JP2525077B2 - 窒化アルミニウム粉末の製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム粉末の製造方法

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JP2525077B2 JP2232434A JP23243490A JP2525077B2 JP 2525077 B2 JP2525077 B2 JP 2525077B2 JP 2232434 A JP2232434 A JP 2232434A JP 23243490 A JP23243490 A JP 23243490A JP 2525077 B2 JP2525077 B2 JP 2525077B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、アルミナとカーボンとを原料として短期間
の焼成で窒化アルミニウム粉末を製造する方法に関す
る。
[従来の技術] 最近、窒化アルミニウム粉末は、熱伝導率が高く、エ
レクトロニクス材料として極めて有用な窒化アルミニウ
ム焼結体の原料として脚光を浴びている。高純度の窒化
アルミニウム粉末の製造方法は、例えば、特開昭59−50
008号公報により公知である。上記の公報には、高純度
のアルミナとカーボンとの混合粉末を窒素を含む雰囲気
下に1400〜1700℃で3〜10時間焼成して高純度の窒化ア
ルミニウム粉末を得る方法が記載されている。
[発明が解決しようとする課題] 上記の方法で得られた窒化アルミニウム粉末は、高純
度且つ微粉末であるために優れた性質を有する窒化アル
ミニウム焼結体の原料となる。しかしながら、上記の方
法は、アルミナとカーボンとの混合粉末の焼成に要する
時間が3〜10時間と長い。このため、窒化アルミニウム
粉末の製造を工業的規模で実施する場合には、焼成サイ
クルに時間を要し、また、焼成用電気炉の電力原単位が
高いという問題があった。
[問題を解決するための手段] そこで、本発明者らは、アルミナとカーボンの混合粉
末を焼成して窒化アルミニウム粉末を製造する方法にお
いて、短時間で焼成を完結させることを目的として鋭意
研究を重ねてきた。その結果、原料であるカーボンとし
てイオウ含有量の少ないものを使用することにより、上
記の目的が達成されることを見出し、本発明を完成させ
るに至った。
即ち、本発明は、アルミナとイオウ含有量が0.5重量
%以下であるカーボンとの混合粉末を窒素を含む雰囲気
下に1300〜1700℃で焼成することを特徴とする窒化アル
ミニウム粉末の製造方法である。
本発明で使用されるアルミナは、その製造方法に制限
されることなく公知のものが採用される。例えば、塩化
アルミニウム、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、
ミョウバン、水酸化アルミニウム等を焼成することによ
り得たアルミナが使用される。アルミナ中の不純物は窒
化アルミニウム粉末中の不純物として少なくとも一部残
存するため、高純度の窒化アルミニウム粉末を得るため
にはアルミナの純度は99.0重量%以上、好ましくは99.5
重量%以上であることが好適である。
また、得られる窒化アルミニウム粉末の焼結による収
縮率を小さくし、寸法精度の良好な窒化アルミニウム焼
結体を得るためには、比表面積から算出した粒径(D1
と沈降法で測定した平均粒径(D2)とが、下記式 0.1μm≦D1≦1.0μm D2/D1≦8 を共に満足するアルミナが好適に用いられる。ここで、
アルミナ粉末の比表面積は、BET法による窒化ガス吸着
で得られたものである。この比表面積から真球換算によ
り粒径(D1)を求めることができる。この方法で求めた
粒径(D1)は、アルミナ粉末の一次粒径を表す。
一方、沈降法、例えば、堀場製作所製自動粒度分布測
定器CAPA−500を用いて測定した平均粒径(D2)は、一
次粒子が凝集して形成された凝集粒子の平均粒径を表
す。上記の粒径(D1)はさらに、0.1μm≦D1≦0.8μm
の範囲であることが好ましい。また、D2/D1は6以下で
あることが好ましく、さらに5以下であることが生成さ
れた窒化アルミニウム粉末の凝集を抑制する点からより
好ましい。
つぎに、本発明において原料となるカーボンは、イオ
ウ含有量が0.5重量%でなければならず、0.2重量%以
下、さらには、0.1重量%以下であることが好ましい。
このようなイオン含有量が特定値以下のカーボンを用い
ることによって、アルミナとカーボンとの混合粉末が焼
成に要する時間を短縮することが可能となるが、その理
由は十分に理解されていない。本発明においては、イオ
ウの含有量が上記の値以下であれば、公知のカーボンが
何ら制限なく用いられる。特に、ファーネスブラック、
チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブ
ラックがアルミナとの還元反応性が良く、良好な窒化ア
ルミニウム粉末が得られるために好適である。また、窒
化アルミニウム粉末を純度とし、且つその凝縮を抑制す
るためには灰分0.3重量%以下、比表面積が60m2/g以
下、吸油量が80cc/100g以上であるカーボンが好適に用
いられる。
本発明の方法におけるアルミナとカーボンの混合比
は、一般に1:0.4〜1:3の範囲、好ましくはカーボンの灰
分から混入する不純物量を低減する意味で1:0.4〜1:0.7
の範囲が好適である。
混合は乾式あるいは湿式のどちらでも良い。通常、混
合手段はボールミルによる混合が好適であるが、この際
使用する容器、ボール等は高純度アルミナ質、ジルコニ
ア質、窒化アルミニウム質あるいはプラスチック質など
を用い、不純物の混入を極力防止するのが好ましい。ボ
ールミルとしては、公知のもの、例えば回転式ボールミ
ル、バイブロボールミル等が挙げられる。また、アトラ
イターによる混合も採用し得る。また反応率を上げ未反
応アルミナ分の量を極小とするため十分均一な混合を行
うのが好ましい。混合粉末は焼成炉によって1300〜1700
℃、好ましくは1450〜1650℃の温度で通常1〜2時間焼
成することにより窒化アルミニウム粉末が得られる。
尚、上記の焼成時間は、後述する方法によって焼成中に
おける発生ガス濃度を監視することによって焼成反応の
完結と認めた時間である。
焼成温度は上記の下限温度より低い温度では窒化反応
が十分進行せず、目的の窒化アルミニウム粉末が得られ
ない場合があるので好ましくない。また、焼成温度が前
記の上限温度を越える高い温度では窒化反応は十分進行
するが、しばしば生成する窒化アルミニウム粉末の粒子
径が大きくなるか、あるいは凝集が著しくなり、目的と
する微粉末の窒化アルミニウムを得ることができない場
合があるので好ましくない。
前記焼成の際には焼成炉の炉材や焼成ボートなどの材
質について不純物の原因とならないように配慮するのが
好ましい。また焼成の雰囲気は窒素を含む雰囲気、通常
は高純度の窒素ガスかあるいはそれにアンモニアガスな
どを加えたガスが好適であり、通常これらの反応ガスを
窒化反応が十分進行するだけの量、連続的又は間欠的に
供給しつつ焼成すると良い。
上記焼成後の混合物は窒化アルミニウム粉末のほかに
未反応のカーボンを含有するので一般には混合物を550
℃〜750℃の温度で空気中あるいは酸素中で焼成し、残
存するカーボンを酸化除去すると好ましい。酸化温度が
高すぎると窒化アルミニウム粉末の表面が過剰に酸化さ
れ目的とする粉末が得られ難い傾向があるので適当な酸
化温度と時間を選択するのが好ましい。
(効果) 本発明の方法を採用することにより、アルミナとカー
ボンとの混合粉末の焼成に要する時間を従来の2/3以下
に短縮することができ、短時間で窒化アルミニウム粉末
を製造することができる。このため、単位時間当りの窒
化アルミニウム粉末の生産量を増大することができ、ま
た焼成に要する電力の原単位を下げることができる。
さらに、原料のアルミナとして一次粒径と凝集粒子の
平均粒径が前記した特定の関係を有するものを使用し、
また、比表面積や吸油量が前記した値を有するカーボン
を使用した場合には、一次粒径の凝集の程度の小さい窒
化アルミニウム粉末を得ることができ、該窒化アルミニ
ウム粉末を用いて焼成を行った場合、線収縮率を20%以
下、さらには15%以下とすることができる。
(実施例) 本発明を更に具体的に説明るために以下に実施例およ
び比較例を掲げるが、本発明はこれらの実施例に限定さ
れるものではない。
尚、以下の実施例および比較例に於ける各種の物性の
測定は次の方法により行った。
1)カーボンの灰分量:JIS K−6221−1970に従い、75
0℃の灰化後の重量から求めた。
2)カーボンの吸油量:JIS K−6221−1970に従い、ジ
ブチルフタレートの滴下量から求めた。
3)比表面積:N2吸着によるBET法で求めた。(島津製作
所製「フローソーブ2300」を使用) 4)粉末の平均一次粒径 5)粉末の平均凝集粒径:遠心沈降法にて求めた。(堀
場製作所(株)製「CAPA500」を使用) 6)粉末中の不純物量 陽イオン不純物量:*粉末をアルカリ溶融後、酸で中
和し、溶液のICP発光分光分析により定量した。(島津
製作所(株)製「ICPS−1000」を使用) 不純物カーボン量:粉末を酸化気流中で燃焼させ、発
生したCO、CO2ガス量から定量した。(堀場製作所
(株)製「EMIA−110」を使用) 不純物酸素量:グラファイトるつぼ中での粉末の高温
の熱分解法により発生したCOガス量から求めた。(堀場
製作所(株)製「EMGA−2800」を使用) 7)シート成形体密度(d(g)):AIN粉末と分散剤と
を有機溶媒中に分散させてスラリーとし、これをドクタ
ーブレード法により成形して得た成形体の寸法と重量と
から生密度を求め、この値からAIN粉末だけの成形密度
を計算して求めた。
8)AIN焼結体密度(d(s)):アルキメデス法によ
り求めた。(東洋精機(株)製「高精度比重計D−H」
を使用) 9)AIN焼結体熱伝導率:レーザーフラッシュ法により
求め、検量線による厚さ補正を行つた。(理学電機
(株)製「熱定数測定装置PS−7」を使用) 10)焼結時の収縮率:焼結前後の寸法測定により求め
た。
11)イオウ含有量:自動燃焼式イオウ分試験器(滴定
法)を使用 12)焼成時間:焼成における保持温度に達してから排ガ
ス中に一酸化炭素濃度が300ppmに減少するのに要する時
間で表した。
実施例1 純度99.9%、沈降法により測定した平均粒径(D2)0.
94μm、比表面積7.7m2/g、比表面積から計算した粒径
(D1)0.21μm、D2/D1=4.5のAl2O3 500gと、灰分量0.
8重量%、イオウ含有量0.05重量%、比表面積131m2/g、
吸油量115cc/gのカーボン500gとをナイロン製ポットと
ボールを用い、混合した。混合粉末を約10mmの層厚で高
純度黒鉛製るつぼに入れ、31/minのN2ガス流下で1550℃
で焼成を行った所、反応時間は85分であった。しかる
後、未反応のカーボンを酸化除去し、白色の粉末を得
た。
得られた粉末のX線回析パターンはAlNのピークのみ
を示した。得られた粉末の特性は表1に示したとおりで
ある。
つぎに得られたAlN粉末400gをCa3Al2O6 24g、ソルビ
タントリオレート4g、トルエン132g、エタノール108gと
を内容量4.81のナイロン製ポットに仕込みナイロン被覆
ボールを用いて24時間混合した。混合スラリーに、ポリ
ビニルブチラール28g、ベンジルブチルフタレート28g、
トルエン44g、エタノール36gを加え、更に24時間ボール
ミル混合した。得られたスラリーを粘度が20000cps(at
25℃)になるまで真空脱泡を行った。脱泡後のスラリー
をドクターブレードシート成形法で成形し、厚さ1mmの
成形体を得た。この成形体を34mm口の金型で打ちぬき焼
結テスト用サンプルとした。シート成形体密度(d
(g)は1.91(g/cm3)であった。打ちぬいた成形体を
マッフル炉内で空気中、600℃、3時間脱脂処理した。
ついでこの成形体を内壁にBNスラリーを塗布したるつぼ
に入れ、焼結テストをおこなった。焼結はN2気流中で、
室温から1800℃までの昇温速度を5℃/minとし、1800℃
で7時間保持後、自然冷却の条件下で行った。得られた
焼結体は熱伝導率、寸法および密度の測定に供した。
得られた焼結体の密度は3.26g/cm3であり、焼結時の
収縮率は16.3%であった。また熱伝導率は16.3W/m・k
であった。
実施例 2 表2に示した様々な種類のアルミナ粉末とカーボンと
を実施例1と同様に混合し、次いで焼成した。得られた
粉末のX線回析パターンは、すべてAlN単相であった。
次に実施例1と同様の方法で成形、焼成を行った。結果
を表2に示した。
尚、原料のアルミナの純度はいずれも99.8重量%以上
であり、カーボンの灰分はいずれも0.1重量%以下であ
った。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−50008(JP,A) 特開 昭63−151605(JP,A) 特開 昭63−55108(JP,A) 特開 昭61−201609(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アルミナとイオウ含有量が0.5重量%以下
    であるカーボンとの混合粉末を窒素を含む雰囲気下に13
    00〜1700℃で焼成することを特徴とする窒化アルミニウ
    ム粉末の製造方法。
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