JPH0776126B2 - マグネシア焼結体の製造方法 - Google Patents

マグネシア焼結体の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はマグネシアの粒子界面に均一なフォルステライ
トの薄層を有するために、著しく耐水和性が高く、かつ
理論密度にほぼ近い嵩密度を持ったマグネシア焼結体の
簡便な製造方法に関するものである。
[従来の技術] マグネシアは融点が2800℃と高く、優れた電気絶縁性、
高い熱伝導性を有し、また高密度焼結体は赤外および可
視光の透過率が高いなどの特性を有している。そのた
め、マグネシア焼結体は高温絶縁材料、高温照明材料、
IC基板材料などへの用途が検討されているが、実際に実
用化に至っているのは坩堝、熱電対保護管などの一部の
用途に限られている。これはマグネシアが耐水和性に劣
り、空気中でも容易に水和されて水酸化マグネシウムに
変化し、特性が著しく劣化するためである。この耐水和
性を向上させるためには従来以下の方法が検討されてき
た。
(1)リン酸カルシウムマグネシウム、リン酸マグネシ
ウム、シリカ等をマグネシア粉末に添加し、乾式、ある
いは適当な溶媒中で機械的に混合し、成形、焼結する方
法。
(2)マグネシア成形体をあらかじめ900℃〜1100℃程
度の低温度で予備焼成して得た多孔質の予備焼結体を有
機シリケート化合物液に含浸後、焼成し、さらに1400℃
前後の高温度で焼結することによって焼結体表面をシリ
カとマグネシアの反応で生成したフォルステライトで被
覆する方法(特開昭58−217480号)。
(3)マグネシア粉末を有機シリケート化合物の溶液と
混合した後、成形、焼結し、有機シリケート化合物中の
シリカ成分とマグネシアの反応によって生成したフォル
ステライトを焼結体粒子界面に析出させる方法(特開昭
60−166260号)。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら上記(1)の方法では十分な耐水和性が得
られず、かつ添加した物質を均一に混合することは非常
に困難であり、不均一な混合粉末は焼結時の異常粒成長
の原因となり、焼結体の熱的、機械的性質が劣る。
また、上記(2)の方法は極めて操作が複雑であり、か
つ、生成させるフォルステライトの量を任意に決定する
ことはできない。さらに、この方法では均一なフォルス
テライトの被覆層を得ることが難しいため、焼結体を完
全に被覆するためには必要以上のフォルステライトを生
成させる必要がある。このため熱伝導率の低下をきた
す。
上記(3)の方法もマグネシア粉末を有機シリケート化
合物の溶液と混合した後に濾過、乾燥、粗砕等の複雑な
工程が必要で、不純物の混入が避けられず、かつマグネ
シア粉末上には多量の有機物が付着しているため、焼結
の際の緻密化の妨げとなり、高密度焼結体を得るのが困
難である。また(2)の方法と同様に任意な量のフォル
ステライトを生成させることができない。
本発明は上記困難を克服するため、耐水和性の高い高密
度焼結体の簡便な製造方法を提供することを目的として
いる。
[問題点を解決するための手段] 上記問題点を解決するための本発明の構成は、流動層反
応器中で、マグネシア粉末と有機シリケート化合物の蒸
気とを気固相反応させて、表面にシリカの被膜を有する
マグネシア粉末を製造し、このマグネシア粉末を成形、
焼結することを特徴とするマグネシア焼結体の製造方法
である。
具体的に説明すると、マグネシア粉末粒子上に0.1〜10
モル%のシリカ[ただしSiO2/(MgO+SiO2)のモル比]
の均一な被膜を有する粉末を成形、焼結することによ
り、非常に簡便に、焼結体の粒子界面に均一なフォルス
テライトの薄層が析出した微細構造を有する耐水和性の
高い高密度マグネシア焼結体を得る方法である。
本発明では例えば下記方法により生成したシリカの被膜
を有するマグネシア粉末を成形、焼結することが好まし
い。まず300℃〜600℃好ましくは350℃〜450℃に加熱さ
れた流動層反応器中で気相酸化反応によって合成された
マグネシア粉末を流動させる。
次いでその流動層反応器中にガス濃度が1〜20モル%、
好ましくは4〜8モル%の有機シリケート化合物の加熱
蒸気を供給する。その際、有機シリケート化合物の量に
対して0.1〜20モル倍量の水蒸気を同時に供給すること
が好ましい。
上記工程によりマグネシア粉末粒子表面の活性点と有機
シリケート化合物の分解によって生成したラジカル錯体
との化学吸着あるいは粒子表面に残存するOH基と有機シ
リケート化合物との縮合反応を進行させ、マグネシア粒
子表面に有機物を含むシリカ重合体が析出する。このシ
リカ重合体はマグネシア粒子表面でさらに分解が進み、
最終的には被膜中に残存する有機物量が炭素/ケイ素の
モル比で0.01%以下の均一で緻密なシリカの被膜が析出
する。シリカ被膜の量は流動層反応器に供給する有機シ
リケート化合物のガス濃度および/または反応時間によ
って任意に制御できる。気相酸化反応によって合成され
たマグネシア粉末は粒子同士の凝集が少ない非常に分散
度の高い一次粒子から成っているために、上記方法によ
りシリカの被膜を有するマグネシア粉末を得るのに適し
ている。つまり、水酸化マグネシウムや塩基性炭酸マグ
ネシウム、炭酸マグネシウム等の熱分解によって得られ
たマグネシア粉末は粒子間の凝集が強く、凝集体を1つ
の粒子としてシリカ薄膜で被覆するため、焼結性の低下
をもたらすが、気相酸化反応によって得られたマグネシ
ア粉末では個々の一次粒子を被覆できるために焼結性が
低下することはない。
このようにして得られたマグネシア粉末は単にシリカの
粉末をマグネシア粉末に添加し、混合したものに比較し
て著しく均質なので公知の方法によって成形、焼結して
も異常粒成長の原因となることはない。
成形方法、焼結方法については特に限定されないが、望
ましくは成形圧1ton/cm2以上で等方加圧成形し、1300〜
1700℃で1時間以上焼結する。尚、もとのマグネシア粉
末の粒径は焼結性に影響を与えるが、平均粒径0.1μm
以下の粉末であれば上記焼結条件によって、ほぼ理論密
度に近い焼結体が得られる。
シリカの被膜は焼結によってマグネシアと反応し、フォ
ルステライトが生成する。Mg2SiO4の分子式で表わされ
る、このフォルステライトはマグネシアに比較して耐水
和性の高い物質であり、焼結に伴なう粒成長の際に焼結
体中のマグネシア粒子表面をフォルステライトが被覆す
るように粒子表面に偏析するため、マグネシア粒子の水
和を防ぐことができる。
マグネシア焼結体の粒子をフォルステライトの薄層で被
覆することにより、耐水和性の高いマグネシア焼結体を
得る方法は前述のように既に報告されているが、マグネ
シア粉末粒子にエトキシ基等、多量の有機物を含むケイ
素化合物を吸着させた後に、成形、焼結しているため、
有機物の分解によって発生する炭素化合物のガスが緻密
化を妨げる。
これに対して、本発明による方法ではマグネシア粉末粒
子表面を被覆するシリカ膜中に存在する有機物量は炭素
/ケイ素のモル比で0.01%以下と極めて少ないため、こ
の有機物が緻密化を妨げることはなく、逆に粉末粒子表
面にシリカ被膜を析出させていない純粋なマグネシア粉
末に比較して高密度で高強度な焼結体を得ることができ
る。これは焼結の初期においてマグネシア粒子表面にシ
リカの多い表面層が存在するために、粒子再配列による
緻密化が促進され、また焼結の中期以降では、粒子表面
のシリカとマグネシアが相互拡散によってフォルステラ
イトが生成するために、粒子間の結合がより強固になっ
たためと推定される。
なお、本発明による方法で製造したマグネシア焼結体の
鉱物組成はマグネシアとフォルステライトからなってい
ることがX線回折計により、また焼結体の粒子界面にフ
ォルステライト層が均一に偏析していることがX線マイ
クロアナライザーでSi、Mgの分布状態を観察することに
より、それぞれ確認された。
フォルステライトはマグネシアに比べて熱伝導率が約1/
10と低いがシリカの量を10モル%以下におさえれば、従
来のマグネシア磁器と同程度の熱伝導率を保持できる。
逆に耐水和性を向上させるためにはシリカの量は多い方
が望ましいが、マグネシアに対して0.1モル%以上、好
ましくは1モル%以上であれば十分な耐水和性が得られ
る。
[実施例] 次に実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、
本発明はこれら実施例に限定されない。
実施例 金属マグネシウムの加熱蒸気を気相酸化させることによ
り製造された平均粒径0.055μmのマグネシア粉末100g
を400℃に加熱された流動層反応器中でテトラエトキシ
シランを含有するガスにより流動させ、均一なシリカ被
膜を有するマグネシア粉末を得た。
マグネシア粒子上に析出したシリカは5.9モル%であっ
た。この際テトラエトキシシランのガス濃度は7モル
%、全ガス供給速度は3.7/min、反応時間15分であっ
た。
得られた粉末約5gを3.0ton/cm2の圧力で直径20mm、厚さ
3〜4mmの円板状に等方加圧成形し、空気中1400℃で1
時間焼成することにより、マグネシア焼結体を得た。
この焼結体について相対密度、抗折強度、熱伝導率、耐
水和性を測定した。その結果を表1に示す。なお耐水和
性は焼結体を180℃、約10気圧の水蒸気圧のオートクレ
ーブ中に1時間静置後の酸化マグネシウムが水酸化マグ
ネシウムに変化することによる重量増加率で表わした。
比較例1 気相酸化反応による平均粒径0.055μmのマグネシア粉
末約5gを実施例と同様な方法により、成形、焼結し、マ
グネシア焼結体を得た。焼結体の測定結果を表1に示
す。
比較例2 気相酸化反応による平均粒径0.055μmのマグネシア粉
末に平均粒径0.03μmのシリカ粉末5.9モル%を添加
し、めのう乳鉢でよく混合後その5gを実施例と同様な方
法により、成形、焼結し、マグネシア焼結体を得た。そ
の焼結体の測定結果を表1に示す。
比較例3 気相酸化反応による平均粒径0.055μmのマグネシア粉
末約5gを実施例と同様な方法で成形後1100℃で6時間予
備焼結する。この予備焼結体の開気孔率は26%であっ
た。これをテトラエトキシシラン液中に浸漬した後、表
面のテトラエトキシシランを燃焼させ、1400℃で1時間
焼結した。この焼結体の測定結果を表1に示す。
比較例4 気相酸化反応による平均粒径0.055μmのマグネシア粉
末100gをテトラエトキシシラン40cc、エタノール100cc
を混合した溶液中で3時間混合後、濾過、乾燥し(105
℃×48時間)、めのう乳鉢で粗砕し、その5gを実施例と
同様にして成形、焼結した。測定結果を表1に示す。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明におけるマグネシア焼結体
の製造方法は簡便でかつ従来の成形、焼結技術をそのま
ま応用することによって耐水和性が高く、高密度で高強
度な焼結体を得ることが可能となった。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】流動層反応器中で、マグネシア粉末と有機
    シリケート化合物の蒸気とを気固相反応させて、表面に
    シリカの被膜を有するマグネシア粉末を製造し、このマ
    グネシア粉末を成形、焼結することを特徴とするマグネ
    シア焼結体の製造方法。
  2. 【請求項2】マグネシア粉末が、金属マグネシウムの蒸
    気を気相酸化することによって製造されたものであるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲(1)記載のマグネシア
    焼結体の製造方法。
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