JPS6385007A - 窒化アルミニウム超微粒子の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は素材として優れた特性が注目され、利用が計ら
れようとしている。直径１μｍ以下の窒化アルミニウム
超微粒子の製造方法に関する。

（従来の技術および問題点） 例えば、近着の金属材料技術研究所研究報告集？（１９
８６年報）掲載の論文「水素プラズマによる金属超微粒
子の製造とその利用に関する研究」に見られる如く、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
とした高温活性ガスを発生させ、当該高温活性ガスによ
って各種の金属を熔融・蒸発させ、窒化反応により金属
窒化物の超微粒子を得んとする試みがなされつつある。

ところで、上記論文第６９頁の記載「金属あるいは窒化
物を出発物質とし、１００％窒素ガスからなるアークプ
ラズマにより作成された超微粒子の組成は金属元素の種
類によって変化し、チタニウムやジルコニウムの場合に
は窒化物超微粒子のみが得られ、アルミニウムの場合は
金属アルミニウムの超微粒子と窒化アルミニウム超微粒
子との混合物が得られ、また珪素の場合には珪素の超微
粒子のみが得られる」とし、かつ「上記現象は金属元素
との新和力の大小によって影響を受ける結果と予想され
る」としているように、アルミニウムの窒化物超微粒子
を得んとする場合には、金属アルミニウムの超微粒子の
混入を回避出来ないのが一般に認識されている現状であ
る。

しかし乍ら、本願出願人は上記文献（以下第１文献と云
う）の公開以前から高純度窒化アルミニウム超微粒子の
製造を目的として鋭意研究を進めており、当該第１文献
に先立ち、金属アルミニウムの混入がない高純度窒化ア
ルミニウム超微粒子の製造方法を発明し、昭和６０年１
月２８日付は特願昭６０−１２６６８号をもって出願し
ている。

当該先行発明の内容とするところは、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、
高周波エネルギーにより発生した高温プラズマフレーム
を水冷ハース上の金属アルミニウム・バルクに作用させ
、当該金属アルミニウム・バルクからデンドライト（樹
枝状の結晶）を生成のうえ、当該デンドライトから溶融
して蒸発する粒子が、高温反応性プラズマ中を通過して
雰囲気中へ拡散するようにして高純度の窒化アルミニウ
ム超微粒子を得るにある。

ところで、上記先行発明は高純度の窒化アルミニウム超
微粒子が得られるものの、デンドライトの生成とそれか
らの溶融・蒸発という２段階を経るため、生成速度が１
００　ｇ　ｒ　／　ｈ　ｒであって、少量生産には適す
るものの、大量生産には向かず、如何にして生産性を向
上させるかが課題とされていた。

（発明に至る過程） 本発明者は、本発明を完成するに至る過程で各種の実験
を試みた。

第一に、前掲第１文献はアークプラズマを用いているの
で、本発明者は上記同様１００％の窒素ガス成分を高周
波プラズマにより高温プラズマ化して金属アルミニラｋ
・バルクに作用させたところ、やはり第１文献とほぼ同
様の結果（金属アルミニウムの超微粒子７０％、窒化ア
ルミニウムの超微粒子３０％）を得た。当該実験結果か
ら、１００％の窒素ガス成分では高温プラズマ化エネル
ギー付与手段の如何に拘わらず、得られる超微粒子に金
属アルミニウムの混入を回避し得ないことが確認される
とともに、前掲先行発明における「窒素、水素、または
窒素と水素との化合物」を雰囲気および高温プラズマの
成分とすることが的を得ていることが追認された。

第二に、大量生産性を確保するためには、先行発明にお
ける２デンドライトの生成とそれからの熔融・蒸発とい
う２段階過程は不適当であり、金属アルミニウムを熔解
・蒸発させた蒸気から直接窒化物を得るようにすべきで
あるとの見解から、高周波エネルギにより高温プラズマ
化されるコアガス中に金属アルミニウムの粉末を載せて
キャリアガスを兼務させる実験を行った。当該実験は。

コアガスの成分条件ならびに粉末供給量を種々替えて行
ったにも拘わらず、それまで安定していた高周波プラズ
マがコアガス中に金属アルミニウム粉末を混入し始める
と直ちに消滅し、実験は不成功に終わった。

次いで、本発明者は金属アルミニウム粉末をコアガス以
外の輸送手段で高周波プラズマ中へ投入する方法を模索
した。当該方法はｒ１９７７年日本鉱業会秋季大会分科
研究会講演集；高周波プラズマによる粉体処理」　（以
下第２文献と云う）に記載されている如く、粉体（純鉄
）を高周波プラズマ中へ自由落下させた場合、　ｍａｇ
ｎｅｔｉｃ　ｐｕｍｐｉｎｇｅｆｆｅｃｔに起因して、
殆どプラズマ中を通過せず、プラズマの境界ではじきと
ばされてしまうので、従来から不可能視されていた。

然し、本発明者は上記現象の発生を克服すべく実験を重
ね、先行発明をさらに進展させて本発明をなすに至った
。

（発明の目的） 本発明は、高周波エネルギーを用いて金属アルミニウム
から窒化アルミニウム超微粒子を製造する場合の、先行
技術に存する問題点を解決し、かつ先行発明に存する課
題に応するためになされたもので、高純度の窒化アルミ
ニウム超微粒子を高い生産性をもって製造可能な方法を
提供することを目的とする。

（発明の構成） 本発明の構成は、 （１）窒素を主たる成分とするガスを高周波エネルギー
により高温プラズマ化し金属アルミニウムに作用せしめ
て窒化アルミニウム超微粒子を得る場合において、 （２）金属アルミニウム粉末を含むキャリアガスを上記
プラズマフレーム中に周方向から連続的に強制導入する
とともに、 （３）上記キャリアガス導入後のプラズマフレーム中の
やや温度が低い周縁部へアンモニアガスを連続的に導入
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。

即ち、本発明は以下の２点を構成の特徴とするにある。

■前掲第２文献に見られるｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｕｍｐ
ｉｎｇｅｆｆｅｃｔを抑止するため、プラズマフレーム
中に金属アルミニウム粉末が含まれるキャリアガスを周
方向から連続的に強制導入するように構成する。

■前掲第１文献ならびに第１文献におけるアークプラズ
マを高周波プラズマに替えて行った実験と先行発明との
対比考察から、金属アルミニウムが熔解・蒸発して生成
した蒸気はプラズマフレーム中心の１００ＯＯＫ以上も
ある極めて高温の領域では活性化した窒素と遭遇して窒
化されるが、逆に金属アルミニウムと窒素とに解離され
易く、言わば ＡｌＮ−−Ａｌ＋Ｎ 現象を盛んに繰り返しており、ＡＩＮ状態への定着はプ
ラズマ中でやや温度の低い周縁部で活性化してはいるも
のの、完全に分解していない窒素と水素との混合ガスな
いし化合ガス中の窒素と遭遇し、逆現象が生じないでプ
ラズマフレーム外へ拡散すると判断され、当該判断に基
ずいて、金属アルミニウム粉末が必ずしもプラズマフレ
ーム中心に達する必要はなく、溶解・蒸発する温度領域
に可及的長時間滞留すればよい構成、および蒸気がプラ
ズマ中でやや温度の低い周縁部で活性化した窒素と遭遇
する構成をとる。

（実施例） 本発明方法を第１図および第２図として示す一実施例に
従って以下に詳述する。

第１図は実施例装置の全体を示し、ｃｈはチャンバ、１
０はチャンバｃｈの上部に配置された高周波高温プラズ
マ発生装置、２０は高周波高温プラズマ発生装置ｌＯと
チャンバｃｈとの間に配置された原料供給装置である。

上記高周波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１１１の一方
端面が上記原料供給装置２０と接続して開口し、当該外
管１１１の閉とされた他方端面を内管１１２が貫通して
所定位置に開口している。上記コイルＣは外管１１１の
一重となっている外周に巻回されている。上記トーチ１
１には、内管１１２の外管１１１外とされている部分の
９例えば閉端面に開口する導管１２から高温プラズマ発
生用ガス（以下コアガスと云う）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の管壁冷却用ガスとして窒素ガスＧ２が
それぞれ導入可能に構成されている。

上記原料供給装置２０は、本実施例では内径を前記外管
１１１の内径と同径とした環状管部材からなり、管内は
軸線直角方向の仕切り壁２１により室２Ａおよび２Ｂに
区画されている。室２Ａは。

第２図に示される如く、内周壁に複数の貫通孔Ｓ１が孔
設されており、かつ室内に導管２２を介して金属アルミ
ニウム粉末を載せて輸送するキャリヤガスＧ３−・−・
−・例えば窒素ガスを供給可能である。而して、上記複
数の貫通孔ｓ１それぞれは外管１１１内に発生するＰと
して示す高周波高温プラズマフレーム（以下プラズマフ
レームと云う）の接線方向、もしくは接線方向より所定
角度範囲中心向き方向を指向する如く所定間隔を隔てる
内周壁を同一向きに斜めに貫通している。室２Ｂも室２
Ａ同様内周壁に複数の貫通孔ｓ２が孔設されており、か
つ室内に導管２３を介してアンモニアガスＧ４を供給可
能である。而して、上記複数の貫通孔ｓ２それぞれは前
記貫通孔ｓ１と同じ向きでプラズマフレームＰの接線方
向を指向する如く内周壁を斜めに貫通している。

上記チャンバｃｈの所定位置には導管３の一方端が開口
しており、当該導管３の他方端はフィルタ４１を備えた
捕集器４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、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。

先ずガス吸引装置を駆動させてチャンバｃｈ内の空気を
排出し、代わりに導管１２からコアガスＧ１を流入して
チャンバｃｈ内に雰囲気を形成する。次いで高周波電源
Ｅを投入して誘導コイルＣに通電する。コアガスＧ１は
コイルＣが外周に巻回されている外管１１１内高周波エ
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
の管壁の冷却を開始する。プラズマフレームＰの安定を
確認のうえ、原料供給装置２ｏの室２Ａへは定量の金属
アルミニウム粉末を載せたキャリヤガスＧ３を、また室
２ＢへはアンモニアガスＧ４を、それぞれ所定の流量に
従って供給する。

室２Ａへ供給されたキャリヤガスＧ３は複数の貫通孔ｓ
１からプラズマフレームＰの接線方向。

もしくは接線方向より所定角度範囲中心向き方向を指向
して噴出し、プラズマフレームＰの周囲に方向性をもっ
た渦流を形成する。当該渦流の内側は複数の貫通孔ｓ１
から後続するキャリヤガスＧ３の噴出流に押されてプラ
ズマフレームＰの中心方向へと順次移動し、キャリヤガ
スＧ３に載せられている金属アルミニウム粉末は高温域
（必ずしもプラズマフレームＰの中心域ではない）を渦
流に従って浮遊状態で周回移動することとなる。この場
合、後続するキャリヤガスＧ３の噴出流がｍａｇｎｅｔ
ｉｃ　ｐｕｍｐｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔを抑止し、金属ア
ルミニウム粉末がプラズマフレームＰ外にはじき飛ばさ
れる虞はない。

高温のプラズマフレームＰ内を渦流に従って浮遊する金
属アルミニウム粉末は溶解・蒸発して金属蒸気となり、
活性化された窒素と盛んに結合・解離を繰り返しつつ次
第に集合して下降する。下降する超微粒子は、直ちに室
２Ｂへ供給され、プラズマフレームＰ中のやや低温の周
縁部に接線方向を指向して噴出する如（導入されたアン
モニアガスＧ４の噴出流により渦流が形成され、かつプ
ラズマフレームＰの高温により温度が十分上昇している
領域に達し、活性化してはいるものの、完全に窒素と水
素とに分解してはいない窒素と遭遇して窒化され、当該
状態を維持したままプラズマフレームＰ外へと拡散する
。

チャンバｃｈ内に拡散した窒化アルミニウムの超微粒子
の一部は諸ガスともども作動中の吸引装置により導管３
へと吸引され、捕集器４のフィルタ４１に捕獲され、一
部はチャンバｃｈ内壁と導管３の管壁に付着する。

尚、チャンバｃｈ内の雰囲気ガス圧は、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４００Ｔｏｒｒ程度である。

（実験例） 本発明者が行った実験例を以下に示す。

☆使用装置；第１図に示す装置を使用した。

☆電　　源；周波数−・・−−−−４Ｍ　Ｈ！出　カー
・−３５ＫＷ ☆原　　料：金属アルミニウム粉末 純度−・・−・９９．９８％ ☆実験方法；第１図に示す装置を使用し、ガスＧ１、Ｇ
２．Ｇ３およびＧ４それぞれの流量とガスＧ３に載せる
原料粉末とを下記の如く設定して窒化アルミニウム超微
粒子を製造する実験を実施した。

ＯコアガスＧ　１　：　Ａ　ｒ・−−−−−−４８Ｉｔ
　／ａｋｉｎＮｘ−＝＝−１５１２／＋ｓｉｎ ○冷却ガスＧ　２７　Ｎ２−・・・−＝２１１２　／ａ
ｋｉｎ○キャリヤガスＧ３： Ｎルー−−−−−−−−−−−−−５ｍ！　／ｌｓ　ｉ
　ｎ原料粉末・−・−−−−−・約１０　ｇ　／ｍ１ｎ
（約６００ｇ／ｈｒ） Ｏアンモニアガス（ＮＨ，３’）　Ｇ４　：−−−−−
−＝２９　ｊ！　／５ｈｉｎ☆結　　果；捕集器４のフ
ィルタ４１に捕獲された超微粒子およびチャンバｃｈの
内壁と導管３の管壁に付着した超微粒子とを掻き落とし
、総重量を計測したところ、原料粉末重量とほぼ等しい
超微粒子が得られた。

また、得られた超微粒子をＸ線回折試験に付して純度を
調査したところ、極めて高純度の窒化アルミニウム超微
粒子が生成していることが確認された。

（発明の作用） 本発明は、キャリヤガスＧ３をｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｕ
ｍｐ−ｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔを抑制する如く噴出させて
プラズマフレームＰ中に強制導入する作用、当該キャリ
ヤガスＧ３に載せられている金属アルミニウム粉末を高
温域に可及的に長時間浮遊させて溶解・蒸発させて金属
蒸気とする作用、当該金属蒸気が活性化された窒素と盛
んに結合と解離を繰り返しつつ次第に集合して微粒子と
なって下降しプラズマフレームＰ外へと拡散する過程で
活性化してはいるものの、完全に窒素と水素とに分解し
てはいないアンモニアガスＧ４中の窒素に遭遇して窒化
、かつ当該状態を維持したままプラズマフレームＰ外へ
拡散せしめる作用がある。

（他の実施例） 上記実施例ならびに実験例では、コアガスＧ１をアルゴ
ンと窒素の混合ガスとした場合を挙げて説明したが、コ
イルＣの整合が良好でプラズマフレームＰの安定が得ら
れるならば、原料供給装置２０へのキャリヤガスＧ３お
よびアンモニアガスＧ４供給に先立って、高価なアルゴ
ンガス含有％を順次減らし、コアガスＧ１を窒素ガス１
００％とすることも可能であり、ランニングコスト低減
に大きく貢献することが可能となる。

また実施例ならびに実験例では、キャリヤガスＧ３を窒
素とした場合を挙げて説明したが、その成分はアンモニ
アガスあるいはアルゴンその他の不活性ガスでも良く、
プラズマフレームＰの安定のためには可及的にプラズマ
化し易いガスの使用が望ましく、かつプラズマフレーム
Ｐの安定が得られるならば、可及的に低源なガスの使用
が望ましく、結論としてキャリヤガスＧ３の種類を問う
ものではない。

さらに上記実施例ならびに実験例では、環状管部材から
なる原料供給装置２０を設けた場合を挙げて説明したが
、プラズマフレームＰ中にキャリヤガスＧ３を強制導入
可能な構成、およびプラズマフレームＰ中の周縁部にア
ンモニアガスＧ４を導入可能な構成を用いるならば、本
発明と同様な作用および当該作用から同一の効果が得ら
れるので、その構造の如何にを問わず本発明の設計事項
の範囲に属すこと勿論である。

（発明の効果） 本発明によれば、高純度の窒化アルミニウム超微粒子を
、先行発明に従った場合の生産量に比し６倍以上の高効
率で製造可能となり、これにより生産コストが大幅に低
減され、従って多くの産業分野で当該素材の具える優れ
た性質を安価かつ豊富に活用出来ることとなり、本発明
からマされる効果は甚大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施例装置を示す断面正面図、
第２図は第１図におけるＸ−Ｘ線平面断面である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）窒素を主たる成分とするガスを高周波エネルギーに
   より高温プラズマ化し金属アルミニウムに作用せしめて
   窒化アルミニウム超微粒子を得る場合において、金属ア
   ルミニウム粉末を含むキャリアガスを上記プラズマフレ
   ーム中に周方向から連続的に強制導入するとともに、上
   記キャリアガス導入後のプラズマフレーム中のやや温度
   が低い周縁部へアンモニアガスを連続的に導入するよう
   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。 ２）キャリアガスの成分がプラズマ化し易いガスである
   特許請求の範囲第１項記載の窒化アルミニウム超微粒子
   の製造方法。 ３）プラズマフレーム中に強制導入するキャリアガスの
   指向方向が当該プラズマフレームの周囲に等間隔を隔て
   て同一向きとした複数の接線方向、もしくは接線方向よ
   り所定角度範囲中心向きである特許請求の範囲第１項記
   載の窒化アルミニウム超微粒子の製造方法。 ４）プラズマフレームの周縁部へ導入するアンモニアガ
   スの指向方向が当該プラズマフレームの周囲に等間隔を
   隔て、かつキャリアガスの指向方向と同一向きとした複
   数の接線方向である特許請求の範囲第１項記載の窒化ア
   ルミニウム超微粒子の製造方法。