JP2003128465A

JP2003128465A - 透光性酸化スカンジウム焼結体及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003128465A
Application number: JP2001320813A
Authority: JP
Inventors: Hideki Yagi; 秀喜八木; Takakimi Yanagiya; 高公柳谷
Original assignee: Konoshima Chemical Co Ltd
Current assignee: Konoshima Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: JP3883106B2

Abstract

(57)【要約】【構成】 Si含有量が30wtppm以下であり純度99.9%以上
の高純度酸化スカンジウム原料粉末を用いて、成形密度
が理論密度比58%以上で、Al含有量が5〜100wtppmである
成形体を作製し、熱処理により脱バインダーした真空中
等で、1400℃以上1800℃以下の温度で焼成する。【効果】波長500nmから5μmの領域での直線透過率が7
7%以上の、透光性セラミックスが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の利用分野】本発明は、Sc₂O₃で表わされる透光
性酸化スカンジウム焼結体、及びその製造方法に関す
る。本発明の焼結体は、例えば赤外透過窓材、偏光板、
放電ランプ用エンベロープ、光学部品、レーザー発振子
として好適に使用される。

【０００２】

【従来技術】Sc₂O₃で表わされる酸化スカンジウムは、
その結晶構造が立方晶であり複屈折が無い。そのため、
気孔や不純物による偏析を完全に除去する事により、透
光性に優れた焼結体を得ることが可能である。酸化スカ
ンジウムは、融点が2485℃を越えており(化学便覧、日
本化学会編)、耐熱性、耐アルカリ性に優れた素材であ
る事が知られている。更に高い熱伝導率を有するため、
固体レーザー用ホスト材料として期待されている。

【０００３】しかしながら、酸化スカンジウムは高価で
あることから、結晶の作成方法に関してはほとんど研究
がなされていない。また、その融点が極めて高いため、
既存の単結晶合成技術では光学的に優れた大型結晶を合
成することは困難である。

【０００４】この一方で、セラミックス(多結晶体)は、
融点以下の比較的低い温度での合成が可能であるため、
酸化スカンジウム同様、高融点の酸化イットリウム(イ
ットリア)や希土類元素の酸化物に関して、従来より赤
外用高温窓材、放電ランプ用エンベロープ、耐食部材等
に適用すべく検討が盛んに行なわれている。酸化スカン
ジウムの焼結体に関する報告例(例えば、Adv Powder Me
tall.vol5.pp347〜356(1991)やJ.A.Ceram.Soc.60(No3〜
4)pp167〜168(1977))は少ない為、比較的性質の似通っ
ているイットリアセラミックスの作成方法により、従来
技術を説明する。酸化スカンジウムに限らず、透光性焼
結体の作製においては、焼成の際、粒成長による気孔の
排出を上手く行なえるかどうかが最も重要であり、粒成
長速度を制御すべく焼結助剤を添加する手法が一般的で
ある。従来より多数報告されているイットリアの製造方
法に関しても、その多くは焼結助剤を添加した手法であ
る。

【０００５】焼結助剤を用いた透光性イットリア焼結体
の製造方法としては、(1)ThO₂を添加して水素中２１０
０℃以上で焼成する方法(Ceramic BulletinVol.52,No5
(1973)),(2)AlF₃を添加したY₂O₃粉末を真空ホットプレ
スで焼成する方法(特開昭53-120707号),(3)同様にLiF又
はKFを添加してホットプレスする方法(特開平4-59658
号),(4)La₂O₃やAl₂O₃を添加して低O₂雰囲気中で焼結す
る方法(特開昭54-17911号,特開昭54-17910号)、(5)CaO
やZrO₂を添加して窒素ガスの分圧を制御した雰囲気で焼
結する方法(特開平10-273364号)等が開示されている。

【０００６】(1)の手法に於いては、比較的透明度の高
い焼結体が得られるものの、入手及び取り扱いが容易で
ない放射性元素であるトリアを焼結助剤として添加して
いる。更に高温で長時間焼成を行なうため、平均粒子径
は100μm以上と非常に大きく、その材料強度は極めて低
い。従って民生品としての実用には不適である。(2)の
ホットプレス法では、比較的低温での焼成が可能である
ものの、可視部での直線透過率は60%程度のものしか得
られない。(3)の手法では、1500℃以上でホットプレス
処理を行なうことにより、波長2μm以上の赤外領域に
て、直線透過率が80%程度の焼結体が作製可能である。
可視部での透過率に関しては明記されておらず不明であ
るが、焼結助剤として添加されている弗化物は低融点物
質(LiF:842℃,KF:860℃)であり、焼成過程において蒸発
し、試料の外周部と内部で粒成長速度に差が生じるた
め、肉厚試料の場合には均一な焼結体を作製することは
困難である。また真島らによれば(日本金属学会誌第57
巻10号(1993)1221-1226)、LiFを助剤としてホットプレ
スした場合、その添加量の最適化を行なっても試料中心
部にフッ素が残留し、試料の外周部と比較してその透過
率は低くなることが述べられている。従って弗化物を焼
結助剤として用い、大型、肉厚焼結体を作製することは
容易ではない。

【０００７】(4)のLa₂O₃を添加する手法では、その添加
量が約6〜14モル％と多く、固溶できないLa₂O₃が偏析層
を生成し易く(例えばJournal of Materials Science 24
(1989)863-872 等による)、光学的に均一な焼結体を作
製することは容易ではない。また、Al₂O₃を添加する手
法では、その添加量を0.01wt%〜5wt%とし、Y₄Al₂O₉とY ₂
O₃との間の共晶温度(1920℃)以上で液相焼結により緻密
体を作製している。しかしながら、高温で焼成を行なっ
ているにも関らず得られる焼結体の透過率は、理論透過
率に対して最大でも80%に留まっている。同様に(5)のCa
OないしＺrO_２の添加量はそれぞれ100ppmから４％ある
いは200ppmから10％と多く、得られる焼結体の透過率
は、やはり理論透過率に対して最大でも80%に留まって
いる。

【０００８】焼結助剤を添加しないイットリアの製造方
法は、例えば、(6)特許第2773193号や(7)特開平6-21157
3号に開示されている。(6)の手法は、BET値10m²/g以上
のイットリア粉末をホットプレスして理論密度比95%以
上に緻密化した後に、HIP処理を行なうものである。こ
れにより得られる焼結体の透過率は、波長3〜6μmの赤
外領域では80%程度と良好であるが、0.4〜3μmの波長域
では平均で75%程度に留まっている。HIP処理を行なって
いるにも関らず、短波長域での透光性が不充分なのは、
出発原料がハンドリングの困難な超微粉を用いているた
め、ホットプレスにより表面は緻密化したとしても、試
料内部にはHIP処理を行なっても除去出来ない大きな空
隙を含みやすいためであると推測される。また(7)の手
法では、平均粒径が0.01〜1μmの易焼結性原料粉末をCI
P成形した後に、1800℃以上で真空焼成若しくは1600℃
以上でHIP処理を行なうことにより透明体を作製してい
る。この手法により得られる焼結体は、可視領域におけ
る平均直線透過率が80%以上と高く、発光元素を添加す
ることによりレーザー発振可能な焼結体が作製可能であ
ると記されている。しかしながら、透明度の高い試料を
作製するためには、真空焼成及びHIP処理の何れの場合
においても2000℃前後の高温で焼成を行なう必要があ
り、工業的に連続生産を行なう場合、焼成炉の劣化が激
しく維持が大変である。更に、波長が短くなるにつれて
透過率の低下が著しく(波長1000nmから400nmでは10%以
上低下)、可視部の透光性を重視する光学部材への適用
は不適である。

【０００９】ところで、従来法において使用されている
希土類酸化物原料粉末は、一般には蓚酸塩を母塩とした
ものであるが、これを仮焼して得られる原料粉末は粒度
分布が不均一であり、凝集の激しい二次粒子から構成さ
れている。そのため成形によるパッキングが充分とれ
ず、緻密体を作製することは容易でない。近年、この点
を改善すべく易焼結性原料粉末を用いた低温焼成による
透明体作製法も開示されている(例えば、特開平9-31586
5号、同10-273364号、同11-189413号、同11-278933
号)。

【００１０】上記の手法では、低温焼成のために炭酸塩
を母塩に用い、これを仮焼して得られる比較的粒度分布
が均一で、凝集の少ない粉末を出発原料として用いるこ
とにより、焼結体を作製している。しかしながら、これ
らの手法において得られる焼結体の可視部での直線透過
率は、最高でも70%程度であり、理論透過率(≒82%)と比
較すると単結晶に匹敵する透明体とは言い難い。

【００１１】以上に、既存の透光性イットリアの製造方
法について述べたが、可視部から赤外領域に渡って単結
晶と同等の優れた透光性を有する焼結体を工業的に容易
に製造する手法は皆無である。

【００１２】

【発明の課題】本発明は、工業的に実用可能な手法によ
り、可視部から赤外領域に渡って良好な透光性を示す酸
化スカンジウム焼結体(請求項１，２)、及びその製造方
法(請求項３，４)を提供することを目的とする。

【００１３】

【発明の構成】本発明の透光性酸化スカンジウム焼結体
は、Alの含有量が5wtppm以上100wtppm以下であり、かつ
波長500nmから5μmの領域に渡っての直線透過率が1mm厚
みで77%以上である(請求項１)。

【００１４】好ましくは、透光性酸化スカンジウム焼結
体はSi量が30wtppm以下であり、平均粒径が1μm以上30
μm以下である(請求項２)。AlやSiは金属換算で含有量
を表示する。

【００１５】本発明の透光性酸化スカンジウム焼結体の
製造方法は、Si含有量が30wtppm以下であり純度99.9%以
上の高純度酸化スカンジウム原料粉末を用いて、成形密
度が理論密度比58%以上で、Alの含有量が5wtppm以上100
wtppm以下の成形体を作製し、熱処理により脱バインダ
ーした後に、非酸化性雰囲気中で、1400℃以上1800℃以
下の温度で焼成することを特徴とする(請求項３)。

【００１６】好ましくは、前記の焼成の後に、1000℃か
ら1800℃の温度及び49MPaから196MPaの圧力で、熱間静
水圧加圧(HIP)処理を施す(請求項４)。

【００１７】

【発明の作用と効果】本発明者らは、前記課題を解決す
るため種々検討を行なった結果、特定のAl含有量におい
て、波長500nmから5μmの領域に渡っての、直線透過率
が1mm厚みで77%以上の酸化スカンジウム焼結体を作製で
きることを見出した(請求項１)。ここでSi含有量を30wt
ppm以下にすることが、粒成長を抑制して光透過率を向
上させることに有効である(請求項２)。

【００１８】酸化スカンジウム焼結体の製造では、原料
の純度、特にSi含有量を管理して、Al含有量と密度とを
管理した成形体を作成し、熱処理により脱バインダーし
た後に、非酸化性雰囲気中で、例えば水素、希ガスある
いはこれらの混合雰囲気もしくは真空中で、1400℃以上
1800℃以下の温度範囲で焼成すれば良い(請求項３)。こ
の雰囲気の焼成により得られた焼結体に、1000℃から18
00℃の温度で49MPaから196MPaの圧力で、熱間静水圧加
圧処理を施すと、サブミクロン以下の気孔を排出でき、
500nm以下での光透過率の低下を防止できる(請求項
４)。

【００１９】

【発明の実施の態様】以下に本発明の実施の態様を説明
する。酸化スカンジウムの焼成においては、極微量(5wt
ppm〜100wtppm)のAlが焼結助剤として大きな効果を発揮
している。従来技術で述べた様に、焼結助剤を添加する
手法は種々開示されているが、これらはほとんど全ての
場合において、助剤が粒界に偏析して粒界の移動速度を
減少させることにより、粒成長速度を制御し緻密化を行
なっている。Alを極微量含有した場合の焼成による緻密
化機構の詳細に関しては不明であるが、焼結体の平均粒
径が1μm〜30μm程度の範囲においてのみ緻密化促進剤
としての効果を発揮し、それ以上では偏析相を生成す
る。

【００２０】すなわち、焼成温度が1400℃未満の場合、
Alの有無に関係なく、粒成長による緻密化が充分進行し
ないため、不透明若しくは半透明の焼結体しか得られな
い。通常この場合の平均粒径は1μm未満である。焼成温
度が1400℃以上1800℃以下で、Si含有量やAl含有量及び
成形体密度を適切に制御すると、使用原料の焼結性にも
よるが、得られる焼結体の平均粒径は1〜30μmの範囲に
あり、透光性に優れた焼結体が得られる。Al含有量が5w
tppm以下の試料を同様に焼成した場合、その平均粒径は
やはり1〜30μm程度であるが、得られる焼結体は半透明
体若しくは不透明体である。

【００２１】Alが100wtppmを超えて含有する試料の場合
には、それ以下の場合と比較して粒成長しており、その
平均粒径は大きくなっている。しかしながら、得られる
焼結体は Al含有量が5wtppm以下の場合と同様に、半透
明体若しくは不透明体である。焼結助剤としてのAlの効
果は、その量が5〜100wtppmの範囲においては緻密化促
進剤として作用しており、その場合においてのみ良好な
透明体が得られる。しかしながら、100wtppmを超える場
合には主として粒成長促進剤として作用しており、気孔
の排出が十分行なえないため、満足な透明体が得られな
い。

【００２２】1800℃以上の温度で焼成を行なった場合、
Alの有無に関らず粒成長が著しく進行するため、気孔の
排出が充分行われず、充分な透光性を有する焼結体を作
製することは容易ではない。この場合の平均粒径は35μ
m以上である。1800℃以上の焼成温度においては、Alの
含有量が100wtppm以下であっても、粒界にAlの偏析相が
生じる。Alの析出は焼結体の平均粒径に依存しており、
30μm以下の場合は如何なる焼成雰囲気においても析出
は認められない。しかしながら、焼結体の平均粒径が30
μmを超えると、粒界相にAlの偏析が生じ始め、平均粒
径が40μm以上になるとその現象は顕著になる。

【００２３】従って、Alの含有量が5wtppm以上100wtppm
以下の場合においてのみ、緻密化促進剤としての効果を
発揮し、析出の生じない1400℃以上1800℃以下の温度範
囲で、平均粒径が1μm以上30μm以下となる様に焼成さ
れた場合においてのみ、透光性に優れた焼結体を作製す
ることが可能となる。

【００２４】但し、極微量のAlによる緻密化促進効果を
充分発揮し透光性に優れた焼結体を作製するためには、
原料中に含まれるSi量を厳密に管理する必要があり、そ
の量を30wtppm以下とすると共に、更に成形体密度を58%
以上とする必要がある。

【００２５】通常市販されている酸化スカンジウムとし
て99.9%以上の高純度酸化スカンジウム粉末中に含まれ
る不純物は、各元素毎に見ると数wtppm程度であり、多
くても10wtppm程度に満たない。しかしながら、Siは30w
tppm程度、多い場合には100wtppmに近い量含まれている
場合がある。この理由は定かでないが、有機酸塩ないし
無機酸塩として湿式法によりスカンジウム原料を精製し
た後、仮焼する際に使用する匣鉢が石英製のものであ
り、付着水が石英容器と僅かに反応するためと考えられ
る。また反応槽がガラスやグラスライニング製であった
り、沈殿剤中にSiが含まれる場合があるためと考えられ
る。

【００２６】Siは、粒界に液相を生成し粒成長を促進す
るため、その量が多いと微量のAlによる緻密化促進効果
を打ち消してしまう。そのため、使用する酸化スカンジ
ウム原料粉末に含まれるSiは30wtppm以下とし、好まし
くは5wtppm以下とする。高純度酸化スカンジウム原料中
に含まれるSiは、その殆どが仮焼用匣鉢や反応容器から
混入しており、例えばアルミナ製坩堝を使用すること
や、反応容器にポリテトラフルオロエチレンライニング
を施すことによりSi量の低い原料を得ることは容易に可
能である。

【００２７】成形体は、内部に大きな気泡や空隙を含ま
ない均質で高密度のものにする必要がある。一般的な透
光性セラミックスは、融点より100℃〜300℃程度低い温
度で焼成され、その平均粒径は50μm程度若しくはそれ
以上である。すなわち成形体内部の空孔を粒成長により
排出するため、空孔の多い(成形体密度の低い)成形体を
焼成する際には、著しく粒成長させることにより緻密体
を作製している。これに対して、1800℃以下の比較的低
温で焼成するとAlの析出も生じず、焼結体の平均粒径を
30μm以下と比較的小さくできる。従って粒成長による
気孔の排出効果を過度に期待せず、透光性に優れた焼結
体を作製するためには、均質で高密度な成形体を作製
し、焼成する必要がある。

【００２８】成形密度が58%未満の成形体内部には、パ
ッキングが不充分なため大きな空孔が多数存在してお
り、このような成形体を1800℃以下の温度で充分緻密化
させることは容易でない。この一方で、成形密度が58%
以上の成形体は比較的その内部の空孔が少なく、低温で
も充分緻密化させることは可能である。従って透光性に
優れた焼結体を作製するためには、その成形密度を58%
以上とする必要があり、好ましくは60%以上のものとす
る。

【００２９】適切な作製条件が選ばれれば十分な直線光
透過率を有する焼結体が得られるが、希に500nm以下の
光透過率が極端に低下したものとなることがある。これ
は、炉内の温度分布等により気孔の排出が充分に行われ
ず、サブミクロン以下の小さな気孔が多数焼結体中に残
存した為である。この様な焼結体は、熱間静水圧加圧(H
IP)処理により良好な光透過スペクトルを有する焼結体
とすることが出来る。加圧ガスは通常用いられるArガス
で十分であり、処理温度は1000℃から1800℃が好まし
い。1000℃よりも低いと処理効果がなく、1800℃よりも
高いと粒成長が進行し、Alの偏析相が生じる。また処理
圧力は49MPa以上、196MPa以下が好ましい。49MPa以下で
は処理効果がなく、196MPa以上ではいたずらに装置を大
掛かりにするのみで、処理効果の向上はない。

【００３０】以下に焼結体の作製方法を説明する。焼結
体の作製には、純度99.9%以上の高純度易焼結性原料粉
末で、Si含有量が30wtppm以下のものを使用する。Fe等
の遷移元素は焼結体の着色源となるため好ましくない。
従って、出発原料は充分精製されたものを選択する必要
がある。ただし、レーザー媒質やカラーフィルターなど
の着色ガラス等の場合のように、意図的に添加する場合
はこの限りでない。

【００３１】原料粉末の焼結性は、母塩に依存すると言
われており、例えばイットリウムの場合であれば、一般
的には(1)炭酸塩(2)水酸化物(3)蓚酸塩(4)アンモニウム
硫酸塩(5)硫酸塩の順である(例えば、L.R.Furlong,L.P.
Domingues,Bull.Am.Ceram.Soc,45,1051(1966))。しかし
ながら、これらの母塩の種類は特に限定されるものでは
なく、入手しやすいものを使用すれば良い。

【００３２】また使用する原料粉末の一次粒子径につい
ても特に限定されるものではなく、成形、焼成プロセス
に適合したものを選択すれば良い。すなわち、超微粉は
焼結活性が高く比較的低温でよく緻密化するものの、ハ
ンドリングが容易でないばかりか、凝集粒子が多く成形
密度を高くすることが容易ではない。また粗粒の場合、
パッキングは容易なものの焼結活性が低く、低温で緻密
化させることは出来ない。従って、焼結性、パッキング
性及びハンドリング性の観点から、使用原料の比表面積
は3〜12m²/g程度が好ましく、4〜10m²/g程度のものがよ
り好ましい。更には、凝集が少なく粒度分布の均一なも
のを使用するのが最も好ましい。

【００３３】次に前記酸化スカンジウム原料粉末を用い
て、所望の形状の成形体を作製する。セラミックスの成
形方法としては、押し出し成形、射出成形、プレス成形
や鋳込み成形等が挙げられる。成形はいずれかの手法に
限定されるものではなく、成形密度が58%以上となり不
純物の混入が少ない手法により行なえば良い。またこの
際、必要に応じて焼結助剤のAlを各種成形法に応じ均一
に分散する様に添加する。例えば、プレス成形の場合で
あれば、顆粒作製用スラリー中に適量のAlを添加し、ボ
ールミル等により充分混合した後にスプレードライヤ等
により乾燥し、成形用顆粒とすれば良い。

【００３４】Alの添加時期に関しては、成形体中に均一
に分散させることが可能であれば特に限定されるもので
はなく、例えば原料合成段階や仮焼段階で添加しても問
題ない。極微量のAlでその効果を充分発揮させるには、
原料中に混合させておくのが最も好ましい。

【００３５】またその添加形態については特に限定され
るものではなく、例えば成形段階で混合するのであれ
ば、アルミナゾルや水酸化アルミニウム粉末、あるいは
γ-ないしα-Al₂O₃粉末等のアルミニウム化合物を適量
添加すれば良い。また原料合成時に添加する場合には、
塩化アルミニウムや水酸化アルミニウム等で添加すれば
良い。添加剤の純度に関しては、その添加量が微量であ
るため特に限定されるものではないが、原料粉末同様、
高純度なものを使用するのが好ましい。また粉末で添加
する場合には、その大きさは原料粉末の一次粒子径と同
程度、若しくはそれ以下のものを使用するのが好まし
い。

【００３６】得られた成形体は、熱分解により脱バイン
ダーする。この際の処理温度、時間、雰囲気は添加した
成形助剤の種類により異なるが、試料の表面が閉空孔化
してしまうと脱バインダーが困難となる。そのため表面
の閉空孔化しない温度以下で充分時間をかけて行なう。
この温度は、使用原料粉末の仮焼温度や焼結性、及び成
形体のパッキングにもよるが、通常900℃〜1400℃程度
であり、それ以下の温度で行なうのが好ましい。また雰
囲気は酸素雰囲気が最も一般的であるが、必要に応じ加
湿水素やAr、若しくは減圧下で行なっても問題ない。

【００３７】脱バインダー後に、試料を水素、希ガスあ
るいはこれらの混合雰囲気もしくは真空中で、1400℃以
上1800℃以下の温度で焼成する。焼成雰囲気や試料の厚
みにもよるが、通常1〜5mm程度の試料厚みであれば、0.
5時間から10時間程度の焼成が好ましい。

【００３８】歩留り良く透光性の良好な焼結体を得るに
は、この雰囲気焼結の後に1000℃から1800℃の温度及び
49MPaから196MPa圧力でHIP処理を行なう。この時間も、
試料厚みによるが、1〜5mm程度のものであれば、一般的
には0.1〜10時間とし、好ましくは0.1〜2時間とし、最
も好ましくは0.5〜２時間とする。

【００３９】以上の操作により、波長500nmから5μmの
領域に渡っての直線透過率が1mm厚みで77%以上と、透光
性に優れた酸化スカンジウム焼結体が得られる。なお、
酸化スカンジウム焼結体がカラーフィルターやレーザー
媒質として利用される場合には、NdやYb等の附活剤が添
加され特異吸収が生じる。この場合の直線光透過率が、
特異吸収波長以外で測定されるものであることは、業界
関係者には周知のことである。

【００４０】

【実施例１】純度99.9%以上Si5ppmの酸化スカンジウム
を塩酸に溶解させ、濃度0.25M（mol・dm^-3）の塩化スカ
ンジウム水溶液を調製した。この溶液500mlをポリテト
ラフルオロエチレン製ビーカーに入れ攪拌した。塩化ス
カンジウム水溶液に、濃度0.5M(mol・dm^-3)の炭酸水素
アンモニウム溶液を5ml/minの速さでpH8.0となるまで滴
下し、攪拌を続けながら室温で10日間養生を行なった。
養生後、濾過及び超純水を用いた水洗を数回繰り返した
後、150℃の乾燥機に入れ2日間乾燥した。得られた前駆
体粉末をアルミナ製坩堝に入れ、電気炉で仮焼(1250℃
×3時間)することにより、平均一次粒子径0.35μmの酸
化スカンジウム原料粉末を作製した。

【００４１】この原料粉末2gをアルミナ製乳鉢に入れ、
原料に対してAl金属換算で45wtppm相当のアルミナゾル
(日産化学製)を添加し、混合・粉砕した。この粉末をφ
10mmの金型に挿入し、20MPaで一次成形を行なった後
に、250MPaの圧力にてCIP成形を行なった。成形体中に
含まれるAl量をICP発光分析法により測定した結果、48w
tppmであった。またアルキメデス法により成形密度を測
定した結果、61.2%であった。この成形体を、真空炉に
て100℃/hrで1625℃ まで昇温し、2時間保持した後に20
0℃/hrで冷却した。焼結時の真空度は10^-1Pa以下とし
た。得られた焼結体は、ダイヤモンドスラリーを用いて
鏡面研磨を行ない、分光光度計にて直線透過率を測定し
た。その結果、波長500nm及び800nmにおける直線透過率
(t=1mm)は、それぞれ77.9%,80.0%であった。実施例１の
焼結体の直線透過率を図１に示す。

【００４２】この試料を大気中1500℃にて2時間サーマ
ルエッチングを行ない、微構造を観察した結果、平均粒
径は15.8μmであった。ここで平均粒径は、SEM等の高分
解能画像上で任意に引いた線の長さをCとし、この線上
の粒子数をN、倍率をMとして、平均粒径＝1.56C/(MN)
として求めた。また、アルキメデス法により焼結体密度
を求めた結果、理論密度比99.97%であった。なおこの焼
結体をオートクレーブにより溶解後、ICP発光分析法に
よりAl及びSi量を求めた結果、Al48wtppm,Si5wtppmであ
った。

【００４３】

【実施例２−４及び比較例１−３】実施例1と同様にし
て調製したSi量として10wtppmの原料粉末を用い、成形
圧力を種々変更してCIP成形を行なう事により、成形密
度の異なる成形体を作製した。これらの成形体を、実施
例1と同様にして真空中1550℃で5時間焼成した。得られ
た焼結体の波長500nmでの直線透過率(t=1.0mm)を表1に
示す。尚、焼結体中に含まれるAl量は全ての場合におい
て、45〜55wtppmの範囲内にあった。

【００４４】比較例1では、緻密に焼結している部分
と、焼結がほとんど進んでおらず大量に気孔が残留して
いる部分とが任意に連なった構造となっており、平均的
な組織及び光透過率の観察は不可能であった。成形密度
の向上に伴い組織は次第に均一となっていき、これに伴
い光透過率も向上している。表1の結果より、77%以上の
透光性に優れた焼結体を得るためには、その成形密度が
58%以上必要であることが判る。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【実施例５−８及び比較例４−８】純度99.9%以上Si2wt
ppmで平均一次粒子径0.3μmの酸化スカンジウム原料粉
末50gと、原料粉末に対してAl金属換算で35wtppm相当の
アルミナ粉末(大明化学製TM-DAR 平均一次粒子径0.3μ
m,TM-DARは商品名)をナイロンポットに入れた。更にナ
イロンボールとエチルアルコール50gを添加し、50時間
ボールミル混合を行なった。このスラリーを減圧下、55
℃で乾燥し、得られた粉末をアルミナ製乳鉢で軽くほぐ
した後、実施例1と同様にしてCIP成形により成形密度6
2.9%の成形体を作製した。この成形体を、種々異なる焼
成温度により2時間真空焼成を行なった。焼成温度、及
び得られた焼結体の平均粒径と波長500nmでの直線透過
率を表2に示す。

【００４７】

【表２】

【００４８】焼成温度が1300℃の場合(比較例4)、緻密
な焼結体が得られず、透過率を測定することは不可能で
あった。この場合の焼結体密度は、理論密度比89.2%で
あった。1350℃から1380℃で焼成した場合(比較例5,6),
焼結体密度は99%以上であり、透光感が見られるものの
充分な透明体は得られなかった。走査型電子顕微鏡でそ
の内部を観察した結果、1μm以下のポア(気孔)が多数観
察された。焼成温度が1400℃以上1800℃以下の場合(実
施例5-8)には、直線透過率が77%以上の透光性に優れた
焼結体が得られた。なおこれらの試料の直線透過率は、
波長500nmから5μmの範囲において77%以上と良好であっ
た。またこの温度範囲においては、粒成長により緻密化
が進行しているため、平均粒径と直線透過率は比例関係
にあることが判る。焼成温度が1800℃を超える場合(比
較例7,8)、急激に粒成長が進行し更にAlの析出が生じる
ため、焼成温度が高くなるにつれて直線透過率は低下す
る。

【００４９】

【実施例９−１１及び比較例９−１４】実施例1に基づ
き、Sc₂O₃原料粉末を作製した。原料粉末の仮焼には石
英製匣鉢を用い、匣鉢中でのサンプリング位置を変える
ことにより、Si含有量の異なる原料粉末を得た。(但
し、比較例9,10,14及び実施例9に使用した原料の仮焼に
は、高純度アルミナ製匣鉢を使用した。)得られた原料
粉末を用い、実施例1と同様にして、Al含有量の異なる
酸化スカンジウム焼結体を作製した。原料中に含まれる
Si量、焼結体中に含まれるAl量と波長500nmでの直線透
過率(試料厚み1mm)を表3に示す。尚、成形体密度は全て
の場合において58%以上であった。

【００５０】

【表３】実施例9-11,比較例9〜14 試料 Si量/wtppm Al/wtppm 平均粒径/μm 直線透過率/% 比較例9 5 1 13.6 45.7 比較例10 3 3 14.1 49.3 実施例9 3 7 14.5 77.2 実施例10 24 15 13.9 77.0 比較例11 32 15 25.0 52.4 比較例12 74 30 31.1 59.5 比較例13 35 75 23.8 62.2 実施例11 28 77 25.4 77.8 比較例14 3 115 53.3 39.8

【００５１】比較例9,10のように、焼結体中に含まれる
Al量が少ない場合には、その効果が充分発揮されないた
め、Siの混入量が少ないにも関らず、透光性は高くな
い。比較例14のAl含有量が100wtppmを超える場合には、
その平均粒径は53μmと実施例1の3倍以上であり、粒内
ポアが多数認められた。この試料をEDX(エネルギー分散
型Ｘ線分析)を装備したSEMにより観察した結果、粒界に
Alの偏析相が確認された。また逆に比較例11-13より、
原料中に含まれるSi量が30wtppmを超える場合には、充
分な透光性が得られないことが判る。

【００５２】

【実施例１２−２３及び比較例１５，１６】実施例5と
同様にして得られた焼結体(500nm及び400nmでの直線透
過率77.2%,58.0%,平均粒径1.3μm)に、HIP処理を施し透
過率の改善を図った。種々の温度、時間、圧力で行なっ
た場合の、平均粒径と波長400,500nmでの直線透過率を
表4に示す。HIP処理は、圧力媒体としてArガスを用いた
同時昇温昇圧法により、800℃/hrで昇温し所定時間保持
した後に、1000℃/hrで冷却した。

【００５３】

【表４】 HIP条件と平均粒径、透過率直線透過率/%試料温度/℃×時間/hr 圧力/MPa 平均粒径/μm 500nm 400nm 実施例12 950×1 196 1.3 77.2 58.0 実施例13 1025×1 196 1.3 77.5 62.3 実施例14 1200×0.5 49 1.3 77.6 65.4 実施例15 1200×2 45 1.3 77.3 58.0 実施例16 1500×0.5 98 12.1 77.7 68.8 実施例17 1500×0.5 196 12.3 77.9 70.5 実施例18 1500×1 45 12.5 77.3 58.0 実施例19 1625×0.5 98 17.9 78.3 71.3 実施例20 1800×1 49 24.2 78.5 74.8 実施例21 1800×0.5 196 25.0 78.7 75.1 実施例22 1800×2 196 27.1 79.0 77.0 実施例23 1800×2 45 24.6 77.2 55.0 比較例15 1825×1 196 33.4 65.3 37.8 比較例16 1850×1 196 52.2 38.1 17.2

【００５４】HIP処理前の焼結体は、波長500nmでの透過
率は77%以上であるにも関らず、波長400nmでのそれは58
%と著しく低下している。これは、サブミクロン以下の
微細な気孔が焼結体内部に多数含まれているためであ
る。実施例の結果から、HIP処理によりこの微細な気孔
が押し潰され、特に400nmでの透過率が著しく改善され
ていることが判る。またHIP処理を行なっても処理圧力
や温度が低い場合にはその効果が発揮されないことが判
る。更にHIP温度が高すぎる場合には、雰囲気焼成の場
合と同様、Alの析出や異常粒成長を生じるため、逆に透
過率は低下してしまう。

【００５５】

【実施例２４−３０及び比較例１７，１８】実施例5と
同様にして、成形密度63.3%,Si及びAlの含有量がそれぞ
れ5,58wtppmの酸化スカンジウム成形体を作製した。こ
れらの成形体を、真空炉(真空度10-1Pa以下)にて所定の
温度及び保持時間で焼成した。この際、昇温速度及び降
温速度は、それぞれ400,600℃/hrとした。得られた焼結
体の平均粒径と厚さ1mmでの直線透過率(測定波長500nm)
を表5に示す。表５から明らかなように、焼成温度は140
0〜1800℃が好ましく、焼成時間（最高温度での保持時
間）は0.5時間以上で10時間以下が好ましい。

【００５６】

【表５】焼成条件と平均粒径、直線透過率試料温度/℃×時間/hr 平均粒径/μm 直線透過率/%(500nm) 実施例24 1400×1.0 1.2 77.0 比較例17 1450×0.1 2.7 57.3 実施例25 1450×0.5 3.1 77.3 実施例26 1450×1.5 4.0 77.6 比較例18 1600×0.1 5.3 62.7 実施例27 1600×0.5 17.5 77.9 実施例28 1780×0.5 24.2 78.4 実施例29 1780×2.0 26.5 78.6 実施例30 1780×8.0 28.9 78.8

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例での直線透過率のスペクトルを示す特
性図

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 Al含有量が5wtppm以上100wtppm以下で、
波長500nmから5μmの領域に渡っての直線透過率が1mm厚
みで77%以上の、酸化スカンジウム透光性焼結体。
【請求項２】 Si含有量が30wtppm以下で、平均粒径が1
μm以上30μm以下である事を特徴とする、請求項１に記
載の酸化スカンジウム透光性焼結体。
【請求項３】 Si含有量が30wtppm以下であり純度99.9%
以上の高純度酸化スカンジウム原料粉末を用いて、成形
密度が理論密度比58%以上で、Al含有量が5wtppm以上100
wtppm以下の成形体を作製し、熱処理により脱バインダ
ーした後に、非酸化性雰囲気中で、1400℃以上1800℃以
下の温度で焼成することを特徴とする、透光性酸化スカ
ンジウム焼結体の製造方法。
【請求項４】前記焼成後に、1000℃から1800℃の温度
及び49MPaから196MPaの圧力で、熱間静水圧加圧処理を
施すことを特徴とする、請求項３に記載の透光性酸化ス
カンジウム焼結体の製造方法。