JPH0579617B2 - - Google Patents

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JPH0579617B2
JPH0579617B2 JP1038896A JP3889689A JPH0579617B2 JP H0579617 B2 JPH0579617 B2 JP H0579617B2 JP 1038896 A JP1038896 A JP 1038896A JP 3889689 A JP3889689 A JP 3889689A JP H0579617 B2 JPH0579617 B2 JP H0579617B2
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JP
Japan
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glass
oxynitride
mol
cao
present
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Hiroyoshi Mizuguchi
Atsushi Tanimoto
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Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00Glass compositions
    • C03C3/04Glass compositions containing silica
    • C03C3/076Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight
    • C03C3/11Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing halogen or nitrogen
    • C03C3/111Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing halogen or nitrogen containing nitrogen

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

産業上の利用分野 本発明はオキシナイトライドガラスおよびオキ
シナイトライドガラス繊維に関する。 従来の技術および課題 オキシナイトライドガラスは結合原子価が三価
の窒素により酸化物ガラス中の酸素が置換された
構造を有する。このため、酸化物ガラスより数多
くの結合が形成されガラスのネツトワークは強固
になり、高い弾性率と硬度を有する。 このような従来公知のオキシナイトライドガラ
スの組成としては、Ca−Si−Al−O−N,Na−
Ca−Si−O−N,La−Si−Al−O−N,Na−B
−Si−O−N,Mg−Si−Al−O−N,Si−Al−
O−N,Y−Al−Si−O−N,Na−B−Al−P
−O−Nなどが挙げられる。これらのオキシナイ
トライドガラスは例えば、熔融法、ゾル−ゲル
法、N2ガス吹き込み法および多孔質ガラスの
NH3ガス処理などにより製造されている。 熔融法によれば、金属窒化物を金属酸化物と混
合し、高温で熔融する。このような金属酸化物と
しては、例えば、SiO2,Na2O,K2O,La2O3
Y2O3,ZrO2,TiO2,B2O3(本明細書ではホウ素
を金属とみなす)などが挙げられる。また金属窒
化物の例としてはSi3N4およびAlNが挙げられ
る。 ゾル−ゲル法によれば−OH基あるいは−OR
基を有する酸化物ガラスの前駆体をNH3と反応
する。かかる酸化物ガラスの前駆体としては、シ
リコンテトラアルコキシド、チタンテトラアルコ
キシドなどが挙げられる。 しかしながら、これら従来公知のオキシナイト
ライドガラス組成物の窒素含有量は15原子%(9
重量%)未満である。原料中の窒素はオキシナイ
トライドガラスの製造にあたり全てがガラスの系
内には留どまらず、通常低窒素含有量(7〜8原
子%)のオキシナイトライドガラスが得られるに
すぎない。 また、ガラス繊維は強化材として有用であり、
例えばプラスチツク、セメントなどの成型用に用
いられている。従来のコンポジツト材料に用いら
れているガラスフアイバーは、一般にEガラスま
たはSガラスである。Eガラスは最大弾性率7500
Kg/mm2であり、最も高い弾性率を有するインペリ
アルN−672でも12110Kg/mm2の弾性率を有するに
すぎない。 ゾル−ゲル法により得られた公知のオキシナイ
トライドガラス繊維は、約8000Kg/mm2の弾性率を
有し、コンポジツト材料用の強化ガラス繊維とし
て用いるには不十分である。また、米国特許第
4609631号には、バルクのオキシナイトライドガ
ラスを再び熔融することにより得られるオキシナ
イトライドガラス繊維が、最大窒素含有量15原子
%で弾性率140〜180GPaを有することが開示され
ている。しかしながら、かかる繊維はイツトリウ
ムを42.6〜45.4重量%含有するため非常に高価で
ある。 本発明の目的は、窒素含有率が高く、高弾性
率、高硬度を有するオキシナイトライドガラスを
安価に、かつ容易に製造することにある。 課題を解決するための手段 本発明はSi−M1−M2−O−N系を有するオキ
シナイトライドガラスであつて、SiO2,Si3N4
よびM1Oをモル%にて下式: 65≦(SiO2+3Si3N4+M1O)×100 /(100+2Si3N4)<100 …(a) 0.7≦(SiO2+3Si3N4)/M1O≦2.3 …(b) [式中、M1はCaまたはCa+Mgであり、M2
Cr,Pb,VおよびSnからなる群より選ばれた1
種または2種以上の金属を意味する。] を満足する量含有することを特徴とするオキシナ
イトライドガラス、並びにこのガラスからなるガ
ラス繊維を提供するものである。 また、本発明ガラスはSiO20〜40モル%、CaO
26〜70モル%、MgO 0〜20モル%およびM222
原子%以下を含むのが好ましい。 本発明は、15原子%以上の多量の窒素を含有
し、Si−N結合に基づく緊密な架橋構造を有す
る。したがつて、本発明のガラスは公知のガラス
に比べてより緊密なガラスのネツトワークを有
し、高い表面硬度と弾性率を有する。 また、本発明は窒素含有量が15〜30原子%で弾
性率12500Kg/mm2以上のガラス繊維を安価な原料
を溶解し紡糸することにより提供するものであ
る。本発明によれば公知のガラス繊維では得られ
なかつた高い弾性率を有するガラス繊維が得られ
る。 本発明のオキシナイトライドガラスはSi−M1
−M2−O−Nのガラス系を有する。ここでM1
CaまたはCa+Mgである。即ち、本発明のオキ
シナイトライドガラスはSi−Ca−M2−O−Nま
たはSi−Ca−Mg−M2−O−Nガラス系を有す
る。また、金属M2はCr,Pb,VおよびSnを示
す。これらの金属は単独で、また2種以上を組み
合わせて使用してもよい。 本発明では、金属M2としてこれらの元素を用
いたことにより、通常よくガラスの金属酸化物と
して使用されるAl2O3などを用いたものに比べ溶
融温度が10〜40℃低下し、操業性が大きく向上し
た。 したがつて、本発明のオキシナイトライドガラ
スは、モル%にて次の式を満たす。 (SiO2+3Si3N4+CaO+MgO)×100 /(100+2Si3N4)=65〜100 …(a)′ (SiO2+3Si3N4)/(CaO+MgO)=0.7〜2.3
…(b)′ 式中、CaOは添加したCaO、あるいはCaOに変
換されうる化合物のモル%、またMgOは添加し
たMgO、あるいはMgOに変換されうる化合物の
モル%である。 本発明のオキシナイトライドガラスは公知のオ
キシナイトライドガラスに比べ多量のCaを含有
する。 前記式(a)が65モル%より小さいと、結晶を有す
るガラスが得られる。また、式(b)が0.7より小さ
いかあるいは2.3より大きいと、得られたガラス
の窒素含有量が15原子%より小さくなり、高弾性
率のガラスが得られない。 本発明のオキシナイトライドガラスを製造する
には、 (i) SiO2、 (ii) Si3N4、または他の金属窒化物、 (iii) CrO,PbO,V2O5およびSnOからなる群よ
り選ばれた1種または2種以上の酸化物、 (iv) CaOまたはCaO+MgOを混合する。 前記(ii)のSi3N4以外の金属窒化物としては、
AlN,BNが挙げられる。AlNはAl2O3と共に、
BNはB2O3と共に用いるのがよい。前記(iii)の金属
酸化物の代わりに、熱分解によりこれらの金属酸
化物となる炭酸塩、水酸化物、シユウ酸塩を配合
してもよい。前記(iii)の酸化物の配合量は0.05〜5
モル%、好ましくは0.5〜3モル%、さらに好ま
しくは1.5〜3モル%である。配合量が0.05モル
%未満では溶融温度低下の効果が少なく、一方、
5モル%を越えるとガラスに結晶を生ずる。溶融
温度の低下は、Crの場合0.5〜3モル%の添加で
約20℃以上、特に1.5〜3モル%で約40℃程度で
ある。 本発明のオキシナイトライドガラスは必須成分
としてCaOを含む。該オキシナイトライドガラス
はCaOとともにMgOを含んでもよい。さらに、
CaOおよびMgOの代わりに熱分解によりCaOま
たはMgOとなる化合物、例えば炭酸塩、水酸化
物、シユウ酸塩などであつてよい。 さらに、本発明ガラスには金属酸化物として安
価なAl2O3を加えてもよい。 これらの原料は、モル%にて前記の式(a)′,
(b)′を満たすように混合され、加熱されてオキシ
ナイトライドガラスを得る。該混合物の熔融は
1400〜1950℃にて1分〜3時間、加熱速度10〜
800℃/分にて窒素、アルゴンなどの不活性ガス
の雰囲気下にて行うのが好ましい。不活性雰囲気
は常圧であつてもよい。熔融は電気炉、イメージ
炉などの加熱炉で行つてよい。ルツボの材質は
BNのほか、Mo,Ta,W,SiCなどが用いられ
る。 別法として、酸化物のみからなる混合物をまず
空気中ルツボ内で熔融し粉砕して粉末を得て、つ
ぎにこの酸化物の粉末を窒化物と混合し、高温に
て不活性雰囲気下に熔融しオキシナイトライドガ
ラスを得てもよい。 ついで、得られたオキシナイトライドガラスを
急冷、または緩冷する。冷却したオキシナイトラ
イドガラスを1100〜1600℃に加熱した紡糸装置に
移し、不活性雰囲気にて紡糸速度20〜3000m/分
にて紡糸し連続繊維を得る。 他の紡糸方法としては、オキシナイトライドガ
ラスを紡糸装置の加熱炉にて熔融温度から1100〜
1600℃まで冷却し不活性雰囲気下に紡糸してもよ
い。この方法では、オキシナイトライドガラスの
原料をフイダーにて紡糸装置内の加熱炉に連続的
に供給し直接紡糸を行う。 得られたガラスは窒素含有量15〜30原子%、弾
性率12500〜2500Kg/mm2、引つ張り強度70〜500を
有する。窒素含有量が15原子%より小さいと、ガ
ラスは高い弾性率を示さない。一方、窒素含有量
が30原子%を越えるとガラスは結晶化する。窒素
含有量の調整は原料中の窒化物の量により行う。
ガラス繊維の径は3〜50μmであるのが好まし
い。径がこの範囲よりも小さいと、紡糸操作が困
難となる。一方、径がその範囲より大きいと、強
度が著しく低下する。 実施例 つぎに本発明を実施例に基づきさらに具体的に
説明する。実施例中、%はモル%を意味する。 実施例 1 SiO2(15.8%),CaO(57.9%),Al2O3(14.3%),
Cr2O3(1.5%)を空気中1450〜1500℃にてプリメ
ルトした。混合物を冷却し、ボールミルを用いて
粒度約10〜50μmに粉砕した。ついで、これを
Si3N4(10.5%)と混合し、ガラス繊維紡糸装置内
の窒化ホウ素ルツボに供給した。ルツボ内の混合
物を窒素雰囲気下、断熱材にて包囲された円筒状
のカーボン発熱体を用いて1730℃にて熔融した。
温度を1520℃まで下げ、ついで混合物を紡糸して
ワインダーに巻き取り連続繊維を得た。得られた
オキシナイトライドガラス繊維の物性を第1表に
示す。第1表において低下温度とは、Cr2O3を全
てAl2O3に置き換えたガラスに対する溶融温度の
低下である。この結果、ノズル使用時間は従来の
120時間から480時間に著しく延長した。 実施例 2〜7 原料成分量を第1表に示すごとく変更した以外
は、前記実施例1と同様にしてオキシナイトライ
ドガラス繊維を製造した。結果を同様にして第1
表に示す。第1表中、低下温度はCr2O3,V2O5
ついてはAl2O3に全量を置き換えたガラスに対す
る溶融温度の低下であり、PbO,SnO2について
は、CaOに全量を置き換えたガラスに対する溶融
温度の低下である。これらの実施例においても前
記実施例1と同様、ノズルの使用時間が著しく延
長した。
INDUSTRIAL APPLICATION FIELD The present invention relates to oxynitride glass and oxynitride glass fibers. Prior Art and Problems Oxynitride glass has a structure in which oxygen in oxide glass is replaced by trivalent nitrogen. Therefore, more bonds are formed than in oxide glass, making the network of the glass stronger and having higher elastic modulus and hardness. The composition of such conventionally known oxynitride glass is Ca-Si-Al-O-N, Na-
Ca-Si-O-N, La-Si-Al-O-N, Na-B
-Si-O-N, Mg-Si-Al-O-N, Si-Al-
O-N, Y-Al-Si-O-N, Na-B-Al-P
-O-N etc. are mentioned. These oxynitride glasses can be produced using, for example, the melting method, the sol-gel method, the N2 gas blowing method, and the porous glass method.
Manufactured by NH 3 gas treatment, etc. According to the melting method, metal nitride is mixed with metal oxide and melted at high temperature. Examples of such metal oxides include SiO 2 , Na 2 O, K 2 O, La 2 O 3 ,
Examples include Y 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , B 2 O 3 (boron is considered a metal in this specification). Further, examples of metal nitrides include Si 3 N 4 and AlN. According to the sol-gel method, -OH group or -OR
The precursor of the oxide glass with groups is reacted with NH3 . Precursors of such oxide glasses include silicon tetraalkoxide, titanium tetraalkoxide, and the like. However, the nitrogen content of these conventionally known oxynitride glass compositions is 15 at.% (9
weight%). Not all of the nitrogen in the raw materials remains in the glass system during the production of oxynitride glass, and usually only oxynitride glass with a low nitrogen content (7 to 8 at. %) is obtained. Glass fiber is also useful as a reinforcing material;
For example, it is used for molding plastics, cement, etc. Glass fibers used in conventional composite materials are generally E-glass or S-glass. E-glass has a maximum elastic modulus of 7500
Kg/mm 2 , and even Imperial N-672, which has the highest elastic modulus, has an elastic modulus of only 12110 Kg/mm 2 . The known oxynitride glass fibers obtained by the sol-gel process have an elastic modulus of about 8000 Kg/mm 2 , which is insufficient for use as reinforcing glass fibers for composite materials. Additionally, U.S. Patent No.
No. 4,609,631 discloses that oxynitride glass fibers obtained by remelting bulk oxynitride glass have an elastic modulus of 140 to 180 GPa at a maximum nitrogen content of 15 at.%. However, such fibers contain 42.6-45.4% by weight of yttrium and are therefore very expensive. An object of the present invention is to inexpensively and easily produce oxynitride glass having a high nitrogen content, high elastic modulus, and high hardness. Means for Solving the Problems The present invention is an oxynitride glass having a Si-M 1 -M 2 -O-N system, in which SiO 2 , Si 3 N 4 and M 1 O are expressed in mol% by the following formula: : 65≦(SiO 2 +3Si 3 N 4 +M 1 O) × 100 / (100 + 2Si 3 N 4 ) < 100 …(a) 0.7≦ (SiO 2 +3Si 3 N 4 )/M 1 O≦2.3 …(b) [ In the formula, M 1 is Ca or Ca + Mg, and M 2 is
1 selected from the group consisting of Cr, Pb, V and Sn
A species or two or more metals. ] An object of the present invention is to provide an oxynitride glass characterized by containing a satisfying amount of the following, and a glass fiber made of this glass. In addition, the glass of the present invention contains 0 to 40 mol% of SiO 2 and CaO
26-70 mol%, MgO 0-20 mol% and M222
It is preferable that the content is at most atomic %. The present invention contains a large amount of nitrogen of 15 atomic % or more and has a tight crosslinked structure based on Si--N bonds. Therefore, the glasses of the invention have a tighter glass network and higher surface hardness and modulus than known glasses. Further, the present invention provides glass fibers having a nitrogen content of 15 to 30 atomic % and an elastic modulus of 12,500 Kg/mm 2 or more by melting and spinning inexpensive raw materials. According to the present invention, a glass fiber having a high elastic modulus that cannot be obtained with known glass fibers can be obtained. The oxynitride glass of the present invention is Si-M 1
-M 2 -O-N glass system. Here M1 is
Ca or Ca+Mg. That is, the oxynitride glass of the present invention has a Si-Ca- M2 -O-N or Si-Ca-Mg- M2 -O-N glass system. Further, metal M 2 represents Cr, Pb, V and Sn. These metals may be used alone or in combination of two or more. In the present invention, by using these elements as the metal M 2 , the melting temperature is lowered by 10 to 40°C compared to those using Al 2 O 3, etc., which are commonly used as metal oxides in glass. sex has greatly improved. Therefore, the oxynitride glass of the present invention satisfies the following formula in terms of mol%. (SiO 2 + 3Si 3 N 4 + CaO + MgO) × 100 / (100 + 2Si 3 N 4 ) = 65 ~ 100 ... (a)' (SiO 2 + 3Si 3 N 4 ) / (CaO + MgO) = 0.7 ~ 2.3
...(b)′ In the formula, CaO is the mol% of added CaO or a compound that can be converted to CaO, and MgO is the mol% of added MgO or a compound that can be converted to MgO. The oxynitride glass of the present invention contains a larger amount of Ca than known oxynitride glasses. When the formula (a) is less than 65 mol%, a glass having crystals is obtained. Further, if the formula (b) is smaller than 0.7 or larger than 2.3, the nitrogen content of the obtained glass will be smaller than 15 atomic %, and a glass with a high elastic modulus will not be obtained. To produce the oxynitride glasses of the present invention, (i) SiO 2 , (ii) Si 3 N 4 or other metal nitrides, (iii) the group consisting of CrO, PbO, V 2 O 5 and SnO are used. One or more oxides selected from (iv) CaO or CaO+MgO are mixed. Metal nitrides other than Si 3 N 4 in (ii) above include:
Examples include AlN and BN. AlN together with Al 2 O 3
BN is preferably used together with B 2 O 3 . Instead of the metal oxide in (iii) above, carbonate, hydroxide, or oxalate, which becomes these metal oxides by thermal decomposition, may be blended. The blending amount of the oxide (iii) above is 0.05 to 5
It is mol%, preferably 0.5 to 3 mol%, more preferably 1.5 to 3 mol%. If the blending amount is less than 0.05 mol%, the effect of lowering the melting temperature will be small;
If it exceeds 5 mol%, crystals will form in the glass. In the case of Cr, the melting temperature decreases by about 20°C or more when 0.5 to 3 mol% is added, and particularly about 40°C when 1.5 to 3 mol% is added. The oxynitride glass of the present invention contains CaO as an essential component. The oxynitride glass may contain MgO as well as CaO. moreover,
Instead of CaO and MgO, there may be compounds that become CaO or MgO upon thermal decomposition, such as carbonates, hydroxides, oxalates, and the like. Furthermore, inexpensive Al 2 O 3 may be added to the glass of the present invention as a metal oxide. These raw materials have the formula (a)′,
(b)' is mixed to satisfy the requirements and heated to obtain oxynitride glass. The melting of the mixture is
1 minute to 3 hours at 1400 to 1950℃, heating rate 10 to
It is preferable to carry out the reaction at 800° C./min under an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon. The inert atmosphere may be at normal pressure. Melting may be performed in a heating furnace such as an electric furnace or an image furnace. The material of the crucible is
In addition to BN, Mo, Ta, W, SiC, etc. are used. Alternatively, a mixture consisting only of oxides is first melted and ground in an air crucible to obtain a powder, and then this oxide powder is mixed with a nitride and melted at high temperature under an inert atmosphere. Oxynitride glass may also be obtained. Then, the obtained oxynitride glass is rapidly or slowly cooled. The cooled oxynitride glass is transferred to a spinning device heated to 1,100 to 1,600°C, and spun at a spinning speed of 20 to 3,000 m/min in an inert atmosphere to obtain continuous fibers. Another spinning method involves spinning oxynitride glass in the heating furnace of a spinning device from a melting temperature of 1100 to
It may be cooled to 1600°C and spun under an inert atmosphere. In this method, raw materials for oxynitride glass are continuously supplied to a heating furnace in a spinning device using a feeder, and spinning is performed directly. The resulting glass has a nitrogen content of 15-30 at.%, an elastic modulus of 12,500-2,500 Kg/ mm2 , and a tensile strength of 70-500. If the nitrogen content is less than 15 atomic percent, the glass does not exhibit high elastic modulus. On the other hand, if the nitrogen content exceeds 30 atomic percent, the glass will crystallize. The nitrogen content is adjusted by adjusting the amount of nitride in the raw material.
The diameter of the glass fibers is preferably 3 to 50 μm. If the diameter is smaller than this range, the spinning operation becomes difficult. On the other hand, if the diameter is larger than this range, the strength will drop significantly. EXAMPLES Next, the present invention will be described in more detail based on examples. In the examples, % means mol%. Example 1 SiO 2 (15.8%), CaO (57.9%), Al 2 O 3 (14.3%),
Cr 2 O 3 (1.5%) was premelted in air at 1450-1500°C. The mixture was cooled and ground using a ball mill to a particle size of approximately 10-50 μm. Then, this
It was mixed with Si 3 N 4 (10.5%) and fed to a boron nitride crucible in a glass fiber spinning device. The mixture in the crucible was melted at 1730°C under a nitrogen atmosphere using a cylindrical carbon heating element surrounded by a heat insulating material.
The temperature was lowered to 1520°C, and the mixture was then spun into a winder to obtain continuous fibers. Table 1 shows the physical properties of the obtained oxynitride glass fiber. In Table 1, the lowered temperature is the lowered melting temperature for the glass in which all Cr 2 O 3 is replaced with Al 2 O 3 . As a result, the nozzle usage time has been reduced compared to conventional
It was significantly extended from 120 hours to 480 hours. Examples 2 to 7 Oxynitride glass fibers were produced in the same manner as in Example 1, except that the amounts of raw material components were changed as shown in Table 1. Same result as 1st
Shown in the table. In Table 1, the decrease in temperature is the decrease in melting temperature for glass when the entire amount of Cr 2 O 3 and V 2 O 5 is replaced with Al 2 O 3 , and for PbO and SnO 2 , it is the decrease in the melting temperature when the entire amount is replaced with CaO. It is a reduction in the melting temperature for glass. In these Examples, as in Example 1, the usage time of the nozzle was significantly extended.

【表】 発明の効果 本発明のオキシナイトライドガラスは低融点で
高い窒素含有率のガラスが得られるため、ガラス
およびガラス繊維の製造が容易となる。
[Table] Effects of the Invention Since the oxynitride glass of the present invention has a low melting point and a high nitrogen content, it is easy to manufacture glass and glass fibers.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 Si−M1−M2−O−N系を有するオキシナイ
トライドガラスであつて、SiO2,Si3N4および
M1Oをモル%にて下式: 65≦(SiO2+3Si3N4+M1O)×100 /(100+2Si3N4)<100 …(a) 0.7≦(SiO2+3Si3N4)/M1O≦2.3 …(b) [式中、M1はCaまたはCa+Mgであり、M2
Cr,Pb,VおよびSnからなる群より選ばれた1
種または2種以上の金属を意味する。] を満足する量含有することを特徴とするオキシナ
イトライドガラス。 2 前記請求項1記載のガラスからなる繊維径3
〜50μmのオキシナイトライドガラス繊維。
[Claims] 1 An oxynitride glass having a Si-M 1 -M 2 -O-N system, comprising SiO 2 , Si 3 N 4 and
The following formula for M 1 O in mol%: 65≦(SiO 2 +3Si 3 N 4 +M 1 O) × 100 / (100 + 2Si 3 N 4 ) < 100 …(a) 0.7≦ (SiO 2 +3Si 3 N 4 ) / M 1 O≦2.3 …(b) [In the formula, M 1 is Ca or Ca + Mg, and M 2 is
1 selected from the group consisting of Cr, Pb, V and Sn
A species or two or more metals. ] An oxynitride glass characterized by containing an amount satisfying the following. 2 Fiber diameter 3 made of the glass according to claim 1
~50 μm oxynitride glass fiber.
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