JP2004284829A

JP2004284829A - 透光性ケイ酸マグネシウム焼結体及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004284829A
Application number: JP2003075402A
Authority: JP
Inventors: Hajime Haneda; 肇羽田; Naoki Ohashi; 直樹大橋; Noriko Saito; 紀子齋藤; Satoshi Sano; 聡佐野; Hiroshi Arita; 洋在田
Original assignee: National Institute for Materials Science; Ube Material Industries Ltd
Current assignee: National Institute for Materials Science; Ube Material Industries Ltd
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: JP4959909B2

Abstract

【課題】高圧ナトリウムランプの放電管、高温炉の窓、赤外線あるいはマイクロ波照射装置の窓などの材料として有利に使用できるケイ酸マグネシウム焼結体を提供すること。
【解決手段】厚さが０．４ｍｍのシートとしたときの、波長８００ｎｍの光の透過率が２０％以上である透光性ケイ酸マグネシウム焼結体。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透光性を有するケイ酸マグネシウム焼結体及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
透光性アルミナ焼結体に代表される透光性セラミックス焼結体は、高圧ナトリウムランプの放電管、高温炉の窓、及び赤外線あるいはマイクロ波照射装置の窓などの材料として利用することができる。
【０００３】
透光性セラミックス焼結体は、セラミックス粉末と焼結助剤との混合物を所定の形状に成形し、その成形体を焼成して、セラミックス粉末を焼結させることにより製造するのが一般的である。例えば、透光性アルミナ焼結体の製造では、アルミナの焼結助剤としてマグネシウム化合物（例：酸化マグネシウム）が広く用いられている（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、焼結助剤を使用すると、セラミックス粉末と焼結助剤との反応生成物を生成させ、透光性セラミックス焼結体の透光性を低下させるなどを問題を引き起こすことがある。
【０００４】
非特許文献１には、水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末の粉末混合物を仮焼して得たケイ酸マグネシウム（フォルステライト、組成式：２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）粉末を成形し、焼成することにより、焼結助剤を使用しなくても透光性を有するケイ酸マグネシウム焼結体を製造することができることが報告されている。しかしながら、この文献に報告されている方法により得られるケイ酸マグネシウム焼結体は、高圧ナトリウムランプの放電管などの材料として用いるには、実用的な厚さ（例えば、０．４ｍｍ）にしたときの光の透過率が充分なものではなかった。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２１９５７０号公報
【非特許文献１】
佐野、外５名，「高分散Ｍｇ（ＯＨ）２を用いたフォルステライトの合成と微構造観察」，２００２年セラミックス協会年会講演予稿集、２６１頁
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高い透光性を有するケイ酸マグネシウム焼結体及びその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ケイ酸マグネシウム粉末の成形体を減圧下にて焼成することにより、実用的な厚さで、比較的高い光の透過率を有するケイ酸マグネシウム粉末の焼結体を得ることができることを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
従って、本発明は、厚さが０．４ｍｍのシートとしたときの、波長８００ｎｍの光の透過率が２０％以上であることを特徴とする透光性ケイ酸マグネシウム焼結体にある。本発明の透光性ケイ酸マグネシウム焼結体は、波長２００〜２５００ｎｍの光の透過率が１０％以上であることが好ましい。
【０００９】
本発明はまた、水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末とを、マグネシウム量とケイ素量とのモル比が１．５：１〜２．３：１の範囲となるように湿式混合して、水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末の粉末混合物を得る工程、該粉末混合物を仮焼してケイ酸マグネシウム粉末を得る工程、該ケイ酸マグネシウム粉末をシート状に成形して成形体を得る工程、そして該成形体を不活性ガス雰囲気もしくは減圧下にて１２００〜１６００℃の温度で焼成して焼結体とする工程を含む透光性ケイ酸マグネシウム焼結体の製造方法にもある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の透光性ケイ酸マグネシウム焼結体は、フォルステライト単独、あるいはフォルステライトを主成分としてプロトエンスタタイト及び／又は酸化マグネシウムを含む混合物から構成される。本発明の透光性ケイ酸マグネシウム焼結体は、マグネシウム含有量とケイ素含有量とがモル比（Ｍｇ：Ｓｉ）で１．５：１〜２．３：１の範囲にあることが好ましく、より好ましくは１．５：１〜２．０２：１の範囲、特に好ましくは１．５：１〜１．８：１の範囲である。
【００１１】
本発明の透光性ケイ酸マグネシウム焼結体の製造に用いるケイ酸マグネシウム粉末は、水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末とを、マグネシウム量とケイ素量とのモル比（Ｍｇ：Ｓｉ）が１．５：１〜２．３：１の範囲（好ましくは１．５：１〜２．０２：１の範囲、特に好ましくは１．５：１〜１．８：１の範囲）となるように湿式混合して、水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末の粉末混合物を得て、次いでこの粉末混合物を仮焼することによって製造することができる。
【００１２】
ケイ酸マグネシウム粉末の製造原料となる水酸化マグネシウム粉末は、純度が９９．９質量％以上であることが好ましく、９９．９５質量％以上であることがより好ましい。不純物自身による光吸収、あるいは不純物の存在によって誘発された欠損による光吸収は、透光性ケイ酸マグネシウム焼結体の透過率を低減させる要因となるため、高純度の原料を使用することが必要である。水酸化マグネシウム粉末は、平均粒子径が０．１〜１０μｍの範囲にあることが好ましく、０．１〜５μｍの範囲にあることがより好ましい。また、水酸化マグネシウム粉末は、粒度分布の範囲が狭い方が好ましい。具体的には、粒度分布を小粒子径側から積算したときの積算累積量において、その積算累積量が１０％となる粒子径（Ｄ_１０）と積算累積量が９０％となる粒子径（Ｄ_９０）と比（Ｄ_９０／Ｄ_１０）が１０以下となる粒度分布をもつことが好ましい。すなわち、微粒であり、かつ粒度分布の範囲が狭いことにより、原料を混合し、固相反応を起こさせる際に、より均質なケイ酸マグネシウム粉末が得られるためである。
【００１３】
上記の純度、粒度分布を満足する水酸化マグネシウム粉末としては、気相酸化法（金属マグネシウム蒸気と酸素とを互いに接触させて、マグネシウムを酸化することにより酸化マグネシウムを生成する方法）にて製造された酸化マグネシウム粉末を水和させて得たものを用いることが好ましい。気相酸化法にて製造された酸化マグネシウムとしては、例えば、宇部マテリアルズ株式会社から販売されている気相法高純度超微粉マグネシア（商品名：５００Ａ、１０００Ａ、２０００Ａ）を挙げることができる。酸化マグネシウム粉末を水和させる方法としては、酸化マグネシウム粉末を水蒸気と接触させる方法、あるいは酸化マグネシウム粉末を水と接触させる方法を利用することができる。これらの水和方法のうち、前者の酸化マグネシウム粉末を水蒸気と接触させる方法を利用して水酸化マグネシウム粉末とすることが好ましい。
【００１４】
水酸化マグネシウム粉末と混合する二酸化ケイ素粉末は、純度が９９．９質量％以上であることが好ましく、９９．９９質量％以上であることがより好ましい。また、二酸化ケイ素粉末は、平均粒子径が０．１μｍ以下（特に、０．０１〜０．５μｍの範囲）にあることが好ましい。すなわち、透光性ケイ酸マグネシウム焼結体の透過率を低減させる原因となる不純物が少なく、また水酸化マグネシウム粉末との反応が起こりやすく、均質なケイ酸マグネシウム粉末を得るためには、平均子粒径が小さく、粗大粒子が含まれていない原料粉末が望ましい。
【００１５】
二酸化ケイ素粉末は、非晶質であることが好ましい。二酸化ケイ素粉末の具体的な例としては、コロイダルシリカ、ヒュームドシリカを挙げることができる。
【００１６】
水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末との混合方法には、特に制限はないが、水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末との混合スラリを調製し、次いでその混合スラリ中の水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末とをボールミルなどを用いて混合する方法を利用することが好ましい。ボールミルのメディアには、ナイロンボールなどのプラスチック製ボールを用いることが好ましい。混合スラリの調製は、水酸化マグネシウム粉末のスラリに二酸化ケイ素粉末あるいは二酸化ケイ素粉末のスラリを加えることにより行なうことが好ましい。
【００１７】
混合スラリの水酸化マグネシウム粉末濃度は、マグネシウムのモル濃度に換算して０．５〜５モル／Ｌの範囲とすることが好ましい。混合スラリの溶媒には、水あるいはエタノールなどの有機溶媒を単独で、もしくは混合して用いることができるが、水を単独で用いることが好ましい。また、混合スラリには、必要に応じて、バインダー（例えば、ポリビニルアルコール）や可塑剤（例えば、エチレングリコール）を添加してもよい。
【００１８】
粉末混合物の仮焼温度は、通常は８００〜１２００℃の範囲、好ましくは９００〜１１００℃の範囲、より好ましくは９００〜１０００℃の範囲の温度である。すなわち、過度の粒成長を妨げる上では、低温での仮焼が好ましく、一方、反応完了を促進する上では、高温仮焼が好ましい。従って、用いる原料の粒度と反応性よってその温度を予め最適化する必要がある。仮焼の反応が終了したことの目安は、粉末Ｘ線回折によって、仮焼物中の鉱物組成を検定するということで知ることができるが、このＸ線回折測定は本発明において本質的なものではなく、Ｘ線回折測定を行わなくても、本発明を実施することが可能である。焼成時間は、マグネシウムとケイ素とのモル比などの要因によって異なるが、通常は１〜２４時間の範囲、好ましくは１〜５時間の範囲にある。
【００１９】
本発明の透光性ケイ酸マグネシウム焼結体は、ケイ酸マグネシウム粉末をシート状に成形して、次いでその成形体を焼成してケイ酸マグネシウム粉末を焼結させることによって製造することができる。
【００２０】
ケイ酸マグネシウム粉末の成形方法には、金型を用いた一軸加圧成形法やゴム型を用いた冷間等方加圧（ＣＩＰ）成形法を用いることができる。
【００２１】
成形体の焼成は、減圧下（１×１０^−１Ｐａ以下、好ましくは１×１０^−４〜１×１０^−２Ｐａの範囲の圧力下）にて行なう。具体的には、焼成炉内の気体を排気しながら成形体の焼成を行なう。成形体の焼成温度は、通常は１２００〜１６００℃の範囲、好ましくは１２００〜１５００℃の範囲の温度である。焼成時間は、成形体の形状やサイズなどの要因によって異なるが、通常は１０分〜２４時間の範囲、好ましくは３〜２０時間の範囲にある。
【００２２】
上記のようにして製造された透光性ケイ酸マグネシウム焼結体は、厚さが０．４ｍｍのシートとしたときの波長８００ｎｍの光の透過率が２０％以上（好ましくは、５０％以上）である。また、波長２００〜２５００ｎｍの広い範囲で光の透過率は１０％以上（好ましくは、２０％以上）である。この透光性ケイ酸マグネシウム焼結体は、例えば、高圧ナトリウムランプの放電管（ランプチューブ）、高温炉の窓材料、赤外線あるいはマイクロ波照射装置の窓材料、及びプラズマプロセス装置のマイクロ波導入窓として有利に使用することができる。
【００２３】
【実施例】
［実施例１］
（１）ケイ酸マグネシウム粉末の製造
気相酸化法にて製造された酸化マグネシウム粉末を水和させて得た水酸化マグネシウム粉末（純度：９９．９８質量％以上、平均粒子径：０．３５７μｍ、Ｄ_９０／Ｄ_１０＝５．４）を水に分散させて得た水酸化マグネシウムスラリに、ヒュームドシリカ粉末（純度：９９．９９質量％以上、平均粒子径：０．１μｍ以下）を、マグネシウム量がケイ素量に対してモル比（Ｍｇ：Ｓｉ）で２．０２：１となるような量にて加えて、水酸化マグネシウム粉末濃度がマグネシウムのモル濃度に換算して１．１５モル／Ｌの混合スラリを調製した。次いで、混合スラリをナイロンボールを用いて２４時間混合した後、スラリをろ過、乾燥して、水酸化マグネシウム粉末とヒュームドシリカ粉末の粉末混合物を得た。
【００２４】
上記の粉末混合物を１０００℃で３時間仮焼した後、メノウ乳鉢を用いて摩砕した。得られた粉末の鉱物組成をＸ線回折法にて分析したところ、この粉末は、フォルステライトを主成分とするケイ酸マグネシウム粉末であることが確認された。
【００２５】
（２）ケイ酸マグネシウム焼結体の製造
上記のようにして得たケイ酸マグネシウム粉末を金型に充填し、一軸成形機にて４０Ｍｐａの荷重で仮成形し、次いでＣＩＰ成形機にて２００Ｍｐａの荷重で本成形して、直径１２ｍｍ、厚さ６ｍｍの円板状成形体を作成した。次に、この成形体を減圧下（１×１０^−３Ｐａ）にて１４００℃で１０時間焼成した。得られたケイ酸マグネシウム焼結体の全透過率（光の波長：８００ｎｍ、厚さ：０．４ｍｍ）を、表１に示す。なお、全透過率は下記の条件により測定した値である。
【００２６】
［全透過率の測定］
焼結体の両面を鏡面研磨して、その厚さを０．４ｍｍとする。研磨した焼結体の一方の表面に、その表面に対して垂直に波長８００ｎｍの近赤外線光を照射して、その反対側の面に透過した全方向の近赤外線光の光量を測定する。
【００２７】
［実施例２］
実施例１（２）のケイ酸マグネシウム粉末成形体の焼成条件を、減圧下（１×１０^−３Ｐａ）にて１２００℃に変えた以外は、実施例１と同じ操作を行なってケイ酸マグネシウム焼結体を製造した。得られた焼結体の全透過率（光の波長：８００ｎｍ、厚さ：０．４ｍｍ）を表１に示す。
【００２８】
［実施例３］
実施例１（２）のケイ酸マグネシウム粉末成形体の焼成条件を、減圧下（１×１０^−３Ｐａ）にて１３００℃に変えた以外は、実施例１と同じ操作を行なってケイ酸マグネシウム焼結体を製造した。得られた焼結体の全透過率（光の波長：８００ｎｍ、厚さ：０．４ｍｍ）を表１に示す。
【００２９】
［実施例４］
実施例１（２）のケイ酸マグネシウム粉末成形体の焼成条件を、減圧下（１×１０^−３Ｐａ）にて１５００℃に変えた以外は、実施例１と同じ操作を行なってケイ酸マグネシウム焼結体を製造した。得られた焼結体の全透過率（光の波長：８００ｎｍ、厚さ：０．４ｍｍ）を表１に示す。
【００３０】
［実施例５］
実施例１（１）の水酸化マグネシウム粉末とヒュームドシリカ粉末との混合割合を、マグネシウム量とケイ素量とのモル比（Ｍｇ：Ｓｉ）を１．５０：１となるような量に変えた以外は、実施例１と同じ操作を行なって、ケイ酸マグネシウム焼結体を製造した。得られた焼結体の全透過率（光の波長：８００ｎｍ、厚さ：０．４ｍｍ）を表１に示す。
【００３１】
［実施例６］
実施例１（１）の水酸化マグネシウム粉末とヒュームドシリカ粉末との混合割合を、マグネシウム量とケイ素量とのモル比（Ｍｇ：Ｓｉ）を１．８０：１となるような量に変えた以外は、実施例１と同じ操作を行なって、ケイ酸マグネシウム焼結体を製造した。得られた焼結体の全透過率（光の波長：８００ｎｍ、厚さ：０．４ｍｍ）を表１に示す。また、得られた焼結体（厚さ：０．４ｍｍ）の波長２００〜２５００ｎｍの光の全透過率を測定した。図１に、その結果を示す。
【００３２】
［実施例７］
実施例１（１）の水酸化マグネシウム粉末とヒュームドシリカ粉末との混合割合を、マグネシウム量とケイ素量とのモル比（Ｍｇ：Ｓｉ）を２．２６：１となるような量に変えた以外は、実施例１と同じ操作を行なって、ケイ酸マグネシウム焼結体を製造した。得られた焼結体の全透過率（光の波長：８００ｎｍ、厚さ：０．４ｍｍ）を表１に示す。
【００３３】
［比較例１］
実施例１（２）のケイ酸マグネシウム粉末成形体の焼成条件を、大気圧下にて１４００℃に変えた以外は、実施例１と同じ操作を行なってケイ酸マグネシウム焼結体を製造した。得られた焼結体の全透過率（光の波長：８００ｎｍ、厚さ：０．４ｍｍ）を表１に示す。
【００３４】
［比較例２］
実施例１（１）の水酸化マグネシウム粉末とヒュームドシリカ粉末との混合割合を、マグネシウム量とケイ素量とのモル比（Ｍｇ：Ｓｉ）が０．５０：１となるような量に変えた以外は、実施例１と同じ操作を行なって、ケイ酸マグネシウム焼結体を製造した。得られた焼結体の全透過率（光の波長：８００ｎｍ、厚さ：０．４ｍｍ）を表１に示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
【発明の効果】
本発明の透光性ケイ酸マグネシウム焼結体は、高い透光性を有するので、高圧ナトリウムランプの放電管、高温炉の窓、赤外線あるいはマイクロ波照射装置の窓の材料として有利に使用することができる。また、本発明の透光性ケイ酸マグネシウム焼結体の製造方法によれば、焼結助剤を特に添加しなくとも高い透光性を有するケイ酸マグネシウム焼結体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例６で製造したケイ酸マグネシウム焼結体の波長２００〜２５００ｎｍの光の全透過率を示す図である。

Claims

厚さが０．４ｍｍのシートとしたときの、波長８００ｎｍの光の透過率が２０％以上であることを特徴とする透光性ケイ酸マグネシウム焼結体。
波長２００〜２５００ｎｍの光の透過率が１０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の透光性ケイ酸マグネシウム焼結体。
マグネシウム含有量とケイ素含有量とがモル比で１．５：１〜２．３：１の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の透光性ケイ酸マグネシウム焼結体。
水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末とを、マグネシウム量とケイ素量とのモル比が１．５：１〜２．３：１の範囲となるように湿式混合して、水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末の粉末混合物を得る工程、該粉末混合物を仮焼してケイ酸マグネシウム粉末を得る工程、該ケイ酸マグネシウム粉末をシート状に成形して成形体を得る工程、そして該成形体を減圧下にて１２００〜１６００℃の温度で焼成して焼結体とする工程を含む透光性ケイ酸マグネシウム焼結体の製造方法。
水酸化マグネシウム粉末が気相酸化法により製造された酸化マグネシウム粉末を水和させて得たものであることを特徴とする請求項４に記載の透光性ケイ酸マグネシウム焼結体の製造方法。
二酸化ケイ素粉末が非晶質であることを特徴とする請求項４に記載の透光性ケイ酸マグネシウム焼結体の製造方法。
透光性ケイ酸マグネシウム焼結体が、その厚さが０．４ｍｍのシートとしたときの、波長８００ｎｍの光における透過率が２０％以上であることを特徴とする請求項４乃至６のうちのいずれかの項に記載の透光性ケイ酸マグネシウム焼結体の製造方法。