JP2620287B2 - 透光性スピネル焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は透光性にすぐれた多結晶スピネル結晶体の
製造方法に係り、特に波長２〜４μｍの中赤外領域での
赤外光透過窓として好適な高密度のスピネル結晶体の製
造方法に関するものである。

＜従来の技術＞ スピネル（MgAl₂O₄）は結晶型が立方晶であるため、
粒界散乱が起こりにくく、従来各種の製法によって透光
性焼結体を得る試みがなされている。

例えば特開昭47−6028号公報に示されるように、弗化
リチウム（LiF）を添加して真空中でホットプレスする
方法や、特開昭59−121158号公報に示されるようにアル
コキシドを加水分解して得られた微粉末にLiFを添加し
て所定形状に成形したのち、水素中において焼結する方
法、さらに高純度MgAl₂O₄原料とアルコキシド法にて得
た超微粒子Al₂O₃との混合物を成形した後真空または水
素雰囲気中で焼成する方法（特開昭62−72556号）など
が知られている。この、いわゆる常圧焼結法（無加圧焼
結法）では、焼結助剤を添加することが必要であり、上
記のLiFのほかに酸化カルシウム（CaO）も有効であるこ
とが知られている。また常圧焼結法においては、Al₂O₃
とMgOの組成比がモル比で0.5:0.5の等モル比の焼結体の
ほかに、MgO過剰あるいはAl₂O₃が僅かに過剰の組成の焼
結体がある。

＜発明が解決しようとする課題＞ 従来の真空中におけるホットプレス方法は、高温、高
圧力を要するため、設備が大型化し、生産性が悪く、高
価となる欠点がある。また、形状的にも円板状のものは
得られるが、異形品は歩留りよく作ることができないと
いう問題があった。

また、常圧焼結法では空孔が残留しやすいため、透光
性のレベルが低く、焼結助剤を添加したり、モル比を変
化させた場合にも第２相が出現しやすく、これらの組織
的不均一性により光が散乱され、直線透過率が低下する
という欠点があった。

従来法による透光性スピネル焼結体の直線透過率は厚
さ1mmで75〜85％程度であったが、赤外光透過窓として
は厚さ2mm以上で使用される用途もあり、透光性の向上
が必要であった。

＜課題を解決するための手段＞ この発明は上記従来法の課題を解決するべく検討の結
果、焼結の際に炉内に高圧ガスを導入することにより、
さらに高密度化を促進し、透光性にすぐれたスピネル焼
結体を効率よくしかも安価に製造する方法を見出したの
である。

即ち、この発明は純度99.9％以上、比表面積10m²/g
（BET値）以上の高純度で、かつ微細なスピネル粉末を
圧力1.0ton/cm²以上で静圧成形し、成形比重を2.0以上
の成形体としたのち、真空またはは水素またはヘリウム
の雰囲気中で1400〜1800℃の範囲で２〜24時間多段階焼
結して理論密度の95％以上に高密度化し、次いで炉内に
圧力10〜150kg/cm²の高圧の窒素ガス、アルゴンガス、
ヘリウムガスまたはこれらの混合ガスを投入することに
より、さらに高密度で透光性にすぐれた透光性スピネル
焼結体を得ることのできる製造方法を提供するものであ
る。

＜作用＞ この発明において、焼結時に炉内に投入された高圧ガ
スは、焼結により95％以上に高密度化したスピネル焼結
体の表面を等方的に圧縮する方向に加圧するため、スピ
ネル焼結体の空孔の拡散除去が促進され、さらに高密度
化が達成される。これが透光性の向上に有効に寄与する
のである。高圧ガス投入前の密度が95％未満の場合に
は、残留空孔がいわゆる開気孔状態となって高圧ガスが
焼結体内部に侵入してしまうため、高密度化が十分に進
行しない。

高圧ガスはスピネル焼結体に対して等方的に働くた
め、従来のホットプレス法による上下方向のみの加圧よ
りも均一に高密度化が進行し、透光性のバラツキが小さ
くなる。

高圧ガスの圧力は10〜150kg/cm²であるため、通常の
高圧ボンベをそのまま使用することができ、特別な加圧
装置を必要としないため設備コストが比較的安価にでき
る。

高圧ガスの種類は窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴン
ガスまたはこれらの混合ガス等の不活性ガスを用いるの
が安全で取扱いやすい。しかし、若干の水素を含有する
ガスも使用することができる。

高圧ガス投入前の焼結は多段階で行なわれるが、スピ
ネル成形体の焼結による高密度化過程において残留空孔
の内部に窒素、アルゴン等の分子径の大きなガスが取り
込まれることは以後の高密度化を阻害するので、この焼
結は真空雰囲気または分子径の小さな水素やヘリウム雰
囲気が望ましい。

そして焼結条件としては1400〜1800℃で２〜24時間が
好ましく、第１段階の焼結で理論密度の95％以上に高密
度化される。

またCaOまたはLiFなどの焼結助剤を添加した場合は４
〜10時間程度の短時間保持でも95％以上の高密度焼結を
容易に達成することができる。

この発明において使用するスピネル粉末は純度99.9％
以上で比表面積が10m²/g（BET値）以上であることが望
ましい。

これは一次粒子の粒径がおそよ0.2μｍ以下であるこ
とを示しており、上記の焼結条件で緻密な焼結体を得る
ためには必要な条件である。また純度を99.9％以上とす
るのは、不純物が多く含有していると、たとえ十分な高
密度化焼結体が得られたとしても不純物吸収により透光
性の低下をもたらすためである。

特に鉄などの遷移金属元素を含むことは好ましくな
い。

なお原料粉末としてはアルコキシド等の加水分解によ
るものが適当である。

上記したこの発明の製造方法によると、波長３〜４μ
ｍの赤外光による厚さ2mmの直線透過率が75％以上の透
光性スピネル焼結体を得ることができる。

＜実施例＞ 以下、この発明を実施例により詳細に説明する。

純度99.9％、比表面積14m²/g（BET値）の高純度スピ
ネル粉末にLiFを0.2％添加し、アルミナボールを用いて
24時間湿式混合した。この混合粉末を乾燥後、直径30mm
のゴムモールドを用いて2.0ton/cm²で静圧成形を行な
い、比重2.2の成形体を得た。

この成形体を水素炉中で1100℃で３時間仮焼結した。
さらにこの焼結体を別の炉に装入し、真空中で1100℃で
２時間保持した後、１気圧のヘリウムガス中で1700℃で
10時間保持した。その後、直ちに圧力100kg/cm²のアル
ゴンガスを炉内に投入し、1700℃で１時間保持した。

かくして得られたスピネル焼結体を厚さ2mmtに鏡面研
磨加工し、赤外分光光度計で透過率を測定したところ、
波長３〜４μｍの赤外領域で82％の良好な透光性を示し
た。

＜発明の効果＞ 以上説明したように、この発明によればスピネル成形
体の焼結工程において炉内に高圧ガスを投入することに
より、高密度でかつ透光性にすぐれたスピネル焼結体を
効率よく得ることができるのである。

また、この発明により得られる透光性スピネル焼結体
は、透光性にすぐれているため2mm以上の厚肉で使用さ
れる赤外光透過窓材として有用である。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高純度かつ微細なマグネシア−アルミナス
   ピネル粉末を圧力1.0ton/cm²以上で静圧成形し、成形比
   重を2.0以上としたのち、真空または水素またはヘリウ
   ムの雰囲気中で1400〜1800℃の範囲で２〜24時間焼結し
   て理論密度の95％以上に高密度化し、次いで炉内に10kg
   /cm²以上の高圧ガスを投入してさらに高密度で透光性に
   すぐれた焼結体とすることを特徴とする透光性スピネル
   焼結体の製造方法。
2. 【請求項２】スピネル粉末は純度99.9％以上で比表面積
   10m²/g以上であることを特徴とする請求項（１）記載の
   透光性スピネル焼結体の製造方法。