JP2595710B2 - Manufacturing method of alumina sintered sheet - Google Patents

Manufacturing method of alumina sintered sheet

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はアルミナゾルからアルミナ焼結シートを製造
する方法に関するものである。
The present invention relates to a method for producing an alumina sintered sheet from an alumina sol.

[従来の技術] アルミナゾルをゲル化して作られたアルミナ成形体を
仮焼すると仮焼温度の上昇に従ってγアルミナ、δアル
ミナ、θアルミナ、αアルミナの順に転移し、これを焼
成すると最終的に安定なαアルミナ焼結体となる。
[Prior art] When calcining an alumina molded body formed by gelling an alumina sol, γ-alumina, δ-alumina, θ-alumina, and α-alumina are transformed in the order of increasing the calcining temperature, and finally stable when calcined. A sintered body of α-alumina.

このアルミナ多形への転移の中でα転移時にはアルミ
ナ粒子が異常粒成長することが多く、これにより高密度
の焼結体を得ることが極めて困難であった。
Of the transition to the alumina polymorph, during the α-transition, alumina particles often grow abnormally, which makes it extremely difficult to obtain a high-density sintered body.

従来、この点を解決するため、ベーマイトゾル(アル
ミナゾル)にあらかじめ微量のαアルミナ粉をシード粉
として添加し、このαアルミナ粉にアルミナゲルがαア
ルミナ化するときのα結晶核の役目を果させることによ
り、高純度で高密度のアルミナ焼結体を製造する技術が
開示されている(J.Am.Ceram.Soc.,68[9]p500−p50
5,1985)。この技術によれば、αアルミナ粉の添加によ
り、αアルミナに転移する温度がαアルミナ粉を添加し
ないときより著しく低下し、転移したα結晶粒が異常成
長することなく焼結することができる。またあらかじめ
添加するαアルミナ粉の結晶核の個数、すなわち添加量
を調整すれば、その焼結体のα結晶粒を制御することが
できる。
Conventionally, in order to solve this problem, a small amount of α-alumina powder is previously added to a boehmite sol (alumina sol) as a seed powder, and the α-alumina powder serves as an α crystal nucleus when the alumina gel is converted to α-alumina. Accordingly, a technique for producing a high-purity, high-density alumina sintered body has been disclosed (J. Am. Ceram. Soc., 68 [9] p500-p50).
5,1985). According to this technique, the addition of α-alumina powder significantly lowers the temperature at which the α-alumina powder is transformed than when no α-alumina powder is added, so that the transformed α crystal grains can be sintered without abnormal growth. Further, by adjusting the number of crystal nuclei of α-alumina powder to be added in advance, that is, by adding the amount, α-crystal grains of the sintered body can be controlled.

[発明が解決しようとする課題] しかし上記αアルミナ粉のシーディング効果はそのα
アルミナ粉の純度や形態により大きく影響される。すな
わちこのシードされたαアルミナ粉の周囲に付着してα
転移していくアルミナは、αアルミナ粉の結晶面に沿っ
て、エピタキシー成長(epitaxial glowth)するため、
アルミナゾル中におけるαアルミナ粉の粒結晶の結晶面
方位がランダムであると、焼成時にアルミナ成形体が予
期しない方向に収縮し、これに伴ってアルミナ焼結体に
変形、クラック、そり、空孔等が生じる不具合があっ
た。特に焼結体がシートである場合には、その変形等が
大きな問題となる。
[Problems to be Solved by the Invention] However, the seeding effect of the α-alumina powder is
It is greatly affected by the purity and form of the alumina powder. That is, α is attached around the seeded α-alumina powder and α
Alumina that is transferred grows epitaxially (epitaxial glowth) along the crystal plane of α-alumina powder,
If the crystal plane orientation of the α-alumina powder grains in the alumina sol is random, the alumina compact shrinks in an unexpected direction during firing, resulting in deformation, cracks, warpage, voids, etc. of the alumina sintered compact. There was a problem that occurred. In particular, when the sintered body is a sheet, its deformation or the like becomes a serious problem.

本発明の目的は、焼成によりアルミナグリーンシート
が変形、クラック、そり、空孔等を生じることなく一定
方向に収縮して焼結し、高い平滑度を有し、高純度でし
かも高密度のアルミナ焼結シートを製造する方法を提供
することにある。
An object of the present invention is to provide an alumina green sheet which shrinks and sinters in a certain direction without causing deformation, cracks, warpage, voids, etc. by firing, has high smoothness, high purity and high density alumina. It is to provide a method for manufacturing a sintered sheet.

[課題を解決するための手段] 上記目的を達成するために、本発明は、アルミナゾル
にアルミナ換算重量100%に対してシード粉として六角
板状晶のαアルミナ粉を少なくとも0.5重量%添加混合
してスラリーを調製し、前記六角板状晶の結晶板面がシ
ート面に平行して配向するように前記スラリーを成膜乾
燥してグリーンシートを成形し、このグリーンシートを
焼成してアルミナ焼結シートを得る方法である。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention relates to a method of adding and mixing at least 0.5% by weight of hexagonal plate-like α-alumina powder as a seed powder with respect to 100% by weight of alumina as an alumina sol. The slurry is prepared, and the slurry is formed into a film by drying the slurry so that the crystal plate surface of the hexagonal plate crystal is oriented in parallel with the sheet surface to form a green sheet. This is how to get a sheet.

本発明のアルミナゾルは、市販の微粒のアルミナ粉を
水に入れ超音波等で均一に分散して調製されるゾルを用
いることもできるが、より高純度でより高密度のっ焼結
シートを作る観点にたつと、アルミニウムアルコキシド
を加水分解し、解膠処理して得られる、コロイド粒子が
微細なアルミナゾルが望ましい。
The alumina sol of the present invention can be a sol prepared by placing commercially available fine alumina powder in water and uniformly dispersing it with ultrasonic waves or the like, but it produces a sintered sheet of higher purity and higher density. From the viewpoint, an alumina sol having fine colloid particles obtained by hydrolyzing and peptizing aluminum alkoxide is desirable.

六角板状晶のαアルエミナ粉は、アルミナゾル100重
量%に対して少なくとも0.5重量%添加して混合され
る。このαアルミナ粉は高温の水酸化ナトリウム溶液10
0重量%に、塩化カルシウム、酢酸カルシウム等のカル
シウム塩を0.5〜1.0重量%添加してバイヤー法により製
造されるものが焼成時の緻密化の観点から望ましい。カ
ルシウム塩はαアルミナ粉を六角板状晶にするために最
低限0.5重量%必要であり、焼成時の緻密化の観点から
上限値は1.0重量%に抑えられる。またαアルミナ粉の
添加量が0.5重量%未満の場合には、αアルミナに転移
する温度が低下せず、α結晶粒が異常成長することがあ
るため0.5重量%以上添加することが必要である。2.0重
量%程度が最もαアルミナへの転移温度が低下し、これ
以上はその転移温度は低下しないため、2.0重量%程度
が経済的にも望ましい。
Hexagonal plate α-alemina powder is added and mixed with at least 0.5% by weight based on 100% by weight of alumina sol. This α-alumina powder is a hot sodium hydroxide solution 10
From the viewpoint of densification at the time of calcination, it is desirable to add a calcium salt such as calcium chloride or calcium acetate to 0.5% by weight to 0% by weight and to manufacture by a Bayer method. The calcium salt is required to be at least 0.5% by weight in order to convert the α-alumina powder into hexagonal plate crystals, and the upper limit can be suppressed to 1.0% by weight from the viewpoint of densification during firing. When the amount of the α-alumina powder is less than 0.5% by weight, the temperature at which α-alumina is transformed does not decrease and α crystal grains may grow abnormally, so it is necessary to add 0.5% by weight or more. . About 2.0% by weight lowers the transition temperature to α-alumina most, and further does not lower the transition temperature. Therefore, about 2.0% by weight is economically desirable.

本発明のアルミナゾルには、αアルミナ粉以外にアル
ミナ焼結シートの形状及び用途等に応じて、有機バイン
ダ及び可塑剤を添加してもよい。有機バインダとして
は、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポ
リ酢酸ビニル、メチルセルロース、ポリアクリル酸、ポ
リメタクリル酸等が挙げられる。また可塑剤は有機バイ
ンダによって選択されるが、例えばグリセリン、ポリエ
チレングリコール、ジブチルフタレート、ジオクチルフ
タレート、アジピン酸ジオクチル等が挙げられる。有機
バインダ及び可塑剤の各添加量はともにグリーンシート
の成形性、加工性及び高密度化の観点から5〜60重量%
の範囲内が好ましい。
In addition to the α-alumina powder, an organic binder and a plasticizer may be added to the alumina sol of the present invention in accordance with the shape and use of the alumina sintered sheet. Examples of the organic binder include polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polyvinyl acetate, methyl cellulose, polyacrylic acid, and polymethacrylic acid. The plasticizer is selected according to the organic binder, and examples thereof include glycerin, polyethylene glycol, dibutyl phthalate, dioctyl phthalate, and dioctyl adipate. Each amount of the organic binder and the plasticizer is 5 to 60% by weight from the viewpoint of green sheet moldability, processability and high density.
Is preferably within the range.

アルミナゾルの分散媒としては、有機バインダ及び可
塑剤を溶解する水又は有機溶剤であれば限定されない
が、アルミナゾルの分散性、乾燥の容易さを考慮して
水、アルコール又は多価アルコールのエーテル・エステ
ル系が好ましい。
The dispersion medium of the alumina sol is not limited as long as it is water or an organic solvent that dissolves an organic binder and a plasticizer, but water, an alcohol or an ether ester of a polyhydric alcohol in consideration of dispersibility of the alumina sol and ease of drying. Systems are preferred.

αアルミナ粉や必要に応じて有機バインダ、可塑剤を
添加したアルミナゾルは、焼結シートの厚み、加工性等
を考慮してその分散媒を脱離して濃縮しスラリーにな
る。
Alumina sol to which α-alumina powder and an organic binder and a plasticizer are added as required is deconcentrated by removing the dispersion medium in consideration of the thickness of the sintered sheet, workability, and the like, to form a slurry.

上記αアルミナ粉の結晶板面がシート面に平行に配向
するように、このスラリーを成膜する方法としては、ド
クターブレード法、押出し成型法、ロール圧延法、泥し
ょう鋳込み法等があるが、配向効果が高く、平滑性が極
めてよく、かつ成型歪みが残らないドクターブレード法
が好ましい。
As a method of forming this slurry so that the crystal plate surface of the α-alumina powder is oriented parallel to the sheet surface, there are a doctor blade method, an extrusion molding method, a roll rolling method, a slurry casting method, and the like. The doctor blade method, which has a high orientation effect, extremely good smoothness, and leaves no molding distortion, is preferred.

グリーンシート中の六角板状晶のαアルミナ粉の配向
性は、アルミナゾルの粘度及びグリーンシートの厚みは
小さい程好ましい。
As for the orientation of the hexagonal plate-like α-alumina powder in the green sheet, the smaller the viscosity of the alumina sol and the smaller the thickness of the green sheet, the better.

スラリーを成膜乾燥して得られたグリーンシートは所
定の形状に打抜かれ、仮焼して分散媒を完全に除去した
後、アルミナが完全に焼結する温度(1250〜1500℃)で
焼成される。焼成後適当な冷却装置で室温まで冷却する
ことによりアルミナ焼結シートが得られる。
The green sheet obtained by forming and drying the slurry is punched into a predetermined shape, calcined to completely remove the dispersion medium, and then calcined at a temperature (1250 to 1500 ° C) at which alumina is completely sintered. You. After firing, the alumina sintered sheet is obtained by cooling to room temperature with an appropriate cooling device.

[作 用] 六角板状晶の結晶板面(c面)がグリーンシートのシ
ート面に平行に配向するため、グリーンシートの焼結時
の収縮方向は常に一定となり、予期しない変形等を起こ
さずにアルミナ焼結シートを作ることができる。
[Operation] Since the crystal plate surface (c-plane) of the hexagonal plate-like crystal is oriented parallel to the sheet surface of the green sheet, the shrinkage direction during sintering of the green sheet is always constant, and no unexpected deformation occurs. Alumina sintered sheet can be made.

[発明の効果] 以上述べたように、本発明によれば、出発原料である
アルミナゾルに微量の六角板状晶のαアルミナ粉を添加
することにより、ゾル中の粒子がαアルミナ化するとき
の転移速度又は焼結速度を制御でき、これにより高密度
で高純度の焼結体を製造することができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, when a small amount of hexagonal plate-like α-alumina powder is added to alumina sol as a starting material, particles in the sol are converted to α-alumina. The transition speed or the sintering speed can be controlled, whereby a high-density and high-purity sintered body can be manufactured.

特に、六角板状晶をシート面と平行に配向するように
グリーンシートを成形すれば、焼成によりアルミナグリ
ーンシートを一定方向に収縮させて所定の形状に焼結さ
せることができる。
In particular, if the green sheet is formed so that the hexagonal plate-like crystals are oriented parallel to the sheet surface, the alumina green sheet can be shrunk in a certain direction by firing and sintered into a predetermined shape.

[実施例] 80℃の水100モルにアルミニウムイソプロポキシド[A
l(C3H7O)]1モルを添加してアルミニウムイソプロ
ポキシドを加水分解し、ベーマイト[AlOOH]を生成し
た。このベーマイトにpH2〜4に調整した水を加えて解
膠することによって、安定な擬ベーマイトゾルを得た。
[Example] Aluminum isopropoxide [A
l (C 3 H 7 O) 3 ] was added to hydrolyze aluminum isopropoxide to produce boehmite [AlOOH]. By adding water adjusted to pH 2 to 4 to the boehmite and pulverizing it, a stable pseudo-boehmite sol was obtained.

この擬ベーマイトゾルのアルミナ換算重量100%に対
して、シード粉として六角板状晶のαアルミナ粉を2重
量%、有機バインダとしてポリビニルアルコールを20重
量%、可塑剤としてグリセリンを10重量%それぞれ添加
混合した後、固形分が10重量%になるように濃縮してス
ラリーを調製した。
2% by weight of hexagonal plate-like α-alumina powder as a seed powder, 20% by weight of polyvinyl alcohol as an organic binder, and 10% by weight of glycerin as a plasticizer are added to 100% of the weight of this pseudo-boehmite sol in terms of alumina. After mixing, the mixture was concentrated to a solid content of 10% by weight to prepare a slurry.

このスラリーを移動担体である高密度ポリエチレンテ
ープ上にドクターブレード法により厚さ2mmになるよう
にコーティングし、このポリエチレンテープを乾燥して
スラリーの分散媒である水を脱離させて厚さ0.2mmのグ
リーンシートを得た。
This slurry is coated on a high-density polyethylene tape as a moving carrier by a doctor blade method so as to have a thickness of 2 mm, and the polyethylene tape is dried to remove water as a dispersion medium of the slurry by a thickness of 0.2 mm. Green sheet was obtained.

このグリーンシートを1400℃、1時間、大気圧下で焼
成したところ、シート表面が極めて平滑で均一な厚さの
αアルミナ焼結シートを得た。このαアルミナ焼結シー
トの焼結率は理論密度の99.5%以上であり、極めて緻密
なものであった。またこのαアルミナ焼結シートを走査
型電子顕微鏡で観察したところ、平均粒子径が2μmの
微細で均一な粒子からなっていることを確認した。
When this green sheet was fired at 1400 ° C. for 1 hour under atmospheric pressure, an α-alumina sintered sheet having a very smooth sheet surface and a uniform thickness was obtained. The sintering rate of this α-alumina sintered sheet was 99.5% or more of the theoretical density, and was extremely dense. When the α-alumina sintered sheet was observed with a scanning electron microscope, it was confirmed that the α-alumina sintered sheet was composed of fine and uniform particles having an average particle diameter of 2 μm.

[比較例] 前記実施例の擬ベーマイトゾルに六角板状晶のαアル
ミナ粉を添加しない以外は、前記実施例と同様にしてα
アルミナ焼結シートを製造した。
[Comparative Example] The same procedure as in the above example was conducted except that hexagonal plate-like α-alumina powder was not added to the pseudo-boehmite sol of the above example.
An alumina sintered sheet was manufactured.

このαアルミナ焼結シートの焼結率及び粒子構造は前
記実施例と同程度に高い密度と純度を示したが、クラッ
ク、そり、空孔が見られ、変形したアルミナ焼結シート
であった。
Although the sintering rate and the particle structure of this α-alumina sintered sheet were as high as those of the above examples, the alumina sintered sheet was deformed with cracks, warpage, and voids.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】アルミナゾルにアルミナ換算重量100%に
対してシード粉として六角板状晶のαアルミナ粉を少な
くとも0.5重量%添加混合してスラリーを調製し、前記
六角板状晶の結晶板面がシート面に平行して配向するよ
うに前記スラリーを成膜乾燥してグリーンシートを成形
し、このグリーンシートを焼成してアルミナ焼結シート
を得るアルミナ焼結シートの製造方法。
1. A slurry is prepared by adding at least 0.5% by weight of hexagonal plate-like α-alumina powder as a seed powder to alumina sol to 100% of alumina equivalent weight and preparing a slurry. A method for producing an alumina sintered sheet, wherein a film is formed by drying the slurry so as to be oriented parallel to the sheet surface to form a green sheet, and the green sheet is fired to obtain an alumina sintered sheet.
【請求項2】六角板状晶のαアルミナ粉は高温の水酸化
ナトリウム溶液100重量%にカルシウム塩を0.5〜1.0重
量%添加してバイヤー法により製造される請求項1記載
のアルミナ焼結シートの製造方法。
2. The alumina sintered sheet according to claim 1, wherein the hexagonal plate-like α-alumina powder is produced by a Bayer method by adding 0.5 to 1.0% by weight of a calcium salt to 100% by weight of a high-temperature sodium hydroxide solution. Manufacturing method.
【請求項3】グリーンシートの成形がドクターブレード
法により行われる請求項1記載のアルミナ焼結シートの
製造方法。
3. The method for producing an alumina sintered sheet according to claim 1, wherein the green sheet is formed by a doctor blade method.
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