JPH0420850B2 - - Google Patents

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JPH0420850B2
JPH0420850B2 JP57151659A JP15165982A JPH0420850B2 JP H0420850 B2 JPH0420850 B2 JP H0420850B2 JP 57151659 A JP57151659 A JP 57151659A JP 15165982 A JP15165982 A JP 15165982A JP H0420850 B2 JPH0420850 B2 JP H0420850B2
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JP
Japan
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mixture
aluminum oxynitride
sintering
aluminum
doping agent
Prior art date
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Application number
JP57151659A
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Japanese (ja)
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JPS5874514A (en
Inventor
Emu Haatonetsuto Toomasu
Eru Jenteiruman Richaado
Ei Magaia Edowaado
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Raytheon Co
Original Assignee
Raytheon Co
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Filing date
Publication date
Application filed by Raytheon Co filed Critical Raytheon Co
Publication of JPS5874514A publication Critical patent/JPS5874514A/en
Publication of JPH0420850B2 publication Critical patent/JPH0420850B2/ja
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09JADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
    • C09J161/00Adhesives based on condensation polymers of aldehydes or ketones; Adhesives based on derivatives of such polymers
    • C09J161/04Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only
    • C09J161/06Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only of aldehydes with phenols
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/082Compounds containing nitrogen and non-metals and optionally metals
    • C01B21/0821Oxynitrides of metals, boron or silicon
    • C01B21/0825Aluminium oxynitrides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/581Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on aluminium nitride

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  • Ceramic Products (AREA)
  • Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Superheterodyne Receivers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、耐久性の透明なセラミツク化合物に
関する。可視範囲および赤外範囲において実質的
な透過性および映像能力を要する用途に、これら
の化合物が要求される。これらの要求は軍事的お
よび商業的用途において見い出すことができる。
たとえば、赤外線に透明なドームはミサイルに必
要であり、そして透明なエンベロプは種々の型の
蒸気ランプに必要である。多くの透明な材料はこ
れらの用途において適当に耐久性がなく、こうし
て、研究は透明なセラミツクの開発に向けられて
きた。多くのセラミツク化合物は耐久性の要件を
満足するが、これらの用途に十分な程度に透明で
はない。たとえば、アルミナは十分にかたい材料
であるが、主な問題はそれが十分に透明でなく、
そして光を過度に散乱することである。候補材料
についての追加の考慮は製造のコストであり、こ
うして、これらの窓は個々の処理を要する方法は
コストの観点から実施不能な代替法のままであ
る。この面から、段造法およびホツトプレス法は
望ましくない。これはバツチ処理法を望ましい実
施可能な代替法として残し、そして焼結は単一の
実験において複数の単位の製造に適する。しかし
ながら、透明セラミツクの焼結は広き知られてお
らずまた実施されていない。 オキシ窒化アルミニウムは、多スペクトル透過
能力を要する用途のための有望な候補材料であ
る。焼結したオキシ窒化アルミニウム物体の製造
を試みる唯一の既知の先行技術は、米国特許第
4241000号に記載されており、ここで先駆物質の
粉末を混合し、そして焼結工程を用いて先駆物質
の粉末を反応させかつ焼結して、オキシ窒化アル
ミニウム物体を製造する。問題は、得られる材料
が前述の用途に十分に透明でないということであ
る。 本発明者らは、酸化アルミニウムとカーボンブ
ラツクとを原料として製造される、焼結して耐久
性のある透明なセラミツク窓を製造するために特
に有用な、実質的に均質な立方体のオキシ窒化ア
ルミニウム粉末を特別の添加剤と共に焼結する
と、可視及び赤外の範囲において適度に透明な窓
が得られることが発見した。 かかる均質なオキシ窒化アルミニウムは、酸化
アルミニウム粉末とカーボンブラツクとを反応室
に入れ、前記室に窒素を供給し、そして前記室を
過熱して前記粉末とガスを反応させて、オキシ窒
化アルミニウムから実質的になる反応した粉末を
生成することによつて製造することができる。反
応した粉末は、酸化アルミニウム対窒化アルミニ
ウムの比が立方体のオキシ窒化アルミニウムの組
成の範囲内であるように、15重量%までの酸化ア
ルミニウム及び窒化アルミニウムを含むこともで
きる。 本発明によれば、酸化アルミニウムとカーボン
ブラツクとの混合物を調製し、この混合物を調製
し、この混合物を窒素の存在下に1550〜1850℃の
範囲の温度において反応させ、前記混合物から前
もつて決定した形状のプレスした生の物体を形状
し、前記生の物体を焼結室に入れ、前記室にドー
ピング添加剤を供給し、前記添加剤はイツトリウ
ムおよびランタンの群より選ばれた1種またはそ
れ以上の元素、またはそれらの化合物からなり、
そして前記生の物体を1900℃より高いが、オキシ
窒化アルミニムウの固相線温度よりも低い温度に
おいて焼結する工程からなる、透明な焼結したオ
キシ窒化アルミニウム物体の製造法が提供され
る。好ましくは、ドーピング剤は、前記焼結工程
の一部分の間蒸気相であり、そして蒸気は前記物
体へ移行しかつその中に全体にわたつて拡散す
る。ドーピング添加剤は、生の物体の0.5重量%
以下を構成する。好ましい出発混合物は、5.4〜
7.1重量%の範囲の炭素含量を有する。好ましく
は、反応した混合物を0.5〜5ミクロンの範囲の
大きさの粒子に破砕し、そして反応した混合物を
空気または酸素中で加熱して、存在するかも知れ
ない有機の汚染物質を除去する。 更に、本発明によれば、理論密度の少なくとも
99%の密度を有し、1.45mmの厚さの試料が0.3〜
5ミクロンの波長範囲において少なくとも50%の
インライン透過率を有することを特徴とする多結
晶質のドープされた立方体オキシ窒化アルミニウ
ム物体が提供される。 まず、オキシ窒化アルミニウム粉末の製造につ
いて説明する。ガンマー酸化アルミニウムと炭素
とを窒素雰囲気中で反応させることにより、実質
的に均質な立方体のオキシ窒化アルミニウム粉末
を製造することができる。さらに詳しくは、酸化
アルミニウム(アルミナ)とカーボンブラツク
を、たとえば、パターソン−ケリーツイン−シエ
ルブレンダー中で、2時間まで乾式混合する。好
ましくは、酸化アルミニウムは少なくとも99.98
%の純度と0.06ミクロンの平均粒子大きさを有
し、そしてカーボンブラツクは97.6%以上の純度
および2.4%の揮発分と0.027ミクロンの平均粒子
大きさを有する。この混合物の炭素含量は、5.4
〜7.1重量%の範囲であることができる。好まし
い混合物は、5.6重量%のカーボンブラツクと
94.4重量%の酸化アルミニウムからなる。酸化ア
ルミニウム/炭素混合物をアルミナるつぼに入
れ、流れる窒素の雰囲気中で1550℃〜1850℃の温
度において2時間まで最高温度で反応させる。好
ましい熱処理は2工程である。第1工程におい
て、ほぼ1550℃の温度をほぼ1時間使用し、これ
によつて、アルミナ対炭素の比を適当にするた
め、温度に不安定なガンマ−酸化アルミニウムを
炭素および窒素と部分的にのみ反応させて、アル
フアー酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウム
の両者を生成する。1550℃における1時間のソー
キングは、Al2O3の適切な量をAINに転化するた
めに十分である。第2工程において、1750℃また
はオキシ窒化アルミニウムの固相線温度(2140
℃)までの温度をほぼ40分間用い、これによつて
アルフア−酸化アルミニウムおよび窒化アルミニ
ウムを結合して、立方体のオキシ窒化アルミニウ
ムを形成する。 この熱処理から得られる反応した物質は、立方
体のオキシ窒化アルミニウムから主として構成さ
れるが、酸化アルミニウム対窒化アルミニウムの
比が立方体のオキシ窒化アルミニウムの組成範囲
内にあるように、15重量%までの量でアルミナお
よび/または窒化アルミニウムを含有する。アル
ミナおよび窒化アルミニウムの量は、熱処理およ
び第1加熱工程において生成する窒化アルミニウ
ムの量によつてコントロールすることができ、窒
化アルミニウムの量は出発混合物中の炭素の量に
依存する。 1620℃で処理した試料5を除いて、1550℃にお
ける好ましい1時間のソーキングを用いる第1工
程のため、表に、出発混合物中の炭素の種々の
量および熱処理の第2工程の間に種々の温度を用
いた効果を示す。
The present invention relates to durable transparent ceramic compounds. These compounds are required for applications requiring substantial transparency and imaging capabilities in the visible and infrared ranges. These requirements can be found in military and commercial applications.
For example, infrared transparent domes are required for missiles, and transparent envelopes for various types of steam lamps. Many transparent materials are not adequately durable for these applications, and thus research has been directed toward the development of transparent ceramics. Although many ceramic compounds meet the durability requirements, they are not sufficiently transparent for these applications. For example, alumina is a sufficiently hard material, but the main problem is that it is not transparent enough;
And it scatters light too much. An additional consideration for candidate materials is the cost of manufacturing, and thus methods that require individual processing of these windows remain an unfeasible alternative from a cost standpoint. From this point of view, the step forming method and the hot pressing method are not desirable. This leaves batch processing as a desirable viable alternative, and sintering is suitable for manufacturing multiple units in a single experiment. However, sintering of transparent ceramics is not widely known or practiced. Aluminum oxynitride is a promising candidate material for applications requiring multispectral transmission capabilities. The only known prior art attempting to produce sintered aluminum oxynitride objects is U.S. Pat.
No. 4,241,000, in which precursor powders are mixed and a sintering process is used to react and sinter the precursor powders to produce aluminum oxynitride objects. The problem is that the resulting material is not transparent enough for the aforementioned uses. The inventors have discovered substantially homogeneous cubic aluminum oxynitride, particularly useful for sintering to produce durable transparent ceramic windows, produced from aluminum oxide and carbon black. It has been discovered that when the powder is sintered with special additives, a reasonably transparent window in the visible and infrared range can be obtained. Such homogeneous aluminum oxynitride is produced by placing aluminum oxide powder and carbon black in a reaction chamber, supplying nitrogen to the chamber, and heating the chamber to cause the powder and gas to react. It can be manufactured by producing a reacted powder that becomes a target. The reacted powder may also contain up to 15% by weight of aluminum oxide and aluminum nitride, such that the ratio of aluminum oxide to aluminum nitride is within the composition of cubic aluminum oxynitride. According to the invention, a mixture of aluminum oxide and carbon black is prepared, the mixture is reacted in the presence of nitrogen at a temperature in the range of 1550-1850°C, and the mixture is pre-prepared from said mixture. Shaping a pressed green body of a determined shape, placing said green body in a sintering chamber and supplying said chamber with a doping additive, said additive being one selected from the group of yttrium and lanthanum or Consisting of more than one element or a compound thereof,
There is then provided a method for producing a transparent sintered aluminum oxynitride object, comprising the step of sintering said green object at a temperature above 1900° C. but below the solidus temperature of the aluminum oxynitride object. Preferably, the doping agent is in the vapor phase during a portion of the sintering process and the vapor migrates to and diffuses throughout the body. Doping additives 0.5% by weight of raw matter
Configure the following. Preferred starting mixtures range from 5.4 to
It has a carbon content in the range of 7.1% by weight. Preferably, the reacted mixture is crushed into particles in the size range of 0.5 to 5 microns and the reacted mixture is heated in air or oxygen to remove any organic contaminants that may be present. Furthermore, according to the present invention, at least the theoretical density
A sample with a density of 99% and a thickness of 1.45mm is 0.3~
A polycrystalline doped cubic aluminum oxynitride object is provided that is characterized by having an in-line transmission of at least 50% in the 5 micron wavelength range. First, the production of aluminum oxynitride powder will be explained. By reacting gamma aluminum oxide and carbon in a nitrogen atmosphere, substantially homogeneous cubic aluminum oxynitride powder can be produced. More specifically, aluminum oxide (alumina) and carbon black are dry mixed, for example, in a Patterson-Kelly twin-shell blender for up to two hours. Preferably the aluminum oxide is at least 99.98
% purity and an average particle size of 0.06 microns, and carbon black has a purity of over 97.6% and a volatile content of 2.4% and an average particle size of 0.027 microns. The carbon content of this mixture is 5.4
It can range from ~7.1% by weight. A preferred mixture is 5.6% carbon black and
Consisting of 94.4% by weight aluminum oxide. The aluminum oxide/carbon mixture is placed in an alumina crucible and reacted at a maximum temperature of up to 2 hours at a temperature of 1550 DEG C. to 1850 DEG C. in an atmosphere of flowing nitrogen. A preferred heat treatment is a two-step process. In the first step, a temperature of approximately 1550°C was used for approximately 1 hour, thereby partially converting the temperature-labile gamma-aluminum oxide with carbon and nitrogen in order to obtain a suitable alumina to carbon ratio. only reacts to produce both alpha aluminum oxide and aluminum nitride. Soaking for 1 hour at 1550° C. is sufficient to convert the appropriate amount of Al 2 O 3 to AIN. In the second step, the temperature is 1750℃ or the solidus temperature of aluminum oxynitride (2140℃).
C.) for approximately 40 minutes, thereby combining the alpha-aluminum oxide and aluminum nitride to form cubic aluminum oxynitride. The reacted material obtained from this heat treatment is composed primarily of cubic aluminum oxynitride, but in amounts up to 15% by weight such that the ratio of aluminum oxide to aluminum nitride is within the composition range of cubic aluminum oxynitride. and contains alumina and/or aluminum nitride. The amount of alumina and aluminum nitride can be controlled by the heat treatment and the amount of aluminum nitride formed in the first heating step, the amount of aluminum nitride depending on the amount of carbon in the starting mixture. Except for sample 5, which was treated at 1620°C, for the first step with a preferred 1 hour soak at 1550°C, the table lists various amounts of carbon in the starting mixture and during the second step of heat treatment. The effect of using temperature is shown.

【表】 好ましい熱処理は、実質的に100%のオキシ窒
化アルミニウムからなる組成物を生成し、これは
試料5に相当する。別の好ましい得られる組成物
は、試料1のそれである。得られるオキシ窒化ア
ルミニウム粉末は、凝集した粒子から成り、これ
らの粒子はボールミリングの間容易に破壊され
て、0.5〜5ミクロンの大きさの粒子となる。 反応した物質を、ミリング流体としてメタノー
ルおよび高アルミナ粉砕球を用いて、ポリウレタ
ンまたはゴムライニングしたミル中で、ボールミ
リングする。ミリング時間は16時間である。ミリ
ングした粉末を400メツシユのふるいに通し、65
℃で24時間まで乾燥する。乾燥後、粉末を空気中
で600℃に2時間加熱して、有機汚染物質を除去
する。 焼結助剤を、ここで、予備選択したドーピング
添加剤のオキシ窒化アルミニウム粉末の0.5重量
%までの少量の形で加える。また、添加剤はイツ
トリウムおよびランタンの群より選ばれた元素、
またはその化合物からなることができる。ランタ
ニド系列の他の元素を同様に使用できると信じら
れる。好ましくは、選択した元素の酸化物を使用
する。ドーピング添加剤の組み合わせは、添加剤
の合計量が0.50重量%を超えないかぎり、使用す
ることもできる。好ましい組み合わせは、0.08重
量%の酸化イツトリウム(Y2O3)および0.02重
量%の酸化ランタン(La2O3)からなる。あるい
は、ドーピング剤は、オキシ窒化アルミニウム粉
末のボールミリングの間加えることができる。 添加剤含有オキシ窒化アルミニウム粉末を、前
もつて決定した形状のゴム型に入れ、15000psiよ
り大きい圧力で均衡にプレスして、焼結に使用す
る生の物体を製造する。製作した生の物体を、焼
結室内の容器中で固化する。容器は窒化ホウ素か
ら完全になるか、あるいは一部分の窒化ホウ素と
一部分のモリブデン金属とから構成されている。
焼結は、次いで、0〜5psigにおいて窒素の流れ
ない雰囲気中で実施する。実質的に透明な材料を
得るためには、焼結温度は1900℃より高いが、ほ
ぼ2140℃であるオキシ窒化アルミニウムの固相線
温度よりも低い。焼結は最短24時間から48時間ま
での間実施する。
TABLE The preferred heat treatment produces a composition consisting essentially of 100% aluminum oxynitride, which corresponds to sample 5. Another preferred resulting composition is that of Sample 1. The resulting aluminum oxynitride powder consists of agglomerated particles, which are easily broken down during ball milling into particles with a size of 0.5 to 5 microns. The reacted material is ball milled in a polyurethane or rubber lined mill using methanol as the milling fluid and high alumina grinding balls. Milling time is 16 hours. Pass the milled powder through a 400 mesh sieve and
Dry at °C for up to 24 hours. After drying, the powder is heated to 600° C. for 2 hours in air to remove organic contaminants. Sintering aids are now added in the form of small amounts of up to 0.5% by weight of the aluminum oxynitride powder of the preselected doping additive. In addition, the additive is an element selected from the group of yttrium and lanthanum,
or a compound thereof. It is believed that other elements of the lanthanide series can be used as well. Preferably, oxides of the selected elements are used. Combinations of doping additives may also be used as long as the total amount of additives does not exceed 0.50% by weight. A preferred combination consists of 0.08% by weight yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and 0.02% by weight lanthanum oxide (La 2 O 3 ). Alternatively, doping agents can be added during ball milling of aluminum oxynitride powder. The additive-containing aluminum oxynitride powder is placed into a rubber mold of predetermined shape and isostatically pressed at a pressure greater than 15000 psi to produce a green body for use in sintering. The produced green object is solidified in a container within a sintering chamber. The vessel may be made entirely of boron nitride or may be constructed of part boron nitride and part molybdenum metal.
Sintering is then carried out in a nitrogen free atmosphere at 0-5 psig. To obtain a substantially transparent material, the sintering temperature is above 1900°C, but below the solidus temperature of aluminum oxynitride, which is approximately 2140°C. Sintering is carried out for a minimum of 24 to 48 hours.

【表】 表は、オキシ窒化アルミニウムの生ずる透明
度の添加剤、時間および温度の効果をある程度示
す。密度はアルキメデス法により測定し、インラ
イン透過率はパーキン−エルマー457格子赤外分
光光度計により測定し、そして分解角は標準
USAF1951分解角試験パターンを用いることによ
り測定した。温度は精確に10℃以内である。1900
℃の温度はY2O3および/またはLa2O3の適切な
量を与えた透明材料を絶えず生成することがわか
つた最小温度である。添加剤の最適な量は、初め
存在しないが焼結後第2相として存在する、粒界
において液相を生成するために必要な最小量であ
る。0.1重量%は最良の結果を生ずるが、0.05重
量%程度により微量は適切であることが期待され
る。すなわち、液相は急速な高密化および孔の除
去を促進する1900℃付近において形成する。この
液相は、YおよびLaがオキシ窒化アルミニウム
と固溶体になるにつれて消失する。この液相の焼
結過程は、焼結過程において早い期間の焼結温度
において存在すると考えられる。この後、固体状
態の拡散は、残留する多孔性が排除されかつ実質
的な透明性が達成される手段である。固体状態の
拡散による多孔性の排除は、より長い時間を必要
とする非常に遅い孔排除手段であり、24時間は最
小の好ましい期間である。これは試料2および6
により確認され、ここで、適切な量の添加剤を使
用した場合でさえ、焼結期間が、それぞれ、1時
間および8時間に制限されたため、試料は半透明
のままである。 上に考察した添加剤は、焼結前オキシ窒化粉末
と混合する必要はなく、また生の物体と直接に接
触して配置することは不必要であることを、理解
すべきである。再び、オキシ窒化アルミニウムの
ドーピングのため、選択した添加剤は焼結室内に
存在することで十分である。事実、オキシ窒化ア
ルミニウム粉末から厳密に構成された生の物体
を、窒化ホウ素のプラツトホーム上で、酸化イツ
トリウムを含有する隣接する生の物体と一緒に、
焼結した後、焼結したオキシ窒化アルミニウムの
透明性が予期されないほどに改良することが、発
見された。こうして、本発明は、添加剤を焼結室
内に導入して、オキシ窒化アルミニウムの圧縮体
の現場の蒸気ドーピングを生成する他の方法を、
包含する。 焼結を増進するための別の添加剤の存在によ
る、現場の蒸気のドーピングの説明は、次のとお
りであると信じられる。焼結温度において、オキ
シ窒化アルミニウムの混合物は、AlxOyガス種の
有意に高い蒸気圧を有する。このAlxOyガスは容
器中に存在する近くの窒化ホウ素と反応して、
B2O3ガスおよび/またはAlBO2ガス+AlN固体
を生成する。B2O3および/またはAlBO2の蒸気
はオキシ窒化アルミニウムへ行き、それと反応し
て、粒界に液相を生成し、これは焼結の初期の状
態を高める。酸化イツトリウムを添加剤として使
用する場合、B2O3もイツトリウムドープしたオ
キシ窒化アルミニウムまたは純粋なY2O3と反応
して、YBO2ガスを生成する。YBO2蒸気はオキ
シ窒化アルミニウムへ移行し、そしてそれをホウ
素およびイツトリウムでドーピングする。他の元
素を添加剤として使用する場合、B2O3は同様に
反応して、オキシ窒化アルミニウムの対応する蒸
気のドーピングを提供する。この添加剤のドーピ
ングは、溶質を制動するか、あるいは第2相の沈
殿を粒界に刺し通し、こうして、そうでなければ
粒子内孔を捕捉しうる過度の粒子生長を防止する
ことによつて、焼結の最終段階を促進すると、信
じられる。 別の説明によれば、イツトリウム、またはその
成分は、液相を形成する。この液相は焼結の早い
段階において急速な高密化および有意の孔除去を
促進し、その結果、焼結の最終段階において、排
除すべき孔はより少なく、そして高い密度および
透明度が達成される。この機構において、ホウ素
はイツトリウムをオキシ窒化アルミニウムへ移行
させるためのみ必要である。 本発明の方法は、酸化アルミニウムと窒化アル
ミニウムとを混合し、そしてそれらを反応させる
ことによつてオキシ窒化アルミニウムを製造する
場合、通常直面する多くの問題、たとえば、純度
の変動、商業的に入手できる窒化アルミニウムの
大きい粒子大きさおよび広い大きさ分布、オキシ
窒化アルミニウムの生成に要する長い時間、およ
び粒子の大きさを減少するために要する長いミリ
ング時間、それを原因とするオキシ窒化アルミニ
ウムの無機不純物含量の増加、を排除する。さら
に、本発明の方法は、出発成分としてより高価な
窒化アルミニウムの使用を回避し、オキシ窒化ア
ルミニウムの形成により短かい時間を必要とし、
そして適当な粒子大きさの均質な焼結可能な粉末
を得るためにより少ないミリング時間を必要とす
ることによつて製造コストを減少する。 また、上述の方法によつて製造されたオキシ窒
化アルミニウム粉末は、焼結法の再現性に改良
し、焼結製品の透明性を改良する。
TABLE The table shows to some extent the effect of additives, time and temperature on the resulting clarity of aluminum oxynitride. Density was measured by the Archimedes method, in-line transmittance was measured by a Perkin-Elmer 457 grating infrared spectrophotometer, and the angle of resolution was standard
Measured by using the USAF1951 resolution angle test pattern. The temperature is precisely within 10°C. 1900
A temperature of 0.degree. C. is the minimum temperature found to consistently produce a transparent material given the appropriate amount of Y.sub.2 O.sub.3 and/or La.sub.2 O.sub.3 . The optimum amount of additive is the minimum amount necessary to create a liquid phase at the grain boundaries that is not initially present but is present as a second phase after sintering. 0.1% by weight gives the best results, but it is expected that trace amounts of about 0.05% by weight will be adequate. That is, a liquid phase forms around 1900° C. which promotes rapid densification and pore removal. This liquid phase disappears as Y and La become a solid solution with aluminum oxynitride. This liquid phase sintering process is believed to exist at the sintering temperature early in the sintering process. After this, solid state diffusion is the means by which residual porosity is eliminated and substantial transparency is achieved. Porosity elimination by solid state diffusion is a very slow means of pore elimination requiring longer times, with 24 hours being the minimum preferred period. This is samples 2 and 6
, where even with the use of appropriate amounts of additives, the samples remain translucent because the sintering period was limited to 1 h and 8 h, respectively. It should be understood that the additives discussed above do not need to be mixed with the pre-sintered oxynitride powder or placed in direct contact with the green body. Again, for the doping of the aluminum oxynitride, it is sufficient for the selected additives to be present in the sintering chamber. In fact, a green body consisting strictly of aluminum oxynitride powder, together with an adjacent green body containing yttrium oxide, on a platform of boron nitride,
It has been discovered that after sintering, the transparency of sintered aluminum oxynitride unexpectedly improves. Thus, the present invention provides another method for introducing an additive into the sintering chamber to produce in-situ vapor doping of a compacted body of aluminum oxynitride.
include. The explanation for the doping of the in-situ steam by the presence of other additives to enhance sintering is believed to be as follows. At the sintering temperature, the mixture of aluminum oxynitrides has a significantly higher vapor pressure of the Al x O y gas species. This Al x O y gas reacts with nearby boron nitride present in the container,
Generate B 2 O 3 gas and/or AlBO 2 gas + AlN solid. The B 2 O 3 and/or AlBO 2 vapor goes to the aluminum oxynitride and reacts with it, creating a liquid phase at the grain boundaries, which enhances the initial state of sintering. When using yttrium oxide as an additive, B2O3 also reacts with yttrium-doped aluminum oxynitride or pure Y2O3 to produce YBO2 gas. YBO 2 vapor transfers to aluminum oxynitride and dopes it with boron and yttrium. When using other elements as additives, B 2 O 3 reacts similarly to provide the corresponding vapor doping of aluminum oxynitride. This additive doping is achieved by either damping the solute or penetrating the grain boundaries with a second phase precipitate, thus preventing excessive grain growth that might otherwise trap intragrain pores. , is believed to facilitate the final stage of sintering. According to another explanation, yttrium, or its components, forms a liquid phase. This liquid phase promotes rapid densification and significant pore removal in the early stages of sintering, so that in the final stages of sintering, fewer pores have to be eliminated and high density and transparency are achieved. . In this mechanism, boron is only needed to transfer yttrium to aluminum oxynitride. The method of the present invention overcomes many of the problems normally encountered when producing aluminum oxynitride by mixing aluminum oxide and aluminum nitride and reacting them, such as purity variations, commercially available Inorganic impurities in aluminum oxynitride result from the large particle size and wide size distribution of aluminum nitride, the long time required to form aluminum oxynitride, and the long milling time required to reduce the particle size. Increase in content, eliminate. Furthermore, the method of the present invention avoids the use of more expensive aluminum nitride as a starting component, requires less time to form aluminum oxynitride, and
and reduces manufacturing costs by requiring less milling time to obtain a homogeneous sinterable powder of suitable particle size. The aluminum oxynitride powder produced by the method described above also improves the reproducibility of the sintering process and improves the transparency of the sintered product.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 理論密度の少なくとも99%の密度を有し、
1.45mmの厚さの試料が0.3〜5ミクロンの波長範
囲において少なくとも50%のインライン透過率を
有することを特徴とする、多結晶質で、イツトリ
ウム及びランタンからなる群から選択される少な
くとも1種の元素によつてドープされた立方体オ
キシ窒化アルミニウム物体。 2 前記オキシ窒化アルミニウム物体は、実質的
に単一相のオキシ窒化アルミニウムから形成さ
れ、ホウ素と、イツトリウム及びランタンからな
る群から選択される少なくとも一種の元素とでド
ーピングされている特許請求の範囲第1項記載の
物体。 3 前記物体の試料が1mrad未満の分解角度を有
する特許請求の範囲第1項記載の物体。 4 理論密度の少なくとも99%の密度を有し、
1.45mmの厚さの試料が0.3〜5ミクロンの波長範
囲において少なくとも50%〜80%のインライン透
過率を有することを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の、多結晶質で、イツトリウム及びラン
タンからなる群から選択される少なくとも1種の
元素によつてドープされた立方体オキシ窒化アル
ミニウム物体。 5 物体がホウ素、イツトリウム及びランタンで
ドーピングされている特許請求の範囲第4項記載
の物体。 6 前記オキシ窒化アルミニウム物体は、実質的
に単一相のオキシ窒化アルミニウムから形成され
ている特許請求の範囲第5項記載の物体。 7 前記物体の試料が1mrad未満の分解角度を有
する特許請求の範囲第5項記載の物体。 8 酸化アルミニウム粉末及びカーボンブラツク
の混合物を調製し、前記混合物中のカーボンブラ
ツクの含有率は5.4〜7.1重量%の範囲であり、 前記混合物を窒素の存在下に1550〜1850℃の範
囲の温度で反応させ、 前記混合物から所定形状のプレスした未処理物
体を形成し、 前記未処理物体を、完全に窒化ホウ素からなつ
ているか、あるいは一部窒化ホウ素と一部モリブ
デン金属とから構成されている容器中に入れてこ
れを焼結室内に入れ、 前記室内に少なくとも1種類のドーピング剤を
供給し、前記ドーピング剤は、イツトリウム、ラ
ンタン又はそれらの化合物からなる群から選択さ
れ、 前記未処理物体を、窒素雰囲気中で、1900℃よ
り高いがオキシ窒化アルミニウムの固相線温度よ
りも低い温度で焼結する 工程を含む透明な焼結オキシ窒化アルミニウム物
体の製造方法。 9 前記反応工程が、前記混合物を第1の所定時
間反応させて、前記混合物をアルフアー相の酸化
アルミニウム及び窒化アルミニウムを含む第2の
混合物に転化させ、次に、前記第2の混合物を
1750〜2140℃の範囲の温度で反応させて、前記第
2の混合物を実質的に単一相のオキシ窒化アルミ
ニウムに転化させる工程を含む特許請求の範囲第
8項記載の方法。 10 前記ドーピング剤は、焼結工程の一部分の
間蒸気相である特許請求の範囲第8項記載の方
法。 11 前記焼結工程において、ドーピング剤は前
記物体中に移行し、その中に全体にわたつて拡散
する特許請求の範囲第8項記載の方法。 12 前記ドーピング剤は、前記焼結工程の間、
粒界に液相を生成する特許請求の範囲第11項記
載の方法。 13 前記ドーピング剤を前記混合物と混合する
特許請求の範囲第9項記載の方法。 14 前記ドーピング剤は前記混合物の0.5重量
%以下である特許請求の範囲第13項記載の方
法。 15 反応した混合物を0.5〜5ミクロンの範囲
の粒子大きさに粉砕し、 前記反応した混合物を加熱して有機汚染物質を
除去する工程を更に含む特許請求の範囲第8項記
載の方法。
[Claims] 1. Having a density of at least 99% of the theoretical density,
Polycrystalline, at least one member selected from the group consisting of yttrium and lanthanum, characterized in that a 1.45 mm thick sample has an in-line transmission of at least 50% in the wavelength range of 0.3 to 5 microns. Cubic aluminum oxynitride object doped with elements. 2. The aluminum oxynitride object is formed from substantially single-phase aluminum oxynitride and is doped with boron and at least one element selected from the group consisting of yttrium and lanthanum. The object described in item 1. 3. The object of claim 1, wherein the sample of the object has a resolution angle of less than 1 mrad. 4. has a density of at least 99% of the theoretical density,
Polycrystalline, yttrium and A cubic aluminum oxynitride object doped with at least one element selected from the group consisting of lanthanum. 5. The object of claim 4, wherein the object is doped with boron, yttrium and lanthanum. 6. The object of claim 5, wherein the aluminum oxynitride object is formed from substantially single phase aluminum oxynitride. 7. The object of claim 5, wherein the sample of the object has a resolution angle of less than 1 mrad. 8. Prepare a mixture of aluminum oxide powder and carbon black, the content of carbon black in the mixture is in the range of 5.4 to 7.1% by weight, and the mixture is heated in the presence of nitrogen at a temperature in the range of 1550 to 1850 °C. reacting to form a pressed green body of a predetermined shape from said mixture; said green body being placed in a container consisting entirely of boron nitride or partially consisting of boron nitride and partially molybdenum metal; placing the untreated object in a sintering chamber, supplying at least one doping agent into the chamber, the doping agent being selected from the group consisting of yttrium, lanthanum or compounds thereof; A method for producing a transparent sintered aluminum oxynitride object comprising sintering in a nitrogen atmosphere at a temperature above 1900°C but below the solidus temperature of the aluminum oxynitride. 9. The reaction step includes reacting the mixture for a first predetermined period of time to convert the mixture into a second mixture containing aluminum oxide and aluminum nitride in an alpha phase;
9. The method of claim 8, comprising reacting at a temperature in the range of 1750 to 2140<0>C to convert said second mixture to substantially single phase aluminum oxynitride. 10. The method of claim 8, wherein the doping agent is in the vapor phase during a portion of the sintering process. 11. The method of claim 8, wherein in the sintering step, the doping agent migrates into the object and diffuses throughout it. 12. The doping agent is used during the sintering process.
12. The method according to claim 11, wherein a liquid phase is generated at grain boundaries. 13. The method of claim 9, wherein the doping agent is mixed with the mixture. 14. The method of claim 13, wherein the doping agent is less than 0.5% by weight of the mixture. 15. The method of claim 8, further comprising the steps of: comminuting the reacted mixture to a particle size in the range of 0.5 to 5 microns; and heating the reacted mixture to remove organic contaminants.
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