(57)【要約】【課題】  光透過率および機械的強度の大きい透光性セラミックスおよびその容易な製造方法を提供する。【解決手段】  本発明の透光性セラミックスは、相対密度が９５％以上であり、結晶粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする。また、本発明の製造方法は、かかるセラミックスの製造方法であって、原料粉末は、純度が９９．５％以上であり、粒径が５ｎｍ〜１００ｎｍであり、この原料粉末を５００ＭＰａ以上で加圧焼結することを特徴とする。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対密度が９５％以上であり、結晶粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする透光性セラミックス。
【請求項２】
前記セラミックスは、純度が９９．５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の透光性セラミックス。
【請求項３】
前記セラミックスは、平均気孔径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の透光性セラミックス。
【請求項４】
前記セラミックスは、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、硫化物系セラミックスおよびフッ化物系セラミックスのうち少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１に記載の透光性セラミックス。
【請求項５】
前記セラミックスは、ＹＡＧ、スピネル、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、ＺｎＳ、ＣａＦ2およびＢａＦ2のうち少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項４に記載の透光性セラミックス。
【請求項６】
請求項１に記載のセラミックスの製造方法であって、原料粉末は、純度が９９．５％以上であり、粒径が５ｎｍ〜１００ｎｍであり、前記原料粉末を５００ＭＰａ以上で加圧焼結することを特徴とする透光性セラミックスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光透過率および機械的強度の大きい透光性セラミックスおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
透光性セラミックスは、耐熱性透明材料として、ナトリウム放電ランプもしくはメタルハライドランプなどの高輝度ランプの発光管、マイクロ波照射窓、高温用のぞき窓、高温用光学レンズ、赤外光用窓または光シャッタなどの光学材料に好適である。
【０００３】
透光性セラミックスとして、Ｙ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｌａ、ＧｄおよびＰｒのうち少なくとも１種とＡｌとを含有する酸化物セラミックスが知られている。さらに、Ｃｒ、Ｍｎ、ＦｅおよびＣｏのうち少なくとも１種を含有する酸化物セラミックスが知られている（特許文献１参照）。これらの透光性セラミックスは、結晶粒径が１００ｎｍ以下であり、透光性を示し、上述の元素を含有するアモルファス合金を酸素または大気中で加熱することにより、簡単かつ容易に製造することができるとある。
【０００４】
同文献には、Ａｌ50Ｙ50またはＡｌ50Ｎｄ50の組成を有する厚さ２０μｍ〜３０μｍのアモルファス金属薄膜を大気雰囲気中で１５００℃に加熱し、酸化により透光性セラミックスを製造する実施例が開示されている。製造した透光性セラミックスの光透過率および相対密度などは明らかではないが、厚さ２０μｍ〜３０μｍの薄膜状のセラミックスでは機械的強度が小さく、光学レンズなどの光学部品に使用することはできない。
【０００５】
透光性セラミックスとしては、そのほか、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有量が５０ｐｐｍ以下であり、厚さ０．８５ｍｍにおける波長６００ｎｍの光透過率が４０％以上のアルミナ焼結体であって、結晶粒径が５μｍ〜５０μｍの透光性セラミックスが知られている（特許文献２参照）。この透光性セラミックスは、αアルミナをＭｇＯなどの焼結助剤と混合し、常圧以下の還元性雰囲気下、１７００℃〜１９００℃で焼結することにより得られる。
【０００６】
原料には、実質的に破砕面のない多面体１次粒子であり、均質で内部に欠陥がなく、１次粒子同士が凝集していないαアルミナを使用する。このため、粒子配列が均一で、焼結速度が均一であり、局所的な異常粒成長を抑制するために配合するＭｇ量を低減できる。また、混合するαアルミナは、純度が９９．９９％以上である。したがって、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有量を低くすることができるため、耐食性に優れた透光性アルミナ焼結体が得られるとある。
【０００７】
しかし、透光性セラミックスの結晶粒径が５μｍ〜５０μｍであり、結晶が粗大化しているため、破壊強度は３００ＭＰａ以下であり、高い機械的強度が得られない。また、透光性アルミナ焼結体における組織の均一性が必要であるため、原料として使用するαアルミナは特定の物性を有するものに限定され、容易に製造することができない。
【特許文献１】特許第２８８０８６０号公報
【特許文献２】特開２００１−６４０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、光透過率および機械的強度の大きい透光性セラミックスおよびその容易な製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の透光性セラミックスは、相対密度が９５％以上であり、結晶粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする。このセラミックスは、純度９９．５％以上が好ましく、平均気孔径は１００ｎｍ以下が好ましい。また、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、硫化物系セラミックスおよびフッ化物系セラミックスのうち少なくとも１種を含有する組成が好ましく、特に、ＹＡＧ、スピネル、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、ＺｎＳ、ＣａＦ2およびＢａＦ2のうち少なくとも１種を含有する組成が好ましい。本発明の製造方法は、かかるセラミックスの製造方法であって、原料粉末は、純度が９９．５％以上であり、粒径が５ｎｍ〜１００ｎｍであり、この原料粉末を５００ＭＰａ以上で加圧焼結することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
厚さ１００μｍ〜１０ｍｍで、直径３００ｍｍ程度の大きさの透光性ナノ構造のセラミックスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（透光性セラミックス）
本発明の透光性セラミックスは、相対密度が９５％以上であり、結晶粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする。セラミックス内における空孔などの光散乱因子を抑制する観点から、セラミックスの相対密度は９５％以上であり、９９％以上が好ましく、９９．５％以上がより好ましい。また、大径粒子による光の散乱を抑えるため、セラミックスにおける結晶粒径は１００ｎｍ以下であり、５０ｎｍ以下が好ましく、２０ｎｍ以下がより好ましい。また、このようなサイズに制御することにより、材料自身に存在する複屈折率の問題を回避でき、等方的な材料として扱えるほか、屈折率の異なる材料の組み合わせまたは新規な透過率もしくは屈折率を持つ材料の製造が可能である。
【００１２】
本明細書において、原料粉末の粒径はＢＥＴ法で、また相対密度は、アルキメデス法により測定する。また、結晶粒径は、透過型電子顕微鏡を用いて倍率１０万倍で結晶を観察し、撮影した写真を用いて、任意の５μｍの線分上にある結晶の個数を数え、各５本の線分について、その平均値を算出する。一方、光透過率は、表面を鏡面研磨して、厚さ１ｍｍに調製し、分光計により波長１μｍの光の透過率を測定する。材料によっては、波長０．５μｍの光および波長１０μｍの光の透過率の測定も行なう。
【００１３】
本発明の透光性セラミックスは、厚さ１０ｍｍの試料においても十分な透光性が得られるため、優れた機械的強度を有する透光性セラミックスを提供でき、たとえば、厚さ１００μｍ〜１０ｍｍ、直径３００ｍｍのバルク状の透光性ナノ構造の光学材料を提供することができる。したがって、ナトリウム放電ランプなどの高輝度ランプの発光管、マイクロ波照射窓、高温用のぞき窓、高温用光学レンズ、赤外光用窓または光シャッタなどの光学材料として有用である。
【００１４】
透光性セラミックスは、緻密化を促進し、光学的性質の違う異相を排除する点で、純度は９９．５％以上が好ましく、９９．９％以上がより好ましい。また、セラミックス内における光散乱因子を除外し、光透過率を高めるため、平均気孔径は１００ｎｍ以下が好ましく、５０ｎｍ以下がより好ましい。本明細書において、平均気孔径は、鏡面研磨した表面を走査型電子顕微鏡を用いて倍率１０万倍で観察し、試料の表面に露出した気孔を写真撮影し、得られた写真から、２μｍ四方の視野における空孔径を測定し、平均値を算出する。
【００１５】
本発明の透光性セラミックスは、ＹＡＧ、スピネル、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2などの酸化物系セラミックス、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮなどの窒化物系セラミックス、ＺｎＳなどの硫化物系セラミックス、および、ＣａＦ2、ＢａＦ2などのフッ化物系セラミックスのうち少なくとも１種を含有する組成が好適である。
【００１６】
（透光性セラミックスの製造方法）
本発明の透光性セラミックスの製造方法は、純度９９．５％以上、粒径５ｎｍ〜１００ｎｍである原料粉末を５００ＭＰａ以上で加圧焼結することを特徴とする。かかる方法により、上述の透光性セラミックスを容易に製造することができる。
【００１７】
原料粉末は、焼結後におけるセラミックスの純度を９９．５％以上にするため、純度は９９．５％以上とし、９９．９％以上が好ましく、９９．９９％以上がより好ましい。また、原料粉末の粒径は、光散乱因子となる空孔を除去する観点、およびナノ粉末が嵩高く、緻密化しにくいなどの観点から、５ｎｍ以上とし、１０ｎｍ以上が好ましく、２０ｎｍ以上がより好ましい。一方、焼結後のセラミックスにおける結晶粒径を１００ｎｍ以下とする点から、原料粉末の粒径は１００ｎｍ以下とし、５０ｎｍ以下が好ましく、２０ｎｍ以下がより好ましい。これらのナノ粉末は嵩高いため、適宜、ボールミルなどを用いた造粒工程により嵩密度を低下させる手法を用いる態様が望ましい。
【００１８】
焼結時の圧力は、光散乱因子である空孔を除去し、相対密度を高めて、光透過率および機械的特性を向上するため、５００ＭＰａ以上とし、１０００ＭＰａ以上が好ましく、２０００ＭＰａ以上がより好ましい。焼結時における雰囲気および温度は、原料粉末の特性などに応じて調整することができるが、焼結時における粒成長を抑制する点から、焼結温度は、１５００℃以下が好ましく、１２００℃以下がより好ましい。また、酸素欠陥などを補うため必要に応じて、後処理として、適切な雰囲気での熱処理が有効である。
【００１９】
実施例１
純度９９．５％以上、粒径８０ｎｍのアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を原料粉末とし、ボールミルにより造粒し、成形後、温度１０００℃、圧力２０００ＭＰａで、４時間加圧焼結し、厚さ５ｍｍ、直径３０ｍｍのセラミックス焼結体を得た。得られたセラミックス焼結体について、相対密度、結晶粒径、平均気孔径、光透過率、破壊強度および硬度を測定した。焼結条件ならびに原料粉末および得られたセラミックスの特性値を表１に整理して示す。
【００２０】
【表１】
2006315878.tif 000002
【００２１】
相対密度、結晶粒径、平均気孔径および光透過率の測定方法は前述のとおりである。破壊強度はＪＩＳ１６０１Ｒに基づき測定した。また、硬度は荷重４９Ｎにおけるヌープ硬度で表した。
【００２２】
実施例２〜１４
原料粉末の組成および粒径ならびに焼結条件を表１に示すとおり変更した以外は、実施例１と同様にしてセラミックス焼結体を得、特性を測定した。測定結果を表１に示す。
【００２３】
比較例１
原料粉末の粒径を２００ｎｍとした以外は、実施例１と同様にしてセラミックス焼結体を得、特性を測定した。測定結果を表１に示す。
【００２４】
表１の結果から明らかなとおり、純度９９．５％以上、粒径１０ｎｍ〜８０ｎｍである原料粉末を、５００ＭＰａ以上で加圧焼結することにより、相対密度９６％以上、結晶粒径９０ｎｍ以下の透光性セラミックスが得られた。
【００２５】
実施例１５〜２０
純度９９．９９％以上、粒径４０ｎｍのＺｎＳを原料粉末とし、表２に示す圧力のもと７００℃で焼結した以外は、実施例１と同様にしてセラミックス焼結体を得、特性を測定した。測定結果を表２に示す。
【００２６】
【表２】
2006315878.tif 000003
【００２７】
比較例２
焼結時の圧力を３００ＭＰａとした以外は、実施例１５〜２０と同様にしてセラミックス焼結体を得、特性を測定した。測定結果を表２に示す。
【００２８】
表２の結果から明らかなとおり、焼結時の圧力が高まるにつれて、平均気孔径が小さくなり、相対密度が大きくなり、これに応じて、光透過率、破壊強度および硬度が向上した。したがって、焼結時の圧力が大きくなると、光散乱因子である空孔の発生が抑制され、材質が緻密化して、光透過率および機械的特性が高まるものと考察された。
【００２９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
ナトリウム放電ランプなどの高輝度ランプの発光管、マイクロ波照射窓、高温用のぞき窓、高温用光学レンズ、赤外光用窓または光シャッタなどの有用な光学材料を提供することができる。