JPS6126554A - セラミツク焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、エンジニアリングセラミックス、エレクトロ
ニクスセラミクスを始めとするハイパーフォーマンスセ
ラミックス全般に関連するセラミックス焼結体の製造方
法に関するものである。

（従来技術） エネルギー、情報処理、ライフサイエンスを始めとする
様々な分野における最近の技術革新には目覚ましいもの
がある。これに対応して、これら技術の根幹をなす材料
、とりわけセラミックスの特性、性能の向上、新しい機
能の開発に対する要求は高まる一方である。その中でも
、緻密で、結晶粒径が小さく、均質で、信頼性の高いセ
ラミックス焼結体を従来より低温での焼成で得ることは
多くのセラミックスに共通の課題であり、この分野での
最近の進歩には著しいものがある。その代表的なものと
して、高純度で、粒径の揃った凝結のない微細粉末を低
温で合成し、この粉末を充填度よく成形し、低温で焼結
させることにより所望の特性を有するセラミック焼結体
を得る試みがあり、各所で精力的に技術開発が進められ
ている（参照文献：　セラミックスを知る事典、作花済
夫著［株］アクネ刊１９８２年１２１２〜２１８）。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、一般に、上記のような方法によると、低温でセ
ラミック粉末を合成する段階で、焼結体を構成する相（
多くの場合、熱力学的安定相である）とは異なる相（多
くの場合、準安定相）から成る粉末が得られる点で問題
がある。例えば、アルミナの場合には低温安定型の結晶
またはアモルファスのアルミナ水和物が、チタニアやジ
ルコニアの場合には準安定結晶相あるいはアモルファス
相が得られる場合が多い。

このようにして得られた準安定相にある粉末を、熱処理
などによって安定相に変えることはもらろん可能である
が、この処理によってエネルギーが多量に消費され、製
造プロセスも複雑になるというデメリットが生じるだけ
でなく、処理中に、著しい結晶粒成長を起こすなど、焼
結用粉末としての特性が損なわれる場合が多い。

このようにして低温で合成した粉末を、次の成形及び焼
結の段階で、そのまま成形し直ちに焼結させる場合、焼
結中に準安定相から安定相への変態が起こり、この際に
焼結体の構造が著しく変化する場合が多い。

この構造変化は、多くの場合、結晶粒の急激な成長、密
閉気孔の生成を伴うため、緻密な焼結体を得ネためには
焼結温度を過度に高くする必要がある。この結果、比較
的緻密な焼結体が得られたとしても、密閉気孔がかなり
残存し、結晶粒も著しく粗大化するのが一般的である。

また、低温で合成した緻密粉末は粒表面に水分やガスな
どが吸着し易く、従って、この吸着物が焼結中に揮発す
ることにより、密閉気孔等の不均質部分が焼結体内に残
存する傾向がさらに助長される。

これらの問題のために、低温での微細粉末の合成、成形
、次いで焼成の上記プロセスでは、現在までのところ満
足すべき特性を有するセラミック焼結体が得られない場
合が多いのが現状である。

本発明は、前記プロセスで得られるような準安定相物質
またはセラミック前駆体を出発原料として前記問題点を
解決した微細結晶粒から成り、均質・緻密で、高性能の
セラミック焼結体を得ることを目的とする。ここに「前
駆体」は、金属水酸化物、アルコキシドおよび水和酸化
物のゾル、ゲルを示す。

（問題点を解決するための手段と作用）このために、本
発明はセラミック前駆体または準安定相物質を出発原料
として、成形および焼成するセラミック焼結体の製造方
法において、前記セラミック前駆体または準安定相物質
を加熱することによって得られるより安定な相にある物
質を、前記出発原料の粒子数に対して０．１〜１００　
％の粒子数だけ、前記出発原料に添加した後、成形、焼
成することを特徴とする。

すなわち、本発明は、セラミック前駆体または準安定相
物質（以下、原ＩｎＡと記す）が、昇熱過程でより安定
な相に移ることによって得られる物質（以下、原料Ｂと
記す）に注目して、この物質をあらがしめ原料へに添加
すると、均質で緻密なセラミック焼結体を得ることを見
出したものである。

原料Δに添加した原料Ｂは、準安定な原料母相Δ中で、
主に、より安定な相（原料Ｂと同じ相）が生成するため
の核として作用し、不均一な核生成により母相Δ中に多
数の核を同時に生成させる。

この結果、相変態後も結晶粒は微細なまま保持される。

このため、原料Ｂの粒度は特に重要ではないが、焼結性
の観点からは、できるだけ細かい粒が望ましく、さらに
、この臘料Ｂを原料Ａ中に均一に分散させる必要がある
。

原料Ｂの添加量は、原料Ａの粒子数に対してｏ、ｌ−１
ｏｏ　％の粒子数である。

０．１％より少ない粒子数の場合、添加した原料Ｂの粒
子は前述したように主に核として作用することから、原
料Ｂ粒子１個に対して原料へ粒子は１０００個以上存在
し、相変態後には１０００個以上のへ粒子が合体する可
能性がある。実験でも、多くの場合、このことが確認さ
れている。換言すれば、粒径では一気に１０倍以−ヒに
粒成長することになり、粒内に残る密閉気孔も多くなり
、初期の目的である微構造制御の効果は事実上期待でき
ない。

また１００　％を超えろ粒子数の場合、原料Ｂの添加量
が必要以上に多くなり、原料Ｂの特性が焼結体特性に強
く反映されるようになり、本発明の目的とするセラミッ
ク前駆体または準安定相物質を出発原料とするセラミッ
ク焼結体を得ることから逸脱し、本発明の長所が失われ
る。このため、原料８粒子を１００　％を超えてすなわ
ち原料へ粒子と同数よりも多く添加することは実際上意
味がないことになる。

多くの実験事実から、原料８粒子は１０粒子％以下の添
加で充分な効果が得られる。また、原料Ｂは主に核とし
て作用することから、原料Ｂの代わりに、結晶構造、格
子定数が原料Ｂと類似した原料を用いても同様の効果が
期待できることは勿論である。

以下、本発明の内容を実施例で説明する。

（実　施　例） 実施例１ 原料Ａとしてアルミナ（八β２０３）の水和物であるベ
ーマイト（ＡＩＩｏｌｌ、平均粒径０．０５μｍ　）　
　、および原料Ｂとしてベーマイトを加熱して得られる
α−アルミナ（α−Ａ　Ｉ！　２０３．平均粒径０．ｌ
　　μｍ）　　を用い、表１に示すように８種類の資料
を作製した。

表　　１ （粒子数％） 粉末の凝集を除き、かつ混合を充分に行うため、あらか
じめベーマイト、α−アルミナのそれぞれ安定なコロイ
ド溶液を作製した後、固溶液を所定の割合で添加混合し
、成形乾燥後、焼結実験に用いた。焼結時間はほぼ１０
０分である。

８種のうち、代表的な試料の焼結体密度と焼結温度との
関係を第１図に、焼結温度１２００℃での密度とα−ア
ルミナ粒子数％との関係を第２図に示す。

図から明らかなように、α−アルミナ粒子数が３％の試
料（Ｎｏ、　５　＞の焼結性が最も高く、α−アルミナ
無添加の試料（Ｎｏ、　１　）およびα−アルミナのみ
の試料（Ｎｏ、　８　）の焼結性が最も劣っている。他
の試料の焼結性は両者の中間であった。

また、α−アルミナ無添加の試料（Ｎｏ、　１　＞では
、理論密度の９８％以上の密度を得るのに１６００℃以
上の温度が必要であり、このように高温で焼成しても密
閉気孔は粒内に残り、平均結晶粒径も５０μｍ以上であ
った。

α−アルミナ粒子数が０．０５％の試料（Ｎｏ、　２　
）でも焼結性微構造の著しい改善は認められなかった。

これに対して、α−アルミナ粒子を０．１　　％以上添
加した試料では、焼結性が著しく改善され、特に３％の
試料（Ｎｏ、　５　）では１２００℃で１００分間の焼
成で、理論密度の９８％の密度のものが得られ、結晶粒
内の密閉気孔も少なく、平均結晶粒径は１μｍ以下であ
った。

α−アルミナ粒子数が３％以上の場合、無添加のものに
比べれば焼結性、微構造ともに改善されているが、添加
量が多くなるにつれて、改善の程度は小さくなる。

実施例２ 原料Ａとして準安定相であるアナターゼ（１’ｉ０９．
平均粒径０．０５μｍ　）　　、原料Ｂとしてアナター
ゼを加熱して碍られるルチル（Ｔｉｎ２．　　平均粒径
０．１　μｍ）を用い、表２に示すように８種類の試料
を作製した。

表　　２ （粒子数％） 実施例１の場合と同様にまず両粉末の安定なコロイド溶
液〈ツル）を作製したのち両路液を所定の割合で添加混
合し、成形乾燥後、焼結実験に用いた。焼結時間はほぼ
１００分である。

８種のうち、代表的な試料の焼結体密度と焼結温度との
関係を第３図に、焼結温度９００　℃での密度とルチル
粒子数％との関係を第４図に示す。

図から明らかなように、実施例１の場合と同様に、ルチ
ル添加量が少ない場合には焼結性の低下、密閉気孔の残
存、結晶粒の粗大化が顕著であり、添加量が多くなりす
ぎると焼結性改善の効果が小さくなった。

（発明の効果） 以上、本発明によれば出発原料に、この出発原料を加熱
して得られるより安定な相にある物質をあらかじめ添加
するようにしたので、微細結晶粒からなり、均質で、バ
ラツキの少ないセラミック焼結体を製造することができ
る。これによって、相変態に伴う結晶粒の成長、密閉気
孔の残存、焼結性の低下等の従来の問題を解決すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例１によるベーマイト−α−アルミ
ナ系の焼結密度と焼結温度の関係を示すグラフ、 第２図は本発明実施例１によるベーマイト−α−アルミ
ナ系の１２００℃焼結後の焼結密度とα−アルミナ添加
量の関係を示すグラフ、 第３図は本発明実施例２によるアナターセールチル系の
焼結密度と焼結温度の関係を示すグラフ、第４図は本発
明実施例２によるアナターセルルチル系の９００　℃焼
結後の焼結密度とルチル添加量の関係を示すグラフであ
る。 第１図 ・焼純温度（０Ｃ） び−丁ルミナ米１子噌欠（％）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミック前駆体または準安定相物質を出発原料と
   して、成形および焼成するセラミック焼結体の製造方法
   において、 セラミック前駆体または準安定相物質を加 熱することによって得られるより安定な相にある物質を
   、前記出発原料の粒子数に対して０．１〜１００％の粒
   子数だけ、前記出発原料に添加した後、成形、焼成する
   ことを特徴とするセラミック焼結体の製造方法。