JP5336852B2 - 一軸加圧及び加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、一軸加圧及び加熱装置に向けられる。より詳細には、本発明は、ヒータ、モールド（mould）及びダイ（die）を有する、セラミック材料を製造するための一軸加圧及び加熱装置に向けられ、モールドは、ヒータ内に配置され、前記モールドは少なくとも１つの開口部においてダイを受け、前記ダイは、前記モールドへの加圧下で作動される。

本発明は、更に、セラミックの製造プロセス及びセラミック材料に向けられる。

Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｐｒ（ＧＯＳ）は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナに使用され得る効率的なＸ線蛍光体である。しかしながら、ＣＴスキャンを実行するために必要とされる時間を増大させるか、又は画質を低下させる残光の現象は、ＧＯＳ材料の実用的な適用を妨害する。ＧＯＳセラミックウェハの残光特性は、自身の製造プロセスに強く依存する。ＧＯＳ材料の物理特性の空間的均一性は、医療ＣＴスキャナにおける使用で最も重要である。製造されるウェハの不均一性は、ＧＯＳウェハの製造プロセスの温度不均一性により生じることが知られる。

一度に１つのウェハから一度に複数のウェハに、ＧＯＳセラミックウェハの製造をスケールアップさせるために、製造プロセスの温度は、より大きな製造スケールにおいてさえ、空間的に均一である必要がある。しかしながら、この問題は、現行技術により満足に取り組まれていない。

日本国特許出願公開公報ＪＰ２００４−２７８９４０は、複数の加熱領域において温度を制御するとともに、炉における温度の均一でない分布をなくす目的の焼成炉及び温度調整方法を開示する。この開示において、断熱材料により囲まれる加熱チャンバは、焼成炉の外側フレームとして、炉本体の内部に取り付けられる。加熱チャンバ内の温度を上昇させる加熱領域は、異なる電力供給回路によりそれぞれ制御される。加熱領域の温度を測定する温度測定ポートは、炉本体の外側から、炉本体及び断熱材料を通って加熱チャンバに挿入される。温度測定ポートの数は、加熱領域の数と同じか、又は加熱領域の数よりも多い。加熱チャンバの温度は、放射サーモメータを使用することにより、温度測定ポートから測定される。

しかしながら、現行技術に欠点がある。例えば、大量の材料を同時に均一に加熱及び加圧するやり方が開示されていない。

本発明の目的は、現状技術の欠点の少なくとも１つを克服することである。より詳細には、該目的は、一つのステップにおいて大量の材料を処理するために、拡張された等温領域を示す一軸加圧及び加熱装置を提供することである。

本発明によると、上述の目的は、ヒータ、モールド、及びダイを有する、セラミック材料を製造するための一軸加圧及び加熱装置を提供することにより達成することができ、モールドは、ヒータ内に配置され、モールドは少なくとも１つの開口部でダイを受け、ダイは、モールドへの加圧下で作動され、ヒータの長さとモールドの長さとの比が１．５以上且つ４以下である。

本発明の文脈で使用される「熱間一軸加圧」という言葉は、当業者にはよく認識され、加熱下で硬質なダイ又はピストンを通じて一軸方向に圧力を加えることにより、堅いモールドに粉末を圧縮成形することに関することとして理解される。セラミック材料は、無機材料からなると理解されるべきである。

本発明による装置のためのヒータは、制限されるわけではないが、グラファイトヒータ、タングステンメッシュヒータ、モリブデンメッシュヒータ及び／又はケイ化モリブデンヒータであり得る。これらのヒータタイプは、加熱される材料において、動作温度８００℃以上且つ２２００℃以下、及び最大温度８００℃以上且つ２５００℃以下を提供することができる。

本発明によるモールドは、物質を形成するためのマトリクス又は空洞として理解されるべきである。本発明によるダイは、オスダイ部分として理解されるべきである。

本発明によるヒータの長さ及びモールドの長さは、最も長い方向の軸に沿う長さとして理解されるべきである。最も長い方向の軸は、ヒータ又はモールドの最も長い方向にそれぞれ平行な軸である。

モールドがヒータ内に配置されるとは、ヒータが少なくとも部分的にモールドを取り囲むことを意味する。このモールドは、モールドの内部の中身に圧力をかけるために、ダイを受けるのに適した少なくとも１つの開口部を有する。圧力は、ピストンを介して可動ダイにより加えられ得る。モールドは、第２ダイを受けるための第２開口部も有し得る。モールド、ダイ、及びヒータは、回転軸に沿って心出しをされ得る。

ヒータの長さとモールドの長さとの比が１．５以上且つ４以下である場合、加熱及び加圧装置内の等温領域が、所望でない空間を加熱することによりエネルギーを無駄にすることなく、拡張されるということがわかっている。ヒータの長さとモールドの長さとの比が２．０以上且つ３．５以下であるか、又は、ヒータの長さとモールドの長さとの比が２．５以上且つ３．０以下であることが想定される。

等温領域は、本発明による装置内の空間として規定され、該領域の温度は、装置の動作の間及び熱平衡の後、６℃より大きく違うわけではない。この温度変動は、均一ＧＯＳウェハの製造のための熱間一軸加圧において許容され得る。

等温領域の範囲を決定するため、プロセス温度制御リング（ＰＴＣＲ）が使用され得る。このようなＰＴＣＲの収縮は、加熱すると生じるが、晒されている全体の熱プロセスに依存する。したがって、結果となる収縮値の評価は、加熱プロセスの間に前記ＰＴＣＲが位置される特定の場所において生じる熱状態の表示となる。いわゆる「リング温度」は、ＰＴＣＲのサプライヤにより供給されるＰＴＣＲタイプ仕様リストから得られる。例えばプロセス温度制御リングは、Ferro Electronic Company B.V., Uden, The NetherlandsからタイプＳＴＨとして得ることができる。測定の前に、ＰＴＣＲは、自身のバインダを取り外す必要がある。こうすることは、３Ｋ／分の加熱／冷却レートで２時間空気中において７５０℃でリングを加熱することにより達成される。

理論からはそれるかもしれないが、本発明によるヒータとモールドとの長さの比を満たす条件は、熱対流プロセスがより効率的に生じ得るので、プロセスされるべき材料内での加熱及び加圧の間の温度分布は、より均一であると考えられる。

本発明の好ましい実施例において、モールド及び／又はダイの材料は、５０Ｗ／ｍＫ以上且つ１５０Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する。該熱伝導率は、ＩＳＯ８８９４により決定され得る。モールド及び／又はダイ材料の熱伝導率は、６０Ｗ／ｍＫ以上且つ１４０Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率、又は７０Ｗ／ｍＫ以上且つ１３０Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有することも可能である。この範囲の熱伝導率は、モールド及び／又はダイ内の材料が均一に加熱されることを意味する「オーブンインオーブン（oven in oven）」操作を可能にする。

適切な材料は、制限されないが、グラファイト及びＴＺＭ、並びに固溶体硬化、及び粒子強化モリブデンベースの合金を含む。ＴＺＭは、チタンカーバイド及びジルコニウムカーバイドを有する。適切なグラファイトは、例えばCarbon Industrie-Producke GmbH, Buchholz-Mendt, GermanyからグレードCB26として得られうる。適切なＴＺＭは、例えばPlansee GmbH, Reutte, Austriaから得られても良い。

本発明の更に好ましい実施例において、モールド及び／又はダイの材料は、５０ＭＰａ以上且つ３００ＭＰａ以下の圧縮強度を有する。圧縮強度は、ＩＳＯ６０４により決定され得る。モールド及び／又はダイ材料が１００ＭＰａ以上且つ２５０ＭＰａ以下の圧縮強度、又は１２０ＭＰａ以上且つ１８０ＭＰａ以下の圧縮強度を有することもあり得る。この範囲内の圧縮強度は、モールド及び／又はダイの構造的完全性を損なうことなく、粉末からセラミックを圧縮する高圧操作を可能にする。適切な材料は、制限されないが、既に上で述べられているグラファイト及びＴＺＭを含む。

本発明の更に好ましい実施例において、モールドの内径は、少なくとも１０ｍｍ以上である。モールドの内径が少なくとも２０ｍｍ以上であるか、モールドの内径が少なくとも７０ｍｍ以上であることも可能である。したがって、産業用途に通常使用されるサイズのセラミックウェハとなるように材料を処理することが可能である。

本発明の更なる好ましい実施例において、ヒータ及びモールド及び／又はダイの構成が、垂直対称軸に対して、実質的に回転対称である。垂直対称軸は、それぞれヒータ又はモールドの最も長い方向に平行である軸として理解されるべきである。ヒータ及びモールド及び／又はダイの回転対称方向は、ダイ内の材料に熱が均一に伝達され、したがって等温領域を生成することを可能にする。

本発明の更なる実施例において、ヒータ及びモールド及び／又はダイの構成は、水平対称軸に対して実質的に鏡面対称である。水平対称軸は、垂直対称軸に垂直な軸として理解されるべきである。この鏡面対称方向は、ダイ内の材料において均一な熱の伝達を可能にし、したがって等温領域を生成することを可能にする。

本発明は、更に、請求項１乃至６による装置を利用するセラミックの製造のためのプロセスに関し、該プロセスは、
ａ）グラファイトソリッドをモールド（５）に配置するステップと、
ｂ）モリブデンホイル（８）をステップａ）のグラファイトソリッド（７）上に配置するステップと、
ｃ）セラミック粉末（９）をステップｂ）のモリブデンホイル（８）上に配置するステップと、
ｄ）所望とする場合、モリブデンホイル（８）及びセラミック粉末の付加的な交互の層をステップｃ）のセラミック粉末（９）上に配置するステップと、
ｅ）代わりに所望とする場合、モリブデンホイル（８）、セラミック粉末（９）及びグラファイトソリッド（７）の交互の層をステップｃ）のセラミック粉末（９）上に配置するステップと、
ｆ）結果としてもたらされるスタックの最後から２番目の層がモリブデンホイルとなるように構成するステップと、
ｇ）結果としてもたらされるスタックの最後の層がグラファイトソリッドとなるように構成するステップと、
ｈ）グラファイトソリッド（７）で最後の層を覆うステップと、
ｉ）加圧装置内に１×１０^−９ ＭＰａ以上且つ１×１０^−４ ＭＰａ以下の真空を生成するステップと、
ｊ）１０００℃以上且つ１４００℃以下の温度に加熱するステップと、
ｋ）１００ＭＰａ以上且つ２２０ＭＰａ以下の圧力をかけるステップと
を有する。

このプロセスにおいて、ステップａ），ｂ），ｃ），ｆ）−ｋ）で記載されるような大きな単一のブロックのセラミック材料を生成することが想定される。こうすることは、最大限に加圧されるセラミックに対して等温領域を使用する利点を有する。セラミック材料の結果となるブロックは、それから別個のウェハに切断され得る。

ステップａ），ｂ），ｃ），ｄ），ｆ）−ｋ）に記載されるように、加圧されるべきセラミック粉末の単一の層を生成し、モリブデンホイルによりこれらの層に分割することも想定される。このことは、特に別個のウェハに切断する大きな単一のセラミックブロックの場合に必要とされるであろう、ある後処理のステップを取り除く。

ステップａ），ｂ），ｃ），ｅ）−ｋ）に記載されるモリブデンホイル層とセラミック粉末層との間に、グラファイトソリッドを更に配置することも想定される。このことは、モールドから加圧されたスタックを容易に分離することを可能にする。

モリブデンホイルでセラミック粉末を覆うことは、粉末に熱及び圧力を均一に伝える目的に役立つ。更に、圧縮成形されたセラミック及びモリブデンホイルは、容易に分離され得る。好ましくは、モリブデンホイルは０．２ｍｍの厚さを有する。しかしながら、モリブデンホイルの厚さは、０．０５ｍｍ以上且つ０．５ｍｍ以下の範囲内であることが可能である。モリブデンホイルは、例えばPlansee GmbH, Reutte, Austriaから得ることができる。モリブデンホイルの断片の幅が、モールドの内径よりもわずかに小さいことが利点とわかっている。例えばモリブデンホイル断片の幅は、モールドの内径よりも０．２ｍｍ以上且つ０．４ｍｍ以下小さいか、又はモリブデンホイルの断片の幅がモールドの内径よりも０．２９ｍｍ以上且つ０．３１ｍｍ以下小さくなり得る。モールドの内径に対して直径を短くすることは、セラミック粉末のスタックが排気され、一方同時に十分な圧力及び熱伝達を依然として提供することを可能にする。

グラファイトソリッドにより、モリブデンホイル−セラミック粉末−モリブデンホイルのアセンブリを分割することは、グラファイトの多孔性のため、真空がスタックの全体の構成に適用されることを可能にする。急速排気を保証するため、グラファイトが約２０％の多孔率を有することが好ましい。更にこれらの多孔率を示すグラファイトは、フォームフィッティングで作成することができ、自身の機能と妥協することなく、モールドに対して安定な態様を形成することができる。

１×１０^−９ ＭＰａ以上且つ１×１０^−４ ＭＰａ以下の真空を加圧装置内に生成することは、加圧されるべき粉末のより良い圧縮成形を可能にするとともに、熱が加えられる場合モールド内部のコンポーネントの酸化のリスクを低減することを可能にする２つの目的に役立つ。これに関して、１×１０^−７ ＭＰａｂａｒ以上且つ１×１０^−５ ＭＰａ以下の真空を生成するか、又は１×１０^−６ ＭＰａ以上且つ５×１０^−６ ＭＰａ以下の真空を生成することも可能である。

１０００℃以上且つ１４００℃以下の温度に加熱する間、セラミックにおいて粒子の成長が起こり、残りの多孔性の減少が生じ、その結果セラミックの透明性が向上する。１１００℃以上且つ１３００℃以下の温度、又は１２００℃以上且つ１２５０℃以下の温度に加熱することも可能である。

セラミック粉末の実際の圧縮は、透明且つ均一なセラミックウェハを得るために、１００ＭＰａ以上且つ２２０ＭＰａ以下の圧力においてなされる。１１０ＭＰａ以上且つ２１０ＭＰａ以下の圧力をかけるか、又は１５０ＭＰａ以上且つ２００ＭＰａ以下の圧力をかけることも可能である。

本発明の好ましい実施例において、セラミック粉末と接触する少なくとも１つの表面が、少なくとも部分的に窒化ホウ素で覆われる。窒化ホウ素は、製造プロセスの間酸化されない耐高温潤滑剤である。窒化ホウ素に覆われた表面は、互いにくっつかない。それゆえ加圧されたセラミックウェハは、ウェハの破砕の危険性なく絶縁分離され得る。窒化ホウ素は、例えばWacker Chemie, GermanyからグレードS2として得られてうる。このグレードは、４μｍの平均粒子サイズを有する。

本発明の更に好ましい実施例において、セラミック粉末は、Ｅｕ，Ｔｂ，Ｙｂ，Ｄｙ，Ｓｍ，Ｈｏ，Ｃｅ及び／又はＰｒを含む群から選択された元素をドープされたＧｄ_２Ｏ_２Ｓを有する。このことは、低い残光時間且つ高い空間的均一性を備えたＸ線蛍光体の製造を可能にする。

本発明は、更に本発明によるプロセスにより製造されるセラミック材料に関し、医療画像化装置での該材料の使用に関する。

本発明は、図１乃至３において、更に図示される。

図１は、圧力が一方向からかけられる熱間一軸加圧のために設計された、本発明による装置（１）を示す。ピストン（２）は、ダイ（３）に圧力を伝える。このダイ（３）は、モールド（５）内に適合する。モールド（５）の下部において、固定された位置にある第２ダイが配置される。この構成は、ヒータ（４）により加熱される。モールド内には、モリブデンホイル（８）と接触するセラミック粉末（９）の層がある。モリブデンホイル層は、順にグラファイトソリッド（７）の層と接触する。ピストン（２）、ダイ（３）及び（６）、ヒータ（４）、モールド（５）並びにグラファイト（７）、モリブデンホイル（８）及びセラミック粉末（９）の層が、垂直対称軸の周りを回転対称の態様で構成されることは、留意されるべきである。ヒータ（４）、モールド（５）、並びにグラファイト（７）、モリブデンホイル（８）及びセラミック粉末（９）の層が、水平対称軸の周りに鏡面対称の態様で構成されることに、更に留意されるべきである。

図２は、２方向から圧力がかけられる、熱間一軸加圧のために設計される、本発明による更なる装置（１０）を示す。ピストン（２）は、ダイ（３）に圧力を伝える。このダイ（３）は、モールド（５）内に適合する。モールド（５）の下部において、移動可能であり第２ピストン（１２）により駆動される更なるダイ（１１）が、配置される。この構成は、ヒータ（４）により加熱される。モールド内には、モリブデンホイル（８）と接触するセラミック粉末（９）の層がある。モリブデンホイル層は、順にグラファイトソリッド（７）の層と接触する。ピストン（２）及び（１２）、ダイ（３）及び（１１）、ヒータ（４）、モールド（５）、第２ダイ（６）並びにグラファイト（７）、モリブデンホイル（８）及びセラミック粉末（９）の層が、垂直対称軸の周りを回転対称の態様で構成され、水平対称軸の周りを鏡面対称の態様で構成されることに留意されるべきである。

図３は、本発明による装置においてプロセス温度制御リングにより示される温度を図示するグラフを示す。ｘ軸は、モールドの長手方向に沿うリングの中心の位置を示す。ｙ軸は、装置を加熱した後のリングの収縮と相関される温度を示す。プロセス温度制御リングは、３Ｋ／分の加熱／冷却レートで７５０℃において２時間空気中で加熱することにより使用する前に、外され（debinder）ている。使用されたリングは、FERRO PTCR-STH-Rings（1130-1140℃）ロット２１８であった。図からわかるように、測定された温度は、モールドの中央部分に近づくにつれて鋭く増加し、温度が１２７２℃乃至１２７６℃の範囲である水平域にとどまる。ここが本発明の目的の等温領域と考えられる。モールドの中央部分からの距離が増加するにつれて、記録された温度は再び鋭く落ちる。

明細書を過度に長くすることなく包括的な開示を提供するため、出願人は、上述の特許及び特許出願の各々を参照することによりここに含める。

上述の実施例における要素及びフィーチャの特定の組合せは、単に例示的なものであり、これらの教示を本願及び参照により含まれる特許／出願における他の教示と交換及び置換することも、明示的に考慮される。当業者らに認識されるように、ここに記載されたことの変形例、修正例、及び他の実現は、請求された本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、当業者は思いつくであろう。したがって、上述の説明は、単に例に過ぎず、制限するものとして意図されない。本発明の範囲は、請求項及び請求項と等価のもので規定される。更に、説明及び請求項で使用される参照符号は、請求された発明の範囲を制限しない。

図１は、１方向から圧力がかけられる、熱間一軸加圧のために設計された、本発明による装置を示す。 図２は、２方向から圧力がかけられる、熱間一軸加圧のために設計された、本発明による更なる装置を示す。 図３は、本発明の装置におけるプロセス温度制御リングにより示された温度を図示するグラフを示す。

符号の説明

１ 本発明による装置
２ ピストン
３ ダイ
４ ヒータ
５ モールド
６ 第２ダイ
７ グラファイトソリッド
８ モリブデンホイル
９ セラミック粉末
１０ 本発明による更なる装置
１１ 更なるダイ
１２ 第２ピストン

Claims (7)

1. 一軸加圧及び加熱装置を利用して、セラミックの製造をするための方法であって、前記装置が、ヒータ、モールド、及びダイを有し、前記モールドが、前記ヒータ内に配置され、前記モールドは、少なくとも１つの開口部において前記ダイを受け、前記ダイが、前記モールドへの加圧下で作動され、前記ヒータの長さと前記モールドの長さとの比が、１．５以上且つ４以下であり、前記モールドの材料が、グラファイトであるか、又はチタンカーバイド及びジルコニウムカーバイドを含む固溶体硬化及び粒子強化されたモリブデンベースの合金であり、
   ａ）グラファイトソリッドをモールド内に配置するステップと、
   ｂ）ステップａ）の前記グラファイトソリッド上にモリブデンホイルを配置するステップと、
   ｃ）ステップｂ）の前記モリブデンホイル上にセラミック粉末を配置するステップと、
   ｄ）所望される場合、ステップｃ）の前記セラミック粉末上に、前記モリブデンホイルと前記セラミック粉末との更なる交互の層を配置するステップと、
   ｅ）ステップｄ）の代わりに、所望される場合、ステップｃ）の前記セラミック粉末上に、前記モリブデンホイルと前記セラミック粉末と前記グラファイトソリッドとの交互の層を配置するステップと、
   ｆ）結果としてもたらされるスタックのうちの最後から２番目の層が前記モリブデンホイルになるように構成するステップと、
   ｇ）前記結果としてもたらされるスタックの最後の層が前記グラファイトソリッドになるように構成するステップと、
   ｈ）前記加圧装置内に、１×１０^−９ＭＰａ以上且つ１×１０^−４ＭＰａ以下の真空を生成するステップと、
   ｉ）１０００℃以上且つ１４００℃以下の温度に加熱するステップと、
   ｊ）１００ＭＰａ以上且つ２２０ＭＰａ以下の圧力を加えるステップと
   を有し、
   前記セラミック粉末が、Ｅｕ，Ｔｂ，Ｙｂ，Ｄｙ，Ｓｍ，Ｈｏ，Ｃｅ及び／又はＰｒを有するグループから選択された元素でドープされるＧｄ_２Ｏ_２Ｓを有する、方法。
2. 前記モールド及び／又は前記ダイの材料が、５０Ｗ／ｍＫ以上且つ１５０Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記モールド又は前記ダイの材料が、ＩＳＯ６０４に基づき計測される１００ＭＰａ以上且つ２５０ＭＰａ以下の圧縮強度を有する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記モールドの内径が少なくとも１０ｍｍ以上である、請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記ヒータ及び前記モールド及び／又は前記ダイの構成が、垂直対称軸に対して回転対称である、請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。
6. 前記ヒータ及び前記モールド及び／又は前記ダイの構成が、水平対称軸に対して鏡面対称である、請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記セラミック粉末と接触する少なくとも１つの表面が、少なくとも部分的に窒化ホウ素で覆われる、請求項１に記載の方法。

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