JPH0458404B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は、例えば電子材料や光学材料の焼結用
粉末等の素材としてその優れた特性が利用され
る、直径1μｍ以下の窒化アルミニウム超微粒子
を製造する方法に関する。 （従来の技術） 従来、窒化アルミニウムの超微粒子を製造する
方法として主流となつているのは、アルミニウム
のハロゲン化物をアンモニアまたは窒素ガスと反
応させる所謂気相反応法、アルミニウム金属粉末
を直接窒素ガスと反応させる方法、アルミニウム
の酸化物を還元後窒素ガスと反応させる方法等で
ある。 また、近時、アークまたはプラズマジエツトに
より窒素を主成分とする高温活性ガスを発生さ
せ、当該高温活性ガスによつて金属アルミニウム
を溶融・蒸発させて窒化反応により窒化アルミニ
ウムの超微粒子を得る方法が開発され、注目され
つつある。 （従来技術に存する問題点） 上記の主流とされている方法には、何れも副生
成物の伴出や、未反応物の残留等の問題点があつ
た。 また、近時開発されたアークまたはプラズマジ
エツトを利用する方法は電極等が溶損・蒸発して
製品中に不純物として混入したり、生成速度が遅
いという欠点があり、生成速度が遅いということ
は製品の価格を高騰させているという問題点もあ
つた。 （発明の目的） 本発明は窒化アルミニウムの超微粒子を製造す
る従来方法に存する上述した問題点を解決するた
めになされたもので、高能率で高純度の窒化アル
ミニウム超微粒子を容易かつ安価に製造可能な方
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、 窒素を主成分とする雰囲気中で高周波エネルギ
ーによる高温プラズマを発生させ、発生した高温
プラズマフレームで金属アルミニウムを溶融・蒸
発させて窒化アルミニウムの超微粒子を得る場合
において、上記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、発生さ
せた高温プラズマフレームの尾炎部に水冷ハース
台上の金属アルミニウムを位置せしめ、雰囲気お
よび高周波エネルギーを所定の如く制御すること
により溶融・蒸発するアルミニウムが溶融面上に
樹枝状物を形成するように設定し、当該樹枝状物
表面から蒸発する粒子が高温反応性プラズマ中に
通過するようにした 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。 （発明の作用） 本発明は雰囲気および高温プラズマの成分が窒
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、これらのガ
スを高周波エネルギーにより高温プラズマ化して
大形のプラズマフレームを形成し、当該プラズマ
フレーム中では温度が2500〜3000Kと比較的低温
の尾炎部に水冷ハース台上の金属アルミニウムを
位置させて溶融・蒸発させ、アルミニウム蒸気は
プラズマ中の活性基の窒素種と反応して窒化アル
ミニウム核となつて窒素、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
ガスからなる雰囲気中に拡散する過程で、一部は
窒化アルミニウム超微粒子となつて飛散し、一部
は飛散せずに溶融状態のアルミニウム表面に沈降
して樹枝状の生成物を形成するようにさせ、当該
樹枝状生成物の形成により水冷ハース台の冷却作
用からの蒸発速度の低下から免れるようにすると
ともに、樹枝状生成物の極端に面積の広い表面が
略3000〜5000Kに達する中心部に近接したフレー
ム内に位置せしめるようにして、高率的に窒化ア
ルミニウム超微粒子を生成させる作用を発揮す
る。 この場合の不活性ガスはプラズマの安定化、水
素主として上記樹枝状生成物の成長に介在し、ま
た添加もしくは反応によつて化合生成した窒素と
水素との化合物は窒化反応を促進するもののよう
である。 （実施例） 本発明方法を実施例に従つて以下に詳述する。 第１図は本発明方法を実施するための装置の一
例であつて、Chはチヤンバ、１０はチヤンバCh
の上部に配置された高周波誘導高温プラズマ発生
装置である。 上記高周波誘導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Ｅに接続される誘導コイル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
チヤンバChの上部に開口し、閉端面となつた他
方端面を内管１１２が貫通して所定位置に開口す
る。上記誘導コイルＣは外管１１１の一重となつ
ているチヤンバChに近接した外周に巻回されて
いる。上記トーチ１１には、内管１１２の外管１
１１外とされている部分の例えば端面に近接して
開口する導管１２から高温プラズマ発生用ガス…
（以下コアガスという）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Ｇ
１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の管壁冷却用と上記チ
ヤンバCh内の雰囲気形成用とを兼ねる冷却用ガ
スＧ２として窒素と水素との混合ガスＧ２が、さ
らに外管１１１とチヤンバChとの接続部に介挿
した１４として示す環状ジヤケツトのスリツトか
らチヤンバCh内の雰囲気形成用として窒素と水
素との化合物であるアンモニアガスＧ３がそれぞ
れ導入可能に構成されている。 上記チヤンバChには、前記外管１１１の開口
部に対向する底面を摺動可能に貫通して内部所定
位置まで上昇または下降する構成からなるハース
台Ｈが備えられ、また所定位置には排ガス用導管
２が開口している。上記ハース台Ｈは、内部に冷
却流体が循環する冷却構造とされ、また外管１１
１の開口部に対向する端面に金属アルミニウムの
バルク１を載置可能な如く、例えば窪みが形成さ
れている。上記排ガス用導管２は３１として示す
フイルタを備えた捕集器３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、ハース台Ｈ
に載置した金属アルミニウムのバルク１から窒化
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。 ハース台Ｈを下方変位状態とし、チヤンバCh
内の空気を排出して代わりにジヤケツト１４から
Ｇ３を流入してチヤンバCh内に所定の雰囲気を
形成したうえ、コアガスＧ１を導管１２から流出
させたのち高周波電源Ｅを投入して誘導コイルＣ
に通電する。コアガスＧ１は誘導コイルＣが外周
に巻回されている外管１１１内の高周波エネルギ
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の管壁の冷却およびチヤンバCh内の雰囲
気調整をする。ついでコアガスＧ１の供給量を順
次所定量まで増加して高温プラズマフレームＰが
チヤンバCh内にまで達するように調整する。 この状態において、高温プラズマフレームＰの
中心部の温度は略10000Kに達し、Peとして示す
先端部分＝尾炎部は最先端が2500〜3000K、上記
中心部近接位置では5000K程度なつており、フレ
ームＰ内の5000K以上ある領域内では、窒素成分
は高いエンタルピーを有する活性状態にある。ま
たフレームＰの周縁部に接す窒素と水素との混合
ガスＧ２およびアンモニアガスＧ３からなる雰囲
気ガスも高温により活性化している。 この時点でハース台Ｈを上方変位させ、当該ハ
ース台Ｈの端面上の金属アルミニウムバルク１を
高温プラズマフレームＰの尾炎部Pe内に位置せ
しめる。 金属アルミニウムバルク１は表面から溶解し、
次いで溶融アルミニウムは蒸発する。蒸発したア
ルミニウム蒸気の一部は高い活性状態にある窒素
と反応して窒化アルミニウム核となつてプラズマ
フレームＰ外の雰囲気ガスＧ３内へとに拡散する
過程で窒化アルミニウム超微粒子となつて飛散す
る。また蒸発したアルミニウム蒸気の一部は尾炎
部Pe内で活性化された窒素と反応したうえ下降
し、あるいは反応せずに下降して溶融表面上に図
示Ｂの如き樹枝状の生成物を次第に形成する。当
該樹枝状生成物は、上気反応操作時には高温プラ
ズマフレームＰ中にあつて組成確認をし難いが、
反応操作停止後に行つた組成確認で窒化アルミニ
ウムの結晶と固化したアルミニウムとが混在して
いることが判明している。樹枝状生成物はバルク
１の表面積に比べると極めて大きな表面積をも
ち、かつ冷却されているハース台Ｈからフレーム
Ｐの中心方向へ伸びているので、殆ど冷却作用を
受けず、3000〜5000Kの高温に曝される広大な表
面から窒化アルミニウム（結晶）の分解・蒸発お
よびアルミニウムの溶融・蒸発が活発におこなわ
れ、蒸発量が大である。 上記状態時の溶融アルミニウムおよび樹枝状生
成物はプラズマフレームＰに完全に囲繞されてお
り、従つて蒸気が高い活性状態にある窒素と遭遇
する確率は極めて大きい。 このようなプラズマフレームＰ内での現象によ
り生成した窒化アルミニウム核は、雰囲気ガスＧ
３内へ拡散し浮遊する間に冷却され、かつ集合し
て1μｍ以下の超微粒子となり、チヤンバCh内に
開口する排ガス用導管２から排ガスとともにチヤ
ンバCh外へ排出され、捕集器３のフイルタ３１
により排ガスと分離されて捕集される。 一方、バルク１は表面から順次溶解されてゆく
ので、上記現象の繰り返しにより樹枝状生成物か
らの蒸発・減少分が補充され、バルク１は次第に
小となり冷却されているハース台Ｈに接して冷却
効果をまともに受ける底面を残す迄減少すると補
給が止まり、窒化アルミニウム超微粒子の生成も
終了する。 上記樹枝状生成物の大きさは、大き過ぎるとハ
ース台Ｈ上に大きな窒化アルミニウムの残留物を
残すこととなり、また小さ過ぎると窒化アルミニ
ウム超微粒子の生成速度が低下するので、その大
きさを制御するのが好ましい。当該大きさの制御
は、例えば反応に介在する水素の量の調節、高周
波エネルギーによるプラズマ温度の調節等により
可能である。例えばプラズマ温度を高くすれば水
素の量は少、プラズマ温度が低いときは水素の量
を多くして制御する。尚、樹枝状生成物の適正大
きさは形成しうるプラズマフレームＰの大きさに
関係するので、保有している個々の設備・装置に
応じてそれぞれ決定される。 また、チヤンバCh内の雰囲気ガスＧ３のガス
圧は、必要な温度のプラズマフレーム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100Torr程度である。 （実験例） 本発明者が行つた多数の実験のなかから数例を
次ぎに示す。 ☆使用装置；第１図に示す装置を使用した。 ☆電源；周波数…13.56MHz 出力…5KW ☆原材料；金属アルミニウム 純度…99.99％ ☆実験方法；上記設備および装置を使用し、ガス
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３それぞれに含まれる窒素囲
N2、アルゴン：Ar、水素：H2およびアンモ
ニア：NH3の流量を調節して窒化アルミニウ
ム超微粒子を生成し、その生成速度および収率
ならびに粒度を調査した。 各条件ごとの生成操作は、１回の操作で原材
料から窒化アルミニウム超微粒子の生成が停ま
ると、ハース台Ｈ上の残留物を除去し、新たな
原材料を載置のうえ生成操作を複数回繰り返し
行い、その結果をまとめた均により上記の調査
を行つた。 ☆実験結果；別表に示すとおりであつた。 また、各条件にそれぞれ従つて実験のいづれ
においても高純度の窒化アルミニウム超微粒子
が得られた。得られた超微粒子のSEM顕微鏡
写真（×50000）を第２図に、またＸ線回折線
図を第３図にそれぞれ示す。

【表】 上記実験結果から、表中のに示す適正な大き
さの樹枝状生成物が形成される状態時には、極め
て高能率で窒化アルミニウム超微粒子の生成が行
われることが明確にされた。 （他の実施例） 上記実施例では、ハース台Ｈ上に金属アルミニ
ウムバルク１を載置して窒化アルミニウム超微粒
子を生成する例を挙げて説明したが、例えばチヤ
ンバCh内のプラズマフレームＰに影響されない
所定位置に所定大きさのバルクまたはタブレツト
を貯蔵しておき、間欠的にハース台Ｈ上の溶融ア
ルミニウムに補給をするように構成して生成操作
を連続的に行うようにすることも可能である。 さらに第４図ａおよびｂに示される如く、ハー
ス台Hpとして中央に所定内径の貫通孔４を備え
た周囲が冷却水循環路５となつている二重管構成
としたものを用い、上記貫通孔４に摺動可能な外
径の金属アルミニウム線材1wを挿通し、操作開
始時には端部所定長さ部分を貫通孔４外に裸出さ
せてプラズマフレームＰの尾炎部に位置せしめ、
溶融・蒸発に伴つて順次貫通孔４内をせりあげて
蒸発分を補給するように設定すれば、生成操作を
長時間連続して実施しうる。 尚、上記実施例では、不活性ガスとしてアルゴ
ンを使用したが、ヘリウム、キセノンその他の元
素を使用してもよく、かつ高周波エネルギーが強
大で高温プラズマフレームの安定化が維持できれ
ば、不活性ガスを添加する必要はない。また上記
実施例では、窒素と水素との化合物としてアンモ
ニアを添加する場合を挙げているが、アンモニア
以外の窒素と水素との化合物でもよく、さらには
上記と同様強大な高周波エネルギーが得られれ
ば、窒素と水素との化合物の添加なしで上記実施
例と同様な過程のもとに窒素アルミニウム超微粒
子の生成が可能である。 （発明の効果） 本発明によれば、副生成物を一切含まない高純
度の窒化アルミニウム超微粒子を、高効率で製造
可能であり、しかも簡易かつコンパクトな設備で
量産が可能であるので、低廉で生産しうることと
なり、当該素材の具える優れた性質を現在よりも
さらに広い産業分野で安価に利用し得ることとな
り、齎される効果は甚大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を説明するための一実施例
装置の断面正面図、第２図および第３図はそれぞ
れ本発明方法で生成した窒化アルミニウム超微粒
子のSEM顕微鏡写真およびＸ線回折線図、第４
図ａおよびｂはそれぞれ本発明方法で窒化アルミ
ニウム超微粒子の連続的生成を行う場合に使用さ
れるハース台の一実施例の断面正面図およびＡ−
Ａ線断面図である。 １……金属アルミニウム、Ｐ……高温プラズマ
フレーム、Pe……尾炎部、Ｇ１……コアガス、
Ｇ２，Ｇ３……雰囲気ガス、Ｈ……水冷ハース
台、Ｂ……樹枝状生成物。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 窒素を主成分とする雰囲気中で高周波エネル
   ギーによる高温プラズマを発生させ、発生した高
   温プラズマフレームで金属アルミニウムを溶融・
   蒸発させて窒化アルミニウムの超微粒子を得る場
   合において、上記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、発生
   させた高温プラズマフレームの尾炎部に水冷ハー
   ス台上の金属アルミニウムを位置せしめ、雰囲気
   および高周波エネルギーを所定の如く制御するこ
   とにより溶融・蒸発するアルミニウムが溶融面上
   に樹枝状物を形成するように設定し、当該樹枝状
   物表面から蒸発する粒子が高温反応性プラズマ中
   に通過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。