【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミック材料の製造するための方法および装置に関し、特に、在来の加熱法とマイクロ波加熱法とを組み合わせて用いることにより、セラミック材料を燒結ならびにカ焼するための方法と装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】セラミック材料を製造するとき、対流または対流／輻射式ガス、あるいは、電気抵抗加熱法による在来の加熱法がよく用いられる。 しかしながら、これら在来の加熱法は、加熱速度が遅くまた精密な温度制御が行なえないため、エネルギ消費量が大きくまた製品にばらつきが生じやすい。

【０００３】マイクロ波放射による工業用加熱法は加熱効果が高く、セラミックスのスリップキャスティングや乾燥にも、この加熱法が多用されるようになっている。
マイクロ波加熱法は、在来の加熱法に比して十分なマイクロ波の吸収が行なわれる場合、加熱速度が高く精密に温度制御することが可能であり、したがって、エネルギ消費量を節減することができ、また、結果として、品質の優れた製品を生産することができる。

【０００４】比較的低い温度域において、在来の加熱法とマイクロ波加熱法とを組み合わせて用いる方法は、すでに知られている。 調理用のマイクロ波／対流式オーブンはよく知られる例である。 対流加熱法は、均一な調理をおこなったり、あるいは、香ばしさを出したりするために用いられる。

【０００５】比較的低い温度を得るために、対流加熱法とマイクロ波加熱法とを組み合わせたものが工業的に用いられる場合もある。 たとえば、米国特許第４３７５４
４１号には、マイクロ波加熱法のみを使用した場合に生じる不均一な加熱に起因して内部が過溶融されるのを防ぐために、マイクロ波加熱法と在来の加熱法とを組み合わせたものを用い、大きく複雑な形状をした、あるいは、不均質なポリマ物品の均一な燒結を行なう方法が開示されている。 この場合、在来の加熱法は、マイクロ波加熱法の前に用いても、あるいは、後に用いてもよい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多くのセラミック材料の誘電損率（マイクロ波吸収の一つの尺度）は、温度に大きく左右される。 ほとんどのセラミック材料は、低温において有効なマイクロ波結合（マイクロ波吸収）を許容しない。 マイクロ波加熱法の有利さは、処理されるセラミック材料が有効なマイクロ波結合を許容するときに、はじめて十分に活かされるので、通常のセラミックスのマイクロ波処理では、マイクロ波結合度を高めるために添加剤または結合剤を用いなければならない。

【０００７】本発明は、セラミックの温度がある閾値よりも高くなると、マイクロ波結合が飛躍的に増大すること、および、この閾値が処理される材料によって異なり、かつ、この閾値において誘電損率が有意に増大することに着目し、在来の加熱手段ととマイクロ波加熱手段とを組み合わせて、セラミック材料をより効率的に処理することのできる方法および装置を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るセラミック材料の処理装置は、所期の目的を達成するために、断熱ハウジングであって、ワークスペースを確定している加熱チャンバと、該加熱チャンバに隣接して配置されている二次チャンバとを備えているもの、前記加熱チャンバであって、前記ワークスペースを囲んでいる内部のマイクロ波不透過性ライニングと、該ワークスペース内に材料を置き、かつ、そこから材料を取り出すことのできるアクセス手段を有するもの、在来の加熱手段であって、
前記二次チャンバ内にあるもの、マイクロ波エネルギ源および制御手段であって、前記ワークスペース内の周囲温度が設定温度に達したときに該マイクロ波エネルギ源を選択的に作動させるためのもの、導波管手段であって、前記加熱チャンバ内にマイクロ波エネルギを伝達するために該加熱チャンバに連結されたもの、および、穴開き壁であって、前記二次チャンバから前記加熱チャンバにわたる対流熱および輻射熱の伝導が可能な加熱チャンバと二次チャンバとを区分しているものからなることを特徴とする。

【０００９】本発明に係るセラミック材料の処理方法は、所期の目的を達成するために、材料の温度を上昇させてマイクロ波結合を増大させるために対流熱、または、対流熱／輻射熱を適用するステップと、材料の温度をさらに所望温度まで上昇させ、該材料を所望期間だけ所望温度に維持するためにマイクロ波放射を適用するステップとからなり、所望温度で所望期間だけセラミック材料を処理することを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明の場合、在来の加熱法を用いることにより、セラミック材料の温度がマイクロ波結合を有効に増大する閾値まで高められ、その時点でマイクロ波加熱法が用いられる。 したがって、本発明によるときは、在来の加熱法あるいはマイクロ波加熱法と比較し、処理時間、エネルギ消費量の双方を節減することができる。

【００１１】本発明において、対流加熱、または、対流加熱／輻射加熱の後にマイクロ波加熱を用いる方法は、
在来の加熱法による加熱段階でワークスペースの周囲温度が上昇することによって、マイクロ波加熱を介した加熱段階におけるセラミック材料の内部と表面との間の温度勾配が低くなるという利点も有する。 その結果、よりよい品質の製品が得られる。

【００１２】当該技術に熟達した人の場合は、この明細書で示される温度域内では、電気抵抗加熱素子などの在来の加熱用熱源によって生成されるエネルギの輻射成分が、有意でないことが理解される。 ただし、材料によっては、はるかに高い温度が得られるまで誘電損率が顕著に増大しないものがあり、そのような場合には、輻射（赤外）成分が有効となることがある。 かかる理由から、本発明で用いられる在来の加熱法は、対流加熱および輻射加熱の双方を含むものとするが、以下に述べる例においては、対流加熱が、在来の加熱法による加熱段階での唯一有効な熱伝導形態となっている。

【００１３】

【実施例】本発明に係るセラミックスの処理方法および処理装置方法の実施例について、図面を参照して説明する。 図１に示された本発明は、加熱チャンバ１４により確定されたワークスペース１２を有する。 加熱チャンバ１４は、図２に示すごとく、マイクロ波不透過性材料で形成された上壁１６、底壁１８、後壁２０、および、両側壁２２により構成される。 このマイクロ波不透過性材料は、望ましくは、高い導電率、および、５００℃程度の温度域での耐酸化性を有する。

【００１４】加熱チャンバ１４は、これに当接する少なくとも一つの二次チャンバ２４を備えた断熱性のキルン１０内に収容されている。 望ましくは、二次チャンバ２
４は、加熱チャンバ１４のいずれか一方の側に配設される。 二次チャンバ２４は、電気抵抗加熱素子２６などの在来の加熱手段を収容している。 加熱チャンバ１４の両側壁２２には穴が開けられていて、加熱素子２６から加熱チャンバ１４内への対流熱／輻射熱の伝達が可能であり、しかも、加熱チャンバ１４からのマイクロ波放射の漏出が、工業的許容限度の１０ｍＷ／ｃｍ ²以下に抑えられるようになっている。

【００１５】加熱チャンバ１４の後壁２０は、マイクロ波導波管３０のアクセスポート２８を備え、そこを通して（図示しない）マイクロ波発生器が加熱チャンバ１４
に連結される。 温度センサ手段は、加熱チャンバ１４の内部の任意かつ適当な場所に配置されて、加熱チャンバ１４内部の周囲温度を制御するための温度制御手段に連結されるようになっている。

【００１６】加熱チャンバ１４により確定されるワークスペース１２の最適の寸法は、最大数の有効周波数モード、および、よく分布した電圧定在波を生成するものでなければならない。 本発明では、空洞内の共振波長（λ
r ）をあらわす下記の式が用いられた。 λ _r ＝２／［(m/a) ² ＋(n/b) ² ＋(p/c) ² ］ ^1/2ここで、ａ、ｂ、ｃはワークスペース（空洞）の寸法であり、ｍ、ｎ、ｐはそれぞれａ、ｂ、ｃの寸法の中で発生する電圧定在波の数を示す整数である。

【００１７】本発明の望ましい実施態様として、２４５
０±１０ＭＨｚの有効マイクロ波周波数域内では、加熱チャンバ１４の最適寸法が、幅２５ｃｍ、高さ２７ｃ
ｍ、奥行き２９ｃｍであることが明らかにされている。
加熱チャンバ１４には、導電率が高く、耐酸化性がよく、また熔接特性が優れていることから、３０４Ｌ型のオーステナイトステンレス鋼が用いられた。 加熱チャンバ１４の上部１６、底部１８、および、後部２０には、
厚さ３．２ｍｍの板鋼が用いられ、かつ、側壁２２には、マイクロ波の漏出を防ぎながら最大の対流熱伝達を行なわせるために、均一に直径４ｍｍの穴の開いた厚さ３ｍｍの板鋼が用いられた。 （１８０００穴／ｍ ² ）

【００１８】加熱チャンバ１４は、望ましくは、マイクロ波エネルギの漏出を抑え、かつ、アークの発生を防ぐために、既知の形状にデザインされた密にフィットするアクセスドア（図示しない）を備えた円形のアクセスポートを有する。 キルン１０内のアクセス用開口は、望ましくは、清掃、修理、あるいは、交換のために、加熱チャンバ１４全体を嵌めこみ、かつ、取り外すことのできる十分な大きさを有する。 アクセスドアには、視覚によるセラミックの点検および温度測定ができるように、二重の石英ガラスが嵌めこまれた覗き部が設けられてもよい。

【００１９】マイクロ波の導波管３０も、望ましくは、
前記３０４Ｌ型ステンレス鋼で形成される。 この導波管は、望ましくは、長さ１５ｃｍの導波部３１をキルン１
０の外部へ配置させるために、長さが約３０ｃｍである。 導波管３０の冷却手段として、導波部３１の外の部分の周囲に銅管（図示しない）が巻かれ、これに冷却剤がポンプで供給されることがある。

【００２０】二次チャンバ２４は、２５℃／ｍｉｎの平均加熱速度で１２００℃の最高温度が得られるように設計される。 キルン１０内の断熱材３４は、カーボランダム（商品名）のようなケイ酸アルミナ材料を用いた「オールファイバ（全繊維）」により設けられる。 キルン１
０の外側ハウジング３６は、高温エナメルでコーデングされた軟鋼により形成される。 この断熱システムは、キルンの外表面温度を常に４０℃以下に保つものでなければならない。

【００２１】ワークスペース内の温度制御は、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）およびＫ型熱電対を用いて行なわれる。 加熱チャンバ１４のフロア１８には、床用断熱材３４の機械的磨耗を最小限に抑えるために、穴開きのムライト板でライニングされている。

【００２２】本発明の手段を使用するに際しては、カ焼／合成する、または、燒結するセラミック材料をワークスペース内に置き、加熱素子を作動させる。 ワークスペース内の周囲温度が所望のレベルに達したとき（実験で明らかにされたようにマイクロ波結合を顕著に増大させ）、手動または既知のスイッチ手段を用いてマイクロ波発生器を作動させて、材料の温度をカ焼または燒結温度にまで高め、その温度を維持する。 在来の加熱用熱源は、マイクロ波加熱が始まったならば、これの作動を止めてよい。 これに代えて、マイクロ波加熱が始まった後、または、マイクロ波加熱が停止するまで、在来の加熱法の使用を継続してもよい。

【００２３】具体例本発明の手段を用いて、いくつかのセラミック材料を処理した。 使用したセラミック材料は、つぎのとおりである。

【００２４】［カ焼／合成］三水和アルミナ（Ａｌ ₂ Ｏ
₃ ３Ｈ ₂ Ｏ）から得たアルミナ（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ）酸化バリウム（ＢａＯ）と二酸化チタン（ＴｉＯ ₂ ）とから得たチタン化バリウム（ＢａＴｉＯ ₃ ）

【００２５】［燒結］ アルミナ（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ） 酸化亜鉛（ＺｎＯ）

【００２６】赤外（ＩＲ）高温計が、ワークスペース１
２内で処理されているセラミック材料の温度検知に用いられた。 ＩＲ高温計の読みは熱電対の読みで校正された。 前記二つの温度の読みの差は、２００〜７５０℃の温度域において、温度の上昇にともなって増大した。 Ｉ
Ｒ高温計の広範な校正は、異なる各セラミック材料に対応するために、与えられた全温度域にわたって行なう必要がある。 さらに、ＩＲ高温計で測定した温度は、試料の表面温度を表わし、マイクロ波放射を行なっている間、内部温度は、通常、表面温度より高くなっている。
温度をより正確に測定するためには、他の計器を用いてもよい。 特に、高温光ファイバプローブは、この目的にきわめて好適である。

【００２７】通常、選定した材料を在来の加熱法を用いてあらかじめ２００〜６００℃加熱し、その後に異なる出力レベルでマイクロ波加熱を行なった。

【００２８】［例１］三水和アルミナをカ焼／合成してアルミナを得ることに関して、図３が示しているように、在来の加熱法の後にマイクロ波加熱法を用いた場合は、マイクロ波加熱法のみを用いた場合よりも、この材料のカ焼に有利なことがわかる。 図示のように、８５０
Ｗのマイクロ波出力を用い、三水和アルミナの試料２０
ｇを１時間で約１２００℃に加熱した後、マイクロ波出力を５００Ｗに下げてこの温度を維持した。 他方、別の試料２０ｇをあらかじめ４００℃に加熱した後、４００
Ｗの出力のマイクロ波で加熱したところ、試料は、合計４５分で２００℃のカ焼温度に達した（電気抵抗加熱３
５分＋マイクロ波加熱１０分）。

【００２９】在来の加熱法とマイクロ波加熱法との組み合わせにより処理した試料を、Ｘ線トラクション法の使用により分析したところ、三水和アルミナが完全にアルミナに変化していることがわかった。 これに対し、在来の加熱法を用いて試料を１時間で１２００℃に加熱した場合（＋約７２分をかけてキルンが１２００℃に予熱されている）には、必要なアルミナ相を生成することができなかった。 ハイブリッドキルンの中でカ焼された試料を、走査式電子顕微鏡で観察したところ、平均してミクロン大のかなり均一なアルミナの粒子が得られていることがわかった。 これについて、工程の最適化が行なわれなかったことを考慮すれば、かなり微細な粒子が得られたといえる。

【００３０】［例２］酸化バリウムおよび二酸化チタンをカ焼／合成してチタン化バリウムを得ることに関して、図４が示しているように、在来の加熱法の後にマイクロ波加熱法を用いた場合は、マイクロ波加熱法のみを用いた場合よりも、この材料のカ焼に有利なことがわかる。 図示のように、６００Ｗのマイクロ波出力を用いて試料２０ｇを完全にカ焼するために１．５時間を要した。 Ｘ線回折分析を行なったところ、試料は完全に予想される四角相に変化していたが、高温六角相のＢａＴｉ
Ｏ _2.997も存在することがわかった。 試料を、はじめ、
在来の方法で加熱し、その後に、マイクロ波を用いて加熱したところ、処理時間の顕著な短縮がみられた。 この場合、二つの試料をあらかじめ３００℃に加熱し、一方の試料は、それに続いて３００Ｗのマイクロ波により加熱し、かつ、他方の試料は、それに続いて６００Ｗのマイクロ波により加熱した。 ３００Ｗの試料は、六角相のチタン化バリウムを小量しか含んでいなかった。 これら二つの場合の主たる違いが、得られた最高温度にあることは明らかである（６００Ｗ：Ｔmax ＝１１８０℃、３
００Ｗ：Ｔmax ＝９００℃）。 それで、最高温度（ＩＲ
高温計で測定した表面温度）が９００℃を越えてはならないことが明らかになった。 酸化バリウムと二酸化チタンとの試料１００ｇもカ焼した。

【００３０】代表的な温度曲線が図４に示されている。
抵抗加熱法とマイクロ波加熱法とを用いた場合、１００
ｇの試料のカ焼に要した合計時間は１．５時間であった。 これらの試料のＸ線回折により、所望４角相のみの存在が確認された。 カ焼した１００ｇの試料のＳＥＭ顕微鏡写真によると、粒子平均の大きさが約１μｍであり、これは、粒子間に若干の融解やアグロメレーションが認められることを示している。

【００３１】［例３］図５は、酸化亜鉛の試料３ｇを、
マイクロ波（９００Ｗ）で加熱した場合と、対流加熱で２００℃まで予熱した後に５００Ｗのマイクロ波で加熱した場合の温度曲線を示している。 ５００Ｗのマイクロ波出力を用いた場合、試料の温度（ＩＲ高温計にて測定）は、７０分間にわたって６５０℃の定温に保たれた。 燒結された試料の密度は５．２ｇ／ｃｍ3 でであり、これは、純粋な酸化亜鉛の理論的密度の９４．５％
と等価である。 燒結された試料が、完全に燒結されないきわめて薄い層を有することは明らかである。 その後の試験が、サファイル(Saffile) で完全に断熱された試料を用いて行われた。 断熱された燒結試料の密度は、５．
１ｇ／ｃｍ ³であった。 すなわち、これは理論的密度の９２．７％である。 しかし、最大厚さ０．４５ｍｍの表面層は、なおも、存在していた。 酸化亜鉛の試料の完全な燒結が工程の最適化により可能であることは、予想される。

【００３２】［例４］高性能（高加熱速度）電気キルンを用いて、水和アルミナのカ焼における実際の対流エネルギの消費状況を測定した。 ２０ｇの試料を用いた場合、１０００℃で２時間の休止時間が必要であった。 ２
０ｇの試料を１時間で１０００℃に加熱した。 この温度での２時間の休止期間の後、キルンの電源を切り、試料をそのままキルンの中で冷却した。 対流電気抵抗加熱法による水和アルミナ２０ｇのカ焼に要した全エネルギ消費量は６．０ｋＷ時であった。 比較のために、ハイブリッドキルンを用いて試料２０ｇをカ焼したところ、この場合の全エネルギ消費量は５．０７ｋＷ時であった。 対流加熱は、対流加熱とマイクロ波加熱とを組み合わせて使用した場合よりも電気エネルギの消費量が１８％多かった。 同様に、ハイブリッドキルンを用いてチタン化バリウムのカ焼を行なった場合の電気エネルギの消費量は１．７ｋＷ時であった。 これに対し、対流加熱法を用いた場合の電気エネルギの消費量は６．０ｋＷ時であった。

【００３３】燒結試験に使用したアルミナは、Ａ−１
６、純度９９．７％のものであった。 この粉末の粒子の平均の大きさは１μｍ以下であった。 燒結に際して、重さ５ｇ、２０ｇ、および、４０ｇの試料を準備した。

【００３４】出力９００Ｗのマイクロ波を用いた場合、
１．５時間以内に温度が２５０℃を越えた試料はなかった。 純粋のアルミナは、外界温度ではきわめて低い誘電損率を示す。 しかし、温度が５００℃近くになると、純粋のアルミナの誘電損率は顕著に増大する。 対流加熱により５００℃に予熱した後に９００Ｗのマイクロ波加熱する加熱法を用いて、本発明が適用された。 サフィルファイバ(Saffile fibre) で断熱された試料２０ｇが上記の条件下で加熱された。 得られた燒結試料は、これにクラックが全くみられず、融解の形跡となる上端中央の小さなスポットを除いて均一に燒結されていた。 試料の密度を測定したところ、３．８８ｇ／ｃｍ ³であった。 すなわち、これは理論的密度の９７％である。 比較のために、在来の加熱法を用いたところ、この場合は、理論的密度の９６％の純粋のアルミナを燒結するために２０時間を必要とした。

【００３５】等価の在来のキルンを使用した場合、アルミナの燒結に要した全エネルギ量は９ｋＷ時であった（加熱域１０００℃／時、２時間の休止時間をともなう）。 これに対し、本発明のキルンでは、同量のアルミナを処理するのに４．２ｋＷ時のエネルギしか要しなかった。

【００３６】

【発明の効果】本発明に係るセラミックスの処理方法、
処理装置によるときは、つぎのような効果が得られる。

【００３７】在来の加熱法によってマイクロ波結合が飛躍的に増大する点までセラミック材料を加熱することによってセラミック材料のより効果的な処理が達成される。 これによって、工程のほとんどの部分を通じてマイクロ波加熱法を効率的に使用することができる。

【００３８】さらに、在来の加熱法による加熱段階でワークスペースの周囲温度が高められるために、マイクロ波加熱法による加熱段階でのセラミック材料の内部と表面の間の温度勾配が低下し、その結果、より品質のよい製品が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示したキルンの断面図である。

【図２】図１に示したキルンの加熱チャンバの見取図である。

【図３】三水和アルミナからカ焼／合成によってアルミナを得るにあたり、本発明方法と在来の加熱法とを比較して示したグラフである。

【図４】酸化バリウムおよび二酸化チタンからカ焼／合成によってチタン化バリウムを得るにあたり、本発明方法と在来の加熱法とを比較して示したグラフである。

【図５】酸化亜鉛の燒結にあたり、本発明方法と在来の加熱法とを比較して示したグラフである。

【符号の説明】

１０ 断熱ハウジング １２ ワークスペース １４ 加熱チャンバ １５ アクセス手段 １６ ライニング １８ ライニング ２２ ライニング ２２ ライニング（穴開き壁） ２４ 二次チャンバ ２６ 加熱手段（電気抵抗加熱素子） ３０ 導波管手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イブラヒム サブリ バルバー カナダ エル５エム ４エム８ オンタリ オ州 ミシソーガ イーデンクロフト ク レセント 5412 (72)発明者 スティーブン ジョン オダ カナダ エム８ブイ ３ジー３ オンタリ オ州 エトビコーク イレブンス ストリ ート 36