JP2007031208A

JP2007031208A - ＺｎＳ焼結体およびその製造方法

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Publication number: JP2007031208A
Application number: JP2005217066A
Authority: JP
Inventors: Masashi Yoshimura; 雅司吉村; Mikito Hasegawa; 幹人長谷川
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】低圧、短時間で焼結が可能なＺｎＳ焼結体の製造方法を提供する。また、遠赤外線領域で高い光透過率を有するＺｎＳ焼結体を提供する。
【解決手段】本発明のＺｎＳ焼結体は、ＺｎＳの含有率が９９．２質量％以上であり、ＩＡ族原子からなる化合物を０．８質量％以下含有する焼結体であって、平均粒径が１μｍ以下で、アルキメデス法による密度が９８％以上であることを特徴とする。このＺｎＳ焼結体は、破壊強度が１２０ＭＰａ以上のものが好ましく、また、波長１０μｍの赤外線による光透過率が７０％以上であるものが好適である。
【選択図】なし

Description

本発明は、遠赤外線領域の光の透過材料として有用なＺｎＳ焼結体およびその製造方法に関する。

ＺｎＳは、赤外線の透過特性が良好であるため、赤外線応用機器の窓材またはレンズなどの光学部品として多用され、単結晶ＺｎＳは非常に優れた赤外線透過特性を有する。しかし、単結晶ＺｎＳは、小サイズの製品しか製造できないため、光学部品として大サイズの製品を必要とする場合には、多結晶ＺｎＳが不可欠である。そこで、従来より、大サイズの光学的用途に供することのできる多結晶ＺｎＳの製造方法が開発され、つぎに示すようなホットプレス法が知られている。

たとえば、粒径５μｍ以下の微細な高純度粉末を８００℃〜１０５０℃、８×１０²ｋｇ／ｃｍ²〜１．４×１０³ｋｇ／ｃｍ²の条件で、真空中、熱間圧縮成形することにより、波長１μｍ〜１４μｍの赤外光の透過率が良好な多結晶ＺｎＳを製造する方法がある（特許文献１参照）。この方法は、高純度で微細なＺｎＳ粉末のみを真空中で熱間圧縮成形し、透過光の吸収の原因となる焼結助剤などの不純物を用いないため、透光性の良好な多結晶ＺｎＳが得られる。しかし、同文献の実施例によれば、原料粉末の粒径が、１．２μｍ、３．０μｍまたは５．０μｍと大きく、ホットプレス後の最終粒径はそれ以上となり、また焼結時の圧力が、工業的な製造方法としては高い。

ＩＡハロゲン化物を含有する透光性多結晶ＺｎＳ焼結体が知られている（特許文献２参照）。このＺｎＳ焼結体は、実施例によれば、ＺｎＳ粉末に、ＮａＣｌまたはＫＣｌなどを１％〜３％配合した後、温度１０００℃、圧力２００ｋｇ／ｃｍ²で３０分間保持し、ホットプレスすることにより製造される。同文献によれば、焼結時間が５分間以下であると、焼結が完成せず、満足な透光性が得られないとある。また、ＩＡハロゲン化物は、可視赤外領域の光透過率を高めるために添加されるが、２０％程度の光透過率を有するＺｎＳ焼結体しか得られていない。さらに、ＩＡ化合物を多量に添加すると、不純物として作用して、遠赤外線の光透過率は低下する。

波長８μｍ〜１２μｍの赤外線の透過率が３０％〜７５％である多結晶ＺｎＳ焼結体が知られている（特許文献３参照）。この焼結体は、平均粒径１μｍ〜２μｍ、純度９８％の粉末を、温度９００℃〜１０００℃、圧力１５０ｋｇ／ｃｍ²〜８００ｋｇ／ｃｍ²で焼結し、焼結時間は３０分以上である。また、遠赤外線透過率が７０％と最も高い試料では、焼結時の圧力が４００ｋｇ／ｃｍ²以上必要である。
特公平１−５５２１３号公報特開昭５０−２００６号公報特開平１１−２９５５０１号公報

本発明の課題は、低圧、短時間で焼結が可能なＺｎＳ焼結体の製造方法を提供することにある。また、遠赤外線領域で高い光透過率を有するＺｎＳ焼結体を提供することにある。

本発明のＺｎＳ焼結体は、ＺｎＳの含有率が９９．２質量％以上であり、ＩＡ族原子からなる化合物を０．８質量％以下含有する焼結体であって、平均粒径が１μｍ以下で、アルキメデス法による密度が９８％以上であることを特徴とする。このＺｎＳ焼結体は、破壊強度が１２０ＭＰａ以上のものが好ましく、また、波長１０μｍの赤外線による光透過率が７０％以上であるものが好適である。

本発明のＺｎＳ焼結体の製造方法は、平均粒径０．２μｍ以下で純度９９．９質量％以上のＺｎＳ粉末に、ＩＡ族原子からなる化合物の粉末を０．００１質量％以上で０．８質量％以下の含有率となるように混合する混合工程と、混合した粉末を、７５０℃〜１０００℃、２００ｋｇ／ｃｍ²以上の条件で、最高保持時間が５分間以下になるように焼結する焼結工程とを備えることを特徴とする。ＩＡ族原子からなる化合物は、塩化物または硫化物として使用することができる。

低圧、短時間で焼結が可能な遠赤外線透過性ＺｎＳ焼結体を提供することができる。

本発明のＺｎＳ焼結体は、ＺｎＳの含有率が９９．２質量％以上であり、ＩＡ族原子からなる化合物を０．８質量％以下含有することを特徴とする。かかる材料組成を有するＺｎＳ焼結体は、破壊強度が、好ましくは１２０ＭＰａ以上であり、より好ましくは１３０ＭＰａ以上である。また、厚さ２ｍｍでの波長１０μｍの赤外線による光透過率が、好ましくは７０％以上であり、より好ましくは７５％以上である。本明細書においては、破壊強度は、ＪＩＳ１６０１Ｒに従い、３点曲げを行ない、求めてある。また、光透過率は、分光光度計を用いて測定する。

Ｎａ、ＫまたはＬｉなどのＩＡ族原子からなる化合物を配合することにより、焼結性を向上させ、焼結時の圧力および最高保持時間の短縮が可能となる。このため、ＩＡ族原子からなる化合物のＺｎＳ焼結体における含有率は、０．００１質量％以上とし、０．０１質量％以上が好ましい。一方、ＩＡ族原子からなる化合物の含有率が多いと、不純物が多くなって、遠赤外線の透過率が低下するため、ＩＡ族原子からなる化合物の含有率は、０．８質量％以下とし、０．１質量％以下が好ましい。また、同様の観点から、不純物を低減するため、ＺｎＳの含有率は、９９．２質量％以上とし、９９．９質量％以上が好ましく、９９．９９質量％以下が好ましい。

ＺｎＳ焼結体の平均粒径は、破壊強度を高める点から、１μｍ以下であり、０．８μｍ以下が好ましく、０．６μｍ以下がより好ましい。同様に、ＺｎＳ焼結体は、組織を微細化し、破壊強度を高める点から、アルキメデス法による密度が９８％以上であり、９９％以上が好ましく、９９．９％以上がより好ましい。本明細書において、焼結体の平均粒径は、焼結体を鏡面研磨した後、真空中、７００℃で１時間サーマルエッチングし、表面を走査型顕微鏡を用いて倍率１０万倍で結晶を観察し、撮影した写真により、任意の５μｍの線分上にある結晶の個数を数え、計５本の線分について、その平均値を算出して求める。

本発明のＺｎＳ焼結体の製造方法は、平均粒径０．２μｍ以下で純度９９．９質量％以上のＺｎＳ粉末に、ＩＡ族原子からなる化合物の粉末を０．００１質量％以上で０．８質量％以下の含有率となるように混合する混合工程と、混合した粉末を、７５０℃〜１０００℃、２００ｋｇ／ｃｍ²以上の条件で、最高保持時間が５分間以下となるように、焼結する焼結工程とを備えることを特徴とする。ＩＡ族原子からなる化合物を少量配合し、微細な原料粉末を使用することにより、原料粉末の焼結性が高められ、低温で短時間の焼結が可能となる。また、かかる焼結条件により、材料組織が微細化され、遠赤外線透過率および機械的特性の優れたＺｎＳ焼結体が得られる。

したがって、ＺｎＳ粉末の平均粒径は、微細化により焼結性を高めるために、ＢＥＴ法で測定された粉末の平均粒径を０．２μｍ以下とし、０．１μｍ以下が好ましく、０．０５μｍ以下がより好ましい。また、ＺｎＳ焼結体におけるＺｎＳの含有率を９９．２質量％以上とし、原料粉末にはＩＡ族原子からなる化合物を０．８質量％以下の比率で混合するため、原料粉末におけるＺｎＳ粉末は、純度が９９．９質量％以上のものを用い、９９．９９質量％以上が好ましく、９９．９９９質量％以上がより好ましい。ＩＡ族原子からなる化合物は、たとえば、塩化物または硫化物として使用することができ、たとえば、ＫＣｌ、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、Ｋ₂ＳまたはＮａ₂Ｓなどが好適である。

焼結工程において、焼結温度は、十分な焼結を達成する点で、７５０℃以上とするが、８００℃以上が好ましい。一方、結晶の平均粒径を１μｍ以下として、破壊強度を高めるため、１０００℃以下とし、９５０℃以下が好ましい。また、焼結時の圧力は、焼結体の密度を高め、透過率および破壊強度を確保する点で、２００ｋｇ／ｃｍ²以上とする。一方、焼結温度と圧力の最高保持時間は、結晶の平均粒径を１μｍ以下とし、強度と製造コストの観点から、５分間以内とし、３分間以内が好ましい。最高保持時間は、ＺｎＳの焼結工程における最高温度と最大圧力を維持する時間である。本発明の製造方法においては、微細な原料粉末を使用するため、焼結性が高く、低圧で短時間の焼結が可能であり、かかる焼結条件により焼結体における結晶を微細化し、高い機械特性を有するＺｎＳ焼結体を製造することができる。

実施例１
平均結晶粒径が０．１μｍ、純度９９．９質量％のＺｎＳ粉末に、焼結助剤としてＫＣｌ粉末を配合して、原料粉末を調製した。この原料粉末におけて、ＺｎＳの含有率は、９９．２質量％であり、ＫＣｌの含有率は０．８質量％であった。つぎに、この原料粉末を、１２時間、ボールミル混合した後、真空雰囲気下、９００℃、２００ｋｇ／ｃｍ²で５分間保持して、焼結した。得られたＺｎＳ焼結体について、平均粒径、密度、破壊強度および厚さ２ｍｍでの波長１０μｍの赤外線による光透過率を測定した。焼結条件および焼結体の特性を表１に示す。

実施例２
焼結助剤であるＫＣｌの含有率を０．５質量％とした以外は、実施例１と同様にしてＺｎＳ焼結体を製造した。焼結条件および焼結体の特性を表１に示す。

比較例１と２
焼結助剤であるＫＣｌの含有率を２質量％または１質量％とした以外は、実施例１と同様にしてＺｎＳ焼結体を製造した。焼結条件および焼結体の特性を表１に示す。表１から明らかなとおり、実施例１と２の結果と合わせて考察すると、ＩＡ族原子からなる焼結助剤の含有率が０．８質量％以下では、光透過率が高いことがわかった。

実施例３〜５、比較例３と４
ＫＣｌからなる焼結助剤の含有率を０．１質量％で一定とし、焼結温度を７００℃〜１１００℃の範囲で変更した以外は実施例１と同様にしてＺｎＳ焼結体を製造した。焼結条件および焼結体の特性を表１に示す。表１から明らかなとおり、焼結温度が上昇するにつれて結晶成長が進行し破断強度が低下し、焼結温度が１０００℃を超えると、焼結体の平均粒径が１μｍより大きくなり、破談強度が１２０ＭＰａを下回った。また、実施例１と実施例４とを比較すると、焼結助剤としてＫＣｌを用いた場合、含有率は０．８質量％より０．１質量％の方が、光透過率が高いことがわかった。

実施例６〜１２、比較例５
焼結助剤の種類および含有率を変更した以外は実施例１と同様にしてＺｎＳ焼結体を製造した。焼結条件および焼結体の特性を表１に示す。比較例１と２、実施例１と４の結果を合わせて考察すると、表１から明らかなとおり、ＩＡ族原子からなるＫＣｌを０．８質量％以下の割合で配合して、９００℃、２００ｋｇ／ｃｍ²で５分間保持して焼結することにより、平均粒径０．８μｍ以下、破壊強度１３０ｋｇ／ｃｍ²以上、光透過率７０％以上のＺｎＳ焼結体を製造することができた。また、比較例５におけるように焼結助剤を配合しないと、焼結特性が向上しないため、９００℃、２００ｋｇ／ｃｍ²で５分間保持するという焼結条件では十分な破壊強度を得ることができなかった。また、実施例６〜１２に関しては、波長２．５μｍでの光透過率を同時に測定した結果、すべて２０％以上の透過率を持つことが確認された。

実施例１３と１４、比較例６と７
実施例４では、上述のとおり、平均結晶粒径が０．１μｍのＺｎＳ粉末を使用したのに対して、原料粉末の平均結晶粒径が０．０５μｍ〜１μｍのＺｎＳ粉末を使用し、他の焼結条件は実施例４と同様にしてＺｎＳ焼結体を製造した。焼結条件および焼結体の特性を表２に示す。

表２の結果から明らかなとおり、微細な原料粉末を使用することにより焼結性が向上し、密度および破壊強度が大きくなった。また、原料が微細になるにつれて、焼結体における結晶の平均粒径が小さくなり、光透過率も向上した。さらに、平均結晶粒径０．２μｍ以下で、純度９９．９質量％のＺｎＳ粉末に、ＫＣｌ粉末を０．１質量％の含有率となるように混合し、この粉末を９００℃、２００ｋｇ／ｃｍ²で５分間保持して焼結することにより、平均粒径０．９μｍ以下、密度９９％以上、破壊強度１３０ＭＰａ以上で光透過率が７５％以上のＺｎＳ焼結体が得られることがわかった。

実施例１５〜１７、比較例８と９
実施例４では、上述のとおり、９００℃、２００ｋｇ／ｃｍ²で５分間保持して焼結したのに対して、焼結時における圧力およびその保持時間を変更し、他の焼結条件は実施例４と同様にしてＺｎＳ焼結体を製造した。焼結条件および焼結体の特性を表３に示す。

表３における比較例８、実施例１５と１６と４の結果から明らかなとおり、焼結圧力を２００ｋｇ／ｃｍ²としたときは、保持時間を５分以内とすることにより、平均粒径０．８μｍ以下、破壊強度１３０ＭＰａ〜１４０ＭＰａ、光透過率７２％〜７７％のＺｎＳ焼結体を得ることができた。また、比較例９、実施例４と実施例１７の結果から明らかなとおり、焼結温度９００℃で５分間保持したときは、焼結圧力を２００ｋｇ／ｃｍ²以上することにより、平均粒径０．８μｍ、密度９９．９％、破壊強度１４０ＭＰａ以上、光透過率７６％以上のＺｎＳ焼結体が得られた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のＺｎＳ焼結体は、遠赤外線の透過率に優れ、強度の大きい大サイズの光学部品として利用できるため、赤外線応用機器の窓材またはレンズなどとして有用である。

Claims

ＺｎＳの含有率が９９．２質量％以上であり、ＩＡ族原子からなる化合物を０．８質量％以下含有する焼結体であって、平均粒径が１μｍ以下で、アルキメデス法による密度が９８％以上であることを特徴とするＺｎＳ焼結体。
前記ＺｎＳ焼結体は、破壊強度が１２０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載のＺｎＳ焼結体。
前記ＺｎＳ焼結体は、波長１０μｍの赤外線による光透過率が７０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のＺｎＳ焼結体。
平均粒径０．２μｍ以下で純度９９．９質量％以上のＺｎＳ粉末に、ＩＡ族原子からなる化合物の粉末を０．００１質量％以上で０．８質量％以下の含有率となるように混合する混合工程と、
混合した前記粉末を、７５０℃〜１０００℃、２００ｋｇ／ｃｍ²以上の条件で、最高保持時間が５分間以下になるように焼結する焼結工程と
を備えることを特徴とするＺｎＳ焼結体の製造方法。
前記ＩＡ族原子からなる化合物は、塩化物または硫化物である請求項４に記載のＺｎＳ焼結体の製造方法。