JP2002173364A - リチウムアルミノシリケート系セラミックス - Google Patents
リチウムアルミノシリケート系セラミックスInfo
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Abstract
GPa、0〜20℃での熱膨張率−1.3〜+2.0×
10-6/℃、平均結晶粒径が1.0〜2.3μmである
軽量低熱膨張セラミックスを提供する。 【解決手段】リチウムアルミノシリケートを主成分と
し、副成分として周期律表2a族元素の酸化物、酸化チ
タニウムのいずれか1種を6〜45重量%を含有させ
る。または、リチウムアルミノシリケートを主成分と
し、副成分として周期律表2a族元素の酸化物、酸化チ
タニウムのうち、いずれか2種以上を2.5〜45重量
%含有させる。
Description
適したリチウムアルミノシリケート系セラミックスに関
する。
な寸法変化が少なく、変形しにくいという理由で、アル
ミナ系セラミックスや窒化珪素系セラミックスが広く用
いられている。
系セラミックスは、コージェライト粉末あるいはコージ
ェライトを形成するMgO、Al2O3、SiO2粉末を
配合、合成して、これに焼結助剤として希土類酸化物や
CaO、SiO2、MgOなどを添加し、所定形状に成
形後、1000〜1400℃の温度で焼成することによ
って得られる(特公昭57−3629号、特開平2−2
29760号各公報参照)。
チウムアルミノシリケート(以降、LASと表記)系セ
ラミックスがよく知られている。LAS系セラミックス
の一種であるβ−スポジュメンについては、天然原料を
使用して、所定形状に成形後、1100〜1400℃で
焼成することによって得られる(特公昭53−9605
号、特公昭56−16407号各公報参照)。
一般に用いられてきたアルミナ系セラミックスは比重が
3.8、窒化珪素系セラミックスは比重が3.0と、金
属に較べて低いものの、機器の大型化に伴う重量の増加
を抑えるため、更に軽量な素材が必要とされるようにな
ってきている。また、測定温度範囲0〜20℃における
アルミナ系セラミックスの熱膨張率は約5.0×10-6
/℃、窒化珪素系セラミックスの熱膨張率は約1.5×
10-6/℃であるが、より低熱膨張の材料が必要とされ
ている。
料の特性は、低比重、低熱膨張、高剛性である。
ト系セラミックスは、比重が2.6〜2.7と低いもの
の、ヤング率が70〜90GPaと低く、このヤング率
では、精密機器用部品として用いる場合、たわみによる
変形や部材の固有振動数低下に伴う共振発生という課題
があった。
物を焼結助剤とするコージェライト系セラミックスは、
比重2.7、熱膨張率−0.1〜0.1×10-6/℃、
ヤング率130〜140GPaを有するものがあり、変
形対策や固有振動数の向上に期待されている(特開平1
1−255557号公報参照)。しかし、焼結助剤とし
て用いる希土類酸化物はそれ自体高価であるため、原料
単価が比較的高くなるという問題があった。
β−スポジュメン、ペタライトは、比重2.0〜2.4
と低く、熱膨張率は室温〜800℃で0.3〜2.7×
10 -6/℃、室温付近では0〜0.2×10-6/℃と低
いものの、ヤング率は60〜80GPaと剛性の低い材
料である。また、この材料は結晶軸方向の異方性が大き
く、焼結時の粒成長に伴い、クラックが発生するため欠
陥のない焼結体を得ることは難しいという課題があっ
た。
に、焼結後、クラックの発生することのない、しかも剛
性の高いセラミックスを提供することを目的とするもの
である。
ラミックスは、リチウムアルミノシリケートを主成分と
し、副成分として周期律表2a族元素の酸化物、酸化チ
タニウムのいずれか1種を6〜45重量%含むことを特
徴とする。
は、リチウムアルミノシリケートを主成分とし、副成分
として周期律表2a族元素の酸化物、酸化チタニウムの
うち、いずれか2種以上を2.5〜45重量%含むこと
を特徴とする。
は、比重2.4〜2.8、平均結晶粒径が1.0〜2.
3μmであることを特徴とする。
スは、軽量低熱膨張特性を有するLAS系焼結体であ
り、リチウムアルミノシリケート、特に化学式LiAl
SiO4で表されるβ−ユークリプタイトを主成分と
し、副成分として周期律表2a族元素の酸化物及び/ま
たは酸化チタニウムを含むものである。そして、これら
の副成分を1種のみ含有する場合は、その含有量は6〜
45重量%とし、2種以上を含有する場合は、その含有
量は2.5〜45重量%とする。このように含有量の範
囲が異なる理由は、複合効果による組織の微細化または
針状組織の分散によるものである。
ケートとは、Li、Al、Siの複合酸化物のことであ
り、β−ユークリプタイト、β−スポジュメン、ペタラ
イトなどがあるが、本発明では特にβ−ユークリプタイ
トが好ましい。
酸化物はLAS中のLiと置換し液層成分を生成するこ
とによって、焼結温度を下げる効果がある。特に、イオ
ン半径が1.0Å以上の酸化ストロンチウム及び酸化バ
リウムは焼結温度を下げる効果が大きい。周期律表2a
族の酸化物としては酸化ストロンチウム、酸化バリウム
の他に酸化マグネシウムや酸化カルシウム、酸化ベリリ
ウム、酸化ラジウム等が同様に焼結温度を低下させる効
果を有する。また、酸化バリウム、酸化ストロンチウム
成分を針状組織として分散することにより強度、破壊靱
性が向上する効果を有している。特に、酸化バリウムと
酸化ストロンチウムを複合した組成が針状化の傾向が大
きい。
抑制するため、粒成長に起因するクラックを発生させな
い効果がある。
ウムのうち、いずれか1種のみを含有する場合、その含
有量が6重量%未満では、前記効果が十分得られず、ク
ラックが発生してしまう。添加量が45重量%を超える
と熱膨張係数は、2.0×10-6/℃を超えてしまう。
チタニウムのうち、いずれか2種以上を含む場合は、合
計含有量が2.5重量%未満では、クラックが発生して
しまう。添加量が45重量%を越えると熱膨張係数は、
2.0×10-6/℃を超えてしまう。
ASと反応性の低い酸化物は酸化チタニウム同様に結晶
の微細化の効果があると考えられ特に存在しても良い。
ただし、0.1重量%を超えると熱膨張係数を増大する
ことになるため、不純物量は0.1重量%未満が望まし
い。
が望ましい。1.0μm未満では磁器の緻密化が不十分
であり、2.3μmを超えるとクラックが発生してしま
う。
には、先ず、重量比率でLi2O:Al2O3:SiO2=
12.5:40.5:47に処方したβ−ユークリプタ
イト原料粉末を用いる。
抑えることが必要である。重量比率が1%を超えると、
結晶中にムライト生成や、クリストバライト生成が見ら
れるようになり、その結果、熱膨張率が増加するからで
ある。
で処方した後、仮焼合成し、更に粉砕した比表面積2〜
3m2/g、平均粒径5〜7μmのLAS原料粉末10
0に対して、比表面積1〜2m2/gの酸化ストロンチ
ウム、酸化バリウム等の周期律表2a族元素の酸化物、
及び/または、比表面積6〜7m2/gの酸化チタニウ
ムを所定量配合する。配合の後、振動ミル等を使用し
て、平均粒径1μm未満となるように粉砕混合し、乾式
プレス等を用いて、所定形状に成形後、大気雰囲気下で
900〜1200℃、好ましくは、990〜1100℃
で焼成することで欠陥のない焼結体を得ることができ
る。
比重2.4〜2.8と小さく、ヤング率115〜128
GPaと比較的高く、また熱膨張率は測定温度0〜20
℃で−1.3〜+2.0×10-6/℃で軽量低熱膨張高
剛性特性を有している。
ラミックスは、上述のような特徴を生かし、精密機器用
部品として用いることにより、温度変化に対して寸法安
定性に優れ、変形・振動の影響を極めて少なくすること
ができる。
イト単体と、β−ユークリプタイトに対して、比表面積
1.1m2/gの酸化ストロンチウム原料粉末を0〜4
5.0重量%、また、比表面積1.4m2/gの酸化バ
リウムを0〜45.0重量%、また、比表面積6.2m
2/gの酸化チタニウムを0〜45.0重量%の範囲で
表1に示す組成でそれぞれ配合し、振動ミルにより72
時間混合し、粉砕粒度をそれぞれ平均粒径で0.9〜
1.0μmとした。造粒後、乾式プレス成形により抗折
試験片形状に製作した。次に、試験片を大気雰囲気下で
焼成し、焼結体を製作しヤング率、熱膨張係数、外観の
評価を行った。ここで、熱膨張率の測定温度範囲は、0
〜20℃とした。
を設定し、各組成の最適な焼成温度を確認し、その最適
な温度条件で得られた焼結体の特性を記した。評価の結
果、990〜1100℃の範囲で外観上良好な焼結体が
得られることが確認できた。焼結体は、クラックの発生
が無いものを良好と判定した。
リウムのいずれか1種のみを6重量%以上含む焼結体N
o.11,12,14,16,54,56,58は、ク
ラックのない良好な焼結体であったが、添加量6重量%
未満の焼結体No.8,17,36,49ではクラック
が発生して良好な焼結体が得られなかった。
焼結体No.2,3,4は、クラックのない良好な焼結
体であったが、添加量6重量%未満の焼結体No.1で
は、クラックが発生して良好な焼結体が得られなかっ
た。
ム、酸化チタニウムのうち、いずれか2種以上を2.5
重量%以上含む焼結体No.6,7,9,10,13,
15,16,19〜21,24,25,28〜35,3
8,39,42,43,45〜48,50〜53,5
5,57,59は、クラックのない良好な焼結体であっ
た。これに対し、添加量2.5重量%未満の焼結体N
o.5,18,22,23,26,27,37,40,
41,44では、クラックが発生して良好な焼結体が得
られなかった。
ミノシリケートを主成分とし、副成分として酸化ストロ
ンチウム、酸化バリウムまたは酸化チタニウムのいずれ
か1種のみを6重量%以上含む組成、または、酸化スト
ロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムの内、いず
れか2種以上を2.5重量%以上含む組成で良好な焼結
体を得ることができた。
系を使用して、大気雰囲気下で990〜1100℃で熱
処理することにより、比重2.4〜2.8、熱膨張率は
測定温度範囲0〜20℃で−1.3〜+2.0×10-6
/℃以上、ヤング率115〜128GPaで平均結晶粒
径が1.0〜2.3μmとなるクラックのない緻密なセ
ラミックスを得ることができた。
ノシリケートを主成分とし、副成分として、周期律表2
a族元素の酸化物と酸化チタニウムのいずれか1種を6
〜45重量%含ませることにより、比重2.4〜2.
8、ヤング率115〜128GPa、熱膨張率−1.3
〜+2.0×10-6/℃、平均結晶粒径1.0〜2.3
μmとなるセラミックスを得ることができる。
成分とし、副成分として、周期律表2a族元素の酸化物
と酸化チタニウムのうち、いずれか2種以上を2.5〜
45重量%含ませることにより、比重2.4〜2.8、
ヤング率115〜128GPa、熱膨張率−1.3〜+
2.0×10-6/℃以上で平均結晶粒径1.0〜2.3
μmとなるセラミックスを得ることができる。
ト系セラミックスは、クラックの発生がないため、精密
機器用部品として用いた場合、その信頼性は高いものと
なり、温度変化に対して寸法安定性に優れ、変形・振動
の影響を極めて少なくすることができる。
Claims (3)
- 【請求項1】リチウムアルミノシリケートを主成分と
し、副成分として周期律表2a族元素の酸化物、酸化チ
タニウムのいずれか1種を6〜45重量%含むことを特
徴とするリチウムアルミノシリケート系セラミックス。 - 【請求項2】リチウムアルミノシリケートを主成分と
し、副成分として周期律表2a族元素の酸化物、酸化チ
タニウムのうち、いずれか2種以上を2.5〜45重量
%含むことを特徴とするリチウムアルミノシリケート系
セラミックス。 - 【請求項3】比重2.4〜2.8、平均結晶粒径が1.
0〜2.3μmであることを特徴とする請求項1または
2に記載のリチウムアルミノシリケート系セラミック
ス。
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