JPS59207814A - 窒化アルミニウム粉末 - 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】 本発明は新規な窒化アルミニウム粉末に関する。詳しく
は平均粒子径が２μｍ以下の粉末で、酸素含有量が１．
５重量％を超え３．０重量％以下且つ窒化アルミニウム
組成をＡＬＮとするとき含有する陽イオン不純物が０．
５重量に以下である窒化アルミニウム粉末に関するもの
である。

窒化アルミニウムの焼結体は高い熱伝導性。

耐食性、高強度などの特性を有しているため各種高温材
料として注目されている物質である。しかし該焼結体の
原料となる窒化アルミニウム粉末は従来純度や粒子径な
どの点でｆ分満足される本のが開発されておらず、焼結
性にも難点があるため、種々の添加剤を加えたり高温高
圧で焼結しなければならない等の欠点を有していた。ま
たこのようにして焼結した焼結体も純度が低く、窒化ア
ルミニウム本来の性質を十分反映したものとはならなか
った。従来、窒化アルミニウム粉末の合成法としては次
の２つの代表的方法が知られている。即ち金属アルミニ
ウム粉末を窒素又はアンモニアガスで窒化する方法と、
アルミナとカーボンの粉末混合物を窒素又はアンモニア
ガス中で焼成する方法である。前者の方法では窒化率を
上げるため原料である金属アルミニウムを粉砕する段階
、および生成したｋｔＮを焼結用原料として最適な数μ
ｍ以下の粒度に粉砕する段階の両工程で、混入する不純
物を避けることが困難なため、或いは未反応の金属アル
ミニウムが必然的忙残存するため。

通常数重量にの陽イオン不純物を含有するものが得られ
ていた。また該粉末は粉砕の際忙表面の酸化をうけるた
め酸素を２重量％以上含有するのが一般的であった。ま
た後者の方法によれば比較的細かくて粒度の揃った窒化
アルミニウムを合成できるが、窒化反応を完全に行なう
ことは難しく、未反応のアルミナが通常数重量％残存す
るものが得られて騒た。

また仁の方法に依っても数μｍ以下の細す粉末を得るた
めには多くの場合粉砕を必要とし、この際の陽イオン不
純物および酸素の混入を避けることができなかった。そ
の他の窒化アルミニウム粉末の合成法として金属アルミ
ニウムを原料とするプラズマジェット法やアーク放電法
によるものがあるが、ｂずれの方法も均質な微粉末は得
難く遊離アルミニウム不純物も避は難１方法である。

従って従来はこれらの陽イオン不純物或すは酸素含有量
の要員窒化アルミニウム粉末しか得られず、これらの窒
化アルミニウムを周込て製造される窒化アルミニウム焼
結体は前記したように十分な特性を発揮する忙至って騒
なかった。また前記したようＫしばしば焼結性を向上さ
せるために、含酸素の多い窒化アルミニウムを用いたり
添加剤を加えたり、高温高圧の焼結条件を要したりして
ｂた。そのために必ずしも工業的に満足のいく方法とけ
言えなかった。

本発明者尋は、工業的な窒化アルεニウム粉体の製造方
法にっ込て鋭意研究して来た。

その結果、従来不可能とされて込た超微粉体で且つ含有
酸素量が比較的少す高純度粉末を開発し、また該粉末の
焼結性を調べた結果、含有酸素量が比較的少いにも拘ら
ず従来の窒化アルミニウム粉末では得られない優れた常
圧焼結性を有し、焼結条件によっては透光性を有する焼
結体にもなることを児出し、本発明を完成するに至った
。

即ち、本発明は平均粒子径が２μｍ以下の粉末で、酸素
含有量が１．５重量％を超え３．０重量に以下、且つ窒
化アルミニウム組成をＡｔＮとするとき含有する陽イオ
ン不純物が０．５重量％以下である窒化アルミニウム粉
末である。尚本発明に於ける窒化アルミニウムはアルミ
ニウムと窒素の１：１化合物であり、これ以外のものを
すべて不純物として扱う。

ただし窒化アルミニウム粉末の表面は空気中で不可避的
に酸化されＡｔ−Ｎ結合がＡｔ−０結合に置き変ってい
るがこの結合Ａｔは陽イオン不純物とはみなさなり０従
って、Ａｔ−Ｎ。

Ａｔ−０の結合をしてｂなり金属アルミニウムは陽イオ
ン不純物である。また本発明に於ける平均粒子径とは光
透過式の粒度分布測定器による体積基準の中間粒子径を
言う。

本発明の窒化アルミニウム粉末は平均粒子径が２μｍ以
下、好ましくは１．５〜０．５μｍで一酸素含有量が１
．５重量％を超え３．０重量に以下、好ましくは１．５
〜２．５重量％であり、且つ含有する陽イオン不純物が
０．５重量％以下、好ましくは０．２重量％以下の粉末
である。

該窒化アルミニウム粉末は次のような大きな特徴を有す
る。即ち、本発明の窒化アルミニウムは酸素含有量が１
．５重量％を超え５．０重量％以下と比較的少いにも拘
らず、特別の焼結助剤の添加をしなくても常圧（普通）
焼結によって容易に高密度化（通常理論密度の８５％以
上）する。これは従来の窒化アルミニウム粉末が、助剤
の添加なしで常圧焼結してもほとんどち密化しなかった
ことと比べると本発明の窒化アルミニウム粉末の性状は
画期的゛　なことである。このように高温高圧の条件を
用いずに常圧焼結法でち密な焼結体が得られるとｂう事
は、複雑な形状をもつ材料が大量生産できるということ
であり、その工業的価値は極めて大きい。

また、本発明の窒化アルミニウム粉末を通常のホットプ
レス焼結によって焼結させた場合、助剤の添加なしでも
透光性の焼結体が得られる。仁のような透光性を有する
窒化アルミニラム焼結体は過去に例がなく、全く新しい
材料である。

さらに、本発明の窒化アルミニウムは、陽イオン不純物
が０，５Ｘ以下と少なく、亘っ特別な焼結助剤の添加が
不要なため、焼結体中の陽イオン不純物量を抑制できる
ため、純度の高い焼結体が得られる。従って、焼結体の
物理的強度等の物性が高温下でも低下しないという大き
な特徴を有する。これらの特性は前記窒化アルミニウム
の平均粒子径、酸素含有量及び陽イオン不純物が同時に
前記特定の範囲になるとき初めて達成されるもので、上
記条件が１つでも前記範囲を満足しなければ上記特性を
有する窒化アルミニウムを得ることが出来な−。

上記のような優れた特性が発現する理由は、現在、尚明
確ではなりが、本発明者らは窒化アルミニウム粉末が非
常に均一な粒子径の微粉体であること、陽イオン不純物
が非常に少くコントロールされていること、特定の範囲
の量の酸素が、窒化アルミニウム粉末の表面上に均一に
分布して無定形の酸化アルミニウムを形成していること
によるものであると考えている。

窒化アルミニウムの平均粒子径が２μｍ以上になると、
焼結性は著しく低下し、常圧で高密度な成形体を得るこ
とができない。また酸素含有量が１．５重量％以下の窒
化アルミニウム粉末では常圧焼結性が低くなり目的とす
るち密な成形体が得られない場合がある。また酸素含有
率が６．０重量％以上の窒化アルミニウム粉末ではち密
化は可能であるが、焼結後焼結体中に酸化物相を多く含
み窒化アルミニウムとしての物性を損うことが多い。さ
らに窒化アルミニウム粉末中に含まれる陽イオン不純物
が０゜５重量％を越えると、焼結を阻害したり、特に高
温での強度低下等のよ５に物性を損うなど、目的とする
高硅能焼結体を得ることができなり０ 本発明に於ける上記窒化アルミニウム粉末は製法の如何
にかかわらず前記すぐれた性状を発揮する。下記に一般
忙好適に採用される代表的な窒化アルミニウム粉末の製
造法について説明する。原料となるアルミナおよびカー
ボンは特定の純度と粒子径をもつものが好適に使用され
る。例えばアルミナは純度９９０重量％以上のもので、
平均粒子径が２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下のもの
が採用される。またカーボンは灰分０．２重量％以下の
純度のもので、平均粒子径１μｍ以下のものが好ましく
採用される。このようなカーボンとしては、上記の条件
を満足するカーボンブラックが好適に用いられる。該ア
ルミナとカーボンの粒子径が上記範囲以外のものを使用
する時には生成する窒化アルミニウムの平均粒子径が２
μｍ以下のものとはならず、また未反応アルミナが通常
数重量Ｘ以上残存するため、本発明の酸素含有量微粉末
とはならない傾向がある。さらにアルミナとカーボンの
純度が上記範囲以外の場合にはこれらに含まれる陽イオ
ン不純物の一部又は大部分が窒化アルミニウム粉末中の
不純物として残存するため本発明の陽イオン不純物量の
粉末を得ることができない。従って本発明の窒化アルミ
ニウム粉末は上記アルミナとカーボンについての純度と
粒子径に対する条件が同時に満たされる時に製造可能と
なる。またアルミナとカーボンの混合比は一般に１　：
　０．４〜１：１の範囲、好ましくはカーボン灰分から
混入する不純物量を低減する意味で１　：　０．４〜１
：α７の範囲が好適である。該混合は乾式あるいは湿式
のどちらでもよいが、湿式混合の方が均一に混合できる
ために好まし１０通常はボールミルによる混合が好適で
あるが、この際使用する容器、ボール等は高純度アルミ
ナ質あるいはプラスチック質などを用い不純物の混入を
極力防止するのが好ましす。また反応率を上げ未反応ア
ルミナ分の量を極小とするため十分均一な混合を行うの
が好ましい。該混合物は焼成炉によって１４００〜１８
００Ｃ１好ましく＃−１：１４５０〜１７５０℃の温度
で通常１〜１０時間焼成すると本発明の窒化アルミニウ
ム粉末が得られる。該温度が上記下限温度より低い温度
では窒化反応が十分進行せず目的の酸素室有量の窒化ア
ルミニウムが得られない場合があるので好ましくない。

また該温度が前記上限温度を越える高い温度では窒化反
応は十分進行するが、しばしば生成するＡｔＮの粒子径
が大きくなり本発明の微粉末を得ることができない場合
があるので好ましくない。

前記焼成の際には焼成炉の炉材や焼成ボードなどの材質
について不純物の原因とならないように配慮するのが好
ましい。また焼成の雰囲気は窒素を含む雰囲気、通常は
純窒素ガスかあるいはそれにアンモニアガスなトラ加え
たガスが好適であり、通常これらの反応ガスを窒化反応
が十分進行するだけの量、連続的又は間欠的に供給しつ
つ焼成するとよい。

上記焼成後の混合物は生成ＡｔＮの他に未反応のカーボ
ンを含有するので一般には該混合物を空気中あるいは酸
素中で焼成し残存するカーボンを酸化除去すると好まし
ｂ０該酸イヒ温度と酸化時間は目的とする酸素含有量の
粉末を得るため、酸化雰囲気条件を含めてその都度決定
するのが好ましい。一般に酸化温度が高ｌはど、また、
酸化時間が長いほど得られる窒化アルミニウム粉末の酸
素含有量は多くなる。通常は、本発明の窒化アルミニウ
ム粉末を得るためには、６５０〜９００℃の温度で１時
間から数時間の範囲で選択される。

本発明の窒化アルミニウム粉末は焼成体を製造する原料
とするとき前記したように助剤の添加なしでも高純度で
高密度な常圧焼結体が得られ、従来の助剤を添加した焼
結体では得られなかった優れた性質を有する。また本発
明の窒化アルミニウム粉末はα−サイアロンやβ−サイ
アロンなど一連のサイアロン化合物の原料としても好適
に使用されサイアロ・ン化合物の純度や焼結性の向上に
対する寄与が大きい。

以下実施例によって本発明を具体的に例示するが本発明
はこれらの実施例に限定されるものではなり０ 実施例　１ 純度９９．９９％平均粒子径１５２μｍのＡＬ２０ｓ　
　２０　ｔと灰分０．０８％で平均粒子径０．４５μｍ
のカーボンブラック１０１とをナイロン製ポットとボー
ルを用いて水を分散媒として湿式混合した。混合物を乾
燥後、高純度黒鉛製平皿に移しＮ２ガスを３ｔ／ｍｉｎ
供給しながら１５５０℃の温度で６時間加熱した。反応
混合物は空気中８５０℃で４時間加熱し、未反応のカー
ボンを酸化除去した。こノ粉末のＸ線回折パターンはＡ
ＡＮのみのピークを示し、アルミナの回折線は無かった
。

またこの粉末の平均粒子径は１．３５μｍであり、２μ
ｍ以下が８６容量％を占めた（力場裂作所製自動粒度分
布測定器ＣＡＰＡ−５００による）。走査型電子顕微鏡
の雰真による観察ではこの粉末は平均０．７μｍ程度の
均一な粒子から成っていた。またＢＥＴ法による比表面
積の測定値は４．Ｏｎ？／ｌであった。この粉末の元素
分析の値を表−１（ａ）に示す。ここで陽イオンの分析
はプラズマ発光分光装置（第二精工金製ＩＣＰ−ＡＥＳ
）、炭素の分析は金属中炭素分析装置（力場製作所製Ｅ
ＭＩＡ−５２００）、酸素の分析は放射化分析法および
金属中炭素分析装置（力場製作所製ＥＭ　ＧＡ−１３０
０）、窒素の分析は−の瀬等（窯業協会誌且４６５　　
（１９７５））の方法によった。

（ａ）　　焼結例　１ 上記窒化アルミニウム粉末を金型で約５１１１ｍ×５１
１ＩＩＩ×４０日の角柱状に成形後、２０００〜／ｃｄ
の圧力でラバープレスして、密度１．７９２７−の成形
体とした。該成形体をＢＮを塗布した黒鉛製のるつぼに
入れ、高周波誘導加熱により１気圧の窒素中で１９００
０に２時間加熱した。加熱後の焼結体は灰白色で密度は
２．８７　ｔ／ｄｉ　（理論密度の８８％）であった。

また、該焼結体のＸ線回折による分析では単相の人ｔＮ
であることを確認した。該焼結体の表面を研磨し、イン
ストロン社製曲げ試験器を用い、スパン３０箇、加重速
度０．５ｍ＝／分、１２０００の条件下で３点曲げ強度
を測定した結果、平均２３Ｋｇ／−の強度であった。

（ｂ）焼結例　２ 上記窒化アルミニウム粉末１，０１を２０瓢径の黒鉛ダ
イスに入れ、高周波誘導加熱炉を用ＩＡｌ　００Ｋｆ／
ｌｉｔ、　２０００℃、２時間の条件で１気圧の窒素中
で加圧焼結した。得られた焼結体はやや黄味を帯びた白
色のやや透明性をもつ焼結体であった。この焼結体の密
度は３．２６　ｔ／ｃｄであり、またＸ線回折パターン
は単相のＡＡＮであることを示した。またこの焼結体を
０．５慎の厚さに研削研磨したものに対する波長６μｍ
の光の直線透過率は６％（吸収係数７０　ｔｍ−’　）
であった。

実施例　２ 実施例１と同じアルミナおよびカーボンブラックを原料
として、実施例１と同様の窒化反応を行った後、カーボ
ンの酸化温度および時間を変えて、酸素含有量の異なる
窒化アルミニウム粉末を数種合成した。陽イオン不純物
の量は、実施例１の結果と同様であった。

該粉末を実施例１の焼結例１と同様の方法で焼結した結
果を表−２に示す。なおＡ３，４は比較例である。

実施例　６ 純度９９．８％平均粒子径０．６μｍのＡｔ２０゜２０
２、と灰分０．０８Ｎで平均粒子径肌４５　μｍのカー
ボンブラック１０ｔとを原料として、実施例１と同様の
操作により窒化アルミニウム粉末を合成した。得られた
窒化アルミニウム粉末の平均粒子径は１．４０μｍで比
表面積は３．９ｒｒ？／Ｓ’であった。この粉末の元素
分析値の値を表−１（ｂ）に示す。この粉末を実施例１
の焼結例１と同様の方法で焼成した結果、密度２．８５
　ｒ／ｉの焼結体が得られた。該焼結体の曲げ強度は１
２００℃で２０晦／−であった。

比較例　１ 純度９９．８％平均粒子径３μｍのＡＡ２０３２０９と
灰分り、０８Ｘ、平均粒子径０．４５μｍツカ−ホンブ
ラック１゛Ｏｆとを原料として実施例１と同様の操作に
より窒化アルミニウムを合成した。得られた窒化アルミ
ニウムの平均粒子径は４，５２μ■で比表面積は０．９
ｔｒ？／ｌ、かつ酸素含有量は１．８重量％であった。

この粉末を実施例１の焼結例１と同様の方法で焼結した
結果、得られた焼結体の密度は２．１２　ｔ／ｄ　（理
論密度の６５Ｘ）であった。

比較例　２ 金属アルミニウムを窒化して粉砕した平均粒子径１．８
μｍで表−１（ｃ）の組成をもつ窒化アルミニウム粉末
を実施例１の焼結例１と同様の方法で焼結した結果、得
られた焼結体の密度は２．５８ｆ／ｃｄ（理論密度の７
０％）であった。また該焼結体の曲げ強度は８Ｋｙｌｔ
ｄであった。

表−１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）平均粒子径が２μｍ以下の粉末で、酸素含有量が
   １．５重量％を超え３．０重量％以下、且つ窒化アルミ
   ニウム組成をｈｔＮとするとき含有する陽イオン不純物
   が０，５重量％以下である窒化アルミニウム粉末。