JPS63182207A

JPS63182207A - 窒化アルミニウム粉末の製造方法

Info

Publication number: JPS63182207A
Application number: JP18375587A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Kuramoto; 倉元　信行; Hitofumi Taniguchi; 谷口　人文
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 1987-07-24
Filing date: 1987-07-24
Publication date: 1988-07-27
Anticipated expiration: 2009-08-03
Also published as: JPH0657604B2

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１．３重量％以下且つ僧化アルミニウム組成をＡ
ｔＮ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
どの点で十分満足されるものが開発されておらず、焼結
性に本難点があるため、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、或り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１ｉ
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！ｉ量％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
られていた。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ｍ＜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隣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、含有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た。また該粉末は、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もなることを見出し、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１．６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を得る方法である
。

即ち本発明は、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％以下で
、平均粒子径が１μｍ以下。

好ましくは０．５μｍ以下のカーボンとを重量比１：０
．４〜１　：　１．０の範囲で緊密に混合した混合組成
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Ａ４−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、ＡＡ−Ｎ、Ａｔ−０の結合をしてｂ
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。

本発明で得られる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１．５〜０．５４ｍで、酸素含
有量が１．３重量％以下、好ましくは０．４〜１．３重
量％であり、且つ含有する陽イオン不純物が０．３重量
％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
。ｆｆＯち、■酸素含有量が１．３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９８
％以上）まで焼結する。■通常のホットプレス焼結によ
って優れた透光性焼結体となる。■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２７ｉ−ｉ％以上存在巳ないと理論密度の
９０９４以上には焼結しないことが定説になっているこ
とから考えろと、本発明の窒化アルミニウム粉末の性状
は画期的なものである。また上記■の高す透光性を有す
る窒化アルミニウム焼結体は過去に例が無く、全く新し
−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、酸素含有量及び隣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、■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。

本発明の製法を以下に具体的に示す。本発明に於いて原
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
をもつものが使用される。例えばアルミナは純度９９．
９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１μ
ｍ以下のものが採用される。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以下のものとはな
らず、また未反応アルミナが通常３重量％以上残存する
ため、本発明の目的物の如く低酸素含有量微粉末とはな
らない。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障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、好着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　：　Ｑ、ｉ！１〜１：０．７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
いが、通常緊密な混合を達成するため釦は湿式混合が好
ましい。通常混合手段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。ボールミルとしては、公知
のもの、例えば回転式ボールミル、バイブロボールミル
等が挙げられる。

また、アトライターによる混合も採用し得る。

また反応基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１４００〜１７００℃、好ましくは１４５０
〜１６５０℃の温度で通常３〜１０時間焼成することＫ
より、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
せず目的の酸素含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り。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Ａ　／＝　Ｎの粒子径が大きくなり本発
明の微粉末を得ろことができない場合があるので好まし
くないし、一旦粒子が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％
に増加し、本発明で目的とする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
高純度の窒素ガスかあるいはそれにアンモニアガスなど
を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め傾向があるので適当な酸
化温度と時間を選択すべきである。

本発明により得られた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
２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−４
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
はこれらの実施例忙限定されるものではない。

実施例　１純度９９．９９％平均粒子径０．５２μｍのＡｌ２Ｏ２
２０１１と灰分０．０８％で平均粒子径０．４５μｍの
カーボンブラックＩＣＨ’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７５０℃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
ｔＮ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、２μ
ｍ以下が９０容量％を占めた（掲揚裏作所製自動粒度分
布測定器Ｃ’ＡＰＡ　−５００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０．７μｍａ
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４．２ｒｄ／１１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Ｉ　ＣＰ−Ａｇ３　）、炭素の分析は金属中炭素
分析装置（掲揚製作断裂ＥＭＩＡ−３２００）、酸素の
分析は金属中炭素分析装置（掲揚製作所製　ＥＭＧＡ　
−１３００）、窒素の分析は−の瀬等（窯業協会誌が４
６５　　（１９７５））の方法によった。

参考例　１実施例１により得られた窒化アルミニウム粉末１．ＯＩ
を２０■径の黒鉛ダイスに入れ、高周波誘導加熱炉を用
い１００Ｋｔ／ｃｌｌ。

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半透明体
であった。この焼結体の密度は３．２６．９／ｄであり
、またＸ線回折パターンは単相のｋｔＮであることを示
した。

また、この焼結体を０．５−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２２％（吸収係
数３０．３ｃｍ−’　）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−１（ｂ）の組成をもつ窒化アルミ
ニウム粉末を上記と同東件で加圧焼結した。得られた焼
結体の密度は３．２２１１７−であり、黒色不透明体で
あり、透光性は認められなかった。

表−１比較例　１純度９９．９％平均粒径０．８１μｍのＡｔ２ｏｓ２０
＆と灰分０．０８％で平均粒子径０．４５μｍのカーボ
ンブラック１０１Ｉとを、実施例１と同様の方法で混合
、次いでＮ２ガス気流中で加熱処理した。反応混合物は
酸素気流中８００℃で２時間加熱し、未反応のカーボン
を酸化除去した。この粉末のｘａ回折パターンはＡＬＭ
のみのピークを示し、α−アルミナの回折線は無かった
。この粉末の平均粒子径は１．３５μｍであり、酸素含
有率は１．４１重量％であった。

上記窒化アルミニウム粉末１．０　Ｉｉを参考例１と同
様の方法で加圧焼結した。得られた焼結体は乳白色焼結
体であった。この焼結体の密度は３．２５．９／ｌ−ｊ
であり、また０、５ｍの厚さに研削研摩したものに対す
る波長６μｍの光の血縁透過率は２％（吸収係数７８．
２　ｃｐｓ−’　）であった。

比較例　２純度９９．９％平均粒子径０．８１μｍのＡｉ　０５２
０．９と灰分０．０５％で平均粒子径１．５７μｍの高
純度黒鉛１０．Ｆとを、実施例１と同様の方法で混合、
次いでＮ２ガス気流中で加熱反応させた。反応混合物は
空気中７５０℃で４時間加熱し、未反応のカーボンを酸
化除去した。この粉末のＸ線回折パターンはＡｔＮピー
クを主としこれにわずかなα−Ａｔ２ｏ３のピークが認
められた。

この粉末の平均粒子径は１，２８μｍであり、酸素含有
率は０．９７重量％であった。

上記窒化アルミニウム粉末１．Ｏｆ！を実施例１と同様
の方法で加圧焼結した。得られた焼結体の密度は５．２
４．９／ｃＩｉであり、これは黒灰色不透明焼結体であ
った。

実施例　２１々の平均粒子径と純度をもつアルミナおよびカーボン
を１　：　０．５の重量比に混合したものを実施例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
。焼成温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、さらにこれらの窒化アルミニウム粉末
を参考例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。尚、表−２の扁３〜７
は比較例である。

実施例　３純度９９．９９　！’ｎ平均粒子径０，５２μｍのＡｔ
２０５２０１と、灰分０．０８％で平均粒子径０．４５
μｍのカーボンブラック１０ｇとをウレタンライニング
ポットとボールを用いて、乾式で回転式ボールミルを用
いて混合した。

混合物を実施例１記載の方法で焼成、酸化処理を施した
。こうして得られた粉末のＸ線回折パターンはＡＡＮ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１．３０μｍであり、２μｍ
以下が８５容量％を占めた。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０．６μｍ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１１．０？／ｇであった。この粉末の元素分析の
値を表−３の（ａ）に示す。ここでＡＡＮ粉末の成分分
析は実施例１記載の方法に従った。

上記窒化アルミニウム粉末１．０ｇを参考例１と同様に
して、加圧焼結した。得られた焼結体はやや黄味を帯び
た半透明体であった。

この焼結体の密度は５．２６　ｇ／ｄであり、また、Ｘ
線回折パターンは単相のＡｔＮである事を示した。また
、この焼結体を０．５瓢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２５％（吸収係数２
７．７ｃｎＴ’）であった。

実施例　４純度９９．９９％平均籾子径０−５２　ｊｊｍ　（’）
Ａ４２０５２０ｇと、灰分０．０８％で平均粒子径０．
４５μｍのカーボンブラック１ＯＮとをウレタンライニ
ングポットとボールを用いて、乾式でバイブロボールミ
ルを用いて混合した。混合物を実施例１記載の方法で焼
成、酸化処理を施した。こうして得られた粉末のＸ線回
折パターンはＡｔＮ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１．２
０μｍであり、２μｍ以下が９２容量％占めた。走査型
電子顕微鏡の４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、ＢＦ、
Ｔ法による比表面積の測定値はＡ、４Ｊ／１１であった
。この粉末の元素分析の値を表−３の（ｂ）に示す。こ
こでＡＡＮ粉末の成分分析は実施例１記載の方法に従っ
た。

上記窒化アルミニウム粉末１．Ｏ１１を参考例１と同様
にして、加圧焼結した。得られた焼結体はやや黄味を帯
びた半透明体であった。

この焼結体の密度は３．２６　！ｌ／ｃｄであり、また
、Ｘ線回折パターンは単相のＡｔＮである事を示した。

また、この焼結体を０．５蝿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２１％（吸収係
数３１２ｃｍ　’　）であった。

表−３

Claims

【特許請求の範囲】

（１）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％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
る酸素含有量１．３重量％以下、陽イオン不純物０．３
重量％以下で、平均粒径２μｍ以下の窒化アルミニウム
粉末の製造方法。