JPH0639327B2 - チタン化ホウ素の微粒子製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザーによるＴｉＢ_２微粒子の製造に関
し、詳しくは、ガスブレークダウンを利用したレーザー
によるＴｉＢ_２微粒子の製造法に関する。

（従来の技術） 一般に種々の材料となる物質は、原子の数が無限個の集
合体であり、その物質の大きさが極端に小さくなると、
特異な性質を示すようになる。物質の粒径が１μｍ（原
子数にして１０^１０個）以下のものは微粒子と呼ばれ、
焼結原料、触媒、生物工学等の種々の用途に用いられる
新素材として関心が持たれている。この場合、用いられ
る微粒子に望ましい条件は、化学的純度が高いこと、球
状でありその粒径が小さいこと、粒径が均一であること
等である。このような微粒子の製造法としては、固相反
応性、液相反応法、気相反応法等があるが、上記の条件
に適合した微粒子の製造法としては気相反応法が最適で
ある。

他方、レーザー技術に関する進歩は目覚ましく、広い波
長領域で強力な光を発振するレーザーが開発されてい
る。とりわけ、典型的な赤外レーザーである炭酸ガスレ
ーザーは、その高効率、高出力のため、種々の用途が考
えられている。例えば、パルス発振ＴＥＡ−ＣＯ_２レー
ザーの赤外多光子解離による同位体分離や連続発振ＣＯ
_２レーザーの熱反応による微粒子製造等が研究されてお
り、すでに、第６図に示すような気相反応法とレーザー
誘起反応とを組合わせた微粒子生成法（セラミックス：
１９（１９８４）、NO.６、ｐ４８２）が報告されてい
る。これは、反応ガスをＣＯ_２レーザーで加熱して、以
下に示す反応によって、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４の超
微粒子を生成するものである。

ＳｉＨ_４（ｇ）→Ｓｉ（ｓ）＋２Ｈ_２（ｇ） ２ＳｉＨ_４（ｇ）＋Ｃ_２Ｈ_４（ｇ）→２ＳｉＣ（ｓ）＋
６Ｈ_２（ｇ） ３ＳｉＨ_４（ｇ）＋４ＮＨ_３（ｇ）→Ｓｉ_３Ｎ_４（ｓ）
＋１２Ｈ_２（ｇ） （発明が解決しようとする課題） 本発明者等は、レーザー応用技術を研究する過程で、前
述のＣＯ_２レーザーの熱反応法に代わって、気体の誘導
破壊（ガスブレークダウン）、すなわち、パルス発振レ
ーザーを気体に照射するとレーザー光の時間的、空間的
な高輝度のために生じる現象を利用して、微粒子を生成
することができることを見い出した。このブレークダウ
ンを利用すると、原料気体にレーザーを照射して種々の
反応を誘起させ粒径の非常に小さい固体生成物を製造す
ることができる。この方法の特長は次のようなものであ
る。（１）照射光の波長領域に吸収帯を有しない物質も
原料として用いることができる。（２）光の吸収効率が
よい。（３）操作圧が高く、反応は連鎖的なので収量が
多い。（４）器壁からの不純物の混入がない。（５）常
温の反応容器で高融点物質が得られる。（６）粒径分布
が狭い微粒子が得られる。（７）反応装置が単純で容易
に行うことができる。本発明は、上記のような特長を有
するレーザーによるブレークダウンを利用した高融点物
質ＴｉＢ_２の微粒子を製造する方法を提供することを目
的とする。

（課題を解決するための手段） 四塩化チタン（ＴｉＣ_４）と三ハロゲン化ホウ素と水
素（Ｈ_２）とを含む混合ガスにパルス発振ＣＯ_２レーザ
ー光を照射してガスブレークダウン現象によりチタン化
ホウ素（ＴｉＢ_２）の微粒子を生成することを特徴とす
る。

（作用） 以下本発明を詳しく説明する。

粒径の揃った特性の良い微粒子の製法としては、気体原
料を用いる気相法が適しているが、ＴｉＢ_２の気体の原
料として、ＴｉＣ_４とハロゲン化ホウ素ＢＸ_３（Ｘ＝
Ｆ、Ｃ、Ｂｒ）および水素の混合ガスを用いる。この
原料にＣＯ_２レーザーのパルス光を照射すると、レーザ
ー光の単位断面積当たりのエネルギー（フルエンス）が
小さい場合には、レーザー光のエネルギーは混合ガスに
ほとんど吸収されないが、ある程度以上の強さのレーザ
ー光の場合、原料ガス内でブレークダウンが起こって、
照射されたレーザーエネルギーのほとんどが吸収され
る。これは原料ガス分子の光エネルギーによるイオン化
およびそれによって生じた電子の光エネルギー吸収に続
くイオン化の繰り返しによって次ぎの反応が引き起こさ
れる。

ＴｉＣ_４＋２ＢＸ_３＋５Ｈ_２→ＴｉＢ_２＋１０ＨＸ この場合、照射に使用するレーザーの波長は、原料ガス
の吸収波長に関係なく、できるだけパルスエネルギーの
強い発振波長が良い。上記の反応によって得られるＴｉ
Ｂ_２は気相で均一核生成と成長によって生成した粒子状
のもので、原理的に球状で粒径分布が狭く、粒径が１μ
ｍ以下の微粒子であり、生成条件の制御により得られる
微粒子の特性を変えることが可能である。

実際の微粒子の製造には、回分式又は連続流通式の照射
セルを使用し、生成した微粒子はフィルターやその他の
補集装置で補集することができる。

（発明の効果） このように、本発明によって得られたＴｉＢ_２微粒子
は、球状でしかも均一であり、また、高硬度、高融点金
属として種々の有用な素材に利用できる。現在、ＴｉＢ
_２微粒子は粉砕法によって製造されているが、硬度が大
であるため能率が悪く、球状の微粒子が得られにくい。
また、粉砕機からの不純物の混入も避けられない。生成
原理も簡単なものである。本法では前述のように、現行
法よりも著しく有利である。更に、ＴｉＢ_２微粒子は、
切削用工具や素材等への用途が具体的であり、特に素材
としてほかのセラミックス等の硬脆材料に比べ導電性を
有するため放電加工が可能な利点がある。

（実施例） 本発明に使用した装置の概略を第１図に示す、適切な波
数のＣＯ_２レーザー１１のパルス光１２をＢａＦ_２レン
ズ１３で集光し、照射反応容器１４内のＴｉＣ_４とＢ
Ｃ_３とＨ_２の混合気体である試料気体１５に照射す
る。なお、図中１６は絞り、１７はＫＢｒ窓板、１８は
補集容器をそれぞれ示す。照射後、残留および生成ガス
を排気除去し、不活性ガスで容器内を充たした後、生成
した微粒子を補集容器から取り出す。

８TorrのＴｉＣ_４と１６TorrのＢＣ_３と４０Torrの
Ｈ_２の混合ガスにＣＯ_２レーザーの9.6μｍ帯のＰ（２
４）、すなわち１０４３cm^-1のパルス光を照射した、こ
の時のパルスエネルギーは約１Ｊ／pulse、使用したレ
ンズの焦点距離は7.5cmである。

第２図は生成した微粒子の粒径の分布を走査型電子顕微
鏡写真を用いて測定した結果のグラフである。本法によ
って得られたＴｉＢ_２は平均粒径が0.16μｍの比較的均
一な分布を示し、しかも球状の微粒子であることが確認
できた。

生成した微粒子のＸ線回折図形を第３図に示す。ＴｉＢ
_２の既知のデータ値と測定したＸ線回折図形を対比し、
該図形の解析から得られる面定数と元素分析の結果か
ら、生成微粒子はＴｉＢ_２であることを確認した。

第４図には、原料ガスのＴｉＣ_４、ＢＣ_３、Ｈ_２の
割合を８：２５：４００に一定にして、原料圧力の全圧
を変化させた時の生成粒子の粒子径を調べた結果を示
す。全圧が増加すると粒子径も増加することが分かっ
た。また、第５図にはレーザー光のエネルギーと粒子径
の関係を調べた結果を示す。この場合、粒子径はレーザ
ー光のエネルギーに依存しないことが判明した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に用いた装置の概略図、 第２図は、本発明の実施例で得られたＴｉＢ_２微粒子の
粒径分布を示すグラフ、 第３図は、本発明の実施例で得られたＴｉＢ_２微粒子の
Ｘ線回折図形を示す、 第４図は本発明に用いた原料ガス圧力を変化させた時の
生成粒子径の変動を示すグラフ、 第５図は本発明に用いたレーザー光のエネルギーと生成
粒子径の変動を示すグラフ、 第６図は、従来の連続発振ＣＯ_２レーザーを用いた気相
法による微粒子生成法の反応容器の該略図。 （符号の説明） １１……ＣＯ_２レーザー、 １２……レーザー光、 １３……ＢａＦ_２レンズ、 １４……照射反応容器、 １５……試料気体 １６……絞り、 １７……ＫＢｒ窓板、 １８……補集容器、 １９……ＫＢｒ窓板、 ２０……コック。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西澤 博 東京都小平市小川東町2602―24 (72)発明者 石井 忠浩 東京都日野市平山１―６―５

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】四塩化チタン（ＴｉＣ_４）と三ハロゲン
   化ホウ素と水素（Ｈ_２）とを含む混合ガスにレーザー光
   を照射してチタン化ホウ素（ＴｉＢ_２）の微粒子を製造
   する方法。