JP2000044235A - イットリウム・アルミニウム複合酸化物の製造方法 - Google Patents

イットリウム・アルミニウム複合酸化物の製造方法

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JP2000044235A JP10214278A JP21427898A JP2000044235A JP 2000044235 A JP2000044235 A JP 2000044235A JP 10214278 A JP10214278 A JP 10214278A JP 21427898 A JP21427898 A JP 21427898A JP 2000044235 A JP2000044235 A JP 2000044235A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 イットリウム・アルミニウム複合酸化物の単
相多結晶体を容易に、そして低コストで大量に製造する
ことを可能にする。 【解決手段】 イットリウム・アルミニウム複合酸化物
の多結晶体を製造する際に、組成制御された原料粉末か
ら室温付近での固相反応により非平衡状態の粉末を合成
し、次いで900 〜1200℃に昇温して結晶化させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、イットリ
ウム・アルミニウム複合酸化物の製造方法に関するもの
である。さらに詳しくは、この出願の発明は、各種光学
材料に用いられているイットリウム・アルミニウム・ガ
ーネット、イットリウム・アルミニウム・ぺロブスカイ
ト等のイットリウム・アルミニウム複合酸化物の単相多
結晶体を容易に、そして低コストで大量に製造すること
を可能とするイットリウム・アルミニウム複合酸化物の
製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】イットリウム・アルミニウム・ガーネッ
ト(化学量論組成Y3 Al5 12、YAG)、イットリ
ウム・アルミニウム・ぺロブスカイト(化学量論組成Y
AlO 3 、YAP)等のイットリウム・アルミニウム複
合酸化物は重要な光学材料の一つとして知られている。
このイットリウム・アルミニウム複合酸化物は、従来で
は、(1)酸化イットリウム(イットリア)及び酸化ア
ルミニウム(アルミナ)を出発原料とした1500℃以上の
高温プロセス、(2)上記(1)において、フラックス
材を添加し、反応温度を数百度程度下げたプロセス、
(3)アルコール化合物、シュウ酸塩、硝酸塩、尿素等
を用いるゾル・ゲルプロセス、共沈法、その他の溶液反
応を用いる合成法、等々により製造されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
(1)の方法の場合には、特殊な高温装置が必要であ
り、また、様々な副反応や相転移、そして同時進行する
分解反応を考慮して合成反応を起こす必要もあり、効率
的な工業生産に有利とは言えない。上記(2)の方法は
反応温度を下げられるという点に有効性が見出される
が、フラックスとして使用される物質の多くは蛍光を発
するため、光学材料としての機能が損なわれることがし
ばしばあり、その除去に手間とコストを要するという問
題もある。
【0004】上記(3)の方法における反応は低温で進
行するため、注目され、近年盛んに技術開発されてい
る。しかしながらその一方で、多段階でかつ長時間の反
応が必要であり、また、収率が余り高くない。しかもこ
の方法には高価な原料物質が必要であり、大量の工業生
産に適しているとは言いにくい。この出願の発明は、以
上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、光学材料
として有用なイットリウム・アルミニウム・ガーネッ
ト、イットリウム・アルミニウム・ぺロブスカイト等の
イットリウム・アルミニウム複合酸化物の単相多結晶体
を容易に、そして低コストで大量に製造するのを可能と
するイットリウム・アルミニウム複合酸化物の製造方法
を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】この出願は、上記の課題
を解決するものとして、請求項1に係る発明は、イット
リウム・アルミニウム複合酸化物の多結晶体の製造方法
であって、組成制御された原料粉末から室温付近での固
相反応により非平衡状態の粉末を合成した後に、900 〜
1200℃に昇温して結晶化させることを特徴とするイット
リウム・アルミニウム複合酸化物の製造方法を提供す
る。
【0006】この出願の発明では、ボールミル内で固相
反応を起こし、非平衡状態の粉末を合成すること(請求
項2)をはじめ、イットリウム・アルミニウム複合酸化
物は、焼結助剤を副成分として含む(請求項3)、及び
/又は原子番号58から71までのランタン系列希土類
元素を結晶の特定サイトに含む(請求項4)ことを好ま
しい態様の一つとしている。
【0007】さらにこの出願の発明は、イットリウム・
アルミニウム複合酸化物は、化学量論組成Y3 Al5
12で示されるイットリウム・アルミニウム・ガーネット
(請求項4)、又は化学量論組成YAlO3 で示される
イットリウム・アルミニウム・ぺロブスカイトである
(請求項5)ことをも好ましい態様として包含するもの
である。
【0008】
【発明の実施の形態】この出願の発明のイットリウム・
アルミニウム複合酸化物の製造方法では、上記の通り、
組成制御された原料粉末から室温付近での固相反応によ
り非平衡状態の粉末を合成した後に、900 〜1200℃に昇
温して結晶化させてイットリウム・アルミニウム複合酸
化物の多結晶体を製造する。得られる多結晶体は、非晶
質状態から昇温により平衡状態に戻るため、その組成に
おいて安定に存在する単相の酸化物となる。この多結晶
体の形態は、粉体、成形体等のいずれであっても構わな
い。成形体とする場合には、結晶化のための熱処理に先
立って非平衡状態の粉末をペレット成形等の適当な形態
に成形することができる。
【0009】このように、この出願の発明のイットリウ
ム・アルミニウム複合酸化物の製造方法では、非平衡状
態の粉末の製造は室温付近での固相反応を利用し、結晶
化のための熱処理は高々900 〜1200℃の温度範囲で行う
ことができるため、製造条件に制約はなく、特殊な装置
を必要としない。また、得られるイットリウム・アルミ
ニウム複合酸化物は、上記の通りの単相の多結晶体であ
る。したがって、従来のどの製造方法よりも低コストで
あり、高効率である。実験室規模で言えば、たとえば、
非平衡状態の粉末の合成のために高エネルギーボールミ
ル等のボールミルを一昼夜使用し、その後市販の電気炉
で1〜数時間程度熱処理を行うだけで、10〜数十gの
イットリウム・アルミニウム複合酸化物の単相多結晶体
が得られる。このように、非平衡状態の粉末の合成にボ
ールミルを、また、結晶化熱処理に通常の電気炉を使用
できるので、イットリウム・アルミニウム複合酸化物の
非平衡状態の粉末並びに単相多結晶体は簡便に得られ
る。また、装置及び条件の特殊性は全くないため、スケ
ールアップは容易であり、工業的な大量生産が十分望め
る。
【0010】なお、この出願の発明において、固相反応
により非平衡状態の粉末を合成する際の室温付近の温度
とは、通常、室温若しくは常温とされる温度又はその近
傍を意味し、一般的には15〜30℃の範囲が例示さ
れ、より具体的には18〜23℃の20℃前後が例示さ
れる。また、ボールミルを組成制御された非平衡状態の
粉末を得るために用いることは酸化物に関しては一般的
でなく、イットリウム・アルミニウム複合酸化物の製造
に適用された例はこれまでにない。使用可能なボールミ
ルの種類は特に制限はなく、たとえば遊星型ボールミル
等を例示することができ、粉砕エネルギーは、一般に5
G(Gは重力加速度)以上あればよく、通常は10G前
後を例示することができる。もちろんこれに限定される
ことはなく、使用により容器やボールから不純物が粉末
中に混入するこのない範囲で適宜調整することができ
る。
【0011】さらにこの出願の発明では、イットリウム
・アルミニウム複合酸化物は、焼結助剤を副成分として
含有することができ、また、光学材料としての応用を意
図して原子番号58から71までのランタン系列希土類
元素を結晶の特定サイトに含有することもできる。ラン
タン系列希土類元素は、置換によりイットリウム・アル
ミニウム複合酸化物の結晶の特定サイトに位置させるこ
とができる。これら焼結助剤並びに原子番号58から7
1までのランタン系列希土類元素は、イットリウム・ア
ルミニウム複合酸化物に単独に存在又は共存することが
できる。
【0012】以下実施例を示し、この出願の発明のイッ
トリウム・アルミニウム複合酸化物の製造方法について
さらに詳しく説明する。
【0013】
【実施例】(実施例1)
【0014】
【表1】
【0015】
【表2】
【0016】表1に示す市販の原料粉末をY:Al=
1:1の割合で混合し、表2に示す条件において遊星型
の高エネルギーボールミル中で固相反応を起こし、非平
衡状態の粉末を合成した。なお、この実施例では、ステ
ンレス製容器とアルミナ製ボールを使用した。高エネル
ギーボールミルを運転すると、アルミナ製ボールは著し
く磨耗し、試料粉末中のAl濃度を高める。このような
ミリング過程での組成変化を計算に入れて原料粉末の混
合割合は決定された。
【0017】約一昼夜のミリングにより非平衡状態の粉
末が合成された。図1(b)のX線回折図形に示されて
いるように、結晶構造に対応するピークはほぼ消失し、
ハローパターンが現れている。この事実から得られた粉
末が結晶構造の消失した非平衡状態にあることが確認さ
れる。なお、図1(a)は、原料混合粉末のX線回折図
形である。
【0018】次いでこの非平衡状態の粉末をアルミナ製
るつぼの中に入れ、市販の電気炉内で大気中で熱処理を
行った。昇温は、毎時100 〜数百℃で行い、そして、11
00℃で2時間保持した。この時の熱処理温度の選定は、
図2に示した示差熱分析の結果より得られる結晶化の発
熱ピーク位置、すなわち930 ℃を指標にして行った。得
られた物質のX線回折図形は図1(c)に示す通りであ
り、この回折図形はデータベースにあるイットリウム・
アルミニウム・ガーネット(Y3 Al5 12、YAG)
の回折図形(図1(c)の下段)とよく対応しており、
単相のイットリウム・アルミニウム・ガーネットが合成
されたことが確認される。
【0019】図3は、このようにして得られたイットリ
ウム・アルミニウム・ガーネット多結晶粉末の走査電子
顕微鏡(SEM)写真を示している。この図3の走査電
子顕微鏡写真から明らかなように、得られたイットリウ
ム・アルミニウム・ガーネット多結晶粉末は、0.1 〜1
0ミクロン径の丸い形状を有し、平滑な表面を持つ粒子
であり、他の製造方法で製造される粉末と比べ何ら遜色
は認められない。 (実施例2)表1に示した市販の原料粉末をY:Al=
3:5の割合で混合し、表2に示した条件において遊星
型の高エネルギーボールミル中で固相反応を起こし、非
平衡状態の粉末を合成した。なお、この実施例では、タ
ングステンカーバイト製の容器とボールを使用した。ア
ルミナ粉末は研磨剤としても知られているが、タングス
テンカーバイトは非常に硬い物質であるため、研磨され
ることはなく、ミリング過程でY:Alの組成比に変化
は生じない。このため、原料粉末の混合割合をイットリ
ウム・アルミニウム・ガーネットの化学量論組成、すな
わちY3 Al512におけるY:Al=3:5とした。
【0020】約一昼夜のミリングにより、実施例1と同
様に非平衡状態の粉末が合成された。タングステンカー
バイトに起因する非平衡状態の粉末のわずかな汚染はそ
の後の反応にほとんど影響を与えない。次いで得られた
非平衡状態の粉末を実施例1と同様にして熱処理し、イ
ットリウム・アルミニウム・ガーネットの単相の多結晶
粉末が得られた。 (実施例3)表1に示した原料粉末をY:Al=1:1
とし、実施例2で使用したのと同様の容器とボールを使
用して表2に示した条件において遊星型の高エネルギー
ボールミル中で固相反応を起こした。得られた粉末は、
図4(a)のX線回折図形に示されるように結晶構造の
消失した非平衡状態にある。
【0021】次いで実施例1と同様にして結晶化のため
の熱処理を行った。図5は、その示差熱分析を示したグ
ラフであるが、結晶化温度は実施例1のイットリウム・
アルミニウム・ガーネットとさほど差はなく、880 ℃で
あり、通常の安価な電気炉が使用可能である。得られた
粉末は、そのX線回折図形(図4(b))とデータベー
スにあるイットリウム・アルミニウム・ぺロブスカイト
(YAlO3 、YAP)の回折図形(図4(b)の下
段)との対比から明らかなように、単相のイットリウム
・アルミニウム・ぺロブスカイトであると認められる。
【0022】図6は、このようにして得られたイットリ
ウム・アルミニウム・ぺロブスカイト多結晶粉末の走査
電子顕微鏡(SEM)写真を示しているが、この図6の
走査電子顕微鏡写真から明らかなように、得られたイッ
トリウム・アルミニウム・ぺロブスカイト多結晶粉末
は、0.1 〜10ミクロン径の粒子であり、他の製造方法
で製造される粉末と比べ何ら遜色は認められない。
【0023】もちろんこの出願の発明は、以上の実施形
態によって限定されるものではない。原料の種類、粒
径、純度をはじめ、焼結助剤や光学材料への応用を意図
した所定の希土類金属の添加、さらには固相反応及び結
晶化熱処理の条件及び使用する装置等の細部については
様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【0024】
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この出願の発
明によって、イットリウム・アルミニウム複合酸化物の
単相多結晶体を容易に、しかも低コストで大量に製造す
ることが可能となる。生産性向上が望める。
【図面の簡単な説明】
【図1】原料混合粉末(a)、イットリウム・アルミニ
ウム・ガーネットの非平衡状態の粉末(b)及び多結晶
粉末(c)、そしてデータベースにあるイットリウム・
アルミニウム・ガーネット(YAG)のX線回折図形で
ある。
【図2】実施例1の示差熱分析の結果を示したグラフで
ある。
【図3】イットリウム・アルミニウム・ガーネット粉末
の図面に代わる走査電子顕微鏡(SEM)写真である。
【図4】イットリウム・アルミニウム・ぺロブスカイト
の非平衡状態の粉末(a)及び多結晶粉末(b)、そし
てデータベースにあるイットリウム・アルミニウム・ぺ
ロブスカイト(YAP)のX線回折図形である。
【図5】実施例3の示差熱分析の結果を示したグラフで
ある。
【図6】イットリウム・アルミニウム・ぺロブスカイト
粉末の図面に代わる走査電子顕微鏡(SEM)写真であ
る。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 イットリウム・アルミニウム複合酸化物
    の多結晶体の製造方法であって、組成制御された原料粉
    末から室温付近での固相反応により非平衡状態の粉末を
    合成した後に、900 〜1200℃に昇温して結晶化させるこ
    とを特徴とするイットリウム・アルミニウム複合酸化物
    の製造方法。
  2. 【請求項2】 ボールミル内で固相反応を起こし、非平
    衡状態の粉末を合成する請求項1記載のイットリウム・
    アルミニウム複合酸化物の製造方法。
  3. 【請求項3】 イットリウム・アルミニウム複合酸化物
    は、焼結助剤を副成分として含む請求項1又は2記載の
    イットリウム・アルミニウム複合酸化物の製造方法。
  4. 【請求項4】 イットリウム・アルミニウム複合酸化物
    は、原子番号58から71までのランタン系列希土類元
    素を結晶の特定サイトに含む請求項1乃至3いずれかに
    記載のイットリウム・アルミニウム複合酸化物の製造方
    法。
  5. 【請求項5】 イットリウム・アルミニウム複合酸化物
    は化学量論組成Y3Al5 12で示されるイットリウム
    ・アルミニウム・ガーネットである請求項1乃至4いず
    れかに記載のイットリウム・アルミニウム複合酸化物の
    製造方法。
  6. 【請求項6】 イットリウム・アルミニウム複合酸化物
    は化学量論組成YAlO3 で示されるイットリウム・ア
    ルミニウム・ぺロブスカイトである請求項1乃至4いず
    れかに記載のイットリウム・アルミニウム複合酸化物の
    製造方法。
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