JP3600279B2

JP3600279B2 - 比抵抗の制御されたアルミナ系複合セラミックスおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3600279B2
Application number: JP27555694A
Authority: JP
Inventors: 隆司藤井; 美明濱田; 直人外ノ池; 義雄仲田
Original assignee: Nisshin Seifun Group Inc
Current assignee: Nisshin Seifun Group Inc
Priority date: 1994-10-17
Filing date: 1994-10-17
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: JPH08119722A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はアルミナ系複合セラミックスに係り、さらに詳しくは、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＮ二成分系複合セラミックスおよびその製造方法に関する。本発明のアルミナ系複合セラミックスは、アルミナ系セラミックスの有する本来の機械的特性、化学的特性を保持し、かつ比抵抗値が１×１０^４〜５×１０^６Ω・ｃｍに制御されていることから、帯電防止材料など新規用途への応用が期待できる。
【０００２】
【従来の技術】
アルミナ系セラミックスは、一般に高融点、高強度、高硬度、電気絶縁性、高熱伝導性を有し、かつ化学的に安定であることから、耐熱材料、構造用材料、切削工具、研削・研磨材料、理化学用磁器、生体材料、ＩＣ基板パッケージなどの電気絶縁材料、触媒担体などの広範な各種用途に多用されている。
【０００３】
アルミナ焼結体は、１０^１４Ω・ｃｍオーダーの電気絶縁性を有しているが、それ以外の物理的、機械的および化学的特性を生かし、種々の用途に応用することを目的として導電性を付与する試みが種々提案されている。たとえば、特開昭６１−２８１０５９号公報には、Ｓｉ_３ＮやＴｉＮなどの導電性物質をセラミックス粒子の表面にコーティングした粉末とＡｌ_２Ｏ_３などの非導電性セラミックス粉末とを混合し、所望により焼結助剤を添加して成形焼結した放電加工可能な程度の比抵抗を有する焼結体が、特開昭５９−７８９７３号公報には、Ａｌ_２Ｏ_３を９５重量％以上含有するＡｌ_２Ｏ_３系セラミックス５〜７０重量％とＴｉＮなどの導電材３０〜９５重量％とからなる組成物を焼結した発熱体用の導電性セラミックスが、特開平１−１１５８５６号公報には、アルミニウム酸化物などの非導電性セラミック基材に、ＣａＯなどの焼結助剤とＴｉＮなどの導電性微粒子を添加し、さらに有機バインダーを加えて造粒し成形して焼結したセラミック抵抗体が、特開平４−２３０９０４号公報には、アルミナを主成分とするマトリックス中にＴｉなどの窒化物を４〜２３体積％含有する面抵抗率が１０^４〜１０^１０Ω／ｃｍ^２の範囲の帯電除去用セラミックスが開示されている。
【０００４】
一方、高密度セラミックス焼結体の製造用に、ＲＦプラズマ法によりシリカなどの焼結助剤の超微粒子を被着したアルミナなどの原料セラミックス粒子およびその製造方法を、本願出願人は提案してきた（特開平３−７５３０２号公報、特開平３−２４５８３５号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように、アルミナ系セラミックスは、広範な用途を有するが、その焼結体は特に高強度、高硬度、高耐蝕性である一方、高絶縁性であり帯電性を有することなどからその用途は制限を受けている。たとえば、この帯電性は、焼結体に導電性を付与し比抵抗値を１０^３〜１０^７Ω・ｃｍ程度に制御することにより防止できる。前記従来技術には、１０^−６Ω・ｃｍオーダー程度までの高導電性を有するアルミナ系セラミックスが開示されているが、導電性を付与するために大量の導電性物質と焼結助剤などの第三物質を添加している。その結果高導電性を有する焼結体においてはＡｌ_２Ｏ_３の含有率は高くても７０重量％程度であり、アルミナ焼結体の有する本来の機械的特性や化学的特性が保持されていない。一方、特開平４−２３０９０４号公報に開示されたＡｌ_２Ｏ_３−ＴｉＮ二成分系の帯電除去用セラミックスにおいては、相対密度および強度が多くの用途に対して十分とはいえない。
【０００６】
本発明は、高密度、高強度を有し、かつ比抵抗の制御されたＡｌ_２Ｏ_３−ＴｉＮ二成分系アルミナ系複合セラミックスおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記目的を達成すべく鋭意研究した結果、Ａｌ_２Ｏ_３微粉末にＴｉＮの超微細粒子を被着し焼結した焼結体の比抵抗値が、ＴｉＮ含有率との間に相関関係を有することを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
本発明は、ＴｉＮ：２５〜１０重量％を含み、Ａｌ_２Ｏ_３マトリックス中にＴｉＮ超微粒子が均一分散した、相対密度が９６％以上、かつ比抵抗値が１×１０^４〜５×１０^６Ω・ｃｍの範囲に制御された焼結体からなることを特徴とするアルミナ系複合セラミックスである。
さらに詳しくは、添付図２の走査型電子顕微鏡写真に示すようにＡｌ_２Ｏ_３の微細粒子からなるマトリックス中に、平均粒径０．００５〜０．１μｍのＴｉＮ超微粒子が均一に分散した高密度の焼結体である。
【０００９】
本発明において、ＴｉＮの含有量が過小な場合、実用的な比抵抗値の範囲外となり、一方、導電性の付与のためにはその上限はないが、過大となるとＡｌ_２Ｏ_３の含有率の低下に伴うアルミナ系セラミックスとしての諸特性が低下するので好ましくない。アルミナ系セラミックスとしての電気特性以外の諸特性を維持するためには、Ａｌ_２Ｏ_３を少なくとも７５重量％含有することが好ましい。
【００１０】
本発明のアルミナ系複合セラミックスの焼結体は、平均粒子径０．１〜１０μｍを有するＡｌ_２Ｏ_３微粉末に、平均粒径０．００５〜０．１μｍのＴｉＮ超微粒子を被着し、ＴｉＮの被着量を２５〜１０％に制御したＡｌ_２Ｏ_３微粉末を加圧成形した後、不活性ガス雰囲気下、１６００℃以上の温度で焼結することにより製造することができる。
【００１１】
Ａｌ_２Ｏ_３微粉末は、Ａｌ_２Ｏ_３を粉砕して得られる無定形の粉末であり、その平均粒径が過小な場合、比表面積が過大となりＴｉＮ超微粒子を均一に被着するための被着量が大きくなり、得られるＡｌ_２Ｏ_３焼結体としての特性が損なわれる。また平均粒径が過大な場合には、焼結性の低下を防止するためのＴｉＮの被着量が増大する。Ａｌ_２Ｏ_３微粉末として、平均粒径０．２〜２μｍの微粉末が特に好ましい。
【００１２】
Ａｌ_２Ｏ_３微粉末へのＴｉＮ超微粒子の被着量は、焼結時にＴｉＮの連続した相が形成されず、またＡｌ_２Ｏ_３焼結体としてのの特性が損なわれない範囲であればよく、Ａｌ_２Ｏ_３微粉末の平均粒子径および比表面積により異なる。
【００１３】
Ａｌ_２Ｏ_３微粉末へのＴｉＮ超微粒子の被着法として、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法を採用できるが、本願出願人が提案した前記ＲＦプラズマ法の採用が好ましい。ＲＦプラズマ法においては、Ａｒガスなどをプラズマトーチ内でプラズマ化した中に、原料のＴｉＮ微粉末をＮ_２ガスなどのキャリアーガスで搬送させて導入して蒸発させるか、または金属Ｔｉ微粉末をシースガスのＮ_２ガスに搬送させて導入し金属ＴｉとＮ_２ガスを反応させ、プラズマトーチの下流側にＡｌ_２Ｏ_３微粉末を導入することにより、その表面に０．００５〜０．１μｍの平均粒子径を有するＴｉＮ超微粒子を均一に被着することができる。ＴｉＮ超微粒子の被着量の制御は、ＴｉＮまたは金属ＴｉとＡｌ_２Ｏ_３微粉末の供給量比を制御することにより容易に行うことができる。
【００１４】
ＴｉＮ超微粒子を被着したＡｌ_２Ｏ_３微粉末を加圧成形し、不活性ガス、たとえばＮ_２ガス雰囲気下、１６００℃以上の温度で焼結させることにより、９５％以上の相対密度を有する高密度の焼結体を得ることができる。加圧成形法には特に制限はなく、単軸プレス、冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）などを採用することができる。
【００１５】
【作用】
本発明の焼結体は、図２の走査型電子顕微鏡写真に示すように、Ａｌ_２Ｏ_３微細粒子間にＴｉＮ超微粒子が均一分散していることにより、図１に示すように、ＴｉＮ含有率と比抵抗値との関係が半対数グラフ上で直線となり、制御された比抵抗値を有する。また本発明において、Ａｌ_２Ｏ_３微粉末へのＴｉＮ超微粒子の被着量を制御することにより、焼結体の比抵抗値が制御される。
【００１６】
また、図２に示すＴｉＮ超微粒子の分散状態は、高密度の焼結体であることを示し、Ａｌ_２Ｏ_３焼結体としての機械的および化学的特性を維持していることを示している。
【００１７】
以下に本発明を実施例および比較例により、さらに詳細に説明する。ただし、本発明の範囲は、以下の実施例により何等の制限を受けるものではない。
【００１８】
【実施例】
（１）ＴｉＮ超微粒子を被着したＡｌ_２Ｏ_３微粉末の製造
プラズマトーチが７０ｍｍφ×２００ｍｍのＲＦプラズマ発生装置を用い、プラズマガスとしてＡｒガスを３０リットル／分の速度で供給しＡｒプラズマを発生させた。一方、シースガスとしてのＮ_２ガスを５０リットル／分の速度で供給しながらシースガス中に金属Ｔｉを供給速度を変えて供給し、プラズマトーチ内でＮ_２と反応させた。プラズマトーチの下流側に平均粒子径が０．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３微粉末を１０ｇ／分の供給速度で供給し、Ａｌ_２Ｏ_３微粉末にＴｉＮの超微粒子を被着させ、それぞれ表１に示すＡｌ_２Ｏ_３アルミナ含有率のＴｉＮの超微粒子の被着したＡｌ_２Ｏ_３微粉末：試料１〜３を得た。
【００１９】
（２）比較試料の調製
前記（１）用いたものと同一ロットのＡｌ_２Ｏ_３粉末と平均粒径が１．０〜１．５μｍの市販のＴｉＮをボールミルを用いエタノール中で２４時間混合した後、乾燥しＡｌ_２Ｏ_３アルミナ含有率が９０、８５および８０重量％の混合材料：試料４〜６を調製した。
【００２０】
（３）焼結体の製造および評価
前記（１）および（２）で調製した試料１〜３および比較用試料４〜６のそれぞれを、単軸プレスを用いて５００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で、さらに冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）を用いて２０００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力の同一の条件で加圧成形した後、窒素ガス雰囲気下、１６００℃で１時間焼結し焼結体を得た。得られた焼結体の全試料について、相対密度、比抵抗および曲げ強度を測定した。
測定結果を、表１に示す。またＴｉＮ含有率と比抵抗値の関係を図１に、実施例１の焼結体および比較例１の焼結体の走査型電子顕微鏡写真を図２および図３に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
図２の走査型電子顕微鏡写真に示したように、実施例１の焼結体においては、Ａｌ_２Ｏ_３微細粒子間にＴｉＮ超微粒子が均一に分散しており、その結果、実施例においては、ＴｉＮ含有率と比抵抗値の間に半対数グラフ上で直線的な関係が生じる。一方、図３に示す比較例１の焼結体においては、ＴｉＮ超微粒子の凝集した相が認められる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明のアルミナ系複合セラミックスの焼結体は、前記実施例に示したように相対密度が９６％以上の高密度および曲げ強度が４００ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ制御された比抵抗値を有する。またその製造方法においては、Ａｌ_２Ｏ_３微粉末とＴｉＮ源の供給量比を制御することにより、焼結体の比抵抗値を任意に制御することができる。
その結果、本発明においては、所望により比抵抗値の制御されたアルミナ系複合セラミックスを提供できるので、その帯電防止材料など新規利用分野の開発が期待できる。
【００２４】
本発明は、アルミナ系セラミックスの有する本来の物理的特性、機械的特性および化学的特性を維持し、かつ制御された比抵抗値を有するアルミナ系複合セラミックスおよびその製造方法を提供するものであり、その産業的意義は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で得られた焼結体のＴｉＮ含有率と比抵抗値の関係を示すグラフ。
【図２】実施例１で得られた焼結体の走査型電子顕微鏡写真（３０００倍）。
【図３】比較例１で得られた焼結体の走査型電子顕微鏡写真（３０００倍）。

Claims

平均粒子径０.１〜１０μｍを有するＡｌ₂Ｏ₃微粉末に、平均粒径０.００５〜０.１μｍのＴｉＮ超微粒子を被着し、ＴｉＮの被着量を２５〜１０重量％に制御したＡｌ₂Ｏ₃微粉末を加圧成形した後、不活性ガス雰囲気下、１６００℃以上の温度で焼結することにより製造される、Ａｌ₂Ｏ₃マトリックス中にＴｉＮ超微粒子が均一分散した、相対密度が９６％以上、かつ比抵抗値が１×１０⁴〜５×１０⁶Ω・cmの範囲に制御された焼結体からなることを特徴とするアルミナ系複合セラミックス。
Ａｌ₂Ｏ₃微粉末へのＴｉＮ超微粒子の被着法が、ＲＦプラズマ法である請求項１に記載のアルミナ系複合セラミックス。
平均粒子径０.１〜１０μｍを有するＡｌ₂Ｏ₃微粉末に、ＲＦプラズマ法を用いて平均粒径０.００５〜０.１μｍのＴｉＮ超微粒子を被着し、ＴｉＮの被着量を２５〜１０重量％に制御したＡｌ₂Ｏ₃微粉末を加圧成形した後、不活性ガス雰囲気下、１６００℃以上の温度で焼結することを特徴とする比抵抗値の制御されたアルミナ系複合セラミックスの製造方法。