JP2004504244A - オキシ窒化アルミニウムの製造方法およびその方法により製造したオキシ窒化アルミニウム - Google Patents

Abstract

酸化アルミニウムをチャンバー内に分散させ、そして分散粒子上に窒素ガスを通すことによるオキシ窒化アルミニウムの製造方法。オキシ窒化アルミニウムを製造するための他の方法には、酸化アルミニウムおよびカーボンを含む混合物をチャンバーに導入し、混合物をチャンバー内で撹拌し、そして混合物を加熱してオキシ窒化アルミニウムを形成することが含まれる。本発明方法で製造したオキシ窒化アルミニウムも本発明に含まれる。

Description

【０００１】
背景
本発明はセラミックコンパウンド、より詳細にはオキシ窒化アルミニウムに関する。
【０００２】
当技術分野で知られているように、化学組成Ａｌ_{２３−１／３ｘ}Ｏ_２７＋ｘＮ_５−ｘ（０．４２９≦ｘ≦２）をもつオキシ窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）はセラミック材料であり、約０．２〜約５ミクロンの光学波長範囲にわたる比較的高い透明度のため広範な用途をもつ。したがってＡｌＯＮは可視および赤外波長範囲での透過能および画像形成能が要求される用途に使用できる。これらの用途には、商業および軍事両方の用途、たとえば放電灯（ｖａｐｏｒ　ｌａｍｐ）用の透明な囲い、光学窓、弾道装甲、スキャナー窓、時計用ガラス、および空中光学映像形成システム用の透明なドーム、たとえば赤外線追尾式ミサイルにみられるものが含まれる。
【０００３】
さらに、ＡｌＯＮは比較的高い強度をもつので、ＡｌＯＮは要求の厳しいある種の外部環境に曝露される可能性のあるシステムのための防御バリヤーとしても使用できる。たとえばＡｌＯＮをミサイルの外側部分の窓またはドームとして形成できる。
【０００４】
ＡｌＯＮは、時にカーボサーマル窒素化と呼ばれる方法で合成できる。一般にこの方法ではアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）をカーボン（Ｃ）と混合し、この混合物を窒素含有雰囲気、たとえば二窒素（Ｎ_２）下に、高温、たとえば約１６５０〜１８５０℃で反応させる。このプロセスで起きる詳細な反応は反応式１〜２で表わされる：
【０００５】
【式１】

反応式１に示すように、アルミナの一部、カーボンおよび窒素が反応して窒化アルミニウムが形成され、一酸化炭素ガスが生成する。この反応は約１６５０〜１７５０℃で起きうる。次いでこの形成された窒化アルミニウムが、たとえば約１７５０〜１８５０℃でアルミナと反応して、ＡｌＯＮが形成される。たとえば一般的なバッチ法でのカーボサーマル窒素化法によるＡｌＯＮの合成は、完了するのに最高約２０〜３０時間かかる可能性がある。
【０００６】
概要
本発明によれば、オキシ窒化アルミニウムの製造方法が提供される。この方法は、酸化アルミニウム粒子をチャンバーに導入し、粒子をチャンバー内に分散させ、そして分散粒子上に窒素ガスを通してオキシ窒化アルミニウムを形成することを含む。
【０００７】
このような方法を用いると、大量のオキシ窒化アルミニウムを実用的に製造できる。
１態様において本方法には、反応中に反応混合物を分散または混転するバッチロータリー法または半連続ロータリー法が含まれる。反応混合物を分散させると、一般的なカーボサーマル窒素化法と比較して反応時間を短縮し、より均質なＡｌＯＮ組成物を製造し、さらさらしたＡｌＯＮ粉末を製造することができ、これらによりたとえば生産コストを低下させることができる。
【０００８】
さらに半連続法は、炉をソーキング温度まで高めるのに必要な時間、炉を冷却するのに必要な時間、ならびにレトルトに再装填するのに必要な時間、および形成されたＡｌＯＮをレトルトから取り出するのに必要な時間を短縮することにより、多数バッチのＡｌＯＮの合成に必要な時間を短縮できる。半連続法は反応体および生成物の取扱いも簡便である。
【０００９】
本発明の他の態様において、オキシ窒化アルミニウムの製造方法は、酸化アルミニウムおよびカーボンを含む混合物をチャンバーに導入し、混合物をチャンバー内で撹拌し、そして混合物を加熱してオキシ窒化アルミニウムを形成することを含む。
【００１０】
本発明の各態様は後記の特色のうち１以上を含む。本方法はさらに、窒素ガスをチャンバーに導入することを含む。混合物の撹拌はチャンバーを回転させることを含む。本方法はさらに、オキシ窒化アルミニウムを冷却し、オキシ窒化アルミニウムをチャンバーから取り出し、そして酸化アルミニウムおよびカーボンを含む第２混合物をチャンバーに導入することを含む。本方法はさらに、オキシ窒化アルミニウムを透明な構造体に成形することを含む。オキシ窒化アルミニウムの成形は、オキシ窒化アルミニウムを含む未処理ボディを成形し、そしてこの未処理ボディを焼結することを含む。本方法はさらに、焼結した未処理ボディを加熱下でアイソスタティック（ｉｓｏｓｔａｔｉｃ）プレスすることを含む。オキシ窒化アルミニウムはＡｌ_{２３−１／３ｘ}Ｏ_２７＋ｘＮ_５−ｘ（０．４２９≦ｘ≦２）を含む。
【００１１】
本発明の他の態様において、オキシ窒化アルミニウムの製造方法は、酸化アルミニウムおよびカーボンを含む第１反応混合物をチャンバーに導入し、第１反応混合物をチャンバー内で撹拌し、第１反応混合物からオキシ窒化アルミニウムを形成する温度にチャンバーを加熱し、チャンバーの温度を維持しながらオキシ窒化アルミニウムを取り出し、そしてチャンバーの温度を維持しながら酸化アルミニウムおよびカーボンを含む第２反応混合物をチャンバーに導入することを含む。チャンバーが排出開口を含み、オキシ窒化アルミニウムの取出しがチャンバー内のプランジャーを収縮させることによりオキシ窒化アルミニウムを排出開口から流出させることを含むことができる。
【００１２】
本発明の他の態様において、オキシ窒化アルミニウムを製造するための連続法は、チャンバーを加熱し、酸化アルミニウムおよびカーボンを含む反応混合物を連続的にチャンバーに導入し、反応混合物をチャンバー内で撹拌し、そして連続的にオキシ窒化アルミニウムを得ることを含む。連続法は半連続法と同様な利点を提供できる。
【００１３】
これらおよび他の特色、目的および利点は本明細書の記載および図面ならびに特許請求の範囲から明らかであろう。
詳細な記述
図１は、ＡｌＯＮ構造体、たとえばＡｌＯＮドームを製造する方法を示す。一般に、Ａｌ_２Ｏ_３とカーボンを窒素雰囲気下に高温で反応させることによりＡｌＯＮ粉末を形成する。形成されたＡｌＯＮ粉末を焼成して未反応カーボンを除去し、微粉砕してＡｌＯＮ粉末の粒径を小さくする。次いで微粉砕ＡｌＯＮを噴霧乾燥し、ＡｌＯＮ粒子を団結させて型に注入しやすいさらさらした粉末にし、未処理ボディを成形する。常温アイソスタティックプレスにより、構造体のおおまかなサイズをもつ未処理ボディを成形する。プレス後、未処理ボディを加熱して有機物質を除去し、焼成して構造体の密度を低下させ、熱間アイソスタティックプレスによりさらに圧縮する。次いでこの構造体をアニールし、研削および研摩により構造体の最終許容差にまで仕上げ処理する。
【００１４】
図２を参照すると、この場合バッチロータリー法によりＡｌＯＮ粉末を形成する。バッチロータリーシステム１０には、炉２０、円筒形の黒鉛チャンバー（ここでは炉２０内のレトルト３０）、および窒素ガスをレトルト３０内へ運ぶフローチューブ３５が含まれる。レトルト３０は原動軸５０により駆動モーター４０に連結し、これによりモーター４０がレトルト３０を回転させることができる。レトルト３０は、レトルト３０の内面に複数の撹拌バーまたはリフターバー６０（図３Ａ〜Ｂに示す）をも備えている。リフターバー６０はレトルト３０と一体成形された畝（ｒｉｄｇｅ）または隆起（ｂｕｍｐ）であり、それらがレトルト３０の長手に沿って伸びており、またはらせん状に形成されている。炉２０およびレトルト３０はＣｅｎｔｏｒｒ Ｖａｃｕｕｍ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ（ニューハンプシャー州ナシュア）から入手できる。
【００１５】
一般にレトルト３０の回転に伴って、リフターバー６０はレトルト３０内にあるアルミナとカーボンの反応混合物７０を持ち上げ、そしてレトルト３０の内側に落下させることにより、反応混合物７０が分散するのを補助する。反応中に混合物７０が混転されると新たな未反応混合物７０が窒素に曝露され、これにより窒素の拡散が助成され、ＡｌＯＮの形成に必要な反応時間が短縮されると考えられる。
【００１６】
反応混合物７０は、アルミナとカーボンを混合することにより調製される。一般に反応混合物には約４．５〜約８重量％のカーボン、より好ましくは約４．５〜約６．５重量％のカーボンが含有される。アルミナはたとえばＣｏｎｄｅａ Ｖｉｓｔａ（アリゾナ州トゥーソン）から入手できるγ−Ａｌ_２Ｏ_３であるが、他の形態のアルミナ、たとえばα−Ａｌ_２Ｏ_３も使用できる。カーボンは純粋な（乾燥）カーボンブラック、たとえばＣａｂｏｔ Ｃｏｒｐ．（マサチュセッツ州ビレリカ）から入手できるＭｏｎａｒｃｈ ８８０である。他の等級のカーボンブラックも使用できる。混合物７０のカーボン含量を規定範囲内に制御できるように、アルミナおよびカーボンの含水率および揮発性成分含量が正確に分かっていることが好ましい。
【００１７】
均質な組成のＡｌＯＮを製造できるように、アルミナとカーボンの均質混合物が好ましい。アルミナとカーボンをブレンダー内での混合により乾式ブレンドし、ボールミル粉砕し（乾式または湿式）、および／またはミキサー内で（たとえば塗料振とう機内で）振とうすることができる。好ましくはカーボンはカーボンインキであり、これは取り扱いやすく、かつアルミナと良好に混和する。カーボンインキは、カーボンブラックを水または有機溶剤、たとえばメタノール、エタノールおよびプロパノールと混合することにより調製される。分散剤、たとえばＢＹＫ−Ｃｈｅｍｉｅから入手できるＤｉｓｐｅｒｂｙｋ　１９０または１９１をインキに添加してカーボンブラックをぬらし、カーボンブラックが懸濁状態を維持するのを補助する。カーボンインキは、たとえばＳｕｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ（ノースカロライナ州ウィンストン・セーラム）およびＢｏｒｄｅｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｃ．（オハイオ州シンシナチ）からも市販されている。好ましくはアルミナを均一にぬらすために、カーボンインキ溶液を調製および／または希釈して約５〜約１０重量％のカーボンを含有する溶液を調製する。
【００１８】
インテンシファイヤーブレードまたはバーを備えたコーンブレンダーでアルミナとカーボンインキを約３０〜９０分間、または反応混合物７０がブレンドされて均質になるまで、混合する。混合のための一般的な装填量は１５ｋｇであるが、装填量は用いる装置の関数である。好ましくは混合に用いたものと同じコーンブレンダー内で液体（たとえば水および溶剤）を蒸発により除去した後、レトルト３０に装填する。あるいはアルミナとカーボンインキの混合物を噴霧乾燥させてさらさらした粉末を調製した後、装填することもできる。次いで反応混合物７０の１回分、たとえば約５００ｇをレトルト３０に装入する：これは、レトルト３０の末端キャップ（図示されていない）をはずしてしてレトルト３０に装填し、末端キャップをレトルト３０に戻すことによる。
【００１９】
１回分の反応混合物７０をレトルト３０に装入した後、レトルト３０から空気を排除し、高純度窒素ガスでパージする。一般に窒素ガス流速は、一酸化炭素または二酸化炭素の局部濃度がＡｌＯＮ反応に害を及ぼすのを制限するのに十分なものでなければならない。適切なガス流速は反応レトルトのサイズおよび処理する混合物７０の質量に依存する。約５〜約２０ｋｇの混合物７０については、窒素流速は約２〜約２０Ｌ／分である。
【００２０】
次いで駆動モーター４０を始動させてレトルト３０を回転させ、かつ反応混合物７０を加熱する。回転速度は約２〜５０ｒｐｍである。回転の効果は、チャンバー内のアルミニウム／カーボン粒子を分散させて窒素ガスが分散粒子の周りを通ることができるようにし、これによりアルミニウム／カーボン粒子と窒素の反応を促進することである。したがって、回転速度は反応混合物７０をレトルト３０の内側に分散させるのに十分な速さでなければならず、ただし反応混合物７０がレトルト３０の内側で遠心されることにより反応混合物の混転を妨げるほど速くてはならない。反応混合物７０をチャンバー内で１０〜２０℃／分より大きな勾配速度で、ソーキング温度約１７００〜１９００℃、好ましくは約１８２５℃にまで加熱する。ソーキング時間は約１０〜３０分、好ましくは１５分である。反応混合物７０を予め定めたソーキング温度で、予め定めたソーキング時間ソーキングした後、炉２０のスイッチを切り、この時点ではＡｌＯＮ粉末となっている反応混合物７０を、一般に約４時間かけて放冷する。冷却したＡｌＯＮ粉末をレトルト３０から取り出し、新たな装填分の反応混合物７０をレトルト３０に添加して新たなＡｌＯＮバッチを調製する。
【００２１】
このように前記ロータリーシステム１０をバッチプロセスの一部として用いる。反応混合物７０をレトルト３０に装填し、混合物７０を加熱し、混合物７０を冷却し、そして形成されたＡｌＯＮをレトルト３０から取り出すことにより、各バッチのＡｌＯＮ粉末を製造する。各バッチのＡｌＯＮ粉末が製造される度に、炉２０は加熱および冷却される。
【００２２】
ＡｌＯＮを製造するための他の方法では、ＡｌＯＮ粉末を半連続ロータリー法により製造する。この場合、炉は多数バッチのＡｌＯＮについて一定のソーキング温度に保持される。図４を参照すると、半連続ロータリーシステム１００には炉１１０、供給ホッパー１４０、炉１１０内にある黒鉛レトルト１２０、駆動モーター１３０、および採集ホッパー１６０が含まれる。炉１１０には窒素導入口１１２および窒素排出口１１４が含まれる。炉１１０の使用中には、ガスが導入口１１２から流入し、レトルト１２０を通り、そして排出口１１４から排出される。供給ホッパー１４０には弁１４５が含まれ、反応混合物１５０（混合物７０と同様）をレトルト１２０へ供給するために用いられる。レトルト３０と同様な構造をもつレトルト１２０はホッパー１４０から下方へ傾斜し、炉１１０の内側で駆動モーター１３０により回転可能である。レトルト１２０には、レトルト１２５の内側に可動状態で配置された、たとえば複数の位置まで伸長できる、黒鉛プランジャー１２５が含まれる。レトルト１２０には、生成したＡｌＯＮ粉末を後記のように取り出すための開口１８０も含まれる。採集ホッパー１６０は、生成したＡｌＯＮ粉末１７０を受けるために用いられる。採集ホッパー１６０は高温のＡｌＯＮ粉末１７０を受けるので、ドラム１６０の内面は非汚染性材料または耐熱材、たとえばアルミナおよび黒鉛で作製される。ロータリーシステム１００はＣｅｎｔｏｒｒ Ｖａｃｕｕｍ ＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓおよびＨａｒｐｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（ニューヨーク州ランカスター）から入手できる。
【００２３】
操作する際には、炉１１０をソーキング温度（たとえば約１７００〜１９００℃）に加熱し、レトルト１２０（撹拌バーを含む；図示されていない）を回転させる。この場合も、レトルトまたはチャンバー作用によりアルミナ／カーボン粒子が分散する。窒素ガスは導入口１１２から流入し、排気口１１４から排出される。プランジャー１２５は開口１８０を越えて伸長し、したがって反応混合物１５０をレトルト１２０に装填すると混合物１５０はレトルト１２０内に保持される。予め定めた量の混合物１５０がレトルト１２０内に入るまで弁１４５を開いて反応混合物１５０（一般に反応混合物７０と同じ）をホッパー１４０からレトルト１２０に装填する。反応混合物１５０をレトルト１２０内に分散させ、たとえば約１０〜３０分間反応させる。したがってこの場合も窒素は分散したアルミナ粒子の周りを通ることができる。
【００２４】
混合物７０が反応してＡｌＯＮ粉末が形成された後、プランジャー１２５を収縮させる（図５）。これによりＡｌＯＮ粉末は開口１８０を通って採集ドラム１６０に流入することができる。レトルト１２０の温度はなおソーキング温度にある。次いでプランジャー１２５を元の位置に戻し、たとえば開口１８０を越えて伸長させ（図４）、反応混合物１５０をホッパー１４０からレトルト１２０内へ装填することにより、新たなバッチのＡｌＯＮ粉末を製造できる。こうしてこの半連続法では、ＡｌＯＮのバッチ毎に炉１１０のスイッチを開閉せずに多数バッチのＡｌＯＮを製造できる。この方法は、炉をソーキング温度まで高めるのに必要な時間、炉を冷却するのに必要な時間、ならびにレトルトに装填するのに必要な時間、および形成されたＡｌＯＮをレトルトから取り出するのに必要な時間を短縮することにより、多数バッチのＡｌＯＮの合成に必要な時間を短縮できる。
【００２５】
ＡｌＯＮ製造のための他の方法では、ＡｌＯＮ粉末を連続ロータリー法で製造する。図６を参照すると、連続ロータリーシステム３００には炉１１０、炉１１０内にある黒鉛レトルト１２０、駆動モーター１３０、および生成物混合物１７０（生成ＡｌＯＮ）を採集するための採集ホッパー１６０が含まれる。システム３００にはさらに、フィーダー３１０、フィーダーホッパー３２０、装填ロックホッパー３３０、およびフィーダーホッパー３２０と装填ロックホッパー３３０の間にあるゲート弁３４０が含まれる。レトルト１２０は前記のレトルトと同様な構造をもち、たとえばフィーダー３１０から下方へ傾斜し、炉１１０の内側で駆動モーター１３０により回転可能である。さらに、システム３００のレトルト１２０は、反応混合物１５０がレトルト１２０の導入末端３５０からレトルト１２０の排出末端３６０まで運ばれるのに伴って、加熱レトルト内での混合物１５０の滞留時間が混合物１５０からのＡｌＯＮ形成に十分であるのに十分な長さをもつように構築される。すなわちレトルト１２０は、フィーダー３１０からレトルト１２０へ導入された反応混合物１５０が開口１８０に達する時点までに反応混合物がＡｌＯＮに変換されるのに十分な長さに作製される。
【００２６】
操作に際しては、炉１１０をソーキング温度に加熱し、レトルト１２０を回転させて、レトルト１２０に導入されたアルミナ／カーボン粒子を分散させる。窒素ガスは導入口１１２から流入し、排出口１１４から排出される。ゲート弁３４０が閉じた状態で反応混合物１５０を装填ロックホッパー３３０に装填し、ここから空気を排除し、窒素でパージする。システム３００を窒素でパージすると、黒鉛レトルトの寿命を延長するのに役立つ。次いでゲート弁３４０を開くことにより反応混合物１５０を供給ホッパー３２０へ導入する。混合物１５０は供給ホッパー３２０からフィーダー３１０へ導入され、ここから混合物１５０はたとえば体積または重量により予め定められた速度でレトルト１２０へ導入される。フィーダー３１０はたとえばスクリューフィーダーおよびシェーカーフィーダーであってよい。供給ホッパー３２０内の装填材料が減少するのに伴って、前記のように装填ロックホッパー３３０を通してさらに反応混合物１５０を供給できる。供給ホッパー３２０は、ホッパー３２０に再装填する必要回数を最小限にするのに十分な大きさにすることができる。
【００２７】
このように、レトルト１２０の適切な寸法を選択し、反応混合物１５０の供給速度、炉１１０の温度、およびレトルト１２０の回転速度を調節することにより、システム３００はＡｌＯＮを連続的に生産できる。生産量および組成物の均質性を最適にするために、他の実験パラメーター、たとえば窒素の流速および粒径を調節することができる。
【００２８】
図７はＡｌＯＮ製造のための他の態様の連続ロータリー法を示す。システム４００は一般にシステム３００と同様であるが、レトルト１２０と平行に配置された２つの供給アセンブリー４１０および４２０、ならびに２つの弁４３０および４４０を含む。各アセンブリー４１０および４２０には、一般に前記と同様なフィーダー３１０および供給ホッパー３２０が含まれる。
【００２９】
システム４００の操作例について以下に記載する。弁４３０および４４０を閉じた状態で反応混合物をアセンブリー４１０の供給ホッパー３２０に導入し、次いでホッパーを閉じ、排気およびパージする。次いでアセンブリー４１０の弁４３０を開いて反応混合物をレトルト１２０へ導入する。その間に反応混合物をアセンブリー４２０の供給ホッパー３２０に導入し、次いでホッパーを閉じ、排気およびパージする。アセンブリー４１０の反応混合物がほぼ空になったとき、アセンブリー４２０の弁４４０を開いて反応混合物をレトルト１２０へ導入し、弁４３０を閉じて前記のようにアセンブリー４１０にさらに反応混合物を導入する。アセンブリー４２０がほぼ空になったとき、弁４３０を開き、再びアセンブリー４１０を用いて反応混合物をレトルト１２０へ導入し、弁４４０を閉じる。前記操作を必要なだけ繰り返す。
【００３０】
再び図１を参照すると、生成したＡｌＯＮ粉末をレトルト３０または採集ホッパー１６０から取り出し、焼成して未反応カーボンを除去する。焼成は空気または酸素中、約７００〜約８００℃で実施される。別態様では、空気または酸素を流入させた焼成炉に採集ホッパー１６０を接続することができる。したがってホッパー１６０から生成物混合物１７０（生成ＡｌＯＮ）を焼成炉に直接装填できる。他の態様では、ホッパー１６０に空気流入を備えつけ、これにより生成ＡｌＯＮ粉末が７００〜８００℃に冷却するのに伴って未反応カーボンを除去できる。
【００３１】
焼成ＡｌＯＮ粉末をボールミル粉砕して粉末の粒径を小さくする。ボールミル粉砕はポリウレタンライニング、ゴムライニングまたはＡｌＯＮライニングしたミル内で、ミリング液としてのメタノール、および研削媒体アルミナまたはＡｌＯＮ（たとえばペレット）を用いて実施される。粉砕時間は約２０〜３０時間、一般に約２４時間である。これにより約８ミクロン未満の粒径、一般に３ミクロン未満の平均粒径をもつＡｌＯＮ粉末が得られる。粉砕した粉末を回転蒸発器に装入してミリング液（メタノール）を除去する。メタノールの代わりに水を用いて焼成ＡｌＯＮ粉末をボールミル粉砕することもできる。次いで粉砕スラリーを噴霧乾燥して乾燥粉末にするか、あるいはスリップキャスチングして成形品にすることができる。
【００３２】
メタノール中で微粉砕し、回転蒸発器で乾燥させたＡｌＯＮ粉末に、次いで水、分散剤（たとえばＤｕｒａｍａｘ Ｄ３００５（Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ、ペンシルベニア州フィラデルフィア））、および好ましくは結合剤を添加してスラリーを再調製する。結合剤を添加すると一般に高い均一な未処理ボディ密度をもつ強固なＡｌＯＮ構造体が得られ、多様な造形品を作製できる。このスラリーを噴霧乾燥してＡｌＯＮ粉末を団結させ、約１００ミクロンのサイズの粒子にする。これにより、型に注入しやすい均一な充填密度をもつさらさらした粉末が得られる。
【００３３】
次いでＡｌＯＮ粉末を成形して未処理ボディにする。ＡｌＯＮ粉末を予め定めた形状のゴム型に注入し、撹拌して均一な充填密度にし、１５，０００ｐｓｉを超える圧力で常温アイソスタティックプレスして、焼結（後記）に用いる未処理ボディを得る。未処理ボディの成形には他の方法、たとえばスリップキャスチングおよび射出成形も含まれる。未処理ボディは、後記のように焼結操作および熱間プレス操作（たとえば熱間アイソスタティックプレス、一軸熱間プレス、および多軸熱間プレス）による収縮を補償するために、一般に理論密度の約６０％の密度をもち、最終構造体より約２０％大きなサイズに成形される。常温プレス後、未処理ボディを空気中で約５００〜７５０℃にまで徐々に加熱して、残留する有機物質、たとえば結合剤を除去する。再スラリー化した微粉砕粉末に結合剤を添加していない場合、上記の徐熱処理（空気中、約５００〜７５０℃）を省くことができる。成形した未処理ボディを次いで黒鉛、アルミナまたはＡｌＯＮ製の容器に入れ、次いで焼結炉に装入する。
【００３４】
ＡｌＯＮ未処理ボディを焼結して気孔を除去および閉鎖し、その密度を高める。焼結は流動または静止窒素雰囲気で約６〜１０時間、一般に約８時間実施される。最終焼結温度は１９００℃より高く、ただしＡｌＯＮの融解温度（約２１４０℃）より低い。焼結により平均結晶粒径２０ミクロン未満の多結晶質ボディが得られる。焼結ボディは一般に理論密度の約９５〜９９％、すなわち約３．５〜約３．７ｇ／ｃｃの密度をもつ。
【００３５】
次いで焼結ボディを熱間アイソスタティックプレス（ＨＩＰ）してその密度をさらに高める。熱間アイソスタティックプレスは約１９００℃、および約２０，０００〜３０，０００ｐｓｉ、好ましくは約２８，０００〜３０，０００ｐｓｉで、対流するアルゴンまたは窒素雰囲気下に約６〜２０時間実施される。これにより平均結晶粒径約１００〜３５０ミクロン、および理論密度の約１００％の密度をもつボディが得られる。熱間アイソスタティックプレス後、ボディは淡灰色ないし濃灰色を帯びたガラスのような外観をもつ。
【００３６】
”透明な”構造体を得るためには、熱間アイソスタティックプレスしたＡｌＯＮボディをアルミナ製またはＡｌＯＮ製るつぼに封入して（酸素分圧を低くして生成ＡｌＯＮの還元を避けるため）流動窒素雰囲気下に約１９００℃で約６〜１０時間、一般に約８時間熱処理する。
【００３７】
熱処理したボディを光学的な研削および研摩により仕上げ処理して、構造体の最終許容差にする。
前記方法の他の態様も可能である。たとえば熱間アイソスタティックプレスのほかに、またはその代わりに、少量（＜０．５重量％）のドーピング添加剤の形の焼結助剤をＡｌＯＮ粉末に添加することもできる。助剤にはイットリウムおよびランタンなどの元素またはそれらの化合物が含まれる。他のランタニド系列元素およびそれらの化合物、好ましくは酸化物も使用できる。ドーピング添加剤を併用してもよい。好ましい組合わせには０．０８重量％のＹ_２Ｏ_３および０．０２重量％のＬａ_２Ｏ_３が含まれる。ドーピング添加剤は、たとえばボールミル粉砕工程中に添加できる。
【００３８】
ＡｌＯＮおよびＡｌＯＮ構造体を製造するための他の方法、たとえばカーボサーマル窒素化が、ＵＳＰ４，５２０，１１６；４，６８６，０７０；４，７２０，３６２；４，４８１，３００および５，１３５，８１４に記載されており、それらの全体を本明細書に援用する。
【００３９】
他の態様も本発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】オキシ窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）構造体を製造する方法のブロック図である。
【図２】ＡｌＯＮ製造システムの１態様の模式図である。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、レトルトの各態様の一部を取り除いた透視図である。
【図４】プランジャーが伸長した位置にあるＡｌＯＮ製造システムの１態様の模式図である。
【図５】プランジャーが収縮した位置にあるＡｌＯＮ製造システムの１態様の模式図である。
【図６】ＡｌＯＮ製造システムの１態様の模式図である。

Claims (29)

1. オキシ窒化アルミニウムの製造方法であって、
   酸化アルミニウム粒子をチャンバーに導入し；
   粒子をチャンバー内に分散させ；そして
   分散粒子上に窒素ガスを通してオキシ窒化アルミニウムを形成する
   ことを含む方法。
2. オキシ窒化アルミニウムの形成が粒子の加熱を含む、請求項１に記載の方法。
3. さらに、チャンバーにカーボンを導入して酸化アルミニウムおよびカーボンを含む混合物を調製することを含む、請求項１に記載の方法。
4. さらに、チャンバーに還元剤を導入して酸化アルミニウムおよび還元剤を含む混合物を調製することを含む、請求項１に記載の方法。
5. オキシ窒化アルミニウムの形成が混合物の加熱を含む、請求項１に記載の方法。
6. オキシ窒化アルミニウムの製造方法であって、
   酸化アルミニウムおよびカーボンを含む混合物をチャンバーに導入し；
   混合物をチャンバー内で撹拌し；そして
   混合物を加熱してオキシ窒化アルミニウムを形成する
   ことを含む方法。
7. さらに
   窒素ガスをチャンバーに導入する
   ことを含む、請求項６に記載の方法。
8. 混合物の撹拌がチャンバーを回転させることを含む、請求項６に記載の方法。
9. さらに
   オキシ窒化アルミニウムを冷却し；
   オキシ窒化アルミニウムをチャンバーから取り出し；そして
   酸化アルミニウムおよびカーボンを含む第２混合物をチャンバーに導入する
   ことを含む、請求項６に記載の方法。
10. さらに
    オキシ窒化アルミニウムを透明な構造体に成形する
    ことを含む、請求項６に記載の方法。
11. オキシ窒化アルミニウムの成形が
    オキシ窒化アルミニウムを含む未処理ボディを成形し；そして
    この未処理ボディを焼結する
    ことを含む、請求項１０に記載の方法。
12. さらに
    焼結した未処理ボディを加熱下でアイソスタティックプレスする
    ことを含む、請求項１１に記載の方法。
13. オキシ窒化アルミニウムがＡｌ_{２３−１／３ｘ}Ｏ_２７＋ｘＮ_５−ｘ（０．４２９≦ｘ≦２）を含む、請求項６に記載の方法。
14. オキシ窒化アルミニウムの製造方法であって、
    酸化アルミニウムおよびカーボンを含む第１反応混合物をチャンバーに導入し；
    第１反応混合物をチャンバー内で撹拌し；
    第１反応混合物からオキシ窒化アルミニウムを形成する温度にチャンバーを加熱し；
    チャンバーの温度を維持しながらオキシ窒化アルミニウムを取り出し；そして
    チャンバーの温度を維持しながら、酸化アルミニウムおよびカーボンを含む第２反応混合物をチャンバーに導入する
    ことを含む方法。
15. さらに
    窒素ガスをチャンバーに導入する
    ことを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 第１反応混合物の導入が第１反応混合物をホッパーから導入することを含む、請求項１４に記載の方法。
17. 第１反応混合物の撹拌がチャンバーを回転させることを含む、請求項１４に記載の方法。
18. チャンバーが排出開口を含み、オキシ窒化アルミニウムの取出しがチャンバー内でプランジャーを収縮させることによりオキシ窒化アルミニウムを排出開口から流出させることを含む、請求項１４に記載の方法。
19. さらに
    オキシ窒化アルミニウムを透明な構造体に成形する
    ことを含む、請求項１４に記載の方法。
20. オキシ窒化アルミニウムの成形が
    オキシ窒化アルミニウムを含む未処理ボディを成形し；そして
    この未処理ボディを焼結する
    ことを含む、請求項１９に記載の方法。
21. オキシ窒化アルミニウムの成形が
    焼結した未処理ボディを加熱下でアイソスタティックプレスする
    ことを含む、請求項２０に記載の方法。
22. オキシ窒化アルミニウムがＡｌ_{２３−１／３ｘ}Ｏ_２７＋ｘＮ_５−ｘ（０．４２９≦ｘ≦２）を含む、請求項１４に記載の方法。
23. 請求項６に記載の方法により製造したオキシ窒化アルミニウム。
24. オキシ窒化アルミニウムがＡｌ_{２３−１／３ｘ}Ｏ_２７＋ｘＮ_５−ｘ（０．４２９≦ｘ≦２）を含む、請求項２３に記載のオキシ窒化アルミニウム。
25. オキシ窒化アルミニウムの製造方法であって、
    チャンバーを加熱し；
    酸化アルミニウムおよびカーボンを含む反応混合物を連続的にチャンバーに導入し；
    反応混合物をチャンバー内で撹拌し；そして
    連続的にオキシ窒化アルミニウムを得る
    ことを含む方法。
26. さらに
    オキシ窒化アルミニウムを透明な構造体に成形する
    ことを含む、請求項２５に記載の方法。
27. オキシ窒化アルミニウムの成形が
    オキシ窒化アルミニウムを含む未処理ボディを成形し；そして
    この未処理ボディを焼結する
    ことを含む、請求項２６に記載の方法。
28. オキシ窒化アルミニウムの成形が
    焼結した未処理ボディを加熱下でアイソスタティックプレスする
    ことを含む、請求項２７に記載の方法。
29. オキシ窒化アルミニウムがＡｌ_{２３−１／３ｘ}Ｏ_２７＋ｘＮ_５−ｘ（０．４２９≦ｘ≦２）を含む、請求項２５に記載の方法。

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