度に対して一次微分し、その値がプラスからマイナスに転じた温度と定義する。
【００４８】
また、本発明は、本発明と同じ化学組成を有し、かつ前記式（１）における単斜晶相率が３０％超であるスカンジア安定化ジルコニアを、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理する、熱処理されたスカンジア安定化ジルコニアの製造方法も提供する。熱処理されるスカンジア安定化ジルコニアの単斜晶相率は、３１〜７０％が好ましく、３１〜５０％がより好ましい。熱処理の温度は、６００〜９００℃が好ましく、７００〜８５０℃がより好ましい。熱処理温度が６００℃未満では単斜晶相のスカンジア安定化ジルコニアが十分に立方晶に相転移されず、導電率が低いので好ましくない。１２００℃超であると結晶が成長し、成型時に緻密な固体電解質ができなくなるので好ましくない。熱処理を行う際の焼成炉の雰囲気は、酸素含有雰囲気であり、粗焼成または仮焼成時と同様の雰囲気中であることが好ましい。
【００４９】
また、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアは、例えば６００〜８００℃といった、低温作動型燃料電池の固体電解質として有用である。
また、本発明に係るスカンジア安定化ジルコニアの導電率は、７５０℃において、０．０８±０．０２Ｓ／ｃmであるのが好ましく、８５０℃において、０．１６±０．０４Ｓ／ｃmであるのが好ましく，９５０℃において、０．２８±０．０７Ｓ／ｃmであるのが好ましい。
【実施例】
【００５０】
以下に、本発明の具体的な実施例を実施例１から実施例２４で説明し、比較例１〜２４で説明する。しかし、本発明は、これらの実施例に特に限定されるものではない。
【００５１】
［実施例１］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウム（ＺｒＯ（ＣＯ3））と、Ｓｃ源としての炭酸スカンジウム（Ｓｃ2（ＣＯ3）3）と、Ｃｅ源としての炭酸セリウム（八水和物）（Ｃｅ（ＣＯ3）2）・8Ｈ２ＯとをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｅが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように原料粉末の合計１６１４ｇを秤量した。一方で、原料粉末中に含まれる金属イオンのモル数とその価数の積の合計である当量数と等しい当量数のクエン酸１４１６ｇを５５℃の純水１．５Ｌ（リットル）に加えてクエン酸溶液を調製した。
上記のクエン酸溶液に原料混合粉末を投入し、５５℃で２時間反応させた。
反応終了後、得られたスラリーを１０５℃で４８時間脱水乾燥して複合クエン酸塩を得た。
【００５２】
得られた複合クエン酸塩を大気中において、４００℃で１０時間粗焼成した。室温から４００℃までの昇温速度は３００℃／時とし、４００℃から室温までの降温速度は３００℃／時とした。
得られた粗焼成粉をカッタ−ミルで解砕し、その後、大気中において、６００で１０時間仮焼成した。室温から６００℃までの昇温速度は３００℃／時とし、６００℃から室温までの降温速度は３００℃／時とした。
得られた仮焼成粉をカッターミルで解砕し、その後、大気中において、１２００℃で６時間本焼成した。室温から１２００℃までの昇温速度は１００℃／時とし、１２００℃から室温までの降温速度は１００℃／時とした。
この本焼成により得られた（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１をカッターミルにて解砕した。この解砕粉１００ｇを１Ｌ（リットル）のポットに分取した。このポットに直径５ｍｍのジルコニアボールと、フッ素化合物系の有機溶剤である旭硝子社製のＡＫ−２２５ＡＥを入れて１４０回転／分の回転速度で２０時間ボールミル粉砕した。粉砕したスラリーをステンレス製のバットにあけ、６０℃で２４時間乾燥した後、カッターミルで解砕した。得られた解砕粉をサンプル１とした。
【００５３】
少量のサンプル１を以下のようにイオン交換水に分散させて試料を調製した。分散剤として和光純薬社製の二リン酸ナトリウム十水和物を使用した濃度0．２４重量％の水溶液を用い、約０．１ｇのサンプル１と分散液とから全体が１０ｍｌとなるように分散液を調製し、３分間超音波を照射したものを試料とした。その試料からサンプル１の粒度分布をＨＯＲＩＢＡ社製のレーザー回折／散乱式粒度分布装置ＬＡ−９２０を用いて測定した。測定の直前に１８０秒間出力３０Wの超音波処理を施した。その結果、サンプル１のＤ５０は０．４０μｍであった。
サンプル１の比表面積を測定するに際して、窒素雰囲気中で３００℃で１０分間脱気処理を行った。その後、サンプル１の比表面積をＭｏｕｂｎｔｅｃｈ社製のＭａｃｓｏｒｂ ＨＭ Ｍｏｄｅｌ−１２０８を用いて窒素吸着法により測定した。サンプル１の比表面積は８．０ｍ２／ｇであった。
【００５４】
次いで、サンプル１の結晶相を同定するためＣｕＫαをＸ線源とする粉末Ｘ線回折測定を行った。Ｘ線回折測定にはリガク社製のＲＩＮＴ２２００Ｖを用いた。図１にその測定結果を示す。
２８．２６度と３１．３８度付近に観測された回折ピークは、それぞれ単斜晶相の（１１１）面と（１，１，−１）面に由来するピークである。一方、３０．３６度に観測されたピークは立方晶相の（１１１）面に由来する回折ピークである。単斜晶相の（１１１）回折ピークに由来するピーク強度（Ｉｍ（１１１））と（１，１，−１）回折ピークに由来するピーク強度（Ｉｍ（１，１，−１））は、それぞれ５４６ｃｐｓ、７３７ｃｐｓであった。また、立方晶相の（１１１）回折ピークに由来するピーク強度（Ｉｃ（１１１））は、２３４６ｃｐｓであった。したがって式（１）から計算すると単斜晶相率は３５％であった。
また、立方晶相の（１１１）面の回折ピークの半価幅は０．４８４度であり、シェラーの式（２）から計算される結晶子の大きさは１７ｎｍであった。
【００５５】
熱膨張率は、セイコーインスツル（ＳＩＩ）社製の熱機械的分析装置ＴＭＡ／ＳＳ６３００を用いて行った。
サンプル１を平面が２０ｍｍ×４ｍｍの直方体状の金型に１ｇ充填し、圧力２５ＭＰａで一軸成型したものを試料片とした。その試料片を熱機械的分析装置中に設置し、４００ｍｌ／ｍｉｎの窒素ガス気流中で２５℃から１２００℃まで２℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温することにより熱膨張率の温度依存性を測定した。
サンプル１の熱膨張率の温度依存性を図２に示す。９００℃における熱膨張率は０．０２％であり熱収縮開始温度は７９５℃であった。
サンプル１をアルミナ製の焼成容器に移し、大気中において、昇温速度１００℃／ｈで８００℃まで昇温し、８００℃に達してから６時間熱処理した。その後、降温速度１００℃／ｈで５０℃以下まで降温した後に、サンプルを焼成容器から取り出して、カッターミルで粉砕し、サンプル２とした。
【００５６】
熱処理前と同様にしてサンプル２の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２のＤ５０の値は、０．４８μｍであり、比表面積は６．０ｍ２／ｇであった。
熱処理前と同様にしてサンプル２のＸ線回折測定を行った。サンプル２のＸ線回折パターンを図３に示す。回折ピーク強度から式（１）を用いて求めた単斜晶率は９％であり、（１１１）面に垂直方向の結晶子の大きさは２８ｎｍであった。
熱処理前と同様にして、サンプル２に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。その結果を図４に示す。サンプル２の９００℃における熱膨張率は０．８５％であり熱収縮開始温度は９００℃であった。
【００５７】
［実施例２］
本焼成温度を１０２５℃とした以外は実施例１と同様にして熱処理前のサンプル３（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１を作成した。
実施例１と同様にしてサンプル３の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３のＤ５０の値は、０．２１μｍであり、比表面積は１９．０ｍ２／ｇであった。
サンプル３のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３の単斜晶率は４９％であり、結晶子の大きさは１１ｎｍであった。
次いで、サンプル３に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３の９００℃における熱膨張率は−１．３０％であり熱収縮開始温度は８５０℃であった。
【００５８】
サンプル３を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル４とした。
実施例１と同様にしてサンプル４の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４のＤ５０の値は０．２８μｍであり、比表面積は１１．０ｍ２／ｇであった。
サンプル４のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４の単斜晶率は１１％であり、結晶子の大きさは２３ｎｍであった。
次いで、サンプル４に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４の９００℃における熱膨張率は０．９０％であり熱収縮開始温度は８９０℃であった。
【００５９】
［実施例３］
本焼成温度を１１３０℃とした以外は実施例１と同様にして熱処理前のサンプル５（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１を作成した。
実施例１と同様にしてサンプル５の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル５のＤ５０の値は、０．６５μｍであり、比表面積は９．２ｍ２／ｇであった。
サンプル５のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル５の単斜晶率は３３％であり、結晶子の大きさは２０ｎｍであった。
次いで、サンプル５に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル５の９００℃における熱膨張率は０．２５％であり熱収縮開始温度は８２５℃であった。
【００６０】
サンプル５を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル６とした。
実施例１と同様にしてサンプル６の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル６のＤ５０の値は０．５６μｍであり、比表面積は６．２ｍ２／ｇであった。
サンプル６のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル６の単斜晶率は８％であり、結晶子の大きさは３０ｎｍであった。
次いで、サンプル６に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル６の９００℃における熱膨張率は０．８９％であり熱収縮開始温度は８９０℃であった。
【００６１】
［実施例４］
実施例１のサンプル１をサンプル７とし、熱処理温度を９００℃とした以外は実施例１と同様にしてサンプル７を熱処理した試料をサンプル８とした。
実施例１と同様にしてサンプル８の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル８のＤ５０の値は０．５９μｍであり、比表面積は５．４ｍ２／ｇであった。
サンプル８のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル８の単斜晶率は４％であり、結晶子の大きさは３６ｎｍであった。
次いで、サンプル８に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル８の９００℃における熱膨張率は０．８６％であり熱収縮開始温度は９５０℃であった。
【００６２】
［実施例５］
実施例２のサンプル３をサンプル９とし、熱処理温度を９００℃とした以外は実施例１と同様にしてサンプル９を熱処理した試料をサンプル１０とした。
実施例１と同様にしてサンプル１０の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１０のＤ５０の値は０．３４μｍであり、比表面積は９．０ｍ２／ｇであった。
サンプル１０のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１０の単斜晶率は４％であり、結晶子の大きさは３０ｎｍであった。
次いで、サンプル１０に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１０の９００℃における熱膨張率は０．８７％であり熱収縮開始温度は９３０℃であった。
【００６３】
［実施例６］
実施例３のサンプル５をサンプル１１とし、熱処理温度を９００℃とした以外は実施例１と同様にしてサンプル１１を熱処理した試料をサンプル１２とした。
実施例１と同様にしてサンプル１２の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１２のＤ５０の値は０．５８μｍであり、比表面積は５．６ｍ２／ｇであった。
サンプル１２のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１２の単斜晶率は２％であり、結晶子の大きさは４１ｎｍであった。
次いで、サンプル１２に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１２の９００℃における熱膨張率は０．９１％であり熱収縮開始温度は９５０℃であった。
【００６４】
［実施例７］
実施例１のサンプル１をサンプル１３とし、熱処理温度を６００℃とした以外は実施例１と同様にしてサンプル１３を熱処理した試料をサンプル１４とした。
実施例１と同様にしてサンプル１４の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１４のＤ５０の値は０．３８μｍであり、比表面積は７．１ｍ２／ｇであった。
サンプル１４のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１４の単斜晶率は２％であり、結晶子の大きさは２１ｎｍであった。
次いで、サンプル１４に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１４の９００℃における熱膨張率は０．９０％であり熱収縮開始温度は８５０℃であった。
【００６５】
［実施例８］
本焼成温度を１４００℃とした以外は実施例１と同様にして熱処理前のサンプル１５を作成した。
実施例１と同様にしてサンプル１５の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１５のＤ５０の値は０．４０μｍであり、比表面積は８．０ｍ２／ｇであった。
サンプル１５のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１５の単斜晶率は３１％であり、結晶子の大きさは１７ｎｍであった。
次いで、サンプル１５に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１５の９００℃における熱膨張率は０．０２％であり熱収縮開始温度は８１５℃であった。
【００６６】
熱処理温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にしてサンプル１５を熱処理した試料をサンプル１６とした。
実施例１と同様にしてサンプル１６の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１６のＤ５０の値は３．００μｍであり、比表面積は２．４ｍ２／ｇであった。
サンプル１６のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１６の単斜晶率は２％であり、結晶子の大きさは２７ｎｍであった。
次いで、サンプル１６に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１６の９００℃における熱膨張率は０．８１％であり熱収縮開始温度は８９３℃であった。
【００６７】
［実施例９］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＣｅ源としての炭酸セリウム（八水和物）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｅが原子比で０．９７５：０．０４：０．００５となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル１７（ＺｒＯ２）０．９７５（Ｓｃ２Ｏ３）０．０２（ＣｅＯ２）０．００５を作製した。
【００６８】
実施例１と同様にしてサンプル１７の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１７のＤ５０の値は０．４１μｍであり、比表面積は８．２ｍ２／ｇであった。
サンプル１７のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１７の単斜晶率は３３％であり、結晶子の大きさは１８ｎｍであった。
次いで、サンプル１７に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１７の９００℃における熱膨張率は０．０２％であり熱収縮開始温度は８０２℃であった。
【００６９】
サンプル１７を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル１８とした。
実施例１と同様にしてサンプル１８の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１８のＤ５０の値は０．４９μｍであり、比表面積は６．５ｍ２／ｇであった。
サンプル１８のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１８の単斜晶率は９％であり、結晶子の大きさは３０ｎｍであった。
次いで、サンプル１８に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１８の９００℃における熱膨張率は０．６４％であり熱収縮開始温度は９１０℃であった。
【００７０】
［実施例１０］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＣｅ源としての炭酸セリウム（八水和物）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｅが原子比で０．８８：０．０４：０．１０となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル１９（ＺｒＯ２）０．８８（Ｓｃ２Ｏ３）０．０２（ＣｅＯ２）０．１０を作製した。
【００７１】
実施例１と同様にしてサンプル１９の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル１９のＤ５０の値は０．３９μｍであり、比表面積は７．９ｍ２／ｇであった。
サンプル１９のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル１９の単斜晶率は３５％であり、結晶子の大きさは１９ｎｍであった。
次いで、サンプル１９に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル１９の９００℃における熱膨張率は０．１０％であり熱収縮開始温度は８０５℃であった。
【００７２】
サンプル１９を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル２０とした。
実施例１と同様にしてサンプル２０の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２０のＤ５０の値は０．４８μｍであり、比表面積は６．２ｍ２／ｇであった。
サンプル２０のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２０の単斜晶率は８％であり、結晶子の大きさは２４ｎｍであった。
次いで、サンプル２０に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２０の９００℃における熱膨張率は０．７０％であり熱収縮開始温度は９１３℃であった。
【００７３】
［実施例１１］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＣｅ源としての炭酸セリウム（八水和物）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｅが原子比で０．７９５：０．４０：０．００５のとなるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル２１（ＺｒＯ２）０．７９５（Ｓｃ２Ｏ３）０．２０（ＣｅＯ２）０．００５を作製した。
【００７４】
実施例１と同様にしてサンプル２１の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２１のＤ５０の値は０．４０μｍであり、比表面積は８．１ｍ２／ｇであった。
サンプル２１のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２１の単斜晶率は４０％であり、結晶子の大きさは１９ｎｍであった。
次いで、サンプル２１に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２１の９００℃における熱膨張率は０．２０％であり熱収縮開始温度は７９８℃であった。
【００７５】
サンプル２１を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル２２とした。
実施例１と同様にしてサンプル２２の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２２のＤ５０の値は０．３５μｍであり、比表面積は５．８ｍ２／ｇであった。
サンプル２２のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２２の単斜晶率は１０％であり、結晶子の大きさは２２ｎｍであった。
次いで、サンプル２２に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２２の９００℃における熱膨張率は０．５５％であり熱収縮開始温度は９２０℃であった。
【００７６】
［実施例１２］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＡｌ源としての水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）3）とをＺｒ：Ｓｃ：Ａｌが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル２３（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＡｌＯ１．５）０．０１を作製した。
【００７７】
実施例１と同様にしてサンプル２３の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２３のＤ５０の値は０．３８μｍであり、比表面積は８．５ｍ２／ｇであった。
サンプル２３のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２３の単斜晶率は４１％であり、結晶子の大きさは１５ｎｍであった。
次いで、サンプル２３に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２３の９００℃における熱膨張率は０．１５％であり熱収縮開始温度は８２０℃であった。
【００７８】
サンプル２３を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル２４とした。
実施例１と同様にしてサンプル２４の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル ４のＤ５０の値は０．４０μｍであり、比表面積は７．０ｍ２／ｇであった。
サンプル２４のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２４の単斜晶率は１２％であり、結晶子の大きさは２２ｎｍであった。
次いで、サンプル２４に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２４の９００℃における熱膨張率は０．８０％であり熱収縮開始温度は９００℃であった。
【００７９】
［実施例１３］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＬａ源としての酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｌａが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル２５（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＬａＯ１．５）０．０１を作製した。
【００８０】
実施例１と同様にしてサンプル２５の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２５のＤ５０の値は、０．２９μｍであり、比表面積は９．０ｍ２／ｇであった。
サンプル２５のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２５の単斜晶率は４０％であり、結晶子の大きさは１４ｎｍであった。
次いで、サンプル２５に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２５の９００℃における熱膨張率は０．００％であり熱収縮開始温度は８０５℃であった。
【００８１】
サンプル２５を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル２６とした。
実施例１と同様にしてサンプル２６の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２６のＤ５０の値は０．４２μｍであり、比表面積は６．５ｍ２／ｇであった。
サンプル２６のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２６の単斜晶率は１０％であり、結晶子の大きさは２４ｎｍであった。
次いで、サンプル２６に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２６の９００℃における熱膨張率は０．７５％であり熱収縮開始温度は９４０℃であった。
【００８２】
［実施例１４］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＰｒ源としての炭酸プラセオジム（八水和物）（Ｐｒ2（ＣＯ3）3）・8Ｈ２ＯとをＺｒ：Ｓｃ：Ｐｒが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル２７（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＰｒＯ１．５）０．０１を作製した。
【００８３】
実施例１と同様にしてサンプル２７の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２７のＤ５０の値は、０．４３μｍであり、比表面積は７．５ｍ２／ｇであった。
サンプル２７のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２７の単斜晶率は３１％であり、結晶子の大きさは１５ｎｍであった。
次いで、サンプル２７に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２７の９００℃における熱膨張率は０．４０％であり熱収縮開始温度は７９２℃であった。
【００８４】
サンプル２７を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル２８とした。
実施例１と同様にしてサンプル２８の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２８のＤ５０の値は０．５０μｍであり、比表面積は５．９ｍ２／ｇであった。
サンプル２８のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２８の単斜晶率は９％であり、結晶子の大きさは２９ｎｍであった。
次いで、サンプル２８に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２８の９００℃における熱膨張率は０．７４％であり熱収縮開始温度は９３１℃であった。
【００８５】
［実施例１５］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＳｍ源としての炭酸サマリウム（ｎ水和物）（Ｓｍ2（ＣＯ３）３）・ｎＨ２ＯとをＺｒ：Ｓｃ：Ｓｍが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル２９（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＳｍＯ１．５）０．０１を作製した。
【００８６】
実施例１と同様にしてサンプル２９の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル２９のＤ５０の値は、０．４１μｍであり、比表面積は８．５ｍ２／ｇであった。
サンプル２９のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル２９の単斜晶率は３５％であり、結晶子の大きさは１７ｎｍであった。
次いで、サンプル２９に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル２９の９００℃における熱膨張率は０．３０％であり熱収縮開始温度は８０１℃であった。
【００８７】
サンプル２９を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル３０とした。
実施例１と同様にしてサンプル３０の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３０のＤ５０の値は０．５１μｍであり、比表面積は６．１ｍ２／ｇであった。
サンプル３０のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３０の単斜晶率は７％であり、結晶子の大きさは３０ｎｍであった。
次いで、サンプル３０に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３０の９００℃における熱膨張率は０．７０％であり熱収縮開始温度は９２５℃であった。
【００８８】
［実施例１６］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＧｄ源としての酸化ガドリニウム（Ｇｄ2Ｏ3）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｇｄが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル３１（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＧｄＯ１．５）０．０１を作製した。
【００８９】
実施例１と同様にしてサンプル３１の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３１のＤ５０の値は、０．３５μｍであり、比表面積は８．５ｍ２／ｇであった。
サンプル３１のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３１の単斜晶率は４０％であり、結晶子の大きさは１８ｎｍであった。
次いで、サンプル３１に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３１の９００℃における熱膨張率は０．００％であり熱収縮開始温度は８１１℃であった。
【００９０】
サンプル３１を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル３２とした。
実施例１と同様にしてサンプル３２の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３２のＤ５０の値は０．４９μｍであり、比表面積は６．３ｍ２／ｇであった。
サンプル３２のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３２の単斜晶率は１２％であり、結晶子の大きさは３５ｎｍであった。
次いで、サンプル３２に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３２の９００℃における熱膨張率は０．６５％であり熱収縮開始温度は９１２℃であった。
【００９１】
［実施例１７］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＣｏ源としての炭酸コバルト（ＣｏＣＯ3）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｏが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル３３（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｏＯ１．３）０．０１を作製した。
【００９２】
実施例１と同様にしてサンプル３３の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３３のＤ５０の値は、０．４０μｍであり、比表面積は８．３ｍ２／ｇであった。
サンプル３３のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３３の単斜晶率は４０％であり、結晶子の大きさは１７ｎｍであった。
次いで、サンプル３３に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３３の９００℃における熱膨張率は−０．０３％であり熱収縮開始温度は７９０℃であった。
【００９３】
サンプル３３を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル３４とした。
実施例１と同様にしてサンプル３４の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３４のＤ５０の値は０．５３μｍであり、比表面積は５．４ｍ２／ｇであった。
サンプル３４のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３４の単斜晶率は５％であり、結晶子の大きさは４０ｎｍであった。
次いで、サンプル３４に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３４の９００℃における熱膨張率は０．５５％であり熱収縮開始温度８９８℃であった。
【００９４】
［実施例１８］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムとＭｎ源としての炭酸マンガン（Ｍｎ２（ＣＯ３）３）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｍｎが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル３５（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＭｎＯ１．５）０．０１を作製した。
【００９５】
実施例１と同様にしてサンプル３５の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３５のＤ５０の値は、０．３８μｍであり、比表面積は８．４ｍ２／ｇであった。
サンプル３５のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３５の単斜晶率は３２％であり、結晶子の大きさは１９ｎｍであった。
次いで、サンプル３５に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３５の９００℃における熱膨張率は０．１０％であり熱収縮開始温度は８０５℃であった。
【００９６】
サンプル３５を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル３６とした。
実施例１と同様にしてサンプル３６の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３６のＤ５０の値は０．４８μｍであり、比表面積は６．０ｍ２／ｇであった。
サンプル３６のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３６の単斜晶率は１０％であり、結晶子の大きさは２８ｎｍであった。
次いで、サンプル３６に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３６の９００℃における熱膨張率は０．６４％であり熱収縮開始温度は８９６℃であった。
【００９７】
［実施例１９］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウムとＳｃ源としての炭酸スカンジウムと銅源としての酸化銅（ＣｕＯ）とをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｕが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、クエン酸量を変化させ、本焼成温度を１４００℃とした以外は実施例1と同様にして熱処理前のサンプル３７（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｕＯ）０．０１を作製した。
【００９８】
実施例１と同様にしてサンプル３７の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３７のＤ５０の値は、０．３８μｍであり、比表面積は８．１ｍ２／ｇであった。
サンプル３７のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３７の単斜晶率は３１％であり、結晶子の大きさは１５ｎｍであった。
次いで、サンプル３７に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３７の９００℃における熱膨張率は０．２１％であり熱収縮開始温度は８１０℃であった。
【００９９】
サンプル３７を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル３８とした。
実施例１と同様にしてサンプル３８の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３８のＤ５０の値は０．５０μｍであり、比表面積は７．０ｍ２／ｇであった。
サンプル３８のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３８の単斜晶率は１３％であり、結晶子の大きさは３０ｎｍであった。
次いで、サンプル３８に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３８の９００℃における熱膨張率は０．５０％であり熱収縮開始温度は９０２℃であった。
【０１００】
［実施例２０］
クエン酸に代えてリンゴ酸を用いた以外は実施例1と同様にして（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１である熱処理前のサンプル３９を作製した。
実施例１と同様にしてサンプル３９の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル３９のＤ５０の値は、０．４３μｍであり、比表面積は８．２ｍ２／ｇであった。
サンプル３９のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル３９の単斜晶率は３２％であり、結晶子の大きさは１８ｎｍであった。
次いで、サンプル３９に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル３９の９００℃における熱膨張率は０．３０％であり熱収縮開始温度は７９３℃であった。
【０１０１】
サンプル３９を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル４０とした。
実施例１と同様にしてサンプル４０の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４０のＤ５０の値は０．４８μｍであり、比表面積は１０．０ｍ２／ｇであった。
サンプル４０のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４０の単斜晶率は２４％であり、結晶子の大きさは２０ｎｍであった。
次いで、サンプル４０に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４０の９００℃における熱膨張率は１．００％であり熱収縮開始温度は９０２℃であった。
【０１０２】
［実施例２１］
クエン酸に代えてシュウ酸を用いた以外は実施例1と同様にして（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１である熱処理前のサンプル４１を作製した。
実施例１と同様にしてサンプル４１の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４１のＤ５０の値は、０．４１μｍであり、比表面積は９．０ｍ２／ｇであった。
サンプル４１のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４１の単斜晶率は３２％であり、結晶子の大きさは１３ｎｍであった。
次いで、サンプル４１に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４１の９００℃における熱膨張率は０．２１％であり熱収縮開始温度は７６２℃であった。
【０１０３】
サンプル４１を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル４２とした。
実施例１と同様にしてサンプル４２の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４２のＤ５０の値は０．４０μｍであり、比表面積は１１．０ｍ２／ｇであった。
サンプル４２のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４２の単斜晶率は２５％であり、結晶子の大きさは２０ｎｍであった。
次いで、サンプル４２に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４２の９００℃における熱膨張率は０．９２％であり熱収縮開始温度は８７３℃であった。
【０１０４】
［実施例２２］
クエン酸に代えて硝酸を用い原料混合粉を溶解し、その溶液のｐＨをアンモニアで中和し十分に均質な原料混合溶液を作成した後、その溶液にシュウ酸を加え原料粉を沈殿させ、この沈殿した原料混合粉を含む溶液をろ過することにより得た原料混合粉を乾燥させ原料混合粉を作製した以外は実施例1と同様にして（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１である熱処理前のサンプル４３を作製した。
実施例１と同様にしてサンプル４３の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４３のＤ５０の値は、０．４０μｍであり、比表面積は８．５ｍ２／ｇであった。
サンプル４３のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４３の単斜晶率は３１％であり、結晶子の大きさは１２ｎｍであった。
次いで、サンプル４３に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４３の９００℃における熱膨張率は０．４５％であり熱収縮開始温度は７９２℃であった。
【０１０５】
サンプル４３を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル４４とした。
実施例１と同様にしてサンプル４４の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４４のＤ５０の値は０．４１μｍであり、比表面積は１２．０ｍ２／ｇであった。
サンプル４４のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４４の単斜晶率は１２％であり、結晶子の大きさは２０ｎｍであった。
次いで、サンプル４４に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４４の９００℃における熱膨張率は１．００％であり熱収縮開始温度は９１２℃であった。
【０１０６】
［実施例２３］
硝酸に代えて濃度１０％のフッ化水素水溶液と濃度５０％の硝酸と濃度５０％の塩酸との体積比３０：４０：３０の混酸を用いた以外は実施例２２と同様にして（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１である熱処理前のサンプル４５を作製した。
実施例１と同様にしてサンプル４５の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４５のＤ５０の値は、０．４２μｍであり、比表面積は８．３ｍ２／ｇであった。
サンプル４５のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４５の単斜晶率は３１％であり、結晶子の大きさは１５ｎｍであった。
次いで、サンプル４５に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４５の９００℃における熱膨張率は０．３０％であり熱収縮開始温度は７６５℃であった。
【０１０７】
サンプル４５を実施例１と同様に８００℃で６時間熱処理した試料をサンプル４６とした。
実施例１と同様にしてサンプル４６の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４６のＤ５０の値は０．５２μｍであり、比表面積は１１．２ｍ２／ｇであった。
サンプル４６のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４６の単斜晶率は１０％であり、結晶子の大きさは２１ｎｍであった。
次いで、サンプル４６に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４６の９００℃における熱膨張率は１．５０％であり熱収縮開始温度は８８６℃であった。
【０１０８】
［実施例２４］
Ｚｒ源としてのオキシ炭酸ジルコニウム（ＺｒＯ（ＣＯ3））と、Ｓｃ源としての炭酸スカンジウム（Ｓｃ2（ＣＯ3）3）と、Ｃｅ源としての炭酸セリウム（八水和物）（Ｃｅ（ＣＯ3）2）・8Ｈ２ＯとをＺｒ：Ｓｃ：Ｃｅが原子比で０．８９：０．２０：０．０１となるように秤量し、ボールミルを用いて１２時間粉砕混合した。
【０１０９】
上記の粉砕混合工程で得た調合粉をアルミナ製の焼成容器に移し、６００℃で１０時間仮焼成した。室温から６００℃までの昇温速度は１００℃／時とし、６００℃から室温までの降温速度は１００℃／時とした。得られた仮焼成粉をカッターミルで解砕し、その後１２００℃で６時間本焼成した。室温から１２００℃までの昇温速度は１００℃／時とし、１２００℃から室温までの降温速度は１００℃／時とした。
この本焼成により得られた（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１０（ＣｅＯ２）０．０１を実施例１と同様にしてサンプル４７とした。
【０１１０】
実施例１と同様にしてサンプル４７の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４７のＤ５０の値は０．４μｍであり、比表面積は８．１ｍ２／ｇであった。
サンプル４７のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４７の単斜晶相率は３３％であり、（１１１）面に垂直方向の結晶子の大きさは１９ｎｍであった。
次いで、サンプル４７に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。９００℃における熱膨張率は０．４０％であり、熱収縮開始温度は７７３℃であった。
サンプル４７を実施例１と同様に８００℃、６時間熱処理した試料をサンプル４８とした。
実施例１と同様にしてサンプル４８の粒度分布、比表面積を測定した。サンプル４８のＤ５０の値は０．６０μｍであり、比表面積は１０．５ｍ２／ｇであった。
【０１１１】
サンプル４８のＸ線回折測定を行った。式（１）を用いて求めたサンプル４８の単斜晶相率は９％であり、（１１１）面に垂直な方向の結晶子の大きさは２１ｎｍであった。
次いで、サンプル４８に対して熱膨張率の温度依存性を測定した。サンプル４８の９００℃における熱膨張率は１．２０％であり、熱収縮開始温度は８９５℃であった。
【０１１２】
表１にサンプル１から４８のＤ５０、比表面積、単斜晶相率、結晶子の大きさ、９００℃における熱膨張率および熱収縮開始温度をまとめて示す。
Ｄ５０は熱処理後大きくなる傾向があった。例えば、熱処理前のサンプル１のＤ５０は０．４０μｍであったが、８００℃で熱処理したサンプル２では０．４８μｍとなった。また、９００℃で熱処理した実施例４のサンプル８では０．５６μｍとなった。
比表面積は熱処理により小さくなった。例えば、熱処理前のサンプル１の比表面積は８．０ｍ２／ｇであったが、８００℃で熱処理したサンプル２では６．０ｍ２／ｇとなった。また、９００℃で熱処理した実施例４のサンプル８では５．４μｍとなった。
熱処理温度の上昇により、粒子が焼結したためにＤ５０が増加し、比表面積が減少したものと考えられる。
【０１１３】
単斜晶相率は熱処理により低減した。例えば、熱処理前のサンプル１の単斜晶相率は３５％であったが、８００℃で熱処理したサンプル２では９％となった。熱処理により単斜晶相が立方晶相へ再転位したためであると考えられる。
結晶子の大きさは熱処理により大きくなった。例えば、熱処理前のサンプル１の結晶子は１７ｎｍであったが、８００℃で熱処理したサンプル２では２８ｎｍとなった。熱処理により結晶性が高くなったと考えられる。
【０１１４】
熱収縮開始温度は、熱処理により上昇した。例えば、熱処理前のサンプル１の熱収縮開始温度は７９５℃であったが、８００℃で熱処理したサンプル２では９００℃となった。この熱収縮開始温度の上昇は、結晶子径の大きさに起因すると考えられる。熱収縮開始温度は、スカンジア安定化ジルコニアのＤ５０と結晶子の大きさに依存し、スカンジア安定化ジルコニアのＤ５０が大きくなるほど、また結晶子の大きさが大きいほど高くなる傾向にあった。
【０１１５】
［比較例１〜２４］
実施例１〜２４において、最後の熱処理を行わなかった他は実施例１〜２４と同様にして、熱処理前のスカンジア安定化ジルコニアを作製した。熱処理前のスカンジア安定化ジルコニアの、組成、本焼成の焼成温度、平均粒径、比表面積、単斜晶相率、結晶子の大きさ、９００℃における熱膨張率、及び熱収縮開始温度を表１に示した。
【０１１６】
【表１】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表され、かつ立方晶相と単斜晶相とを含有し、Ｘ線回折測定の結果から下記の式（１）より求めた単斜晶相率が１〜３０％であることを特徴とするスカンジア安定化ジルコニア。
【数１】
【請求項２】
９００℃における熱膨張率が０．５〜１．５％である、請求項1に記載のスカンジア安定化ジルコニア。
【請求項３】
熱収縮開始温度が８６０℃以上である、請求項１または２に記載のスカンジア安定化ジルコニア。
【請求項４】
前記スカンジア安定化ジルコニアが粉末状であって、該粉末の平均粒径が０．２８〜３．０μｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア。
【請求項５】
Ｘ線回折測定から求めた立方晶相の（１１１）面に垂直方向の結晶子の大きさが２０〜５０ｎｍである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア。
【請求項６】
（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表されるスカンジア安定化ジルコニアの製造方法において、スカンジア安定化ジルコニアを構成する金属元素を含有する原料化合物を混合し、酸素含有雰囲気中１０００〜１４００℃で焼成した後、得られた焼成粉を粉砕し、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理することを特徴とするスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【請求項７】
（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表されるスカンジア安定化ジルコニアの製造方法において、水酸化物、酸化物または炭酸塩のいずれか１種以上であるスカンジア安定化ジルコニアを構成する金属元素を含有する原料化合物を有機酸または無機酸の溶液に加えて、該原料化合物と有機酸または無機酸とを反応させ、中間生成物である複合有機酸塩または複合無機酸塩を製造し、中間生成物を乾燥し、酸素含有雰囲気中１０００〜１４００℃で焼成した後、得られた焼成粉を粉砕し、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理することを特徴とするスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【請求項８】
有機酸がクエン酸、リンゴ酸、ギ酸、酢酸およびシュウ酸からなる群より選択される１種以上の酸である、請求項７に記載のスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【請求項９】
無機酸が塩酸、硝酸、硫酸、リン酸およびフッ化水素酸からなる群より選択される１種以上の酸である、請求項７に記載のスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【請求項１０】
（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表され、かつ立方晶相と単斜晶相とを含有し、Ｘ線回折測定の結果から下記の式（２）より求めた単斜晶相率が３０％超であるスカンジア安定化ジルコニアを、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理することを特徴とする、熱処理されたスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【数２】
【請求項１】
（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表され、かつ立方晶相と単斜晶相とを含有し、Ｘ線回折測定の結果から下記の式（１）より求めた単斜晶相率が１〜３０％であることを特徴とするスカンジア安定化ジルコニア。
【数１】
【請求項２】
９００℃における熱膨張率が０．５〜１．５％である、請求項1に記載のスカンジア安定化ジルコニア。
【請求項３】
熱収縮開始温度が８６０℃以上である、請求項１または２に記載のスカンジア安定化ジルコニア。
【請求項４】
前記スカンジア安定化ジルコニアが粉末状であって、該粉末の平均粒径が０．２８〜３．０μｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア。
【請求項５】
Ｘ線回折測定から求めた立方晶相の（１１１）面に垂直方向の結晶子の大きさが２０〜５０ｎｍである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア。
【請求項６】
（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表されるスカンジア安定化ジルコニアの製造方法において、スカンジア安定化ジルコニアを構成する金属元素を含有する原料化合物を混合し、酸素含有雰囲気中１０００〜１４００℃で焼成した後、得られた焼成粉を粉砕し、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理することを特徴とするスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【請求項７】
（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表されるスカンジア安定化ジルコニアの製造方法において、水酸化物、酸化物または炭酸塩のいずれか１種以上であるスカンジア安定化ジルコニアを構成する金属元素を含有する原料化合物を有機酸または無機酸の溶液に加えて、該原料化合物と有機酸または無機酸とを反応させ、中間生成物である複合有機酸塩または複合無機酸塩を製造し、中間生成物を乾燥し、酸素含有雰囲気中１０００〜１４００℃で焼成した後、得られた焼成粉を粉砕し、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理することを特徴とするスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【請求項８】
有機酸がクエン酸、リンゴ酸、ギ酸、酢酸およびシュウ酸からなる群より選択される１種以上の酸である、請求項７に記載のスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【請求項９】
無機酸が塩酸、硝酸、硫酸、リン酸およびフッ化水素酸からなる群より選択される１種以上の酸である、請求項７に記載のスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【請求項１０】
（ＺｒＯ2）1−ｘ−ｙ（Ｓｃ2Ｏ3）ｘ（ＡＯｚ）ｙ（ここで、Ａはアルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、コバルト、マンガンおよび銅からなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、０．０２≦ｘ≦０．２、０．００５≦ｙ≦０．１、１．０≦ｚ≦２．０である。）で表され、かつ立方晶相と単斜晶相とを含有し、Ｘ線回折測定の結果から下記の式（２）より求めた単斜晶相率が３０％超であるスカンジア安定化ジルコニアを、酸素含有雰囲気中６００〜１２００℃で熱処理することを特徴とする、熱処理されたスカンジア安定化ジルコニアの製造方法。
【数２】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−７９７２３（Ｐ２０１１−７９７２３Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３５５７８（Ｐ２００９−２３５５７８）
【出願日】平成２１年１０月９日（２００９．１０．９）
【出願人】（０００１０８０３０）ＡＧＣセイミケミカル株式会社 (130)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月９日（２００９．１０．９）
【出願人】（０００１０８０３０）ＡＧＣセイミケミカル株式会社 (130)
【Ｆターム（参考）】
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