JP6715861B2

JP6715861B2 - 配向焼結体の製法

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Publication number: JP6715861B2
Application number: JP2017551754A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　圭; 圭佐藤; 高宏前田; 守道渡邊; 七瀧　努; 七瀧　　努
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2036-09-26
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Description

本発明は、配向焼結体の製法に関する。

配向焼結体を得るために、従来、ＴＧＧ（ＴｅｍｐｌａｔｅｄＧｒａｉｎＧｒｏｗｔｈ）法を用いることが提案されている（例えば特許文献１参照）。この方法は、微細原料粒子と板状原料粒子（テンプレート粒子）を所定の割合で混合し、ドクターブレードのようなテープ成形においてせん断のかかる方法で成形体中の板状原料粒子を並べ、焼成時にこの板状原料粒子が微細原料粒子を取り込みながら、ホモエピタキシャル成長させるというものである。

特許第５７７０９０５号公報（段落００３６及び００３７）

しかしながら、この方法では、装置が制約される。たとえば、テンプレート粒子を配列させるにあたり、テープ成形時に、非常に高いせん断力を与えることが必要であるため、大型のテープ成形機が必要になる。すなわち、テープ成形機は、せん断力を与えるために成形速度を早くする必要がある。この場合、乾燥不足となるのを防ぐため、成形機の長さを長くすることで乾燥させることが必要となる。そのため、テープ成形機が大型化するのである。こうしたことから、ＴＧＧ法と比べて簡便に配向焼結体を製造する方法の開発が望まれていた。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、ＴＧＧ法と比べて簡便に配向焼結体を製造することを主目的とする。

本発明の配向焼結体の製法は、
（ａ）微細原料粉末層と、板状原料粒子の板面が前記微細原料粉末層の表面に沿うように配列された板状原料粉末層とが、交互に積層された積層体を作製する工程と、
（ｂ）前記積層体を焼成する工程と、
を含むものである。

本発明の配向焼結体の製法では、微細原料粉末層と板状原料粉末層とが交互に積層された積層体を作製してその積層体を焼成する。板状原料粉末層では、板状原料粒子の板面が微細原料粉末層の表面に沿うように配列されている。従来のＴＧＧ法では、微細原料粉末と板状原料粉末との混合粉末をテープ成形する際、板状原料粉末を配列させるために非常に高いせん断力を与えなければならなかった。しかし、本発明では、混合粉末ではなく板状原料粉末を配列させるため、ＴＧＧ法のような大きなせん断力は必要にならない。そのため、装置構成はＴＧＧ法に比べてコンパクトになる。したがって、本発明の配向焼結体の製法によれば、ＴＧＧ法と比べて簡便に配向焼結体を製造することができる。

板状アルミナ粒子の模式図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。配向焼結体２０の製造工程図で、（ａ）は積層体１０の断面図、（ｂ）は配向焼結体２０の断面図。チルト角の説明図。ロッキングカーブ測定の説明図。

工程（ａ）で用いる微細原料粉末層は、微細原料粒子の集合体の層である。微細原料粉末は、平均粒径が板状原料粉末よりも小さい粉末である。微細原料粉末層は、微細原料粉末そのものを成形した層であってもよいし微細原料粉末に添加剤を加えたものを成形した層であってもよい。添加剤としては、例えば焼結助剤やグラファイト、バインダー、可塑剤、分散剤、分散媒などが挙げられる。成形方法は特に限定するものではないが、例えば、テープ成形、押出成形、鋳込み成形、射出成形、一軸プレス成形等が挙げられる。微細原料粉末層の厚みは、５〜１００μｍであることが好ましく、１０〜１００μｍであることがより好ましく、２０〜６０μｍであることが更に好ましい。

工程（ａ）で用いる板状原料粉末層は、板状原料粒子の集合体の層である。板状原料粉末は、アスペクト比が３以上のものが好ましい。アスペクト比は、平均粒径／平均厚さである。ここで、平均粒径は、粒子板面の長軸長の平均値、平均厚さは、粒子の短軸長の平均値である。これらの値は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で板状原料粉末中の任意の粒子１００個を観察して決定する。図１は、板状原料粒子の一例である板状アルミナ粒子の模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。板状アルミナ粒子は、平面視したときの形状が略六角形状であり、その粒径は図１（ａ）に示したとおりであり、厚みは図１（ｂ）に示したとおりである。板状原料粉末の平均粒径は、配向焼結体の高配向化の観点からは大きい方が好ましく、１．５μｍ以上が好ましく、５μｍ以上がより好ましく、１０μｍ以上が更に好ましく、１５μｍ以上が特に好ましい。但し、緻密化の観点からは小さい方が好ましく、３０μｍ以下が好ましい。こうしたことから、高配向と緻密化を両立するには平均粒径が１．５μｍ〜３０μｍであることが好ましい。板状原料粉末層は、板状原料粉末そのものの層であってもよいし板状原料粉末に添加剤を加えたものの層であってもよい。添加剤としては、例えば焼結助剤やグラファイト、バインダー、可塑剤、分散剤、分散媒などが挙げられる。板状原料粉末層は、板状原料粉末を構成する板状原料粒子の板面が微細原料粉末層の表面に沿うように配列されている。板状原料粉末は、単一粒子になっていることが好ましい。単一粒子になっていない場合には、配向度やチルト角を悪化させることがある。粒子を単一にするには、分級処理、解砕処理及び水簸処理の少なくとも１つの処理を採用すればよいが、すべての処理を採用するのが好ましい。分級処理や解砕処理は、凝集等がある際に採用するのが好ましい。分級処理としては、気流分級等が挙げられる。解砕処理としては、ポット解砕、湿式微粒化方式等が挙げられる。水簸処理は、微粒粉が混入している際に採用するのが好ましい。

工程（ａ）で作製される積層体は、微細原料粉末層と板状原料粉末層とが交互に積層されたものである。積層体を作製する際、微細原料粉末の成形体の片面を板状原料粉末層で全面的に又は部分的に被覆した片面加工体を作製し、該片面加工体を利用して積層体を作製してもよい。あるいは、微細原料粉末の成形体の両面を板状原料粉末層で全面的に又は部分的に被覆した両面加工体を作製し、該両面加工体と未加工の成形体とを利用して積層体を作製してもよい。

片面加工体又は両面加工体は、微細原料粉末の成形体の片面又は両面に該成形体よりも厚みの薄い板状原料粉末の成形体を積層することにより作製してもよい。この場合、板状原料粉末の成形体は、板状原料粒子の板面がその成形体の表面に沿うようにテープ成形や印刷などによってせん断力を与えて成形したものを用いてもよい。あるいは、片面加工体又は両面加工体は、微細原料粉末の成形体の片面又は両面に板状原料粉末の分散液を印刷、スプレーコート、スピンコート又はディップコートすることにより作製してもよい。スプレーコート、スピンコート、ディップコートでは、強制的にせん断力を与えずとも、板状原料粒子の板面がその成形体の表面に沿うように配列する。成形体の表面に配列した板状原料粒子は、数個の板状原料粒子が重なっていてもよいが、他の板状原料粒子と重なっていないことが好ましい。印刷においては、スクリーン印刷が好適に用いられる。この場合、メッシュマスクを用いてもよいし、メタルマスクを用いてもよい。ただし薄膜に印刷する場合には、メッシュマスクを用いるほうが好ましい。また、メッシュマスクを用いる場合は、粒子を重ならずに配列させるには、線径は小さいほうが好ましく、メッシュマスクの目開きは、５０μｍ以下が好ましい。印刷においては、スクリーン印刷が好適に用いられる。この場合、メッシュマスクを用いてもよいし、メタルマスクを用いてもよい。但し、薄膜に印刷する場合には、メッシュマスクを用いる方が好ましい。また、メッシュマスクを用いる場合、粒子を重ならずに配列させるには、線径は小さい方が好ましく、メッシュマスクの目開きは、５０μｍ以下が好ましい。

片面加工体を利用する場合、微細原料粉末層と板状原料粉末層とが交互に積層されるように片面加工体を積み重ねていけばよい。両面加工体を利用する場合、両面加工体と未加工の微細原料粉末の成形体とを交互に積層すればよい。なお、片面加工体と両面加工体の両方を利用して積層体を作製してもよいし、片面加工体と両面加工体と未加工の成形体とを利用して積層体を作製してもよい。

工程（ｂ）では、積層体を焼成する。この場合、積層体を加圧焼成するのが好ましい。加圧焼成としては、例えばホットプレス焼成やＨＩＰ焼成などが挙げられる。なお、加圧焼成前に常圧予備焼成を行ってもよい。ＨＩＰ焼成を行うときにはカプセル法を用いることもできる。ホットプレス焼成の場合の圧力は、５０ｋｇｆ／ｃｍ²以上が好ましく、２００ｋｇｆ／ｃｍ²以上がより好ましい。ＨＩＰ焼成の場合の圧力は、１０００ｋｇｆ／ｃｍ²以上が好ましく、２０００ｋｇｆ／ｃｍ²以上がより好ましい。焼成雰囲気は特に限定はないが、大気、窒素、Ａｒ等の不活性ガス、真空雰囲気下のいずれかが好ましく、窒素、Ａｒ雰囲気下が特に好ましく、窒素雰囲気が最も好ましい。図２は、本発明の製法で配向焼結体を作製する工程の模式図である。図２（ａ）に示すように、積層体１０は、微細原料粒子１２ａの集合体の層である微細原料粉末層１２と、板状原料粒子１４ａの板面が微細原料粉末層１２の表面に沿って配列された板状原料粉末層１４とが、交互に積層されたものである。積層体１０を焼成すると、板状原料粒子１４ａが種結晶（テンプレート）となり、微細原料粒子１２ａがマトリックスとなって、テンプレートがマトリックスを取り込みながらホモエピタキシャル成長する。そのため、図２（ｂ）に示すように、得られる焼結体は配向度が高く、かつ、チルト角が小さい配向焼結体２０となる。配向度とチルト角は、板状原料粉末が微細原料粉末層の表面を覆う被覆率に依存する。この被覆率が１〜６０％（好ましくは１〜２０％、さらに好ましくは３〜２０％）のときに配向度が高く、チルト角が小さくなる。また、配向度とチルト角は、微細原料粉末層の厚みに依存する。微細原料粉末層の厚みが５〜１００μｍ（好ましくは１０〜１００μｍ、より好ましくは２０〜６０μｍ）のときに配向度が高く、チルト角は小さくなる。ここで、配向度は、Ｘ線回折プロファイルを用いてロットゲーリング法により求めたｃ面配向度を指し、チルト角は、ＸＲＣ半値幅（ＸＲＣ・ＦＷＨＭ）を用いる。

微細原料粉末及び板状原料粉末の主成分としては、例えば、アルミナ、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ＺｎＯ、ＢａＴｉＯ₃、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ₃などが挙げられるが、このうちアルミナが好ましい。主成分がアルミナの場合、本発明の効果が顕著に得られるからである。主成分がアルミナの場合、焼成温度（最高到達温度）は１８５０〜２０５０℃が好ましく、１９００〜２０００℃がより好ましい。なお、「主成分」とは、粉末全体に占める質量割合が５０％（好ましくは６０％、より好ましくは７０％、更に好ましくは８０％）以上の成分のことをいう。

本発明の製法によって得られる配向焼結体は、ｃ面配向度が高く、チルト角が小さいものである。例えば、Ｘ線回折プロファイルを用いてロットゲーリング法により求めたｃ面配向度が８０％以上（好ましくは９０％以上、より好ましくは９６％以上）のものを得ることが可能となる。また、チルト角についていえば、Ｘ線ロッキングカーブ法を用いて測定したＸＲＣ・ＦＷＨＭは５°以下（好ましくは２．５°以下、より好ましくは１．５°以下）のものを得ることが可能となる。図３にアルミナ結晶のチルト角の模式的な説明図を示す。

このようにして得られた配向焼結体は、光学素子や光学素子用下地基板、エピタキシャル成長用基板、静電チャックなどに用いることができる。光学素子、光学素子用下地基板としては、例えばＬＥＤ、ＬＤ、太陽電池、センサ、フォトダイオード、光学部材、窓材等が挙げられる。

［実験例１］
１．アルミナ焼結体の作製
（１）積層体の作製
微細アルミナ粉末（ＴＭ−ＤＡＲ（平均粒径０．１μｍ）、大明化学製）１００質量部に対し、酸化マグネシウム（５００Ａ、宇部マテリアルズ製）０．０１２５質量部（１２５質量ｐｐｍ）と、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＭ−２、積水化学工業製）７．８質量部と、可塑剤としてジ（２−エチルヘキシル）フタレート（黒金化成製）３．９質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン（レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王製）２質量部と、分散媒として２−エチルヘキサノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が２００００ｃＰとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってＰＥＴフィルムの上に乾燥後の厚みが４０μｍとなるようにシート状に成形し、微細アルミナ粉末層とした。

板状アルミナ粉末（ＹＦＡ１００３０（平均粒径１０μｍ、平均厚み０．３μｍ、アスペクト比３３）、キンセイマテック製）１００質量部に対し、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＭ−２、積水化学工業製）５０質量部と、可塑剤としてジ（２−エチルヘキシル）フタレート（黒金化成製）２５質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン（レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王製）２質量部と、分散媒としてキシレンと１−ブタノールの混合溶液（混合比率１：１）とを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が５０００ｃＰとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、リバースドクターブレード法によってＰＥＴフィルムの上に乾燥後の厚さが３μｍとなるようにシート状に成形し、板状アルミナ粉末層とした。

ＰＥＴフィルムから剥がした微細アルミナ粉末層と板状アルミナ粉末層とを各５０層、交互に積層し、厚さ１０ｍｍのＡｌ板の上に載置した後、パッケージに入れて内部を真空にすることで真空パックとした。この真空パックを８５℃の温水中で１００ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力にて静水圧プレスを行い、積層体を得た。このとき、板状アルミナ粉末層が微細アルミナ粉末層の表面を被覆する被覆率は６０％であった。なお、被覆率は、以下のようにして算出した。すなわち、微細アルミナ粉末層表面を光学顕微鏡で観察し、この観察写真を画像処理にて、板状アルミナ粉末の部分とそれ以外に切り分け、観察写真における微細アルミナ粉末層表面の面積に対する板状アルミナ粉末の面積の割合を、被覆率とした。

（２）積層体の焼成
得られた積層体を脱脂炉中に配置し、６００℃で１０時間の条件で脱脂を行った。得られた脱脂体を黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中、焼成温度（最高到達温度）１９７５℃で４時間、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ²の条件で焼成し、アルミナ焼結体を得た。なお、焼成温度から降温する際に１２００℃までプレス圧を維持し、１２００℃未満の温度域ではプレス圧をゼロに開放した。

２．アルミナ焼結体の特性
（１）ｃ面配向度
得られたアルミナ焼結体の配向度を確認するため、アルミナ焼結体の上面に対して平行になるように研磨加工した後、その研磨面に対してＸ線を照射しｃ面配向度を測定した。ＸＲＤ装置（リガク製、ＲＩＮＴ−ＴＴＲＩＩＩ）を用い、２θ＝２０〜７０°の範囲でＸＲＤプロファイルを測定した。具体的には、ＣｕＫα線を用いて電圧５０ｋＶ、電流３００ｍＡという条件で測定した。ｃ面配向度は、ロットゲーリング法によって算出した。具体的には、以下の式により算出した。式中、Ｐはアルミナ焼結体のＸＲＤから得られた値であり、Ｐ₀は標準α−アルミナ（ＪＣＰＤＳカードＮｏ．４６−１２１２）から算出された値である。実験例１のアルミナ焼結体のｃ面配向度は１００％であった。

（２）チルト角
チルト角は、結晶軸の傾き分布であり、アルミナの結晶方位がｃ軸からどの程度の頻度で傾いているかを評価するパラメータである。ここでは、チルト角をＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）半値幅（ＦＷＨＭ）で表す。ＸＲＣ・ＦＷＨＭは、アルミナ焼結体の板面（ｃ面配向度測定と同じ面）に対し、図４のようにＸ線源と検出器を連動させてスキャンし、得られたカーブの半値幅を測定した。このように２θ（検出器と入射Ｘ線とのなす角度）の値をその回折ピーク位置に固定し、ω（試料基板面と入射Ｘ線とのなす角度）のみ走査する測定方法をロッキングカーブ測定とよぶ。装置はリガク製、ＲＩＮＴ−ＴＴＲＩＩＩを用い、ＣｕＫα線を用いて電圧５０ｋＶ、電流３００ｍＡという条件でωの走査範囲を３．８°〜３８．８°とした。実験例１のアルミナ焼結体のＸＲＣ・ＦＷＨＭは２．２°であった。

［実験例２］
実験例１の１．（１）において、微細アルミナ粉末としてＡＫＰ−２０（平均粒径０．４μｍ、住友化学製）を用いた以外は、実験例１と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。結果を表１に示す。

［実験例３］
実験例１の１．（１）において、微細アルミナ粉末としてＡＫＰ−２０（平均粒径０．４μｍ、住友化学製）を用いたことと、微細アルミナ粉末層の乾燥後の厚みを１００μｍとしたこと以外は、実験例１と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。結果を表１に示す。

［実験例４］
実験例１の１．（１）において、積層体を作製する際に、微細アルミナ粉末層の片面に板状アルミナの印刷ペーストをスクリーン印刷して片面加工体としたあと、その片面加工体を５０層積層して積層体を作製した以外は、実験例１と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

実験例４では、片面加工体を以下のようにして作製した。板状アルミナ粉末（ＹＦＡ１００３０、キンセイマテック製）１００質量部に対し、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＬＳ、積水化学工業製）１００質量部と、分散媒として２エチルヘキサノールを加えて混合した。分散媒の量は、ペースト粘度が５００００ｃＰとなるように調整して印刷ペーストを得た。この印刷ペーストを、乳剤付の製版（ＳＸ３６０メッシュ、乳剤厚：５μｍ）にて、乾燥後の厚さが２０μｍとなるように微細アルミナ粉末層の片面に印刷して片面加工体を得た。

［実験例５］
実験例４において、微細アルミナ粉末としてＡＫＰ−２０（平均粒径０．４μｍ、住友化学製）を用いた以外は、実験例４と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例６］
実験例４において、片面加工体の作製方法を以下のように変更した以外は、実験例４と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

実験例６では、片面加工体を以下のようにして作製した。板状アルミナ粉末（ＹＦＡ１００３０、キンセイマテック製）１００質量部に対し、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＬＳ、積水化学工業製）１００質量部と、分散剤としてテルピネオール３５００質量部を加えて混合し、印刷ペーストを得た。この印刷ペーストを、乳剤付の製版（ＳＴ６４０メッシュ、乳剤厚：５μｍ）にて、微細アルミナ粉末層の片面に印刷して片面加工体を得た。このときの板状アルミナ粉末層の厚みは０．５μｍであった。

［実験例７］
実験例６において、板状アルミナ粉末として、キンセイマテック製のＹＦＡ１００３０を気流分級機（日清エンジニアリング製ＴＣ−１５Ｎ）にてカット点を３μｍに設定して分級し、次にポット解砕機にてφ０．３ｍｍの玉石で２０時間解砕し、最後に水簸にて微粒粉末を除去したものを使用したこと以外は、実験例６と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例８］
実験例７において、微細アルミナ粉末としてＡＫＰ−２０（平均粒径０．４μｍ、住友化学製）を用いた以外は、実験例７と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例９］
実験例４において、微細アルミナ粉末層の厚みを８０μｍとし、片面加工体の作製方法を以下のように変更した以外は、実験例４と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

実験例９では、片面加工体を以下のようにして作製した。板状アルミナ粉末として、キンセイマテック製のＹＦＡ１００３０を気流分級機（日清エンジニアリング製ＴＣ−１５Ｎ）にてカット点を３μｍに設定して分級し、次にポット解砕機にてφ０．３ｍｍの玉石で２０時間解砕し、最後に水簸にて微粒粉末を除去したものを、１００重量部に対し、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＬＳ、積水化学工業製）６０質量部と、分散媒としてテルピネオール２０００部を加えて混合し、印刷ペーストを得た。この印刷ペーストを、乳剤付の製版（ＳＴ６４０メッシュ、乳剤厚：５μｍ）にて、微細アルミナ粉末層の片面に印刷して片面加工体を得た。このときの板状アルミナ粉末層の厚みは１μｍであった。

［実験例１０］
実験例９において、微細アルミナ粉末としてＡＫＰ−２０（平均粒径０．４μｍ、住友化学製）を用いた以外は、実験例９と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例１１］
実験例１の１．（１）において、積層体を作製する際に、微細アルミナ粉末層の片面に板状アルミナスラリーをスプレーコートして片面加工体としたあと、その片面加工体を５０層積層して積層体を作製した以外は、実験例１と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

実験例１１では、片面加工体を以下のようにして作製した。板状アルミナ粉末（ＹＦＡ１００３０、キンセイマテック製）１００質量部に対し、分散媒としてイソプロピルアルコール５０００質量部を加えた。得られた分散液（板状アルミナスラリー）を超音波分散機で５分間分散させた後、スプレーガン（タミヤ製スプレーワークーＨＧエアーブラシワイド）にて、噴霧圧０．２ＭＰａ、噴射距離２０ｃｍ、にて微粒子成形体上に、被覆率が１％となるように噴霧して片面加工体を得た。

［実験例１２］
実験例１１において、微細アルミナ粉末としてＡＫＰ−２０（平均粒径０．４μｍ、住友化学製）を用いた以外は、実験例１１と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例１３］
実験例１１において、板状アルミナ粉末として、キンセイマテック製のＹＦＡ１００３０を気流分級機（日清エンジニアリング製ＴＣ−１５Ｎ）にてカット点を３μｍに設定して分級し、次にポット解砕機にてφ０．３ｍｍの玉石で２０時間解砕し、最後に水簸にて微粒粉末を除去したものを用いた以外は、実験例１１と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例１４］
実験例１１において、板状アルミナ粉末として、自社製のものを用いた以外は、実験例１１と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

自社製の板状アルミナ粉末は、以下のようにして作製した。高純度γ−アルミナ（ＴＭ−３００Ｄ、大明化学製）９６質量部と、高純度ＡｌＦ₃（関東化学製、鹿特級）４質量部と、種結晶として高純度α−アルミナ（ＴＭ−ＤＡＲ、大明化学製、Ｄ５０＝１μｍ）０．１７質量部とを、溶媒をＩＰＡ（イソプロピルアルコール）としてφ２ｍｍのアルミナボールを用いて５時間ポットミルで混合した。得られた混合粉末中のＦ，Ｈ，Ｃ，Ｓ以外の不純物元素の質量割合の合計は１０００ｐｐｍ以下であった。得られた混合原料粉末３００ｇを純度９９．５質量％の高純度アルミナ製のさや（容積７５０ｃｍ³）に入れ、純度９９．５質量％の高純度アルミナ製の蓋をして電気炉内でエアフロー中、９００℃、３時間熱処理した。エアの流量は２５０００ｃｃ／ｍｉｎとした。熱処理後の粉末を大気中、１１５０℃で４０時間アニール処理した後、φ２ｍｍのアルミナボールを用いて４時間粉砕して平均粒径２μｍ、平均厚み０．２μｍ、アスペクト比１０の板状アルミナ粉末を得た。粒子の平均粒径、平均厚みは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で板状アルミナ粉末中の任意の粒子１００個を観察して決定した。平均粒径は、粒子の長軸長の平均値、平均厚みは、粒子の短軸長の平均値、アスペクト比は平均粒径／平均厚みである。得られた板状アルミナ粉末は、α−アルミナであった。

［実験例１５］
実験例１３において、板状アルミナ粉末１００質量部に対して分散媒を１０００質量部用いた以外は、実験例１３と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例１６］
実験例１５において、片面加工体を、スプレーガン（タミヤ製スプレーワークーＨＧエアーブラシワイド）にて、噴霧圧０．２ＭＰａ、噴射距離２０ｃｍにて微細アルミナ粉末層上に、被覆率が５％となるように噴霧して作製した以外は、実験例１５と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例１７］
実験例１６において、微細アルミナ粉末としてＡＫＰ−２０（平均粒径０．４μｍ、住友化学製）を用いた以外は、実験例１６と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例１８］
実験例１の１．（１）において、積層体を作製する際に、微細アルミナ粉末層の片面に板状アルミナスラリーをスピンコートして片面加工体としたあと、その片面加工体を５０層積層して積層体を作製した以外は、実験例１と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

実験例１８では、片面加工体を以下のようにして作製した。板状アルミナ粉末（ＹＦＡ１００３０、キンセイマテック製）１００質量部に対し、分散媒としてイソプロピルアルコール１０００質量部を加えた。得られた分散液（板状アルミナスラリー）を超音波分散機で５分間分散させた後、スピンコーターにて、微粒子成形体上に塗布して片面加工体を得た。塗布条件は、回転速度２０００ｒｐｍ、滴下量は３質量部とした。

［実験例１９］
実験例１８において、微細アルミナ粉末層の乾燥後の厚みを１０μｍとした以外は、実験例１８と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例２０］
実験例１８において、片面加工体を作製する際に、板状アルミナ粉末（ＹＦＡ１００３０、キンセイマテック製）１００質量部に対し、分散媒としてイソプロピルアルコール３０００質量部としたこと以外は、実施例１８と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例２１］
実験例１８において、微細アルミナ粉末としてＡＫＰ−２０（平均粒径０．４μｍ、住友化学製）を用いた以外は、実験例１８と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例２２］
実験例１の１．（１）において、積層体を作製する際に、微細アルミナ粉末層を板状アルミナスラリーにディップコートして両面加工体としたあと、その両面加工体と未加工の微細アルミナ粉末層とを５０層ずつ交互に積層して積層体を作製した以外は、実験例１と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

実験例２２では、両面加工体を以下のようにして作製した。板状アルミナ粉末（ＹＦＡ１００３０、キンセイマテック製）１００質量部に対し、分散媒としてイソプロピルアルコール７００質量部を加えた。得られた混合液を超音波分散機で５分間分散させた後、ディップコーターにて、微粒子成形体を液中に浸し、引き上げ速度４ｍｍ／ｍｉｎにて引き上げた。このようにして、微細アルミナ粉末層の両面に板状アルミナ粉末層が形成された両面加工体を得た。

［実験例２３］
実験例２２において、引き上げ速度を１０ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実験例２２と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

［実験例２４］
実験例２２において、微細アルミナ粉末としてＡＫＰ−２０（平均粒径０．４μｍ、住友化学製）を用いた以外は、実験例１３と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、その特性を測定した。積層体の特徴及びアルミナ焼結体の特性を表１に示す。

ここで、表１の板状アルミナ粉末層の厚みについて説明する。板状アルミナ粉末層をテープ成形やスクリーン印刷で作製した場合には、乾燥後に板状アルミナ粉末だけでなくその他の成分も残っていて全体として一様な層になっていたため、板状アルミナ粉末層の厚みを測定することができた。しかし、板状アルミナ粉末層をスプレーコートやスピンコート、ディップコートで作製した場合には、乾燥後に板状アルミナ粉末が分散した状態で残っただけで全体として一様な層にならないため、板状アルミナ粉末層の厚みを測定することができなかった。それらの板状アルミナ粉末層の厚みの欄には、測定不可を示す「−」を記入した。

［評価］
実験例１〜２４では、ｃ面配向度が１００％、ＸＲＣ・ＦＷＨＭが２．５°以下の高配向焼結体が得られた。このうち、板状アルミナ粉末層をスプレーコート、スピンコート又はディップコートで形成した実験例１１〜２４では、ＸＲＣ・ＦＷＨＭが１．５°以下であり、一段と配向度の高い焼結体が得られた。その理由は、定かではないが、板状アルミナ粒子をテープ成形やスクリーン印刷した場合に比べてスプレーコートやスピンコート、ディップコートした場合の方が板状アルミナ粒子同士の重なり合う程度が少なく、また、微細アルミナ粉末の成形体上に沿うように配列するためだと推察される。特に、板状アルミナ粉末として分級等の処理を施したものを用いた場合（実験例８）や自社製のものを用いた場合（実験例９）には、ＸＲＣ・ＦＷＨＭが１．０°以下となり、最も配向度の高い焼結体が得られた。また、スクリーン印刷を採用した実験例５〜１０においても、板状アルミナ粉末層の厚みを薄く形成できたものについては、ＸＲＣ・ＦＷＨＭが１．５°以下であり、一段と配向度の高い焼結体が得られた。この理由についても定かではないが、上述したように、板状アルミナ粒子同士の重なり合う程度が少なく、また、微細アルミナ粉末の成形体上に沿うように配列するためだと推察される。

実験例１〜２４では、ＴＧＧ法のように微細アルミナ粉末と板状アルミナ粉末との混合粉末中の板状アルミナ粒子を配列させるのではなく、板状アルミナ粉末を配列させればよいため、ＴＧＧ法のような大きなせん断力は必要にならない。そのため、装置構成をＴＧＧ法に比べてコンパクトにすることができる。したがって、ＴＧＧ法と比べて簡便に配向焼結体を製造することができる。

なお、実験例１〜２４が本発明の実施例に相当する。本発明は、上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

本出願は、２０１６年７月１４日に出願された日本国特許出願第２０１６−１３９５０８号及び２０１５年１１月１６日に出願された日本国特許出願第２０１５−２２４１６４号を優先権主張の基礎としており、引用によりそれらの内容の全てが本明細書に含まれる。

本発明の配向焼結体は、例えば、光学素子や光学素子用下地基板、エピタキシャル成長用基板、静電チャックなどに用いることができる。

１０積層体、１２微細原料粉末層、１２ａ微細原料粒子、１４板状原料粉末層、１４ａ板状原料粒子、２０配向焼結体。

Claims

（ａ）微細原料粉末を成形した層である微細原料粉末層と、板状原料粉末を構成する板状原料粒子の板面が前記微細原料粉末層の表面に沿うように配列された板状原料粉末層とが、交互に積層された積層体を作製する工程と、
（ｂ）前記積層体を焼成する工程と、
を含み、
前記板状原料粒子が前記微細原料粉末層の表面を覆う被覆率は、１〜６０％である、
配向焼結体の製法。
前記板状原料粒子が前記微細原料粉末層の表面を覆う被覆率は、１〜２０％である、
請求項１に記載の配向焼結体の製法。
前記微細原料粉末層の厚みは、５〜１００μｍである、
請求項１又は２に記載の配向焼結体の製法。
前記工程（ａ）では、前記微細原料粉末の成形体の片面を前記板状原料粉末層で被覆した片面加工体を作製し、該片面加工体を利用して前記積層体を作製する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の配向焼結体の製法。
前記片面加工体は、前記微細原料粉末の成形体の片面に該成形体よりも厚みの薄い前記板状原料粉末の成形体を積層することにより作製するか、前記微細原料粉末の成形体の片面に前記板状原料粉末の分散液を印刷、スプレーコート、スピンコート又はディップコートで塗布することにより作製する、
請求項４に記載の配向焼結体の製法。
前記工程（ａ）では、前記微細原料粉末の成形体の両面に前記板状原料粉末の板面が前記成形体の片面に沿うように前記板状原料粉末が配列された両面加工体を作製し、該両面加工体と未加工の前記成形体とを利用して前記積層体を作製する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の配向焼結体の製法。
前記両面加工体は、前記微細原料粉末の成形体の両面に該成形体よりも厚みの薄い前記板状原料粉末の成形体を積層することにより作製するか、前記微細原料粉末の成形体の両面に前記板状原料粉末の分散液を印刷、スプレーコート、スピンコート又はディップコートで塗布することにより作製する、
請求項６に記載の配向焼結体の製法。
前記工程（ｂ）では、前記積層体を加圧焼成する、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の配向焼結体の製法。
前記微細原料粉末及び前記板状原料粉末は、いずれも主成分がアルミナである、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の配向焼結体の製法。