(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラスを主成分とする粉体の仮成形体を、水素圧力１０−２Ｐａ以上の水素ガスと窒素ガスの混合ガス雰囲気で、温度１７７３Ｋ以上で焼結することを特徴とする高透光性を有する焼結石英ガラス成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結石英ガラス成形体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高輝度ランプや光学部品に使用される透明石英ガラスは溶融によって得られていたが、その溶融のためには２２７３Ｋから２５７３Ｋという高温が必要であった。この問題を解決するために、溶融に比べて温度が低くてすむ焼結による石英ガラスの製造方法が提案されている。しかし、焼結の雰囲気が大気中であると、石英ガラスが空気中のＨ2Ｏと反応して、石英ガラス表面にクリストバライトやβ−石英等の結晶質石英を生成し、それが焼結後残留するため、透光性のある石英ガラスを得ることができない。これを解決するために、真空中で焼結することも提案されている。これは、シリカを主成分とした粉末で一次成形体を形成した後、これを１０-3〜１０-4Ｐａの真空中で１６７３Ｋ以上の温度で焼結することにより、透明な焼結石英ガラスが得られることが、１９９７年発行のJournal of the Ceramic Society of Japan 105巻の１７１ページ〜１７４ページに記載されている。
【０００３】
しかるに、この方法で高透光性を有する焼結石英ガラスを焼結によって製造することは、以下のような問題点がある。
すなわち、真空中で焼結を行うには、工業的に真空容器の大きさに限界があり、また、１０-3〜１０-4Ｐａという高真空雰囲気の形成に時間がかかり、したがって一度に焼結できる量に限界があり、大量生産に向かない。
そこで、真空度を下げて１０-2Ｐａ以上の低真空度にして焼結を試みたが、焼結石英ガラス体の表面にはクリストバライトやβ−石英といった結晶質石英が焼結中に生成し、それが焼結後に残留してしまい、十分な透光性を有する焼結石英ガラス成形体を得ることができなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、焼結時に結晶質石英が焼結体の表面に生成されてもそれを残留させないようにして、高透光性を有する焼結石英ガラス成形体を工業的に大量に生産できる製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
石英ガラスを主成分とする粉体の仮成形体を、水素圧力１０−２Ｐａ以上の水素ガスと窒素ガスの混合ガス雰囲気で、温度１７７３Ｋ以上で焼結することを特徴とする高透光性を有する焼結石英ガラス成形体の製造方法である。なお、ここでいう水素圧力とは、水素および窒素ガスとの混合ガスの場合の水素分圧を意味する。
【０００６】
【作用】
焼結雰囲気に水素ガスが含まれていると、焼結における高温でＳｉＯ2とＨ2とが反応しＳｉＯやＳｉＨ4などが生成され、そのＳｉＯやＳｉＨ4は揮発性が高いので石英ガラスの表面から離散していくので、石英ガラス表面には焼結時に生成したクリストバライトやβ−石英等の結晶質石英が残らないので、透明な高透光性の焼結石英ガラス成形体とすることが可能になる。なお、雰囲気が純粋な水素ガスのみでその水素ガス圧力が高いと、この反応が過剰になりＳｉＯ2の消耗が激しすぎることがある。このため、焼結雰囲気を、水素ガスと窒素ガスとの混合ガス雰囲気とし、さらに温度制御を行うことによって、ＳｉＯ2とＨ2との反応を制御して、ＳｉＯやＳｉＨ4などの離散による石英ガラスの消耗を抑え、かつ焼結後に結晶質石英を残留させないように、焼結を進めることがより好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
石英ガラス粉末からの所定の形状の仮成形体への成形は、石英ガラス粉末（少なくとも、１μｍ以内の粒子を２０％以上含む）に純水等を加えたスラリーを石膏などの吸水性の型に流し込んで仮成形体を得るスリップキャスティング法や、スラリーに増粘剤を加えて粘土状にし、型の形状に合わせるように吹き拡ろげるブロー法などにより行う。
型での成形後、十分に水分を蒸発させる。場合によっては、真空乾燥や加熱による水分の除去を行う。
【０００８】
石英ガラス仮成形体は、少なくとも石英ガラスを８０％以上の割合で含有しており、石英ガラス以外の成分として、例えばアルミナ等を混合して水素含有雰囲気中で焼結を行うこともできる。ただし、高温でＳｉＯ2とＨ2とが反応してＳｉＯやＳｉＨ4などを生成するので、雰囲気が純粋な水素ガスのみでその水素ガス圧力が高いと、焼結時に石英ガラスの表面からのＳｉＯ2の消耗が激しい。このため、温度の制御とともに、焼結雰囲気を水素ガスと窒素ガスとの混合ガスにすることで、石英ガラスの消耗を抑制しつつ、かつ結晶質石英を残留させないように、焼結を進めることが可能であることが分かった。
【０００９】
透光性を有する焼結石英ガラス成形体の製作例は、以下の通りである。
＜実施例１＞
石英ガラスの粉体として、平均粒径０．３μｍの球状粒子を使用した。
この粒子に純水を加えて、スラリー状にして、紙型に流し込み、図１に示したような外径φ１０ｍｍ円板状の仮成形体サンプル１とする。この仮成形体サンプル１をオーブン中に入れて、４７３Ｋで、１時間放置して、十分に残留水分を除去した。このようにしてできた仮成形体サンプル１を図２に示すようなヒーター２を配置した焼結炉３中に入れて、各焼結雰囲気の条件下で焼結を行い焼結石英ガラス成形体を得た。その結果を図３の表に示す。焼結雰囲気は、水素１気圧(No1,2,3)、水素と窒素を0.5気圧づつ(No4)、水素を１０-2Ｐａと残りは窒素にして全体で1気圧(No5)、水素を１０-3Ｐａと残りは窒素にして全体で1気圧(No6)、窒素1気圧(No7)の条件で、焼結温度は１６７３Ｋ、１７７３Ｋ、１８７３Ｋの条件で行った。
【００１０】
図３に示した結果から明らかなように、直線透過率が５０％以上の高透光性を有する焼結石英ガラス成形体を得るためには、焼結雰囲気での水素の圧力は、１０-2Ｐａ以上であることと、焼結温度は、１７７３Ｋ以上であることとが重要であることがわかる。
【００１１】
また、必要に応じて石英ガラス以外にアルミナなどの無機物質成分を２０％以内で含有することで、焼結体に要求される機械的な特性等を任意に変えることができる。たとえば、α−Ａｌ2Ｏ3を石英ガラスの粉体に１０ｍｏｌ％含有させることで、純粋なＳｉＯ2と比べ、２７３Ｋ〜６７３Ｋでの熱膨張率は６×１０-7／Ｋから１２×１０-7／Ｋへ倍増し、ヤング率は６５００ｋｇ／ｍｍ2から７０００ｋｇ／ｍｍ2へ強化することが可能となり、２０ｍｏｌ％含有させることで、さらに熱膨張率は１７×１０-7／Ｋへ、ヤング率は７５００ｋｇ／ｍｍ2へ強化することが可能となる。
あるいは、ＴｉＯ2を１０ｍｏｌ％含有させることで、純粋なＳｉＯ2と比べ、熱膨張率は２×１０-7／Ｋへ減少させ、ヤング率は７５００ｋｇ／ｍｍ2へ強化させることが可能となり、２０ｍｏｌ％含有させることで、純粋なＳｉＯ2と比べ、熱膨張率は−２×１０-7／Ｋへ、ヤング率は８６００ｋｇ／ｍｍ2へ強化することが可能となる。
【００１２】
上述のように石英ガラス以外の成分としてα−Ａｌ2Ｏ3やＴｉＯ2を１０ｍｏｌ％、２０ｍｏｌ％を含有させて焼結する場合でも、主成分が石英ガラスであるため、クリストバライト等の結晶質の生成を防ぐ条件について上記の図３で示した結果と基本的な違いがないことを確認している。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の高透光性を有する焼結石英ガラス成形体の製造方法によれば、高真空雰囲気でなくとも、水素ガスと窒素ガスとの混合ガス雰囲気とし、温度制御を行うことによって、石英ガラスの消耗を少なくして、かつ表面に結晶質石英が生じても焼結後には結晶質石英が残留しない、高透光性を有する焼結石英ガラスを得ることができ、それは大量生産に向く製造方法となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例における焼結石英ガラス仮成形体サンプルの形状を示す。
【図２】  焼結石英ガラス仮成形体サンプルを焼結炉内に設置したことの概略図を示す。
【図３】  焼結条件と焼結石英ガラス成形体の特性の表を示す。
【符号の説明】
１    仮成形体サンプル
２    ヒーター
３    焼結炉
【図１】
0003837942.tif 000002
【図２】
0003837942.tif 000003
【図３】
0003837942.tif 000004