(57)【要約】本発明は透明な多結晶酸窒化アルミニウムの製造方法に関するものである。従来の製造方法で製造された酸窒化アルミニウムは、内部に気孔が多く存在し、透明度が落ちるが、本発明はこのような問題を解消したものである。本発明の酸窒化アルミニウム製造方法においては、原料粉末に添加する焼結添加剤は０．５重量％未満のＭｇＯを含む。また、原料粉末を相対密度が９５％以上になるように１５５０℃〜１７５０℃で予備焼結させた後、予備焼結より高い相対密度を達成するように１９００℃以上で再焼結する。本発明によれば、内部の気孔が殆ど除去され、実質的な透明度が９５％以上である立方晶相の多結晶酸窒化アルミニウムセラミックを得ることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な多結晶酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法であって、
原料粉末に添加する焼結添加剤として、０．５重量％未満のＭｇＯを含むことを特徴とする、酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法。
【請求項２】
前記焼結添加剤が、Ｙ２Ｏ３を０．５重量％以下でさらに含む、請求項１に記載の酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法。
【請求項３】
前記ＭｇＯが、０．０５重量％超０．３重量％未満で含まれる、請求項２に記載の酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法。
【請求項４】
透明な多結晶酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法であって、
焼結添加剤が添加された原料粉末を、相対密度が９５％以上になるように１５５０℃〜１７５０℃で予備焼結する段階と、
前記予備焼結より高い相対密度を達成するように、前記原料粉末を１９００℃以上で再焼結する段階と、
を備える、酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼結添加剤を添加した原料粉末を用いる透明な多結晶酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法であって、
相対密度が９５％以上になるように１５５０℃〜１７５０℃で前記原料粉末を予備焼結する段階と、
前記予備焼結より高い相対密度を達成するように、前記原料粉末を１９００℃以上で再焼結する段階と、
を備える、酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法。
【請求項６】
前記原料粉末が、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮの粉末である、請求項５に記載の酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法。
【請求項７】
前記焼結添加剤が、０．０８重量％のＹ２Ｏ３、０．０２重量％のＢＮ及び０．１重量％〜０．２重量％のＭｇＯを含む、請求項６に記載の酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法。
【請求項８】
前記予備焼結が、窒素ガス雰囲気下で１６７５℃で１０時間行われ、前記再焼結が、窒素ガス雰囲気下で２０００℃で５時間行われる、請求項７に記載の酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法に関し、特に透明度が高い多結晶酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の場合、高純度の粉末を雰囲気焼結し、気孔を除去して結晶粒を大きくし、粒界を減らす方式により、光の散乱を抑える。米国特許第３，０２６，２１０号は、アルミナの焼結に０．５重量％以下または固溶限以内のＭｇＯを焼結添加剤として用いる透光性アルミナの製造方法を開示する。
【０００３】
しかし、アルミナの製造時に気孔がほぼ全て除去されてもその結晶は異方性の六方晶相であるので、光が透過する時に結晶粒の方向の影響を受けて粒界での光の散乱が激しく、その透明度が落ちるという短所がある。
【０００４】
これに対し、“ＡＬＯＮ”とも称される、酸窒化アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ，Ａｌ（２＋ｘ）Ｏ３Ｎｘ）は、等方性である立方晶相でありながらも焼結性がよく、気孔除去が相対的に容易で経済的な常圧焼結でも透明度を高めることができる。このような理由で、酸窒化アルミニウムを材料として透明な多結晶セラミックを製造しようという試みが存在した。
【０００５】
米国特許第４，１４１，０００号は、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮ粉末を適切な比率で混合し、窒素ガス雰囲気下で１２００℃で２４時間熱処理した後、１８００℃以上の常圧で焼結し、透明性を帯びる多結晶酸窒化アルミニウムを製造する方法を開示する。
【０００６】
米国特許第４，４８１，３００号と第４，５２０，１１６号は、ボロン（Ｂ）、イットリウム（Ｙ）またはランタン（Ｌａ）の化合物を少量添加して製造された透明な多結晶酸窒化アルミニウムを開示する。
【０００７】
米国特許第４，６８６，０７０号は、Ｂ、ＹまたはＬａの化合物を焼結添加剤として用いる製造工程を開示する。ここでは、Ａｌ２Ｏ３粉末とカーボンブラック粉末とを適切な比率で混ぜてこれを１６００℃内外の温度で仮焼してＡｌ２Ｏ３とＡｌＮとした後、これを再び１８００℃内外の温度で熱処理して酸窒化アルミニウムを製造し、これを再びボールミリングして微細な酸窒化アルミニウム粉末とする。その後、この粉末を成形して１９００℃〜２１４０℃で２４〜４８時間常圧焼結して透明な酸窒化アルミニウムを製造する。
【０００８】
また、米国特許第４，７２０，３６２号は、米国特許第４，６８６，０７０号と類似の工程であるが、酸窒化アルミニウム粉末にＢとＹまたはこれらの化合物を０．５重量％以内で添加して１９００℃以上で２０〜１００時間焼結する製造工程を開示する。
【０００９】
米国特許第５，６８８，７３０号は、混合されたＡｌ２Ｏ３とＡｌＮ粉末を反応させて酸窒化アルミニウム粉末を製造し、これを用いて透明な酸窒化アルミニウムを製造することを開示する。
【００１０】
米国特許第４，９８３，５５５号は、高温加圧焼結によって高い紫外線透過率を示す透明な多結晶ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）セラミックの製造を開示し、米国特許第５，２３１，０６２号は、０．５重量％以上、好ましくは４〜９重量％の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、１１〜１６重量％のＡｌＮ、そして残りはＡｌ２Ｏ３の透明な酸窒化アルミニウムマグネシウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）セラミックの製造を開示する。米国特許第５，２３１，０６２号では、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は少量添加ではなく、セラミックの主要構成成分として用いられている。
【００１１】
米国特許第７，０４５，０９１号は、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮを固相と液相とが共存する１９５０℃〜２０２５℃の温度から液相の助けで焼結をした後、固相のみが存在する少なくとも５０℃さらに低い温度で再焼結し、液相を固相に変えることを特徴とする透明な酸窒化アルミニウムの製造を示す。
【００１２】
しかし、発明者の実験によれば、このような従来技術として製造された透明な酸窒化アルミニウム結晶の場合、内部に多数の気孔が存在し、透明度が低くなるという問題が発生した。
【００１３】
また、大部分の従来技術の場合は、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮ粉末を反応させて酸窒化アルミニウム粉末を別途作製する工程を経た後、再びこれを焼結して透明な酸窒化アルミニウム結晶を製造するので、工程が複雑であり、それによる製造費用が高くなるという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、前で説明した従来技術の問題を解決するためのものであって、焼結体内の気孔をほぼ全て除去した透明な酸窒化アルミニウムセラミックの製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
本発明の他の目的は、透明な酸窒化アルミニウムセラミックを簡単な工程で製造するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するために本発明では、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をセラミックの主要構成成分ではなく、焼結添加剤として少量添加する。
【００１７】
また、相対的に低い温度で予備焼結を実施して焼結工程を改善する。
【００１８】
以下、本発明を具体的実施形態によって説明する。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、透明な多結晶酸窒化アルミニウムセラミックを製造するために原料粉末に焼結添加剤を添加した後、これを焼結させる。焼結添加剤はＭｇＯを０．５重量％未満、好ましくは０．０５重量％超え０．３重量％未満、さらに好ましくは０．１重量％〜０．２重量％含む。
【００２０】
本発明者が実施した実験によれば、高い重量比のＭｇＯを用いた時より、適切な少量のＭｇＯを焼結添加剤として用いた場合、酸窒化アルミニウムセラミックの透明度の向上が顕著であり、このような点で本願発明でのＭｇＯの役割は、従来の酸窒化アルミニウム系列のセラミックでＭｇＯがセラミックの主要構成成分として用いられたこととは区別される。
【００２１】
透光性アルミナを製造するには、焼結添加剤としてＭｇＯの添加が必須であるが、ＭｇＯが酸窒化アルミニウムの焼結にも類似の役割をするかは知られていない。すなわち、アルミナで生じるＭｇＯと関連した効果は、酸窒化アルミニウムでは達成できないと考えられてきた。実際、本発明者の実験結果によれば、Ｙ２Ｏ３を添加せず、ＭｇＯのみを酸窒化アルミニウム製造時に添加すると、焼結密度がむしろ減少することを確認することができ、これから酸窒化アルミニウムでのＭｇＯは純粋なアルミナでＭｇＯが果たす焼結促進剤の役割とは異なる役割を果たすものと考えられる。
【００２２】
また、焼結添加剤は、酸窒化アルミニウム製造用として公知となった焼結添加成分であるＢ、Ｙ、Ｌａ、Ｂ化合物、Ｙ化合物、Ｌａ化合物をさらに含むことができる。好ましくは、Ｙ２Ｏ３とＢＮのうちの一種以上を０．５重量％以下でさらに含むことができる。本発明者が実施した実験結果によれば、前記公知となった焼結添加剤とＭｇＯを共に焼結添加剤として用いた時、酸窒化アルミニウムの透明度の向上効果が著しく示された。
【００２３】
本発明の他の実施形態によれば、透明な多結晶酸窒化アルミニウムセラミック製造方法は、焼結添加剤が添加された原料粉末を相対密度が９５％以上になるように１５５０℃〜１７５０℃に予備焼結する段階と、さらに高い相対密度を達成するように１９００℃以上で再焼結する段階とを備える。
【００２４】
相対密度とは、理論密度に対する相対密度の相対的な値の比率を意味し、１００から相対密度を引けば気孔率になる。相対密度はアルキメデス原理を用いたイマージョンメソッド（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ）でも測定することができる。
【００２５】
予備焼結は再焼結より低い温度である１５５０℃〜１７００℃でなされる。その理由はＡｌ２Ｏ３とＡｌＮが混合されている時よりもＡＬＯＮ相である時に焼結がさらにうまくいくので、ＡＬＯＮ相への反応とともに焼結をできるだけ速やかに行うためである。反応が十分に起こる前に温度が高くなると結晶粒が粗大化し、ＡＬＯＮ相への反応がより遅れて緻密化速度が減少する。予備焼結を再焼結より低い温度である１５５０℃〜１７００℃で実施する他の理由は、結晶粒成長を最小化する比較的低い温度で気孔を最大限除去するためであり、一般に高い温度で焼結をすると結晶粒成長とともに気孔も成長するので気孔の完全な除去が難しくなる。
【００２６】
本発明のさらに他の実施形態によれば、原料粉末としてＡｌ２Ｏ３とＡｌＮ粉末をそのまま用いる。本発明によれば、焼結性が大きく向上して、従来技術のようにＡｌ２Ｏ３とＡｌＮなどから合成した酸窒化アルミニウム粉末を焼結材料として用いず、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮ粉末を焼結添加剤と共に直接混合して成形し、焼結しても高密度の透明な酸窒化アルミニウムセラミックを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】酸窒化アルミニウムセラミック試片の透明度比較のために試片を配列して撮影した写真である。
【図２】波長によって測定された試片の直線透過率を示すグラフである。
【図３】試片破断面の電子顕微鏡写真である。
【図４】試片破断面の電子顕微鏡写真である。
【図５】試片破断面の電子顕微鏡写真である。
【図６】試片破断面の電子顕微鏡写真である。
【図７】酸窒化アルミニウムセラミック試片の透明度比較のために試片を配列して撮影した写真である。
【図８】波長によって測定された試片の直線透過率を示すグラフである。
【図９】試片破断面の電子顕微鏡写真である。
【図１０】試片破断面の電子顕微鏡写真である。
【図１１】酸窒化アルミニウムセラミック試片の透明度比較のために試片を配列して撮影した写真である。
【図１２】波長によって測定された試片の直線透過率を示すグラフである。
【図１３】試片のＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙ）分析結果を示すグラフである。
【図１４】表面研磨の後、リン酸エッチングされた試片の電子顕微鏡写真である。
【図１５】表面研磨の後、リン酸エッチングされた試片の電子顕微鏡写真である。
【図１６】表面研磨の後、リン酸エッチングされた試片の電子顕微鏡写真である。
【図１７】表面研磨の後、リン酸エッチングされた試片の電子顕微鏡写真である。
【図１８】表面研磨の後、リン酸エッチングされた試片の電子顕微鏡写真である。
【図１９】表面研磨の後、リン酸エッチングされた試片の電子顕微鏡写真である。
【図２０】表面研磨の後、リン酸エッチングされた試片の電子顕微鏡写真である。
【図２１】表面研磨の後、リン酸エッチングされた試片の電子顕微鏡写真である。
【図２２】表面研磨された試片の電子顕微鏡写真である。
【図２３】表面研磨された試片の電子顕微鏡写真である。
【図２４】表面研磨された試片の電子顕微鏡写真である。
【図２５】表面研磨された試片の電子顕微鏡写真である。
【図２６】表面研磨された試片の電子顕微鏡写真である。
【図２７】表面研磨された試片の電子顕微鏡写真である。
【図２８】試片破断面の電子顕微鏡写真である。
【図２９】試片破断面の電子顕微鏡写真である。
【図３０】試片破断面の電子顕微鏡写真である。
【図３１】試片破断面の電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の多様な製造条件のもとで製造された酸窒化アルミニウムセラミックの実験例を図面を参照して説明する。
【００２９】
［実験例１］
モル比６５：３５のＡｌ２Ｏ３とＡｌＮの原料粉末に焼結添加剤としてＹ２Ｏ３とＢＮの量をそれぞれ０．０８重量％、０．０２重量％と一定とし、ＭｇＯの量を０、０．０５、０．１、０．２及び０．３重量％に変化して添加し、５つの酸窒化アルミニウムセラミック試片を製造した。混合された原料粉末及び焼結添加剤を、ポリウレタン容器でエチルアルコールを溶媒として高純度Ａｌ２Ｏ３ボールを用いて４８時間ミリングした後、回転蒸発乾燥機を用いて乾燥した。乾燥した粉末を一軸乾式プレスを用いて直径２０ｍｍ厚さ３ｍｍのディスクに成形した後、これを冷間静水圧プレス（ｃｏｌｄ  ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  ｐｒｅｓｓｉｎｇ）した。ディスク試片を黒鉛坩堝に入れ、黒鉛発熱体を有する高温電気炉で１気圧の窒素ガス雰囲気下で焼結され、１６７５℃で１０時間、そして２０００℃で５時間維持した。昇温速度は１５００℃までは１分当り２０℃、それ以上の温度では１分当り１０℃であり、冷却速度は１分当り２０℃であった。
【００３０】
図１はこのようにして製造した酸窒化アルミニウムセラミック試片の透明度を比較することができるように試片を配列して撮影した写真である。試片のＭｇＯ添加量は、左側から右側へ、それぞれ０，０．０５、０．１、０．２、０．３重量％である。ＭｇＯが添加されないと透明度は非常に低かったが、ＭｇＯを０．０５重量％添加した場合、透明度が大きく向上した。ＭｇＯを０．１重量％または０．２重量％添加した時に透明度が非常に高く、それ以上の添加は透明度を減少させた。
【００３１】
図２は波長によって測定された試片の直線透過率を示すグラフである。それぞれの試片のＭｇＯ組成は下記表１から確認することができる。直線透過率は焼結された試片を１ｍｍダイヤモンドペーストで表面研磨をした後にＶａｒｉａｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ（Ｃａｒｒｙ  ５００）を用い、０．３μｍから０．８μｍの波長範囲で各試片毎に測定した。この場合、試片の厚さは１．９ｍｍであった。本明細書での“直線透過率”はいずれもこのような方式で測定したものである。
【００３２】
【表１】
2010506820.tif 000003
【００３３】
表１は、ＭｇＯの添加量を異にする各試片の平均直線透過率を示す。０．１重量％のＭｇＯが添加された試片の平均直線透過率が７９．８９％と最も高かった。
【００３４】
直線透過率は、実質的な透過率であり、屈折率の関数である表面反射を考慮していない値を意味する。即ち、屈折率が１．７９の酸窒化アルミニウムの場合、理論的な直線透過率は８２％まで得ることができ、ＡＲ（Ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングをして表面反射を除去すれば１００％に近い実質的な透過率を得るようになる。従って、このような表面反射を考慮すれば、ＭｇＯが０．１重量％添加された時の実質的な透過率は（７９．８９／８２）％であり、表面反射誤差まで考慮しても９５％以上である。
【００３５】
図３〜図６は、製造された試片の破断面を撮った電子顕微鏡写真である。写真右側下段の数値（３００μｍ、６０μｍ）は写真上で数値上部の目盛り１０個を合せた長さを示すものである。また、電子顕微鏡の倍率（Ｘ１００、Ｘ５００）が数値の左側に記載されている。このような事項は他の図面でも同様に適用される。ＭｇＯを含有せずＹ２Ｏ３  ０．０８重量％とＢＮ  ０．０２重量％とのみ焼結添加剤として用いた時の顕微鏡写真である図３及び図４を参照すれば、図４の倍率５００倍の顕微鏡写真では右側下端に２つの気孔が観察され、図３の倍率１００倍の顕微鏡写真では中央から若干下端に大きな気孔が多数観察され、このような気孔により透明度が低下した。しかし、Ｙ２Ｏ３  ０．０８重量％及びＢＮ  ０．０２重量％と共にＭｇＯが０．１重量％添加された時の試片破断面の顕微鏡写真である図５及び図６を参照すれば、気孔はほぼ観察されず、透明度も非常に高かった。
【００３６】
［実験例２］
０．２重量％のＭｇＯ、０．０８重量％のＹ２Ｏ３及び０．０２重量％のＢＮの焼結添加剤を（１）全く添加しない、（２）ＭｇＯとＹ２Ｏ３の添加、（３）ＭｇＯとＢＮの添加、（４）Ｙ２Ｏ３とＢＮの添加、（５）ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３及びＢＮの添加、と試片ごとに異なる添加をしたことを除いては実験例１と同様の方法で酸窒化アルミニウムセラミック試片を製造した。
【００３７】
図７は、このように製造された酸窒化アルミニウムセラミック試片の透明度を比較するために撮影された写真である。左側から右側へ、（１）焼結添加剤が全く添加されていない試片、（２）ＭｇＯとＹ２Ｏ３が添加された試片、（３）ＭｇＯとＢＮが添加された試片、（４）Ｙ２Ｏ３とＢＮが添加された試片、（５）ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３とＢＮが全て添加された試片を写真で確認することができる。ＭｇＯが添加されない時は透明度が非常に低く、ＭｇＯがＹ２Ｏ３と共にまたはＹ２Ｏ３及びＢＮと共に添加された時、透明度が非常に高かった。焼結添加剤のうちＭｇＯの透明度に対する寄与度が最も大きかった。図８は、波長によって測定された試片の直線透過率を示すグラフである。表２はそれぞれの試片の組成及び平均直線透過率を示す。
【００３８】
【表２】
2010506820.tif 000004
【００３９】
図９及び図１０は、ＭｇＯとＹ２Ｏ３が添加された試片破断面の電子顕微鏡写真である。実験例１の図３と図４に示されているＹ２Ｏ３とＢＮが添加された試片破断面の電子顕微鏡写真と比較してみれば、図９及び図１０の電子顕微鏡写真では気孔がほぼ全て除去され、透明度が高くなることを確認することができる。
【００４０】
［実験例３］
予備焼結工程を経ず、２０００℃で５時間試片を焼結させたことを除いては、実験例１と同様の方法で酸窒化アルミニウムセラミック試片を製造した。それぞれの試片に添加されるＭｇＯの量は０、０．０５、０．１、０．２、０．３重量％であった。
【００４１】
図１１は、このような工程によって製造された酸窒化アルミニウムセラミック試片の透明度を比較することができるように撮影された写真であり、左側から右側へ、ＭｇＯがそれぞれ０、０．０５、０．１、０．２そして０、３重量％添加された試片が配置されている。
【００４２】
図１２は、波長を異にしてそれぞれの試片の直線透過率測定値を示すグラフである。表３はこのような試片のＭｇＯ重量％及び平均直線透過率を示す。
【００４３】
【表３】
2010506820.tif 000005
【００４４】
実験例１と同様に、ＭｇＯが０．１重量％添加された時に最も高い直線透過率を表しているが、予備焼結が実施された実験例１のＭｇＯが０．１重量％添加された試片と比較すると透過率は約２０％減少している。予備焼結を実施しなかった本実験では、ＭｇＯが０重量％、０．０５重量％または０．３重量％添加された時には透明性は殆どなく、０．２重量％ＭｇＯを添加した場合には０．１重量％ＭｇＯを添加した場合に比べて予備焼結の有無が透明度に大きな影響を及ぼした。本実験例で透明度が減少したのは多数の気孔の影響によるものであった。また、予備焼結はＭｇＯの有無に関係なく焼結された試片の透明度に大きな影響を及ぼした。
【００４５】
［実験例４］
１６７５℃で１０時間の予備焼結のみ経たことを除いては、実験例１と同様の方法で、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮの粉末に焼結添加剤を添加しない試片、０．０８重量％Ｙ２Ｏ３と０．０２重量％ＢＮのみを焼結添加剤として添加した試片、０．０８重量％Ｙ２Ｏ３と０．０２重量％ＢＮにＭｇＯを０．０５重量％、０．１重量％、０．２重量％、０．３重量％、０．４重量％及び０．５重量％添加した酸窒化アルミニウムセラミック試片を製造した。前記８種類の試片のＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙ）分析結果を示すグラフが図１３に上から下に順に示されている。
【００４６】
図１３のグラフを参照すると、ＭｇＯが添加されていない試片ではまだ反応していないＡｌ２Ｏ３とＡｌＮのピークが相対的に大きく、酸窒化アルミニウム（ＡＬＯＮ）のピークが小さく示されている。一方ＭｇＯが多く添加されるほど、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮのピークが小さくなり、酸窒化アルミニウムのピークが大きくなっている。ＭｇＯが０．４重量％及び０．５重量％添加された試片は酸窒化アルミニウムのピークのみが示され、全てのＡｌ２Ｏ３とＡｌＮが酸窒化アルミニウムに反応したことが分かる。
【００４７】
焼結添加剤としてＭｇＯがＹ２Ｏ３、ＢＮと共に用いられた時、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮが酸窒化アルミニウムに反応することが促進された。Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮが混合されている時より酸窒化アルミニウム相である時に焼結がさらにうまくいくことは先に説明した通りである。
【００４８】
微量のＭｇＯは、アルミナに添加された時と同様に酸窒化アルミニウムの緻密化を多少促進させることができ、このように少しでも小さくなった残留気孔を長時間の高温焼結を経て完全に除去できるので有利である。しかし、本発明者の実験によると、Ｙ２Ｏ３やＢＮの添加なしに、ＭｇＯのみ添加すると、むしろ焼結密度が大きく減少した。即ち、ＭｇＯがＹ２Ｏ３とＢＮと共に添加される時のみ気孔の除去が大きく促進されることを考慮すると、ＭｇＯは、酸窒化アルミニウムでは、純粋なアルミナでＭｇＯが果たす焼結促進剤の役割とは異なる役割を果たすものと見られる。
【００４９】
１０時間の予備焼結のみを経た、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮの粉末に焼結添加剤を添加しない試片、０．０８重量％Ｙ２Ｏ３と０．０２重量％ＢＮのみを焼結添加剤として添加した試片、０．０８重量％Ｙ２Ｏ３と０．０２重量％ＢＮにＭｇＯを０．０５重量％、０．１重量％、０．２重量％、０．３重量％、０．４重量％及び０．５重量％添加した酸窒化アルミニウムセラミック試片を、表面研磨してリン酸でエッチングした後、電子顕微鏡で撮影した写真が図１４〜図２１に順に示される。
【００５０】
ＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いた酸素、窒素の元素分析の結果、突出した相対的に明るい結晶相がまだ反応がされていないＡｌ２Ｏ３であり、エッチングが多くされた相対的に暗い相がＡｌＮとＡＬＯＮ相であった。試片の中のＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ及びＡＬＯＮ相の量がＸＲＤ分析結果と正確に一致した。
【００５１】
０．１重量％または０．２重量％のＭｇＯが添加された時（図１７と図１８）は、気孔の大きさが顕著に小さくなり、気孔の量も非常に減少したが、ＭｇＯが０．３重量％以上添加された場合（図１９〜図２１）は気孔の量と大きさはむしろ徐々に増加することを確認することができる。
【００５２】
［実験例５］
実験例４と同様の方法で、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮの粉末に焼結添加剤を添加しない試片、０．０８重量％Ｙ２Ｏ３と０．０２重量％ＢＮのみを焼結添加剤として添加した試片、０．０８重量％Ｙ２Ｏ３と０．０２重量％ＢＮにＭｇＯを０．１重量％、０．２重量％、０．３重量％及び０．５重量％添加した酸窒化アルミニウムセラミック試片を製造した。図２２〜図２７には前記試片に表面研磨のみをして電子顕微鏡で撮影した写真が順に示される。図２２〜図２７の相互比較を通して、各試片の気孔の量と大きさを互いに比較することができ、０．１重量％または０．２重量％のＭｇＯが添加された時（図２４、図２５）には、気孔の大きさが顕著に小さく気孔の量も非常に減少したが、ＭｇＯが０．３重量％以上添加された場合（図２６、図２７）気孔の量と大きさはむしろ徐々に増加することを確認することができる。
【００５３】
［実験例６］
実験例４と同様の方法でＡｌ２Ｏ３とＡｌＮの粉末に焼結添加剤を添加しない試片、０．０８重量％Ｙ２Ｏ３と０．０２重量％ＢＮと共にＭｇＯを０．１重量％、０．４重量％、及び０．５重量％を添加した酸窒化アルミニウムセラミック試片を製造した。図２８〜図３１は、前記試片の破断面の電子顕微鏡写真である。
【００５４】
図３０と図３１を参照すると、ＭｇＯ  ０．４重量％及び０．５重量％添加した試片では約０．５μｍサイズの二次相が見られる。これは添加したＭｇＯの量が酸窒化アルミニウムへの固溶限量を超えて生じたＭｇ−スピネル相と思料される。このような 二次相は焼結過程での緻密化、即ち気孔の除去を妨害することがある。
【００５５】
前述した実験例４〜６の結果によれば、適切な量のＭｇＯ添加はＡｌ２Ｏ３とＡｌＮの酸窒化アルミニウムへの反応を促進させ、従って相対的に低い温度で反応焼結が起こり、安定的に気孔が除去できる。しかし、ＭｇＯが過度に添加されると二次相が生じて焼結を妨害し、気孔の除去が難しくなる。即ち、０．５重量％未満で適切な量でＭｇＯを添加することは酸窒化アルミニウムセラミック内部の気孔を最大限除去するのに役立ち、酸窒化アルミニウムの透明度を大きく向上させる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上で説明した通り、本発明によれば内部の気孔を殆ど除去して実質的な透明度が９５％以上である立方晶相の多結晶酸窒化アルミニウムセラミックが提供される。
【００５７】
特に、このような透明な立方晶相の多結晶酸窒化アルミニウムセラミックは、高い強度と硬度及び耐摩耗性も有するので、透明性だけでなく高い強度、硬度及び耐摩耗性を共に要求する透明防弾板、赤外線センサの窓、レーダドームなどのような製品に多様に活用できる。
【００５８】
また、本発明の焼結添加剤及び焼結工程によれば、焼結性が向上し、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮ粉末を混合して焼結する場合にも、透明な酸窒化アルミニウムセラミックを製造することができるようになるので、製造工程が単純になり、工程費用が節減される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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