JP2001172048A - 負熱膨張性ガラスセラミックスおよびその製造方法 - Google Patents
負熱膨張性ガラスセラミックスおよびその製造方法Info
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Abstract
な絶対値の負の熱膨張係数を有する、負熱膨張性ガラス
セラミックスとその製造方法を提供する。 【解決手段】 −40℃〜+160℃の温度範囲におい
て、熱膨張係数が−25〜−100×10-7/℃であ
り、主結晶相が、β−ユークリプタイト固溶体(β−L
i2O・Al2O3・2SiO2固溶体)、β−ユークリプ
タイト(β−Li2O・Al2O3・2SiO2)、β−石
英固溶体(β−SiO2固溶体)およびβ−石英(β−
SiO2)から選ばれる1種または2種以上である負熱
膨張性ガラスセラミックスであって、前記主結晶相の合
計結晶量が、質量%で、70〜100%であることが好
ましい。
Description
野、情報通信分野、エレクトロニクス分野等の幅広い用
途に使用でき、特に光通信分野において光ファイバー屈
折率回折格子やコネクタなど光ファイバーを含むデバイ
スにおいて温度補償部材として使用される、負熱膨張性
ガラスセラミックスおよびその製造方法に関する。
みならず精密加工技術、医療技術、家電製品あるいは産
業用エレクトロニクスなど、幅広い分野において応用さ
れている。このような光技術では光ファイバを利用し
て、発光、集光、光の伝送および分岐などを行ってい
る。ところで、光ファイバを利用した各種デバイスは、
光ファイバ自体の特性を損なわない構造を有することが
必要とされる。つまり、温度変化によって光ファイバが
膨張、収縮等することにより光学的な性質が変化するこ
とを防ぐため、所望の熱膨張係数を持つ材料を組み合わ
せる必要があり、たとえば、熱膨張係数が負である材料
を使用しているデバイスも提案されている。
には、単心光コネクタにおいて、正の熱膨張係数を有す
るジルコニアやステンレスからなるフェルールのフラン
ジ部に、負の熱膨張係数を持つ材料、具体的には液晶ポ
リマーを用いることが開示されている。また、WO97
/14983号公報には、正の熱膨張係数を有する光フ
ァイバの温度変化による伸縮を防ぐために、その周囲を
負の熱膨張係数を有する液晶高分子により被覆した光フ
ァイバ回折格子が開示されている。ここで開示されてい
る液晶高分子(ポリエステルアミド)の熱膨張係数は、
−1.8×10-5/℃〜−7.2×10-6/℃である。
さらに、特開平10−96827号公報には、屈折率グ
レーティングを具備した光ファイバを負の熱膨張係数を
有するZr−タングステン酸塩またはHf−タングステ
ン酸塩ベースの組成物からなる支持部材に取り付けたパ
ッケージが開示されている。具体的には、−4.7〜−
9.4×10-6/℃の熱膨張係数を有するZrW2O8の
粉末から−12.4×10-6/℃の焼結体を形成してい
る。
野等で使用される各種装置、機器等でも、温度差から発
生する歪みや内部応力の発生を防止するために、これら
装置、機器等を構成するデバイスや精密部品の熱膨張係
数を適切な値に調整することができ、さらに、寸法精度
や寸法安定性、強度、熱的安定性なども満足させること
ができる材料が必要とされる。さらに、上記各種デバイ
ス、精密部品等に使用される有機物質や無機物質、たと
えば接着剤や封着材等に混合されて、これら物質の熱膨
張係数を適切な値に調整することができ、さらに、寸法
精度や寸法安定性、強度、熱的安定性なども満足させる
ことができる材料が必要とされる。このような材料とし
ては、耐熱性が高く、熱膨張係数の値が小さい、などの
点から、セラミックス、ガラスセラミックス、ガラスお
よび金属等が使用されている。しかし、これらの材料
は、正の熱膨張係数、すなわち、温度が上昇すると膨張
する性質を有し、最適な材料であるとは必ずしも言えな
い。
イス等に使用される材料や、上記各種デバイス等に使用
される物質に混合される材料としては、上記材料ととも
に使用される他の材料や、上記有機物質や無機物質が有
する正の熱膨張係数を打ち消すような、負の熱膨張係
数、つまり温度が上昇すると収縮する性質をもつ材料が
望まれている。このような負の熱膨張係数を有する材料
としては、一般に、β−ユークリプタイト結晶、あるい
は該結晶を含むLi2O−Al2O3−SiO2系セラミッ
クス、Li2O−Al2O3−SiO2系ガラスセラミック
ス、ZnO−Al2O3−SiO 2系ガラスセラミック
ス、チタン酸鉛、チタン酸ハフニウム、タングステン酸
ジルコニウム、タングステン酸タンタルなどの無機物質
が知られている。
報には、火山ガラス質堆積物粉末に特定範囲量のAl2
O3およびLi2O粉末を混合し、加熱溶融した後、歪を
除去する処理を施し、さらに特定範囲の温度の下で12
〜24時間再加熱した後、徐冷することにより、負の熱
膨張係数を有する結晶化ガラス(ガラスセラミックス)
を製造する方法が開示されている。この方法では、熱処
理時間と熱処理温度の条件を変えて、絶対値がもっとも
大きい結晶化ガラスとして、負の熱膨張係数が−60×
10-7/℃程度のものを得ている。
挙げた公報中の各種負の熱膨張係数を有する材料は以下
のように、各種問題点を有している。上述の特開平10
−90555号公報およびWO97/14983号公報
において、負熱膨張性材料として使用されている液晶ポ
リマーは、結晶性樹脂であることから、結晶の配向性が
強く、たとえば射出成形品ではソリなどの問題がある。
また、熱膨張係数、曲げ強さ、弾性率等の物性値も液晶
分子の方向によって異なる点も問題であった。また、上
記特開平10−96827号公報において温度補償部材
として使用されているZrW2O8やHfW2O8は、15
7℃付近で相転移が起き、熱膨張曲線に屈曲が生じるた
め、広範な温度域において熱的に安定であるとは言えな
い。
公報に開示されている結晶化ガラスは、火山ガラス質堆
積物を原料としていて、主結晶相を析出させるために必
要な主成分であるSiO2ならびにLi2O以外のアルカ
リ金属酸化物、アルカリ土類酸化物および遷移金属酸化
物等の各成分の含有量を調整することができないため、
組成変動をまぬがれ得ず、所望の結晶相を所定量析出さ
せることが困難であり、物性および品質の点で安定し
た、結晶化ガラスを製造することができないという欠点
がある。さらに、上記公報の実施例に見られるように、
その製造方法は、混合粉末を溶融してカレットをつく
り、そのカレットを粉砕して再び1600℃で溶融して
おり、工程が複雑であるうえに、ガラスの溶融温度が非
常に高温であるため、製造に手間を要し、コストがかか
るという問題がある。
は、主結晶相がβ―石英固溶体および/または亜鉛ペタ
ライト固溶体である、ZnO−Al2O3−SiO2系の
低熱膨張性セラミックスが開示されているが、このセラ
ミックスは、実施例に見られるとおり、熱膨張係数がも
っとも低いものでも−2.15×10-6/℃(−21.
5×10-7/℃)であり、充分に低い負の熱膨張係数を
有しているとは言い難い。さらに、このセラミックス
は、高温で昇華しやすいZnO成分を多量に含有してい
るため、上記公報には、親ガラス(原ガラス)を形成す
る際に、長すぎる溶融は好ましくないと記載され、上記
公報の実施例に見られるとおり、その溶融時間は10分
と極端に短いものである。しかし、このような短時間で
は、高温であってもSiO2およびAl2O3成分が充分
に溶融せず溶け残るため、均質な親ガラスを得ることが
できず、このように不均質な親ガラスを結晶化しても均
質なセラミックスを得ることはできない。仮に、ガラス
を溶融する際、通常行われるように数時間溶融すれば、
溶け残りについては解消できるが、その場合、ZnO成
分が昇華して親ガラスの組成が変動してしまい、やは
り、安定に均質なセラミックスを得ることができない。
また、上記実施例の溶融温度は1620℃と高温であ
り、前述した特開昭63−201034号公報に開示さ
れている製造方法と同様の問題を有している。
する材料は、いくつかの問題点を有しているため、エネ
ルギー関連分野や情報分野、光通信分野、その他の各種
分野では、あまり使用されていないのが実状である。
ギー関連分野や情報分野、光通信分野等で使用される際
の一般的な温度範囲である、−40℃〜+160℃にお
いて、十分に大きな絶対値の負の熱膨張係数を有し、し
かも、低コストで、組成・物性の点で安定的に生産で
き、温度補償用部材として使用できる、負熱膨張性ガラ
スセラミックスとその製造方法を提供することにある。
を達成するため種々の試験研究を重ねた結果、特定組成
範囲のLi2O−Al2O3−SiO2−BaO系ガラスを
熱処理して、結晶化することにより、異方性がなく大き
な絶対値の負の熱膨張係数を有するガラスセラミックス
が得られることを見いだし本発明をなすに至った。
1に記載の発明は、−40℃〜+160℃の温度範囲に
おいて、熱膨張係数が−25〜−100×10-7/℃で
あることを特徴とする負熱膨張性ガラスセラミックスで
ある。
に記載の負熱膨張性ガラスセラミックスにおいて、主結
晶相が、β−ユークリプタイト固溶体(β−Li2O・
Al2O3・2SiO2固溶体)、β−ユークリプタイト
(β−Li2O・Al2O3・2SiO2)、β−石英固溶
体(β−SiO2固溶体)およびβ−石英(β−Si
O2)から選ばれる1種または2種以上であることを特
徴とする。
の負熱膨張性ガラスセラミックスにおいて、前記主結晶
相の合計結晶量が、質量%で、70〜100%であるこ
とを特徴とする。
たは3のいずれかに記載の負熱膨張性ガラスセラミック
スにおいて、質量%で、 SiO2 40〜65% Al2O3 25〜45% Li2O 5〜15% B2O3 0〜3% BaO 0.5〜4% MgO 0〜2% CaO 0〜3% ZnO 0〜6% P2O5 0〜4% ZrO2 0〜4% TiO2 0〜4% As2O3+Sb2O3 0〜2% の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを、熱処
理することにより得られることを特徴とする。
3または4のいずれかに記載の負熱膨張性ガラスセラミ
ックスにおいて、質量%で、 SiO2 40〜65% Al2O3 25〜45% Li2O 5〜15% B2O3 0〜3% BaO 0.5〜4% MgO 0〜2% CaO 0〜3% ZnO 0〜6% P2O5 0〜4% ZrO2 0〜4% TiO2 0〜4% As2O3+Sb2O3 0〜2% の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを、溶融
し、急冷した後、粉末にしてから成形し、次に、焼成に
よって結晶化させて得られることを特徴とする。
3または4のいずれかに記載の負熱膨張性ガラスセラミ
ックスにおいて、質量%で、 SiO2 40〜65% Al2O3 25〜45% Li2O 5〜15% B2O3 0〜3% BaO 0.5〜4% MgO 0〜2% CaO 0〜3% ZnO 0〜6% P2O5 0〜4% ZrO2 0〜4% TiO2 0〜4% As2O3+Sb2O3 0〜2% の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを溶融
し、成形し、必要に応じて徐冷した後、加熱によって結
晶化させて得られることを特徴とする。
性ガラスセラミックスは、大きな絶対値の負の熱膨張係
数を有する。加えて、本発明の請求項1〜6のいずれか
に記載の負熱膨張性ガラスセラミックスは、結晶化領域
を有してはいるものの材料全体としては特定の配向性を
有さず、請求項9に記載されているように、ほとんど異
方性を有さない材料であることを特徴とする。
の負熱膨張性ガラスセラミックスは、請求項10に記載
の発明のように、熱膨張係数が正である材料と組み合わ
せて温度補償部材として使用される。特に、請求項11
に記載の発明のように、光ファイバーを固定するデバイ
スに好適に用いられる。請求項10、請求項11に記載
の発明によれば、本発明の負熱膨張性ガラスセラミック
スを熱膨張係数が正である材料と組み合わせて温度補償
部材として使用することによって、デバイスなどの温度
変化による悪影響を極力防ぐことができる。ここで、光
ファイバーを固定するデバイスとしては、たとえば、光
通信分野において使用される光ファイバー屈折率回折格
子や光コネクタ等が挙げられる。
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを溶融
し、急冷した後、粉末にしてから成形し、1200〜1
350℃の温度で焼成して結晶化させることを特徴とす
る負熱膨張性ガラスセラミックスの製造方法である。
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを溶融
し、成形し、必要に応じて徐冷した後、620〜800
℃の温度で核形成し、次いで、700〜950℃の温度
で結晶化させることを特徴とする負熱膨張性ガラスセラ
ミックスの製造方法である。
セラミックスについて、詳細に説明する。なお、本発明
において、ガラスセラミックスとは、ガラスを熱処理す
ることによりガラス相中に結晶相を析出させて得られる
材料であり、ガラス相および結晶相からなる材料のみな
らず、ガラス相すべてを結晶相に相転移させた材料、す
なわち、材料中の結晶量が100質量%のものも含む。
主結晶相は、β−ユークリプタイト固溶体(β−Li2
O・Al2O3・2SiO2 固溶体)、β−ユークリプタ
イト(β−Li2O・Al2O3・2SiO2)、β−石英
固溶体(β−SiO2固溶体)およびβ−石英(β−S
iO2)から選ばれる1種または2種以上である。ここ
で、固溶体とは、β−ユークリプタイト、あるいはβ−
石英それぞれの結晶において、一部が置換されていた
り、結晶間に原子が侵入しているものを言う。
ガラスセラミックスの熱膨張係数に寄与する重要な要素
である。原ガラスを所定の条件で熱処理することによ
り、正の熱膨張係数を有するガラス相中に、負の熱膨張
係数を有する上記主結晶相を析出させ、または、ガラス
相すべてを上記主結晶相を含む結晶相に相転移させて、
ガラスセラミックス全体として熱膨張係数を所望の数値
範囲内に制御できる。これらの主結晶相の種類および析
出量は、特定組成範囲内におけるLi2O、Al2O3お
よびSiO2の含有割合、および後述する焼成結晶化温
度または結晶化温度によって決定される。本発明の目標
とする熱膨張係数を得るためには、上記主結晶相の合計
結晶量が、質量%で70〜100%の範囲であることが
好ましく、70%未満では、熱膨張係数が本発明の目標
とする範囲より高くなってしまうことがある。
酸化物組成は、その原ガラスの酸化物組成によって表さ
れるが、原ガラスの組成範囲を上記のように限定した理
由を以下に述べる。
主結晶相であるβ−ユークリプタイト固溶体、β−ユー
クリプタイト、β−石英固溶体およびβ−石英の構成要
素となる重要な成分である。SiO2成分は、負の熱膨
張係数をもつ上記主結晶の主成分であるが、その量が4
0%未満の場合には所望の主結晶相が十分に析出し難く
なり、65%を超えると、ガラスの熔融清澄が困難にな
る上に、所望主結晶相以外の結晶相が析出することか
ら、SiO2成分量の好ましい範囲は40〜65%であ
る。
の溶融が困難となるため原ガラスの均質性が低下し、ま
た、所望の主結晶相が、必要量生成しにくくなる。一
方、45%を超えると融点が高温になりすぎ、ガラスの
熔融清澄が困難になるため、Al2O3成分の量の望まし
い範囲は、25〜45%である。
量の所望の主結晶相が得られなくなる。また、15%を
超えると、ガラス化しにくくなり、その上、熱処理後の
ガラスセラミックスの強度が低下するため、好ましい範
囲は5〜15%である。
目的で任意に添加できるが、本発明の負熱膨張性ガラス
セラミックスのガラス相部分となる成分であり、その量
が3%を超えると、所望の主結晶相の生成に支障をきた
し、熱膨張係数が目標とする値より大きくなる。
成分は、β−ユークリプタイト固溶体(β−Li2O・
Al2O3・2SiO2固溶体)およびβ−石英固溶体
(β−SiO2固溶体)の構成要素となる重要な成分で
あるが、これら各成分の量が、それぞれ、4%、2%、
6%および3%を超えると熱膨張係数が大きくなり、目
標とする熱膨張係数が得難くなる。また、上記各成分の
うち、BaO成分は、原ガラスの溶解時に、るつぼの白
金と原ガラス中の他の金属元素とが合金化するのを防ぐ
とともに、原ガラスの耐失透性を維持する効果がある。
しかし、その量が0.5%未満であると、この効果が充
分に得られず、原ガラスの耐失透性が悪化することか
ら、0.5%以上含有することが好ましい。
は、いずれも結晶核形成剤として作用するが、これら各
成分の量が、それぞれ4%を超えると、原ガラスの熔融
清澄が困難となり、未溶融物が発生することがある。そ
のため、上記各成分のうち、TiO2成分は3.5%ま
で、ZrO2成分は2%までとするのが特に好ましい。
品を得るためガラス溶融の際の清澄剤として添加し得る
が、これらの成分の量は、合計で2%までで十分であ
る。なお、上記成分の他に本発明のガラスセラミックス
の所望の特性を損なわない範囲で、着色成分等の他の成
分を添加させることができる。
要する成分であり、また、Na2OおよびK2O成分を含
有していると、成膜や洗浄などの後工程において、これ
らのイオンが拡散して本発明の負熱膨張性ガラスセラミ
ックスの物性が変化してしまうので、PbO、Na2O
およびK2O成分を実質的に含有しないことが好まし
い。
ックスは、以下の2つの方法により製造することが好ま
しい。まず、いずれの方法においても、、上述した組成
になるように酸化物、炭酸塩、水酸化物、硝酸塩などの
ガラス原料を秤量、調合し、坩堝などに入れ、約140
0〜1500℃で約6時間〜8時間、攪拌しながら溶融
し、清澄な状態の原ガラスを得る。次に以下の2つの方
法で、結晶化を行う。
融状態の原ガラスを、ロール急冷法や水中急冷法等によ
り急冷する。次に、急冷後のガラスを、ボールミル、遊
星ボールミル、ローラーミル等の公知の粉砕装置を用
い、湿式法または乾式法などの公知の粉砕方法により粉
末とする。ガラス粉末の粒径は最大で100μm以下、
平均粒径は10μm以下が望ましく、平均粒径が5μm
以下であることが特に望ましい。最大粒径が100μm
をこえると、後述する焼成結晶化に必要な温度が高くな
り、また得られるガラスセラミックスの均質性、緻密性
も悪くなる。
末をプレス成形等の公知の成形方法により所望形状に成
形する。この成形時に、有機バインダーとしてポリビニ
ルアルコール、ステアリン酸、ポリエチレングリコール
等を添加することができる。特に大きなブロック状に成
形する場合には有機バインダーを混合することが望まし
く、たとえば粉末100質量%に対し、1〜5%程度の
濃度のポリビニルアルコール等の有機バインダー水溶液
を5〜15%加えることが好ましい。
理を行う。成形したものを、昇温後、1200〜135
0℃の温度で約2〜10時間維持して焼成する。これに
より、所望の主結晶相が析出する。焼成して結晶化させ
た後は、負の熱膨張係数を持つ結晶が析出しているため
に、急冷するとクラックが入る。そのため50℃/hr
以下の速度で徐冷することが望ましい。なお、ここで焼
成して結晶化させる場合には、後述する第2の方法とは
異なり、核形成温度での保持は必要ない。
きな負の熱膨張係数を容易に得ることができる。しか
も、粉末から成形体を作製するため大型品の製造が可能
である。
うに、原ガラスを溶融した後、金型等にキャストして成
形し、成形したガラスの除歪等の必要に応じて徐冷す
る。次に、結晶化の処理を行う。まず、620〜800
℃の温度で保持し、核形成を促す。この核形成温度は6
20℃より低くても、あるいは800℃より高くても結
晶核が生成しない。核形成後、700〜950℃の温度
で、結晶化させる。この結晶化温度が700℃より低い
と十分な量の主結晶相が成長せず、950℃より高いと
原ガラスが溶解するとともに、β−スポジュメンなどの
熱膨張係数の大きい結晶が析出するため望ましくない。
結晶化後は、前記第1の方法で述べたように、50℃/
hr以下の速度で徐冷することが望ましい。
する第1の方法と比べて、原ガラスを粉砕し、粉末を成
形する工程を必要としないため、製造に要するコストお
よび時間を少なくすることができる上に、成形体に気孔
を含まないため、より高強度のガラスセラミックスを得
ることができる。
の実施例を説明する。なお、本発明は、これら実施例に
限定されるものではない。
ミックスの実施例No.1〜No.7について、組成
比、焼成結晶化温度と保持時間、あるいは核形成温度、
結晶化温度と保持時間等を示したものである。実施例N
o.1〜No.7のガラスセラミックスは、次のように
製造した。まず、表1および表2の組成となるように酸
化物、炭酸塩、水酸化物、硝酸塩等のガラス原料を秤
量、調合し、白金ルツボに入れ、これを通常の溶解装置
を用いて1400〜1550℃の温度で6〜8時間溶
融、攪拌した。
No.3については、溶融した状態の原ガラスを水中に
投下して急冷した。次いで、得られたガラス成形体をア
ルミナ質ボールミルによって、平均粒径5μm程度にな
るように粉砕した。次に、有機バインダーを加えて、一
軸プレスにより成形した。この後、得られた成形体を焼
成炉に入れて、加熱、昇温し、表1に示した焼成結晶化
温度で所定時間保持して焼成し、結晶化させた後、50
℃/hr以下の速度で徐冷してガラスセラミックスを得
た。
6およびNo.7については、溶融した原ガラスを金型
にキャストして成形した後、徐冷し、それぞれガラス成
形体を得た。この後、ガラス成形体を粉砕せずに、その
まま焼成炉に入れて、加熱、昇温し、表2に示した核形
成温度で所定時間保持して、結晶核を形成した。続い
て、加熱、昇温して、同じく表2で示した結晶化温度で
所定時間保持して結晶化させた後、50℃/hr以下の
速度で徐冷してガラスセラミックスを得た。
スセラミックスから、直径5mm、長さ20mmの試料
を切り取り、(株)リガク製TAS200熱機械分析装
置により、温度範囲−40℃〜+160℃における熱膨
張係数を測定した。また、これらのガラスセラミックス
の主結晶相の合計結晶量を、粉末X線回折法によるピー
ク面積から算出した。この結果を、表1、および表2に
示した。
て、比較例No.1〜No.3として、表1および表2
同様に、表3に示した。比較例No.1およびNo.2
のガラスセラミックスは、実施例No.4〜No.7と
同様の方法で製造し、比較例No.3のガラスセラミッ
クスは、実施例No.1〜No.3と同様の方法で製造
した。また、各比較例のガラスセラミックスの熱膨張係
数、主結晶相の合計結晶量を、上記同様に測定し、その
結果を表3に示した。
にかかる実施例のガラスセラミックスは熱膨張係数が−
26〜−96×10-7/℃と、非常に絶対値が大きい負
の値を示している。X線回折の結果、これらのガラスセ
ラミックスの主結晶相は、実施例No.1およびNo.
7ではβ−ユークリプタイト(β−Li2O・Al2O3
・2SiO2)、実施例No.2、No.3およびN
o.4ではβ−ユークリプタイト固溶体(β−Li2O
・Al2O3・2SiO2固溶体)、実施例No.5およ
びNo.6はβ−石英固溶体(β−SiO2固溶体)で
あった。
o.1、No.2およびNo.3では、β−石英固溶体
が析出し、表3に示すように負の熱膨張係数を有するも
のの、絶対値が大きい負の係数を得ることができなかっ
た。
クスを切断、研磨して、温度補償部材として、長さ30
mm×幅15mm×厚さ2mmの平面プレート1および
同じ寸法のカバープレート2を作製した。平面プレート
1の上面に光ファイバーをセットする為の溝をダイヤモ
ンド刃によって切った。次に長さ10mmの屈折率回折
格子3を有する石英系の光ファイバー4を上記溝の中に
填め込み、その際、屈折率回折格子3の部分が平面プレ
ート1の中心部に位置するようにセットした。次に、光
ファイバー4および屈折率回折格子3の上にカバープレ
ート2を被せた状態で、接着剤を用いて平面プレート1
とカバープレート2とを貼り合わせて結合させて、図1
に示す組立体5を作製した。この結合は、エポキシなど
の熱硬化樹脂等、従来公知の接着剤を使用することがで
き、本実施例では熱硬化性エポキシ接着剤を用いた。ま
た、比較例No.1のガラスセラミックスを用いて図1
と同様の組立体を作製した(図示せず)。
それぞれの屈折率回折格子から得られる反射波長を−4
0℃〜+100℃間で温度を変えながら測定し、比較し
た。その結果、本発明にかかるガラスセラミックスを使
用した組立体5は、比較例No.1のガラスセラミック
スを使用した組立体と比べて、屈折率回折格子から発せ
られる反射波長の温度依存性が大幅に減少し、前記温度
範囲間で安定した反射波長が得られた。
面を鏡面研磨し、さらに、フッ化水素酸でエッチングし
た後に撮影したSEM写真(走査型電子顕微鏡写真)を
図2に示す。図2に見られるように、このガラスセラミ
ックスに析出している結晶粒子は、配向性を持たずに三
次元的に分散している。したがって、実施例2のガラス
セラミックスは内部にほとんど異方性がない、と考えら
れる。
ガラスセラミックスは、−40℃〜+160℃の温度範
囲において、熱膨張係数が−25〜−100×10-7/
℃であり、非常に絶対値が大きい負の熱膨張係数を有す
る。よって、光通信分野等の光ファイバー屈折率回折格
子や光ファイバーのコネクタ等の光ファイバ関連のデバ
イスにおいて、熱膨張係数が正である材料と組み合わせ
て使用することにより、温度変化による影響を極力防ぐ
ことができ、温度補償部材として機能することができ
る。また、材料として異方性を有さないことから、異方
性を原因とする成形時の不具合や、物性のばらつきとい
った問題も生じることはなく、従来の液晶ポリマーなど
と比較して、光ファイバー関連のデバイスに好適に用い
ることができる。
ー関連分野、情報通信分野、エレクトロニクス分野な
ど、幅広い用途に、バルク状の材料として使用できる。
また、本発明の負熱膨張性ガラスセラミックスは、ボー
ルミル、振動ミル、ローラーミル、ジェットミル等、公
知の粉砕装置により粒径100μm以下、好ましくは5
0μm以下に粉砕し、上記各分野に使用される有機物質
および無機物質に混合することにより、これらの物質の
熱膨張係数を低下させ、寸法安定性に優れる、熱膨張低
下用充填材(フィラー)として使用することができる。
これら有機物質、無機物質は特に限定されるものではな
く、たとえばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミ
ド樹脂、ポリカーボネート樹脂等や低融点ガラスなどが
挙げられ、用途も一般工業用、建築用など、広範な用途
向けのものが可能である。
クスは、従来に比べて、比較的低温で原ガラスを溶融し
て製造することができるので、低コストで生産できる。
しかも、組成比を容易に制御できる成分からなる上に、
組成中に不安定な成分を含まないことから、組成・物性
の点で安定的に生産できる。
部材として使用した組立体の側断面図である。
すSEM写真(走査型電子顕微鏡写真)である。
Claims (11)
- 【請求項1】 −40℃〜+160℃の温度範囲におい
て、熱膨張係数が−25〜−100×10-7/℃である
ことを特徴とする負熱膨張性ガラスセラミックス。 - 【請求項2】 主結晶相が、β−ユークリプタイト固溶
体(β−Li2O・Al2O3・2SiO2固溶体)、β−
ユークリプタイト(β−Li2O・Al2O3・2Si
O2)、β−石英固溶体(β−SiO2固溶体)およびβ
−石英(β−SiO2)から選ばれる1種または2種以
上であることを特徴とする請求項1に記載の負熱膨張性
ガラスセラミックス。 - 【請求項3】 前記主結晶相の合計結晶量が、質量%
で、70〜100%であることを特徴とする請求項2に
記載の負熱膨張性ガラスセラミックス。 - 【請求項4】 質量%で、 SiO2 40〜65% Al2O3 25〜45% Li2O 5〜15% B2O3 0〜3% BaO 0.5〜4% MgO 0〜2% CaO 0〜3% ZnO 0〜6% P2O5 0〜4% ZrO2 0〜4% TiO2 0〜4% As2O3+Sb2O3 0〜2% の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを、熱処
理することにより得られることを特徴とする請求項1、
2または3のいずれかに記載の負熱膨張性ガラスセラミ
ックス。 - 【請求項5】 質量%で、 SiO2 40〜65% Al2O3 25〜45% Li2O 5〜15% B2O3 0〜3% BaO 0.5〜4% MgO 0〜2% CaO 0〜3% ZnO 0〜6% P2O5 0〜4% ZrO2 0〜4% TiO2 0〜4% As2O3+Sb2O3 0〜2% の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを、溶融
し、急冷した後、粉末にしてから成形し、次に、焼成に
よって結晶化させて得られることを特徴とする請求項
1、2、3または4のいずれかに記載の負熱膨張性ガラ
スセラミックス。 - 【請求項6】 質量%で、 SiO2 40〜65% Al2O3 25〜45% Li2O 5〜15% B2O3 0〜3% BaO 0.5〜4% MgO 0〜2% CaO 0〜3% ZnO 0〜6% P2O5 0〜4% ZrO2 0〜4% TiO2 0〜4% As2O3+Sb2O3 0〜2% の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを溶融
し、成形し、必要に応じて徐冷した後、加熱によって結
晶化させて得られることを特徴とする請求項1、2、3
または4のいずれかに記載の負熱膨張性ガラスセラミッ
クス。 - 【請求項7】 質量%で、 SiO2 40〜65% Al2O3 25〜45% Li2O 5〜15% B2O3 0〜3% BaO 0.5〜4% MgO 0〜2% CaO 0〜3% ZnO 0〜6% P2O5 0〜4% ZrO2 0〜4% TiO2 0〜4% As2O3+Sb2O3 0〜2% の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを溶融
し、急冷した後、粉末にしてから成形し、1200〜1
350℃の温度で焼成して結晶化させることを特徴とす
る負熱膨張性ガラスセラミックスの製造方法。 - 【請求項8】 質量%で、 SiO2 40〜65% Al2O3 25〜45% Li2O 5〜15% B2O3 0〜3% BaO 0.5〜4% MgO 0〜2% CaO 0〜3% ZnO 0〜6% P2O5 0〜4% ZrO2 0〜4% TiO2 0〜4% As2O3+Sb2O3 0〜2% の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを溶融
し、成形し、必要に応じて徐冷した後、620〜800
℃の温度で核形成し、次いで、700〜950℃の温度
で結晶化させることを特徴とする負熱膨張性ガラスセラ
ミックスの製造方法。 - 【請求項9】 異方性をほとんど有さない材料であるこ
とを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の負熱膨
張性ガラスセラミックス。 - 【請求項10】 熱膨張係数が正である材料と組み合わ
せて温度補償部材として使用されることを特徴とする請
求項1、2、3、4、5、6または9に記載の負熱膨張
性ガラスセラミックス。 - 【請求項11】 光ファイバーを固定するデバイスに用
いられることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、
6、9または10に記載の負熱膨張性ガラスセラミック
ス。
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