JPH0553748B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、高純度Al₂O₃成形体の製造方法に
関する。

従来の技術 アルミナ系セラミツク材料は硬さ、機械的強
度、耐熱性、化学的安定性等に優れており、また
SiCやSi₃N₄のセラミツク材料と比較しても耐熱
性が劣つておらず、しかも安価に得られることか
ら、工業用セラミツク材料として広く用いられて
いる。

従来、アルミナ系セラミツク製品は、単結晶フ
アイバーを除き、粉体を所定形状に成形したのち
に焼成するか、あるいは成形と焼成を同時に行う
ことによつて製造していた。

発明が解決しようとする問題点 従来のアルミナ系セラミツク材料には次のよう
な欠点があつた。

(1) 硬いため加工性が劣る。

(2) 脆性の強い材料であるため衝撃に弱い。一般
的にいつて、セラミツク材料は破壊靭性値が金
属に比べ大巾に劣つている。

(3) 複雑形状の製品を精密に成形加工するのが困
難である。

(4) 焼成収縮が大きい。

(5) 耐熱衝撃性が小さい。

(6) 金属に比べて潤滑性が劣つている。

このような欠点があるため、アルミナ系セラミ
ツク製品は、多くの優れた基本的特性を有しなが
ら、強度特性とか機械的な信頼性が厳しく要求さ
れる構造材としては使用が困難であつた。

発明の目的 本発明は、前述のような技術背景を勘案して、
複雑な形状が容易に得やすく、しかも安価に製造
できる高純度Al₂O₃成形体の製造方法を提供する
ことを目的としている。

発明の要旨 第１発明の要旨は、SiO₂を主成分とするガラ
ス成形体を高純度のAl融液中に浸漬してAlと
SiO₂を反応させ、その後AlとSiを除去し、その
あと1400〜2000℃で焼成することを特徴とする高
純度Al₂O₃成形体の製造方法にある。

また、第２発明の要旨は、SiO₂を主成分とす
るガラス成形体をAlで蒸着処理し、ガラス成形
体中のSiO₂とAlを反応させ、その後AlとSiを除
去し、そのあと1400〜2000℃で焼成することを特
徴とする高純度Al₂O₃成形体の製造方法にある。

問題点を解決するための手段 第１図は、AlとSiを除去する前のAl₂O₃−Al−
Si系複合材の切断面（ダイヤモンドペーストによ
る研磨面）を示す倍率800倍の顕微鏡写真である。

なお、この明細書では「Al₂O₃−Al−Si系」と
いう表現は最も広義に使用しており、Al₂O₃、Al
およびSiが主成分であることを意味し、主成分以
外の未反応のSiO₂を含むこともありうるもので
あり、すべて本発明の範囲に入る。

第２〜４図はAlとSiを除去した後のAl₂O₃多孔
体の破断面を示す倍率1000倍、2000倍および7000
倍の顕微鏡写真である。

これらの図からも明らかなように、このAl₂O₃
多孔体は、多数のAl₂O₃の複雑形状の長尺体が互
いに連結されて連続しているとともに、各長尺体
がランダムな方向に向いていて、複雑な気孔を形
成している。また、この発明により形成される
Al₂O₃多孔体は、多数のAl₂O₃の長尺体が互いに
連結されて連続することにより全体として三次元
網状になつている。また、得られたAl₂O₃多孔体
は、0.5〜1.5μｍの平均気孔半径を有する多数の
気孔を有しており、少なくとも気孔の90％以上が
気孔半径0.1〜10μｍの範囲に属している。さら
に、この多孔体は20〜30％の見掛気孔率を有して
いる。

なお、Al₂O₃の長尺体は規則的な一定形状でな
く不規則な形状をしていて、各々が比較的偏平に
なつている。

前述のAl₂O₃多孔体を高温で焼成することによ
つて、この発明による高純度Al₂O₃成形体が得ら
れる。

前述のAl₂O₃成形体の製造方法について述べる
と、まずSiO₂を主成分とするガラス成形体（例
えば石英ガラスの成形体）をつくり、必要に応じ
て所望の形状に加工する。そして、そのようなガ
ラス成形体を減圧下または不活性雰囲気下で高純
度（例えば99％以上、好ましくは99.9％以上）の
Al融液中に浸漬し、 4Al＋3SiO₂→2Al₂O₃＋3Si の式に従つてAlとSiO₂を反応させ、ガラス成形
体中のSiO₂をAl₂O₃に置換する。その結果、複合
体ができる。その後、Al融液から複合体を取り
出し、さらに、Al融液の温度よりも30〜200℃高
い温度（たとえば780〜950℃）で加熱処理する。
それにより、複合体に付着している過剰のAl融
液を揮散させるとともに、未反応のSiO₂をAlと
反応させる。しかも、複合体中に残留している歪
みを除去する。

最後にエツチング剤によりAlとSiの固溶体を
除去する。それによりAl₂O₃多孔体が形成される
が、それをさらに1400〜2000℃で焼成する。

また、別の製造方法をのべれば、前述のような
ガラス成形体を減圧下又は不活性雰囲気下で高純
度（例えば99.9％以上）のAlにより蒸着処理する
ことにより、 4Al＋3SiO₂→2Al₂O₃＋3Si の式に従つてAlとSiO₂を反応させ、ガラス成形
体中のSiO₂をAl₂O₃に置換する。

最後にエツチング剤によりAlとSiの固溶体を
除去する。これによりAl₂O₃多孔体が形成される
が、それをさらに1400〜2000℃で焼成する。本発
明で用いられるSiO₂を主成分とするガラス成形
体としては、石英ガラスの他のAl₂O₃、Na₂Oあ
るいはCaO等を含有したSiO₂系ガラスでも良い。

実施例 １ 第５図はAl₂O₃−Al−Si系の複合材を製造する
ための反応炉の一例の概略を示している。

石英ガラス製の反応容器１は上部が開放されて
いて、下方部が閉じられている。その内部には高
純度カーボン製のルツボ２が配置してある。反応
容器１の上部にはシヤツター３が設けてある。シ
ヤツター３の上部には出入れ部分４が設けてあ
る。出入れ部分４の側部には別のシヤツター５が
設けてある。出入れ部分とシヤツター３を貫通し
て線状の保持器６が垂直に配装できるようになつ
ている。保持器６の上部は上下駆動機構１３に連
結されていて、昇降可能になつている。保持器６
の下方部はガラス成形体７を保持するようになつ
ている。

また、反応容器１の上方側部には排気口８が形
成してあつて、真空ポンプ９に接続してある。

さらに、反応容器１の外側にはヒータ１０が螺
旋状に配置してある。ヒータ１０は、ルツボ２付
近に比較して、そこよりも上方のところで密に配
装して、ルツボ２の上方でより高温に加熱しうる
ようになつている。その高温加熱領域に均熱パイ
プ（例えば高純度カーボン製のパイプ）１１が配
置してある。

符号１２はルツボ２に収容されている純度99.9
％のAl融液を示している。

なお、ルツボ２やパイプ１１を支持するための
手段は図の簡略をはかるため図示を省略してい
る。

製造にあたつては、まず円筒状のプリフオーム
をつくる。すなわち、SiO₂を主成分とする（た
とえば石英ガラス製の）一体物、ウイスカ束、フ
アイバー束その他種々の円筒状のガラス成形体７
をつくる。シヤツター５を開けて、そのガラス成
形体７を保持器６の下端に取りつけ、しかるのち
シヤツター５を閉じる。つぎはシヤツター３を開
けて、保持器６の下端を下降させることにより、
そのようなガラス成形体７を10〜15Torrの減圧
下で純度99.9％のAl融液１２中に30分だけ750℃
で浸漬し、 4Al＋3SiO₂→2Al₂O₃＋3Si の式にしたがつてAlとSiO₂を反応させ、ガラス
成形体７中のSiO₂をAl₂O₃に置換し、複合体を得
る。その後、保持器６の下端を上昇させて、Al
融液１２から複合体を取り出し、さらに、パイプ
１１のところまで上昇させて、そこでAl融液１
２の温度よりも30〜200℃高い温度（つまり780〜
950℃）で前述の減圧下で加熱処理する。

そのあと、保持器６の下端をさらに上昇させる
ことにより複合体を出入れ部分４まで上昇させ、
シヤツター３を閉じる。そのあと、シヤツター５
を開け、複合体を保持器６から除去する。このと
き複合体は第１図の構造を有する。

以上の製造方法で得られたAl₂O₃−Al−Si系複
合材をさらにエツチング剤により処理してAlと
Siの固溶体を除去する。たとえば、HFとHNO₃
とH₂Oを１：１：１の割合で混合したエツチン
グ剤によりAlとSiの固溶体を完全に除去する。
かくして得られたAl₂O₃多孔体は第２〜４図の構
造を有する。また、この多孔体は見掛気孔率25％
で、気孔半径0.1〜10μｍの気孔よりなり、平均気
孔半径は0.9〜1μｍであつた。

このようなAl₂O₃多孔体をさらに1400〜2000℃
で焼成する。得られたAl₂O₃成形体は、見掛気孔
率５％で、250MPaの曲げ強さを有していた。

実施例 ２ 前述の実施例１にあつてはガラス成形体７が円
筒形状のプリフオームであつたが、それに代え
て、本実施例ではプレート状の石英ガラス成形体
７を使用する。そして、実施例１と同一の条件で
成形体７を処理する。

実施例 ３ 第６図はAl₂O₃−Al−Si系複合材を製造するた
めの蒸着装置の一例の概略を示している。

石英ガラス製の反応容器１は上部が開放されて
いて、下方部が閉じられている。その内部には高
純度カーボン製のルツボ２が配置してある。反応
容器１の上部にはシヤツター３が設けてある。シ
ヤツター３の上部には出入れ部分４が設けてあ
る。出入れ部分４の側部には別のシヤツター５が
設けてある。出入れ部分４とシヤツター３を貫通
して線状の保持器６が垂直に配装できるようにな
つている。保持器６の上部は実施例１と同じよう
に上下駆動機構１３に連結されていて、下方部は
円管状のガラス成形体７を保持する。また、反応
容器１の上方側部には排気口８が形成してあつ
て、真空ポンプ９に接続してある。さらに反応容
器１及びガラス成形体７の外側にはヒータ１０が
螺旋状に配置してある。

符号１２はルツボ２に収容されている純度99.9
％のAl融液を示している。

なお、ルツボ２を支持するための手段は図の簡
略をはかるため図示を省略している。

製造にあたつては、まず円管状のプリフオーム
をつくる。すなわち、SiO₂を主成分とする（た
とえば石英ガラス製の）ガラス成形体７を円筒形
状につくる。そのあと、シヤツター５を開けて、
そのガラス成形体７を保持器６の下端に取りつ
け、しかるのちシヤツター５を閉じる。つぎはシ
ヤツター３を開けて、保持器６の下端を下降させ
ることにより、そのようなガラス成形体７を10〜
15Torrの減圧下の反応容器１内で保持する。そ
の間、純度99.9％のAl融液１２が加熱されて蒸発
し、ガラス成形体７に蒸着する。それにより、 4Al＋3SiO₂→2Al₂O₃＋3Si の式にしたがつてAlとSiO₂を反応させ、ガラス
成形体７中のSiO₂をAl₂O₃に置換し、複合体を得
る。そのあと、保持器６の下端をさらに上昇させ
ることにより複合体を出入れ部分４まで上昇さ
せ、シヤツター３を閉じてからシヤツター５を開
け、複合体を保持器６から除去する。

以上の製造方法で得られたAl₂O₃−Al−Si系複
合材をさらにエツチング剤により処理してAlと
Siの固溶体を除去する。たとえば、HFとHNO₃
とH₂Oを１：１：１の割合で混合したエツチン
グ剤によりAlとSiの固溶体を完全に除去する。
かくして得られたAl₂O₃多孔体をさらに1400〜
2000℃で焼成する。

実施例 ４ 前述の実施例３にあつてはガラス成形体７が円
筒形状のプリフオームであつたが、それに代え
て、本実施例ではバルク状の石英ガラスウールを
使用する。そして、実施例３と同一の蒸着装置を
使用して、石英ガラスウールを蒸着処理してから
AlとSiの固溶体を除去する。

発明の効果 本発明による高純度Al₂O₃成形体は、ガラス成
形体を出発材料とするので、複雑な形状であつて
も容易に製造することができる。そればかりでな
く、機械的強度、耐摩耗性が高い。また、金属と
比較すると、この発明による高純度Al₂O₃成形体
の比重は大巾に小さい。

したがつて、この発明による成形体は各種の用
途があるが、焼成条件によつて気孔径を変化させ
ることが可能なので、フイルター、触媒の担体な
どの用途にも使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明方法に使用するAl₂O₃−Al−
Si系複合材の微細構造の断面を示す顕微鏡写真、
第２〜４図は第１図に示した複合材からAlとSi
の固溶体を除去して得られたAl₂O₃多孔体を示す
互に倍率の異なる顕微鏡写真、第５図は本発明方
法に使用する反応炉の一例を示す概略説明図、第
６図は本発明の別の方法に使用するための蒸着装
置の一例を示す概略説明図、第７図はAl₂O₃多孔
体の気孔の特徴を示すグラフである。 １……反応容器、２……ルツボ、３，５……シ
ヤツター、４……出入れ部分、７……ガラス成形
体、１２……Al融液。

【特許請求の範囲】

１ β−リチウムアルミネート微粉末を造粒・成
形した後、炭酸ガス雰囲気中、1000〜1100℃の温
度で焼成することを特徴とするγ−リチウムアル
ミネート焼結体の製造方法。 ２ β−リチウムアルミネート微粉末にMgO又
はZrO₂粉末を１〜15重量％添加して造粒・成形
した後、炭酸ガス雰囲気中、1000〜1250℃の温度
で焼成することを特徴とするγ−リチウムアルミ
ネート焼結体の製造方法。