JPS61174107A - 窒化アルミニウム超微粒子の製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム超微粒子の製造方法

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JPS61174107A
JPS61174107A JP1266885A JP1266885A JPS61174107A JP S61174107 A JPS61174107 A JP S61174107A JP 1266885 A JP1266885 A JP 1266885A JP 1266885 A JP1266885 A JP 1266885A JP S61174107 A JPS61174107 A JP S61174107A
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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】 (産業上の利用分野) 本発明は、例えば電子材料や光学材料の焼結用粉末等の
素材としてその優れた特性が利用される、直径1μm以
下の窒化アルミニウム超微粒子を製造する方法に関する
(従来の技術) 従来、窒化アルミニウムの超微粒子を製造する方法とし
て主流となっているのは、アルミニウムのハロゲン化物
をアンモニアまたは窒素ガスと反応させる所謂気相反応
法、アルミニウム金属粉末を直接窒素ガスと反応させる
方法、アルミニウムの酸化物を還元後窒素ガスと反応さ
せる方法等である。
また、近時、アークまたはプラズマジェットにより窒素
を主成分とする高温活性ガスを発生させ、当該高温活性
ガスによって金属アルミニウムを溶融・蒸発させて窒化
反応により窒化アルミニウムの超微粒子を得る方法が開
発され、注目されつつある。
(従来技術に存する問題点) 上記の主流とされている方法には、何れも副生成物の伴
出や、未反応物の残留等の問題点があった。
また、近時開発されたアークまたはプラズマジェットを
利用する方法は電極等が溶損・蒸発して製品中に不純物
として混入したり、生成速度が遅いという欠点があり、
生成速度が遅いということは製品の価格を高騰させてい
るという問題点もあった。
(発明の目的) 本発明は窒化アルミニウムの超微粒子を製造する従来方
法に存する上述した問題点を解決するためになされたも
ので、高能率で高純度の窒化アルミニウム超微粒子を容
易かつ安価に製造可能な方法を提供することを目的とす
る。
(発明の構成) 本発明の構成は、 窒素を主成分とする雰囲気中で高周波エネルギーによる
高温プラズマを発生させ、発生した高温プラズマフレー
ムで金属アルミニウムを溶融・蒸発させて窒化アルミニ
ウムの超微粒子を得る場合において、上記雰囲気および
高温プラズマの成分を窒素、水素または窒素と水素との
化合物および必要に応じて添加される不活性ガスとし、
発生させた高温プラズマフレームの尾炎部に水冷ハース
台上の金属アルミニウムを位置せしめ、雰囲気および高
周波エネルギーを所定の如く制御することにより溶融・
蒸発するアルミニウムが溶融面上に樹枝状物を形成する
ように設定し、当該樹枝状物表面から蒸発する粒子が高
温反応性プラズマ中を通過するようにした ことを特徴とする窒化アルミニウム超微粒子の製造方法
にある。
(発明の作用) 本発明は雰囲気および高温プラズマの成分が窒素、水素
または窒素と水素との化合物および必要に応じて添加さ
れる不活性ガスとし、これらのガスを高周波エネルギー
により高温プラズマ化して大形のプラズマフレームを形
成し、当該プラズマフレーム中では温度が2,500〜
3.000 Kと比較的低温の尾炎部に水冷ハース台上
の金属アルミニウムを位置させて溶融・蒸発させ、アル
ミニウム蒸気はプラズマ中の活性基の窒素種と反応して
窒化アルミニウム核となって窒素、水素または窒素と水
素との化合物および必要に応じて添加される不活性ガス
からなる雰囲気中に拡散する過程で、一部は窒化アルミ
ニウム超微粒子となって飛散し、一部は飛散せずに溶融
状態のアルミニウム表面に沈降して樹枝状の生成物を形
成するようにさせ、当該樹枝状生成物の形成により水冷
ハース台の冷却作用からの蒸発速度の低下から免れるよ
うにするとともに、樹枝状生成物の極端に面積の広い表
面が略3.t)00〜5. OOOKに達する中心部に
近接したフレーム内に位置せしめるようにして、高率的
に窒化アルミニウム超微粒子を生成させる作用を発揮す
る。
この場合の不活性ガスはプラズマの安定化、水素上とし
て上記樹枝状生成物の成長に介在し、また添加もしくは
反応によって化合生成した窒素と水素との化合物は窒化
反応を促進するもののようである。
(実施例) 本発明方法を実施例に従って以下に詳述する。
第1図は本発明方法を実施するための装置の一例であっ
て、chはチャンバ、10はチャンバChの上部に配置
された高周波誘導高温プラズマ発生装置である。
上記高周波誘導高温プラズマ発生装置10は耐熱材製ト
ーチ11.高周波電源Eおよび当該高周波電源已に接続
される誘導コイルCとからなり、上記トーチ11は外管
111および内管112として示す二重管で、外管11
1の一方端面が上記チャンバchの上部に開口し、閉端
面となった他方端面を内管112が貫通して所定位置に
開口する。上記誘導コイルCは外管111の一重となっ
ているチャンバchに近接した外周に巻回されている。
上記トーチ11には、内管112の外管111外とされ
ている部分の例えば端面に近接して開口する導管12か
ら高温プラズマ発生用ガス、−・−= (以下コアガス
という)として窒素または窒素と不活性ガスである例え
ばアルゴンとの混合ガスG1が、また外管111の閉端
面近傍に開口する導管13から当該外管111の管壁冷
却用と上記チャンバch内の雰囲気形成用とを兼ねる冷
却用ガスG2として窒素と水素との混合ガスG2が、さ
らに外管111とチャンバchとの接続部に介挿した1
4として示す環状ジャケットのスリットからチャンバc
h内の雰囲気形成用として窒素と水素との化合物である
アンモニアガスG3がそれぞれ導入可能に構成されてい
る。
上記チャンバchには、前記外管111の開口部に対向
する底面を摺動可能に貫通して内部所定位置まで上昇ま
たは下降する構成からなるハース台Hが備えられ、また
所定位置には排ガス用導管2が開口している。上記ハー
ス台Hは、内部に冷却流体が循環する冷却構造とされ、
また外管111の開口部に対向する端面に金属アルミニ
ウムのバルク1を載置可能な如く、例えば窪みが形成さ
れている。上記排ガス用導管2は31として示すフィル
タを備えた捕集器3を介して図示しないガス吸引装置に
接続されている。
以上の構成からなる装置を用いて、ハース台Hに載置し
た金属アルミニウムのバルク1から窒化アルミニウムの
超微粒子を製造する場合を以下に述べる。
ハース台Hを下方変位状態とし、チャンバch内の空気
を排出して代わりにジャケット14から03を流入して
チャンバch内に所定の雰囲気を形成したうえ、コアガ
スG1を導管12から流出させたのち高周波電源Eを投
入して誘導コイルCに通電する。コアガスG1は誘導コ
イルCが外周に巻回されている外管111内の高周波エ
ネルギー付与領域において点火され、高温プラズマ化す
る。同時にガスG2を導管13から導入して外管111
の管壁の冷却およびチャンバch内の雰囲気調整をする
。ついでコアガスG1の供給量を順次所定量まで増加し
て高温プラズマフレームPがチャンバch内にまで達す
るように調整する。
この状態において、高温プラズマフレームPの中心部の
温度は略10,0OOKに達し、peとして示す先端部
分=尾炎部は最先端が2,500〜3゜000に、上記
中心部近接位置では5.000 K程度となっており、
フレームP内の5,0OOK以上ある領域内では、窒素
成分は高いエンタルピーを有する活性状態にある。また
フレームPの周縁部に接す窒素と水素との混合ガスG2
およびアンモニアガスG3からなる雰囲気ガスも高温に
より活性化している。
この時点でハース台Hを上方変位させ、当該ハース台H
の端面上の金属アルミニウムバルク1を高温プラズマフ
レームPの尾炎部Pg内に位置せしめる。
金属アルミニウムバルク1は表面から溶解し、次いで溶
融アルミニウムは蒸発する。蒸発したアルミニウム蒸気
の一部は高い活性状態にある窒素と反応して窒化アルミ
ニウム核となってプラズマフレームP外の雰囲気ガスG
3内へとに拡散する過程で窒化アルミニウム超微粒子と
なって飛散する。また蒸発したアルミニウム蒸気の一部
は尾炎部Pe内で活性化された窒素と反応したうえ下降
し、あるいは反応せずに下降して溶融表面上に図示Bの
如き樹枝状の生成物を次第に形成する。当該樹枝状生成
物は、上記反応操作時には高温プラズマフレームP中に
あって組成確認をし難いが、反応操作停止後に行った組
成確認で窒化アルミニウムの結晶と固化したアルミニウ
ムとが混在していることが判明している。樹枝状生成物
はバルク1の表面積に比べると極めて大きな表面積をも
ち、かつ冷却されているハース台HからフレームPの中
心方向へ伸びているので、殆ど冷却作用を受けず、3,
000〜5,000−にの高温に曝される広大な表面か
ら窒化アルミニウム(結晶)の分解・蒸発およびアルミ
ニウムの溶融・蒸発が活発におこなわれ、蒸発量が大で
ある。
上記状態時の溶融アルミニウムおよび樹枝状生成物はプ
ラズマフレームPに完全に囲繞されており、従って蒸気
が高い活性状態にある窒素と遭遇する確率は極めて大き
い。
このようなプラズマフレームP内での現象により生成し
た窒化アルミニウム核は、雰囲気ガスG3内へ拡散し浮
遊する間に冷却され、かつ集合して1μm以下の超微粒
子となり、チャンバch内に開口する排ガス用導管2か
ら排ガスとともにチャンバch外へ排出され、捕集器3
のフィルタ31により排ガスと分離されて捕集される。
一方、バルク1は表面から順次溶解されてゆくので、上
記現象の繰り返しにより樹枝状生成物からの蒸発・減少
分が補充され、バルクlは次第に小となり冷却されてい
るハース台Hに接して冷却効果をまともに受ける底面を
残す迄減少すると補給が止まり、窒化アルミニウム超微
粒子の生成も終了する。
上記樹枝状生成物の大きさは、大き過ぎるとハース台上
上に大きな窒化アルミニウムの残留物を残すこととなり
、また小さ過ぎると窒化アルミニウム超微粒子の生成速
度が低下するので、その大きさを制御するのが好ましい
。当該大きさの制御は、例えば反応に介在する水素の量
の調節、高周波エネルギーによるプラズマ温度の調節等
により可能である。例えばプラズマ温度を高くすれば水
素の量は少、プラズマ温度が低いときは水素の量を多く
して制御する。尚、樹枝状生成物の適正大きさは形成し
うるプラズマフレームPの大きさに関係するので、保有
している個々の設備・装置に応じてそれぞれ決定される
また、チャンバch内の雰囲気ガスG3のガス圧は、必
要な温度のプラズマフレームPが安定して得られる圧力
とされればよく、例えば常圧、下限は通常100 To
rr程度である。
(実験例) 本発明者が行った多数の実験のなかから数例を次ぎに示
す。
☆使用装置;第1図に示す装置を使用した。
☆電  源;周波数・−−−−−−−13,56M H
z出 力・−−−−−−−・5KW ☆原 材料;金属アルミニウム 純度−−−−−−−−・99.99% ☆実験方法:上記設備および装置を使用し、ガスG1.
G2.G3それぞれに含 まれる窒素:N2.アルゴン: Ar。
水素:N2およびアンモニア: NH3の流量を調節し
て窒化アルミニラ ム超微粒子を生成し、その生成速 度および収率ならびに粒度を調査 した。
各条件ごとの生成操作は、1回 の操作で原材料から窒化アルミニ ラム超微粒子の生成が停まると、 ハース台上上の残留物を除去し、 新たな原材料を載置のうえ生成操 作を複数回繰り返し行い、その結 果をまとめた平均により上記の調 査を行った。
☆実験結果;別表に示すとおりであった。
また、各条件にそれぞれ従った実 験のいづれにおいても高純度の窒 化アルミニウム超微粒子が得られ た。得られた超微粒子のSEM顕 微鏡写真(N50,000)を第2 図に、またX線回折線図を第3図 にそれぞれ示す。
別  表 上記実験結果から、表中の■に示す適正な大きさの樹枝
状生成物が形成される状態時には、極めて高能率で窒化
アルミニウム超微粒子の生成が行われることが明確にさ
れた。
(他の実施例) 上記実施例では、ハース台上上に金属アルミニウムバル
クlを載置して窒化アルミニウム超微粒子を生成する例
を挙げて説明したが、例えばチャンバch内のプラズマ
フレームPに影響されない所定位置に所定大きさのバル
クまたはタブレットを貯蔵しておき、間欠的にハース台
H上の溶融アルミニウムに補給をするように構成して生
成操作を連続的に行うようにすることも可能である。
さらに第4図(a)および(b)に示される如く、ハー
ス台Hpとして中央に所定内径の貫通孔4を備えた周囲
が冷却水循環路5となっている二重管構成としたものを
用い、上記貫通孔4に摺動可能な外径の金属アルミニウ
ム線材1wを挿通し、操作開始時には端部所定長さ部分
を貫通孔4外に裸出させてプラズマフレームPの尾炎部
に位置せしめ、溶融・蒸発に伴って順次貫通孔4内をセ
リあげて蒸発分を補給するように設定すれば、生成操作
を長時間連続して実施しうる。
尚、上記実施例では、不活性ガスとしてアルゴンを使用
したが、ヘリウム、キセノンその他の元素を使用しても
よく、かつ高周波エネルギーが強大で高温プラズマフレ
ームの安定化が維持できれば、不活性ガスを添加する必
要はない。また上記実施例では、窒素と水素との化合物
としてアンモニアを添加する場合を挙げているが、アン
モニア以外の窒素と水素との化合物でもよく、さらには
上記と同様強大な高周波エネルギーが得られれば、窒素
と水素との化合物の添加なしで上記実施例と同様な過程
のもとに窒化アルミニウム超微粒子の生成が可能である
(発明の効果) 本発明によれば、副生成物を一切含まない高純度の窒化
アルミニウム超微粒子を、高効率で製造可能であり、し
かも簡易かつコンパクトな設備で量産が可能であるので
、低廉で生産しうろこととなり、当該素材の具える優れ
た性質を現在よりもさらに広い産業分野で安価に利用し
得ることとなり、マされる効果は甚大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明方法を説明するための一実施例装置の断
面正面図、第2図および第3図はそれぞれ本発明方法で
生成した窒化アルミニウム超微粒子のSEM顕微鏡写真
およびX線回折線図、第4図(a)および(b)はそれ
ぞれ本発明方法で窒化アルミニウム超微粒子の連続的生
成を行う場合に使用されるハース台の一実施例の断面正
面図およびA−A線断面図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 窒素を主成分とする雰囲気中で高周波エネ ルギーによる高温プラズマを発生させ、発生した高温プ
    ラズマフレームで金属アルミニウムを溶融・蒸発させて
    窒化アルミニウムの超微粒子を得る場合において、上記
    雰囲気および高温プラズマの成分を窒素、水素または窒
    素と水素との化合物および必要に応じて添加される不活
    性ガスとし、発生させた高温プラズマフレームの尾炎部
    に水冷ハース台上の金属アルミニウムを位置せしめ、雰
    囲気および高周波エネルギーを所定の如く制御すること
    により溶融・蒸発するアルミニウムが溶融面上に樹枝状
    物を形成するように設定し、当該樹枝状物表面から蒸発
    する粒子が高温反応性プラズマ中を通過するようにした
    ことを特徴とする窒化アルミニウム超微粒子の製造方法
JP1266885A 1985-01-28 1985-01-28 窒化アルミニウム超微粒子の製造方法 Granted JPS61174107A (ja)

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Cited By (5)

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