JPH03247557A - 高温強度が優れたアルミナ・シリカ系セラミックス焼結体の製造方法 - Google Patents

高温強度が優れたアルミナ・シリカ系セラミックス焼結体の製造方法

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JPH03247557A
JPH03247557A JP2289865A JP28986590A JPH03247557A JP H03247557 A JPH03247557 A JP H03247557A JP 2289865 A JP2289865 A JP 2289865A JP 28986590 A JP28986590 A JP 28986590A JP H03247557 A JPH03247557 A JP H03247557A
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Shigetoshi Oota
太田 滋俊
Shuzo Kanzaki
修三 神崎
Hideyo Tabata
田端 英世
Osami Abe
修実 阿部
Senjo Yamagishi
山岸 千丈
Chiaki Mitate
千秋 御立
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MINO YOGYO KK
Hokko Chemical Industry Co Ltd
Nihon Cement Co Ltd
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MINO YOGYO KK
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Hokko Chemical Industry Co Ltd
Nihon Cement Co Ltd
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(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 L東上勿程尻分団 本発明は、ムライトを含むアルミナ・シリカ系セラミッ
クス焼結体、特に1300’Cまでの高温強度が常温強
度よりも優れ、かつその強度の絶対値(常温で300M
Pa以上、高温(1,300℃)で400MPa以上)
が高いアルミナ・シリカ系セラミックス焼結体の製造方
法に関する。
従来豊肢歪 ムライトは3 AlzOz・2SiO□で代表される組
成のアルミナ・シリカ系酸化物であり、熱膨張係数が酸
化物セラミックス中では小さく、密度も低く、代表的酸
化物セラミックスであるアルミナに比較して高温での耐
クリープ特性が優れるなどの特徴があり、耐熱性構造材
料としての応用の可能性があるため、国内外での研究開
発が盛んになりつつある。
一般に、このムライト系焼結体の原料粉末を合成する方
法としては、 (1)粘土質(カオリン質)原料にアルミナを添加する
方法、 (2)アルミナゾルとシリカゾルを混合、ゲル化して、
加熱する方法、 (3)ケイ酸ソーダとアルミニウム塩を混合し加熱する
方法、 が代表的である。しかし、(1)は天然原料に含有する
不純物の影響により焼結体中にガラス相が多量に生成す
る。(2)はゲル化時に強固な仮像を作ることと、アル
ミナゲルとシリカゲルのゲル化速度の相違から生じる局
部的な組成の不均質を生じることから、焼結性が低下す
るとともに焼結体中にガラス相が生成しやすい、(3)
はNa塩を使用するため、焼結体中に液相(ガラス相)
が生しる。上記従来法のいずれの場合も不純物特にアル
カリ金属とりわけNa”の存在により上記ガラス相の粘
性が低下し、もって焼結体の強度、特に800℃以上の
高温強度を著しく低下させる欠点があった。
最近では、上記方法のほかに、アルコキシドを利用して
原料粉末を合成する三つの方法、すなわち (4)  シリコンアルコキシドとアルミニウム塩の共
沈法、 (5)  シリコンアルコキシドとアルミニウムアルコ
キシドとの混合溶液の加水分解法、 (6)  シリコンアルコキシドとアルミニウム塩の噴
霧熱分解法、 などが提案されている。
これら合成法と焼結法とを組合せた方法としては下記の
製法が知られている。
すなわち、米国特許に3.922.333にはA1アル
コキシドとSiアルコキシドとから合成した原料粉末を
500〜700.’Cで仮焼し、1 、300〜1,6
00℃でホットプレス焼結したムライト焼結体(AI、
0371.8重量%、5iOz28.2重量%)の常温
強度は269MPa発現した旨、また米国特許NrL4
,427,785では、加水分解によって合成されたA
IzOsが72.5〜76.5重量%のゲル乾燥物(原
料粉末)を490〜1.100℃で仮焼して、水分、炭
化水素を除去しアモルファス仮焼物をつくり、続いて、
該仮焼物を1,500〜1.675℃で焼結し、さらに
約34.5MPa、1,500〜1,700℃で熱間等
方プレスし、さらに場合によってはアニール処理(1,
700〜1,850’C)することにより、常温強度1
20MPa、高温強度90MPaの透光性ムライト焼結
体を製造した旨の開示がある。
゛ しよ゛と る しかし、前記の方法は不純物特にごく微量のNa 10
及びに20の混入には配慮がはられていなかったために
いずれも強度が低く、用途が著しく限定されていた。
わずかに(6)の方法(特開昭6O−161371)に
おいてのみ得られた焼結体の強度が常温から1,300
’Cまでほぼ400MPaの曲げ強度を示しているが、
いずれも温度の上昇とともに強度低下の傾向があり、常
温強度を超える高温強度は得られていない。
従来のムライト系焼結体の高温強度が低い原因としては
、 (a)  不純物特にアルカリ金属酸化物がムライト結
晶の粒界に低融点低粘度のガラス相を形成すること、 (′b)  ムライトの合成過程において局部的な組成
のズレが大きい場合、焼結途中で化学組成から推定され
るより多量のガラス相が焼結体中に形成されること、 の二点があり、特に原因(8)は、800℃以上の高温
強度を著しく低下させる主因となっている。
以上から本発明は、従来の欠点とされる原料粉末の不均
質性を排除し、アルカリ金属酸化物量を限定することに
よって、常温強度よりも高温強度が高く、かつその強度
の絶対値が高いアルミナ・シリカ系セラミックス焼結体
の製造方法を提供することを目的とするものである。
課問題−をJ11五太及豊王殺本夫ぴ作■本発明者らは
、上記の目的を達成すべく種々研究の結果、下達−3る
各工程からなる発明を完成させた。すなわち、本発明は
、 (A)溶媒にアルミニウムアルコキシドと一般式%式%
) のシリコンアルコキシドとを溶解し、得られた非水混合
溶液をアンモニアでPHIIに調整した蒸留水にて加水
分解して、Al2O3とSiO□との合量に対するAL
zOsの重量割合が62〜73重量%、かつ不純物とし
てのNanoおよびKzOの総量が1 、 ooopp
−以下からなる原料粉末を合成し、(B)該原料粉末を
950〜1 、200℃で仮焼し、(C)得られた仮焼
物を粉砕し、成形し、(D)得られた成形体を大気圧下
、1,500−1,700℃で焼結して常温強度が30
0MPa以上、かつ高温(1,300℃)強度が400
MPa以上の強度を発現する焼結体とする、 アルミナ・シリカ系セラミックス焼結体の製造方法を要
旨とする。
本発明の方法において、アルミナ・シリカ系原料粉末は
、アルミニウムアルコキシドと−atSInO++−+
(OR)z、、。z(n≧iR:アルコキシ基)のシリ
コンアルコキシドを溶媒に溶解し、アルミニウムアルコ
キシドとシリコンアルコキシドの非水混合溶液を加水分
解法して原料粉末を合成する前段階において溶液状態で
Si源とAl源とを混合し、換言すれば原子(分子)オ
ーダーのレベルで均質に混合されて得られた混合物から
合成される。したがって極めて均質な組成の原料粉末が
得られ、従来方法のような原料粉末を加熱してムライト
化させる過程で発生する組成の不均質性の問題が排除さ
れている。
また、原料粉末のA1.O,とSiO□との合量に対す
るAha、のM量割合は62〜73重景%(48,9〜
61.4モル%)、好ましくは65〜70重景%の範囲
に調整されたものが用いられる。
さらに、本発明の方法では、後で述べる高温における不
純物の影響を調べた実施例(第2図応カー変位図参照)
から判るように原料粉末中の不純物、すなわちFezO
y、 Cab、 M2O+ NazO,KZOI Li
zO,TiO2などを総量で2.500ppmより少な
くする必要があり、特にNanoおよびに20の総量を
1 、 OOOppm以下、好ましくは500ppff
i以下になるように原料粉末が合成される。
次いで、このようにして得られた粉末は950〜1.2
00℃で仮焼され、粉砕され成形された後、1.500
〜1.700℃1好ましくは1,600〜1,650℃
の温度で、空気中、又は不活性雰囲気中で常圧焼結され
る。なお、特殊用途の焼結体を得るために、空気中、真
空中又は不活性雰囲気中、加圧焼結して製造することも
できる。
前記のような不純物の規則は特に高温強度発現のために
不可欠であり、またAl2O3とSiO□との合量に対
する^1.0.の割合を前記のように限定する理由はA
l2O3の重量割合が62%から73重量%までの範囲
において常温強度よりも高い1 、300℃高温強度が
発現し、A1.O,の割合が65ないし70重量宛の範
囲において特に高い高温強度が発現するからである。
前記Aha3の割合が62重量%よりも少なくなると、
ガラス相が増加し、ムライト粒子同志の接触点が少なく
なり、高温強度が低下する。一方A1.03の割合が7
3%を超えると、高温強度が常温強度を下廻るようにな
る。したがって、前記いずれの場合も好ましくない。
従来の方法においては、アルミナ源とシリカ源との混合
物からアルミナ・シリカ系原料粉末を合成する段階で、
組成の不均質が生じやすく、また不純物特にNazO,
KzOが過剰に存在すると、シリカ過剰の組成ではムラ
イト結晶相の他に存在する5iOzガラス相中にNaz
O,KZOが溶は込み5402ガラスの粘性が温度上昇
とともに低下するため、800℃以、ヒの高温度での焼
結体の強度発現が極端に低くなる傾向があった。
本発明者らの知見によれば本発明の方法では、組成の均
質化をしたことによって、焼結体中のSiO□ガラス相
の量をその組成における最小限に抑制できたごと、およ
び不純物の量、特にNano、 K、0の総量をppm
オーダーという極めて少ない量に低減したことにより、
5iOzガラス相が高温度で低粘性化することを妨げる
、言いかえると高温下で窩粘性のガラス相をムライト結
晶の粒子境界部に存在させることで外部からの応力を吸
収させ、焼結体が塑性変形に近い挙動を示すようにする
ことができ、これまでの常識とは相違して、l 、 3
00℃までの高温度で常温強度を超える強度発現が見ら
れ、より好ましい組成範囲を選べば常温強度の1.5倍
以上にも達する曲げ強度を有する焼結体が得られたので
ある。
実−施、例 アルミニウムイソプロポキシド(AI(OiCsHt)
s)とオルソケイ酸エチル(Si(OCJs)i)を原
料粉末中のAl2O3の割合が68〜78重量%になる
範囲でそれぞれベンゼン中に溶解し、混合した。混合し
て得られた溶液を、アンモニアでpHllに調整した蒸
留水にて加水分解し、乾燥して原料粉末を合成した。こ
の原料粉末を1.200℃11時間仮焼し、粉砕後、2
,000kg/cjの圧力で成形しζから、大気圧下で
1.650℃4時間焼結して焼結体を得た。その焼結体
から3 X 4 X40−の試験片を作製し、常温およ
び1.300’Cにおける3点曲げ強度を測定した。
その結果を第1図に示す。なお、原料粉末中のNano
およびK2Oの総量は800ρp−であった。第1図中
ΔおよびΔ印はそれぞれ常温強度および1,300℃に
おける高温強度を示すものである。この図かられかるよ
うにAbOs73jt量%において常温強度と1 、3
00℃高温強度の傾向線が交叉し、AIzCh65〜7
0M量%の範囲で常温強度の1.5倍以上にも達する強
度が得られた。
以上の第1図の試験結果に見られるように、原料粉末の
合成方法において、原料粉末が均質でかつ、原料中の不
純物量を厳密に制御することによって、高温強度のすぐ
れた焼結体が得られるごとが判る。
発5Q苅渫 以上述べた如く、本発明のアルミナ・シリカ系セラミッ
クス焼結体の製造法では不純物濃度を所定値以下に低減
せしめ、かり均質に合成した原料粉末を用いるので、極
め゛ζ均質なムライトを含むアルミナ・シリカ系セラミ
ックス焼結体が得られるとともに、従来の常識を破って
、L 300℃における曲げ強度が常温における強度よ
り高く、その絶対値も常温強度で300MPa以−ヒ、
高温強度で400MPa以ヒと著しく高い。A1□0.
の割合を選べば常温強度の1.5信販Fにも達する焼結
体を得ることができ、本発明の方法は工業的に極めて有
用な方法である。
【図面の簡単な説明】
第1図はアルミニウムイソプロポキシドとオルソケイ酸
エチルを種々のAIto、の割合で混合した溶液を加水
分解して合成した原料粉末から得られた焼結体の常温お
よび1 、300℃における3点曲げ強度試験結果であ
る。 第2図は第1図に示された試料のA1.O,の割合が7
0重量%の場合、1 、300″Cにおけるアルカリ金
属酸化物含有量の影響を示す応力−変位図である。 第 図 Al2O31量%

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)(A)溶媒にアルミニウムアルコキシドと一般式
    Si_nO_n_−_1(OR)_2_n_+_2(n
    ≧1、R:アルコキシ基)のシリコンアルコキシドとを
    溶解し、得られた非水混合溶液をアンモニアでPH11
    に調整した蒸留水にて加水分解して、Al_2O_3と
    SiO_2との合量に対するAl_2O_3の重量割合
    が62−73重量%、かつ不純物としてのNa_2O及
    びK_2Oの総量が1,000ppm以下からなる原料
    粉末を合成し、 (B)該原料粉末を950−1,200℃で仮焼し、 (C)得られた仮焼物を粉砕し、成形し、 (D)得られた成形体を大気圧下、1,500−1,7
    00℃で焼結して常温強度が300MPa以上、かつ高
    温(1,300℃)強度が400MPa以上の強度を発
    現する焼結体とする、ことを特徴とする高温強度が優れ
    たアルミナ・シリカ系セラミックス焼結体の製造方法。
  2. (2)原料粉末中の前記不純物としてのNa_2O及び
    K_2O総量が500ppm以下に調整されている、特
    許請求の範囲第1項に記載の方法。
  3. (3)原料粉末のAl_2O_3とSiO_2との合量
    に対するAl_2O_3の割合が65−70重量%の範
    囲に調整されている、特許請求の範囲第1項に記載の方
    法。
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JP2013542166A (ja) * 2010-10-29 2013-11-21 コーニング インコーポレイテッド 大寸ゼノタイムセラミックブロック及びその作製のための乾式プロセス
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