JP5549122B2 - 透光性セラミックス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
この透光性セラミックスは、Alと、Y、Ce、Nd、Sm、La、Gd、Prからなる群より選ばれた1種または2種以上の元素を含有する金属酸化物からなる結晶粒径が100nm以下の透光性セラミックスであり、上述の元素を含有するアモルファス合金を酸素または大気中で加熱、例えば、AlYまたはAlNdの組成を有する厚み20μm〜30μmのアモルファス金属薄膜を大気雰囲気中、1500℃にて1時間加熱することにより得られる。
この透光性アルミナ焼結体は、多面体一次粒子からなるBET比表面積1〜10m2/gの純度99.99%以上のαアルミナ粉末にMgOなどの焼結助剤を添加した混合粉末を、成形し、常圧から真空までの還元性雰囲気下、1700℃〜1900℃の範囲で焼成することにより得られる。
この透光性セラミックスは、特に、YAG(Yttrium Aluminium Garnet)、Al2O3、SiO2、Y2O3、ZrO2、Si3N4、AlN、ZnS、CaF2およびBaF2のうち少なくとも1種を含有する組成であり、この透光性セラミックスは、純度が99.5%以上、粒径が5nm〜100nmの原料粉末を、500MPa以上にて加圧焼成することで得られる。
また、従来の光透過率が40%以上の透光性アルミナ焼結体では、原料として使用するアルミナが特定の物性を有するαアルミナに限定され、容易に製造することができないという問題点があった。また、この透光性アルミナ焼結体は、結晶粒径が5μm〜50μmと粗大化しているために、高い機械的特性が得られないという問題点があった。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
ここで、この焼結体の平均粒子径を1nm以上かつ20nm以下と限定した理由は、この範囲が可視光線に対して透明性が高く、かつ均質性に優れた透光性セラミックスを得ることができるからである。
ここで、この焼結体の平均細孔径を1nm以上かつ7nm以下と限定した理由は、平均細孔径が1nm未満という数値は、測定値自体に有意性がないからであり、一方、平均細孔径が5nmを超えると、可視光線透過率の減衰が顕著となるからである。
ここで、この焼結体の相対密度を80%以上と限定した理由は、相対密度が80%未満では、焼結体中に気孔、マイクロクラック、欠陥等が生じ易くなり、その結果、緻密な焼結体が得られず、得られた焼結体の可視光線透過率も低く、高温用光学レンズ、ナトリウム放電ランプまたはメタルハライドランプ等の高輝度ランプの発光管、マイクロ波照射窓、高温用窓材、赤外線用窓材、光シャッタ等の光学的特性を満足することができなくなるからである。
ここで、この焼結体の可視光線透過率を80%以上とした理由は、可視光線透過率80%が、高温用光学レンズ、ナトリウム放電ランプまたはメタルハライドランプ等の高輝度ランプの発光管、マイクロ波照射窓、高温用窓材、赤外線用窓材、光シャッタ等における可視光線透過率の下限値だからであり、可視光線透過率が80%を下回ると、上記の光学部材の光学的特性を満足することができず、実用に供されないので、不適である。
例えば、正方晶ジルコニア粒子やルチル型チタニア粒子の場合、正方晶やルチル型に特有の複数の回折線が観測され、低角側にはハローが殆ど認められない。
このような金属酸化物としては、例えば、酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウムを含む複合酸化物、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムを含む複合酸化物、酸化チタン、酸化チタンを含む複合酸化物、酸化セリウム、酸化セリウムを含む複合酸化物、酸化亜鉛、酸化亜鉛を含む複合酸化物、酸化インジウム、酸化インジウムを含む複合酸化物等が挙げられる。
この透光性セラミックスは、一次粒子径が1nm以上かつ20nm以下の結晶性金属酸化物粒子を含む成形材料を所定の形状に成形し、透明セラミック成形体を得る成形工程と、前記透明セラミック成形体を常圧にて焼成し、平均粒子径が1nm以上かつ20nm以下、平均細孔径が1nm以上かつ7nm以下、かつ可視光線透過率が80%以上の透光性セラミックスを得る焼成工程とにより、得ることができる。
透光性セラミックスの出発原料である成形材料に含まれる結晶性金属酸化物粒子の一次粒子径は、1nm以上かつ10nm以下が好ましく、より好ましくは1nm以上かつ5nm以下、さらに好ましくは2nm以上かつ5nm以下である。
ここで、結晶性金属酸化物粒子の一次粒子径を1nm以上かつ10nm以下と限定した理由は、この範囲が、可視光線に対して透明性が高く、かつ均質性に優れた透明セラミック成形体を容易に得ることができる範囲であるからである。
この結晶性金属酸化物粒子分散液は、上記の結晶性金属酸化物粒子を溶媒と混合し、必要に応じて分散剤や水溶性バインダーを混合し、次いで、この混合物にサンドミル、ホモジナイザー等の分散機を用いて分散処理を施すことにより、得ることができる。
ここで、結晶性金属酸化物粒子の分散粒子径を1nm以上かつ100nm以下と限定した理由は、この範囲が、この結晶性金属酸化物粒子分散液を用いて透明セラミック成形体を作製した場合に、平均細孔径が1nm以上かつ10nm以下に制御され、可視光線に対して透明性が高く、かつ均質性に優れた透明セラミック成形体を容易に得ることができる範囲であるからである。
分散剤としては、陰イオン系界面活性剤、陽イオン系界面活性剤、両性イオン界面活性剤等のイオン系界面活性剤、あるいは非イオン系界面活性剤が好適に用いられる。これらの界面活性剤は、使用する結晶性金属酸化物粒子の種類や粒子径により適宜選択すればよい。
このような水溶性バインダーの添加量は、得られた成形体の取扱時における欠け破損等の防止、あるいは、この成形体をさらに焼成する等、その目的に応じて適宜設定すればよい。
成形用型としては、この結晶性金属酸化物粒子分散液を透過することなく良好に保持するとともに、目的とする成形体の外形形状を維持することができるものであればよく、例えば、ステンレス鋼、テトラフルオルエチレン等からなる型が好適である。
ここで、乾燥速度の上限値を0.1g/cm2/hrとした理由は、この上限値が、得られる成形体に乾燥時における収縮に起因する反りや割れ等が生じない限界であり、かつ、この成形体の可視光線透過率を80%以上とすることができる限界であるからである。
ここで、常圧とは、1013±50hPaの範囲の圧力のことであり、自然界における大気圧の変動範囲である。
以上により、平均粒子径が1nm以上かつ20nm以下、平均細孔径が1nm以上かつ7nm以下、かつ可視光線透過率が80%以上の焼結体からなる透光性セラミックスを得ることができる。
また、緻密性が高く、均質性に優れているので、耐熱性及び高精度が要求される光学用部材に適用可能である。
一次粒子径が3nmのイットリア安定化ジルコニア(8mol%Y2O3−ZrO2:8YSZ)粒子を水に分散した分散液(分散粒子径:10nm、固形分(8mol%Y2O3−ZrO2):20質量%、住友大阪セメント製)5gを、テフロン(登録商標)製の容器(内径20mm、高さ25mm)に注入し、この分散液が注入された容器を、乾燥機内にて2日間乾燥させ、実施例1の透明セラミック成形体を得た。
この焼結体の短軸側の厚みは1mmであった。
次いで、この焼結体の可視光線透過率、相対密度、平均粒子径、平均細孔径、表面粗さを測定した。また、上記の分散液の分散粒子径を測定した。これらの測定方法は下記のとおりである。また、これらの測定結果を表1に示す。
焼結体の短軸側の可視光線透過率を、透過率測定装置を用いて測定した。
(2)相対密度
焼結体の密度を、密度測定器 アキュピック1330(島津製作所社製)を用いて測定し、この焼結体の測定密度と、この焼結体の理論密度との比から、この焼結体の相対密度を求めた。
X線回折装置 X’Pert PRO MPD(スペクトリス株式会社製)を用いて焼結体のX線回折図形(チャート)を得、このX線回折図形(チャート)の回折線のピークの半値幅からScherrerの式により焼結体の結晶子の平均粒子径を算出した。
(4)平均細孔径
焼結体の平均細孔径を、高精度ガス/蒸気吸着測定装置 BELSORP(日本ベル株式会社製)を用いて測定した。
焼結体の表面の一辺が5μmの正方形の領域を、原子間力顕微鏡 SP−300(セイコーインスツルメンツ株式会社製)を用いて測定し、表面粗さを算出した。
(6)分散粒子径
動的散乱法を測定原理としたZetasizer Nano S(Malvern社製)を用いて測定した。
透明セラミック成形体の焼成温度を800℃に変更した以外は、実施例1に準じて、実施例2の焼結体を得た。
次いで、この焼結体の可視光線透過率、相対密度、平均粒子径、平均細孔径、表面粗さ、を実施例1に準じて測定した。これらの測定結果を表1に示す。
一次粒子径が3nmのチタニア(TiO2)粒子を水に分散した分散液(分散粒子径:8nm、固形分(TiO2):20質量%、住友大阪セメント製)5gを、テフロン(登録商標)製の容器(内径20mm、高さ25mm)に注入し、この分散液が注入された容器を、乾燥機内にて2日間乾燥させ、実施例3の透明セラミック成形体を得た。
次いで、この焼結体の可視光線透過率、相対密度、平均粒子径、平均細孔径、表面粗さ、を実施例1に準じて測定した。また、上記の分散液の分散粒子径を実施例1に準じて測定した。これらの測定結果を表1に示す。
透明セラミック成形体の焼成温度を1000℃に変更した以外は、実施例1に準じて、比較例1の焼結体を得た。
次いで、この焼結体の可視光線透過率、相対密度、平均粒子径、平均細孔径、表面粗さ、を実施例1に準じて測定した。これらの測定結果を表1に示す。
一次粒子径が100nmのイットリア安定化ジルコニア(8mol%Y2O3−ZrO2:8YSZ)粒子(TZ−8Y:東ソー株式会社製)2gを、内径20mmの金型に投入し、100MPaの圧力にて3分間、一軸加圧成形し、比較例2のセラミック成形体を得た。
次いで、このセラミック成形体を、大気(常圧)中、600℃にて3時間焼成し、比較例2の焼結体を得た。
次いで、この焼結体の可視光線透過率、相対密度、平均粒子径、平均細孔径、表面粗さ、を実施例1に準じて測定した。これらの測定結果を表1に示す。
セラミック成形体の焼成温度を1000℃に変更した以外は、比較例2に準じて、比較例3の焼結体を得た。
次いで、この焼結体の可視光線透過率、相対密度、平均粒子径、平均細孔径、表面粗さ、を実施例1に準じて測定した。これらの測定結果を表1に示す。
セラミック成形体の焼成温度を1400℃に変更した以外は、比較例2に準じて、比較例4の焼結体を得た。
次いで、この焼結体の可視光線透過率、相対密度、平均粒子径、平均細孔径、表面粗さ、を実施例1に準じて測定した。これらの測定結果を表1に示す。
比較例2は、一次粒子径が100nmのイットリア安定化ジルコニア粒子を用い、しかも600℃という低温で焼成したために、得られた焼結体は、十分に焼結しておらず、可視光線透過率も大きく低下し、失透してしまっていた。
比較例3、4は、一次粒子径が100nmのイットリア安定化ジルコニア粒子を用いて1000℃以上の高温で焼成したために、得られた焼結体は、粗大粒子が生じて焼結性が悪くなり、可視光線透過率も大きく低下し、失透してしまっていた。
Claims (4)
- 結晶性金属酸化物粒子からなる焼結体であって、
平均粒子径は1nm以上かつ20nm以下、平均細孔径は1nm以上かつ7nm以下、厚み1mmにおける可視光線透過率は80%以上、相対密度は80%以上かつ88%以下であることを特徴とする透光性セラミックス。 - 前記結晶性金属酸化物粒子は、Zr、Ti、Yの群から選択される1種または2種以上の元素を含むことを特徴とする請求項1記載の透光性セラミックス。
- 一次粒子径が1nm以上かつ10nm以下の結晶性金属酸化物粒子を溶媒中に分散してなる分散粒子径が1nm以上かつ100nm以下の結晶性金属酸化物粒子分散液を用いて、一次粒子径が1nm以上かつ20nm以下の結晶性金属酸化物粒子を含む所定の形状の透明セラミック成形体を得る成形工程と、
前記透明セラミック成形体を常圧にて焼成し、平均粒子径が1nm以上かつ20nm以下、平均細孔径が1nm以上かつ7nm以下、厚み1mmにおける可視光線透過率が80%以上、相対密度が80%以上かつ88%以下の透光性セラミックスを得る焼成工程と、
を備えたことを特徴とする透光性セラミックスの製造方法。 - 前記結晶性金属酸化物粒子は、Zr、Ti、Yの群から選択される1種または2種以上の元素を含むことを特徴とする請求項3記載の透光性セラミックスの製造方法。
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