JP2001058870A

JP2001058870A - 焼結石英とその製造方法

Info

Publication number: JP2001058870A
Application number: JP23607499A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Hamada; 敏幸濱田; Masahiro Nakahara; 正博中原; Yumiko Ito; 裕見子伊東
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-08-23
Filing date: 1999-08-23
Publication date: 2001-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の石英ガラスは、製品中に泡があり、製造
コストが高く、プロセス管理が困難であり、大型形状の
製造が困難であるという課題がある。【解決手段】平均粒径０．０５〜５μｍ以下のＳｉＯ₂
粉末を所定形状に成形し、該成形体を大気中、真空中ま
たは非酸化雰囲気中にて１２５０〜１５５０℃で焼成し
て、焼結体の任意の断面において、５０μｍ以上の径を
有する気孔が１０個／ｃｍ²以下の焼結石英を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学薬品用容器、
光学ガラス用容器、熱電対保護管、照明用チュ−ブ及び
バルブ、光フアイバ−用保持管及び外管、煉瓦、半導
体工業用のベルジャ−、ルツボ、炉心管、治具類等、従
来石英ガラスを使用していた分野に幅広く利用できる焼
結石英とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】これまで石英ガラスを製造するために
は、１５００〜２０００℃の高温で溶融させたシリカを
冷却する溶融法と、溶液中で作ったシリカゲルを乾燥さ
せて、１０００℃程度に加熱するゾル・ゲル法が行われ
ていた。

【０００３】その中でも溶融法で製造される溶融石英
は、半導体工業の急激な発展に伴い需要が拡大し、溶融
石英の製造技術も改良が進み進歩してきた。一例として
特開昭６３−５５１９０に半導体製造に際して使用する
ための溶融石英部材について示されている。

【０００４】また天然原料では得られない高純度、高均
一性のガラスを得るために開発されたゾル・ゲル法によ
り製造される合成石英も着実に進歩してきている。一例
として特開平９−３０８０８に高純度合成石英粉及び石
英ガラス成形体の製造方法について示されている。

【０００５】従来の石英ガラス（溶融石英及び合成石
英）中には、泡が存在しており、泡の大きさと数量は、
例えば不透明石英ガラス製治具素材においては、０．５
〜１５μｍ未満の泡が１０００個／ｃｍ²以上、１５μ
ｍ以上の泡が１０００個／ｃｍ²以上、５０μｍ以上の
泡が１００個／ｃｍ²以上存在する。また安価石英ガラ
ス製理化学実験用治具素材においては、０．５〜１５μ
ｍ未満の泡が１０００個／ｃｍ²以上、１５μｍ以上の
泡が２７個／ｃｍ²、５０μｍ以上の泡が８個／ｃｍ²
存在する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】石英ガラス（溶融石英
及び合成石英）の最大の課題は製品中の泡（欠陥）であ
り、溶融法、ゾル・ゲル法共に、その製造プロセスの性
質上、溶融工程または合成工程において、製品中に泡が
残存して特性を低下させるという問題がある。現在は、
石英ガラスの泡に関するＤＩＮ５８９２７（Ｆｅｂ．１
９７０）に準拠した泡等級等を用い製品のランク分けを
行い、各用途に対応しているが、例えば、最高品質の泡
等級０（１００ｃｍ³に存在する泡の総断面積が０〜
０．０３ｍｍ²以下）の製品を製作するには、製造プロ
セスの管理が大変重要且つ困難であり、製造コストも大
幅に高くなるという課題を残している。

【０００７】また、前記溶融法では高温を必要とするた
め、消費エネルギ−が大きく環境上の問題があるばかり
でなく、技術的にも冷却工程に課題があり大型形状品を
製造するには冷却に多大な日数を要する。更には、複雑
形状品を製作する場合は、溶融石英の固まりを製造した
後に、機械加工等により所望の形状を得ているため、製
作日数が長いばかりでなく、加工コストが高いという課
題がある。

【０００８】一方前記のゾル・ゲル法では、不純物量を
少なく出来るという利点はあるものの、製造途中工程に
おいて、湿潤ゲル体の乾燥ゲル体への変化、乾燥ゲル体
のガラス体への変化の際におこる亀裂の発生、破壊、発
泡、が大きな課題として残っており、この課題を解決す
るために、長時間（長い物は数週間以上）かけて緻密な
温度管理を行い乾燥ゲル体を得たのち、更に緻密な雰囲
気及び温度管理を行いガラス体を得ている。このように
製造プロセスの管理に課題を残しており、またゲルの収
縮で焼結の途中で形状が変化するため、大型形状品を製
造することが極めて困難である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来の石
英ガラスの製造方法にとらわれることなく、研究を積み
重ねてきた結果、ＳｉＯ₂粉末を成形し、焼成して焼結
石英を得ることにより、前述の課題を解決できることを
見出した。先ず、石英ガラスの泡と本発明の焼結石英の
気孔とを同様の欠陥として捉え、泡及び気孔の大きさと
その含有量に着目して研究を積み重ねた。即ち、焼結石
英の気孔の大きさ及びその含有量を小さく且つ減少させ
ることにより、従来の石英ガラスの課題を解消すること
が出来た。

【００１０】具体的には、平均粒径０．０５〜５μｍの
ＳｉＯ₂粉末を所定形状に成形し、該成形体を大気中、
真空中、または非酸化雰囲気中にて１２５０〜１５５０
℃で焼成することにより、焼結体の任意の断面におい
て、５０μｍ以上の径を有する気孔が１０個／ｃｍ²以
下であり、且つ該気孔が実質的に球状ではないことを特
徴とする焼結石英を見いだした。更には、平均粒径０．
１〜５μｍ以下のＳｉＯ₂粉末を所定形状に成形し、該
成形体を３５０〜７００℃で脱脂し、該脱脂体を大気中
あるいは真空中または非酸化雰囲気中にて１３００〜１
５５０℃で焼成することにより、焼結体の任意の断面に
おいて、径が０．５μｍ以上１５μｍ未満の気孔が１０
０個／ｃｍ²以下であり、１５μｍ以上の径を有する気
孔が１０個／ｃｍ²以下であることを特徴とする焼結石
英を見いだし、本発明を完成した。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を説明す
る。

【００１２】本発明の焼結石英は今までの石英ガラスと
は全く異なるものであり、その特徴は、平均粒径０．０
５〜５μｍのＳｉＯ₂粉末を所定形状に成形し、該成形
体を大気中、真空中、または非酸化雰囲気中にて１２５
０〜１５５０℃で焼成することにより得られる焼結体で
ある。

【００１３】そして、この焼結体の任意の断面におい
て、径が５０μｍ以上の径を有する気孔が１０個／ｃｍ
²以下であり、且つ該気孔が実質的に非球状であり、気
孔表面に凹凸を有していることを特徴とする。

【００１４】更には、平均粒径０．１〜５μｍ以下のＳ
ｉＯ₂粉末を所定形状に成形し、該成形体を３５０〜７
００℃で脱脂し、該脱脂体を大気中あるいは真空中また
は非酸化雰囲気中にて１３００〜１５５０℃で焼成す
ることにより、焼結体の任意の断面において、平均径が
０．５μｍ以上１５μｍ未満の気孔が１００個／ｃｍ²
以下であり、１５μｍ以上の径を有する気孔が１０個／
ｃｍ²以下であることを特徴とする。

【００１５】即ち、従来の石英ガラスは、溶融法及びゾ
ル・ゲル法により製造されていたのに対し、本発明の焼
結石英は、ＳｉＯ₂粉末を焼成することにより得られる
焼結体であることが最大の特徴であり、そのため本発明
では、製品中の欠陥を小さく且つ減少させ、低製造コス
トでプロセス管理を容易とし、大型形状を容易に製造す
ることが出来る。

【００１６】図１及び図２に本発明の焼結石英の走査型
電子顕微鏡の画像写真を示す。図１は径が９μｍの気孔
の部分の倍率５０００倍の画像写真であり、図２は径が
５μｍの気孔の部分の倍率１００００倍の画像写真であ
る。

【００１７】図３に比較例として、安価石英ガラス製理
化学実験用治具素材の走査型電子顕微鏡の画像写真を示
しており、径が約１９０μｍの泡の部分の倍率１００倍
の画像写真である。

【００１８】これらの図から分かるように、石英ガラス
（図３）と本発明の焼結石英（図１、２）の違いは、気
孔の形状から明らかに区別できる。即ち、図３に示す泡
の形状は、球状または球が少し変形した形状をしてお
り、表面に凹凸は見られない。これに対し図１、２に示
す本発明の焼結石英の気孔形状は、実質的に非球状であ
り、気孔表面に凹凸を有している。

【００１９】本発明において、非球状であるとは、泡及
び気孔において、最大径／最小径の比によって判断す
る。上記最大径／最小径＝Ａとしたとき、石英ガラス中
の泡は、Ａ＜１．１０である泡が全泡中の９０％以上を
占めるのに対し、本発明品の焼結石英の気孔は、Ａ＞
１．１０である気孔が全気孔中の９０％以上を占めてお
り、このような気孔を非球状とする。

【００２０】なお、泡及び気孔の最大径と最小径は、試
料の任意の断面を走査型電子顕微鏡にて画像撮影し、泡
及び気孔の画像上の大きさが、１０ｍｍ以上になるよう
に倍率を選定した画像から求めた。また、泡及び気孔の
サンプル数は、任意に１００個選択して測定した。

【００２１】さらに、本発明の焼結石英は、焼結体表面
が、主としてクリストバライト結晶相から形成されてい
ることを特徴とする。そのクリストバライト結晶相の厚
みは３〜５００μｍであり、焼結体内部は非晶質相を主
体としている。従来の石英ガラスの表面に、クリストバ
ライト結晶相はなく、本発明の焼結石英は、表面にクリ
ストバライト結晶相が形成されていることで破壊強度が
高いという利点があり、この点でも従来の石英ガラスよ
りも優れている。

【００２２】本発明の焼結石英を製造する方法として
は、まず、ＳｉＯ₂粉末の平均粒径は、０．０５〜５μ
ｍのものを用いる。これは、ＳｉＯ₂粉末の平均粒径が
０．０５μｍ未満になると焼成収縮が大きく、製品を精
度よくつくることが困難になるばかりでなく、粉体が軽
くて嵩張るために取り扱い上の問題が多いためであり、
またＳｉＯ₂粉末の平均粒径が５μｍを超えると焼結温
度が高くなり焼結が困難になるばかりでなく、焼結に必
要な温度が融点近くまで上昇し、成形体が溶融して形状
が維持できなくなり、本発明の焼結石英が得られないか
らである。望ましくは、ＳｉＯ₂粉末の平均粒径は、
０．１〜５μｍが良く、更に望ましくは、０．３〜３μ
ｍが良い。

【００２３】次に、前記ＳｉＯ₂粉末を用いて所定形状
に成形する成形法としては、目的とする部材の形状に合
わせた適当な成形方法を選択して構わない。また、必要
に応じて有機バインダ−を加えても構わない。具体的に
は金型プレス成形、等方静水圧プレス成形等の乾式成形
法、鋳込み成形、押し出し成形、射出成形、テ−プ成形
等の湿式成形法の何れも利用できる。尚、湿式にて解
砕、粉砕等を行う場合、溶媒は特に限定しない。安全
面、環境問題上から、例えば水を利用しても本発明の焼
結石英体には何ら影響しない。有機バインダ−として
は、パラフインワックス、ＰＶＡ（ポリビニ−ルアルコ
−ル）、ＰＥＯ（ポリエチレンオキサイド）等が有効で
ある。

【００２４】このようにして成形したＳｉＯ₂成形体を
大気中、真空中、または非酸化雰囲気中のいずれかにて
焼成する。焼成温度としては、ＳｉＯ₂粉末の平均粒径
が０．０５μｍの場合は１２５０℃、５μｍの場合は１
５５０℃が望ましい。また必要に応じ焼成前に、前記の
ようにして成形したＳｉＯ₂成形体を３５０〜７００℃
の温度で有機バインダ−の熱分解処理を行う。この熱分
解処理は、使用するＳｉＯ₂粉末の平均粒径が小さい場
合や成形体が厚肉の場合に大変有効である。一方この有
機バインダ−の熱分解が不十分であると、焼結体の気孔
が大きくなるばかりでなく、気孔の数量が多くなって
しまう。この事を考えると、有機バインダ−の熱分解処
理温度は３５０〜７００℃が望ましく、更には５００〜
７００℃がより望ましい。

【００２５】このようにして得られた本発明の焼結石英
について以下の項目の特性評価を行った。

【００２６】焼結体密度については、嵩密度をアルキメ
デス法にて測定した。その結果、本発明の焼結石英の嵩
密度は、２．１９〜２．２０ｇ／ｃｍ³であった。

【００２７】焼結体の結晶相については、Ｘ線回折にて
測定した。焼結体表面の結晶相については、焼き肌面に
薄膜Ｘ線回折法を適用し、焼結体内部については焼結体
の中心部を切り出して粉砕し、粉末Ｘ線法にて測定し
た。その結果、本発明の焼結石英は、焼結体表面が主と
してクリストバライト結晶相から形成され、そのクリス
トバライト結晶相の厚みは３〜５００μｍであり、焼結
体内部が非晶質相を主体とするものであった。

【００２８】気孔の大きさ及び数量については、前述の
ように焼結体の任意の断面を走査型電子顕微鏡にて画像
撮影し、その画像から観察し求めた。また、比較例とし
て用いた泡の大きさ及び数量についても本発明の焼結石
英と同様に、試料の任意の断面を走査型電子顕微鏡にて
画像撮影し、その画像から観察し求めた。ここで、気孔
及び泡の大きさ＝（最大径＋最小径）／２とした。

【００２９】１５μｍ以上及び５０μｍ以上の径を有す
る気孔及び泡の数量は、画像倍率５００倍の画像写真を
任意の場所で３０枚撮影して数量を測定し、１ｃｍ²当
たりの数量を計算して求めた。気孔及び泡の数量は、先
ず画像倍率１０００倍の画像写真を、任意の場所で５０
枚撮影し、５μｍを超える径を有する気孔及び泡の数量
を測定し、１ｃｍ²当たりの数量を計算して求めた。次
に、画像倍率５０００倍の画像写真を任意の場所で５０
枚撮影し、０．５〜５μｍの径を有する気孔及び泡の数
量を測定し、１ｃｍ²当たりの数量を計算して求めた。

【００３０】線熱膨張率については、ＪＩＳＲ１６１８
に準拠して行った。昇温速度は１０℃／ｍｉｎ、Ａｉｒ
雰囲気中で測定した。その結果、本発明の焼結石英の線
熱膨張率は、測定温度２５〜８００℃で６×１０^-7／℃
以下であった。

【００３１】ヤング率については、ＪＩＳＲ１６０２−
１９９５に準拠して行った。超音波パルス法により室温
で測定した。その結果、本発明の焼結石英のヤング率
は、５７〜７５ＧＰａであった。

【００３２】熱伝導率については、ＪＩＳＲ１６１１に
準拠して行った。レ−ザ−フラッシュ法、温度２４℃、
湿度６０％ＲＨ、片面Ａｕ蒸着、両面黒化処理後測定
した。その結果、本発明の焼結石英の熱伝導率は、１．
１〜１．３Ｗ／ｍＫであった。

【００３３】本発明の焼結石英は、化学薬品用容器、光
学ガラス用容器、熱電対保護管、照明用チュ−ブ及びバ
ルブ、光フアイバ−用保持管及び外管、煉瓦、半導体工
業用のベルジャ−、ルツボ、炉心管、治具類等、従来石
英ガラスを使用していた分野に幅広く利用できる。

【００３４】

【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
する。

【００３５】実施例１平均粒径の異なるＳｉＯ₂粉末原料を用いて焼結体を作
製し、特性を評価した。焼結体の作製方法は、まずイオ
ン交換水を溶媒としてボ−ルミルにて原料を湿式解砕し
た後、有機バインダ−としてＰＶＡとＰＥＯを添加して
スラリ−を作製した。スラリ−作製時のメディアとして
は高純度ＳｉＯ₂ボ−ルを用いた。このスラリ−をスプ
レ−ドライにて造粒した原料粉末を、０．８ｔｏｎ／ｃ
ｍ²の荷重で金型プレス（成形体形状：φ６０ｍｍ×１
０ｍｍ厚み）にて成形した後、この成形体を４００℃で
５時間大気中で脱脂（熱分解）処理した。

【００３６】このようにして作製した脱脂体を、表１に
示す条件｛大気中、真空中（真空度０．５ｔｏｒｒ以
上）、Ｈ₂＋Ａｒ雰囲気中、Ｈ₂＋Ｎ₂雰囲気中の各条
件｝にて１２００〜１６００℃の温度範囲で焼成し、得
られた焼結体について各種特性を測定した。特性評価
は、焼結体の嵩密度、結晶相、気孔の大きさ及び数量、
線熱膨張率、ヤング率、熱伝導率について行った。測定
方法については前述の通りである。結果を表１に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】試料Ｎｏ．１〜１０は、ＳｉＯ₂粉末原料
の平均粒径と焼結体の特性の関係を調べた。焼成温度
は、収縮速度制御熱膨張計を用い、温度、伸び率、収縮
速度の測定結果から収縮速度最大となる温度を焼成温度
として決定した。表１の結果によれば、試料Ｎｏ．１に
おいて、平均径が５０μｍ以上の気孔が多くなってい
る。これは平均径が１５μｍ以上の気孔も多くなってい
ることから、有機バインダ−分の熱分解がスム−ズに行
われず焼結が進み、結果として気孔の大幅増加になった
と考えられる。また、ＳｉＯ₂粉末原料の平均粒径が小
さいため、粒子の凝集が発生し、その結果５０μｍ以上
の気孔が大幅に増加したと考えられる。

【００３９】試料Ｎｏ．９〜１０において、焼結体嵩密
度が２．１４〜２．０３ｇ／ｃｍ³と低く焼結不充分と
考えられる。その結果気孔も大幅に増加し、線熱膨張率
は大きくなり、ヤング率及び熱伝導率は小さくなってい
る。

【００４０】試料Ｎｏ．１１〜１９は、焼成雰囲気と焼
結体の特性の関係を調べた。何れの雰囲気の場合でも、
本発明の焼結体の特性は得られた。しかしながら、大気
中で焼成した場合、真空中や非酸化雰囲気中に比べ気孔
が多く、この現象はＳｉＯ₂粉末原料の平均粒径が大き
くなるほど顕著になっている。結果として大気中で焼成
するよりも真空中または非酸化雰囲気中で焼成した方が
気孔が少なくなっている。ＳｉＯ₂粉末原料の平均粒径
が大きい場合は、焼成雰囲気としては大気中よりも真空
中または非酸化雰囲気中のほうが望ましい。

【００４１】試料Ｎｏ．２０〜２３は、焼成温度を高く
した場合の焼結体特性との関係を調べた。試料Ｎｏ．２
１及びＮｏ．２３において、焼成温度を１００℃高くし
た所、結果として焼結体内部にクリストバライト結晶相
ができて焼結体嵩密度も高くなり、焼結体にはクラック
が発生した。これは焼成温度を高くしたことにより非晶
質相からクリストバライト結晶相に急激に変化したた
め、クリストバライト結晶相成長による熱膨張差で体積
変化が生じ、その結果焼結体嵩密度は高くなり、焼結体
にはクラックが発生したと考える。

【００４２】また、結晶相に着目してみると、本発明品
の焼結石英においては、焼結体表面には全てクリストバ
ライト結晶相がみられた。クリストバライト結晶相は表
層部のみにみられ、本発明品の焼結石英（試料Ｎｏ．２
０及びＮｏ．２２を除く）表層部のクリストバライト相
の厚みは３〜２００μｍであった。更に試料Ｎｏ．２０
及びＮｏ．２２の表層部のクリストバライト相の厚み
は、それぞれ５００μｍ及び３００μｍであり、焼成温
度を高くすることにより、表層部のクリストバライト相
の厚みが厚くなることが分かった。

【００４３】以上のように、本発明の焼結石英の特性と
しては、以下の結果を得た。

【００４４】２５〜８００℃で、６×１０^-7／℃以下の
線熱膨張率を示す。常温ヤング率が、５７〜７５ＧＰａ
である。常温熱伝導率が、１．１〜１．３Ｗ／ｍＫであ
る。

【００４５】比較例として石英ガラスの特性値を表２に
示した。比較例の石英ガラスの試料としては、比較例１
は不透明石英ガラス製治具素材より試料を作製、比較例
２は安価石英ガラス製理化学実験用治具素材より試料を
作製、比較例３は石英ガラス製理化学実験用治具素材よ
り試料を作製、比較例４は石英ガラス製ルツボより試料
を作製した。何れの石英ガラスも試料の表面及び内部と
もに全て非晶質である。

【００４６】表２より、焼結体嵩密度、線熱膨張率、ヤ
ング率、熱伝導率については、本発明の焼結石英と同等
の特性値を示している。また、石英ガラスにおける泡の
大きさ及び数量と、本発明の焼結石英の気孔の大きさ及
び数量とを比較してみると、製品中の欠陥（泡または気
孔）は本発明の焼結石英の方が大幅に少ないという結果
を得た。尚、比較例４の石英ガラス製ルツボ等の泡数量
の少ない石英ガラスが使われている分野には、本発明の
焼結石英の焼成雰囲気として、真空中または非酸化雰囲
気中で焼成した焼結石英を使用すれば有効である。ま
た、石英ガラスを安価に製造する目的で改良された比較
例１及び比較例２の不透明石英ガラスや安価石英ガラス
と本発明の焼結石英を比べてみると、本発明の焼結石英
のＳｉＯ₂粉末原料として粒径の大きい安価なＳｉＯ₂
粉末原料を用い、更には大気中で焼成することにより、
不透明石英ガラスや安価石英ガラスよりも、本発明の焼
結石英の方が、欠陥が少なく、且つより安価に製造する
ことができる。

【００４７】このように、本発明の焼結石英のＳｉＯ₂
粉末原料及び焼成雰囲気を選択することにより、より欠
陥が少なく且つより安価な物を、従来の石英ガラスが利
用されている分野に幅広く利用できる。

【００４８】

【表２】

【００４９】実施例２更なる、特性向上を目指して、平均粒径の異なるＳｉＯ
₂粉末原料を用いて焼結体を作製し、特性を評価した。

【００５０】焼結体の作製方法は、実施例１と同様にし
て作製した脱脂体を、表３に示す｛大気中、真空中（真
空度０．５ｔｏｒｒ以上）、Ｈ₂＋Ａｒ雰囲気中、Ｈ₂
＋Ｎ₂雰囲気中の各条件｝にて１２００〜１６００℃の
温度範囲で焼成し、得られた焼結体について各種特性を
測定した。特性評価は、焼結体の嵩密度、結晶相、気孔
の大きさ及び数量、線熱膨張率、ヤング率、熱伝導率に
ついて行った。測定方法については前述の通りである。
結果を表３に示す。

【００５１】

【表３】

【００５２】試料Ｎｏ．２４〜３２は、脱脂温度と焼結
体の関係を調べた。試料Ｎｏ．２４〜２５において気孔
が増加しており（特に、０．５〜１５μｍ未満の気孔が
大幅に増加している）、脱脂温度が低くなるにつれて気
孔が大幅に増加している。これは脱脂温度が低いため
に、有機バインダ−分の熱分解がスム−ズに行われず焼
結が進み、結果として気孔の大幅増加になったと考え
られる。また、気孔の増加に伴い、ヤング率は小さくな
り、焼結体嵩密度もやや低くなっている。気孔数量を減
少させるには、脱脂温度を３５０〜７００℃にすること
が望ましく、更には、脱脂温度を５００〜７００℃にす
ることがより望ましい。

【００５３】試料Ｎｏ．３３〜４２は、ＳｉＯ₂粉末原
料の平均粒径と焼結体の特性の関係を調べた。焼成温度
は、収縮速度制御熱膨張計を用い、温度、伸び率、収縮
速度の測定結果から収縮速度最大となる温度を焼成温度
として決定した。表３の結果によれば、試料Ｎｏ．３３
〜３４において、平均径が０．５〜１５μｍ未満の気孔
が多くなっている。これはＳｉＯ₂粉末原料の平均粒径
が小さすぎるため、有機バインダ−分の熱分解がスム−
ズに行われず焼結が進み、結果として気孔の大幅増加に
なったと考えられる。試料Ｎｏ．４１〜４２において、
焼結体嵩密度が２．１５〜２．０３ｇ／ｃｍ³と低く焼
結不充分と考えられる。その結果気孔も大幅に増加し、
線熱膨張率は大きくなり、ヤング率及び熱伝導率は小さ
くなっている。

【００５４】試料Ｎｏ．４３〜５１は、焼成雰囲気と焼
結体の特性の関係を調べた。何れの雰囲気の場合でも、
本発明（請求項２、３記載）の焼結体の特性は得られ
た。しかしながら、大気中で焼成した場合、真空中や非
酸化雰囲気中に比べ気孔が多く、この現象はＳｉＯ₂粉
末原料の平均粒径が大きくなるほど顕著になっている。
結果として大気中で焼成するよりも真空中または非酸化
雰囲気中で焼成した方が気孔が少なくなっている。Ｓｉ
Ｏ₂粉末原料の平均粒径が大きい場合は、焼成雰囲気と
しては大気中よりも真空中または非酸化雰囲気中のほう
が望ましい。

【００５５】試料Ｎｏ．５２〜５５は、焼成温度を高く
した場合の焼結体特性との関係を調べた。試料Ｎｏ．５
３及びＮｏ．５５において、焼成温度を１００℃高くし
た所、結果として焼結体内部にクリストバライト結晶相
ができて、焼結体嵩密度も高くなり、焼結体にはクラッ
クが発生した。これは焼成温度を高くしたことにより非
晶質相からクリストバライト結晶相に急激に変化したた
め、クリストバライト結晶相成長による熱膨張差で体積
変化が生じ、その結果焼結体嵩密度は高くなり、焼結体
にはクラックが発生したと考える。

【００５６】また、結晶相に着目してみると、本発明品
の焼結石英においては、焼結体表面には全てクリストバ
ライト結晶相がみられた。クリストバライト結晶相は表
層部のみにみられ、本発明の焼結石英（試料Ｎｏ．５２
及びＮｏ．５４を除く）表層部のクリストバライト相の
厚みは３〜２００μｍであった。更に試料Ｎｏ．５２及
びＮｏ．５４の表層部のクリストバライト相の厚みは、
それぞれ５００μｍ及び３００μｍであり、焼成温度を
高くすることにより、表層部のクリストバライト相の厚
みが厚くなることが分かった。

【００５７】以上のように本発明の焼結石英の特性とし
ては、以下の結果を得た。２５〜８００℃で、６×１０
^-7／℃以下の線熱膨張率を示す。常温ヤング率が、６２
〜７５ＧＰａである。常温熱伝導率が、１．２〜１．３
Ｗ／ｍＫである。

【００５８】比較例として石英ガラスの特性値を表４に
示した。比較例の石英ガラスの試料としては、比較例１
は不透明石英ガラス製治具素材より試料を作製、比較例
２は安価石英ガラス製理化学実験用治具素材より試料を
作製、比較例３は石英ガラス製理化学実験用治具素材よ
り試料を作製、比較例４は石英ガラス製ルツボより試料
を作製、比較例５は石英ガラス製一般光学用素材より試
料を作製、比較例６は石英ガラス製半導体工業用冶具類
（素材）より試料を作製した。何れの石英ガラスも試料
の表面及び内部ともに全て非晶質である。

【００５９】焼結体嵩密度、線熱膨張率、ヤング率、熱
伝導率については、本発明の焼結石英と同等の特性値を
示している。また、石英ガラスにおける泡の大きさ及び
数量と、本発明の焼結石英の気孔の大きさ及び数量とを
比較してみると、製品中の欠陥（泡または気孔）は本発
明の焼結石英の方が大幅に少ないという結果を得た。本
発明の焼結石英のＳｉＯ₂粉末原料及び脱脂温度や焼成
雰囲気を選択することにより、より欠陥が少なく、且つ
より安価な物を、従来の石英ガラスが利用されている分
野に幅広く利用できる。

【００６０】

【表４】

【００６１】実施例３平均粒径の異なるＳｉＯ₂粉末原料を用いて大型形状の
焼結体を作製し、外観及び特性を評価した。

【００６２】焼結体の作製方法は、まずイオン交換水を
溶媒としてボ−ルミルにて原料を湿式解砕した後、有機
バインダ−としてＰＶＡとＰＥＯを添加してスラリ−を
作製した。スラリ−作製時のメデイアとしては高純度Ｓ
ｉＯ₂ボ−ルを用いた。このスラリ−をスプレ−ドライ
にて造粒した原料粉末を０．８ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力で
等方静水圧プレス（ＣＩＰ）にて成形（成形体形状：φ
８００ｍｍ×５０ｍｍ厚み）し、この成形体を切削加工
でφ７８０ｍｍ×４０ｍｍ厚みの平板形状にした後、６
００℃で５時間大気中で脱脂（熱分解）処理した。この
ようにして作製した脱脂体を、表５に示す条件｛大気
中、真空中（真空度０．５ｔｏｒｒ以上）、Ｈ₂＋Ｎ₂
雰囲気中｝にて１３５０℃及び１５００℃で焼成し、得
られた焼結体（焼結体形状：φ６５０ｍｍ×３５ｍｍ厚
み）について外観及び各種特性を評価した。特性評価
は、焼結体の嵩密度、結晶相、気孔の大きさ及び数量、
線熱膨張率、ヤング率、熱伝導率について行った。測定
方法については前述の通りである。結果を表５に示す。

【００６３】

【表５】

【００６４】外観評価の結果としては、試料Ｎｏ．５６
〜５９の何れにおいても、クラックや反りは無く、外径
及び厚み方向の焼成収縮も安定しており変形は無かっ
た。その他の異常も全くなかった。

【００６５】各種特性評価の結果としては、表５に示し
ているように、実施例２の特性評価結果と同様の結果を
得ることができ、大型化も可能であった。焼結体の気孔
数量に着目してみると、大気中で焼成した場合は、真空
中や非酸化雰囲気中で焼成した場合に比べ気孔が多くな
っており、この結果は実施例１及び実施例２の結果と一
致している。焼結体の気孔数量を減少させるには、焼成
雰囲気は大気中よりも真空中または非酸化雰囲気中の方
が望ましい。

【００６６】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれぱ、焼結
体の任意の断面において、５０μｍ以上の径を有する気
孔が１０個／ｃｍ²以下であり、且つ該気孔を実質的に
非球状として焼結石英を構成したことによって、従来の
石英ガラスの課題を解消し、製品中の欠陥を小さく且つ
減少させ、低製造コスト、易プロセス管理、易大型形状
製造を達成することができ、従来石英ガラスを使用して
いた分野、従来の石英ガラスに比べて、欠陥の少ない物
を、より安価に幅広く利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焼結石英の気孔を示す電子顕微鏡写真
である。

【図２】本発明の焼結石英の気孔を示す電子顕微鏡写真
である。

【図３】従来の石英ガラスの泡を示す電子顕微鏡写真で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＳｉＯ₂を主成分とする焼結体であって、
任意の断面において５０μｍ以上の径を有する気孔が１
０個／ｃｍ²以下であり、且つ該気孔が実質的に非球状
であることを特徴とする焼結石英。
【請求項２】径が０．５μｍ以上１５μｍ未満の気孔が
１００個／ｃｍ²以下であり、１５μｍ以上の径を有す
る気孔が１０個／ｃｍ²以下であることを特徴とする請
求項１記載の焼結石英。
【請求項３】焼結体表面が、主としてクリストバライト
結晶相から形成され、焼結体内部が非晶質相を主体とす
ることを特徴とする請求項１または２記載の焼結石英。
【請求項４】平均粒径０．０５〜５μｍのＳｉＯ₂粉末
を所定形状に成形し、該成形体を大気中、真空中、また
は非酸化雰囲気中にて１２５０〜１５５０℃で焼成する
ことを特徴とする焼結石英の製造方法。
【請求項５】平均粒径０．１〜５μｍ以下のＳｉＯ₂粉
末を所定形状に成形し、該成形体を３５０〜７００℃で
脱脂し、該脱脂体を大気中、真空中または非酸化雰囲気
中にて１３００〜１５５０℃で焼成することを特徴とす
る請求項４記載の焼結石英の製造方法。