JP2007277034A - 多結晶Ａｌ２Ｏ３焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可視光線の直線透過率が高く、十分な機械的強度を有する多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、平均粒径が１μｍ以下であり、相対密度が９９．９％以上で、平均気孔径が０．３μｍ以下であることを特徴とする。かかる焼結体の中でも、不純物量が１０００ｐｐｍ以下である焼結体、波長０．５μｍ〜１μｍの光線による直線透過率が７５％以上である焼結体、３点曲げ強度が８００ＭＰａ以上である焼結体、またはビッカース硬度が１９ＧＰａ以上である焼結体が好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、レンズ、発光管または高温用窓材などに使用する透光性の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体およびその製造方法に関する。

多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、ガラスに比べて、熱的に安定であり、化学的安定性が優れているため、高圧ナトリウムランプまたはメタルハライドランプなどの高輝度放電灯（ＨＩＤ）用発光管材料および高温用窓材として使用されている。

透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体としては、たとえば、平均粒径０．３μｍ〜１．０μｍ、相対密度９９．８％以上、３点曲げ強度８００ＭＰａ以上、ビッカース硬度１９００以上、厚さ０．５ｍｍでの直線透過率が２３％〜４２％である透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体が知られている（特許文献１参照）。この透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、平均粒径１．０μｍ以下の原料粉末に、３Ａまたは４Ａ族の金属酸化物を配合し、成形し、１２２５℃〜１３６０℃で一次焼結した後、温度１１００℃〜１３５０℃、圧力５０ＭＰａ〜２００ＭＰａで熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）をすることにより２次焼結して製造する。

また、平均粒径５μｍ〜３５μｍ、不純物５０ｐｐｍ以下、相対密度９９．８％以上、３点曲げ強度が３５０ＭＰａ以上、厚さ１ｍｍでの直線透過率が１８％〜４１％である透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体が知られている（特許文献２参照）。この透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、原料粉末を酸洗浄後、濾過し、樹脂型などで成形し、１２５０℃〜１６５０℃で一次焼結した後、温度１２５０℃〜１６００℃、圧力５０ＭＰａ〜１５０ＭＰａでＨＩＰをすることにより２次焼結して製造する。

一方、平均粒径１μｍ以下、相対密度９９．９５％以上、ＺｒＯ₂などを含み、厚さ０．８ｍｍでの直線透過率が４０％以上である透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体が知られている（特許文献３参照）。この透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、粒径０．２μｍ以下の原料粉末からなるスラリにＺｒＯ₂などを配合した後、成形し、１１５０℃でＨＩＰをすることにより焼結して製造する。

他の透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体としては、平均粒径０．３μｍ〜８μｍ、相対密度９９．９９％以上、厚さ０．８ｍｍでの波長６４５ｎｍの光線による直線透過率が７１％以下である透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体が知られている（非特許文献１参照）。この透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、平均粒径０．１５μｍの原料粉末を１１５０℃〜１２５０℃で一次焼結した後、温度１２００℃〜１４００℃、圧力２００ＭＰａでＨＩＰをすることにより２次焼結して製造する。

また、平均粒径０．４μｍ〜０．６μｍ、相対密度９９．９％以上、３点曲げ強度７５０ＭＰａ〜９００ＭＰａ、ビッカース硬度２０００〜２１００、直線透過率が５５％〜６５％である透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体が知られている（非特許文献２参照）。この透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、平均粒径０．２μｍ以下の原料粉末に、ＺｒＯ₂などの助剤を配合し、１２４０℃〜１２５０℃で一次焼結した後、温度１１５０℃〜１４００℃、圧力２００ＭＰａでＨＩＰをすることにより２次焼結して製造する。
特開２００１−３２２８６６号公報、表６ 特開２００１−１９９７６１号公報、表１ 国際公開第２００４/００７３９８パンフレット Rolf Apetz et al., ゛Transparent Alumina : A Light-Scattering Model" J. Am. Ceram. Soc., 86 [3] 480-486 (2003) Andreas Krell et al., ゛Transparent Sintered Corundum with High Hardness and Strength" J. Am. Ceram. Soc., 86 [1] 12-18 (2003)

しかし、上述の透光性Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、波長０．５μｍ〜１μｍの可視光線の直線透過率が低いという問題がある。これは、特に、焼結時の圧力が不十分であるため、十分に緻密化した焼結体が得られず、透過光が散乱する原因となるポア（閉気孔）が焼結体の内部に残留していることによる。または、焼結時の雰囲気が高真空でないため、一部の不純物ガスが焼結体の内部に取り込まれ、ポアが形成されることによる。さらには、焼結体の緻密化を目的として配合するＭｇＯまたはＺｒＯ₂などの焼結助剤は、母材であるＡｌ₂Ｏ₃と屈折率が異なる粒界相を形成するため、焼結助剤の粒界相により透過光が散乱することによる。

直線透過率を高めるため、焼結体を十分に緻密化する必要があるが、従来の方法では高温高圧で焼結する結果、粒成長が促進され、粒径が大きくなり、機械的強度が十分でないという問題がある。

本発明の課題は、可視光線の直線透過率が高く、十分な機械的強度を有する多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体およびその製造方法を提供することにある。

本発明の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、平均粒径が１μｍ以下であり、相対密度が９９．９％以上で、平均気孔径が０．３μｍ以下であることを特徴とする。かかる焼結体の中でも、不純物量が１０００ｐｐｍ以下である焼結体、３点曲げ強度が８００ＭＰａ以上である焼結体、ビッカース硬度が１９ＧＰａ以上である焼結体、または波長０．５μｍ〜１μｍの光線による直線透過率が７５％以上である焼結体が好ましい。

本発明の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体の製造方法は、上述の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体の製造方法であって、平均粒径が１μｍ以下の原料粉末を、温度１３００℃以下、圧力５００ＭＰａ以上、最高保持時間６０分以下により真空中で焼結することを特徴とする。

直線透過率および機械的強度の高い多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体を得ることができる。

（多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体）
本発明の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、平均粒径が１μｍ以下であり、相対密度が９９．９％以上で、平均気孔径が０．３μｍ以下であることを特徴とする。多結晶焼結体において、透過光の散乱原因となるポアの発生を回避し、緻密な焼結体とすることにより直線透過率を高めることができる。また、粒成長を抑え、微細結晶からなる焼結体とすることにより、機械的強度の高い多結晶焼結体を提供することができる。

平均粒径は、大径粒子による透過光の散乱を押え、直線透過率を高める点で、１μｍ以下であり、０．７μｍ以下が好ましく、０．５μｍ以下がより好ましい。結晶粒径は、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡により、倍率１０〜５０万倍で結晶を観察し、撮影した写真を用いて、任意の５μｍの線分上にある結晶の個数を数え、５μｍを結晶数で除した値を結晶粒径とし、各５本の線分について、結晶粒径の平均を平均粒径とする。

相対密度は、焼結体内の閉気孔などの透過光を散乱する因子を排除する点で、９９．９％以上であり、９９．９５％以上が好ましく、９９．９９％以上がより好ましい。相対密度は、ＪＩＳ−Ｒ１６３４で測定した焼結体密度を理論密度で除算して求める。また、同様に、光散乱因子を除外し、光透過率を高める点で、平均気孔径は、０．３μｍ以下であり、０．１μｍ以下が好ましく、０．０５μｍ以下がより好ましい。平均気孔径は、鏡面仕上げした表面を走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡を用いて倍率５万〜５０万倍で観察し、試料の表面を写真撮影し、得られた写真に基づき、任意の５μｍ四方の視野における気孔径を測定して、平均値を算出する。

本発明の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、平均結晶粒径が１μｍ以下の微結晶により構成されているため、機械的特性に優れ、３点曲げ強度が、好ましくは８００ＭＰａ以上であり、より好ましくは９５０ＭＰａ以上である。また、ビッカース硬度が、好ましくは１９ＧＰａ以上であり、より好ましくは２２ＧＰａ以上である。３点曲げ強度は、ＪＩＳ−Ｒ１６０１により測定し、ビッカース硬度は、ＪＩＳ−Ｒ１６１０により測定する。

また、本発明の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体には、母材と屈折率の異なる粒界相が少なく、結晶が緻密化し、透過光の散乱因子となるポアが少ないため、光透過性に優れ、たとえば、厚さ０．５ｍｍの焼結体の、波長０．５μｍ〜１μｍの光線による直線透過率が好ましくは７５％以上であり、より好ましくは８０％〜８５％である。直線透過率は、表面を粗さＲａが５ｎｍ程度に鏡面仕上げした試料に、特定波長の光線を照射し、透過率を分光光度計により測定する。

（多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体の製造方法）
本発明の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体の製造方法は、平均粒径が１μｍ以下である原料粉末を、温度１３００℃以下、圧力５００ＭＰａ以上、最高保持時間６０分以下により真空中で焼結することを特徴とする。原料粉末の平均粒径は、焼結後の結晶の平均粒径を１μｍ以下とし、焼結体の機械的特性および透過率を高める点で、原料粉末の平均粒径は、１μｍ以下とし、０．５μｍ以下が好ましく、０．２μｍ以下がより好ましい。原料粉末の平均粒径は、ＪＩＳ−Ｒ１６２９により測定する。

原料粉末に、たとえば、焼結体の緻密化を目的として、ＭｇＯまたはＺｒＯ₂などの焼結助剤を配合すると、焼結助剤が、母材であるＡｌ₂Ｏ₃と異なる屈折率の粒界相を形成するため、透過光が散乱し、透過効率が低下する。したがって、光学的性質の異なる異相を排除する点で、原料粉末の不純物純度は、１０００ｐｐｍ以下が好ましく、５００ｐｐｍ以下がより好ましい。

焼結時の温度は、焼結時における粒成長を抑制する点で、１３００℃以下とし、１２００℃以下が好ましく、１１００℃以下がより好ましい。一方、十分な焼結を達成し、緻密化を促進し、ポアを除去する点で、８００℃以上が好ましく、９５０℃以上がより好ましい。また、焼結時の圧力は、光散乱因子であるポアを除去し、相対密度を高めて、光の直線透過率を向上させる点で、５００ＭＰａ以上とし、３０００ＭＰａ以上が好ましい。焼結時の圧力が大きいほど、焼結温度を低くすることができるため、焼結体の結晶粒径を小さくできる。焼結時の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、機械的強度、光学特性および製造コストの観点から、６０分以下とし、１５分以下が好ましい。最高保持時間は、焼結工程における最高温度と最高圧力を維持する時間である。また、不純物ガスが焼結体に取り込まれ、ポア発生の原因とならないように、焼結は、気圧が０．０２Ｐａ以下の真空中で実施する。

本発明の製造方法は、原料粉末を型に入れて焼結するだけで、直線透過率が高く、機械的強度の大きい焼結体を得ることができ、高分散スラリの調製および成形などの複雑な工程が不要であり、製造工程がシンプルであるため、製造コストを低減し、製造時間を短縮することができ、有利である。

（実施例１）
平均粒径０．２μｍ、不純物量４００ｐｐｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末をＮｉ製のコップに入れ、Ｎｉ製の蓋をした後、８００℃の真空中（０．０１Ｐａ）で、蓋の周囲とコップをロウ付けした。ロウ付け後、プレス法により圧力５００ＭＰａとし、温度１１００℃で焼結した。最高保持時間は１５分間とした。得られた焼結体は、平均粒径０．２０μｍ、相対密度９９．９％、平均気孔径０．３μｍ、３点曲げ強度８５０ＭＰａ、ビッカース硬度１９．５ＧＰａであり、試料（厚さ０．５ｍｍ、表面粗さＲａ５ｎｍ）の波長０．５μｍの光線による直線透過率は７５％であった。製造条件および得られた焼結体の特性を表１に示す。

（実施例２〜１０および比較例１〜６）
焼結時の温度、圧力および最高保持時間を変更した以外は、実施例１と同様にして多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体を製造した。製造条件および得られた焼結体の特性を表１に示す。実施例１の結果と合わせて考察すると、表１の結果から明らかなとおり、焼結圧力が５００ＭＰａ〜６０００ＭＰａ、焼結温度が８００℃〜１３００℃で、最高保持時間が６０分以内であれば、焼結体の平均粒径は１．０μｍ以下であり、波長０．５μｍの光線による直線透過率は７５％以上であった。焼結圧力が５００ＭＰａ未満の場合は相対密度が低くなり、焼結温度が１３００℃を超えると、焼結時の粒成長が大きくなった。また、最高保持時間が６０分を超えると、焼結体の粒径が１μｍを超え、直線透過率が低下した。

（実施例１１〜１４および比較例７）
原料粉末の粒径および不純物量を変更した以外は、実施例４と同様にして多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体を製造した。製造条件および得られた焼結体の特性を表１に示す。実施例４の結果と合わせて考察すると、表１の結果から明らかなとおり、７５％以上の直線透過率を得るためには、１μｍ以下の粒径の原料を使用する必要があることがわかった。

（実施例１５および１６）
原料粉末の不純物量を変更した以外は、実施例３と同様にして多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体を製造した。製造条件および得られた焼結体の特性を表１に示す。実施例３の結果と合わせて考察すると、表１の結果から明らかなとおり、７５％以上の直線透過率を得るためには、不純物量を１０００ｐｐｍ以下とする必要のあることがわかった。

なお、本発明の実施例では、金属製のコップ内のみを真空にしたが、その他の方法として、金属製のコップと蓋をロウ付けせずに、プレス設備側のチャンバー内を真空にして焼結しても同様の結果が得られた。

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。

本発明の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、光透過率が高く、機械的強度が大きいため、ナトリウム放電ランプなどの高輝度ランプの発光管、高温用のぞき窓、高温用光学レンズまたは光シャッタなどの光学材料として有用である。

Claims (6)

1. 平均粒径が１μｍ以下であり、相対密度が９９．９％以上で、平均気孔径が０．３μｍ以下である多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体。
2. 前記焼結体は、不純物量が１０００ｐｐｍ以下である請求項１に記載の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体。
3. 前記焼結体は、波長０．５μｍ〜１μｍの光線による直線透過率が７５％以上である請求項１または２に記載の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体。
4. 前記焼結体は、３点曲げ強度が８００ＭＰａ以上である請求項１〜３のいずれかに記載の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体。
5. 前記焼結体は、ビッカース硬度が１９ＧＰａ以上である請求項１〜４のいずれかに記載の多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体。
6. 請求項１に記載の焼結体の製造方法であって、平均粒径が１μｍ以下の原料粉末を、温度１３００℃以下、圧力５００ＭＰａ以上、最高保持時間６０分以下により真空中で焼結する多結晶Ａｌ₂Ｏ₃焼結体の製造方法。