JPS5950008A - 窒化アルミニウム粉末及びその製造方法 - 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およびその製造方
法に関する。詳しくは平均粒子径が２μｍ以下の粉体で
、酸素含有量が１．５重量に以下且つ窒化アルミニウム
組成をＡＡＮとするとき含有する陽イオン不純物が０．
３重量に以下である窒化アルミニウム粉末およびその製
造方法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込る物質である。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
どの点で十分満足されるも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ｂ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ＡｔＮ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
ミニウムが必然的に残存するため、通常０．５〜数重量
％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に表面の酸化をうけるため酸素を２
重量に以上含有するのが一般的であった。又後者の方法
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パ
ていた。またこの方法に依っても数μｍ以下の細い粉末
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、い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い方法で
ある。

従って従来はこれらの陽イオン不純物或いは酸素含有量
の多い窒化アルミニウム粉末しか得られず、これらの窒
化アルミニウムを用い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に至って
いなかった。また前記したように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
ていた。そのために必ずしも工業的に満足のいく方法と
は言えなかった。

本発明者等は、工業的な窒化アルミニウム粉体の製造方
法について鋭意研究して来た。

その結果、従来不可能とされていた超微粉体で且つ含有
酸素量が少い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焼結性を有し、
焼結条件によっては高い透光性を有する焼結体に本なる
ことを見出し、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％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０．３重
量％以下である窒化アルミニウム粉末である。また本発
明は、純度９９．９重量％以上で、平均粒子径が２μｍ
以下のアルミナ粉末と灰分０．２重量に以下で、平均粒
子径が１μｍ以下のカーボンとを重量比１　：　０．４
〜１　：　１．０の範囲で混合した混合組成物を窒素を
含む雰囲気下１４００〜１７００℃の温度で焼成する窒
化アルミニウム粉末の製造方法も提供する。同本発明に
於　゛ける窒化アルミニウムはアルミニウムト窒素の１
：１化合物であり、これ以外のものをす（５） 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
純物とはみなさない。従って、ｋｔ−Ｎ、ＡＡ−０の結
合をしていない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、酸素含有量が１
．５重量％以下、好ましくは０．φ〜１．３重量％であ
り、且つ含有する陽イオン不純物が０．３重量に以下、
好ましくは０．２重量に以下の粉末である。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、■酸素含有量が１．５重量％以下と少いにも拘ら
ず添加助剤なしで容易に理論密度近く（通常９８Ｘ以上
）まで焼結する。■通常のホットプレス焼結によって優
れた透光性節（６） 給体となる。■については過去の数多ぐの窒化アルミニ
ウム粉体の焼結の研究によって、酸素含有量が約２重量
％以上ないと理論密度の９０％以上には焼結しない事が
定説になっていることから考えると、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。

また上記■の高い透光性を有する窒化アルミニウム焼結
体は過去に例が無く、全く新しい材料である。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
得ることが出来ない。

しかし上記■、■のような優れた特性が発現する理由は
現在向明確ではないが、本発明者等は、窒化アルミニウ
ム粉末が非常に微粉体であるにも拘らず陰イオン（酸素
）および陽イオン不純物が非常に少くコントロールされ
たためと考えている。

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
に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。本発明に於いて原料とｋ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９９．９重量
Ｘ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。またカーダンは灰分０
．２重量Ｘ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。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２μｍ以下のものとけ
ならず、また未反応アルミナが通常３重量に以上残存す
るため、本発明の低酸素含有量微粉末とはならなり１１
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が殆ん
どそのまま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騒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　：　０．４〜１：０．７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良
い。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
のが好ましい。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一０
該混合物は焼成炉によって１４００〜１７００’Ｃ。

好ましくは１４５０〜１６５０℃の温度で通常３〜１０
時間焼成すると本発明の窒化アルミ（９） 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。上記のように一旦粒成長
した粉末はその後粉砕によって２μｍ以下に細かくして
も酸素含有量が２〜５重量重量増加し、本発明の窒化ア
ルミニウム粉末とはならない。

前記焼成の際には焼成炉の炉材や焼成ボートなどの材質
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。

（１０） 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６５０〜７５０℃
の温度で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い。該酸化温度が高すぎると
窒化アルミニウム粉末の表面が過剰に酸化され目的とす
る低酸素量の粉末が得られ難い傾向があるので適当な酸
化温度と時間を選択するのが好ましい。

本発明の窒化アルミニウム粉末は焼結体を製造する原料
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
高密度な焼結体が得られ特に従来達成できなかった高い
透光性焼結体を製造することが可能となる。該高純度焼
結体はまた光学的性質以外にも熱的な性質。

機械的な性質において従来の焼結体では得られなかった
優れた特性を有している。また本発明の９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本好適に使用されサイアロ
（１１） 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い。

以下余白 （１２） 実施例１ 純度ｑｑ、ｑｑ％平均粒子径θ、Ｓ２．μｍのＡ−ｅ２
０．２０　ｔと灰分Ｏ０θｇ％で平均粒子径Ｏ，＜Ｓμ
ｍのカーボンブラック１０１とをナイロン製Ｉットとゾ
ールを用いて水を分散媒として湿式混合した。混合物を
乾繰後高純度黒鉛製平皿に移しＮ２ｆｆスｋ　３４３　
／　ｍｌｎ供給しながら１３３０℃の温度で６時間加熱
した。反応混合物は空気中７５θ℃でり時間加熱し、未
反応のカーぎンを酸化除去した。この粉末のＸ線回折ノ
母ターンはＡ−ｅＮ　　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．
２２μｍであり、２μｍ以下が９０容ｆＸを占めた（相
場製作所製自動粒度分布濁定器ＣＡＰＡ−ＳＯＯによる
）。走査型電子顕微鏡の写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４ｔ　、　２　ｍ２
／　ｆｆであった。この粉末の元素分析の値を表−／　
（ａ）に示す。ここで陽イオンの分析はプラズマ発光分
光装＊（第二精工金製（１３） ＩｃＰ−ＡＥＳ）、炭素の分析は金属中炭素分析装置（
堀Ｓ製作所＃ＥＭ　Ｉ　Ａ−３２００）、酸素の分析は
金属中Ｗ／Ｉ累分析装置（相場製作所製ＥＭＧＡ−／、
？０θ）、窒素の分析は−の瀬等（黛業協会誌ｇ３　　
＜４Ａ、ｔ　　（／９り、ｔ））ｏ方法によった。

上記窒化アルミニウム粉末／、Ｑハリθ篩径の黒鉛ダイ
スに入ｎ−、高周波誘導加熱炉を用い１００に９／６１
４２１．２０００”Ｃ１２時間ノ条件テｌ気圧の窒素中
で加圧焼結した。得ら１．た焼結体はやや黄味を帯びた
白色半透明体であった。この焼結体の密度は３　、２６
ｆ−／Ｃ１”　　であり、またＸ線回折ノやターンは単
相のＵＮであることを示した。

また、この焼結体’ｔＯ，，！Ｓ″簡の厚さに研削研摩
したものに対する波長６μｍの光の直線透過率は２−％
（吸収係数３０．３側−１）であった。比較として金属
アルミニウムを窒化、粉砕した平均粒子径が２．２μｍ
で表−ｔ　（ｂ）の組成ケもつ窪化アルミニウム粉末を
上記と同条件で加圧焼結した。

得らｎ、た焼結体の密度は３．コ２？／薗３　であり、
黒色不透明体でおり、透光性は認めらね、なかった。

表　−ｌ 実施例 種々の平均粒子径と純度をもつアルミナおよびカーボン
ｆ／：０．３の重量比に混合したもの？実施例１と同様
の操作によって焼成し窒化アルミニウム粉末を得た。焼
成調度および得られた窒化アルミニウム粉末の分析値と
平均粒子径、さらにこ１−らの窒化アルミニウム粉末全
実施例１と同様の操作によって焼結した焼結体の密度と
透光性の結果を表−２に示す。固嵌−２の扁３〜７は比
較例である。

＼

Claims (2)

【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０．６重量に以下
   である窒化アルミニウム粉末。
2. （２）純度９９．９重量に以上で、平均粒子径が２μｍ
   以下のアルミナ粉末と灰分０．２重量に以下で、平均粒
   子径が１μｍ以下のカーボンとを重量比１　：　０．４
   〜１：１の範囲で混合した混合組成物を窒素を含む雰囲
   気下１４００〜１７００℃の温度で焼成することを特徴
   とする窒化アルミニウム粉末の製造方法。