JPH0497998A - 窒化アルミニウムウィスカーの製造方法 - Google Patents

Abstract

(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】 産業上の利用分野 この発明は、金属溶融器や真空蒸着用るつぼの如き耐火
器用強化材、金属複合材用強化剤、電子基板素材等に使
用される繊維状の窒化アルミニウム（ＡＩ２Ｎ）、つま
りＡΩＮウィスカーの製造方法に関する。

従来の技術 ＡΩＮは、耐熱性に優れ、熔融金属に対する高温耐食性
が高い上、アルミナ（ＡＱ２０３）に比較して熱伝導性
が格段に大きいという特徴を有することから、真空蒸着
やイオンブレーティングの如き真空薄膜形成法における
蒸発源用るつぼ、金属溶融に使用する容器、放熱性を必
要とする電子基板等の素材あるいは配合材を始めとする
広範な用途が期待されている。

従来、このような、Ｉ’ｌＮの製造法としては、流動層
反応等によってＡΩ粉末と窒素ガスとを加熱下で直接に
接触反応させる直接窒化法が一般的である。しかるに、
このような方法で得られるＡΩＮは原料のＡＩ２粉末が
はマそのま＼ＡρＮに転化した粒状粉末であり、高温条
件下での耐水性に難があると共に、他のセラミック材料
や金属材料に配合する強化材等としては繊維状のものつ
まりウィスカーに比べて適性に劣っている。

そこで、この発明者らは、先に特願昭６２８１７６９号
（特開昭６４−６５１００号）として、ＡΩＮウィスカ
ーの製造方法を提案している。すなわち、この方法は、
ＡΩ粉末をＮ２ガス中で加熱蒸発させてＮ２ガスと気相
反応させることにより、ＡΩＮを反応器壁に繊維状に析
出させるものであり、この析出物を反応器の冷却後に採
集するか、−時的なガス圧上昇で吹き飛ばして補集器に
集めることにより、ＡΩＮウィスカーが得られる。そし
て得られたウィスカーは、粒状粉末に比べ、化学的安定
性に優れて高温条件下での耐水性が著しく良好であり、
耐熱性にも勝ることが判明している。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記提案法では、Ａｌ２Ｎウィスカーと
共に通常の微細なＡΩＮ粒状粉末ならびに中空球状のＡ
ΩＮ粉末が高率で副生じ、ウィスカーとしての収率が悪
いという問題があった。そしてまたウィスカーを単独で
取８す場合に副生物との分離装置および分離操作を要す
るという難点もあった。

この発明は、上述の事情に鑑み、簡易な手段により、Ａ
ＱＮウィスカーのみを選択的に生成させることができる
上、その収率をコントロールすることが可能な製造方法
を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段 この発明では、前記提案法と同様にアルミニウムを加熱
蒸発させて気相反応でＡΩＮを生成させるが、この気相
反応時にＮＨ３ガスの介在によってウィスカーの選択的
析８を促すものである。

すなわち、この発明の第１は、アルミニウムをＮ２ガス
中で加熱蒸発させて気相反応によってＡΩＮを析出させ
るにあたり、該反応領域中にＮＨ３含有ガスを供給する
ことを特徴とする窒化アルミニウムウィスカーの製造方
法を要旨とする。

また、この発明の第２は、上記第１．の製造方法におい
て、ＮＨ３含有ガスを、反応領域に導入されたガス供給
管の周面に穿設した小孔より放出するようにしたもので
ある。

発明の細部構成と作用 ＮＨ３含有ガスを気相反応領域中に供給することによっ
てＡΩＮウィスカーか選択的に析出する理由は明らかで
はないが、ＮＨ３含有ガスを例えばＮ２ガスの導入部等
の低温領域で予め混入させておいても粒状粉末が高率で
副生ずる一方、高温の気相反応領域中で放出させた場合
には放出口近傍にウィスカーがＮＨ３含有ガスの流れ方
向に沿って生長することか確認されている。従って、Ａ
Ω蒸気が発生する領域にＮＨ３ガスが存在すると、この
ＮＨ３ガスあるいはその熱分解成分が気相反応に直接関
与もしくは触媒的に作用し、ウィスカーの生長が促進さ
れるものと考えられる。

反応形式としては、るつぼ等に収容したＡ２をＮ２ガス
中で加熱蒸発させて気相反応で窒化させる方法でもよい
が、Ｎ２ガスをキャリアガスとしてＡΩ粉を浮遊させて
反応部に送り込み、該反応部での加熱によって蒸発させ
て気相反応にて窒化する浮遊窒化法が生産性および反応
効率の点から好適である。しかして、析出したＡＱＮウ
ィスカーは、反応器の冷却後に採集してもよいし、−時
的にＮ２ガス流量を高めて吹き飛ばして補集器に集めて
回収するようにしてもよい。

気相反応の反応温度は、１３５０〜２０００℃程度ミ特
に好ましくは１４００〜１６００℃の範囲とするのがよ
い。この温度範囲を逸脱すると、ＡΩＮの生成が充分で
なくなる。

ＮＨ３含有ガスとしては、ＮＨ３ガス１００％でもよい
か、純ＮＨ３ガスでは高温下で爆発性を有するため、安
全性の点からＮＨ３濃度０１〜５０容量％程度としたＮ
Ｈ３−Ｎ２混合ガスを使用するのがよい。このＮＨ３含
有ガスの供給量を変えることによって、析８するＡΩＮ
のウィスカー生成比率を調整できる。

気相反応領域中へのＮＨ３含有ガスの供給は、周面に小
孔を有するガス供給管を該領域内に導入し、この供給管
を通したＮＨ３含有ガスを上記小孔より放出する手段に
よって行うことが推奨される。すなわち、この手段によ
れば、小孔の縁部にＡΩＮが析出してガス放出方向に沿
ってひげ状結晶として成長し、ウィスカーとしての生成
効率がよいため、放出管周面を析出ベースとしてＡρＮ
ウィスカーを付着させることができ、反応後に該供給管
を取出して付着したＡΩＮウィスカーを回収することに
より、ウィスカーのみを選択的に回収することが可能で
あると共に、析出するウィスカーが２０μｍ程度と長く
且つ均一で各種セラミック強化材や電子基板素材等とし
ての適性に優れるという利点がある。

なお、上記ガス供給管としては、小孔の直径は０．２〜
１ｗ１１程度である。また小孔は円形に限定されるもの
ではなく０．２〜１！ＩＩＭ角の方形でも良い。

小孔の面積は、供給ガスの供給量によって変わるが、お
よそ吹き出す速度が１０２〜１０５議／秒となる大きさ
にするのが良い。この流速を超えあるいは下回るとウィ
スカーの生長が少なくなる。

また周面の小孔の密度もガスの供給量あるいはガス供給
管の大きさによるが、小孔からのガス吹き出し速度が、
上記の範囲におさまることが前提であり、ガス供給管の
表面積１ｃｉあたり０．１〜１０個の小孔を存在させる
のか好適である。

第１図は、この発明方法を適用する浮遊窒化法によるＡ
ΩＮウィスカーの製造装置を示す。

図中、（１）は垂直筒状の反応器、（２）はその周りに
配置されたヒーター　（３）は反応器（１）内に上方よ
り導入されて該反応器（１）の軸線上に配置するガス供
給管である。

反応器（１）は耐熱性材料、例えばアルミナ管で構成さ
れ、その入口側の下端には図示しないＡΩ粉末容器が接
続される。そして、このＡΩ粉末容器にはＮ２ガス供給
口が開口され、且つ内部に収容Ａｆｌ粉末を攪拌するア
ジテータ−が装備され、Ｎ２ガス流に乗せてＡΩ粉末（
４）を反応器（１）内のヒーター（２）に囲まれた加熱
領域へ浮上させるものとなっている。

ヒーター（２）は反応器（１）内か前記の反応温度とな
るように加熱し、浮上してきたＡΩ粉末（４）を蒸発さ
せて気相反応による窒化を行わしめるものであり、−船
釣には電気抵抗加熱方式が採用されるが、他の加熱手段
によるものとしてもよい。

ガス供給管（３）は第２図の如く閉塞した下端から所定
長さにわたる周面に小孔（３ａ）が分散状態に穿設され
ており、これら小孔（３ａ）を有する部分が反応器（１
）内のヒーター（２）で囲まれた加熱領域つまり反応領
域に位置するように配置している。

上記構成において、反応器（１）内の反応領域をヒータ
ー（２）にて加熱し、該反応器（１）内に下方からＡΩ
粉末（４）をＮ２ガスと共に浮遊状態で導入し、且つガ
ス供給管（３）に導入したＮＨ３含有ガスを小孔（３ａ
）より所定流量で反応領域に放出することにより、ＡΩ
粉末（４）が反応領域で加熱蒸発して気相反応で窒化さ
れてＡΩＮを生成する。しかして、生成するＡρＮは、
主としてガス供給管（３）の各小孔（３ａ）の縁部に析
出し、ＮＨ３含有ガスの流れ方向つまり放出管の半径方
向に沿って成長し、繊維状のＡΩＮウィスカー（５）と
なる。

なお、第１図で示すようにＡｌ２Ｎウィスカー（５）の
一部は反応器（１）の内壁面でも析出成長する。

かくしてＡｆｉＮウィスカー（５）の析出量が所定量に
達すれば、ＡＩ２粉末（４）およびＮＨ３含有ガスを供
給停止し、ヒーター（２）による加熱を止めてガス供給
管（３）を反応器（１）より抜き出し、周面に付着した
ＡΩＮウィスカー（５）を掻き落として回収すればよい
。無論、反応器（１）の内壁に付着したＡΩＮウィスカ
ーも回収可能である。

なお、ＡΩＮウィスカーと共に微細な粒状のＡρＮ粒子
を多く生成させる場合は、ガス供給管（３）からのＮＨ
３含有ガス供給量を少なくする。これにより一部のＡΩ
粉末が直接窒化反応して微細な粒状のＡΩＮ粉末に転化
するが、このＡΩＮ粉末はＮ２ガスと共に浮遊状態で移
動するため、反応器（１）の上方出口に適当な補集器を
接続しておくことにより、ＡΩＮ粉末をウィスカーとは
分離した形で単独に補集できる。

また、図示した製造装置ではＮＨ３含有ガスを供給する
ガス供給管（３）を１本だけ配設しているが、反応器（
１）の径によっては２本以上のガス供給管（３）を用い
てもよい。更にガス供給管（３）は例示した直線状のも
のに限らず、螺旋状その他の種々の形状に設定可能であ
る。

発明の効果 この発明によれば、Ｎ２ガス中でアルミニウムを加熱蒸
発させて気相反応によりＡΩＮを析出させるにあたり、
この反応領域中にＮＨ３含有ガスを供給することから、
上記ＡＪ２Ｎとして繊維状のウィスカーを選択的に生成
させることができ、上記ＮＨ３含有ガスの供給を行わな
い従来の気相反応による窒化手段に比較してＡＱＮウィ
スカーの収率を大幅に高めることが可能であり、またＮ
Ｈ３含有ガスの供給量によって上記収率を任意にコント
ロールできる。しかも、この発明方法では、極めて簡素
な装置構成により金属アルミニウムを原料として直接に
ＡΩＮウィスカーを連続的ないし半連続的に製造するこ
とができ、設備コストが安く付くと共に装置の大型化が
容易であり、上記の高収率の利点と相俟って製造コスト
を著しく低減でき、工業的生産に適する。

また、特にＮＨ３含有ガスを反応領域に導入されたガス
供給管の周面に穿設した小孔より放出する構成を採用す
れば、上記小孔の縁部にＡΩＮウィスカーが析出してＮ
Ｈ３含有ガスの族８方向に沿って成長することから、こ
の供給管周面をウィスカーの析出ベースとして、反応後
に該放出管を取８して付着したウィスカーを容易に回収
できると共に、繊維長が長く且つ均一な高品質のウィス
カーを生成できるという利点がある。

実施例 実施例 く製造装置〉 第１図で示す各部に次の材料を用いたものとした。

反応器（１）・・・・・・・・・直径５０５ｗ、肉厚４
履、長さ１０００Ｈのアルミ ナ製パイプ。

ヒーター（２）・・・・・・電気抵抗加熱型で反応器（
１）の軸方向に対応す る長さが３００ｍの筒形 ヒーター ガス供給管（３）・・・外径６履、肉厚１ｍ＋のＡｇ３
０ｓ　　（ＳＳＡ−３） 製パイプで、周面に０゜ ４ＸＯ，４ＩＭＲの角孔（小 孔）を周方向略等間隔に ３個設けたもの。

〈使用原料〉 ＡΩ粉末（４）・・・・・・純度９９．９９％、粒径１
〜１０μｍのＮ２アト マイズ粉。

Ｎ２ガス・・・・・・・・・・・・・・・純度９９．９
９９５％ＮＨ３ガス・・・・・・・・・・・・純度９９
．９９９５％上記の製造装置および原料を使用し、ヒー
ター（２）による反応器（１）の反応領域の温度を１５
５０℃に設定し、反応器（１）の下方より２０Ｍ１ｌＩ
／　ｓ　ｅ　ｃ速度のＮ２キャリアガス（２０℃）によ
ってＡΩ粉末（４）を浮遊状態で１ｇ／ｈｒの割合で導
入すると共に、ガス供給管（３）よりＮＨ３濃度１０ｖ
ｏ１％のＮ２−ＮＨ３混合ガスを０．３Ｑ／ｈｒの割合
で反応領域内に供給し、１時間連続的に気相反応させた
ところ、主としてガス供給管（３）の周面にＡΩＮウィ
スカー（５）がびっしりと付着生成した。この反応後に
付着したガス供給管（３）を反応器（１）より抜き出し
、その周面に付着したＡΩＮウィスカーと反応器（１）
の内面に一部付着したＡΩＮウィスカーとを採集した。

得られたＡΩＮウィスカーは、直径約２０μｍ１長さ約
２０ａｍ＋にはマ揃った寸法を有する無色透明で表面の
滑らかな六角柱状結晶からなり、収量が約１ｇであった
。

比較例 Ｎ２−ＮＨ３混合ガスの供給を行わなかった以外は、上
記実施例と同様にしてＡρＮウィスカーを製造した。得
られたＡΩＮウィスカーは、直径約１〜１０μｍで長さ
が約０．５〜１０朧の範囲に分布した無色透明な六角柱
状結晶からなり、収量が約０．２ｇであった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるＡΩＮウィスカーの製造に用い
る装置の一例を示す概略構成図、第２図は同装置のガス
供給管の要部縦断面図である。 粉末、 ・・・ＡΩＮウィスカー 以上 （１）・・・反応器、（２）・・・ヒーター　（３）・
・・ガス供給管、（３ａ）・・・小孔、（４）・・・Ａ
ρス供給管 ；・器 第２

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミニウムをＮ＿２ガス中で加熱蒸発させて気
   相反応によってＡｌＮを析出させるにあたり、該反応領
   域中にＮＨ＿３含有ガスを供給することを特徴とする窒
   化アルミニウムウィスカーの製造方法。
2. （２）ＮＨ＿３含有ガスを、反応領域に導入されたガス
   供給管の周面に穿設した小孔より放出する請求項（１）
   記載の窒化アルミニウムウィスカーの製造方法。