JP3225873B2 - MgO複合セラミックス及びその製造方法 - Google Patents

MgO複合セラミックス及びその製造方法

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JP3225873B2
JP3225873B2 JP00139497A JP139497A JP3225873B2 JP 3225873 B2 JP3225873 B2 JP 3225873B2 JP 00139497 A JP00139497 A JP 00139497A JP 139497 A JP139497 A JP 139497A JP 3225873 B2 JP3225873 B2 JP 3225873B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、特殊構造のMgO
複合セラミックス及びその製造方法に関する。詳しく
は、特殊な組織構造を有し、高性能で高機能性を有した
MgO複合セラミックス及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】MgOは優れた耐熱性、耐食性、電気絶
縁性を有するが、強度、破壊靭性値、耐熱衝撃性に乏し
く、構造材料として使用するには不十分である。また、
ターゲットなどの成膜材料としては、絶縁性が評価のポ
イントとなる場合があり、焼結体の密度、純度、組織構
造(粒界、粒内)が影響する。
【0003】そこで、従来、MgOやAl2 3 などの
酸化物セラミックスの物理的性質(強度、破壊靭性値
等)の欠点を、分散粒子の複合化により改善しようとす
る研究がなされてきた。しかしながら、それらの研究の
多くはミクロンレベルの複合化が中心であり、その特性
改善には限界があった。これらの研究では、分散粒子の
複合化に伴う破壊靭性の向上は、当該分散粒子がマトリ
ックスの粒界に偏在するために生じるクラック偏向に起
因していると報告されている。
【0004】なお、アルミナのようなセラミックス焼結
体は、異方性粒子でマトリックスが形成されており、そ
の粒子境界で隣接粒子の熱膨張差により歪みが発生し、
このために、粒界が破壊源となり、強度低下の原因とな
ることは周知である。
【0005】このように、マトリックスの粒界に粒子を
分散した場合、クラックの進展が阻止され、このため、
破壊靭性の向上が期待される。
【0006】しかし、このような従来の複合化では、破
壊の発生源である粒界の欠陥は改善されず、その欠点は
残存しているため、破壊強度等の大きな向上は望めなか
った。
【0007】なお、特開平1−188454号公報で報
告されているように、Al2 3 マトリックス中に熱膨
張係数が2倍小さいSiCを分散させることにより、上
記の問題を改善する試みがなされているが、この場合
は、マトリックスと分散粒子の熱膨張係数の差に起因し
て分散粒子の周囲や内部に発生する応力が1000〜1
800MPaに達するものとなる。この応力が大きくな
ると、マトリックスと分散粒子の界面に亀裂が走り、破
壊強度や破壊靭性などの大幅な向上は望めず、従って、
これを防ぐためには、Al2 3 /SiC複合系の場
合、非常に細かいSiC粒子しか分散させることができ
ない。しかも、この場合でも、強度は向上するが、破壊
靭性や高温強度の向上は望めない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
問題点を解決し、MgOマトリックス中に、分散粒子を
複合化することにより、MgOの特性を改善し、構造セ
ラミックス及び機能セラミックスとして高性能の複合セ
ラミックスを提供することを目的とする。即ち、本発明
は、通常の耐熱材料、電子セラミックス材料において
は、それほど結晶を成長させなくても、耐熱衝撃性が得
られ、また、使用時の破壊特性が著しく改善されるMg
O複合セラミックス及びその製造方法を提供することを
目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明のMgO複合セラ
ミックスは、粒子径0.5〜100μmの結晶粒子を有
するMgOマトリックスの結晶粒内及び粒界に、粒子径
1.0μm以下のLa粒子を1〜20体積%分散させた
MgO複合セラミックスであって、Laの出発原料は、
ランタン硝酸塩又は炭酸塩であることを特徴とする。
【0010】本発明のMgO複合セラミックスは、Mg
Oマトリックス中にLa微粒子を分散させるという、ナ
ノメーター・オーダーの複合化、即ち、セラミックスの
最小構成単位である結晶粒の複合化を行うことにより、
下記〜の作用効果で、MgOセラミックスの物理的
性質の改善を図るものである。
【0011】 マトリックスと分散粒子の熱膨張係数
の差が大きいと、その組み合わせによっては、前述した
Al2 3 /SiCの場合のように、マトリックスと分
散相の熱膨張係数の差に起因して分散粒子の周囲や内部
に発生する応力が大きくなり、マトリックスと分散粒子
の界面に亀裂が走り、強度の向上は望めない。従って、
これを防ぐには、非常に小さい粒子しか分散させられな
い。これに対して、MgO/La複合系の場合は、熱膨
張係数の差は小さい上に、Laが高温で軟らかくなるた
めに、高温ではその差はより少なくなり、1100℃以
上ではほぼ同等の熱膨張率を示す。従って、界面に亀裂
を発生させない範囲で大きなLa粒子を分散させること
が可能で、そのために粒界を締め付けるトータルの領域
が大きくなり、その強度改善効果は大きくなる。
【0012】 また、MgOとLaの界面は不純物相
を介さず直接結合しており、整合性が高い。即ち、より
強い結合界面を形成している。この強い結合は、特に高
温での強度などの向上に有効な分散相による転位のピニ
ング効果を強くすると共に、強度の低下をもたらすキャ
ビティテーションの発生を著しく抑制する。従って、こ
の効果は特に高温の強度に関して顕著に現れる。
【0013】 上記,と関連して、マトリックス
と分散粒子の界面強度が強いので、破壊靭性向上の主た
るメカニズムであるクラック先端がより効果的に分散相
によりディフレクトされることにより、破壊靭性の向上
が達成される。
【0014】なお、上記作用効果を得る点で、本発明に
おけるマトリックスMgOは、焼結工程で厳密に焼結さ
れる必要があり、この粒子内に分散相のLaが均一に分
散されることが必要である。本発明に係るLaはこのよ
うな条件を十分に満たす、MgOマトリックスの分散粒
子として最適なものである。
【0015】本発明において、分散粒子のLaの出発原
料は、ランタン硝酸塩又は炭酸塩を用いる。
【0016】このような本発明のMgO複合セラミック
スは、MgOとランタン硝酸塩又は炭酸塩とを混合して
減圧加熱乾燥した後、乾式混合し、得られた混合粉末を
成形して1400℃以上の温度で焼結する本発明のMg
O複合セラミックスの製造方法により製造される。
【0017】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を詳細
に説明する。
【0018】本発明のMgO複合セラミックスは、マト
リックスとしてMgOを用い、分散粒子としてLa微粒
子を用いること、そして、焼結体のMgO結晶粒子径が
0.5〜100μmであり、分散粒子の粒子径が1μm
以下であり、その割合が1〜20体積%であることが特
徴である。
【0019】なお、本発明において、La粒子の割合
は、MgOと分散粒子との合計に対する内割の割合であ
る。
【0020】本発明の複合セラミックスのMgOマトリ
ックスの結晶粒子の粒子径を0.5〜100μmとする
理由は、この範囲が、組織制御が可能で強度が大幅に高
くなるためであり、分散粒子の粒子径を1.0μm以下
にする理由は、MgOマトリックス結晶粒内に取り込ま
れるのに適した粒度範囲であるためである。
【0021】また、Laの割合を1〜20体積%とする
理由は、20体積%を超えると、材料組織の制御が困難
となり、強度などの特性がバラツキ、材料の信頼性がな
くなることによる。Laの割合が、1〜20体積%の範
囲であれば、マトリックス中に分散粒子が均一に取り込
まれた組織が制御でき、特性も向上する。
【0022】このLaの出発原料としては、ランタン硝
酸塩又は炭酸塩を用いる。
【0023】このような本発明のMgO複合セラミック
スは、本発明の方法に従って、好ましくは、粒子径5μ
m以下のMgO粉末とランタン硝酸塩又は炭酸塩とを湿
式混合し、これをロータリーエバポレーター等を用いて
減圧加熱乾燥した後、乾式混合し、得られた混合粉末を
所定形状に成形して1400℃以下で焼結することによ
り製造される。なお、得られた混合粉末中のLa粒子の
粒径は1.0μm以下である。
【0024】原料として用いるMgO粉末の粒子径を5
μm以下とする理由は、焼結し易いためであり、また原
料調製した混合粉末中のLaの粒子径を1.0μm以下
とする理由は、粒子径が1μmを超えるとマイクロクラ
ックが発生すること、粒子径1μm以下であればマトリ
ックス粒内に分散粒子が取り込まれ易いこと、そして、
残留応力がある限界以上になってもマイクロクラックが
発生しない範囲であること等である。
【0025】なお、乾式混合に当っては、Laの酸化を
防ぐために、容器内をアルゴンガス等の不活性ガスで置
換する。
【0026】また、焼結は真空又は不活性雰囲気で常圧
焼結又はホットプレス焼結にて行うのが好ましい。常圧
焼結で行う場合には、成形体を1250〜1350℃で
一次焼成した後、1450℃以上で焼結する。本発明に
おいて、常圧焼結の焼結温度が1450℃未満であると
十分な緻密化が図れず、高特性の焼結体が得られない。
【0027】なお、常圧焼結の場合には、焼結に先立
ち、成形体を水素雰囲気中、750〜850℃で還元処
理するのが好ましい。
【0028】ホットプレス焼結では、混合粉末を黒鉛製
ダイスに充填し、アルゴン雰囲気中、1400℃以上で
焼結する。
【0029】本発明のMgO複合セラミックスは、耐熱
材料、耐食材料、電子セラミックス・ターゲット材料
等、各種高性能、高機能性セラミックス材料などに特に
好適である。
【0030】
【実施例】以下に実施例及び比較例を挙げて、本発明を
より具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない
限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【0031】実施例1〜9,比較例1〜3 MgO粉末(赤穂化成社製3N、平均粒径0.2μm)
と、La(NO3 3又はLa2 (CO3 3 ・2H2
O又はLa2 3 とを表1記載の配合割合で、エタノー
ルを分散媒として、撹拌ミルで2時間湿式混合した(た
だし、比較例1ではMgO粉末のみ)。これをロータリ
ーエバポレーターを用いて減圧加熱乾燥した後、乾式混
合した。乾式混合では、Laの酸化を防ぐために、容器
内をアルゴンガスで置換した。
【0032】実施例1〜4及び実施例8では、得られた
混合粉末を黒鉛ダイス(内径φ60mm)に充填し、誘
導加熱式焼結炉(富士電波工業社製)にてアルゴン雰囲
気中でホットプレス焼結した。焼結条件は、1450℃
まで昇温させた後、1時間保持とし、プレス圧は30M
Paとした。
【0033】また、実施例5〜7,9及び比較例1,2
では、前記のように調製した混合粉末を金型(内径φ6
0mmで厚さ7mm)に充填し、75kg/cm2 で一
軸加圧成形した後、1500kg/cm2 でCIP成形
し、得られた成形体を焼結炉(富士電波工業社製)に入
れ、水素雰囲気中、800℃で1時間還元処理した後、
アルゴン雰囲気中1350℃で1時間保持し、更に昇温
して1550℃で2時間常圧焼結した。
【0034】比較例3では還元処理を行わなかったこと
以外は、上記と同様にして常圧焼結した。
【0035】得られたMgO焼結体は、切り出し、研削
・研摩加工して、JIS R1601に準じた3×4×
40mmの3点曲げ試験片の大きさとし、密度、曲げ強
度、破壊靭性値を調べた。その結果を表1に示す。な
お、密度はトルエン中、アルキメデス法で測定した。曲
げ強度は3点曲げ試験により測定した。破壊靭性値は1
kg重、保持時間10秒でIF法により測定した。
【0036】また、実施例3及び比較例1については、
高温強度も測定し、結果を表2に示した。
【0037】なお、実施例1〜9のものについて、結晶
組織をSEM観察により調べたところ、いずれも、粒子
径0.5〜100μmの結晶粒子を有するMgOマトリ
ックスの結晶粒内及び粒界に、粒子径300nm以下の
Laの微粒子が均一に分散していた。
【0038】
【表1】
【0039】
【表2】
【0040】表1,2より明らかなように、本発明のM
gO複合セラミックスは、La粒子がMgO結晶粒内及
び粒界に分散した組織を有しており、曲げ強度は単相材
料の約2倍、破壊靭性値は約3倍まで向上し、特に高温
強度は著しく改善されている。また、高密度で特性のバ
ラツキも少ない。しかも、本発明では、このような高性
能なMgO複合セラミックスを、ホットプレス焼結だけ
でなく、常圧焼結でも安価に製造することができる。
【0041】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明のMgO複合
セラミックス及びその製造方法によれば、MgOセラミ
ックスの破壊靭性、耐熱衝撃性、曲げ強度等の機械的特
性が著しく改善され、各種構造セラミックス材料又は機
能セラミックス材料として有用な高特性MgO複合セラ
ミックスが提供される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/00 - 35/22 C04B 35/62 - 35/632

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 粒子径0.5〜100μmの結晶粒子を
    有するMgOマトリックスの結晶粒内及び粒界に、粒子
    径1.0μm以下のLa粒子を1〜20体積%分散させ
    MgO複合セラミックスであって、 Laの出発原料は、ランタン硝酸塩又は炭酸塩である
    とを特徴とするMgO複合セラミックス。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のMgO複合セラミック
    スを製造する方法であって、MgOとランタン硝酸塩又
    は炭酸塩とを混合して減圧加熱乾燥した後、乾式混合
    し、得られた混合粉末を成形して1400℃以上の温度
    で焼結することを特徴とするMgO複合セラミックスの
    製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6420751B1 (en) 1993-05-12 2002-07-16 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor device and method of manufacturing the same
US9224813B2 (en) 2011-03-02 2015-12-29 King Abdullah University Of Science And Technology Cylindrical-shaped nanotube field effect transistor
JP7124059B2 (ja) 2017-08-31 2022-08-23 マイクロン テクノロジー,インク. 半導体デバイス、トランジスタ、および金属酸化物半導体デバイスを接触させるための関連する方法

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