スピネル系セラミックスの製造方法
【課題】本発明は、極めて製造効率の高いスピネル系セラミックスの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のスピネル系セラミックスの製造方法は、Ａｌ2Ｏ3多孔体を準備する第１工程と、該Ａｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態のＭｇを含浸させることにより、該Ａｌ2Ｏ3多孔体をアモルファススピネルに転化する第２工程と、該アモルファススピネルを熱処理することによりそれを結晶化させる第３工程と、を含むことを特徴としている。
【解決手段】本発明のスピネル系セラミックスの製造方法は、Ａｌ2Ｏ3多孔体を準備する第１工程と、該Ａｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態のＭｇを含浸させることにより、該Ａｌ2Ｏ3多孔体をアモルファススピネルに転化する第２工程と、該アモルファススピネルを熱処理することによりそれを結晶化させる第３工程と、を含むことを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学用材料等に好適に用いることができるスピネル系セラミックスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に液晶表示装置等において液晶は、表面を汚れや外気から保護することを目的として、その表面に何らかの保護層を形成させて用いられている。液晶をＣＲＴ等に用いる場合は、そのような保護層として透明プラスチックが用いられておりその目的を達成している。また、携帯電話等における液晶画面の保護は、強度を要求されるためそのような保護層としてガラス等を用いる場合がある。
【０００３】
最近では、このような液晶画面の表裏に透明な保護層（透明基板）を形成することによりその表面を透明化し（このような構造のものを液晶パネルという）、この液晶パネルの一方から光を当て、レンズ等で透過光を調整した液晶プロジェクターが市販されている。このような液晶プロジェクターにおける液晶画面を保護する透明基板は、汚れや外気から単に液晶画面を保護するだけではなく、近接する光源によって液晶画面が加熱されることを防止する断熱的な保護と、該光源からの光により液晶画面に発生する吸熱現象に伴う昇温を放熱する放熱目的とを兼ね備えることが要求される。そして、該透明基板自体も昇温するため、このような透明基板には耐熱性も要求される。
【０００４】
したがって、このような用途における透明基板としては通常ガラスを用いることが考えられるところ、通常のガラスの熱伝導性を２０〜３０倍程度向上させた単結晶サファイアを使用することが提案されている（特許文献１）。このような単結晶サファイアは、強度も高く石英ガラスに比べ非常に硬いため、透明基板を薄くすることができるというメリットも期待される。また、このような単結晶サファイアは非常に高価であるため、それ単独で用いることは経済的に困難であるが、ガラスと併用することによりこの問題は解消することができるとされている。
【０００５】
このように単結晶サファイアは、高価であるものの耐熱性と光透過性、および液晶の温度上昇を抑える等の液晶プロジェクター用の透明基板に要求される諸特性を備えるためその使用が期待されてきた。しかしながら、単結晶サファイアには複屈折なる特性があるため、液晶プロジェクターの組み立て時において結晶軸の方位を合わせる等の複雑な作業を要し、製造効率を低下させるとともに単結晶サファイア自体が高価であるということと相俟って製造コストを高騰させるという問題があった。
【０００６】
この問題を解決するために、複屈折性を有さずかつ安価な透明基板材料として適する様々な物質が検討されており、そのような物質のひとつとして透光性セラミックスであるスピネルセラミックスが提案されている（特許文献２）。このスピネルセラミックスは、化学式ＭｇＡｌ2Ｏ4で示される立方晶セラミックスであり、熱伝導率が高く透明な材料である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２８４７００号公報
【特許文献２】特開２００７−０６５６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
スピネルセラミックスは、原料粉末であるＡｌ2Ｏ3やＭｇＯを混合し、成形した後、１５００℃以上の高温で焼結して作製される。しかし、焼結温度が非常に高温であり、かつ少なくとも数時間を要するため極めて製造効率が悪いという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、極めて製造効率の高いスピネル系セラミックスの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】
【００１０】
本発明のスピネル系セラミックスの製造方法は、Ａｌ2Ｏ3多孔体を準備する第１工程と、該Ａｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態のＭｇを含浸させることにより、該Ａｌ2Ｏ3多孔体をアモルファススピネルに転化する第２工程と、該アモルファススピネルを熱処理することによりそれを結晶化させる第３工程と、を含むことを特徴としている。
【００１１】
ここで、上記第２工程は、上記Ａｌ2Ｏ3多孔体の表面の一部を拘束することにより、溶融状態のＭｇとの接触面積を少なくさせた状態でそれを含浸させることが好ましい。
【００１２】
また、本発明のスピネル系セラミックスの製造方法は、上記第２工程において、溶融状態のＭｇに換えて溶融状態のＭｇ−Ｚｎ合金を含浸させることもできる。この場合、該Ｍｇ−Ｚｎ合金は、Ｚｎの含有比率が５５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
【００１３】
また、上記第３工程は、１６５０℃以上の熱処理を行なうことが好ましく、また上記第３工程の熱処理は、熱間静水圧処理であることが好ましい。
【００１４】
一方、上記Ａｌ2Ｏ3多孔体は、以下の関係式を満たす相対密度Ｄを有することが好ましい。
【００１５】
０．９６×Ｂ／Ａ≦Ｄ≦Ｂ／Ａ
（上記式中、ＡはＡｌ2Ｏ3の真密度を示し、Ｂは上記アモルファススピネルの真密度を示す。）
また、上記Ａｌ2Ｏ3多孔体は、過剰酸素を持つＡｌ2Ｏ3を含むことが好ましく、平均粒径が５μｍ以下のＡｌ2Ｏ3微粒子を用いて成形されたものであることが好ましい。そして、そのＡｌ2Ｏ3微粒子は、平均粒径が０．５μｍ以下であることがより好ましい。
【００１６】
なお、このような製造方法で製造される本発明のスピネル系セラミックスは、透光性セラミックスとすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のスピネル系セラミックスの製造方法は、上記のような構成を有することにより、その製造効率が極めて良好であるという特徴を有する。すなわち、本発明のスピネル系セラミックスの製造方法は、極めて短時間にスピネル系セラミックスを製造することができるという特徴を有する。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜スピネル系セラミックスの製造方法＞
本発明に係るスピネル系セラミックスの製造方法は、Ａｌ2Ｏ3多孔体を準備する第１工程と、該Ａｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態のＭｇを含浸させることにより、該多孔体をアモルファススピネルに転化する第２工程と、該アモルファススピネルを熱処理することによりそれを結晶化させる第３工程と、を含むことを特徴としている。なお、上記第２工程は、溶融状態のＭｇに換えて溶融状態のＭｇ−Ｚｎ合金を含浸させることもできる。
【００１９】
このような本発明の製造方法は、上記の第１工程、第２工程、および第３工程を含む限り、他の任意の工程を含んでいても本発明の範囲を逸脱するものではない。以下、まず本発明が対象とするスピネル系セラミックスの説明を行なった後、各工程について説明する。
【００２０】
＜スピネル系セラミックス＞
本発明が対象とするスピネル系セラミックスには、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）だけではなく、このスピネルの「Ｍｇ」の一部を「Ｚｎ」で置き換えてなる亜鉛含有スピネル（Ｍｇ1-xＺｎxＡｌ2Ｏ4）も含まれる（なお、亜鉛含有スピネルの詳細は後述する）。
【００２１】
すなわち、このようなスピネル系セラミックスは、スピネルの結晶体または亜鉛含有スピネルの結晶体を意味するものである。
【００２２】
本発明のスピネル系セラミックスは、透光性を有していること（すなわち透光性セラミックスであること）が好ましく、このように透光性を有する場合には、たとえば液晶プロジェクター用の透明基板等の光学用材料として好適に用いることができる。
【００２３】
＜第１工程＞
本発明の第１工程は、Ａｌ2Ｏ3多孔体を準備する工程である。ここで、Ａｌ2Ｏ3多孔体とは、多数の気孔を有したアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）をいう。気孔の大きさおよびその含有率は、特に限定されることはないが、１０ｎｍ〜５０００ｎｍ程度の気孔を有し、相対密度（Ａｌ2Ｏ3の真密度（約３．９ｇ／ｃｍ3）に対する比率）が０．６７〜０．７７程度であるものが好ましい。
【００２４】
そして、特にこのＡｌ2Ｏ3多孔体の相対密度Ｄは、以下の関係式を満たすことが好ましい。
【００２５】
０．９６×Ｂ／Ａ≦Ｄ≦Ｂ／Ａ
上記式中、ＡはＡｌ2Ｏ3の真密度を示し、Ｂは後述のアモルファススピネルの真密度を示す。アモルファススピネルの真密度（約３ｇ／ｃｍ3程度）は、Ａｌ2Ｏ3の真密度よりも小さいため、Ａｌ2Ｏ3多孔体のアモルファススピネルへの転化（後述の第２工程）は体積膨張を伴いながら進行する。したがって、上記ＤをＢ／Ａに近接させて設定するとアモルファススピネルの緻密性が向上するため好ましく、上記ＤがＢ／Ａと等しくなる場合、理論的にアモルファススピネルの相対密度は１となる。一方、上記Ｄが０．９６×Ｂ／Ａ未満になると、アモルファススピネルに多数の気孔が生じることとなり、緻密性の高いアモルファススピネルを得ることが困難となる。
【００２６】
なお、このようなアモルファススピネルの真密度は、アモルファス構造の違いに依存して変化するとともに、後述の第２工程の還元反応の温度によっても若干変化する。また、Ｚｎを含有するアモルファススピネルは真密度が増大する傾向を示す。このようなアモルファススピネルの真密度は、通常のアルキメデス法により測定することができる。
【００２７】
本発明の第１工程で用いられるＡｌ2Ｏ3多孔体は、たとえばＡｌ2Ｏ3粉末をプレス等で適度に成形することにより準備することができるが、このような方法のみに限られるものではない。Ａｌ2Ｏ3多孔体をこのようなプレス成形法で準備する場合、プレス成形時の圧力を調整したり、Ａｌ2Ｏ3粉末の粒度を調整することにより、Ａｌ2Ｏ3多孔体の上記相対密度Ｄを好適に制御することができる。このようなプレス成形法は、加熱処理を伴うことができるとともに、Ａｌ2Ｏ3粉末とともにバインダを併用することもできる。
【００２８】
ここで、Ａｌ2Ｏ3多孔体の相対密度Ｄについてさらに詳細に説明すると、たとえば、後述のアモルファススピネルの真密度が２．８ｇ／ｃｍ3である場合、Ａｌ2Ｏ3多孔体の相対密度Ｄを約０．７２に制御すれば、このアモルファススピネルの相対密度は理論上１となるため、この相対密度Ｄを０．７２に調整することが好ましい。しかしながら、０．７２という相対密度Ｄは、セラミックス粉末のプレス成形体としてはかなり高い数値であるため、このように高い相対密度Ｄを得るためには、微粒のＡｌ2Ｏ3粉末と粗粒のＡｌ2Ｏ3粉末とを混合した微粗混粉末を用いてプレス成形することによりＡｌ2Ｏ3多孔体を準備することが特に好ましい。
【００２９】
さらにまた、このようなＡｌ2Ｏ3粉末として、平均粒径が５μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以下のＡｌ2Ｏ3微粒子を用いてＡｌ2Ｏ3多孔体を成形すると、後述の第２工程における溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金の含浸速度が向上するため好ましい。
【００３０】
一方、Ａｌ2Ｏ3多孔体が、過剰酸素を持つＡｌ2Ｏ3を含むと、ＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金が酸化されずに金属として残存することを防止することができる。このようにＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金が酸化されずに金属として最終生成物であるスピネル系セラミックス中に残存すると、透光性を低減する場合が多い。このため、Ａｌ2Ｏ3多孔体を構成するＡｌ2Ｏ3が過剰酸素を持つか、またはＡｌの格子欠陥を含むことが好ましい。
【００３１】
なお、上記の過剰酸素量またはＡｌ格子欠損量は、Ａｌ2Ｏ3に対して０．５〜２ｍｏｌ％含むことが好ましい。０．５ｍｏｌ％未満では、上記のような効果を明瞭に示さない場合があり、また２ｍｏｌ％を超えるＡｌ2Ｏ3を準備することは困難であるためである。
【００３２】
＜第２工程＞
本発明の第２工程は、上記の第１工程で準備されたＡｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態のＭｇを含浸させることにより、該Ａｌ2Ｏ3多孔体をアモルファススピネルに転化する工程である。ここで、溶融状態のＭｇに換えて溶融状態のＭｇ−Ｚｎ合金を含浸させることもできる。
【００３３】
この第２工程において、溶融状態のＭｇを含浸させると最終的に得られるスピネル系セラミックスはスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）の結晶体となり、一方、溶融状態のＭｇ−Ｚｎ合金を含浸させると最終的に得られるスピネル系セラミックスは亜鉛含有スピネル（Ｍｇ1-xＺｎxＡｌ2Ｏ4）の結晶体となる。したがって、目的とするスピネル系セラミックスの組成に応じて、Ｍｇを使用するか、あるいはＭｇ−Ｚｎ合金を使用するかを選択することができる。
【００３４】
ここで、上記Ｍｇ1-xＺｎxＡｌ2Ｏ4におけるｘは、０＜ｘ≦０．５５とすることが好ましい。ｘが０．５５を超えると、上記Ｍｇ−Ｚｎ合金のＺｎの含有比率を高める必要が生じるが、Ｚｎの含有比率を高めると、溶融状態のＭｇ−Ｚｎ合金と上記Ａｌ2Ｏ3多孔体との濡れ性が低下する傾向を示し、緻密なアモルファススピネルを得ることができなくなる場合がある。この点、上記Ｍｇ−Ｚｎ合金のＺｎの含有比率は、５５ｍｏｌ％以下とすることが好ましく、より好ましくは４５ｍｏｌ％以下とすることが好適である。
【００３５】
このような本発明の第２工程においては、Ａｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金を接触させるだけで、毛細管現象によりＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金はＡｌ2Ｏ3多孔体の内部にまで浸入し、以ってＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金はＡｌ2Ｏ3多孔体に含浸されることとなる。
【００３６】
なお、この時、Ａｌ2Ｏ3多孔体の形状とほぼ同じ形状の型にＡｌ2Ｏ3多孔体を装填することにより、ＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金との接触部分を少なくすることが好ましい。たとえば、Ａｌ2Ｏ3多孔体が直方体形状の場合、６面の内の５面を型で拘束（被覆）するようにしておくことが好ましい。すなわち、Ａｌ2Ｏ3多孔体がアモルファススピネルに転化する際の体積膨張挙動を、当該多孔体の内部に向かって生じさせることが重要である。このような処理をすることにより、浸入した溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金はＡｌ2Ｏ3多孔体と反応して当該多孔体の気孔部を埋めるようにして反応が進行していく。
【００３７】
Ａｌ2Ｏ3多孔体の表面部が外部に開放されている一面（すなわち上記の型で拘束されていない面）を、温度が７００〜８００℃程度の溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金に接触させると、毛細管現象により溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金が当該多孔体内部に浸入していくが、このときいわゆるテルミット反応（後述）が起こり、ＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金はＡｌ2Ｏ3を還元しながらＡｌ2Ｏ3表面を濡らしていくことで、毛細管現象が促進される。同時に、Ａｌ2Ｏ3多孔体はアモルファススピネルに転化していく。
【００３８】
また、このようなＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金の溶浸は真空で行なうことが好ましいが、不活性ガス中でもよい。不活性ガス中で行なう場合、Ａｌ2Ｏ3多孔体を装填する型の壁面に複数の貫通孔を開けておくと、Ａｌ2Ｏ3多孔体に含まれている不活性ガスの脱離が起こりやすく溶浸反応がスムーズに進行する。
【００３９】
なお、上記の型は、たとえば耐火物などからなる型を用いることができる。
上記のように、本発明の第２工程は、上記Ａｌ2Ｏ3多孔体の表面の一部を拘束することにより、溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金との接触面積を少なくさせた状態でそれを含浸させることが好ましい。
【００４０】
このように、溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金によるＡｌ2Ｏ3多孔体への含浸時において、ＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金はＡｌ2Ｏ3を還元しながらＡｌ2Ｏ3多孔体との接触面を濡らしていくことで、毛細管現象はさらに促進されることになり、また同時に、Ａｌ2Ｏ3多孔体はアモルファススピネルに転化されることになる。なお、上記還元反応は、Ａｌが金属酸化物を還元して自己が酸化される所謂テルミット反応と同様の反応であると推測される。また、前述のように、アモルファススピネルの真密度はおよそ３ｇ／ｃｍ3程度であり、Ａｌ2Ｏ3の真密度（約３．９ｇ／ｃｍ3）よりも小さいため、アモルファススピネルへの転化は体積膨張を伴いながら進行し、Ａｌ2Ｏ3多孔体の相対密度を調整することによりアモルファススピネルを緻密化させることが可能となる。
【００４１】
ここで、溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金の温度は通常７００〜８００℃程度の温度とすることができ、このように当該温度が比較的低温であるためＡｌ2Ｏ3多孔体が転化したスピネル（または亜鉛含有スピネル）はアモルファス（非晶質）状態（すなわちアモルファススピネル）となる。なお、本発明の「アモルファススピネル」という表現は、アモルファス状態のスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）またはアモルファス状態の亜鉛含有スピネル（Ｍｇ1-xＺｎxＡｌ2Ｏ4）を意味するものとする。
【００４２】
一方、本発明の第２工程に要する時間は、０．５〜２時間程度とすることができ、極めて短時間で実行することができるため、製造効率（すなわちエネルギー効率）の向上に大きく貢献するものである。
【００４３】
＜第３工程＞
本発明の第３工程は、上記の第２工程で得られたアモルファススピネルを熱処理することによりそれを結晶化させる工程である。すなわち、この第３工程を経ることにより、本発明のスピネル系セラミックスは、結晶体として得られることになる。本発明のスピネル系セラミックスは、このように結晶体であるが故、高い熱伝導率を有したものとなる。なお、第２工程で得られたアモルファススピネルは、これを一旦冷却した後にこの第３工程を実施しても良いし、特別な冷却操作を経由することなく第２工程に引き続き第３工程を実施しても良い。
【００４４】
ここで、上記熱処理は、１６００℃以上で行なうことが好ましく、より好ましくは１６５０℃以上で行なうことが好適である。１６００℃未満では、アモルファススピネルの結晶化を十分に進行させることができない場合がある。
【００４５】
一方、上記熱処理は、１８５０℃以下の温度で行なうことが好ましい。１８５０℃を超えると、粒成長が顕著となり、割れやクラック等が発生する場合がある。
【００４６】
本発明では、一般に透光性セラミックスを得るために用いる熱間静水圧処理（ＨＩＰ）を行なうことなく緻密な透光性のスピネル系セラミックスを得ることができるが、上記のような熱処理の後に、得られたスピネル系セラミックスが内部に微量の気孔を含んでいる場合もあり、これに起因して透光性が低下する場合がある。このため、スピネル系セラミックスとして特に高い透光性を得る場合には、この熱処理を熱間静水圧処理（ＨＩＰ）とすることが好ましい。すなわち、第２工程で得られたアモルファススピネルを熱間静水圧処理することによりそれを結晶化すれば、熱間静水圧処理の高圧力（１０００〜２０００気圧）によりアモルファススピネル中に存在する気孔を除去することができ、より高い透光性を得ることができる。なお、この熱間静水圧処理時の温度は、上記した温度と同様の温度を採用することが好ましい。
【００４７】
なお、本発明の第３工程における保持時間は、１〜２時間程度とすることができ、極めて短時間で実行することができるため、上記の第２工程の採用と相俟って製造効率（すなわちエネルギー効率）の向上に大きく貢献するものである。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４９】
＜第１工程＞
以下の表１に記載したアルミナ原料粉末（「アルミナ原料粉末１」、「アルミナ原料粉末２」）を用いて、以下の条件でプレス成形することにより、Ａｌ2Ｏ3多孔体を準備した。
【００５０】
「アルミナ原料粉末１」は、純度が９９．９９％以上の化学量論組成の結晶質のＡｌ2Ｏ3であり、表１に記載した密度と各種平均粒径を有している。また、「アルミナ原料粉末２」は、純度が９９．９９％以上のアモルファス状のＡｌ2Ｏ3（ただし過剰酸素を持つため正確には「Ａｌ2Ｏ3.2」と表わされる）であり、表１に記載した密度と平均粒径を有している。
【００５１】
なお、表１中の試料Ｎｏ．３を除き、用いたアルミナ原料粉末は「アルミナ原料粉末１」のみである。試料Ｎｏ．３は、アルミナ原料粉末として「アルミナ原料粉末１」と「アルミナ原料粉末２」との混合粉末を用いており、両者の混合比率は前者８０質量％に対し後者２０質量％である。この混合粉末の平均密度は３．８９ｇ／ｃｍ3であった。
【００５２】
一方、プレス成形の条件は、次のとおりである。すなわち、アルミナ原料粉末に対して３質量％のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）系バインダを加えた後、各種の圧力でプレス成形することにより、直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍのプレス成形体を得た。そして、このプレス成形体をさらに大気中５００℃で１時間加熱することによりＡｌ2Ｏ3多孔体を得た。
【００５３】
得られたＡｌ2Ｏ3多孔体の相対密度Ｄを表１に示す。表１における各相対密度Ｄの相違は、主としてプレス成形時の圧力の相違に基づくものである。
【００５４】
また、表１における「Ｂ／Ａ」は、Ａｌ2Ｏ3の真密度Ａを「３．９ｇ／ｃｍ3」とし、各アモルファススピネルの真密度Ｂを測定すること（すなわち表１に記載された「第２工程」で得られたアモルファススピネルの「密度」（真密度））により、算出した値である。
【００５５】
＜第２工程＞
純度９９．９９％の「Ｍｇ」または「Ｍｇ−Ｚｎ合金」（各６００ｇ）を、ＳＦ6ガス雰囲気中で鉄坩堝に入れて電気炉で溶解し、温度を７７７℃に保持して溶融状態とした。なお、表１中、試料Ｎｏ．１〜４、８〜１２は「Ｍｇ」を用い、試料Ｎｏ．５〜７は「Ｍｇ−Ｚｎ合金」を用いた。「Ｍｇ−Ｚｎ合金」中のＺｎの含有比率は表１に示したとおりである。
【００５６】
一方、上記の第１工程で準備されたＡｌ2Ｏ3多孔体は、直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍの形状を有するため、これを直径２０．１ｍｍ、深さ５ｍｍの型に装填し、一方の面のみがその型により拘束（被覆）されず開放空間となるようにした。
【００５７】
続いて、炉内をロータリーポンプで真空状態まで減圧し、この溶融状態（表１中の「溶浸温度」で保持した状態）にある「Ｍｇ」または「Ｍｇ−Ｚｎ合金」の表面に、上記で準備したＡｌ2Ｏ3多孔体の一面（型で拘束されていない面）を接触させ所定の時間保持することにより、Ａｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態の「Ｍｇ」または「Ｍｇ−Ｚｎ合金」を含浸させた。これにより、Ａｌ2Ｏ3多孔体をアモルファススピネルに転化させることができた。なお、上記の接触保持時間は、表１のとおりである（表１中の「溶浸時間」の欄参照）。
【００５８】
＜第３工程＞
上記の第２工程で得られたアモルファススピネルに対して特別な冷却操作をすることなく、表１に記載した条件で熱処理することにより、アモルファススピネルを結晶化させることにより試料Ｎｏ．１〜１２の本発明のスピネル系セラミックスを得た。
【００５９】
表１中、「熱処理方法」の欄に「常圧」と記載されたものは下記条件の「通常の熱処理」が実施されたことを示し、「ＨＩＰ」と記載されたものは下記条件の「熱間静水圧処理」されたことを示している。
通常の熱処理：大気炉中で、１気圧で１時間、表１に記載した熱処理温度で熱処理した。
熱間静水圧処理：大気炉中で、１０００気圧で１時間、表１に記載した熱処理温度で熱処理した。
【００６０】
＜評価＞
上記で得られたスピネル系セラミックスについて、「相対密度」、「Ｍｇ残存の有無」、および「透光性の有無」を確認し、その結果を表１に示した。
【００６１】
「相対密度」は、各スピネル系セラミックスの結晶体の真密度に対する比率を示している。
【００６２】
「Ｍｇ残存の有無」は、スピネル系セラミックス中に金属の「Ｍｇ」が残存しているか否かを、ＥＤＸ分析（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析）で確認することにより、残存しているものについては「有」、残存していないものについては「無」として表記した。
【００６３】
一方、「透光性の有無」については、得られたスピネル系セラミックスを厚み１ｍｍに加工し、ダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨を行なった後、一方の表面から波長４２０ｎｍの青色光を照射して、他方の面から目視でその青色光を観察することにより、青色光が観察されたものについては「有」、観察されなかったものについては「無」と評価した。
【００６４】
上記より明らかなように、本発明の製造方法によれば、従来のスピネル系セラミックスと同等以上の効果を有するスピネル系セラミックスを極めて短時間に製造することができる。
【００６５】
【表１】
【００６６】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００６７】
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。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学用材料等に好適に用いることができるスピネル系セラミックスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に液晶表示装置等において液晶は、表面を汚れや外気から保護することを目的として、その表面に何らかの保護層を形成させて用いられている。液晶をＣＲＴ等に用いる場合は、そのような保護層として透明プラスチックが用いられておりその目的を達成している。また、携帯電話等における液晶画面の保護は、強度を要求されるためそのような保護層としてガラス等を用いる場合がある。
【０００３】
最近では、このような液晶画面の表裏に透明な保護層（透明基板）を形成することによりその表面を透明化し（このような構造のものを液晶パネルという）、この液晶パネルの一方から光を当て、レンズ等で透過光を調整した液晶プロジェクターが市販されている。このような液晶プロジェクターにおける液晶画面を保護する透明基板は、汚れや外気から単に液晶画面を保護するだけではなく、近接する光源によって液晶画面が加熱されることを防止する断熱的な保護と、該光源からの光により液晶画面に発生する吸熱現象に伴う昇温を放熱する放熱目的とを兼ね備えることが要求される。そして、該透明基板自体も昇温するため、このような透明基板には耐熱性も要求される。
【０００４】
したがって、このような用途における透明基板としては通常ガラスを用いることが考えられるところ、通常のガラスの熱伝導性を２０〜３０倍程度向上させた単結晶サファイアを使用することが提案されている（特許文献１）。このような単結晶サファイアは、強度も高く石英ガラスに比べ非常に硬いため、透明基板を薄くすることができるというメリットも期待される。また、このような単結晶サファイアは非常に高価であるため、それ単独で用いることは経済的に困難であるが、ガラスと併用することによりこの問題は解消することができるとされている。
【０００５】
このように単結晶サファイアは、高価であるものの耐熱性と光透過性、および液晶の温度上昇を抑える等の液晶プロジェクター用の透明基板に要求される諸特性を備えるためその使用が期待されてきた。しかしながら、単結晶サファイアには複屈折なる特性があるため、液晶プロジェクターの組み立て時において結晶軸の方位を合わせる等の複雑な作業を要し、製造効率を低下させるとともに単結晶サファイア自体が高価であるということと相俟って製造コストを高騰させるという問題があった。
【０００６】
この問題を解決するために、複屈折性を有さずかつ安価な透明基板材料として適する様々な物質が検討されており、そのような物質のひとつとして透光性セラミックスであるスピネルセラミックスが提案されている（特許文献２）。このスピネルセラミックスは、化学式ＭｇＡｌ2Ｏ4で示される立方晶セラミックスであり、熱伝導率が高く透明な材料である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２８４７００号公報
【特許文献２】特開２００７−０６５６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
スピネルセラミックスは、原料粉末であるＡｌ2Ｏ3やＭｇＯを混合し、成形した後、１５００℃以上の高温で焼結して作製される。しかし、焼結温度が非常に高温であり、かつ少なくとも数時間を要するため極めて製造効率が悪いという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、極めて製造効率の高いスピネル系セラミックスの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】
【００１０】
本発明のスピネル系セラミックスの製造方法は、Ａｌ2Ｏ3多孔体を準備する第１工程と、該Ａｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態のＭｇを含浸させることにより、該Ａｌ2Ｏ3多孔体をアモルファススピネルに転化する第２工程と、該アモルファススピネルを熱処理することによりそれを結晶化させる第３工程と、を含むことを特徴としている。
【００１１】
ここで、上記第２工程は、上記Ａｌ2Ｏ3多孔体の表面の一部を拘束することにより、溶融状態のＭｇとの接触面積を少なくさせた状態でそれを含浸させることが好ましい。
【００１２】
また、本発明のスピネル系セラミックスの製造方法は、上記第２工程において、溶融状態のＭｇに換えて溶融状態のＭｇ−Ｚｎ合金を含浸させることもできる。この場合、該Ｍｇ−Ｚｎ合金は、Ｚｎの含有比率が５５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
【００１３】
また、上記第３工程は、１６５０℃以上の熱処理を行なうことが好ましく、また上記第３工程の熱処理は、熱間静水圧処理であることが好ましい。
【００１４】
一方、上記Ａｌ2Ｏ3多孔体は、以下の関係式を満たす相対密度Ｄを有することが好ましい。
【００１５】
０．９６×Ｂ／Ａ≦Ｄ≦Ｂ／Ａ
（上記式中、ＡはＡｌ2Ｏ3の真密度を示し、Ｂは上記アモルファススピネルの真密度を示す。）
また、上記Ａｌ2Ｏ3多孔体は、過剰酸素を持つＡｌ2Ｏ3を含むことが好ましく、平均粒径が５μｍ以下のＡｌ2Ｏ3微粒子を用いて成形されたものであることが好ましい。そして、そのＡｌ2Ｏ3微粒子は、平均粒径が０．５μｍ以下であることがより好ましい。
【００１６】
なお、このような製造方法で製造される本発明のスピネル系セラミックスは、透光性セラミックスとすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のスピネル系セラミックスの製造方法は、上記のような構成を有することにより、その製造効率が極めて良好であるという特徴を有する。すなわち、本発明のスピネル系セラミックスの製造方法は、極めて短時間にスピネル系セラミックスを製造することができるという特徴を有する。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜スピネル系セラミックスの製造方法＞
本発明に係るスピネル系セラミックスの製造方法は、Ａｌ2Ｏ3多孔体を準備する第１工程と、該Ａｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態のＭｇを含浸させることにより、該多孔体をアモルファススピネルに転化する第２工程と、該アモルファススピネルを熱処理することによりそれを結晶化させる第３工程と、を含むことを特徴としている。なお、上記第２工程は、溶融状態のＭｇに換えて溶融状態のＭｇ−Ｚｎ合金を含浸させることもできる。
【００１９】
このような本発明の製造方法は、上記の第１工程、第２工程、および第３工程を含む限り、他の任意の工程を含んでいても本発明の範囲を逸脱するものではない。以下、まず本発明が対象とするスピネル系セラミックスの説明を行なった後、各工程について説明する。
【００２０】
＜スピネル系セラミックス＞
本発明が対象とするスピネル系セラミックスには、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）だけではなく、このスピネルの「Ｍｇ」の一部を「Ｚｎ」で置き換えてなる亜鉛含有スピネル（Ｍｇ1-xＺｎxＡｌ2Ｏ4）も含まれる（なお、亜鉛含有スピネルの詳細は後述する）。
【００２１】
すなわち、このようなスピネル系セラミックスは、スピネルの結晶体または亜鉛含有スピネルの結晶体を意味するものである。
【００２２】
本発明のスピネル系セラミックスは、透光性を有していること（すなわち透光性セラミックスであること）が好ましく、このように透光性を有する場合には、たとえば液晶プロジェクター用の透明基板等の光学用材料として好適に用いることができる。
【００２３】
＜第１工程＞
本発明の第１工程は、Ａｌ2Ｏ3多孔体を準備する工程である。ここで、Ａｌ2Ｏ3多孔体とは、多数の気孔を有したアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）をいう。気孔の大きさおよびその含有率は、特に限定されることはないが、１０ｎｍ〜５０００ｎｍ程度の気孔を有し、相対密度（Ａｌ2Ｏ3の真密度（約３．９ｇ／ｃｍ3）に対する比率）が０．６７〜０．７７程度であるものが好ましい。
【００２４】
そして、特にこのＡｌ2Ｏ3多孔体の相対密度Ｄは、以下の関係式を満たすことが好ましい。
【００２５】
０．９６×Ｂ／Ａ≦Ｄ≦Ｂ／Ａ
上記式中、ＡはＡｌ2Ｏ3の真密度を示し、Ｂは後述のアモルファススピネルの真密度を示す。アモルファススピネルの真密度（約３ｇ／ｃｍ3程度）は、Ａｌ2Ｏ3の真密度よりも小さいため、Ａｌ2Ｏ3多孔体のアモルファススピネルへの転化（後述の第２工程）は体積膨張を伴いながら進行する。したがって、上記ＤをＢ／Ａに近接させて設定するとアモルファススピネルの緻密性が向上するため好ましく、上記ＤがＢ／Ａと等しくなる場合、理論的にアモルファススピネルの相対密度は１となる。一方、上記Ｄが０．９６×Ｂ／Ａ未満になると、アモルファススピネルに多数の気孔が生じることとなり、緻密性の高いアモルファススピネルを得ることが困難となる。
【００２６】
なお、このようなアモルファススピネルの真密度は、アモルファス構造の違いに依存して変化するとともに、後述の第２工程の還元反応の温度によっても若干変化する。また、Ｚｎを含有するアモルファススピネルは真密度が増大する傾向を示す。このようなアモルファススピネルの真密度は、通常のアルキメデス法により測定することができる。
【００２７】
本発明の第１工程で用いられるＡｌ2Ｏ3多孔体は、たとえばＡｌ2Ｏ3粉末をプレス等で適度に成形することにより準備することができるが、このような方法のみに限られるものではない。Ａｌ2Ｏ3多孔体をこのようなプレス成形法で準備する場合、プレス成形時の圧力を調整したり、Ａｌ2Ｏ3粉末の粒度を調整することにより、Ａｌ2Ｏ3多孔体の上記相対密度Ｄを好適に制御することができる。このようなプレス成形法は、加熱処理を伴うことができるとともに、Ａｌ2Ｏ3粉末とともにバインダを併用することもできる。
【００２８】
ここで、Ａｌ2Ｏ3多孔体の相対密度Ｄについてさらに詳細に説明すると、たとえば、後述のアモルファススピネルの真密度が２．８ｇ／ｃｍ3である場合、Ａｌ2Ｏ3多孔体の相対密度Ｄを約０．７２に制御すれば、このアモルファススピネルの相対密度は理論上１となるため、この相対密度Ｄを０．７２に調整することが好ましい。しかしながら、０．７２という相対密度Ｄは、セラミックス粉末のプレス成形体としてはかなり高い数値であるため、このように高い相対密度Ｄを得るためには、微粒のＡｌ2Ｏ3粉末と粗粒のＡｌ2Ｏ3粉末とを混合した微粗混粉末を用いてプレス成形することによりＡｌ2Ｏ3多孔体を準備することが特に好ましい。
【００２９】
さらにまた、このようなＡｌ2Ｏ3粉末として、平均粒径が５μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以下のＡｌ2Ｏ3微粒子を用いてＡｌ2Ｏ3多孔体を成形すると、後述の第２工程における溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金の含浸速度が向上するため好ましい。
【００３０】
一方、Ａｌ2Ｏ3多孔体が、過剰酸素を持つＡｌ2Ｏ3を含むと、ＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金が酸化されずに金属として残存することを防止することができる。このようにＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金が酸化されずに金属として最終生成物であるスピネル系セラミックス中に残存すると、透光性を低減する場合が多い。このため、Ａｌ2Ｏ3多孔体を構成するＡｌ2Ｏ3が過剰酸素を持つか、またはＡｌの格子欠陥を含むことが好ましい。
【００３１】
なお、上記の過剰酸素量またはＡｌ格子欠損量は、Ａｌ2Ｏ3に対して０．５〜２ｍｏｌ％含むことが好ましい。０．５ｍｏｌ％未満では、上記のような効果を明瞭に示さない場合があり、また２ｍｏｌ％を超えるＡｌ2Ｏ3を準備することは困難であるためである。
【００３２】
＜第２工程＞
本発明の第２工程は、上記の第１工程で準備されたＡｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態のＭｇを含浸させることにより、該Ａｌ2Ｏ3多孔体をアモルファススピネルに転化する工程である。ここで、溶融状態のＭｇに換えて溶融状態のＭｇ−Ｚｎ合金を含浸させることもできる。
【００３３】
この第２工程において、溶融状態のＭｇを含浸させると最終的に得られるスピネル系セラミックスはスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）の結晶体となり、一方、溶融状態のＭｇ−Ｚｎ合金を含浸させると最終的に得られるスピネル系セラミックスは亜鉛含有スピネル（Ｍｇ1-xＺｎxＡｌ2Ｏ4）の結晶体となる。したがって、目的とするスピネル系セラミックスの組成に応じて、Ｍｇを使用するか、あるいはＭｇ−Ｚｎ合金を使用するかを選択することができる。
【００３４】
ここで、上記Ｍｇ1-xＺｎxＡｌ2Ｏ4におけるｘは、０＜ｘ≦０．５５とすることが好ましい。ｘが０．５５を超えると、上記Ｍｇ−Ｚｎ合金のＺｎの含有比率を高める必要が生じるが、Ｚｎの含有比率を高めると、溶融状態のＭｇ−Ｚｎ合金と上記Ａｌ2Ｏ3多孔体との濡れ性が低下する傾向を示し、緻密なアモルファススピネルを得ることができなくなる場合がある。この点、上記Ｍｇ−Ｚｎ合金のＺｎの含有比率は、５５ｍｏｌ％以下とすることが好ましく、より好ましくは４５ｍｏｌ％以下とすることが好適である。
【００３５】
このような本発明の第２工程においては、Ａｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金を接触させるだけで、毛細管現象によりＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金はＡｌ2Ｏ3多孔体の内部にまで浸入し、以ってＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金はＡｌ2Ｏ3多孔体に含浸されることとなる。
【００３６】
なお、この時、Ａｌ2Ｏ3多孔体の形状とほぼ同じ形状の型にＡｌ2Ｏ3多孔体を装填することにより、ＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金との接触部分を少なくすることが好ましい。たとえば、Ａｌ2Ｏ3多孔体が直方体形状の場合、６面の内の５面を型で拘束（被覆）するようにしておくことが好ましい。すなわち、Ａｌ2Ｏ3多孔体がアモルファススピネルに転化する際の体積膨張挙動を、当該多孔体の内部に向かって生じさせることが重要である。このような処理をすることにより、浸入した溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金はＡｌ2Ｏ3多孔体と反応して当該多孔体の気孔部を埋めるようにして反応が進行していく。
【００３７】
Ａｌ2Ｏ3多孔体の表面部が外部に開放されている一面（すなわち上記の型で拘束されていない面）を、温度が７００〜８００℃程度の溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金に接触させると、毛細管現象により溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金が当該多孔体内部に浸入していくが、このときいわゆるテルミット反応（後述）が起こり、ＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金はＡｌ2Ｏ3を還元しながらＡｌ2Ｏ3表面を濡らしていくことで、毛細管現象が促進される。同時に、Ａｌ2Ｏ3多孔体はアモルファススピネルに転化していく。
【００３８】
また、このようなＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金の溶浸は真空で行なうことが好ましいが、不活性ガス中でもよい。不活性ガス中で行なう場合、Ａｌ2Ｏ3多孔体を装填する型の壁面に複数の貫通孔を開けておくと、Ａｌ2Ｏ3多孔体に含まれている不活性ガスの脱離が起こりやすく溶浸反応がスムーズに進行する。
【００３９】
なお、上記の型は、たとえば耐火物などからなる型を用いることができる。
上記のように、本発明の第２工程は、上記Ａｌ2Ｏ3多孔体の表面の一部を拘束することにより、溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金との接触面積を少なくさせた状態でそれを含浸させることが好ましい。
【００４０】
このように、溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金によるＡｌ2Ｏ3多孔体への含浸時において、ＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金はＡｌ2Ｏ3を還元しながらＡｌ2Ｏ3多孔体との接触面を濡らしていくことで、毛細管現象はさらに促進されることになり、また同時に、Ａｌ2Ｏ3多孔体はアモルファススピネルに転化されることになる。なお、上記還元反応は、Ａｌが金属酸化物を還元して自己が酸化される所謂テルミット反応と同様の反応であると推測される。また、前述のように、アモルファススピネルの真密度はおよそ３ｇ／ｃｍ3程度であり、Ａｌ2Ｏ3の真密度（約３．９ｇ／ｃｍ3）よりも小さいため、アモルファススピネルへの転化は体積膨張を伴いながら進行し、Ａｌ2Ｏ3多孔体の相対密度を調整することによりアモルファススピネルを緻密化させることが可能となる。
【００４１】
ここで、溶融状態のＭｇまたはＭｇ−Ｚｎ合金の温度は通常７００〜８００℃程度の温度とすることができ、このように当該温度が比較的低温であるためＡｌ2Ｏ3多孔体が転化したスピネル（または亜鉛含有スピネル）はアモルファス（非晶質）状態（すなわちアモルファススピネル）となる。なお、本発明の「アモルファススピネル」という表現は、アモルファス状態のスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）またはアモルファス状態の亜鉛含有スピネル（Ｍｇ1-xＺｎxＡｌ2Ｏ4）を意味するものとする。
【００４２】
一方、本発明の第２工程に要する時間は、０．５〜２時間程度とすることができ、極めて短時間で実行することができるため、製造効率（すなわちエネルギー効率）の向上に大きく貢献するものである。
【００４３】
＜第３工程＞
本発明の第３工程は、上記の第２工程で得られたアモルファススピネルを熱処理することによりそれを結晶化させる工程である。すなわち、この第３工程を経ることにより、本発明のスピネル系セラミックスは、結晶体として得られることになる。本発明のスピネル系セラミックスは、このように結晶体であるが故、高い熱伝導率を有したものとなる。なお、第２工程で得られたアモルファススピネルは、これを一旦冷却した後にこの第３工程を実施しても良いし、特別な冷却操作を経由することなく第２工程に引き続き第３工程を実施しても良い。
【００４４】
ここで、上記熱処理は、１６００℃以上で行なうことが好ましく、より好ましくは１６５０℃以上で行なうことが好適である。１６００℃未満では、アモルファススピネルの結晶化を十分に進行させることができない場合がある。
【００４５】
一方、上記熱処理は、１８５０℃以下の温度で行なうことが好ましい。１８５０℃を超えると、粒成長が顕著となり、割れやクラック等が発生する場合がある。
【００４６】
本発明では、一般に透光性セラミックスを得るために用いる熱間静水圧処理（ＨＩＰ）を行なうことなく緻密な透光性のスピネル系セラミックスを得ることができるが、上記のような熱処理の後に、得られたスピネル系セラミックスが内部に微量の気孔を含んでいる場合もあり、これに起因して透光性が低下する場合がある。このため、スピネル系セラミックスとして特に高い透光性を得る場合には、この熱処理を熱間静水圧処理（ＨＩＰ）とすることが好ましい。すなわち、第２工程で得られたアモルファススピネルを熱間静水圧処理することによりそれを結晶化すれば、熱間静水圧処理の高圧力（１０００〜２０００気圧）によりアモルファススピネル中に存在する気孔を除去することができ、より高い透光性を得ることができる。なお、この熱間静水圧処理時の温度は、上記した温度と同様の温度を採用することが好ましい。
【００４７】
なお、本発明の第３工程における保持時間は、１〜２時間程度とすることができ、極めて短時間で実行することができるため、上記の第２工程の採用と相俟って製造効率（すなわちエネルギー効率）の向上に大きく貢献するものである。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４９】
＜第１工程＞
以下の表１に記載したアルミナ原料粉末（「アルミナ原料粉末１」、「アルミナ原料粉末２」）を用いて、以下の条件でプレス成形することにより、Ａｌ2Ｏ3多孔体を準備した。
【００５０】
「アルミナ原料粉末１」は、純度が９９．９９％以上の化学量論組成の結晶質のＡｌ2Ｏ3であり、表１に記載した密度と各種平均粒径を有している。また、「アルミナ原料粉末２」は、純度が９９．９９％以上のアモルファス状のＡｌ2Ｏ3（ただし過剰酸素を持つため正確には「Ａｌ2Ｏ3.2」と表わされる）であり、表１に記載した密度と平均粒径を有している。
【００５１】
なお、表１中の試料Ｎｏ．３を除き、用いたアルミナ原料粉末は「アルミナ原料粉末１」のみである。試料Ｎｏ．３は、アルミナ原料粉末として「アルミナ原料粉末１」と「アルミナ原料粉末２」との混合粉末を用いており、両者の混合比率は前者８０質量％に対し後者２０質量％である。この混合粉末の平均密度は３．８９ｇ／ｃｍ3であった。
【００５２】
一方、プレス成形の条件は、次のとおりである。すなわち、アルミナ原料粉末に対して３質量％のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）系バインダを加えた後、各種の圧力でプレス成形することにより、直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍのプレス成形体を得た。そして、このプレス成形体をさらに大気中５００℃で１時間加熱することによりＡｌ2Ｏ3多孔体を得た。
【００５３】
得られたＡｌ2Ｏ3多孔体の相対密度Ｄを表１に示す。表１における各相対密度Ｄの相違は、主としてプレス成形時の圧力の相違に基づくものである。
【００５４】
また、表１における「Ｂ／Ａ」は、Ａｌ2Ｏ3の真密度Ａを「３．９ｇ／ｃｍ3」とし、各アモルファススピネルの真密度Ｂを測定すること（すなわち表１に記載された「第２工程」で得られたアモルファススピネルの「密度」（真密度））により、算出した値である。
【００５５】
＜第２工程＞
純度９９．９９％の「Ｍｇ」または「Ｍｇ−Ｚｎ合金」（各６００ｇ）を、ＳＦ6ガス雰囲気中で鉄坩堝に入れて電気炉で溶解し、温度を７７７℃に保持して溶融状態とした。なお、表１中、試料Ｎｏ．１〜４、８〜１２は「Ｍｇ」を用い、試料Ｎｏ．５〜７は「Ｍｇ−Ｚｎ合金」を用いた。「Ｍｇ−Ｚｎ合金」中のＺｎの含有比率は表１に示したとおりである。
【００５６】
一方、上記の第１工程で準備されたＡｌ2Ｏ3多孔体は、直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍの形状を有するため、これを直径２０．１ｍｍ、深さ５ｍｍの型に装填し、一方の面のみがその型により拘束（被覆）されず開放空間となるようにした。
【００５７】
続いて、炉内をロータリーポンプで真空状態まで減圧し、この溶融状態（表１中の「溶浸温度」で保持した状態）にある「Ｍｇ」または「Ｍｇ−Ｚｎ合金」の表面に、上記で準備したＡｌ2Ｏ3多孔体の一面（型で拘束されていない面）を接触させ所定の時間保持することにより、Ａｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態の「Ｍｇ」または「Ｍｇ−Ｚｎ合金」を含浸させた。これにより、Ａｌ2Ｏ3多孔体をアモルファススピネルに転化させることができた。なお、上記の接触保持時間は、表１のとおりである（表１中の「溶浸時間」の欄参照）。
【００５８】
＜第３工程＞
上記の第２工程で得られたアモルファススピネルに対して特別な冷却操作をすることなく、表１に記載した条件で熱処理することにより、アモルファススピネルを結晶化させることにより試料Ｎｏ．１〜１２の本発明のスピネル系セラミックスを得た。
【００５９】
表１中、「熱処理方法」の欄に「常圧」と記載されたものは下記条件の「通常の熱処理」が実施されたことを示し、「ＨＩＰ」と記載されたものは下記条件の「熱間静水圧処理」されたことを示している。
通常の熱処理：大気炉中で、１気圧で１時間、表１に記載した熱処理温度で熱処理した。
熱間静水圧処理：大気炉中で、１０００気圧で１時間、表１に記載した熱処理温度で熱処理した。
【００６０】
＜評価＞
上記で得られたスピネル系セラミックスについて、「相対密度」、「Ｍｇ残存の有無」、および「透光性の有無」を確認し、その結果を表１に示した。
【００６１】
「相対密度」は、各スピネル系セラミックスの結晶体の真密度に対する比率を示している。
【００６２】
「Ｍｇ残存の有無」は、スピネル系セラミックス中に金属の「Ｍｇ」が残存しているか否かを、ＥＤＸ分析（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析）で確認することにより、残存しているものについては「有」、残存していないものについては「無」として表記した。
【００６３】
一方、「透光性の有無」については、得られたスピネル系セラミックスを厚み１ｍｍに加工し、ダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨を行なった後、一方の表面から波長４２０ｎｍの青色光を照射して、他方の面から目視でその青色光を観察することにより、青色光が観察されたものについては「有」、観察されなかったものについては「無」と評価した。
【００６４】
上記より明らかなように、本発明の製造方法によれば、従来のスピネル系セラミックスと同等以上の効果を有するスピネル系セラミックスを極めて短時間に製造することができる。
【００６５】
【表１】
【００６６】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００６７】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピネル系セラミックスの製造方法であって、
Ａｌ2Ｏ3多孔体を準備する第１工程と、
前記Ａｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態のＭｇを含浸させることにより、前記Ａｌ2Ｏ3多孔体をアモルファススピネルに転化する第２工程と、
前記アモルファススピネルを熱処理することによりそれを結晶化させる第３工程と、
を含むスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項２】
前記第２工程は、前記Ａｌ2Ｏ3多孔体の表面の一部を拘束することにより、溶融状態のＭｇとの接触面積を少なくさせた状態でそれを含浸させる、請求項１記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項３】
前記第２工程において、溶融状態のＭｇに換えて溶融状態のＭｇ−Ｚｎ合金を含浸させる、請求項１または２に記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項４】
前記Ｍｇ−Ｚｎ合金は、Ｚｎの含有比率が５５ｍｏｌ％以下である、請求項３記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項５】
前記第３工程は、１６５０℃以上の熱処理を行なう、請求項１〜４のいずれかに記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項６】
前記第３工程の熱処理は、熱間静水圧処理である、請求項１〜５のいずれかに記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項７】
前記Ａｌ2Ｏ3多孔体は、以下の関係式を満たす相対密度Ｄを有する、請求項１〜６のいずれかに記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
０．９６×Ｂ／Ａ≦Ｄ≦Ｂ／Ａ
（上記式中、ＡはＡｌ2Ｏ3の真密度を示し、Ｂは前記アモルファススピネルの真密度を示す。）
【請求項８】
前記Ａｌ2Ｏ3多孔体は、過剰酸素を持つＡｌ2Ｏ3を含む、請求項１〜７のいずれかに記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項９】
前記Ａｌ2Ｏ3多孔体は、平均粒径が５μｍ以下のＡｌ2Ｏ3微粒子を用いて成形されたものである、請求項１〜８のいずれかに記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項１０】
前記Ａｌ2Ｏ3微粒子は、平均粒径が０．５μｍ以下である、請求項９記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項１１】
前記スピネル系セラミックスは、透光性セラミックスである、請求項１〜１０のいずれかに記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項１】
スピネル系セラミックスの製造方法であって、
Ａｌ2Ｏ3多孔体を準備する第１工程と、
前記Ａｌ2Ｏ3多孔体に溶融状態のＭｇを含浸させることにより、前記Ａｌ2Ｏ3多孔体をアモルファススピネルに転化する第２工程と、
前記アモルファススピネルを熱処理することによりそれを結晶化させる第３工程と、
を含むスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項２】
前記第２工程は、前記Ａｌ2Ｏ3多孔体の表面の一部を拘束することにより、溶融状態のＭｇとの接触面積を少なくさせた状態でそれを含浸させる、請求項１記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項３】
前記第２工程において、溶融状態のＭｇに換えて溶融状態のＭｇ−Ｚｎ合金を含浸させる、請求項１または２に記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項４】
前記Ｍｇ−Ｚｎ合金は、Ｚｎの含有比率が５５ｍｏｌ％以下である、請求項３記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項５】
前記第３工程は、１６５０℃以上の熱処理を行なう、請求項１〜４のいずれかに記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項６】
前記第３工程の熱処理は、熱間静水圧処理である、請求項１〜５のいずれかに記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項７】
前記Ａｌ2Ｏ3多孔体は、以下の関係式を満たす相対密度Ｄを有する、請求項１〜６のいずれかに記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
０．９６×Ｂ／Ａ≦Ｄ≦Ｂ／Ａ
（上記式中、ＡはＡｌ2Ｏ3の真密度を示し、Ｂは前記アモルファススピネルの真密度を示す。）
【請求項８】
前記Ａｌ2Ｏ3多孔体は、過剰酸素を持つＡｌ2Ｏ3を含む、請求項１〜７のいずれかに記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項９】
前記Ａｌ2Ｏ3多孔体は、平均粒径が５μｍ以下のＡｌ2Ｏ3微粒子を用いて成形されたものである、請求項１〜８のいずれかに記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項１０】
前記Ａｌ2Ｏ3微粒子は、平均粒径が０．５μｍ以下である、請求項９記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【請求項１１】
前記スピネル系セラミックスは、透光性セラミックスである、請求項１〜１０のいずれかに記載のスピネル系セラミックスの製造方法。
【公開番号】特開２０１０−２５４５２３（Ｐ２０１０−２５４５２３Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０６６４６（Ｐ２００９−１０６６４６）
【出願日】平成２１年４月２４日（２００９．４．２４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２４日（２００９．４．２４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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