JP3073383B2 - 同位体窒素を含有する窒化物及びその製造方法 - Google Patents
同位体窒素を含有する窒化物及びその製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化物さらには同位体
窒素（本明細書中において「同位体窒素」とは「15Ｎ」
を意味する。）を含有する窒化物及びその製造方法に関
し、例えば原子炉や核融合炉用のセラミックス材料とし
て好適な特性を具えてなる窒化物に関する。
窒素（本明細書中において「同位体窒素」とは「15Ｎ」
を意味する。）を含有する窒化物及びその製造方法に関
し、例えば原子炉や核融合炉用のセラミックス材料とし
て好適な特性を具えてなる窒化物に関する。
【０００２】
【従来の技術】ファインセラミックス材料として注目さ
れている窒化物材料は、一般に高硬度および高熱伝導性
を具え、耐熱衝撃性および耐食性に優れている。そし
て、窒化物を構成する元素の種類によって、例えば窒化
ほう素（ＢＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのよ
うに極めて熱伝導性に優れた特性を有していたり、例え
ば窒化けい素（Ｓｉ3Ｎ4）などのように極めて機械的特
性に優れていたり、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）や窒化
ニオブ（ＮｂＮ）などのように極めて電気伝導性や超伝
導性に優れた特性を有していたりする。
れている窒化物材料は、一般に高硬度および高熱伝導性
を具え、耐熱衝撃性および耐食性に優れている。そし
て、窒化物を構成する元素の種類によって、例えば窒化
ほう素（ＢＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのよ
うに極めて熱伝導性に優れた特性を有していたり、例え
ば窒化けい素（Ｓｉ3Ｎ4）などのように極めて機械的特
性に優れていたり、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）や窒化
ニオブ（ＮｂＮ）などのように極めて電気伝導性や超伝
導性に優れた特性を有していたりする。
【０００３】なお、以上列挙した窒化物における窒素は
14Ｎであり、以下、ＡｌＮに付いては、本発明に係るＡ
ｌ15Ｎと区別するために、特にＡｌ14Ｎと表記する。
14Ｎであり、以下、ＡｌＮに付いては、本発明に係るＡ
ｌ15Ｎと区別するために、特にＡｌ14Ｎと表記する。
【０００４】以上のような窒化物の工業的製造法として
は、主に金属酸化物の還元窒化法と金属の直接窒化法が
あり、以下に各方法をＡｌ14Ｎを製造する場合を例とし
て説明する。
は、主に金属酸化物の還元窒化法と金属の直接窒化法が
あり、以下に各方法をＡｌ14Ｎを製造する場合を例とし
て説明する。
【０００５】アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の還元窒化法におい
ては、Ａｌ2Ｏ3粉末と炭素（Ｃ）粉末とを混合し、１５
００℃以上で14Ｎ2ガスまたはアンモニア（14ＮＨ3）ガ
スを流しながら窒化反応を行う。例えば、14Ｎ2ガスを
使用する場合には、 Ａｌ2Ｏ3＋14Ｎ2＋３Ｃ＝２Ａｌ14Ｎ＋３ＣＯ ・・・（１） で表される化学方程式における反応が右側に進んで、Ａ
ｌ14Ｎが得られる。
ては、Ａｌ2Ｏ3粉末と炭素（Ｃ）粉末とを混合し、１５
００℃以上で14Ｎ2ガスまたはアンモニア（14ＮＨ3）ガ
スを流しながら窒化反応を行う。例えば、14Ｎ2ガスを
使用する場合には、 Ａｌ2Ｏ3＋14Ｎ2＋３Ｃ＝２Ａｌ14Ｎ＋３ＣＯ ・・・（１） で表される化学方程式における反応が右側に進んで、Ａ
ｌ14Ｎが得られる。
【０００６】また、金属アルミニウム（Ａｌ）の直接窒
化法においては、Ａｌを高温で14Ｎ2ガスまたは14ＮＨ3
ガスと直接反応させる。例えば、14Ｎ2ガスを使用する
場合には、 Ａｌ(ｓ)＋1/214Ｎ2(ｇ)＝Ａｌ14Ｎ(ｓ)；ΔＨ＝−３２０kJ/mol・・・（２） で表される化学方程式における反応が右側に進んで、Ａ
ｌ14Ｎが得られる。
化法においては、Ａｌを高温で14Ｎ2ガスまたは14ＮＨ3
ガスと直接反応させる。例えば、14Ｎ2ガスを使用する
場合には、 Ａｌ(ｓ)＋1/214Ｎ2(ｇ)＝Ａｌ14Ｎ(ｓ)；ΔＨ＝−３２０kJ/mol・・・（２） で表される化学方程式における反応が右側に進んで、Ａ
ｌ14Ｎが得られる。
【０００７】そして、これらの窒化物材料は、その特性
を鑑みると、原子炉や核融合炉用のセラミックス材料と
して好ましいと考えられるが、長時間にわたって中性子
照射を受けると、 14Ｎ＋ｎ→14Ｃ＋Ｈ （ｎは中性子） ・・・（３） で表される核変換反応が起こり、材料の内部に水素
（Ｈ）が発生することが知られている。このＨにより例
えば水素脆性などの機械的特性の劣化や電気的特性の劣
化が惹き起こされる虞があるため、原子力関係において
は、未だ窒化物材料は実用化されていない。
を鑑みると、原子炉や核融合炉用のセラミックス材料と
して好ましいと考えられるが、長時間にわたって中性子
照射を受けると、 14Ｎ＋ｎ→14Ｃ＋Ｈ （ｎは中性子） ・・・（３） で表される核変換反応が起こり、材料の内部に水素
（Ｈ）が発生することが知られている。このＨにより例
えば水素脆性などの機械的特性の劣化や電気的特性の劣
化が惹き起こされる虞があるため、原子力関係において
は、未だ窒化物材料は実用化されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、15Ｎに付い
ては、14Ｎと異なり、中性子照射を受けても上述した
（３）式のような核変換反応が起こらないことが知られ
ている。従って、15Ｎよりなる窒化物は耐中性子照射性
に優れた特性を有すると考えられるが、そのような窒化
物は今のところ見あたらない。
ては、14Ｎと異なり、中性子照射を受けても上述した
（３）式のような核変換反応が起こらないことが知られ
ている。従って、15Ｎよりなる窒化物は耐中性子照射性
に優れた特性を有すると考えられるが、そのような窒化
物は今のところ見あたらない。
【０００９】そこで、本発明者らは、Ａｌ15ＮがＡｌ14
Ｎよりも、原子炉や核融合炉用のセラミックス材料とし
てより好ましいと考え、例えば全窒素量に対して15Ｎを
９５原子％以上含有するＡｌ15Ｎの製造を試みた。
Ｎよりも、原子炉や核融合炉用のセラミックス材料とし
てより好ましいと考え、例えば全窒素量に対して15Ｎを
９５原子％以上含有するＡｌ15Ｎの製造を試みた。
【００１０】15Ｎは天然窒素中に僅か０．４原子％足ら
ずしか含まれていないため、15Ｎをその存在比よりも高
濃度に含有する窒化物を製造するには、濃縮された15Ｎ
2ガスを反応ガスとして使用することが考えられる。市
販の15Ｎ2ガスにおける15Ｎの濃度は９９原子％以上に
達していることから、理論上、これと同レベル、即ち９
９原子％以上の純度の15Ｎを含む窒化物を製造すること
が可能であると考えられるが、実際の製造にあたって
は、天然窒素中の14Ｎ2ガスおよびその他の不純物ガス
などの汚染により純度が下がり、耐中性子照射性が低下
する虞がある。
ずしか含まれていないため、15Ｎをその存在比よりも高
濃度に含有する窒化物を製造するには、濃縮された15Ｎ
2ガスを反応ガスとして使用することが考えられる。市
販の15Ｎ2ガスにおける15Ｎの濃度は９９原子％以上に
達していることから、理論上、これと同レベル、即ち９
９原子％以上の純度の15Ｎを含む窒化物を製造すること
が可能であると考えられるが、実際の製造にあたって
は、天然窒素中の14Ｎ2ガスおよびその他の不純物ガス
などの汚染により純度が下がり、耐中性子照射性が低下
する虞がある。
【００１１】また、上述した還元窒化法においては、
（１）式で示した還元反応を右へ進ませるために、14Ｎ
2ガスを反応系に過剰に供給してＣＯガスを常時排気
し、それによって反応系内のＣＯガス濃度を下げる必要
がある。加えて、反応時間も長いため、必要な反応ガス
量が膨大となり、従って、この方法は反応ガスのロスが
非常に多く、15Ｎ2ガスのような高価なガスの使用には
適さない。
（１）式で示した還元反応を右へ進ませるために、14Ｎ
2ガスを反応系に過剰に供給してＣＯガスを常時排気
し、それによって反応系内のＣＯガス濃度を下げる必要
がある。加えて、反応時間も長いため、必要な反応ガス
量が膨大となり、従って、この方法は反応ガスのロスが
非常に多く、15Ｎ2ガスのような高価なガスの使用には
適さない。
【００１２】一方、上述した直接窒化法においては、
（２）式からもわかるように、反応に伴って熱が発生す
るため、一旦反応が始まるとその反応熱により継続して
反応が進行し、短時間で窒化反応が終了する。また、14
Ｎ2ガスの供給量は、反応物質であるＡｌの量に対して
化学量論上必要とされる量だけで済むので、理論上、反
応ガスの転換効率（即ち、供給した反応ガス量に対す
る、窒化物中に取り込まれた窒素量の割合である。）が
１００％になると考えられる。
（２）式からもわかるように、反応に伴って熱が発生す
るため、一旦反応が始まるとその反応熱により継続して
反応が進行し、短時間で窒化反応が終了する。また、14
Ｎ2ガスの供給量は、反応物質であるＡｌの量に対して
化学量論上必要とされる量だけで済むので、理論上、反
応ガスの転換効率（即ち、供給した反応ガス量に対す
る、窒化物中に取り込まれた窒素量の割合である。）が
１００％になると考えられる。
【００１３】しかしながら、直接窒化法による実際の製
造にあたっては、反応炉内の空容積（即ち、反応炉内の
空間部分の容積で、反応炉内容積と反応物の占める容積
との差である。）により、反応終了後に未反応のガスが
残留し、転換効率が下がる。転換効率を向上させるため
に、例えば減圧プロセス下で反応を行わせて、同じ空容
積に対する反応ガスのロス（未反応分）を低減させるこ
とが考えられるが、反応炉内に漏れ入る外気に含まれる
14Ｎなどの汚染が起こる虞がある。また、反応ガスと不
活性ガスとを混合してなる混合ガスを使用することによ
り、空容積中に残留する未反応の反応ガスの量を低減さ
せることが考えられるが、不活性ガスが窒化反応の進行
を妨害するという問題がある。
造にあたっては、反応炉内の空容積（即ち、反応炉内の
空間部分の容積で、反応炉内容積と反応物の占める容積
との差である。）により、反応終了後に未反応のガスが
残留し、転換効率が下がる。転換効率を向上させるため
に、例えば減圧プロセス下で反応を行わせて、同じ空容
積に対する反応ガスのロス（未反応分）を低減させるこ
とが考えられるが、反応炉内に漏れ入る外気に含まれる
14Ｎなどの汚染が起こる虞がある。また、反応ガスと不
活性ガスとを混合してなる混合ガスを使用することによ
り、空容積中に残留する未反応の反応ガスの量を低減さ
せることが考えられるが、不活性ガスが窒化反応の進行
を妨害するという問題がある。
【００１４】以上、述べてきたように、15Ｎよりなる窒
化物を実際に工業的に製造するにあたっては、外気から
の汚染などを有効に防止して高純度の15Ｎよりなる窒化
物を製造するとともに15Ｎの転換効率を最大限に向上さ
せる必要があるが、その技術は現在に至るまで確立され
ていない。
化物を実際に工業的に製造するにあたっては、外気から
の汚染などを有効に防止して高純度の15Ｎよりなる窒化
物を製造するとともに15Ｎの転換効率を最大限に向上さ
せる必要があるが、その技術は現在に至るまで確立され
ていない。
【００１５】また、金属粉末を出発原料とする直接窒化
法においては、発生する反応熱により、金属粉末の温度
がしばしばその融点（または分解温度）を越えることが
あり、そのため金属粉末粒子が凝集または溶着して、窒
化率の低下などの悪影響を窒化反応に及ぼすことがあ
る。反応熱により上昇する温度を下げて金属粉末の凝集
などを防ぐために、金属粉末に希釈剤を混合させるなど
の配慮が必要となるが、この希釈剤により反応炉内が汚
染され、Ａｌ15Ｎにおける15Ｎの純度の低下を招く虞が
ある。
法においては、発生する反応熱により、金属粉末の温度
がしばしばその融点（または分解温度）を越えることが
あり、そのため金属粉末粒子が凝集または溶着して、窒
化率の低下などの悪影響を窒化反応に及ぼすことがあ
る。反応熱により上昇する温度を下げて金属粉末の凝集
などを防ぐために、金属粉末に希釈剤を混合させるなど
の配慮が必要となるが、この希釈剤により反応炉内が汚
染され、Ａｌ15Ｎにおける15Ｎの純度の低下を招く虞が
ある。
【００１６】そこで、本発明は、15Ｎを含む窒化物を提
供することを目的の一つとし、さらには高純度の15Ｎを
含む窒化物を、極めて高い15Ｎの転換効率でもって製造
することを可能ならしめ、それによって高純度の15Ｎを
含み、中性子照射に対して安定な窒化物の提供を可能な
らしめる同位体窒素を含有する窒化物及びその製造方法
を提供することを目的としている。
供することを目的の一つとし、さらには高純度の15Ｎを
含む窒化物を、極めて高い15Ｎの転換効率でもって製造
することを可能ならしめ、それによって高純度の15Ｎを
含み、中性子照射に対して安定な窒化物の提供を可能な
らしめる同位体窒素を含有する窒化物及びその製造方法
を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、15Ｎを含有する窒化物を製造するに
あたり、15Ｎの高純度および高転換効率を満たすべく、
本発明においては、15Ｎ2ガスで金属粉末を直接窒化す
ることにより窒化物を合成することにし、鋭意研究を重
ねてきた。
に、本発明者らは、15Ｎを含有する窒化物を製造するに
あたり、15Ｎの高純度および高転換効率を満たすべく、
本発明においては、15Ｎ2ガスで金属粉末を直接窒化す
ることにより窒化物を合成することにし、鋭意研究を重
ねてきた。
【００１８】本発明に係る同位体窒素を含有する窒化物
においては、窒化物中の全窒素量に対して、同位体窒素
を、９５原子％以上含有していることを特徴とする。そ
して、その窒化物は、例えば、窒化アルミニウムである
ことを特徴とする。
においては、窒化物中の全窒素量に対して、同位体窒素
を、９５原子％以上含有していることを特徴とする。そ
して、その窒化物は、例えば、窒化アルミニウムである
ことを特徴とする。
【００１９】本発明に係る同位体窒素を含有する窒化物
の製造方法においては、請求項１に記載の窒化物を製造
するにあたり、少なくとも窒化反応が起こる温度以上の
温度および同位体窒素ガス雰囲気下で、前記窒化物の構
成元素となり得る単体と同位体窒素ガスとを直接接触さ
せることにより、その単体を窒化させ、前記同位体窒素
ガスは、全窒素量に対して、同位体窒素を、９５原子％
を越える割合で含有していることを特徴とする。
の製造方法においては、請求項１に記載の窒化物を製造
するにあたり、少なくとも窒化反応が起こる温度以上の
温度および同位体窒素ガス雰囲気下で、前記窒化物の構
成元素となり得る単体と同位体窒素ガスとを直接接触さ
せることにより、その単体を窒化させ、前記同位体窒素
ガスは、全窒素量に対して、同位体窒素を、９５原子％
を越える割合で含有していることを特徴とする。
【００２０】そして、その製造方法において、例えば、
反応系における圧力が１．０kg/cm2以上であることを特
徴とする。また、前記単体を、窒化反応の反応熱により
上昇する単体の温度を下げる希釈剤に予め混合させてお
くことを特徴とする。さらに、前記希釈剤は、硫黄、
燐、金属の弗化物、金属の燐化物、金属の硫化物、およ
び請求項１に記載の窒化物に記載の窒化物、よりなる群
から選ばれた一種或は二種以上の混合物であることを特
徴とする。
反応系における圧力が１．０kg/cm2以上であることを特
徴とする。また、前記単体を、窒化反応の反応熱により
上昇する単体の温度を下げる希釈剤に予め混合させてお
くことを特徴とする。さらに、前記希釈剤は、硫黄、
燐、金属の弗化物、金属の燐化物、金属の硫化物、およ
び請求項１に記載の窒化物に記載の窒化物、よりなる群
から選ばれた一種或は二種以上の混合物であることを特
徴とする。
【００２１】本発明においては、良好な耐中性子照射性
を確保し、実用性を考慮すれば、窒化物中の 15 Ｎの含有
量が全窒素量に対して９５原子％以上であることが好ま
しい。さらには、15Ｎの含有量は、本発明に係る窒化物
の製造に供される濃縮15Ｎ2ガスにおける15Ｎの濃度に
近い方がより好ましく、例えば９９原子％以上の15Ｎを
含む市販の15Ｎ2ガスを使用する場合には、９９原子％
以上の15Ｎを含むのがより好ましい。
を確保し、実用性を考慮すれば、窒化物中の 15 Ｎの含有
量が全窒素量に対して９５原子％以上であることが好ま
しい。さらには、15Ｎの含有量は、本発明に係る窒化物
の製造に供される濃縮15Ｎ2ガスにおける15Ｎの濃度に
近い方がより好ましく、例えば９９原子％以上の15Ｎを
含む市販の15Ｎ2ガスを使用する場合には、９９原子％
以上の15Ｎを含むのがより好ましい。
【００２２】なお、本発明に係る窒化物には、Ａｌ
15Ｎ、Ｂ15Ｎ、Ｓｉ3 15Ｎ4、Ｔｉ15Ｎ、Ｎｂ15Ｎ、およ
びこれら例示列挙した以外の窒化物も含むのは勿論であ
る。
15Ｎ、Ｂ15Ｎ、Ｓｉ3 15Ｎ4、Ｔｉ15Ｎ、Ｎｂ15Ｎ、およ
びこれら例示列挙した以外の窒化物も含むのは勿論であ
る。
【００２３】また、本発明に係る窒化物を製造するにあ
たっては、窒化物の構成元素となる単体を、窒化反応が
起こる程度に加熱すればよいが、反応温度が高いほど窒
化率が高く、従って窒化されずに残留する単体が少なく
なるので、反応設備や反応速度を考慮すると、単体の種
類に応じて８００〜１５００℃が適当である。例えば、
その単体がＡｌの場合には１２００℃程度である。反応
温度以外にも反応時間が長いほど窒化率は高くなるが、
量産性を考慮すると、単体の種類および反応温度に応じ
て１０分〜２４時間程度が適当である。
たっては、窒化物の構成元素となる単体を、窒化反応が
起こる程度に加熱すればよいが、反応温度が高いほど窒
化率が高く、従って窒化されずに残留する単体が少なく
なるので、反応設備や反応速度を考慮すると、単体の種
類に応じて８００〜１５００℃が適当である。例えば、
その単体がＡｌの場合には１２００℃程度である。反応
温度以外にも反応時間が長いほど窒化率は高くなるが、
量産性を考慮すると、単体の種類および反応温度に応じ
て１０分〜２４時間程度が適当である。
【００２４】なお、単体としては、Ｂ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎ
ｂ、或は金属、非金属を問わず、その他窒素と化合して
窒化物となり得るものが挙げられ、それら単体は、例え
ば粉末の状態として反応に供せられる。さらには、単体
に限らず、例えば合金などを粉末にして反応物質とする
こともできる。
ｂ、或は金属、非金属を問わず、その他窒素と化合して
窒化物となり得るものが挙げられ、それら単体は、例え
ば粉末の状態として反応に供せられる。さらには、単体
に限らず、例えば合金などを粉末にして反応物質とする
こともできる。
【００２５】反応系の圧力は、反応系に外気が漏れ入る
のを防ぐために、大気圧（約１．０kg/cm2、即ち約１．
０×１０5Pa）よりも僅かに高い程度の圧力（陽圧）で
あればよいが、反応設備、15Ｎの転換効率や操作性を考
慮すると、１．１〜１．５kg/cm2が適当である。なお、
より高圧としてもよいのはいうまでもない。
のを防ぐために、大気圧（約１．０kg/cm2、即ち約１．
０×１０5Pa）よりも僅かに高い程度の圧力（陽圧）で
あればよいが、反応設備、15Ｎの転換効率や操作性を考
慮すると、１．１〜１．５kg/cm2が適当である。なお、
より高圧としてもよいのはいうまでもない。
【００２６】また、単体が金属などの粉末の場合には、
予め粉末と希釈剤とを混合させておくが、この希釈剤に
は、単体の窒化反応に何等影響を及ぼすことなく、反応
後に窒化物から容易に分離可能であるという性質を有し
ている必要がある。希釈剤が硫黄、燐、金属の弗化物、
金属の燐化物、金属の硫化物の場合には、それら希釈剤
は１０００℃以上の温度において次第に分解または昇華
して、反応生成物から分離される。これらの希釈剤の好
ましい配合割合は、１０〜７０重量％である。
予め粉末と希釈剤とを混合させておくが、この希釈剤に
は、単体の窒化反応に何等影響を及ぼすことなく、反応
後に窒化物から容易に分離可能であるという性質を有し
ている必要がある。希釈剤が硫黄、燐、金属の弗化物、
金属の燐化物、金属の硫化物の場合には、それら希釈剤
は１０００℃以上の温度において次第に分解または昇華
して、反応生成物から分離される。これらの希釈剤の好
ましい配合割合は、１０〜７０重量％である。
【００２７】分解・昇華した希釈剤により反応炉が汚染
される虞があるため、上述した希釈剤の使用を、できれ
ば本発明に係る窒化物の初めての合成時の一度に限るの
が好ましく、一旦、合成してしまえば、得られた本発明
に係る窒化物自体を希釈剤として使用することができ
る。この場合、希釈剤となる窒化物の好ましい配合割合
は、１０〜８０重量％である。
される虞があるため、上述した希釈剤の使用を、できれ
ば本発明に係る窒化物の初めての合成時の一度に限るの
が好ましく、一旦、合成してしまえば、得られた本発明
に係る窒化物自体を希釈剤として使用することができ
る。この場合、希釈剤となる窒化物の好ましい配合割合
は、１０〜８０重量％である。
【００２８】単体と接触させる反応ガスは、15Ｎを含有
する窒化性ガス、例えば15Ｎ2ガスやアンモニア（15Ｎ
Ｈ3）ガス、或はそれらを含む混合ガスなどである。
する窒化性ガス、例えば15Ｎ2ガスやアンモニア（15Ｎ
Ｈ3）ガス、或はそれらを含む混合ガスなどである。
【００２９】また、窒化物中における15Ｎの純度の低下
を招くことなく窒化物への15Ｎの転換効率を１００％に
近づけるためには、反応炉内の空容積を小さくしてガス
のロスを低減すればよく、反応炉の設計においてその形
状や寸法等に配慮することは勿論であるが、例えば反応
炉内の空間にスペーサーなどを置くなどして反応炉内の
空容積を減少させるようにするとなおよい。スペーサー
の材料としては、窒化反応に関与しない安定なものであ
れば如何なるものでもよく、例えばカーボン、Ａｌ
2Ｏ3、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）などが挙げ
られる。
を招くことなく窒化物への15Ｎの転換効率を１００％に
近づけるためには、反応炉内の空容積を小さくしてガス
のロスを低減すればよく、反応炉の設計においてその形
状や寸法等に配慮することは勿論であるが、例えば反応
炉内の空間にスペーサーなどを置くなどして反応炉内の
空容積を減少させるようにするとなおよい。スペーサー
の材料としては、窒化反応に関与しない安定なものであ
れば如何なるものでもよく、例えばカーボン、Ａｌ
2Ｏ3、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）などが挙げ
られる。
【００３０】
【作用】本発明に係る窒化物は、９５原子％以上の割合
で 15 Ｎを含有しているため、14Ｎよりなる窒化物が本来
具えてなる高硬度や高熱伝導性、優れた耐熱衝撃性や耐
食性などの特性に加えて優れた耐中性子照射性も具えて
いる。例えば、極めて優れた熱伝導性を具えてなる窒化
アルミニウムに耐中性子照射性能を付与することができ
る。
で 15 Ｎを含有しているため、14Ｎよりなる窒化物が本来
具えてなる高硬度や高熱伝導性、優れた耐熱衝撃性や耐
食性などの特性に加えて優れた耐中性子照射性も具えて
いる。例えば、極めて優れた熱伝導性を具えてなる窒化
アルミニウムに耐中性子照射性能を付与することができ
る。
【００３１】また、その製造にあたっては、直接窒化法
を採用することにより15Ｎよりなる反応ガスの転換効率
が極めて高く、さらに反応炉内の空容積をできる限りな
くすことにより１００％に近い転換効率が得られる。そ
して、15Ｎの濃度ができる限り１００％に近い反応ガス
を用いるとともに、反応炉内の圧力を１．０kg/cm2以上
に保って外気からの汚染を防ぐことにより、高純度の15
Ｎよりなる窒化物を製造することが可能となる。
を採用することにより15Ｎよりなる反応ガスの転換効率
が極めて高く、さらに反応炉内の空容積をできる限りな
くすことにより１００％に近い転換効率が得られる。そ
して、15Ｎの濃度ができる限り１００％に近い反応ガス
を用いるとともに、反応炉内の圧力を１．０kg/cm2以上
に保って外気からの汚染を防ぐことにより、高純度の15
Ｎよりなる窒化物を製造することが可能となる。
【００３２】そして、単体が金属粉末の場合には、硫黄
または燐などの希釈剤を用いることにより、窒化反応温
度以下で、硫黄または燐が金属粉末の一部と容易に反応
し、金属の硫化物または燐化物の様な中間生成物を形成
する。この中間生成物は、一般に１０００℃までは安定
であり、金属粉末の凝集を防ぐように作用し、また１０
００℃以上では分解または昇華するので反応生成物中に
残留することはない。希釈剤として金属の弗化物、金属
の燐化物、金属の硫化物を用いる場合も同様である。
または燐などの希釈剤を用いることにより、窒化反応温
度以下で、硫黄または燐が金属粉末の一部と容易に反応
し、金属の硫化物または燐化物の様な中間生成物を形成
する。この中間生成物は、一般に１０００℃までは安定
であり、金属粉末の凝集を防ぐように作用し、また１０
００℃以上では分解または昇華するので反応生成物中に
残留することはない。希釈剤として金属の弗化物、金属
の燐化物、金属の硫化物を用いる場合も同様である。
【００３３】希釈剤として本発明に係る窒化物を用いれ
ば、反応炉内が汚染されることがないので、高純度の15
Ｎよりなる窒化物を製造する際には、この様な希釈剤を
使用することは極めて有効である。
ば、反応炉内が汚染されることがないので、高純度の15
Ｎよりなる窒化物を製造する際には、この様な希釈剤を
使用することは極めて有効である。
【００３４】
【実施例】以下に実施例および比較例を挙げて、本発明
に係る同位体窒素を含有する窒化物及びその製造方法に
付いて説明する。なお、本発明はこの実施例により何等
限定されるものではない。
に係る同位体窒素を含有する窒化物及びその製造方法に
付いて説明する。なお、本発明はこの実施例により何等
限定されるものではない。
【００３５】先ず、本発明に係る窒化物の製造装置の概
略構成図を図１に示す。同図に示すように、この製造装
置１００は、炉芯管１１及び図示しない加熱器からなる
反応炉１０に、炉芯管１１内を真空に引く真空ポンプ
（ロータリーポンプ）２０、アルゴン（Ａｒ）ガスなど
を充填した不活性ガスボンベ３０、および15Ｎよりなる
反応ガス、例えば15Ｎ2ガスを充填した15Ｎガスボンベ
４０が連結されてなる。1 5Ｎガスボンベ４０と炉芯管１
１との間にはガス積算流量計５０が設けられていて、炉
芯管１１に供給するガスの流量を調整するとともに供給
したガス量がわかるようになっている。同図において
は、炉芯管１１内の中央に反応物質であるＡｌ粉末を積
載した反応容器（ボート）６０が設置されるようになっ
ている。また、炉芯管１１にはその内部のガスを排気す
るための排気口１２が開閉可能に設けられている。な
お、符号１３で示したものは断熱材であり、符号３１，
４１で示したものはガス圧調整器であり、符号７０で示
したものは炉芯管１１内の空容積を小さくするために詰
められるスペーサーであり、符号８０，８１，８２，８
３，８４，８５で示したものは開閉バルブである。
略構成図を図１に示す。同図に示すように、この製造装
置１００は、炉芯管１１及び図示しない加熱器からなる
反応炉１０に、炉芯管１１内を真空に引く真空ポンプ
（ロータリーポンプ）２０、アルゴン（Ａｒ）ガスなど
を充填した不活性ガスボンベ３０、および15Ｎよりなる
反応ガス、例えば15Ｎ2ガスを充填した15Ｎガスボンベ
４０が連結されてなる。1 5Ｎガスボンベ４０と炉芯管１
１との間にはガス積算流量計５０が設けられていて、炉
芯管１１に供給するガスの流量を調整するとともに供給
したガス量がわかるようになっている。同図において
は、炉芯管１１内の中央に反応物質であるＡｌ粉末を積
載した反応容器（ボート）６０が設置されるようになっ
ている。また、炉芯管１１にはその内部のガスを排気す
るための排気口１２が開閉可能に設けられている。な
お、符号１３で示したものは断熱材であり、符号３１，
４１で示したものはガス圧調整器であり、符号７０で示
したものは炉芯管１１内の空容積を小さくするために詰
められるスペーサーであり、符号８０，８１，８２，８
３，８４，８５で示したものは開閉バルブである。
【００３６】続いて、本発明に係る窒化物を製造する際
に使用した原料または材料に付いて以下に説明する。反
応物質である単体として、純度＞９９．９％で平均粒径
が約２４μｍのＡｌ粉末を用い、また反応ガスとして、
窒素ガス純度＞９９．９％で９９．７原子％の15Ｎと
０．３原子％の14Ｎとからなる15Ｎ2ガスを用いた。実
施例１及び比較例１においては、希釈剤として弗化アル
ミニウム（ＡｌＦ3）の特級試薬を用いた。反応容器６
０およびスペーサー７０に付いてはカーボン質のものを
用いた。
に使用した原料または材料に付いて以下に説明する。反
応物質である単体として、純度＞９９．９％で平均粒径
が約２４μｍのＡｌ粉末を用い、また反応ガスとして、
窒素ガス純度＞９９．９％で９９．７原子％の15Ｎと
０．３原子％の14Ｎとからなる15Ｎ2ガスを用いた。実
施例１及び比較例１においては、希釈剤として弗化アル
ミニウム（ＡｌＦ3）の特級試薬を用いた。反応容器６
０およびスペーサー７０に付いてはカーボン質のものを
用いた。
【００３７】（実施例１）Ａｌ粉末１４gとＡｌＦ3７g
とを混合して反応容器６０に充填してから炉芯管１１に
挿入し、スペーサー７０を詰めて炉芯管１１を密閉し
た。スペーサー７０により、反応炉内の空容積を３．８
６ｌから０．７５ｌまで約８１％減少させることができ
た。そして、真空ポンプ２０を作動させながら、加熱し
て室温から３５０℃まで昇温させ、３５０℃で１時間保
持して反応炉内を約１０-2Torr（約１．３Pa）まで真空
に引いた。しかる後、Ａｒガスで２回パージして反応炉
内に残留する不純物ガスを炉外に排出してから、反応炉
内に15Ｎ2ガスを導入して反応炉内の圧力を１．１〜
１．５kg／cm2に保った。この状態で、さらに加熱して
６〜１０℃／分の昇温速度で３５０℃から１２００℃ま
で昇温させ、１２００℃で６０分間保持して窒化反応を
行わせた。反応後、１０００℃まで１０℃／分の降温速
度で冷却した後、炉冷させた。
とを混合して反応容器６０に充填してから炉芯管１１に
挿入し、スペーサー７０を詰めて炉芯管１１を密閉し
た。スペーサー７０により、反応炉内の空容積を３．８
６ｌから０．７５ｌまで約８１％減少させることができ
た。そして、真空ポンプ２０を作動させながら、加熱し
て室温から３５０℃まで昇温させ、３５０℃で１時間保
持して反応炉内を約１０-2Torr（約１．３Pa）まで真空
に引いた。しかる後、Ａｒガスで２回パージして反応炉
内に残留する不純物ガスを炉外に排出してから、反応炉
内に15Ｎ2ガスを導入して反応炉内の圧力を１．１〜
１．５kg／cm2に保った。この状態で、さらに加熱して
６〜１０℃／分の昇温速度で３５０℃から１２００℃ま
で昇温させ、１２００℃で６０分間保持して窒化反応を
行わせた。反応後、１０００℃まで１０℃／分の降温速
度で冷却した後、炉冷させた。
【００３８】窒化反応終了後の生成物を同定するため
に、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による定性分析を行った。その
回折パターンを図２に示す。同図に示すように、この生
成物は略単一相のＡｌ15Ｎであることが確認された。
に、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による定性分析を行った。その
回折パターンを図２に示す。同図に示すように、この生
成物は略単一相のＡｌ15Ｎであることが確認された。
【００３９】また、生成されたＡｌ15Ｎの全窒素量に占
める15Ｎの比率を測定して求め、それに基いて算出した
15Ｎ2ガスの必要量と、ガス積算流量計５０にて計測さ
れたガス使用量とから15Ｎ2ガスの転換効率を求めた。
15Ｎの比率の測定は、Ａｌ15Ｎを硫酸（Ｈ2ＳＯ4）と弗
化水素酸（ＨＦ）との混酸溶液で溶解し、分解して生じ
たガスを塩酸（ＨＣｌ）溶液で吸収して塩化アンモニウ
ム（15ＮＨ4Ｃｌ）に変換した後、質量分析計を用いて
行った。その結果を表１に示す。
める15Ｎの比率を測定して求め、それに基いて算出した
15Ｎ2ガスの必要量と、ガス積算流量計５０にて計測さ
れたガス使用量とから15Ｎ2ガスの転換効率を求めた。
15Ｎの比率の測定は、Ａｌ15Ｎを硫酸（Ｈ2ＳＯ4）と弗
化水素酸（ＨＦ）との混酸溶液で溶解し、分解して生じ
たガスを塩酸（ＨＣｌ）溶液で吸収して塩化アンモニウ
ム（15ＮＨ4Ｃｌ）に変換した後、質量分析計を用いて
行った。その結果を表１に示す。
【表１】
【００４０】（比較例１）Ａｌ粉末１４gとＡｌＦ3７g
とを混合して反応容器６０に充填してから炉芯管１１に
挿入して密閉した。そして、真空ポンプ２０を作動させ
ながら、加熱して室温から３５０℃まで昇温させ、３５
０℃で１時間保持して反応炉内を約１０-2Torrまで真空
に引いた。しかる後、Ａｒガスで２回パージしてから、
反応炉内に15Ｎ2ガスを導入して反応炉内の圧力を０．
２〜０．５kg／cm2に保った。この状態で、６〜１０℃
／分の昇温速度で３５０℃から１２００℃まで昇温さ
せ、１２００℃で６０分間保持して窒化反応を行わせ
た。反応後、１０００℃まで１０℃／分の降温速度で冷
却した後、炉冷させた。
とを混合して反応容器６０に充填してから炉芯管１１に
挿入して密閉した。そして、真空ポンプ２０を作動させ
ながら、加熱して室温から３５０℃まで昇温させ、３５
０℃で１時間保持して反応炉内を約１０-2Torrまで真空
に引いた。しかる後、Ａｒガスで２回パージしてから、
反応炉内に15Ｎ2ガスを導入して反応炉内の圧力を０．
２〜０．５kg／cm2に保った。この状態で、６〜１０℃
／分の昇温速度で３５０℃から１２００℃まで昇温さ
せ、１２００℃で６０分間保持して窒化反応を行わせ
た。反応後、１０００℃まで１０℃／分の降温速度で冷
却した後、炉冷させた。
【００４１】上記実施例１と同様に質量分析計を用い
て、生成されたＡｌ15Ｎの全窒素量に占める15Ｎの比率
を求め、それに基いて15Ｎ2ガスの転換効率を求めた。
その結果を表１に示す。
て、生成されたＡｌ15Ｎの全窒素量に占める15Ｎの比率
を求め、それに基いて15Ｎ2ガスの転換効率を求めた。
その結果を表１に示す。
【００４２】（実施例２）実施例１において生成された
Ａｌ15Ｎ粉末１７gを希釈剤とし、これとＡｌ粉末１
３．６gとを混合して反応容器６０に充填した後、実施
例１と同様の手順で窒化反応を行わせた。
Ａｌ15Ｎ粉末１７gを希釈剤とし、これとＡｌ粉末１
３．６gとを混合して反応容器６０に充填した後、実施
例１と同様の手順で窒化反応を行わせた。
【００４３】上記第１実施例と同様に、窒化反応終了後
の生成物を同定するために、ＸＲＤによる定性分析を行
った。その回折パターンを図３に示す。同図に示すよう
に、この生成物は単一相のＡｌ15Ｎであることが確認さ
れた。
の生成物を同定するために、ＸＲＤによる定性分析を行
った。その回折パターンを図３に示す。同図に示すよう
に、この生成物は単一相のＡｌ15Ｎであることが確認さ
れた。
【００４４】また、上記実施例１と同様に質量分析計を
用いて、生成されたＡｌ15Ｎの全窒素量に占める15Ｎの
比率を求め、それに基いて15Ｎ2ガスの転換効率を求め
た。その結果を表１に示す。なお、Ａｌ15Ｎの生成量
は、反応終了後に反応容器６０内に存在するＡｌ15Ｎの
全量から希釈剤として混合したＡｌ15Ｎの量を差し引い
たものである。
用いて、生成されたＡｌ15Ｎの全窒素量に占める15Ｎの
比率を求め、それに基いて15Ｎ2ガスの転換効率を求め
た。その結果を表１に示す。なお、Ａｌ15Ｎの生成量
は、反応終了後に反応容器６０内に存在するＡｌ15Ｎの
全量から希釈剤として混合したＡｌ15Ｎの量を差し引い
たものである。
【００４５】さらに、生成されたＡｌ15Ｎを振動ミルで
１時間粉砕してその粉末を得た。この粉末の粉体特性を
表２に示す。なお、同表のＢＥＴ法とは、粒子表面に占
有面積既知の分子などを吸着させ、ＢＥＴ式により解析
する方法である。
１時間粉砕してその粉末を得た。この粉末の粉体特性を
表２に示す。なお、同表のＢＥＴ法とは、粒子表面に占
有面積既知の分子などを吸着させ、ＢＥＴ式により解析
する方法である。
【表２】
【００４６】なお、上記実施例においては、反応物質と
してＡｌ粉末を用いたが、これに限定されるものではな
く、その他の金属粉末やＢの粉末などを用いてもよく、
さらには本発明を、単体のみならず合金の粉末などを反
応物質とする場合にも適用可能である。また、反応物質
は粉末の状態に限らないのはいうまでもない。
してＡｌ粉末を用いたが、これに限定されるものではな
く、その他の金属粉末やＢの粉末などを用いてもよく、
さらには本発明を、単体のみならず合金の粉末などを反
応物質とする場合にも適用可能である。また、反応物質
は粉末の状態に限らないのはいうまでもない。
【００４７】
【発明の効果】本発明に係る同位体窒素を含有する窒化
物によれば、９５原子％以上の割合で 15 Ｎを含有してお
り、15Ｎを含む窒化物を提供するという目的が達成さ
れ、またこの窒化物は優れた耐中性子照射性を具えてい
るので、中性子照射に対して安定であり、例えば一用途
として挙げられる原子炉や核融合炉用のセラミックス材
料としての窒化物の実用化を可能ならしめるものであ
る。
物によれば、９５原子％以上の割合で 15 Ｎを含有してお
り、15Ｎを含む窒化物を提供するという目的が達成さ
れ、またこの窒化物は優れた耐中性子照射性を具えてい
るので、中性子照射に対して安定であり、例えば一用途
として挙げられる原子炉や核融合炉用のセラミックス材
料としての窒化物の実用化を可能ならしめるものであ
る。
【００４８】また、本発明に係る同位体窒素を含有する
窒化物の製造方法によれば、高純度の15Ｎよりなる反応
ガスを用いた直接窒化法を採用し、反応系の圧力を１．
０kg/cm2以上に保つことにより、高純度の15Ｎを含む窒
化物を、極めて高い15Ｎの転換効率でもって製造するこ
とができるので、経済性および工業的量産性に優れてお
り、従って、本発明は実用価値が極めて大なるものであ
る。
窒化物の製造方法によれば、高純度の15Ｎよりなる反応
ガスを用いた直接窒化法を採用し、反応系の圧力を１．
０kg/cm2以上に保つことにより、高純度の15Ｎを含む窒
化物を、極めて高い15Ｎの転換効率でもって製造するこ
とができるので、経済性および工業的量産性に優れてお
り、従って、本発明は実用価値が極めて大なるものであ
る。
【図１】本発明に係る窒化物の製造に供せられる製造装
置の一例を示す図である。
置の一例を示す図である。
【図２】本発明に係る窒化物の実施例１におけるＸ線回
折パターンを示す図である。
折パターンを示す図である。
【図３】本発明に係る窒化物の実施例２におけるＸ線回
折パターンを示す図である。
折パターンを示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 頼 高潮 大阪府大阪市中央区久太郎町三丁目６番 ８号 東洋アルミニウム株式会社内 (72)発明者 横手 隆昌 大阪府大阪市中央区久太郎町三丁目６番 ８号 東洋アルミニウム株式会社内 (72)発明者 内村 栄吉 大阪府大阪市中央区久太郎町三丁目６番 ８号 東洋アルミニウム株式会社内 審査官 大工原 大二 (56)参考文献 分析機器（1972），Ｖｏｌ10 Ｎｏ. 10 Ｐ685−695 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C01B 21/06 C01B 21/072 ＣＡ（ＳＴＮ)
Claims (6)
- 【請求項１】 窒化物中の全窒素量に対して、同位体窒
素を９５原子％以上含有していることを特徴とする同位
体窒素を含有する窒化物。 - 【請求項２】 窒化アルミニウムであることを特徴とす
る請求項１に記載の同位体窒素を含有する窒化物。 - 【請求項３】 請求項１乃至２に記載の窒化物を製造す
るにあたり、少なくとも窒化反応が起こる温度以上の温
度および同位体窒素ガス雰囲気下で、前記窒化物の構成
元素となり得る単体と同位体窒素ガスとを直接接触させ
ることにより、その単体を窒化させ、前記同位体窒素ガ
スは、全窒素量に対して、同位体窒素を、９５原子％を
越える割合で含有していることを特徴とする同位体窒素
を含有する窒化物の製造方法。 - 【請求項４】 反応系における圧力が１．０kg/cm2以上
であることを特徴とする請求項３に記載の同位体窒素を
含有する窒化物の製造方法。 - 【請求項５】 前記単体を、窒化反応の反応熱により上
昇する単体の温度を下げる希釈剤に予め混合させておく
ことを特徴とする請求項３または４に記載の同位体窒素
を含有する窒化物の製造方法。 - 【請求項６】 前記希釈剤は、硫黄、燐、金属の弗化
物、金属の燐化物、金属の硫化物、および請求項１に記
載の窒化物、よりなる群から選ばれた一種或は二種以上
の混合物であることを特徴とする請求項５記載の同位体
窒素を含有する窒化物の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05334142A JP3073383B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 同位体窒素を含有する窒化物及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05334142A JP3073383B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 同位体窒素を含有する窒化物及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07187619A JPH07187619A (ja) | 1995-07-25 |
| JP3073383B2 true JP3073383B2 (ja) | 2000-08-07 |
Family
ID=18274003
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05334142A Expired - Fee Related JP3073383B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 同位体窒素を含有する窒化物及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3073383B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3778669B2 (ja) * | 1997-09-29 | 2006-05-24 | トヨタ自動車株式会社 | 光−磁気光学効果測定装置 |
| JP4729180B2 (ja) * | 2001-02-02 | 2011-07-20 | 株式会社茨木研究所 | 窒化アルミニウムの製造方法 |
| EP4101813A1 (en) * | 2020-02-06 | 2022-12-14 | Tokuyama Corporation | Method for producing aluminum nitride powder, aluminum nitride powder, and package |
-
1993
- 1993-12-28 JP JP05334142A patent/JP3073383B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 分析機器（１９７２），Ｖｏｌ１０ Ｎｏ．１０ Ｐ６８５−６９５ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07187619A (ja) | 1995-07-25 |
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| JPS6132244B2 (ja) |
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