JP4256012B2 - 燃焼合成反応によるＢＮ、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼合成方法によって高純度で微細なＢＮ、ＡｌＮ又はＳｉ3 Ｎ4 を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼合成方法は、２種以上の固体−固体原料あるいは気体原料中で固体原料の一端を加熱することにより化学反応を起こさせ、その際に発生する生成熱によって燃焼波を生じさせ、自発的に伝播する燃焼波が次層の未反応部を励起するという連鎖反応を繰り返すことによって化合物を得る方法である。かかる燃焼合成方法は、短時間で大量の化合物粉末を得ることができると共に、化学反応熱を利用する燃焼合成反応を開始させる着火時を除いて外部加熱が不要であり、数百℃の低い予熱で燃焼合成反応が起こるため、通常の高温外部加熱による合成方法と比較して経済的であるといった利点を有する。
【０００３】
従来、かかる燃焼合成反応を利用してＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 を製造することが行われており、その場合、窒素雰囲気中でボロン粉末、アルミニウム粉末、シリコン粉末が燃焼合成される。
【０００４】
ところで、ボロン粉末やアルミニウム粉末、シリコン粉末を窒素雰囲気中で窒化する際の反応温度は、窒素ガス圧に比例することが熱力学計算結果や温度測定により判明しており、窒素ガス圧を高くすれば反応温度も高くなり、低くすれば反応温度を下げることができるが、従来、固体の出発原料であるボロン粉末、アルミニウム粉末、シリコン粉末に着火してＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 の燃焼合成を行うには、窒素圧力をそれぞれ１０気圧、２気圧、３０気圧以上の高圧にする必要があった。
【０００５】
このような高圧の窒素雰囲気下においてＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 の燃焼合成を行った場合、得られるＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 粉末の粒径が大きくなり、焼結用に求められる微細で粒径の均一な粉末を得るためには、焼結合成後に、得られた合成粉末を粉砕しなければならず、この粉砕処理にコストがかかる上、粉砕中に不純物が混入するという問題があった。
【０００６】
また、従来、固体原料粉末に燃焼合成反応を開始させる加熱方法としては、カーボンヒータ、金属線を用いた電気抵抗加熱、あるいは５ｋＶ以上の高圧電源を使用した電極棒によるアーク放電加熱が用いられているが、これらの加熱方法ではカーボンヒータや、金属線、電極棒を構成する成分元素が生成物に不純物として取り込まれるため、高純度の化合物粉末を得ることができないという問題もあった。
【０００７】
そこで、この発明は、従来、燃焼合成反応が行えないとされていた所定圧力以下の窒素雰囲気下でＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 の燃焼合成反応を可能とすることにより、粉砕しなくても微細な化合物粉末が得られ、しかも着火用の加熱部材からの不純物の混入もない、高純度のＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 を製造する方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、出力を０．５Ｗ〜５００Ｗで７７０ｎｍよりも長い波長を有するレーザーをボロン粉末、アルミニウムのみからなる粉末、又は、シリコンのみからなる粉末のいずれか一つから選択される原料粉末に照射することにより、それぞれ、１０気圧以下、２気圧以下、３０気圧以下の窒素雰囲気で燃焼合成反応を開始させて、ＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4を製造するようにしたものである。
【０００９】
上記の方法により、ボロン粉末、アルミニウムのみからなる粉末、又は、シリコンのみからなる粉末を、それぞれ、１０気圧以下、２気圧以下、３０気圧以下という従来の窒素雰囲気の圧力よりも低い圧力で燃焼合成を行うことが可能となり、粒成長が抑制された微細な化合物粉末が得られる。
【００１０】
したがって、粉砕工程による不純物混入と、着火の際の不純物混入が避けられるため、高純度のＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 を製造することができるし、粉砕工程の省略によってコストも低減することができる。
【００１１】
この発明において燃焼合成反応を開始させる着火の際に用いるレーザとしては、出力０．５Ｗ〜５００Ｗで７７０ｎｍよりも長い波長を有するものであれば特に限定されず、市販の炭酸ガス（ＣＯ2 ）レーザーやイットリア・アルミナ・ガーネット（ＹＡＧ）レーザーを用いることができる。
【００１２】
レーザーの照射時間は、レーザーの波長や出力、および出発原料粉末の吸収率や粒径、粒子表面の酸化度合によって変化するが、出発原料粉末の表面を直径数ミリメートル程の局所加熱を行うことにより、遅くとも数十秒以内に着火が起こり、着火後はレーザー照射を止めても、発熱反応による燃焼波が連鎖的に進行して、所定の化合物が燃焼合成された。例えば、１気圧の窒素雰囲気中でＡｌ粉末表面を、近接させたカーボンヒータによって２０秒間電気抵抗加熱を行っても、また、１５ｋＶの高圧電源の電極棒によるアーク放電加熱を５ｍｍの距離から３０秒間行っても着火は起こらないが、出力３ＷのＣＯ2 レーザーを照射した場合には、約１秒後に着火が起こり、試料全体に燃焼波が広がってＡｌＮが燃焼合成された。
【００１３】
この発明における燃焼合成を耐圧容器内で行う場合、レーザー光は、耐圧容器内に設けたガラス窓やガラスファイバを介して耐圧容器内に照射されるが、この場合、ガラスに吸収されにくいＹＡＧレーザーを用いるが、ＣＯ2 レーザーでもほぼ同じ設定条件で着火が可能である。
【００１４】
この発明では、７７０ｎｍよりも長い波長を有するレーザーを使用するが、この波長よりも短い波長のレーザーでは、着火せず、燃焼合成反応が開始しなかった。
【００１５】
また、この発明で使用するレーザーの出力は、０．５Ｗ〜５００Ｗとするが、これは、０．５Ｗ以下では着火せず、５００Ｗ以上ではエネルギー密度が高すぎて、出発原料粉末表面から微小粉末がはじき飛ばされて着火しないためである。
【００１６】
また、７７０ｎｍよりも長い波長のレーザーを照射しても、窒素雰囲気の圧力が０．５気圧未満では着火しないので、この発明では、窒素雰囲気の圧力は少なくとも０．５気圧以上にする必要がある。
【００１７】
【実施例】
以下の実施例は、いずれも、出発原料粉末表面に近接または接触させたカーボンヒーターや金属線を用いた電気抵抗加熱、あるいは５ｋＶ以上の高圧電源を使用して出発原料粉末表面とわずかに離した電極棒間のアーク放電加熱を用いた方法では、着火が著しく困難もしくは不可能な反応系について、この発明によって燃焼合成が可能となった事例を列挙してある。
【００１８】
出発原料として粒径が０．１ｍｉｃｒｏｎ以下の非晶質ボロン粉末を充填したカーボン製坩堝を、反応容器内に置いた。３気圧の窒素ガス雰囲気中で、ガラスファイバーを介して反応容器内に導入した出力１０ＷのＹＡＧレーザーを出発原料表面に照射したところ、約２秒後に着火が起こった。レーザー照射を止めた後も、連鎖的に燃焼波が試料全体に広がり、化合物が燃焼合成された。２色放射温度計で反応温度を測定した結果、２６２０℃となっており、３気圧におけるＢＮの分解温度２６３０℃にほぼ一致した。得られた生成物は内部まですべて白色で、粉末Ｘ線回析装置を用いて固定したところ、六方晶ＢＮ単一相の微細な粉末となっていた。
【００１９】
【実施例２】
出発原料として平均粒径が４０ｍｉｃｒｏｎのアルミニウム粉末を充填したカーボン製坩堝を、反応容器内に置いた。１．５気圧の窒素ガス雰囲気中で、ガラスファイバーを介して反応容器内に導入した出力１０ＷのＹＡＧレーザーを出発原料表面に照射したところ、約１秒後に着火が起こった。レーザー照射を止めた後も、連鎖的に燃焼波が試料全体に広がり、化合物が燃焼合成された。２色放射温度計で反応温度を測定した結果、２５２０℃となっており、１．５気圧におけるＡｌＮの分解温度２５８０℃にほぼ一致した。得られた生成物は内部まですべて白色で、粉末Ｘ線回析装置を用いて固定したところ、ＡｌＮ単一相の微細な粉末となっていた。生成物の酸素含有量は２００ｐｐｍと少なく、残留Ａｌも１００ｐｐｍ以下の高純度なＡｌＮ粉末が得られた。
【００２０】
【実施例３】
出発原料として平均粒径が２０ｍｉｃｒｏｎのシリコン粉末を充填したカーボン製坩堝を、反応容器内に置いた。５気圧の窒素ガス雰囲気中で、ガラスファイバーを介して反応容器内に導入した出力２０ＷのＹＡＧレーザーを出発原料表面に照射したところ、約１秒後に着火が起こった。レーザー照射を止めた後も、連鎖的に燃焼波が試料全体に広がり、化合物が燃焼合成された。２色放射温度計で反応温度を測定した結果、１９２０℃となっており、５気圧におけるＳｉ3 Ｎ4 の分解温度１９６０℃にほぼ一致した。得られた生成物は内部まですべて白色で、粉末Ｘ線回析装置を用いて固定したところ、Ｓｉ3 Ｎ4 単一相の微細な粉末となっていた。生成物の酸素含有量は５００ｐｐｍと少量で、高純度なＳｉ3 Ｎ4 粉末が得られた。
【００２１】
【実施例４】
出発原料として平均粒径が５ｍｉｃｒｏｎのＳｉ粉末を充填したカーボン製坩堝を、反応容器内に置いた。３０気圧の窒素ガス雰囲気中で、ガラスファイバーを介して反応容器内に導入した出力１００ＷのＹＡＧレーザーを出発原料表面に照射したところ、約１秒後に着火が起こった。レーザー照射を止めた後も、連鎖的に燃焼波が試料全体に広がり、化合物が燃焼合成された。得られた生成物は内部まですべて白色で、粉末Ｘ線回析装置を用いて固定したところ、Ｓｉ3 Ｎ4 単一相の微細な粉末となっていた。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、以上のように、燃焼合成反応が行えないとされていた所定圧力以下の窒素雰囲気下でＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 の燃焼合成反応が行えるので、粉砕しなくても微細な化合物粉末が得られ、しかも着火用の加熱部材からの不純物の混入もない、高純度のＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 を製造することができる。
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼合成方法によって高純度で微細なＢＮ、ＡｌＮ又はＳｉ3 Ｎ4 を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼合成方法は、２種以上の固体−固体原料あるいは気体原料中で固体原料の一端を加熱することにより化学反応を起こさせ、その際に発生する生成熱によって燃焼波を生じさせ、自発的に伝播する燃焼波が次層の未反応部を励起するという連鎖反応を繰り返すことによって化合物を得る方法である。かかる燃焼合成方法は、短時間で大量の化合物粉末を得ることができると共に、化学反応熱を利用する燃焼合成反応を開始させる着火時を除いて外部加熱が不要であり、数百℃の低い予熱で燃焼合成反応が起こるため、通常の高温外部加熱による合成方法と比較して経済的であるといった利点を有する。
【０００３】
従来、かかる燃焼合成反応を利用してＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 を製造することが行われており、その場合、窒素雰囲気中でボロン粉末、アルミニウム粉末、シリコン粉末が燃焼合成される。
【０００４】
ところで、ボロン粉末やアルミニウム粉末、シリコン粉末を窒素雰囲気中で窒化する際の反応温度は、窒素ガス圧に比例することが熱力学計算結果や温度測定により判明しており、窒素ガス圧を高くすれば反応温度も高くなり、低くすれば反応温度を下げることができるが、従来、固体の出発原料であるボロン粉末、アルミニウム粉末、シリコン粉末に着火してＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 の燃焼合成を行うには、窒素圧力をそれぞれ１０気圧、２気圧、３０気圧以上の高圧にする必要があった。
【０００５】
このような高圧の窒素雰囲気下においてＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 の燃焼合成を行った場合、得られるＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 粉末の粒径が大きくなり、焼結用に求められる微細で粒径の均一な粉末を得るためには、焼結合成後に、得られた合成粉末を粉砕しなければならず、この粉砕処理にコストがかかる上、粉砕中に不純物が混入するという問題があった。
【０００６】
また、従来、固体原料粉末に燃焼合成反応を開始させる加熱方法としては、カーボンヒータ、金属線を用いた電気抵抗加熱、あるいは５ｋＶ以上の高圧電源を使用した電極棒によるアーク放電加熱が用いられているが、これらの加熱方法ではカーボンヒータや、金属線、電極棒を構成する成分元素が生成物に不純物として取り込まれるため、高純度の化合物粉末を得ることができないという問題もあった。
【０００７】
そこで、この発明は、従来、燃焼合成反応が行えないとされていた所定圧力以下の窒素雰囲気下でＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 の燃焼合成反応を可能とすることにより、粉砕しなくても微細な化合物粉末が得られ、しかも着火用の加熱部材からの不純物の混入もない、高純度のＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 を製造する方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、出力を０．５Ｗ〜５００Ｗで７７０ｎｍよりも長い波長を有するレーザーをボロン粉末、アルミニウムのみからなる粉末、又は、シリコンのみからなる粉末のいずれか一つから選択される原料粉末に照射することにより、それぞれ、１０気圧以下、２気圧以下、３０気圧以下の窒素雰囲気で燃焼合成反応を開始させて、ＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4を製造するようにしたものである。
【０００９】
上記の方法により、ボロン粉末、アルミニウムのみからなる粉末、又は、シリコンのみからなる粉末を、それぞれ、１０気圧以下、２気圧以下、３０気圧以下という従来の窒素雰囲気の圧力よりも低い圧力で燃焼合成を行うことが可能となり、粒成長が抑制された微細な化合物粉末が得られる。
【００１０】
したがって、粉砕工程による不純物混入と、着火の際の不純物混入が避けられるため、高純度のＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 を製造することができるし、粉砕工程の省略によってコストも低減することができる。
【００１１】
この発明において燃焼合成反応を開始させる着火の際に用いるレーザとしては、出力０．５Ｗ〜５００Ｗで７７０ｎｍよりも長い波長を有するものであれば特に限定されず、市販の炭酸ガス（ＣＯ2 ）レーザーやイットリア・アルミナ・ガーネット（ＹＡＧ）レーザーを用いることができる。
【００１２】
レーザーの照射時間は、レーザーの波長や出力、および出発原料粉末の吸収率や粒径、粒子表面の酸化度合によって変化するが、出発原料粉末の表面を直径数ミリメートル程の局所加熱を行うことにより、遅くとも数十秒以内に着火が起こり、着火後はレーザー照射を止めても、発熱反応による燃焼波が連鎖的に進行して、所定の化合物が燃焼合成された。例えば、１気圧の窒素雰囲気中でＡｌ粉末表面を、近接させたカーボンヒータによって２０秒間電気抵抗加熱を行っても、また、１５ｋＶの高圧電源の電極棒によるアーク放電加熱を５ｍｍの距離から３０秒間行っても着火は起こらないが、出力３ＷのＣＯ2 レーザーを照射した場合には、約１秒後に着火が起こり、試料全体に燃焼波が広がってＡｌＮが燃焼合成された。
【００１３】
この発明における燃焼合成を耐圧容器内で行う場合、レーザー光は、耐圧容器内に設けたガラス窓やガラスファイバを介して耐圧容器内に照射されるが、この場合、ガラスに吸収されにくいＹＡＧレーザーを用いるが、ＣＯ2 レーザーでもほぼ同じ設定条件で着火が可能である。
【００１４】
この発明では、７７０ｎｍよりも長い波長を有するレーザーを使用するが、この波長よりも短い波長のレーザーでは、着火せず、燃焼合成反応が開始しなかった。
【００１５】
また、この発明で使用するレーザーの出力は、０．５Ｗ〜５００Ｗとするが、これは、０．５Ｗ以下では着火せず、５００Ｗ以上ではエネルギー密度が高すぎて、出発原料粉末表面から微小粉末がはじき飛ばされて着火しないためである。
【００１６】
また、７７０ｎｍよりも長い波長のレーザーを照射しても、窒素雰囲気の圧力が０．５気圧未満では着火しないので、この発明では、窒素雰囲気の圧力は少なくとも０．５気圧以上にする必要がある。
【００１７】
【実施例】
以下の実施例は、いずれも、出発原料粉末表面に近接または接触させたカーボンヒーターや金属線を用いた電気抵抗加熱、あるいは５ｋＶ以上の高圧電源を使用して出発原料粉末表面とわずかに離した電極棒間のアーク放電加熱を用いた方法では、着火が著しく困難もしくは不可能な反応系について、この発明によって燃焼合成が可能となった事例を列挙してある。
【００１８】
出発原料として粒径が０．１ｍｉｃｒｏｎ以下の非晶質ボロン粉末を充填したカーボン製坩堝を、反応容器内に置いた。３気圧の窒素ガス雰囲気中で、ガラスファイバーを介して反応容器内に導入した出力１０ＷのＹＡＧレーザーを出発原料表面に照射したところ、約２秒後に着火が起こった。レーザー照射を止めた後も、連鎖的に燃焼波が試料全体に広がり、化合物が燃焼合成された。２色放射温度計で反応温度を測定した結果、２６２０℃となっており、３気圧におけるＢＮの分解温度２６３０℃にほぼ一致した。得られた生成物は内部まですべて白色で、粉末Ｘ線回析装置を用いて固定したところ、六方晶ＢＮ単一相の微細な粉末となっていた。
【００１９】
【実施例２】
出発原料として平均粒径が４０ｍｉｃｒｏｎのアルミニウム粉末を充填したカーボン製坩堝を、反応容器内に置いた。１．５気圧の窒素ガス雰囲気中で、ガラスファイバーを介して反応容器内に導入した出力１０ＷのＹＡＧレーザーを出発原料表面に照射したところ、約１秒後に着火が起こった。レーザー照射を止めた後も、連鎖的に燃焼波が試料全体に広がり、化合物が燃焼合成された。２色放射温度計で反応温度を測定した結果、２５２０℃となっており、１．５気圧におけるＡｌＮの分解温度２５８０℃にほぼ一致した。得られた生成物は内部まですべて白色で、粉末Ｘ線回析装置を用いて固定したところ、ＡｌＮ単一相の微細な粉末となっていた。生成物の酸素含有量は２００ｐｐｍと少なく、残留Ａｌも１００ｐｐｍ以下の高純度なＡｌＮ粉末が得られた。
【００２０】
【実施例３】
出発原料として平均粒径が２０ｍｉｃｒｏｎのシリコン粉末を充填したカーボン製坩堝を、反応容器内に置いた。５気圧の窒素ガス雰囲気中で、ガラスファイバーを介して反応容器内に導入した出力２０ＷのＹＡＧレーザーを出発原料表面に照射したところ、約１秒後に着火が起こった。レーザー照射を止めた後も、連鎖的に燃焼波が試料全体に広がり、化合物が燃焼合成された。２色放射温度計で反応温度を測定した結果、１９２０℃となっており、５気圧におけるＳｉ3 Ｎ4 の分解温度１９６０℃にほぼ一致した。得られた生成物は内部まですべて白色で、粉末Ｘ線回析装置を用いて固定したところ、Ｓｉ3 Ｎ4 単一相の微細な粉末となっていた。生成物の酸素含有量は５００ｐｐｍと少量で、高純度なＳｉ3 Ｎ4 粉末が得られた。
【００２１】
【実施例４】
出発原料として平均粒径が５ｍｉｃｒｏｎのＳｉ粉末を充填したカーボン製坩堝を、反応容器内に置いた。３０気圧の窒素ガス雰囲気中で、ガラスファイバーを介して反応容器内に導入した出力１００ＷのＹＡＧレーザーを出発原料表面に照射したところ、約１秒後に着火が起こった。レーザー照射を止めた後も、連鎖的に燃焼波が試料全体に広がり、化合物が燃焼合成された。得られた生成物は内部まですべて白色で、粉末Ｘ線回析装置を用いて固定したところ、Ｓｉ3 Ｎ4 単一相の微細な粉末となっていた。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、以上のように、燃焼合成反応が行えないとされていた所定圧力以下の窒素雰囲気下でＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 の燃焼合成反応が行えるので、粉砕しなくても微細な化合物粉末が得られ、しかも着火用の加熱部材からの不純物の混入もない、高純度のＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 を製造することができる。
Claims (3)
- 出力０．５Ｗ〜５００Ｗで７７０ｎｍよりも長い波長を有するレーザーをボロン粉末からなる原料粉末に照射して、窒素雰囲気の圧力が０．５気圧以上１０気圧以下において燃焼合成反応を開始させることを特徴とするＢＮの製造方法。
- 出力０．５Ｗ〜５００Ｗで７７０ｎｍよりも長い波長を有するレーザーをアルミニウム粉末のみからなる原料粉末に照射して、窒素雰囲気の圧力が０．５気圧以上２気圧以下において燃焼合成反応を開始させることを特徴とするＡｌＮの製造方法。
- 出力０．５Ｗ〜５００Ｗで７７０ｎｍよりも長い波長を有するレーザーをシリコン粉末のみからなる原料粉末に照射して、窒素雰囲気の圧力が０．５気圧以上３０気圧以下において燃焼合成反応を開始させることを特徴とするＳｉ3Ｎ4の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP07808999A JP4256012B2 (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 燃焼合成反応によるＢＮ、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP07808999A JP4256012B2 (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 燃焼合成反応によるＢＮ、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JP07808999A Expired - Fee Related JP4256012B2 (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 燃焼合成反応によるＢＮ、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４の製造方法 |
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- 1999-03-23 JP JP07808999A patent/JP4256012B2/ja not_active Expired - Fee Related
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