JPH11292616A - 複合ガラスセラミックスおよびその製造方法 - Google Patents
複合ガラスセラミックスおよびその製造方法Info
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Abstract
種構造材や、各種基板等の電子工業用材料として安定的
に使用でき、工業用材料として広範な用途に使用できる
複合ガラスセラミックスおよびその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 重量%で、SiO2 50〜62%、P2
O5 5〜10%、ただし、重量比でP2O5/SiO2
0.08〜0.20、Al2O3 22〜26%、Li2O
3〜5%、MgO 0.6〜2%、ZnO 0.5〜2
%、CaO 0.3〜4%、BaO 0.5〜4%、Ti
O2 1〜4%、ZrO2 1〜4%、As2O3 0〜2%
からなる組成を有し、結晶相としてβ−スポジュメンお
よび/またはβ−石英固溶体を含有するガラスセラミッ
クス30〜95重量%と、フィラー5〜70重量%とを
含有し、かつ、上記ガラスセラミックスがマトリックス
を形成していることを特徴とする。
Description
優れ、各種高温構造材や、各種基板等の電子工業用材料
として安定的に使用でき、各種工業用材料として広範な
用途に使用できる複合ガラスセラミックスおよびその製
造方法に関する。
種構造材や、各種基板等の電子工業用材料として広範な
分野に使用されているが、ガラスセラミックスは、高温
構造材として使用するにはその耐熱性や機械的強度が充
分でないものが多く、また、通常の非晶質のガラスに比
べその製造が困難であり、特に、材料寸法の大きな大物
高温構造材には使用されていない。一方、セラミックス
は、一般にその耐熱性や機械的強度がガラスセラミック
スに比べ優れているが、その熱膨張係数が一定であるた
め、例えば金属等の異種の材料と接着する場合、セラミ
ックスと接着する材料もセラミックスと同程度の熱膨張
係数を有するものに限られ、特に高温下で使用する場
合、熱膨張係数に差があると接着部の亀裂や破損等を招
くので、工業用材料としての用途が著しく限定される。
また、セラミックスは一般に焼結温度が高く、例えば基
板等によく使用されているアルミナセラミックスでは焼
結温度が1500〜1600℃であり、焼結熱処理のた
めに特殊な焼成炉が必要となり、製造コストが高くなる
という問題がある。そこで、ガラスセラミックスの耐熱
性や機械的強度を向上させるために、ガラスまたはガラ
スセラミックスで形成されるマトリックス中に、エネル
ギー散逸源としてセラミックス粒子等のフィラーを分散
させたり、またはフィラーに起因する結晶相を分散して
析出させる技術が開発されている。このような複合化し
たガラスセラミックス、いわゆる複合ガラスセラミック
スは、ガラスセラミックス単体より高強度で耐熱性に優
れ、また、一般にセラミックスより低い温度で焼結でき
るため、各種工業用材料として広範な用途が期待され、
種々のものが提案されている。
は、熱膨張係数が5〜45×10-7のガラス又は結晶化
ガラス中に、表面にSiO2被膜を持たせたセラミック
ス粒子を分散させたガラス−セラミック複合体が開示さ
れている。しかし、このガラス−セラミック複合体は、
同号公報の実施例が示すように、熱膨張係数の範囲が2
5〜53×10-7であり、充分に広い範囲を有している
とは言い難く、上述した理由から各種工業用材料として
広範な用途に使用するには適当ではない。また、このガ
ラス−セラミック複合体は、セラミックス粒子をそのま
ま混合し焼成しても緻密な複合体が得られないため、分
散させるセラミック粒子に予めSiO2被膜をコーティ
ングする必要があり、製造工程が複雑になる問題があ
る。
組成がSiO2−Al2O3−RO−R2O系のガラス粉末
とセラミック粉末とからなるガラスセラミックが開示さ
れている。このガラス粉末は、結晶核形成剤を含有して
いないため、熱処理後も結晶が析出せず、上記ガラスセ
ラミックのマトリックスは非晶質のガラス相である。そ
のため上記ガラスセラミックは、同号公報の実施例が示
すように抗折強度(曲げ強度)が800〜1480kg
/cm2と低く、その用途は高強度を必要としない材料
に限られる。また、特公平6−17249号公報および
特公平6−76227号公報には、核発生剤を添加した
SiO2−Al2O3−B2O3−MgO系のガラス組成物
粉末とフィラーとの混合物を焼成して得られるガラスセ
ラミック焼結体が開示されている。これらのガラスセラ
ミックス焼結体のガラス組成物粉末は、熱処理すること
によりコーディエライトを主結晶として析出するもので
あるが、これらのガラスセラミック焼結体は、焼成温度
が1000℃以下と低い反面、1000℃を超える高温
域で構造材として使用するには、耐熱性が充分ではな
い。また、特公平6−17249号公報のガラスセラミ
ック焼結体は、同号公報の実施例が示すように熱膨張率
が43〜55×10-7/℃の範囲であり、特公平6−7
6227号公報のガラスセラミック焼結体は、同号公報
の実施例が示すように熱膨張率が41〜53×10-7/
℃の範囲であって、いずれも、上記特公昭63−650
3号公報のガラス−セラミック複合体よりもさらに熱膨
張率(熱膨張係数)の範囲が狭く、それらの用途は一層
限定される。
従来技術の問題点を解決し、高強度で耐熱性に優れ、高
温域で使用する各種構造材や、各種基板等の電子工業用
材料として安定的に使用でき、工業用材料として広範な
用途に使用できる複合ガラスセラミックスおよびその製
造方法を提供することにある。
達成するため種々の試験研究を重ねた結果、TiO2お
よびZrO2を結晶核形成剤とした限定された組成範囲
のSiO2−P2O5−Al2O3−Li2O系の組成を有
し、熱処理することにより結晶相としてβ−スポジュメ
ンおよび/またはβ−石英固溶体を析出するアモルファ
ス状態の原ガラス粉末とフィラーとの混合物もしくは上
記組成系のアモルファス状態の原ガラスまたは原ガラス
粉末を熱処理することにより得られ、結晶相としてβ−
スポジュメンおよび/またはβ−石英固溶体を含有する
ガラスセラミックス粉末とフィラーとの混合物を焼結熱
処理して、マトリックスを形成するガラスセラミックス
とフィラーとを複合化させることにより、高強度で耐熱
性に優れ、かつ、用途に応じ熱膨張係数および熱伝導率
を広い範囲で選択可能な複合ガラスセラミックスが得ら
れることを見いだした。
求項1に記載の複合ガラスセラミックスは、重量%で、
SiO2 50〜62%、P2O5 5〜10%、ただし、
重量比でP2O5/SiO2 0.08〜0.20、Al2
O3 22〜26%、Li2O3〜5%、MgO 0.6〜
2%、ZnO 0.5〜2%、CaO 0.3〜4%、B
aO 0.5〜4%、TiO2 1〜4%、ZrO2 1〜
4%、As2O3 0〜2%からなる組成を有し、結晶相
としてβ−スポジュメンおよび/またはβ−石英固溶体
を含有するガラスセラミックス30〜95重量%と、フ
ィラー5〜70重量%とを含有し、かつ、上記ガラスセ
ラミックスがマトリックスを形成していることを特徴と
する。
ックスは、請求項1に記載の複合ガラスセラミックスに
おいて、フィラーがAl2O3、ZrO2およびMgOの
中から選ばれた1種または2種以上であることを特徴と
する。
ックスは、請求項1または2に記載の複合ガラスセラミ
ックスにおいて、100〜300℃の温度範囲における
熱膨張係数(α)が5〜110×10-7/℃であること
を特徴とする。
ックスは、請求項1〜3に記載の複合ガラスセラミック
スにおいて、熱伝導率が1〜6W/mKであること特徴
とする。
ックスは、請求項1〜4に記載の複合ガラスセラミック
スにおいて、曲げ強度が15kgf/mm2以上である
ことを特徴とする。なお、本発明における曲げ強度は、
4点荷重方式により測定した曲げ強度である。
6に記載の複合ガラスセラミックスの製造方法は、重量
%で、SiO2 50〜62%、P2O5 5〜10%、た
だし、重量比でP2O5/SiO2 0.08〜0.20、
Al2O3 22〜26% 、Li2O 3〜5%、MgO
0.6〜2%、ZnO 0.5〜2%、CaO 0.3〜
4%、BaO 0.5〜4%、TiO2 1〜4%、Zr
O2 1〜4%、As2O3 0〜2%からなる組成を有
し、熱処理することにより結晶相としてβ−スポジュメ
ンおよび/またはβ−石英固溶体を析出するアモルファ
ス状態の原ガラス粉末30〜95重量%と、フィラー5
〜70重量%とを混合し、得られた混合物を1100〜
1250℃で焼結熱処理することを特徴とする。
ックスの製造方法は、請求項6に記載の複合ガラスセラ
ミックスの製造方法において、原ガラス粉末の平均粒径
が50μm以下、最大粒径が200μm以下であり、か
つ、フィラーの粒径が原ガラス粉末の平均粒径より小さ
いことを特徴とする。なお、本発明における平均粒径
は、光回折・散乱法により測定した平均粒径(重量基
準)である。
クスの製造方法は、重量%で、SiO2 50〜62%、
P2O5 5〜10%、ただし、重量比でP2O5/SiO2
0.08〜0.20、Al2O3 22〜26%、Li2O
3〜5%、MgO 0.6〜2%、ZnO 0.5〜2
%、CaO 0.3〜4%、BaO 0.5〜4%、Ti
O2 1〜4%、ZrO2 1〜4%、As2O3 0〜2%
からなる組成を有し、結晶相としてβ−スポジュメンお
よび/またはβ−石英固溶体を含有するガラスセラミッ
クス粉末30〜95重量%と、フィラー5〜70重量%
とを混合し、得られた混合物を1100〜1250℃で
焼結熱処理することを特徴とする。
ックスの製造方法は、請求項8に記載の複合ガラスセラ
ミックスの製造方法において、ガラスセラミックス粉末
の平均粒径が50μm以下、最大粒径が200μm以下
であり、かつ、フィラーの粒径がガラスセラミックス粉
末の平均粒径より小さいことを特徴とする。
ミックスの製造方法は、請求項6〜9に記載の複合ガラ
スセラミックスの製造方法において、フィラーがAl2
O3、ZrO2およびMgOの中から選ばれた1種または
2種以上であることを特徴とする。
ミックスの製造方法は、請求項6〜10に記載の複合ガ
ラスセラミックスの製造方法において、混合物を焼結熱
処理温度まで200℃/hr以上の昇温速度で加熱、昇
温した後、焼結熱処理することを特徴とする。
ックスを形成するガラスセラミックスは、結晶相とし
て、β−スポジュメンおよび/またはβ−石英固溶体を
含有するが、ここで、上記β−石英固溶体は、β−石英
およびこれに酷似の構造を有するβ−ユークリプタイト
〔Li2O・Al2O3・2SiO2(ただしLi2Oの一
部はMgOおよびZnOと置換可能)〕の総称である。
さらに、本発明の複合ガラスセラミックスのマトリック
ス中には、上記結晶相の他にフィラーの結晶相およびフ
ィラーと原ガラス粉末またはガラスセラミックス粉末と
の反応により生成する結晶相が析出していること、およ
び/またはフィラー粒子がエネルギー散逸源として複合
化されていることにより、本発明の複合ガラスセラミッ
クスは、ガラスセラミックス単体と比べて高強度であ
る。また、ガラスセラミックスの組成、フィラーの種類
および含有量ならびに焼結熱処理温度を適宜選択して、
上記複合ガラスセラミックスのマトリックス中の結晶相
の種類や析出量を制御することにより、広範な用途に応
じて複合ガラスセラミックスの熱膨張係数および熱伝導
率を変化させることができる。
マトリックスを形成するガラスセラミックスおよびその
母材である原ガラス粉末またはガラスセラミックス粉末
の組成を限定した理由を述べる。SiO2成分は、β−
スポジュメンおよび/またはβ−石英固溶体結晶の構成
要素となる重要な成分であるが、その量が50%未満の
場合には、得られるガラスセラミックスの結晶粒径が粗
大化し、緻密な複合ガラスセラミックスを得難くなる。
また、62%を超えると原ガラスの溶融清澄が困難にな
る。SiO2成分の量の好ましい範囲は50〜60%で
あり、特に好ましい範囲は53〜57%である。
とにより原ガラスの溶融性を向上させ、原ガラスの清澄
を容易にする効果を有するが、その量が5%未満の場合
には上記効果が得られず、また10%を超えるとガラス
セラミックスの結晶粒径が粗大化し、緻密な複合ガラス
セラミックスを得難くなる。P2O5成分の量の好ましい
範囲は6〜10%であり、特に好ましい範囲は7〜9%
である。さらに上記効果を著しく向上させるために、後
述のLi2O+MgO+ZnOおよびCaO+BaO成
分との共存下において、SiO2成分に対する P2O5成
分の重量比を0.08〜0.20の範囲内とするのが良
く、特に好ましい範囲は0.13〜0.17である。
/またはβ−石英固溶体結晶の構成要素となる重要な成
分であるが、その量が22%未満では原ガラスの溶融が
困難になるとともに、原ガラスの耐失透性が悪化する。
また、26%を超えると、やはり、原ガラスの溶融が困
難となり、かつ、耐失透性が悪化する。Al2O3成分の
量の特に好ましい範囲は23〜25%である。
β−スポジュメンおよび/またはβ−石英固溶体結晶の
構成要素となる重要な成分である。これらの3成分は上
記SiO2成分に対するP2O5成分の限定された重要比
と相まって、原ガラスの溶融性を向上させ、その清澄を
容易にする効果を有するが、Li2O成分は、その量が
3%未満の場合には原ガラスの溶融性が悪化し、また所
要量の微細な結晶が析出し難くなる。また5%を超える
と上記効果が得られず、また結晶粒径が粗大となり、緻
密な複合ガラスセラミックスを得難くなる。Li2O成
分の量の特に好ましい範囲は3.7〜4.5%である。
MgO成分は、その量が0.6%未満の場合には上記効
果が得られず、原ガラスの溶融性が悪化する。また2%
を超えると上記効果が得られず、所要の結晶相が析出し
難くなる。MgO成分の量の特に好ましい範囲は0.7
〜1.4%である。ZnO成分は、その量が0.5%未
満の場合には上記効果が得られず、原ガラスの溶融性が
悪化する。また2%を超えると上記効果が得られず、原
ガラスの耐失透性が悪化し、また所要の結晶相が析出し
難くなる。ZnO成分の量の特に好ましい範囲は0.5
〜1.5%である。さらに上記効果を著しく向上させる
ためには、Li2O+MgO+ZnOの3成分の合計量
を4.6〜6.5%の範囲にするのが好ましく、特に好
ましい範囲は5.0〜6.0%である。
クスを形成するガラスセラミックス中において、基本的
に結晶相以外のガラス相として残存する成分であり、熱
処理により析出する結晶相と残存するガラス相との比率
を微調整する成分として重要である。CaO成分は、そ
の量が0.3%未満では上記効果が得られず、また4%
を超えるとやはり上記効果が得られず、原ガラスの耐失
透性が悪化する。CaO成分の量の特に好ましい範囲は
0.5〜2.5%である。BaO成分は、その量が0.
5%未満では上記効果が得られず、また4%を超えると
原ガラスの耐失透性および溶融性がともに悪化する。B
aO成分の量の特に好ましい範囲は0.5〜1.5%で
ある。さらに上記効果を著しく向上させるためには、C
aO+BaOの2成分の合計量を1〜5%の範囲にする
のが好ましく、特に好ましい範囲は1.5〜2.5%で
ある。
晶核形成剤として不可欠であるが、これらの量がそれぞ
れ1%未満では所望の結晶を析出することができず、ま
た、それぞれ4%を超えると原ガラスの耐失透性が悪化
する。これら2成分の量の特に好ましい範囲は、TiO
2成分は1.5〜3.0%であり、ZrO2成分は1.0
〜2.5%である。またこれらTiO2+ZrO2の2成
分の合計量は2.5〜5.0%の範囲にするのが好まし
く、特に好ましい範囲は3.5〜5.0%である。As
2O3成分は、均質な原ガラスを得るため、原ガラス溶融
の際の清澄剤として任意に添加し得るが、その量は2%
以下で十分である。
ラスセラミックスの所望の諸特性を損なわない範囲で、
PbO、SrO、B2O3、F2、La2O3、Bi2O3、
WO3、Y2O3、Gd2O3およびSnO2成分の1種また
は2種以上を合計で2%まで、CoO、NiO、MnO
2、Fe2O3、Cr2O3等の着色成分の1種または2種
以上を合計で2%まで、それぞれ添加することができ
る。
フィラーとしては、Al2O3、ZrO2、MgO等のセ
ラミックス粉末ならびにSi、W、Mo、Cr、Ti、
Zr、Nb、Hf、Ta、Fe、Ni、Coおよびそれ
らの合金、ステンレス鋼、超耐熱合金等の金属粒子の中
から選ばれた1種または2種以上を用いることができる
が、特に、Al2O3、ZrO2およびMgOの中から選
ばれた1種または2種以上をフィラーとすることが好ま
しい。
組成を有し、熱処理することにより結晶相としてβ−ス
ポジュメンおよび/またはβ−石英固溶体を析出するア
モルファス状態の原ガラス粉末30〜95重量%もしく
は上記組成を有し、結晶相としてβ−スポジュメンおよ
び/またはβ−石英固溶体を含有するガラスセラミック
ス粉末30〜95重量%と、フィラー5〜70重量%と
を混合し、得られた混合物を成形型等に入れまたは混合
物をプレス等により所望形状に成形し、1100〜12
50℃で焼結熱処理することにより得ることができる。
フィラーが70%を超えると混合物の焼結性が悪くな
り、緻密な複合ガラスセラミックスを得ることができな
くなる。また、その量が5%未満ではフィラーとガラス
セラミックスとの複合効果が得られず、熱膨張係数
(α)、熱伝導率および曲げ強度等の本発明の複合ガラ
スセラミックスの所望の諸特性が得難くなる。
は、原ガラス粉末およびガラスセラミックス粉末が軟化
しにくくなることにより、マトリックスを形成するガラ
スセラミックスとフィラーとの融着性が悪くなって、緻
密な複合ガラスセラミックスが得難くなる。また、12
50℃を超えると複合ガラスセラミックス中に気孔(ポ
ア)が生じるので好ましくない。
クス粉末とフィラーとの混合物を焼結熱処理温度まで加
熱、昇温する際の昇温速度は200℃/hr以上である
ことが好ましく、250〜800℃/hrの範囲内であ
ることが特に好ましい。昇温速度が200℃/hr未満
の場合、結晶成長温度域において結晶化が過度に進行し
て、マトリックスを形成するガラスセラミックスの熱膨
張係数とフィラーの熱膨張係数との差が大きくなり微少
な亀裂が生じて、緻密な複合ガラスセラミックスを得る
ことが難しくなる。また、昇温速度が800℃/hrを
超えると、昇温中に所望形状に成形した混合物中にひず
みが生じて割れたり、また、原ガラス粉末およびガラス
セラミックス粉末が急激に軟化し、成形した混合物が変
形したりするので好ましくない。
ラーとを混合して本発明の複合ガラスセラミックスを製
造する場合、上記原ガラス粉末は、上述した組成となる
ように、酸化物、炭酸塩、水酸化物、硝酸塩等のガラス
原料を秤量、調合し、ルツボ等に入れ、約1400〜1
600℃で約7〜9時間溶融、撹拌、清澄した後、溶融
ガラスを鋳型等にキャストして徐冷するか、または、ロ
ール急冷法、水中投入法等により急冷して得た原ガラス
をボールミル、遊星ボールミル、ローラミル等の公知の
粉砕装置を用い、湿式法または乾式法等の公知の粉砕方
法により粉砕して得ることができる。また、ガラスセラ
ミックス粉末と、フィラーとを混合して本発明の複合ガ
ラスセラミックスを製造する場合、ガラスセラミックス
粉末は、上述の方法により得られた原ガラス粉末を75
0〜800℃で熱処理して、結晶化することにより得る
ことができる。また、原ガラスを粉末にする前に、75
0〜1200℃で熱処理して、結晶化することにより得
たガラスセラミックスを上述した公知の粉砕装置および
粉砕方法により粉砕することによっても得ることができ
る。
態の原ガラス粉末またはガラスセラミックス粉末の平均
粒径は50μm以下であり、その最大粒径は200μm
以下であることが望ましく、特に平均粒径が15〜30
μmであり、かつ、粒径が5μm以下の粉末を20体積
%以上含んでいることが好ましく、特に20〜30体積
%含んでいることが好ましい。原ガラス粉末またはガラ
スセラミックス粉末の平均粒径が50μm超え、最大粒
径が200μmを超えると焼結熱処理に要する温度が高
くなり、また、得られる複合ガラスセラミックスの均質
性、緻密性も悪くなる。また、粒径が5μm以下の粉末
が20体積%未満であると、原ガラス粉末またはガラス
セラミックス粉末とフィラーとの混合物をプレス等によ
り成形する際、粉末間の空隙の充填性が悪くなるため緻
密な成形体が得難くなり、また焼結熱処理に要する温度
が高くなる。
末またはガラスセラミックス粉末の平均粒径よりも小さ
く、特に、10μm以下であることが望ましい。フィラ
ーの粒径が上記平均粒径よりも大きくなると、ガラス粉
末またはガラスセラミックス粉末とフィラーとの混合物
の焼結性が悪くなるので好ましくない。
セラミックスは、アモルファス状態の原ガラス粉末また
はガラスセラミックス粉末とフィラーとを混合し、得ら
れた混合物を焼結熱処理して製造するが、これらの成分
の他に、必要に応じ、着色成分として、CoO、Ni
O、MnO2、Fe2O3、Cr2O3等の1種または2種
以上の粉末を本発明の複合ガラスセラミックスの所望の
特性を損なわない範囲で添加、混合することができる。
また、上記混合物に、ポリビニルアルコール、ステアリ
ン酸、ポリエチレングリコール等を、成形時の有機バイ
ンダーとして添加、混合することができる。特に、混合
物を所望形状にプレス成形した後で焼結熱処理する場合
や、寸法の大きな混合物を焼結熱処理する場合には、有
機バインダーを混合することが望ましく、例えば、混合
物100重量%に対し、1〜20%程度の濃度のポリビ
ニルアルコール等の有機バインダー水溶液5〜15重量
%を加えることができる。
適な実施例および比較例について説明する。重量%で、
SiO2 55.0%、P2O5 8.0%、Al2O3 2
4.0%、Li2O 4.0%、MgO 1.0%、Zn
O 0.5%、CaO 1.0%、BaO1.0%、Ti
O2 2.5%、ZrO2 2.0%およびAs2O3 1.
0%の組成となるように、酸化物、炭酸塩、水酸化物、
硝酸塩等のガラス原料を秤量、調合し、白金ルツボ等に
入れ、1500℃で8時間溶融、撹拌、清澄した後、溶
融ガラスを水中に投入して急冷して得た原ガラスをアル
ミナ質ボールミルに入れて粉砕し、粒径が5μm以下の
粉末を約25体積%含有し、平均粒径が約20μm、最
大粒径が約180μmの原ガラス粉末を得た。次にこの
原ガラス粉末および粒径が10μm以下の各種フィラー
粉末を表1に示した割合となるように秤量し、アルミナ
質ボールミルに入れて混合し、混合物を得た。以上、述
べた粉砕および混合工程では、湿式および乾式のいずれ
の方法も採用できるが、本実施例では、乾式法で粉砕、
混合を行った。ついで得られた混合物100重量%に対
し、濃度2%のポリビニルアルコール水溶液10重量%
をバインダーとして加え、混合し、金型に入れて一軸プ
レスにより成形し、得られたプレス品を焼成炉に入れ、
室温から表1に示すように各焼結熱処理成温度に達する
まで、一定の昇温速度で加熱、昇温し、各焼結熱処理温
度で3時間保持して焼結熱処理した後、降温して、表1
に示す本発明の実施例No.1〜No.10および比較
例No.Bの複合ガラスセラミックス試料を作製した。
また、表1中の比較例No.Aの試料はフィラーを含有
しないガラスセラミックス単体であり、上記原ガラスと
同じガラスを用い、フィラーを混合しない他は、上述し
た方法と同じ方法で作製したものである。
0〜300℃の温度範囲における熱膨張係数(α)、曲
げ強度および熱伝導率を測定した結果を表2に示す。曲
げ強度は4点荷重方式によって測定したものである。ま
た、表2に示す緻密性の評価結果は、表1の各試料のジ
ェネレーター加工面を電子顕微鏡で観察し、30μm以
上のポアが見られないものを○、15μm以上のポアが
見られないものを◎としたものである。また、表3に
は、表1の各試料をX線回折法により分析して、各試料
の主結晶相を同定した結果を示す。
複合ガラスセラミックスは、いずれも、曲げ強度が15
kgf/mm2以上で高強度であり、また、100〜3
00℃の温度範囲における熱膨張係数(α)が5〜11
0×10-7/℃、熱伝導率が1〜6W/mKの範囲であ
り、熱膨張係数(α)および熱伝導率を広い範囲で選択
できることを示している。また、特に、実施例No.1
〜No.4およびNo.7〜No.10の複合ガラスセ
ラミックスは、熱膨張係数(α)が低く、ヒートショッ
クに対して強く、一段と耐熱性が優れている。また、実
施例の複合ガラスセラミックスは、焼結熱処理温度が1
100〜1250℃の範囲であり、アルミナセラミック
スの焼結温度1500〜1600℃と比べはるかに低い
温度であるにもかかわらず、いずれも優れた緻密性を示
している。一方、ガラスセラミックス単体である比較例
No.Aは、緻密であり、熱膨張係数(α)も低いが、
曲げ強度が小さく強度が弱い。また、フィラーを過剰に
混合した比較例No.Bの試料は、1250℃の焼結熱
処理温度では焼結しないため緻密性の評価ができず、ま
た、曲げ強度、熱膨張係数(α)および熱伝導率を測定
することができなかった。
セラミックスは、TiO2およびZrO2を核形成剤とし
た限定された組成範囲のSiO2−P2O5−Al2O3−
Li2O系の組成を有し、結晶相としてβ−スポジュメ
ンおよび/またはβ−石英固溶体を含有するガラスセラ
ミックス30〜95重量%と、フィラー5〜70重量%
とを含有し、かつ、上記ガラスセラミックスがマトリッ
クスを形成している複合ガラスセラミックスであること
により、高強度で耐熱性に優れ、かつ、用途に応じ熱膨
張係数および熱伝導率を広い範囲で選択可能であって、
例えば炉材やセッター等の各種高温構造材や、各種基板
やパッケージ等の電子工業用材料として安定的に使用す
ることができ、各種工業用材料として広範な用途に使用
できる。また、本発明の複合ガラスセラミックスの製造
方法は、上記組成系のアモルファス状態の原ガラス粉末
とフィラーとの混合物、または上記組成系のアモルファ
ス状態の原ガラス粉末もしくは上記組成系のアモルファ
ス状態の原ガラスを熱処理することにより得られるガラ
スセラミックス粉末とフィラーとの混合物を、1100
〜1250℃で焼結熱処理する方法であるから、アルミ
ナセラミックス等と比べてはるかに低い温度で焼結する
ことができ、焼結のために特殊な焼成炉を必要としない
ので、製造コストおよび生産効率の点でも一段と有利で
ある。
Claims (11)
- 【請求項1】 重量%で、SiO2 50〜62%、P2
O5 5〜10%、ただし、重量比でP2O5/SiO2
0.08〜0.20、Al2O3 22〜26%、Li2O
3〜5%、MgO 0.6〜2%、ZnO 0.5〜2
%、CaO 0.3〜4%、BaO 0.5〜4%、Ti
O2 1〜4%、ZrO2 1〜4%、As2O3 0〜2%
からなる組成を有し、結晶相としてβ−スポジュメンお
よび/またはβ−石英固溶体を含有するガラスセラミッ
クス30〜95重量%と、フィラー5〜70重量%とを
含有し、かつ、上記ガラスセラミックスがマトリックス
を形成していることを特徴とする複合ガラスセラミック
ス。 - 【請求項2】 フィラーがAl2O3、ZrO2およびM
gOの中から選ばれた1種または2種以上であることを
特徴とする請求項1に記載の複合ガラスセラミックス。 - 【請求項3】 100〜300℃の温度範囲における熱
膨張係数(α)が5〜110×10-7/℃であることを
特徴とする請求項1または2に記載の複合ガラスセラミ
ックス。 - 【請求項4】 熱伝導率が1〜6W/mKであること特
徴とする請求項1〜3に記載の複合ガラスセラミック
ス。 - 【請求項5】 曲げ強度が15kgf/mm2以上であ
ることを特徴とする請求項1〜4に記載の複合ガラスセ
ラミックス。 - 【請求項6】 重量%で、SiO2 50〜62%、P2
O5 5〜10%、ただし、重量比でP2O5/SiO2
0.08〜0.20、Al2O3 22〜26%、Li2O
3〜5%、MgO 0.6〜2%、ZnO 0.5〜2
%、CaO 0.3〜4%、BaO 0.5〜4%、Ti
O2 1〜4%、ZrO2 1〜4%、As2O3 0〜2%
からなる組成を有し、熱処理することにより結晶相とし
てβ−スポジュメンおよび/またはβ−石英固溶体を析
出するアモルファス状態の原ガラス粉末30〜95重量
%と、フィラー5〜70重量%とを混合し、得られた混
合物を1100〜1250℃で焼結熱処理することを特
徴とする複合ガラスセラミックスの製造方法。 - 【請求項7】 原ガラス粉末の平均粒径が50μm以
下、最大粒径が200μm以下であり、かつ、フィラー
の粒径が原ガラス粉末の平均粒径より小さいことを特徴
とする請求項6に記載の複合ガラスセラミックスの製造
方法。 - 【請求項8】 重量%で、SiO2 50〜62%、P2
O5 5〜10%、ただし、重量比でP2O5/SiO2
0.08〜0.20、Al2O3 22〜26%、Li2O
3〜5%、MgO 0.6〜2%、ZnO 0.5〜2
%、CaO 0.3〜4%、BaO 0.5〜4%、Ti
O2 1〜4%、ZrO2 1〜4%、As2O3 0〜2%
からなる組成を有し、結晶相としてβ−スポジュメンお
よび/またはβ−石英固溶体を含有するガラスセラミッ
クス粉末30〜95重量%と、フィラー5〜70重量%
とを混合し、得られた混合物を1100〜1250℃で
焼結熱処理することを特徴とする複合ガラスセラミック
スの製造方法。 - 【請求項9】 ガラスセラミックス粉末の平均粒径が5
0μm以下、最大粒径が200μm以下であり、かつ、
フィラーの粒径がガラスセラミックス粉末の平均粒径よ
り小さいことを特徴とする請求項8に記載の複合ガラス
セラミックスの製造方法。 - 【請求項10】 フィラーがAl2O3、ZrO2および
MgOの中から選ばれた1種または2種以上であること
を特徴とする請求項6〜9に記載の複合ガラスセラミッ
クスの製造方法。 - 【請求項11】 混合物を焼結熱処理温度まで200℃
/hr以上の昇温速度で加熱、昇温した後、焼結熱処理
することを特徴とする請求項6〜10に記載の複合ガラ
スセラミックスの製造方法。
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002111210A (ja) * | 2000-09-28 | 2002-04-12 | Kyocera Corp | 配線基板およびその製造方法 |
WO2004016559A1 (de) * | 2002-07-27 | 2004-02-26 | Robert Bosch Gmbh | Glas-keramik-verbundwerkstoff keramische folie schichtverbund oder mikrohybrid mit diesem verbundwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung |
US7226881B2 (en) | 2003-09-19 | 2007-06-05 | Kabushiki Kaisha Ohara | Ultra low thermal expansion transparent glass ceramics |
US7943539B2 (en) * | 2005-01-31 | 2011-05-17 | Kabushiki Kaisha Ohara | Glass-ceramics and method for manufacturing the same |
CN115010370A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-09-06 | 成都贝施美生物科技有限公司 | 一种调节玻璃陶瓷透度的方法 |
-
1998
- 1998-05-11 JP JP14502298A patent/JP4220013B2/ja not_active Expired - Fee Related
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