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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- aluminum oxynitride
- sintering
- aluminum
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- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09J—ADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
- C09J161/00—Adhesives based on condensation polymers of aldehydes or ketones; Adhesives based on derivatives of such polymers
- C09J161/04—Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only
- C09J161/06—Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only of aldehydes with phenols
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
- C01B21/082—Compounds containing nitrogen and non-metals and optionally metals
- C01B21/0821—Oxynitrides of metals, boron or silicon
- C01B21/0825—Aluminium oxynitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped 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
- C04B35/58—Shaped 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
- C04B35/581—Shaped 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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- Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
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。
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