JPH07126702A - 準結晶Al合金超微粒子およびその集合物の製造方法 - Google Patents

準結晶Al合金超微粒子およびその集合物の製造方法

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JPH07126702A
JPH07126702A JP5265591A JP26559193A JPH07126702A JP H07126702 A JPH07126702 A JP H07126702A JP 5265591 A JP5265591 A JP 5265591A JP 26559193 A JP26559193 A JP 26559193A JP H07126702 A JPH07126702 A JP H07126702A
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crystalline
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Katsutoshi Nozaki
勝敏 野崎
Takeshi Masumoto
健 増本
Akihisa Inoue
明久 井上
Masashi Yamaguchi
正志 山口
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Honda Motor Co Ltd
Chichibu Onoda Cement Corp
YKK Corp
Yoshida Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 優れた触媒活性を有する準結晶Al合金超微
粒子を提供する。 【構成】 準結晶Al合金超微粒子は、気相反応生成物
であって、20原子%≦Pd≦30原子%と、残部Al
とからなる。Pdは触媒能を有し、また前記超微粒子は
その粒径dがd≦200nmであることから大きな比表
面積を有する。このような前記超微粒子は、メタノール
分解反応において高い触媒活性を有し、またその活性の
持続性も良好である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は準結晶Al合金超微粒子
およびその集合物の製造方法に関する。
【0002】ここで準結晶Al合金とは、一般に、通常
の結晶では存在しない5回の回転対称性を持ち、且つ正
20面体構造を有するAl合金であって、結晶質Al合
金と非晶質Al合金との中間的な構造を持つものであ
る。また準結晶Al合金には準安定相として存在するも
のと、安定相として存在するものとがあり、準安定相の
準結晶Al合金は結晶化温度Txで安定相である結晶相
に変化し、一方、安定相の準結晶Al合金はその融点ま
で安定に準結晶構造を維持する。
【0003】
【従来の技術】従来、準結晶Al合金は、単ロール方式
を採用した液体急冷法またはメカニカルアロイング法に
より製造されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】準結晶Al合金を触媒
材料、磁性材料等として用いる場合、その特性を向上さ
せるためには、準結晶Al合金を極微細な粒子状に形成
する必要がある。
【0005】しかしながら、前記液体急冷法によると、
準結晶Al合金はリボン状をなすため、これを粉砕して
も、得られる粒子はその直径がたかだか1〜10μmの
ものであり、また前記メカニカルアロイング法によって
もミクロンオーダのものが得られるにすぎない。したが
って、従来法による準結晶Al合金粒子は、極微細化と
いう要求に到底応じることはできない。
【0006】本発明は前記に鑑み、極微細化を達成され
て触媒材料、磁性材料等として最適な前記準結晶Al合
金超微粒子およびその集合物の製造方法を提供すること
を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係る準結晶Al
合金超微粒子は、20原子%≦Pd≦30原子%と、残
部Alとからなることを特徴とする。
【0008】また本発明に係る準結晶Al合金超微粒子
は、15原子%≦Pd≦30原子%と、遷移元素(ただ
し、Pdを除く)≦17原子%と、B≦10原子%と、
残部Alとからなることを特徴とする。
【0009】さらに本発明に係る準結晶Al合金超微粒
子の集合物の製造方法は、Alと、V、Cr、Mn、F
e、Co、Ni、CuまたはPdから選択される少なく
とも一種の合金元素との気相反応により準結晶Al合金
が形成されるように成分調整された素材を用意し、その
素材を、Alおよび合金元素に対して不活性なガスを含
む雰囲気中でプラズマアーク溶解することにより、Al
および合金元素を含む多数の準結晶Al合金組成のクラ
スタの蒸発と、それに次ぐ前記クラスタの集合による液
滴の形成とを現出させることを特徴とする。
【0010】なお、準結晶Al合金という概念には、準
結晶単相組織を有するAl合金だけでなく、準結晶相お
よび結晶相、準結晶相および非晶質相、ならびに準結晶
相、結晶相および非晶質相を備えた混相組織を有するA
l合金も含まれる。この場合、準結晶相の体積分率Vf
は、Vf≧50%であることが望ましい。また超微粒子
とは、例えば粒径dがd≦200nmであるものを言
う。
【0011】
【作用】Al−Pd系準結晶Al合金超微粒子は、極微
細化の達成に伴い比表面積が大きく、また触媒能を有す
るPdを含有しているので触媒材料として有効である。
【0012】触媒材料としては、その構成元素の不飽和
度(非結合性)が大きい方が良く、その不飽和度は結
晶、準結晶、非晶質の順に大となる。したがって、触媒
材料としては非晶質構造のものが最も良いことになる
が、非晶質構造は高温下において容易に結晶構造に変化
するため高温安定性が乏しい。一方、前記組成の準結晶
Al合金は、安定相のもので1100〜1350Kま
で、また準安定相のもので870〜940Kまでそれぞ
れ準結晶構造を維持し、したがって優れた高温安定性を
有する。
【0013】Al−Pd−遷移元素−B系準結晶Al合
金超微粒子は、フエリ磁性を有すると共にその極微細化
に伴い単磁区粒子となるので、優れた磁気特性を有する
磁性材料であり、磁性流体として最適である。またPd
の含有に伴い触媒活性も備えている。
【0014】前記製造方法によれば、準結晶Al合金よ
りなる超微粒子の集合物を一溶解工程にて容易に得るこ
とができる。またAlおよび合金元素の沸点が比較的接
近しているので、溶解温度により準結晶Al合金超微粒
子の粒径制御を容易に行うことができ、さらに気相反応
下での準結晶Al合金超微粒子の製造であるから、それ
ら粒子が凝集することがなく、また高純度である。
【0015】なお、Alよりも沸点が著しく高い高沸点
元素の場合でも、プラズマアーク溶解による強制的な蒸
発が実行されるので、素材中にその高沸点元素を、例え
ば10原子%程度含有させておくと、超微粒子にはその
高沸点元素を最大で5原子%程度含有させることができ
る。
【0016】
【実施例】準結晶Al合金超微粒子(以下、本欄におい
てqc−APという)は、Alと少なくとも一種の遷移
元素(以下、本欄においてTEという)とから構成され
るか、またはAlと、少なくとも一種のTEと、Bとか
ら構成される。TEとしては、V、Cr、Mn、Fe、
Co、Ni、CuおよびPdが用いられる。
【0017】qc−APは、Alと前記合金元素との気
相反応生成物であるから、各元素の沸点は比較的接近し
ている。
【0018】表1は、各元素の沸点(K)を示す。
【0019】
【表1】
【0020】表2は、Alと合金元素との気相反応によ
り準結晶Al合金が形成されるように成分調整された各
種素材およびその素材から得られるqc−APの組成を
示す。各化学式において、数値の単位は原子%であり、
これは後述するものにおいて同じである。balは残部
を、また括弧内は具体例をそれぞれ示す。
【0021】
【表2】
【0022】表2において、Al−Cu−Fe系、Al
−Cu−Co系、Al−Pd−Mn系、Al−Pd−M
n−B系、Al−Ni−Co系のqc−APは安定相と
して存在する。
【0023】
【外1】
【0024】前記のような各種qc−APにおいて、A
l−Pd系、Al−Cu−Fe系、Al−Cu−Co
系、Al−Pd−TE系のqc−APは極微細化の達成
に伴い比表面積が大きく、また触媒能を有するPd、C
uを含有しているので、触媒材料として有効である。
【0025】表3は各種qc−APの融点を示す。
【0026】
【表3】
【0027】表4は、Al−Pd−TE系qc−APの
結晶化温度Txを示す。
【0028】
【表4】
【0029】表3,表4から明らかなように、各種qc
−APは高い融点を有するか、または高い結晶化温度T
xを有し、それらの温度に到達するまでは準結晶構造を
維持するので、優れた高温安定性を有する。通常の非晶
質Al合金は、その結晶化温度Txが473〜573K
であって、高温安定性が乏しい。
【0030】またqc−APの集合物に、Alまたは合
金元素の少なくとも一方の一部を選択的に溶出させる比
表面積拡張処理を施すと、そのqc−APの触媒活性を
一層向上させることができる。この場合、qc−APの
正20面体構造はその相互作用が大きいので、処理後の
qc−APはスケルトン構造を保持する。
【0031】また表2において、Al64Pd15Mn15
6 は、特に磁性材料として、またAl70Ni15Co
15は、特に水素付加反応における触媒材料としてそれぞ
れ有効である。さらにAl−V−Cu系qc−APは、
例えばメタノール分解反応における触媒材料として用い
られる。Al−V−Cu系合金は非晶質形成能を有し、
熱処理により非晶質相から準結晶相へ相変態することが
知られている。また製造条件によっては、非晶質相と準
結晶相との混相であるqc−APが得られ、このqc−
APは高い触媒活性を有する。
【0032】qc−APの製造に当っては、素材をAl
および合金元素に対して不活性なガスを含む雰囲気中で
プラズマアーク溶解することにより、Alおよび合金元
素を含む多数の準結晶Al合金組成のクラスタの蒸発
と、それに次ぐクラスタの集合による液滴の形成とを現
出させる、といった方法が採用される。
【0033】図1は前記製造方法におけるqc−APの
形成メカニズムを示す。
【0034】図1(a)において、素材1を不活性なガ
スGを含む雰囲気中にて電極2を用いてプラズマアーク
溶解すると、ガスGはアークプラズマにより原子状に解
離(G+ )して、溶融した素材1中へ溶解し、次いで素
材1内から分子(G)となって放出され、この溶解およ
び放出が繰返される。この放出時に素材1から多数のク
ラスタ3が活発に蒸発する。このクラスタ3はAlおよ
び合金元素を含む準結晶Al合金組成を有する。これ
は、前記沸点相互の関係からAlおよび合金元素の蒸発
速度が比較的接近していることに起因する。
【0035】図1(b)において、各クラスタ3が略同
一組成であることから、それらが集合、即ち、衝突、融
合、成長して200nm以下の超微粒子サイズの球状液
滴4が形成され、それが凝固することによってqc−A
Pが得られる。
【0036】以下、具体例について説明する。
【0037】図2はqc−APの集合物の製造に用いら
れる装置を示す。その製造装置は、メインチャンバ5
と、そのメインチャンバ5の側方に配設されたサブチャ
ンバ6とを有し、両チャンバ5,6はダクト7およびそ
の下端に取付けられたノズル8を介して連通する。メイ
ンチャンバ5内に挿入されたタングステン電極2とメイ
ンチャンバ5内に設置されたCu製ハース9とが電源1
0に接続される。サブチャンバ6内には、前後左右方向
に移動自在の可動基板11が配置されてノズル8と対向
する。メインチャンバ5は雰囲気ガス供給源12に接続
され、一方、サブチャンバ6は真空ポンプ13に接続さ
れる。
【0038】AlおよびPdよりなる合金素材としてA
57.5Pd42.5合金素材を選定した。またAlおよびP
dに対して不活性なガスとしては、50体積%アルゴン
ガスおよび50体積%窒素ガスよりなる混合ガスが用い
られる。その他、この種不活性なガスとしては、窒素ガ
ス単独、アルゴンガス単独、または水素ガスを50体積
%以下含むアルゴンガスを使用することもできる。
【0039】次に、前記製造装置を用いたqc−APの
集合物の製造例について説明する。このqc−APは、
メタノール分解反応(CH3 OH→CO+2H2 )にお
ける触媒材料として用いられる。
【0040】(1) ハース9内に、20gのAl57.5
Pd42.5合金素材1を入れた。
【0041】(2) 真空ポンプ13を作動させてメイ
ンチャンバ5およびサブチャンバ6内を、それらチャン
バ5,6内の気圧が1×10-4Torrになるまで排気し、
次いで雰囲気ガス供給源12を作動させてメインチャン
バ5内に混合ガスを供給した。メインチャンバ5内の混
合ガスは、真空ポンプ13の作動によりダクト7および
ノズル8を通じてサブチャンバ6内に流入し、その後サ
ブチャンバ6内から流出するので、メインチャンバ5内
の気圧が100〜200Torrの定常状態になるように、
雰囲気ガス供給源12からの混合ガス供給量を調節し
た。
【0042】(3) タングステン電極2およびハース
9間に電圧を印加してアーク放電を発生させ、アーク電
流100〜300Aの条件下で前記合金素材1をプラズ
マアーク溶解した。この溶解によりAlおよびPdを含
む準結晶Al合金組成のクラスタ3が蒸発し、そのクラ
スタ3の集合による液滴4の形成、それに次ぐ液滴4の
冷却によってqc−APが形成され、そのqc−APは
ダクト7を通じてノズル8から基板11上に噴出されて
そこに堆積し、これにより粒径DがD≦200nmのq
c−APの集合物を得た。このqc−APの組成はAl
75Pd25、融点は1100K、結晶化温度Txは850
K、比表面積は15m2 /gであった。
【0043】また集合物に対する比表面積拡張処理とし
て、集合物を10%HCl溶液中に投入して10分間保
持し、Alを一部溶出させた集合物を得た。この場合、
qc−APの正20面体構造の相互作用が大きいので、
前記酸処理によりスケルトン構造のqc−AP(以下、
qc−APsという)が得られ、これにより比表面積が
拡張される。このqc−APsの比表面積は50m2
gであった。
【0044】さらに集合物を900Kで1時間加熱して
結晶質Al合金超微粒子(以下、c−APという)の集
合物を得た。
【0045】さらにまた素材として純Pdおよび純Cu
を用い、前記と同様の方法で結晶質Pd超微粒子(以
下、c−PPという)の集合物と、結晶質Cu超微粒子
(以下、c−CPという)の集合物を得た。
【0046】担体としてMgO粉末を選択し、触媒材料
である10重量%の各集合物と90重量%のMgO粉末
とを混合し、次いで各混合物より直径5mm、厚さ3mmの
圧粉体を成形し、さらに各圧粉体に500℃、5時間の
焼成処理を施し、その後各焼成体に粉砕処理を施して5
種類の触媒を得た。
【0047】各触媒を用い、メタノール分解反応におけ
る触媒活性評価テストを行った。テスト条件は、メタノ
ール供給速度 0.02cc/min 、キャリヤガス 窒素
ガス、キャリヤガス供給速度 100cc/min 、触媒活
性測定温度 150〜500℃であり、分解ガスの分析
法としてガスクロマトグラフ法を適用した。
【0048】図3〜図7は、ガスクロマトグラフ法にお
ける時間と、触媒活性測定温度(150℃→300℃→
500℃→150℃)および水素ガスに関するピーク面
積、したがって水素ガス発生量との関係を示す。触媒中
の超微粒子と各図との関係は、qc−APが図3に、q
c−APsが図4に、c−APが図5に、c−PPが図
6に、c−CPが図7にそれぞれ該当する。
【0049】表5は、図3〜図7における水素ガス発生
開始温度、300℃到達時の水素ガス発生量および30
0℃に到達してから180分間経過時の水素ガス発生量
をそれぞれ示す。
【0050】
【表5】
【0051】図3,図5および表5において、触媒材料
としてqc−APを用いると、c−APを用いた場合に
比べて、水素ガス発生開始温度が低く、また300℃到
達時および300℃、180分間経過時の水素ガス発生
量も多い。これにより、qc−APは高い触媒活性を有
し、またその活性の持続性も良好であることが判る。こ
の触媒活性およびその持続性は、図4に示すqc−AP
sの場合、なお一層の向上がみられ、これはqc−AP
sの比表面積がqc−APのそれに比べて約3.3倍拡
張されていることに起因する。
【0052】図6に示すc−PPの場合、水素ガス発生
開始温度は比較的低いが触媒活性が乏しい。また図7に
示すc−CPの場合、水素ガス発生開始温度が比較的高
く、また触媒活性の持続性がqc−AP、qc−APs
に比べて劣る。
【0053】表6は、Al−Cu−Fe系、Al−Cu
−Co系、Al−Pd−TE系のqc−APよりなる他
の触媒材料および前記と同様の触媒活性評価テストにお
ける各触媒材料の触媒活性を示す。
【0054】
【表6】
【0055】表6より、他の組成を有するqc−APも
前記の場合と同様に優れた触媒活性およびその持続性を
有することが明らかである。
【0056】図8は、組成がAl70Ni15Co15である
qc−APのX線回折結果を示す。図8において、所定
の2θの位置にピークp1〜p6が現われており、した
がってqc−APは準結晶Al合金よりなることが明ら
かである。 図9は、前記組成(Al70Ni15Co15
を有するqc−APの準結晶構造を示す電子回折パター
ンを示し、黒色の線状部分は装置の一部が投影されたも
のである。図9において、小さな白点状をなす回折点の
配列が観察される。
【0057】
【発明の効果】本発明によれば、極微細化を達成され
て、触媒材料、磁性材料等として最適な準結晶Al合金
超微粒子およびその超微粒子を容易に得ることが可能な
製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】準結晶Al合金超微粒子の形成メカニズムを示
す説明図である。
【図2】準結晶Al合金超微粒子集合物製造装置の概略
図である。
【図3】触媒活性評価テスト結果の第1例を示すグラフ
である。
【図4】触媒活性評価テスト結果の第2例を示すグラフ
である。
【図5】触媒活性評価テスト結果の第3例を示すグラフ
である。
【図6】触媒活性評価テスト結果の第4例を示すグラフ
である。
【図7】触媒活性評価テスト結果の第5例を示すグラフ
である。
【図8】準結晶Al合金超微粒子のX線回折図である。
【図9】準結晶Al合金超微粒子の電子線回折写真であ
る。
【符号の説明】
1 素材 2 電極 3 クラスタ 4 液滴 G 不活性なガス qc−AP 準結晶Al合金超微粒子
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成6年12月14日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0042
【補正方法】変更
【補正内容】
【0042】(3) タングステン電極2およびハース
9間に電圧を印加してアーク放電を発生させ、アーク電
流100〜300Aの条件下で前記合金素材1をプラズ
マアーク溶解した。この溶解によりAlおよびPdを含
む準結晶Al合金組成のクラスタ3が蒸発し、そのクラ
スタ3の集合による液滴4の形成、それに次ぐ液滴4の
冷却によってqc−APが形成され、そのqc−APは
ダクト7を通じてノズル8から基板11上に噴出されて
そこに堆積し、これにより粒径dがd≦200nmのq
c−APの集合物を得た。このqc−APの組成はAl
75Pd25、融点は1100K、結晶化温度Txは850
K、比表面積は15m2 /gであった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000005326 本田技研工業株式会社 東京都港区南青山二丁目1番1号 (71)出願人 000000240 秩父小野田株式会社 東京都港区西新橋二丁目14番1号 (72)発明者 野崎 勝敏 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 増本 健 宮城県仙台市青葉区上杉3丁目8−22 (72)発明者 井上 明久 宮城県仙台市青葉区川内無番地 川内住宅 11−806 (72)発明者 山口 正志 宮城県仙台市太白区泉崎1丁目16−23− 103

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 20原子%≦Pd≦30原子%と、残部
    Alとからなることを特徴とする準結晶Al合金超微粒
    子。
  2. 【請求項2】 18原子%≦Cu≦23原子%と、13
    原子%≦Fe≦15原子%と、残部Alとからなること
    を特徴とする準結晶Al合金超微粒子。
  3. 【請求項3】 15原子%≦Cu≦20原子%と、15
    原子%≦Co≦20原子%と、残部Alとからなること
    を特徴とする準結晶Al合金超微粒子。
  4. 【請求項4】 10原子%≦Ni≦15原子%と、15
    原子%≦Co≦20原子%と、残部Alとからなること
    を特徴とする準結晶Al合金超微粒子。
  5. 【請求項5】 15原子%≦Pd≦30原子%と、遷移
    元素(ただし、Pdを除く)≦17原子%と、残部Al
    とからなることを特徴とする準結晶Al合金超微粒子。
  6. 【請求項6】 15原子%≦Pd≦30原子%と、遷移
    元素(ただし、Pdを除く)≦17原子%と、B≦10
    原子%と、残部Alとからなることを特徴とする準結晶
    Al合金超微粒子。
  7. 【請求項7】 13原子%≦V≦17原子%と、15原
    子%≦Cu≦20原子%と、残部Alとからなることを
    特徴とする準結晶Al合金超微粒子。
  8. 【請求項8】 Alと、V、Cr、Mn、Fe、Co、
    Ni、CuまたはPdから選択される少なくとも一種の
    合金元素との気相反応により準結晶Al合金が形成され
    るように成分調整された素材を用意し、その素材を、A
    lおよび合金元素に対して不活性なガスを含む雰囲気中
    でプラズマアーク溶解することにより、Alおよび合金
    元素を含む多数の準結晶Al合金組成のクラスタの蒸発
    と、それに次ぐ前記クラスタの集合による液滴の形成と
    を現出させることを特徴とする準結晶Al合金超微粒子
    の集合物の製造方法。
  9. 【請求項9】 前記集合物に、前記準結晶Al合金超微
    粒子よりAlまたは合金元素の少なくとも一方を溶出さ
    せる比表面積拡張処理を施す、請求項8記載の準結晶A
    l合金超微粒子の集合物の製造方法。
  10. 【請求項10】 前記素材は、40原子%≦Pd≦50
    原子%と、残部Alとからなる、請求項8または9記載
    の準結晶Al合金超微粒子の集合物の製造方法。
  11. 【請求項11】 前記素材は、5原子%≦Cu≦20原
    子%と、10原子%≦Fe≦30原子%と、残部Alと
    からなる、請求項8または9記載の準結晶Al合金超微
    粒子の集合物の製造方法。
  12. 【請求項12】 前記素材は、5原子%≦Cu≦10原
    子%と、40原子%≦Co≦50原子%と、残部Alと
    からなる請求項8または9記載の準結晶Al合金超微粒
    子の集合物の製造方法。
  13. 【請求項13】 前記素材は、40原子%≦Pd≦50
    原子%と、1原子%≦遷移元素(ただし、Pdを除く)
    ≦10原子%と、残部Alとからなる請求項8または9
    記載の準結晶Al合金超微粒子の集合物の製造方法。
  14. 【請求項14】 前記素材は、40原子%≦Pd≦50
    原子%と、1原子%≦遷移元素(ただし、Pdを除く)
    ≦10原子%と、1原子%≦B≦20原子%と、残部A
    lとからなる請求項8または9記載の準結晶Al合金超
    微粒子の集合物の製造方法。
  15. 【請求項15】 前記素材は、25原子%≦Ni≦35
    原子%と、40原子%≦Co≦50原子%と、残部Al
    とからなる、請求項8または9記載の準結晶Al合金超
    微粒子の集合物の製造方法。
  16. 【請求項16】 前記素材は、50原子%≦V≦70原
    子%と、5原子%≦Cu≦20原子%と、残部Alとか
    らなる、請求項8または9記載の準結晶Al合金超微粒
    子の集合物の製造方法。
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