JPH075358B2

JPH075358B2 - 透光性セラミックスの製造方法

Info

Publication number: JPH075358B2
Application number: JP2331210A
Authority: JP
Inventors: 正和遠北; 昭仁大塚
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1995-01-25
Anticipated expiration: 2010-01-25
Also published as: JPH04198059A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、可視光領域で透光性を示すセラミックスの製
造方法に関する。

（従来技術）一般に、透光性セラミックスは、セラミックス粉末をプ
レス成形した後に焼結を行なうことにより製造されてい
る。しかし、この方法では、三次元的に複雑な形状を有
する製品や薄肉部を有する製品を製造することが困難で
あった。また、複雑な形状を有する製品を得るために、
焼結後に、機械研磨により焼結体を削ることが行なわれ
ていたが、機械研磨の条件によっては、焼結体表面にヘ
アークラックと称する微細はクラックが形成され、製品
の機械的強度、靱性を著しく低減するという問題があ
り、さらに機械研磨に多大な時間を要し、その結果、製
品価格が高くなるという問題もある。

このような従来の方法の欠点を解消するために、酸化ア
ルミニウム粉末、酸化マグネシウム粉末及び有機バイン
ダーからなる混合物を所定形状の金型内に射出成形し、
得られた射出成形体を加熱して脱バインダーを行なった
後、焼結処理を施して透光性セラミックス製品を製造す
ることが試みられている。この方法によれば、複雑な形
状の製品を製造することが可能である。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、射出成形を行う上記の方法では、酸化ア
ルミニウム粉末と酸化マグネシウム粉末に加えて有機バ
インダーを使用するために、酸化マグネシウム粉末を酸
化アルミニウム粉末中に均一に分散させることが非常に
困難となり、このために得られる焼結体の組成分布が不
均一となり、この結果として、満足し得るような透光性
を得ることができないという問題がある。

従って本発明は、透光性に優れ且つ複雑な形状を有する
セラミックス成形品を製造することが可能な製造方法を
提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）本発明によれば、（ａ）0.01〜0.2重量％の酸化マグネシウム粉と残部が
酸化アルミニウム粉の組成となるように混合粉末を調製
する工程、（ｂ）前記混合粉末に、ガラス転移温度が100℃以下の
アクリル系樹脂を全体の１〜10重量％となるように混合
して、酸化マグネシウム粉を酸化アルミニウム粉中に均
一に分散させる工程、（ｃ）酸化マグネシウム粉が均一に分散された前記混合
粉末に、バインダー材を、該バインダー材と前記アクリ
ル系樹脂との合計量が全体の35〜70容量％となるように
添加して混練する工程、（ｄ）前記混練物を所定形状の成形体に射出成形する工
程、（ｅ）前記成形体から、前記アクリル系樹脂及びバイン
ダー材を除去する工程、及び（ｆ）前記アクリル系樹脂及びバインダー材が除去され
た成形体を、水素雰囲気または真空中において、1600〜
2000℃で焼成する工程、から成る透光性セラミックスの製造方法が提供される。

従来の射出成形を利用した方法では、酸化マグネシウム
粉末、酸化アルミニウム粉末及びバインダー材とを同時
に混合していたために、少量使用される酸化マグネシウ
ムが均一に分散されず、この結果として、透光性に優れ
たセラミックス成形品を得ることができなかった。しか
し本発明によれば、バインダー材の混合に先立って、予
めアクリル系樹脂を配合することにより酸化マグネシウ
ムが均一に分散され、例えば1mmの厚みにおけるインラ
イン透過率が60％以上の透光性に優れたセラミックス成
形品を得ることが可能となったものである。

本発明の透光性セラミックスの製造方法は、上記の工程
（ａ）〜（ｆ）の工程からなるが、以下、この各工程に
ついて説明する。

工程（ａ）；本発明においては、先ず酸化マグネシウムと酸化アルミ
ニウムとの混合粉末を調製し、この混合粉末を出発原料
として使用する。

この混合粉末の組成は、酸化マグネシウム粉末が0.01〜
0.2重量％であり、残部を酸化アルミニウム粉末とする
ことが重要であり、この範囲外の組成とするときには、
満足すべき透光性を得ることができない。即ち、透光性
を発現させるためには、後述する焼結により得られる焼
結体の相対密度を少なくとも99％とすることが必要であ
る。酸化マグネシウムは、焼結の最終段階での焼結粒の
成長を抑制し、これにより結晶粒界内部のポアの消滅の
促進及び焼結密度の向上に寄与し、また結晶粒の大きさ
を揃えるように作用する。従って、酸化マグネシウム
は、透光性向上に大きな役割を果たすものである。例え
ば、酸化マグネシウム含量が、0.01重量％未満では、こ
のような効果を発揮するには不十分であり、焼結体の密
度が充分に高くならず、満足な透光性が得られない。ま
た0.2重量％よりも多い場合には、焼結体の結晶粒界
に、酸化マグネシウムあるいは酸化マグネシウムと酸化
アルミニウムの複合酸化物が形成され、光散乱の原因と
なり、透光性が低下するという不都合を招くことにな
る。

本発明において、この混合物の調製に使用する酸化マグ
ネシウム粉末及び酸化アルミニウム粉末としては、それ
ぞれ市販のものを用いることができるが、透光性を発現
させるために、高純度のものを使用することが好適であ
る。また、焼結密度を向上させ、良好な透光性を発現さ
せるためには、これらの平均粒径はサブミクロンのオー
ダー、例えば0.8μｍ以下の範囲にあることが望まし
い。

工程（ｂ）；本発明においては、次いで、上記混合粉末にアクリル系
樹脂を混合する。このアクリル系樹脂は、界面活性剤的
な作用を有するものであり、これを用いることにより、
酸化マグネシウム粉末が、酸化アルミニウム粉末中に均
一に分散される。

このアクリル系樹脂は、得られる混合物全体当たり１〜
10重量％、特に２〜６重量％の割合で使用する。アクリ
ル系樹脂の使用量が１重量％未満あるいは10重量％を超
えるときには、酸化アルミニウム粉末中に酸化マグネシ
ウムが均一に分散されず、その結果として、最終製品
（焼結体）の透光性がその部分によって異なってしま
う。

またこのアクリル系樹脂としては、ガラス転移温度（T
g）が100℃以下のものが使用される。ガラス転移温度が
100℃よりも高いアクリル系樹脂を用いると、後述する
射出成形により得られる成形体が硬くて脆いものとな
り、そのハンドリング性の問題を生じる。アクリル系樹
脂の具体例としては、アクリル酸メチル、アクリル酸エ
チル、アクリル酸ブチル、アクリル酸イソブチル、アク
リル酸シクロヘキシル、アクリル酸２−エチルシクロヘ
キシル、アクリル酸プロピル、アクリル酸ヒドロキシエ
チル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタ
クリル酸ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル
酸シクロヘキシル、メタクリル酸２−エチルヘキシル、
メタクリル酸ｔ−ブチル、メタクリル酸グリシジル、メ
タクリル酸２−ヒドロキシエチル、メタクリル酸ラウリ
ル等の重合体を挙げることができ、これらは単独または
２種以上をブレンドして使用することができ、さらに上
記のモノマーの２種以上を共重合して使用に供すること
もできる。

上述したアクリル系樹脂と、工程（ａ）で調製された混
合物との混合は、それ自体公知の種々の方法により行う
ことができるが、ファインセラミックスでしばしば用い
られるスプレードライヤーにより顆粒粉を作製する方法
が最も好適である。

工程（ｃ）；この工程（ｃ）においては、工程（ｂ）で得られた酸化
マグネシウムが均一に分散された混合粉末にバインダー
材を加えて混練を行う。

この工程で使用されるバインダー材は、後述する射出成
形を有効に行うために使用されるものであり、通常、射
出成形後の成形体の形状保持に寄与する熱可塑性プラス
チックと射出成形時の流動性に寄与する熱可塑性プラス
チックとが組み合わせで使用される。

この形状保持に寄与する熱可塑性プラスチックとして
は、メルトフローレート（MFR,ASTM D 1236,230℃）が1
00〜300g/10分の範囲にある熱可塑性樹脂、例えば、ポ
リエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共
重合体、エチレン−アクリレート共重合体、ポリスチレ
ン等を例示することができる。MFRが100g/10分よりも低
い場合には、射出成形性が不満足なものとなり、また30
0g/10分よりも高い場合には、射出成形体の強度や形状
保持性が低くなる。

また射出成形時の流動性に寄与する熱可塑性プラスチッ
クとしては、ビカット軟化点（JIS K 7206）が50〜90℃
の範囲にあるワックス類、例えばパラフィンワックス、
マイクロクリスタリンワックス、低分子量ポリエチレン
ワックス、変性ワックス、アタクチックポリプロピレン
等を挙げることができる。この軟化点が50℃よりも低い
場合には、射出成形のサイクルタイムが長くなり、また
軟化し易いために成形時の作業性が悪くなる等の不都合
を生じる。さらに軟化点が90℃よりも高い場合には、流
動性が低下し、また熱分解点が高くなるので、脱バイン
ダー性が低下する。

これらの形状保持に寄与する熱可塑性樹脂と射出成形時
の流動性に寄与する熱可塑性樹脂とは、その種類によっ
ても異なるが、一般に重量基準で、4:1〜1:4、特に3:1
〜1:3の割合で使用されることが好適である。

本発明において、上述したバインダー材は、前述したア
クリル系樹脂との合計量で、混練物当たり、35〜70容量
％の割合で使用されることが必要である。35容量％より
も少ないと、混練物の流動性が低下して射出成形が困難
となり、また75容量％を超えると、脱バインダーが非常
に困難となり、最終製品の透光性が低下する等の不都合
を生じる。

またバインダー材との混練は、ニーダー、各種ミキサー
等の混練装置を用いて容易に行うことができる。

工程（ｄ）；次いで、前記工程（ｃ）で調製された混練物を所望の型
を有する金型内に射出し、目的とする型を有する成形体
を得る。

この射出成形は、通常のプラスチックの射出成形で用い
られている設備、装置をそのまま利用して行うことがで
きる。射出条件は、一般に加熱温度80〜200℃、射出圧
力500〜2000kg/cm²とすることが望ましい。

工程（ｅ）；次いで、上記成形体について脱バインダーを行い、成形
体に含まれているアクリル系樹脂及びバインダー材の除
去を行う。

この脱バインダーは、通常、大気中あるいは窒素ガス等
の不活性雰囲気中での加熱により行われる。加熱温度
は、一般的に400〜600℃の範囲である。

工程（ｆ）；上記の脱バインダーに引き続いて焼成処理が行われる。

本発明においては、この焼成を水素雰囲気中あるいは真
空中で行うことが必要である。一般に、焼成の最終段階
では、通常、結晶粒内に小さいポアが存在しており、こ
のポアを消滅することが透光性を向上させる上で重要と
なる。即ち、水素中で焼成を行うと、このポア内には水
素が残存することになるが、水素は拡散性に優れててい
るために、容易にポアから結晶粒界を通って焼成体から
排出される。この結果として、ポアはイオンの拡散によ
り、容易に消滅することになる。また真空中ではポア内
には殆ど気体が存在しないために、同様にして、ポアは
イオンの拡散により容易に消滅するのである。従って、
水素雰囲気中あるいは真空中での焼成により、透光性に
優れたセラミックスが得られるのである。

また焼成温度は1600〜2000℃、特に1700〜1900℃の範囲
とされる。1600℃よりも低い温度では、得られる焼成体
の相対密度が充分に向上せず、その結果として、透光性
が低下し、また2000℃より高い温度で焼成を行うと、焼
成体表面からマグネシウムが蒸発し、その結果として焼
成体表面の相対密度が向上せず、透光性とならずに白色
化することになる。

かかる焼成は、焼成体の相対密度が99％以上となる程度
に行われる。

透光性セラミックスかくして本発明の製造方法により得られるセラミックス
は、酸化マグネシウムが、0.01〜0.2重量％及び残部が
酸化アルミニウムという組成を有しており、可視光領域
における透光性が極めて優れている。例えば、後述の実
施例から明らかな通り、1mmでの厚みにおけるインライ
ン透過率が60％以上の範囲にあるものである。このイン
ライン透過率は、一定厚さの試料に対して、一定強度の
平行光線を入射した時の入射光強度に対する一定角度内
に入射する透過光強度の比率を示すものである。

（実施例）実施例１〜７平均粒径が0.15μｍの酸化マグネシウム粉末と、平均粒
径が0.53μｍの酸化アルミニウム粉末とを用いて、酸化
マグネシウム含量を第１表に示す様に種々変えて混合粉
末を調製した。

次いで、アクリル系樹脂としてポリブチルメタアクリレ
ート（ガラス転移温度;20℃）を、第１表に示す様に、
その添加量を種々変えて上記混合粉末に添加し、遠心式
スプレードライヤーを用いて顆粒化し、均一分散物を調
製した。調製された均一分散物（顆粒）の中心粒径は、
何れもほぼ40μｍである。

これら均一分散物の各々に、バインダー材として各種熱
可塑性プラスチックを加え、プラネタリーミキサーで混
練物を調製した。用いた熱可塑性プラスチックの種類及
びその添加量は第１表に示した通りである。尚、この熱
可塑性プラスチックと前記アクリル系樹脂（ポリブチル
メタアクリルレート）との合計量での容量％も併せて第
１表に示した。

この混練物を、射出成形機にて、射出温度90℃及び射出
圧600kg/cm²の条件で射出成形し、直径が10mm、厚さ2mm
の円盤状の成形体を得た。

次いで、空気気流中で、この成形体を加熱しながら（加
熱温度;500℃）脱バインダーを行い、さらに水素気流中
において、1800℃の温度で６時間焼成を行った。

得られた焼結体表面をダイヤモンドで研磨し、厚さを1m
mに揃えた後、吸光度計を用いて可視光領域（300nm〜11
00nm）でインライン透過率を測定した。

測定結果を第１表に示す。

尚、バインダー材として用いた熱可塑性プラスチック
は、次の通りである。

ポリエチレン；ポリスチレン；ポリプロピレン；エチレン−酢酸ビニル共重合体；パラフィンワックス；アタクチックポリプロピレン；変性ワックス；比較例１〜６比較のために、前記酸化マグネシウム、ポリブチルメタ
アクリレート及びバインダー材である熱可塑性プスチッ
クの使用量を第２表に示すとおりに変えた以外は、上記
実施例と同様にして焼結体を作成し、そのインライン透
過率の測定を行った。測定結果を第２表に示す。

尚、比較例１及び２は、酸化マグネシウムの使用量が本
発明の範囲外であり、比較例３及び４は、ポリブチルメ
タアクリレートの使用量が本発明の範囲外であり、比較
例５及び６は、ポリブチルメタアクリレートと熱可塑性
プラスチックの配合量の合計量が本発明の範囲外の例で
ある。

（発明の効果）本発明のセラミックスの製造方法によれば、射出成形法
を使用して、三次元的に複雑な形状を有し且つ透光性に
優れセラミックス成形品を有効に製造することが可能と
なる。この方法により得られるセラミックスは、特に可
視光領域における透光性が極めて優れている。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）0.01〜0.2重量％の酸化マグネシウ
ム粉と残部が酸化アルミニウム粉の組成となるように混
合粉末を調製する工程、（ｂ）前記混合粉末に、ガラス転移温度が100℃以下の
アクリル系樹脂を全体の１〜10重量％となるように混合
して、酸化マグネシウム粉を酸化アルミニウム粉中に均
一に分散させる工程、（ｃ）酸化マグネシウム粉が均一に分散された前記混合
粉末に、バインダー材を、該バインダー材と前記アクリ
ル系樹脂との合計量が全体の35〜70容量％となるように
添加して混練する工程、（ｄ）前記混練物を所定形状の成形体に射出成形する工
程、（ｅ）前記成形体から、前記アクリル系樹脂及びバイン
ダー材を除去する工程、及び（ｆ）前記アクリル系樹脂及びバインダー材が除去され
た成形体を、水素雰囲気または真空中において、1600〜
2000℃で焼成する工程、から成る透光性セラミックスの製造方法。