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特表2024-506837イットリウムアルミニウムガーネット粉末およびそれを合成するための方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-02-15
(54)【発明の名称】イットリウムアルミニウムガーネット粉末およびそれを合成するための方法
(51)【国際特許分類】
C04B 35/44 20060101AFI20240207BHJP
C04B 35/505 20060101ALI20240207BHJP
C01F 17/34 20200101ALI20240207BHJP
【ＦＩ】
C04B35/44
C04B35/505
C01F17/34
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023545905
(86)(22)【出願日】2022-01-28
(85)【翻訳文提出日】2023-09-15
(86)【国際出願番号】 US2022014353
(87)【国際公開番号】W WO2022165206
(87)【国際公開日】2022-08-04
(31)【優先権主張番号】63/143,605
(32)【優先日】2021-01-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】508348680
【氏名又は名称】マテリオン コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100196597
【弁理士】
【氏名又は名称】横田 晃一
(72)【発明者】
【氏名】チャン，セギョン
(72)【発明者】
【氏名】コタ，マリオ・イー
(72)【発明者】
【氏名】クスナー，ロバート・イー
(72)【発明者】
【氏名】グレンシング，フリツ
【テーマコード（参考）】
4G076
【Ｆターム（参考）】
4G076AA02
4G076AB02
4G076AC04
4G076BA38
4G076CA02
4G076CA27
4G076DA11
4G076DA30
(57)【要約】
イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末を合成する方法。方法は、イットリアおよびシリカの粉末を導入して粉末混合物を形成するステップを含み、アルミナは粉末混合物に添加されない。アルミナ粉砕媒体および溶媒の存在下で粉末混合物をミリングすると、粉末スラリーが形成される。粉末スラリーを加工すると、圧粉体が形成される。１１００℃～１６５０℃の温度で８時間超、圧粉体を空気中で理論密度の５０％以下まで焼成すると、少なくとも９２重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２のＹＡＧ圧密体が形成される。粉砕媒体なしでＹＡＧ圧密体をミリングし、乾燥させると、ＹＡＧ粉末が生成される。方法は、粉末混合物にドーパントを導入して、ドープされたＹＡＧ粉末を生成するステップをさらに含む。
【選択図】なし
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末を合成する方法であって、イットリアおよびシリカ粉末を導入して粉末混合物を形成するステップであり、アルミナが前記粉末混合物に添加されない、ステップと、
アルミナ粉砕媒体および溶媒の存在下で前記粉末混合物をボールミリングし、粉末スラリーを形成するステップと、
前記粉末スラリーを加工して圧粉体を形成するステップと、
１１００℃～１６５０℃の温度で８時間超、前記圧粉体を空気中で理論密度の５０％以下まで焼成し、少なくとも９２重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２のイットリウムアルミニウムガーネット圧密体を形成するステップと、
粉砕媒体なしで前記イットリウムアルミニウムガーネット圧密体をミリングし、次いで乾燥させて前記イットリウムアルミニウムガーネット粉末を生成するステップと
を含む、方法。
【請求項2】
加工するステップが、前記粉末スラリーを噴霧乾燥して噴霧乾燥粉末を形成することと、前記噴霧乾燥粉末を理論密度の３５％以下まで圧密して圧粉体を形成することとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
焼成するステップが、１４５０℃～１５５０℃の温度で８時間～１６時間の期間行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記イットリウムアルミニウムガーネット粉末が、理論密度の９６％超まで焼結可能である、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記アルミナ粉砕媒体が、９５．０～９９．８％Ａｌ２Ｏ３の純度を有し、ボールミリング後の組成物が、化学量論的３Ｙ２Ｏ３：５Ａｌ２Ｏ３および３重量％未満の追加のＡｌ２Ｏ３を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記追加のＡｌ２Ｏ３が、前記アルミナ粉砕媒体の浸食部分を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
前記イットリウムアルミニウムガーネット圧密体をミリングするステップが、イットリウムアルミニウムガーネット圧密材料自体が自己破砕し、１００μｍ未満の平均粒子サイズ分布を有する前記イットリウムアルミニウムガーネット粉末を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
導入する粉末が、ランタニドまたは遷移金属を含むドーパントをさらに含み、前記ランタニドまたは遷移金属が、化合物の形態であり、前記化合物が、酸化物、水和物、硝酸塩、塩化物、もしくはそれらの組合せである、または、前記化合物が、セリア（ＣｅＯ２）、塩化セリウム（ＩＩＩ）七水和物（ＣｅＣｌ３・７Ｈ２Ｏ）、もしくは硝酸セリウム（ＩＩＩ）六水和物（Ｃｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏ）である、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記ランタニドまたは遷移金属が、＋３までイオン化され、０．１１４ｎｍ以下のイオン半径を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記ランタニドもしくは遷移金属が、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、もしくはそれらの組合せを含む、または、前記ランタニドもしくは遷移金属が、スカンジウム、亜鉛、もしくはセリウムである、請求項８に記載の方法。
【請求項11】
前記ドーパントが、前記粉末混合物の総重量を基準として１０ｐｐｍ～６重量％である、または、前記ドーパントが、前記粉末混合物の総重量を基準として０．１重量％～５重量％のセリアである、請求項８に記載の方法。
【請求項12】
前記ドーパントが、前記粉末混合物の総重量を基準として３重量％未満のセリアである、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記イットリア粉末が、２Ｎ以上の純度を有し、または３Ｎ以上の純度を有し、前記シリカが、前記粉末混合物の総重量を基準として０．１重量％～０．３重量％である、請求項１に記載の方法。
【請求項14】
ドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末を合成する方法であって、イットリア、シリカ、およびランタニドまたは遷移金属の酸化物、水和物、硝酸塩または塩化物で形成される少なくとも１種のドーパントの粉末を導入し、混合して粉末混合物を形成するステップであり、アルミナが前記粉末混合物に添加されない、ステップと、
アルミナ粉砕媒体および溶媒の存在下で前記粉末混合物をボールミリングし、粉末スラリーを形成するステップと、
前記粉末スラリーを加工して圧粉体を形成するステップと、
１１００℃～１６５０℃の温度で８時間超、前記圧粉体を空気中で理論密度の５０％以下まで焼成し、少なくとも９２重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２のイットリウムアルミニウムガーネット圧密体を形成するステップと、
粉砕媒体なしで前記イットリウムアルミニウムガーネット圧密体をミリングし、次いで乾燥させて前記ドープされたイットリウムアルミニウムガーネット粉末を生成するステップと
を含む、方法。
【請求項15】
イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）組成物であって、９４重量％～１００重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２、
０重量％～３重量％のドーパント、および
０重量％～３重量％のＡｌ２Ｏ３
を含み、追加のＡｌ２Ｏ３が、アルミナ粉砕媒体の浸食部分を含む、組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
優先権
[0001]本出願は、参照することにより本明細書に組み込まれる、２０２１年１月２９日出願の米国仮特許出願第６３／１４３，６０５号に関連し、その優先権を主張する。
[0001]本出願は、参照することにより本明細書に組み込まれる、２０２１年１月２９日出願の米国仮特許出願第６３／１４３，６０５号に関連し、その優先権を主張する。
【0002】
[0002]本開示は、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末の合成、および制御されたドーパント濃度を有するＹＡＧ粉末を生成するための加工方法に関する。
【背景技術】
【0003】
[0003]適切なイオンがドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ、イットリウムアルミネート、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）またはＹＡＧは、多種多様に、または固体レーザ等の用途において、とりわけプロジェクタ、固体照明、ヘッドアップディスプレイ、専門的な照明、陰極線管、発光ダイオード、シンチレータにおける蛍光体として使用されている。
【0004】
[0004]ＹＡＧ粉末を作製する従来の方法には、例示的経路として、とりわけ化学共沈、混合沈殿、グリシン－ニトレート、シトレート、アルミナゾルへのイットリアの溶解、無定形フォーム、誘導結合熱プラズマ合成、水熱、ナノ粉末加工、マイクロ波結合が含まれる。しかしながら、上述の技術により生成される得られる粉末は高価であり、製造に時間がかかり、小さいバッチサイズを必要とし、また同様に、方法に関連した環境的マイナス面を有し得る。さらに、得られる不純物レベルは、いくつかの用途において要求されるものより低くなり得る。これは、資源に対して著しい不必要な需要を課す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
[0005]ＹＡＧ粉末を作製するための方法は数多く利用可能であるが、収率の改善、ならびに制御されたレベルのドーパント、二次相もしくは副次相および／または不純物を提供しながら、従来の固体合成粉末より低い温度での焼結性を提供する、複雑でない固体粉末合成プロセスが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
[0006]一実施形態において、本開示は、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末を合成する方法に関する。方法は、イットリアおよびシリカの粉末を混合して粉末混合物を形成するステップを含む。粉末混合物は、アルミナを含まない。粉末混合物は、ドーパントを含んでもよい。方法は、ボールミリングするステップ（ball milling）、噴霧乾燥するステップ、圧密するステップ（compacting）、焼成（か焼）するステップ（calcining）、およびミリングして（milling）ＹＡＧ粉末を形成するステップをさらに含んでもよい。粉末混合物のボールミリングは、アルミナ粉砕媒体（grinding media）および溶媒の存在下で行われ、粉末スラリーを形成し得る。粉末スラリーを噴霧乾燥すると、噴霧乾燥粉末が形成され得る。噴霧乾燥粉末を理論密度の３５％以下まで圧密すると、圧粉体（green compact）が形成され得る。圧粉体を空気中で理論密度の５０％以下まで焼成すると、ＹＡＧ圧密体（YAG compact）が形成され得る。粉砕媒体なしでＹＡＧ圧密体をミリングし、次いで乾燥させると、ＹＡＧ粉末が生成され得る。イットリア粉末は、２Ｎ以上の純度、または３Ｎ以上の純度を有してもよい。シリカは、粉末混合物の総重量を基準として０．１重量％～０．３重量％であってもよい。シリカは、フュームドシリカであってもよい。アルミナ粉砕媒体は、９５．０～９９．８％のＡｌ２Ｏ３の純度を有してもよい。
【0007】
[0007]混合して粉末混合物を形成するステップは、ランタニドまたは遷移金属を含むドーパントをさらに含んでもよい。ランタニドまたは遷移金属は、化合物の形態であってもよく、化合物は、酸化物、水和物、硝酸塩（ニトレート）（nitrate）、塩化物、またはそれらの組合せである。ランタニドまたは遷移金属は、＋３までイオン化され、０．１１４ｎｍ以下のイオン半径を有してもよい。ランタニドもしくは遷移金属は、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、もしくはそれらの組合せを含み得る。ランタニドまたは遷移金属は、スカンジウム、亜鉛、またはセリウムであってもよい。ドーパントは、粉末混合物の総重量を基準として１０ｐｐｍ～６重量％を構成し得る。ドーパントは、粉末混合物の総重量を基準として０．１重量％～５重量％のセリアであってもよい。ドーパントは、粉末混合物の総重量を基準として３重量％未満のセリアであってもよい。ドーパント化合物は、セリア（ＣｅＯ２）、塩化セリウム（ＩＩＩ）七水和物（ＣｅＣｌ３・７Ｈ２Ｏ）、または硝酸セリウム（ＩＩＩ）六水和物（Ｃｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏ）であってもよい。
【0008】
[0008]粉末スラリーをボールミリングするステップは、粉末混合物、溶媒、およびアルミナ粉砕媒体がポリマー被覆ボールミリング容器内に収容されることを含んでもよい。溶媒は、蒸留水または脱イオン水（エチルおよびイソプロピルアルコール）であってもよい。粉末スラリーを噴霧乾燥する前に、有機結合剤が粉末スラリーに添加されてもよい。有機結合剤は、水溶性であってもよい。有機結合剤は、粉末スラリーの総重量を基準として３重量％～９重量％であってもよい。ボールミリング後の組成物は、化学量論的３Ｙ２Ｏ３：５Ａｌ２Ｏ３（０．６：１）および３重量％未満の追加のＡｌ２Ｏ３を含んでもよい。追加のＡｌ２Ｏ３は、アルミナ粉砕媒体の浸食部分を含んでもよい。
【0009】
[0009]噴霧乾燥粉末を圧密するステップは、一軸加圧または冷間等方圧加圧を含んでもよい。噴霧乾燥粉末を圧密するステップは、空気中室温で行われてもよい。噴霧乾燥粉末を圧密するステップは、５００ｐｓｉ～１２５０ｐｓｉの圧力で行われてもよい。焼成は、１１００℃～１６５０℃、または１４５０℃～１５５０℃の温度で行われてもよい。焼成は、２時間～６４時間、または８時間～１６時間の期間行われてもよい。ＹＡＧ圧密体をミリングするステップは、圧密体および溶媒がポリマー被覆ミリング容器内に収容されることを含んでもよい。溶媒は、エタノールアルコールまたはイソプロピルアルコールであってもよい。ＹＡＧ圧密体をミリングするステップは、少なくとも６時間ミリングすることを含んでもよい。ＹＡＧ圧密体をミリングするステップは、ＹＡＧ圧密材料自体が自己破砕し、１００μｍ未満の平均粒子サイズ分布を有するＹＡＧ粉末を生成することを含んでもよい。平均粒子サイズ分布は、６３μｍ未満、または４４μｍ未満であってもよい。ミリングされたＹＡＧ圧密材料は、乾燥前に篩い分けされてもよい。ＹＡＧ粉末は、二峰性粒子サイズ分布を有してもよい。乾燥は、９０℃未満の温度で行われてもよい。
【0010】
[0010]一部の実施形態において、ドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末を合成する方法は、イットリア、シリカ、およびランタニドまたは遷移金属の酸化物、水和物、硝酸塩または塩化物で形成される少なくとも１種のドーパントの粉末を提供し、混合して粉末混合物を形成するステップを含み、アルミナは粉末混合物に添加されない。方法は、アルミナ粉砕媒体および溶媒の存在下で粉末混合物をボールミリングし、粉末スラリーを形成するステップと、粉末スラリーに有機結合剤を添加し、混合して噴霧可能な粉末スラリーを形成するステップと、噴霧可能な粉末スラリーを噴霧乾燥して噴霧乾燥粉末を形成するステップとをさらに含んでもよい。方法は、噴霧乾燥粉末を理論密度の３５％以下まで圧密して圧粉体を形成するステップをさらに含んでもよい。方法は、圧粉体を空気中で理論密度の５０％以下まで焼成してＹＡＧ圧密体を形成するステップをさらに含んでもよい。方法は、イットリウムアルミニウムガーネット圧密体が少なくとも９２重量％以上のＹ３Ａｌ５Ｏ１２であることを含んでもよい。方法は、粉砕媒体なしでＹＡＧ圧密体をミリングし、次いで乾燥させてドープされたＹＡＧ粉末を生成するステップをさらに含んでもよい。
【0011】
[0011]態様において、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）組成物は、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２および３重量％未満の追加のＡｌ２Ｏ３を含み、追加のＡｌ２Ｏ３は、アルミナ粉砕媒体の浸食部分を含む。組成物は、少なくとも１原子％のドーパント濃度をさらに含んでもよい。蛍光体ホイール等の物品は、上述のようなイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）組成物を含み得る。
【0012】
[0012]開示された技術の性質および利点のさらなる理解は、本明細書の残りの部分および図面を参照することにより実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】[0013]例示的方法のフローチャートである。
【図2】[0014]例示的方法による、アルミナ粉砕媒体対イットリアの投入重量比の関数としての浸食されたアルミナの量を示すグラフである。
【図3】[0015]例示的方法によりセリアがドープされたＹＡＧ粉末のｘ線回折プロットである。
【図4】[0016]例えば空気中１５００℃で８時間の焼結後の、例示的方法によるセリウムドープＹＡＧ粉末の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図5】[0017]例示的方法による焼成サイクルの反復後の非ドープＹＡＧ粉末のｘ線回折プロットである。
【図6】[0018]例えば空気中１６００℃で８時間の焼結後の、比較セリウムドープＹＡＧ粉末の様々なスポットにおけるスポットエネルギー分散分光法（ＥＤＳ）分析を示すＳＥＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
緒論
[0019]上で議論したように、以前の方法を使用して生成されたＹＡＧ粉末は、収率、コストおよび焼結性の需要を満たさない。具体的には、ＹＡＧ粉末を作製する以前の固体法は、より長い期間およびより高い温度で焼成を反復することを必要とし、したがってプロセス効率に欠き、例えば生成収率が低い。また、ＹＡＧ粉末を作製する以前の固体法は、高密度の物品を達成するためにより高い焼結温度、例えば１６００℃以上を必要とする。
[0019]上で議論したように、以前の方法を使用して生成されたＹＡＧ粉末は、収率、コストおよび焼結性の需要を満たさない。具体的には、ＹＡＧ粉末を作製する以前の固体法は、より長い期間およびより高い温度で焼成を反復することを必要とし、したがってプロセス効率に欠き、例えば生成収率が低い。また、ＹＡＧ粉末を作製する以前の固体法は、高密度の物品を達成するためにより高い焼結温度、例えば１６００℃以上を必要とする。
【0015】
[0020]ここで、本発明者らは、第１の（ボール）ミリングにおいてアルミナ粉砕媒体を使用すること、得られる粉末スラリーを焼成前に圧密すること、および最終ミリングにおいて粉砕媒体をほとんどまたは全く使用しないことによって、より単純で効率的な生成プロセスが達成されることを見出した。
【0016】
[0021]理論に束縛されないが、開示された方法は、焼成中にＹＡＧ相へのより効率的な転換を促進し、また各ミリングプロセス中に望ましくない不純物源を防止することが仮定される。アルミナ粉砕媒体を用いたボールミリングを介してアルミナ含有率を制御することによってより効率的なプロセスが得られ、例えば、ミリングを介して化学量論的または超化学量論的アルミナ含有率を提供するプロセスが得られ、これによってＹＡＧ相への転換が向上し、望ましくない不純物の導入が回避されることが見出された。焼成前に粉末スラリーを圧密すると、ＹＡＧ相への転換がさらに向上し、これは有利にはより低い温度、より短い期間、および／またはより少ない焼成サイクルで行うことができ、これらは全てより効率的なプロセス、例えば収率が改善されたプロセスに寄与する。
【0017】
[0022]さらに、焼成後のミリングにいかなる粉砕媒体も導入しないことにより、プロセスは成分組成物のより高い純度およびより良好な制御を提供し、これはより純粋なＹＡＧ粉末、例えば不純物がより少ないＹＡＧ粉末をもたらす。理論に束縛されないが、ミリングを介したアルミナの導入と併せて焼成前の圧密を組み合わせることは、イットリア内のアルミナのより均一な分散に寄与し、これによってより短い期間および／またはより低い温度でアルミナとイットリアとの間の反応を完了させることができ、これは一方でＹＡＧへの相転換を向上させる。重要なことに、開示された方法を使用することによって、ドーパント濃度は有利に制御され得る。その結果、ドープされたＹＡＧは、より少ない望ましくない不純物を含む。
【0018】
[0023]また、開示された方法は、従来のＹＡＧ粉末より良好に機能するＹＡＧ粉末を提供する。例えば、開示されたＹＡＧ粉末は高い焼結性を示し、例えば、ＹＡＧ粉末は、従来の固体合成粉末よりも比較的低い焼結温度（sintering temperature）でより高い密度まで焼結される（sinter）。これは、上述のミリングおよび圧密ステップを使用することにより提供されるより低い温度での焼成の使用に起因する。ＹＡＧ相転換は比較的低い焼成温度で達成されるため、開示されたＹＡＧ粉末は、有益にもより少ない硬質凝集体およびより小さい平均粒径を有する。対照的に、従来のＹＡＧ粉末はより高い焼成温度で調製され、これは有害にもより硬質の凝集体を形成して低い焼結性をもたらす。例えば、その後の焼結中、開示されたＹＡＧ粉末は、１５３７℃で８時間の焼結で理論密度の９８％に達し、一方市販のＹＡＧ粉末（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ Ｇ９１、フリーモント、ＣＡ）は、１５３７℃で８時間の焼結で理論密度の８３％にしか達し得ない。その結果、固体プロセスは、制御されたドーパント濃度を有し、高い焼結性を有し、よりコスト効率的に製造される高品質粉末を生成することが望ましい。
【0019】
[0024]開示された方法は、多種多様な用途、例えば蛍光体ホイール、白色発光ダイオード（ＷＬＥＤ）を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）、光学レンズおよびレーザベースの車両用エンジン点火装置（例えばスパークプラグの代替品として）用のＮＩＲ（近赤外線）透過窓、レーザ、レーザガン等に好適なＹＡＧを提供する。
【0020】
ＹＡＧ粉末合成方法
[0025]本開示は、上述の利点を有するＹＡＧ粉末を合成するための方法に関する。方法の一例を図１に示す。方法は、イットリアおよびシリカの粉末を混合して粉末混合物を形成するステップと、粉末混合物をボールミリングして粉末スラリーを形成するステップとを含む。重要なことに、ボールミリングは、アルミナ粉砕媒体および溶媒の存在下で行われる。これは、粉末スラリーに対するアルミナの量が制御され得、さらには所望により超化学量論的量のアルミナが導入されるが、従来の粉砕媒体、例えばミリングボールからの望ましくない不純物は導入されないため、重要である。粉末混合物は、いくつかの場合において、アルミナを含まない（アルミナは粉末に添加されない）。方法は、粉末スラリーを噴霧乾燥して噴霧乾燥粉末を形成するステップと、噴霧乾燥粉末を理論密度の３５％以下まで圧密して圧粉体を形成するステップとをさらに含む。これによって、有益には、圧粉体は、緩い未加工材料よりも焼成中にＹＡＧ相に容易に転換し得る。方法は、圧粉体を空気中で理論密度の５０％以下まで焼成してＹＡＧ圧密体を形成するステップと、粉砕媒体なしでＹＡＧ圧密体をミリングし、次いで乾燥させてＹＡＧ粉末を生成するステップとをさらに含む。粉砕媒体なしでＹＡＧ圧密体をミリングするステップは、ミリングボールから最終粉末組成物に望ましくない不純物が導入されるのがそれによって防止されるため、重要である。これらのステップのそれぞれを、以下でより詳細に議論する。
[0025]本開示は、上述の利点を有するＹＡＧ粉末を合成するための方法に関する。方法の一例を図１に示す。方法は、イットリアおよびシリカの粉末を混合して粉末混合物を形成するステップと、粉末混合物をボールミリングして粉末スラリーを形成するステップとを含む。重要なことに、ボールミリングは、アルミナ粉砕媒体および溶媒の存在下で行われる。これは、粉末スラリーに対するアルミナの量が制御され得、さらには所望により超化学量論的量のアルミナが導入されるが、従来の粉砕媒体、例えばミリングボールからの望ましくない不純物は導入されないため、重要である。粉末混合物は、いくつかの場合において、アルミナを含まない（アルミナは粉末に添加されない）。方法は、粉末スラリーを噴霧乾燥して噴霧乾燥粉末を形成するステップと、噴霧乾燥粉末を理論密度の３５％以下まで圧密して圧粉体を形成するステップとをさらに含む。これによって、有益には、圧粉体は、緩い未加工材料よりも焼成中にＹＡＧ相に容易に転換し得る。方法は、圧粉体を空気中で理論密度の５０％以下まで焼成してＹＡＧ圧密体を形成するステップと、粉砕媒体なしでＹＡＧ圧密体をミリングし、次いで乾燥させてＹＡＧ粉末を生成するステップとをさらに含む。粉砕媒体なしでＹＡＧ圧密体をミリングするステップは、ミリングボールから最終粉末組成物に望ましくない不純物が導入されるのがそれによって防止されるため、重要である。これらのステップのそれぞれを、以下でより詳細に議論する。
【0021】
[0026]上記のように、上述のプロセス、例えばボールミリング（アルミニウム粉砕媒体を使用）と任意選択で併せた圧密ステップの使用は、上述の驚くべき結果を提供する。
【0022】
初期粉末
[0027]上記のように、および図１に例示されるように、方法は、初期粉末、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）およびシリカ（ＳｉＯ２）を混合して粉末混合物を形成するステップを含む。
[0027]上記のように、および図１に例示されるように、方法は、初期粉末、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）およびシリカ（ＳｉＯ２）を混合して粉末混合物を形成するステップを含む。
【0023】
[0028]混合ステップにおいて使用される初期粉末は、イットリアおよびシリカを含む。いくつかの場合において、イットリア粉末は、高純度イットリアである。例えば、イットリア粉末は、２Ｎ（９９％）以上、例えば３Ｎ（９９．９％）または４Ｎ（９９．９９％）の純度を有してもよい。一部の実施形態において、イットリア粉末は、３Ｎの純度を有する。いくつかの場合において、イットリア粉末は３Ｎ以上の純度を有する。
【0024】
[0029]シリカおよびイットリアは、別個の粉末として混合されてもよく、または、出発粉末は、例えばシリカを富化したイットリアであってもよい。そのような場合、混合ステップは必要なく、シリカ／イットリア粉末が単に提供され得る。好ましい実施形態において、シリカは、フュームドシリカである。フュームドシリカ、または焼成シリカは、低いかさ密度および高い表面積を有する。そのような特徴によって、フュームドシリカは、特に焼成に使用される高い温度の間、粉末合成において極めて反応性となる。焼成中、シリカはイットリアおよびアルミナと反応してＹ－Ａｌ－Ｓｉ－Ｏ液相を形成する。このＹ－Ａｌ－Ｓｉ－Ｏ液相は、１３５０℃超の温度で蒸発する。シリカを添加して液相を形成することによって、Ｙ－Ａｌ－Ｓｉ－Ｏ液相蒸発により洗浄効果が実現される。焼成（または焼結）中に蒸発により除去される過渡的な液相は、洗浄剤となり得る。好適なイットリアおよびシリカ粉末は市販されており、例えば、イットリア（Ｍａｔｅｒｉｏｎ Ｃｏｒｐ．から）およびフュームドシリカ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈから）がある。
【0025】
[0030]一部の実施形態において、粉末混合物は、０．００５重量％～２．０重量％のシリカおよび残余部分のイットリアを含む。例えば、粉末混合物は、０．００５重量％～２．０重量％のシリカ、例えば０．０１重量％～１．５重量％のシリカ、０．０１重量％～１．０重量％のシリカ、０．０１重量％～０．５重量％のシリカ、０．０５重量％～０．４重量％のシリカ、０．１重量％～０．４重量％のシリカ、０．１重量％～０．３重量％のシリカ、または０．２重量％～０．３重量％のシリカを含んでもよい。下限に関しては、粉末混合物は、０．００５重量％超のシリカ、例えば０．０１重量％超、０．０５重量％超、０．１重量％超、または０．２重量％超のシリカを含んでもよい。上限に関しては、粉末混合物は、２．０重量％未満のシリカ、例えば１．５重量％未満、１．０重量％未満、０．５重量％未満、０．４重量％未満、または０．３重量％未満のシリカを含んでもよい。一部の実施形態において、シリカは、粉末混合物の総重量を基準として０．１重量％～０．３重量％の量で含まれる。本明細書における例は、粉末混合物の総重量を基準として０．２５重量％のシリカの量でシリカを含む。
【0026】
[0031]一部の実施形態において、粉末混合物は、９３．０重量％～９９．９９重量％のイットリアを含む。粉末混合物の残余部分であるイットリア含有率はまた、以下で議論されるように、任意選択のドーパントが添加されるかどうかに依存する。例えば、粉末混合物は、９３．０重量％～９９．９９重量％のイットリア、例えば９３．０重量％～９９．９５重量％のイットリア、９５．０重量％～９９．９重量％のイットリア、９７．０重量％～９９．８重量％のイットリア、または９８．０重量％～９９．８重量％のイットリアを含んでもよい。下限に関しては、粉末混合物は、９３．０重量％超のイットリア、例えば９５．０重量％超、９７．０重量％超、９８．０重量％超、９９．０重量％超、９９．５重量％超、または９９．９重量％超のイットリアを含んでもよい。上限に関しては、粉末混合物は、９９．９９重量％未満のイットリア、例えば９９．９５重量％未満、９９．９重量％未満、９９．８重量％未満、９９．５重量％未満、または９９．０重量％未満のイットリアを含んでもよい。一部の実施形態において、イットリアは、ドーパントが添加されない場合、粉末混合物の総重量を基準として９９．７重量％～９９．８重量％の量で含まれる。一部の実施形態において、イットリアは、ドーパントが添加される場合、粉末混合物の総重量を基準として９６．０重量％～９９．０重量％の量で含まれる。
【0027】
[0032]いくつかの場合において、粉末混合物は、あるとしても少量のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含む。一部の実施形態において、粉末混合物は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含まない、または実質的に含まない。いくつかの場合において、アルミナは粉末混合物に添加されない。一部の実施形態において、粉末混合物は、ゼロ（０．００重量％）～０．５重量％のアルミナを含む。例えば、粉末混合物は、０．０１重量％～０．５重量％のアルミナ、例えば０．０５重量％～０．４重量％のアルミナ、０．１重量％～０．３重量％のアルミナ、または０．１重量％～０．２重量％のアルミナを含んでもよい。上限に関しては、粉末混合物は、０．５重量％未満のアルミナ、例えば０．４重量％未満、０．３重量％未満、または０．２重量％未満のアルミナを含んでもよい。初期粉末としてのアルミナはプロセスから排除できるため、これは重要である。ボールミリング中に導入される唯一のアルミナ源としてアルミナ粉砕媒体を使用することにより、プロセスが単純化されるだけでなく、アルミナがイットリア中に均一に分散され、粉末スラリーに対するアルミナの量がボールミリング中に制御され得ることが見出された。
【0028】
[0033]任意選択で、ドーパントが粉末混合物に含まれる。ドーパントは、化合物の形態で使用されてもよく、またドーパント（ドーパント化合物）は、粉末混合物に添加および／または含有されてもよい。一部の実施形態において、粉末混合物は、１０ｐｐｍ～６．０重量％のドーパント、ならびに上述のシリカおよび残余部分のイットリアを含む。例えば、粉末混合物は、１０ｐｐｍ～６．０重量％のドーパント、例えば０．０１重量％～６．０重量％のドーパント、０．５重量％～５．０重量％のドーパント、１．０重量％～４．０重量％のドーパント、１．５重量％～３．５重量％のドーパント、２．０重量％～３．０重量％のドーパント、または２．３重量％～２．７重量％のドーパントを含んでもよい。下限に関しては、粉末混合物は、１０ｐｐｍ超のドーパント、例えば０．０１重量％超、０．５重量％超、１．０重量％超、１．５重量％超、２．０重量％超、または２．３重量％超のドーパントを含んでもよい。上限に関しては、粉末混合物は、６．０重量％未満のドーパント、例えば５．０重量％未満、４．０重量％未満、３．５重量％未満、３．０重量％未満、または２．７重量％未満のドーパントを含んでもよい。好ましい実施形態において、ドーパントは、粉末混合物の総重量を基準として２．０重量％～３．０重量％の量で含まれる。
【0029】
[0034]一部の実施形態において、ドーパントは、セリアの形態で添加されるセリウムである。例えば、粉末混合物は、０．１重量％～５．０重量％のセリア、例えば０．５重量％～５．０重量％のセリア、１．０重量％～４．０重量％のセリア、１．５重量％～３．５重量％のセリア、２．０重量％～３．０重量％のセリア、または２．３重量％～２．７重量％のセリアを含んでもよい。下限に関しては、粉末混合物は、０．１重量％超のセリア、例えば０．５重量％超、１．０重量％超、１．５重量％超、２．０重量％超、または２．３重量％超のセリアを含んでもよい。上限に関しては、粉末混合物は、５．０重量％未満のセリア、例えば４．０重量％未満、３．５重量％未満、３．０重量％未満、または２．７重量％未満のセリアを含んでもよい。好ましい実施形態において、セリアは、粉末混合物の総重量を基準として２．５重量％±１０％の量で含まれる。
【0030】
[0035]初期粉末の平均粒子サイズは限定されない。例えば、初期粉末は、０．００１μｍ～５０μｍ、例えば０．００５μｍ～２５μｍ、０．０１μｍ～１０μｍ、または０．０１μｍ～５μｍの平均粒子サイズの範囲であってもよい。下限に関しては、初期粉末の平均粒子サイズは、０．００１μｍ超、例えば０．００５μｍ超、または０．０１μｍ超であってもよい。上限に関しては、初期粉末の平均粒子サイズは、５０μｍ未満、例えば２５μｍ未満、１０μｍ未満、または５μｍ未満であってもよい。初期粉末の平均粒子サイズは、例えば、形成される圧粉体の密度および／または焼成後のＹＡＧへの相転換の完全性を予測する上での支配的因子ではない。本明細書の方法における完全ＹＡＧ相転換の提供により重要なのは、以下で詳細に説明される、焼成前の圧密である。
【0031】
第１のミリング
[0036]上記のように、方法は、アルミナ粉砕媒体および溶媒の存在下で粉末混合物をボールミリングし、粉末スラリーを形成するステップを含む。本明細書において使用される「ボールミリング」は、アルミナが粉砕媒体として使用される方法の第１のミリングステップを表す。このようなアルミナの使用は、アルミナを含まなくてもよい従来のミリングボールの使用とは異なる。このステップは、アルミナ含有率が制御され得るため重要であり、これは、化学量論的ＹＡＧまたは所望によりＹＡＧへの相転換を向上させ得る超化学量論的アルミナ含有率の提供をもたらす。
[0036]上記のように、方法は、アルミナ粉砕媒体および溶媒の存在下で粉末混合物をボールミリングし、粉末スラリーを形成するステップを含む。本明細書において使用される「ボールミリング」は、アルミナが粉砕媒体として使用される方法の第１のミリングステップを表す。このようなアルミナの使用は、アルミナを含まなくてもよい従来のミリングボールの使用とは異なる。このステップは、アルミナ含有率が制御され得るため重要であり、これは、化学量論的ＹＡＧまたは所望によりＹＡＧへの相転換を向上させ得る超化学量論的アルミナ含有率の提供をもたらす。
【0032】
[0037]粉末混合物のボールミリングは、アルミナ粉砕媒体（および溶媒）の存在下で行われ、粉末スラリーを形成し得る。本発明者らは、ボールミリング中、粉砕媒体からのアルミナが浸食されて粉末スラリーにアルミナ源を有利に提供することを見出した。有利には、追加のアルミナが添加されるまたは存在する必要がない。
【0033】
[0038]アルミナ粉砕媒体から浸食されたアルミナの量が有益にも制御され得るため、アルミナ粉砕媒体は重要である。その結果、得られるＹＡＧの組成もまた制御され得る。これはプロセス効率に、ならびに上述の生成収率の改善および／またはより少ない焼成サイクルに寄与する。従来のＹＡＧ合成プロセスは、アルミナを意図的に浸食するために、および／または化学量論的ＹＡＧから逸脱するためにアルミナ粉砕媒体を使用せず、したがってこれらの利益を達成することができない。
【0034】
[0039]ボールミリング中に粉末スラリーに提供されるアルミナの量の決定因子は、ミリングエネルギー、ミリング速度である毎分回転数（ＲＰＭ）、ボールミリング容器の直径、粉末スラリーへの粉末混合物投入量、粉末スラリーの体積、アルミナ粉砕媒体の体積および／または重量、ならびにアルミナ粉砕媒体の摩耗特性を含む。因子は相互に関連し得、例えば、容器の直径が大きい程、回転は遅い。ミルの周速は、容器内でボールが滝のように流れ落ちずにミルの周辺部分に保持される遠心分離のような作用を防止するように制御される。
【0035】
[0040]Ｙ２Ｏ３（イットリア）対Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）のモルによる公称化学量論比は、３：５または３Ｙ２Ｏ３：５Ａｌ２Ｏ３である。いくつかの場合において、ボールミリング後、超化学量論的量のアルミナが粉末スラリー中に存在する。換言すれば、イットリア対アルミナの比は、３：５（０．６：１）以上、例えば３対５．１（０．５９：１）、３対５．２（０．５８：１）、３対５．３（０．５７：１）、３対５．３５（０．５６：１）、３対５．４（０．５５５：１）、３対５．５（０．５５：１）、３対５．６（０．５４：１）、３対５．７（０．５３：１）、またはそれを超える。一部の実施形態において、ボールミリング後の粉末混合物の組成は、３：５（０．６：１）～３：５．５（０．５５：１）のＹ２Ｏ３：Ａｌ２Ｏ３の比を有する。
【0036】
[0041]ボールミリング後、組成物は、化学量論的３Ｙ２Ｏ３：５Ａｌ２Ｏ３、および粉末構成成分の総重量を基準として３重量％未満の追加のＡｌ２Ｏ３を含む。例えば、追加のＡｌ２Ｏ３の量は、ゼロ（０．００）重量％～３．０重量％の追加のＡｌ２Ｏ３、例えば０．１重量％～３．０重量％の追加のＡｌ２Ｏ３、０．５重量％～２．５重量％の追加のＡｌ２Ｏ３、または１．０重量％～２．０重量％の追加のＡｌ２Ｏ３であってもよい。下限に関しては、追加のＡｌ２Ｏ３の量は、ゼロ（０．００）重量％超の追加のＡｌ２Ｏ３、例えば０．１重量％超の追加のＡｌ２Ｏ３、０．５重量％超の追加のＡｌ２Ｏ３、または１．０重量％超の追加のＡｌ２Ｏ３であってもよい。上限に関しては、追加のＡｌ２Ｏ３の量は、３．０重量％未満の追加のＡｌ２Ｏ３、例えば２．５重量％未満の追加のＡｌ２Ｏ３、または２．０重量％未満の追加のＡｌ２Ｏ３であってもよい。追加のＡｌ２Ｏ３は、アルミナ粉砕媒体の浸食部分を含む。浸食部分は、ボールミリング中のアルミナ粉砕媒体の摩耗に起因する。
【0037】
[0042]アルミナ粉砕媒体は、高純度のものである。一部の実施形態において、アルミナ粉砕媒体は、９５．０％～９９．９９％のＡｌ２Ｏ３の純度を有する。例えば、アルミナ粉砕媒体は、９５．０％～９９．９％のＡｌ２Ｏ３、例えば９５．０％～９９．８％のＡｌ２Ｏ３、９７．０％～９９．８％のＡｌ２Ｏ３、９８．０％～９９．８％のＡｌ２Ｏ３、９９．０％～９９．８％のＡｌ２Ｏ３、または９９．５％～９９．８％のＡｌ２Ｏ３の純度を有する。下限に関しては、アルミナ粉砕媒体は、９５．０％超のＡｌ２Ｏ３、例えば９５．０％超のＡｌ２Ｏ３、９６．０％超のＡｌ２Ｏ３、９７．０％超のＡｌ２Ｏ３、９８．０％超のＡｌ２Ｏ３、９９．０％超のＡｌ２Ｏ３、９９．５％超のＡｌ２Ｏ３、９９．８％超のＡｌ２Ｏ３、または９９．９％超のＡｌ２Ｏ３の純度を有する。上限に関しては、アルミナ粉砕媒体は、１００％未満のＡｌ２Ｏ３、例えば９９．９９％未満のＡｌ２Ｏ３、９９．９％未満のＡｌ２Ｏ３、または９９．８％未満のＡｌ２Ｏ３の純度を有する。好ましい実施形態において、アルミナ粉砕媒体は、９５．０％～９９．８％のＡｌ２Ｏ３の純度を有する。高純度アルミナ粉砕媒体は、α－Ａｌ２Ｏ３である。アルミナ粉砕媒体は、３ｍｍ～２５ｍｍの範囲の直径を有する。アルミナ粉砕媒体は、耐摩耗性であり、１４ＧＰａ（±１０％）のビッカース硬度および３．８８ｇ／ｃｍ３～３．９７ｇ／ｃｍ３の密度を有する。アルミナ粉砕媒体の摩耗は、ミクロン範囲内、例えば１～１０μｍの平均粒子サイズ分布を有するＡｌ２Ｏ３粒子を粉末混合物に付与する。態様において、Ａｌ２Ｏ３粒子は、１～５μｍまたは１～３μｍである。これは、焼成中のＹＡＧ相への転換が、存在するアルミナの量を制御することにより、およびアルミナ粒子のサイズを制御することにより向上し得るため、重要である。
【0038】
[0043]いくつかの場合において、ボールミリングは、ポリマー被覆ボールミリング容器内で行われる。容器の直径は、直径１５ｃｍ～６０ｃｍ、高さ１５ｃｍ～６０ｃｍの範囲であってもよい。ボールミリングは、非反応性の容器、例えばポリウレタン被覆ミリングジャー、例えば（直径３０ｃｍ×高さ３０ｃｍ）の寸法を有するＰａｕｌ Ｏ’Ａｂｂｅ（ベンセンビル、ＩＬ）製のリフターユニット付きＡｂｂｅｔｈａｎｅジャー内で行われてもよい。ポリマー被覆ボールミリング容器の内容物は、粉末混合物、溶媒、およびアルミナ粉砕媒体を含む粉末スラリーを含む。溶媒は、蒸留水または脱イオン水であってもよい。溶媒の量は、粉末混合物の総重量を基準として５０～８０重量％の範囲であってもよい。
【0039】
[0044]ボールミリングは、１５ＲＰＭ～７０ＲＰＭの範囲の速度で行われてもよい。例えば、ボールミリング速度は、１５ＲＰＭ～７０ＲＰＭ、例えば３０ＲＰＭ～７０ＲＰＭ、または５０ＲＰＭ～７０ＲＰＭであってもよい。ボールミリングは、１時間～６４時間の期間行われてもよい。例えば、ボールミリングの期間は、１時間～６４時間、例えば４時間～４８時間、８時間～２４時間、または１２時間～２０時間であってもよい。一部の実施形態において、ボールミリングは、６０ＲＰＭで１６時間行われる。粉末スラリーに付与されるアルミナの量は、アルミナ粉砕媒体の初期重量に対するボールミリング後のアルミナ粉砕媒体の重量の差を測定することにより計算され得る。粉砕媒体は、直径および／または高さ約１３ｍｍの寸法を有する円筒形または球形または他の形状であってもよい。例えば、粉砕媒体は、直径１０ｍｍ～２０ｍｍおよび高さ１０ｍｍ～２０ｍｍ、例えば、直径１２ｍｍ～１８ｍｍおよび高さ１２ｍｍ～１８ｍｍ、または直径１３ｍｍ～１６ｍｍおよび高さ１３ｍｍ～１６ｍｍであってもよい。アルミナ粉砕媒体の摩耗（重量による浸食）は、５重量％～１０重量％、例えば６重量％～８重量％、または６．５重量％～７重量％であってもよい。
【0040】
[0045]粉末スラリーを噴霧乾燥する前に、有機結合剤が粉末スラリーに添加されてもよい。有機結合剤は、好ましくは水溶性である。好適な有機結合剤は、アクリルポリマーベースアンモニウム溶液（Ｂ－６０Ａ、Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓから市販されている）、またはポリビニルアルコール溶液等を含む。
【0041】
[0046]噴霧乾燥の前に添加される有機結合剤は、粉末スラリーの総重量を基準として３重量％～９重量％の有機結合剤、例えば４重量％～８重量％の有機結合剤、５重量％～７重量％の有機結合剤、または５．５重量％～６．５重量％の有機結合剤の範囲の量で存在してもよい。下限に関しては、添加される有機結合剤の量は、３重量％超の有機結合剤、例えば４重量％超の有機結合剤、５重量％超の有機結合剤、または５．５重量％超の有機結合剤であってもよい。上限に関しては、添加される有機結合剤の量は、９重量％未満の有機結合剤、例えば８重量％未満の有機結合剤、７重量％未満の有機結合剤、または６．５重量％未満の有機結合剤であってもよい。好ましい実施形態において、添加される有機結合剤の量は、粉末混合物の総重量を基準として６重量％±１０％である。その後有機結合剤は、後の加工中に、例えば焼成中に、例えば５００℃以上で燃焼する。
【0042】
噴霧乾燥
[0047]方法は、粉末スラリーを噴霧乾燥して噴霧乾燥粉末を形成するステップをさらに含んでもよい。このステップは、噴霧乾燥が、イットリア、シリカ、アルミナ、および任意選択のドーパントの均一な分布を有する離散粒体を形成するため、重要である。噴霧乾燥は、Ｙａｍａｔｏ ＤＬ４１２０（サンタクララ、ＣＡ）ユニットを使用して行うことができる。入口温度は、２００℃～４００℃、例えば２００℃～３５０℃、２００℃～３００℃、２００℃～２８０℃、２１０℃～２７０℃、２２０℃～２６０℃、または２３０℃～２５０℃の範囲であってもよい。下限に関しては、入口温度は、２００℃超、例えば２１０℃超、２２０℃超、または２３０℃超であってもよい。上限に関しては、入口温度は、４００℃未満、例えば３５０℃未満、３００℃未満、２８０℃未満、２７０℃未満、２６０℃未満、または２５０℃未満であってもよい。好ましい実施形態において、入口温度は２４０℃±１０％である。出口温度は、７０℃～１１０℃、例えば７５℃～１０５℃、８０℃～１００℃、または８５℃～９５℃の範囲であってもよい。下限に関しては、出口温度は、７０℃超、例えば７５℃超、８０℃超、または８５℃超であってもよい。上限に関しては、出口温度は、１１０℃未満、例えば１０５℃未満、１００℃未満、または９５℃未満であってもよい。好ましい実施形態において、出口温度は、８５℃～９５℃である。噴霧乾燥は、圧縮空気下で行われる。噴霧乾燥のための圧力は、０．０１ＭＰａ～０．６ＭＰａの圧縮空気、例えば０．０２ＭＰａ～０．５ＭＰａ、０．０５ＭＰａ～０．４ＭＰａ、または０．１ＭＰａ～０．３ＭＰａの圧縮空気の範囲であってもよい。下限に関しては、圧力は、０．０１ＭＰａ超、例えば０．０２ＭＰａ超、０．０５ＭＰａ超、または０．０１ＭＰａ超であってもよい。上限に関しては、圧力は、０．６ＭＰａ未満、例えば０．５ＭＰａ未満、０．４ＭＰａ未満、または０．３ＭＰａ未満であってもよい。好ましい実施形態において、圧力は、０．１～０．３ＭＰａの圧縮空気である。
[0047]方法は、粉末スラリーを噴霧乾燥して噴霧乾燥粉末を形成するステップをさらに含んでもよい。このステップは、噴霧乾燥が、イットリア、シリカ、アルミナ、および任意選択のドーパントの均一な分布を有する離散粒体を形成するため、重要である。噴霧乾燥は、Ｙａｍａｔｏ ＤＬ４１２０（サンタクララ、ＣＡ）ユニットを使用して行うことができる。入口温度は、２００℃～４００℃、例えば２００℃～３５０℃、２００℃～３００℃、２００℃～２８０℃、２１０℃～２７０℃、２２０℃～２６０℃、または２３０℃～２５０℃の範囲であってもよい。下限に関しては、入口温度は、２００℃超、例えば２１０℃超、２２０℃超、または２３０℃超であってもよい。上限に関しては、入口温度は、４００℃未満、例えば３５０℃未満、３００℃未満、２８０℃未満、２７０℃未満、２６０℃未満、または２５０℃未満であってもよい。好ましい実施形態において、入口温度は２４０℃±１０％である。出口温度は、７０℃～１１０℃、例えば７５℃～１０５℃、８０℃～１００℃、または８５℃～９５℃の範囲であってもよい。下限に関しては、出口温度は、７０℃超、例えば７５℃超、８０℃超、または８５℃超であってもよい。上限に関しては、出口温度は、１１０℃未満、例えば１０５℃未満、１００℃未満、または９５℃未満であってもよい。好ましい実施形態において、出口温度は、８５℃～９５℃である。噴霧乾燥は、圧縮空気下で行われる。噴霧乾燥のための圧力は、０．０１ＭＰａ～０．６ＭＰａの圧縮空気、例えば０．０２ＭＰａ～０．５ＭＰａ、０．０５ＭＰａ～０．４ＭＰａ、または０．１ＭＰａ～０．３ＭＰａの圧縮空気の範囲であってもよい。下限に関しては、圧力は、０．０１ＭＰａ超、例えば０．０２ＭＰａ超、０．０５ＭＰａ超、または０．０１ＭＰａ超であってもよい。上限に関しては、圧力は、０．６ＭＰａ未満、例えば０．５ＭＰａ未満、０．４ＭＰａ未満、または０．３ＭＰａ未満であってもよい。好ましい実施形態において、圧力は、０．１～０．３ＭＰａの圧縮空気である。
【0043】
[0048]噴霧乾燥粉末は、０．１μｍ～４２５μｍの範囲の平均粒体サイズ分布を含む。平均粒体サイズ分布は、０．１μｍ～４２５μｍ、例えば０．１μｍ～３００μｍ、０．１μｍ～２００μｍ、０．１μｍ～１００μｍ、０．１μｍ～７５μｍ、または０．１μｍ～５０μｍの範囲であってもよい。下限に関しては、平均粒体サイズ分布は、０．１μｍ超、例えば０．２μｍ超、０．３μｍ超、０．４μｍ超、または０．５μｍ超であってもよい。上限に関しては、平均粒体サイズ分布は、４２５μｍ未満、例えば３００μｍ未満、２００μｍ未満、１００μｍ未満、７５μｍ未満、または５０μｍ未満であってもよい。実施形態において、噴霧乾燥粉末は、あらゆる粒体４２５μｍが圧密に使用され得るように、篩（ＵＳメッシュサイズＮｏ．４０、４２５μｍ）に通されてもよい。
【0044】
圧密
[0049]方法は、噴霧乾燥粉末を圧密して圧粉体を形成するステップをさらに含む。噴霧乾燥粉末は圧密されるが、これは、このように圧密しない従来の粉末固体焼成プロセスに勝るいくつかプロセス上の利点を提供する。第一に、圧粉体は焼成用の緩く充填された粉末の未加工密度に比べてより高い未加工密度を有し、したがってＹＡＧ相を形成するために必要なイオンの拡散距離がより短いため、粉末組成物はその後の焼成中により容易にＹＡＧ相に変換する。したがって、焼成中、ＹＡＧの形成は、緩く充填された粉末において必要となるものより低い焼成温度および／またはより短い時間で進行する。さらに、一部の実施形態において、ＹＡＧへの転換は、単一の焼成サイクルで完了する。第二に、初期粉末混合物に導入されるシリカの場合のように、過渡的な焼結助剤を使用することによって、Ｙ－Ａｌ－Ｓｉ－Ｏ液相が焼成中に形成する。これはまた、液体Ｙ－Ａ－Ｓｉ－Ｏ焼結助剤による向上した大規模転換に起因して、より容易に、およびより低い焼成温度で（および／またはより短い時間もしくはより少ない焼成サイクルで）進行するＹＡＧの形成をもたらす。したがって、本明細書に記載の方法による圧密は、あるとしてもより少ない焼成サイクルの繰り返しを必要とするＹＡＧの形成に重要である。
[0049]方法は、噴霧乾燥粉末を圧密して圧粉体を形成するステップをさらに含む。噴霧乾燥粉末は圧密されるが、これは、このように圧密しない従来の粉末固体焼成プロセスに勝るいくつかプロセス上の利点を提供する。第一に、圧粉体は焼成用の緩く充填された粉末の未加工密度に比べてより高い未加工密度を有し、したがってＹＡＧ相を形成するために必要なイオンの拡散距離がより短いため、粉末組成物はその後の焼成中により容易にＹＡＧ相に変換する。したがって、焼成中、ＹＡＧの形成は、緩く充填された粉末において必要となるものより低い焼成温度および／またはより短い時間で進行する。さらに、一部の実施形態において、ＹＡＧへの転換は、単一の焼成サイクルで完了する。第二に、初期粉末混合物に導入されるシリカの場合のように、過渡的な焼結助剤を使用することによって、Ｙ－Ａｌ－Ｓｉ－Ｏ液相が焼成中に形成する。これはまた、液体Ｙ－Ａ－Ｓｉ－Ｏ焼結助剤による向上した大規模転換に起因して、より容易に、およびより低い焼成温度で（および／またはより短い時間もしくはより少ない焼成サイクルで）進行するＹＡＧの形成をもたらす。したがって、本明細書に記載の方法による圧密は、あるとしてもより少ない焼成サイクルの繰り返しを必要とするＹＡＧの形成に重要である。
【0045】
[0050]噴霧乾燥粉末の圧密は、粉末粒子間距離を低減してその後の焼成中のＹＡＧ形成を向上させるために行われる。噴霧乾燥粉末を圧密して圧粉体を形成するステップは、理論密度の３５％以下まで圧密することを含んでもよい。例えば、噴霧乾燥粉末を圧密して圧粉体を形成するステップは、理論密度の２０％の～理論密度の４０％、例えば理論密度の２５％～理論密度の４０％、理論密度の３０％～理論密度の４０％、または理論密度の３５％～理論密度の４０％まで圧密することを含んでもよい。噴霧乾燥粉末を圧密して圧粉体を形成するステップは、理論密度の２０％以下、理論密度の２５％以下、理論密度の３０％以下、理論密度の３５％以下、または理論密度の４０％以下まで圧密することを含んでもよい。好ましい実施形態において、圧密の量は、理論密度の３５％±１０％以下である。理論密度の３５％の目標まで圧密された材料の密度は、１．５９３ｇ／ｃｍ３±１０％である。
【0046】
[0051]噴霧乾燥粉末を圧密するステップは、一軸加圧または冷間等方圧加圧を含んでもよい。圧密は、Ｈｙｄｒａｍｅｔユニットを使用して行われてもよい。圧密のための圧力は、２００ｐｓｉ～２０００ｐｓｉ、例えば３００ｐｓｉ～１８００ｐｓｉ、４００ｐｓｉ～１６００ｐｓｉ、５００ｐｓｉ～１５００ｐｓｉ、または１０００ｐｓｉ～１５００ｐｓｉの範囲であってもよい。下限に関しては、圧力は、２００ｐｓｉ超、例えば３００ｐｓｉ超、４００ｐｓｉ超、５００ｐｓｉ超、または１０００ｐｓｉ超であってもよい。上限に関しては、圧力は、２０００ｐｓｉ未満、例えば１８００ｐｓｉ未満、１６００ｐｓｉ未満、または１５００ｐｓｉ未満であってもよい。好ましい実施形態において、圧力は、５００ｐｓｉ～１５００ｐｓｉ、例えば１０００ｐｓｉ～１５００ｐｓｉである。
【0047】
[0052]一部の実施形態において、圧密は、一軸加圧、例えばＨｙｄｒａｍｅｔ一軸加圧を使用して、噴霧乾燥粉末（または粒体）を粉砕媒体形状（直径１．９０５ｃｍ（０．７５インチ）×高さ１．９０５ｃｍ（０．７５インチ））に成形することを含む。高温が企図されるが、噴霧乾燥粉末の圧密は、空気中室温で有利に行われ得る。圧密は、冷間圧密を含み得る。以下は、本明細書の一部の実施形態による噴霧乾燥粉末の圧密に好適となり得る限定されない例示的圧力である：噴霧乾燥粉末の圧密は、５００ｐｓｉ～１５００ｐｓｉ、例えば５００ｐｓｉ～１２５０ｐｓｉ、または７５０ｐｓｉ～１０００ｐｓｉの圧力で行われてもよい。
【0048】
焼成（Calcining）
[0053]方法は、圧粉体を空気中で理論密度の５０％以下まで焼成してＹＡＧ圧密体を形成するステップをさらに含む。換言すれば、焼成は、圧粉体からＹ３Ａｌ５Ｏ１２の転換を提供し、これは任意選択で上述のようなドーパントをさらに含む。焼成は、離散粒子を粉末として維持しながら所望の相を達成する。一部の実施形態において、３Ｙ２Ｏ３：５Ａｌ２Ｏ３の少なくとも９５％、または少なくとも９７％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％がＹ３Ａｌ５Ｏ１２に転換される。一部の実施形態において、３Ｙ２Ｏ３：５Ａｌ２Ｏ３の１００％がＹ３Ａｌ５Ｏ１２に転換される。焼成は、圧密体を圧粉体に比べて理論密度のより高いパーセンテージまでさらに高密度化するが、ＹＡＧ圧密体は焼結されていない状態である。換言すれば、粉末は高密度固体に成形されていない。
[0053]方法は、圧粉体を空気中で理論密度の５０％以下まで焼成してＹＡＧ圧密体を形成するステップをさらに含む。換言すれば、焼成は、圧粉体からＹ３Ａｌ５Ｏ１２の転換を提供し、これは任意選択で上述のようなドーパントをさらに含む。焼成は、離散粒子を粉末として維持しながら所望の相を達成する。一部の実施形態において、３Ｙ２Ｏ３：５Ａｌ２Ｏ３の少なくとも９５％、または少なくとも９７％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％がＹ３Ａｌ５Ｏ１２に転換される。一部の実施形態において、３Ｙ２Ｏ３：５Ａｌ２Ｏ３の１００％がＹ３Ａｌ５Ｏ１２に転換される。焼成は、圧密体を圧粉体に比べて理論密度のより高いパーセンテージまでさらに高密度化するが、ＹＡＧ圧密体は焼結されていない状態である。換言すれば、粉末は高密度固体に成形されていない。
【0049】
[0054]例えば、圧粉体を焼成してＹＡＧ圧密体を形成するステップは、理論密度の５０％以下まで圧密することを含んでもよい。例えば、圧粉体を焼成してＹＡＧ圧密体を形成するステップは、理論密度の４０％～理論密度の６０％、例えば理論密度の４５％～理論密度の６０％、または理論密度の４５％～理論密度の５５％まで焼成することを含んでもよい。圧粉体を焼成してＹＡＧ圧密体を形成するステップは、理論密度の４０％以下、理論密度の４５％以下、理論密度の５０％以下、理論密度の５５％以下、または理論密度の６０％以下まで焼成することを含んでもよい。好ましい実施形態において、ＹＡＧ圧密体は、理論密度の５０％±１０％以下まで焼成される。理論密度の５０％の目標まで焼成されたＹＡＧ圧密体の密度は、２．２７５ｇ／ｃｍ３±１０％である。
【0050】
[0055]焼成は、任意の好適な炉、例えばＡｒｍｉｌ炉内で、１１００℃～１６５０℃の範囲の温度で２～６４時間の範囲の期間行われてもよい。焼成は、空気中で行われてもよい。
【0051】
[0056]焼成が行われる温度は、１１００℃～１６５０℃の範囲である。例えば、焼成は、１２００℃～１６５０℃、例えば１３５０℃～１６００℃、または１４５０℃～１５５０℃で行われる。下限に関しては、焼成は、１１００℃超、例えば１２００℃超、１３５０℃超、または１４５０℃超の温度で行われてもよい。上限に関しては、焼成は、１６５０℃未満、例えば１６６０℃未満、または１５５０℃未満の温度で行われてもよい。好ましい実施形態において、焼成は、１４５０℃～１５５０℃の温度で行われる。重要なことに、焼成は、一部の実施形態において、従来焼結温度と見なされていた温度未満の温度で行われ、これによって、いくつかの場合において焼結が上記のように回避される。開示された方法ステップは、より低い温度での焼成を可能にし、これらの方法ステップがなければ、焼成ステップはより高い温度を必要とし、それに関連した問題および不利益に見舞われるであろう。
【0052】
[0057]焼成は、２時間～６４時間の範囲の期間、上述の温度で行われてもよい。例えば、焼成は、２時間～６４時間、例えば４時間～４８時間、６時間～２４時間、または８時間～１６時間、または１０時間～１４時間行われる。下限に関しては、焼成は、２時間超、例えば４時間超、６時間超、８時間超、または１０時間超の期間行われてもよい。上限に関しては、焼成は、６４時間未満、例えば４８時間未満、２４時間未満、１６時間未満、または１４時間未満の期間行われてもよい。好ましい実施形態において、焼成は、８～１６時間の期間行われる。
【0053】
[0058]焼成は、単一の焼成サイクルで１回または複数回の保持を含む熱処理スケジュールを使用して行われてもよい。有利には、２つ（またはそれ以上）の温度段階の焼成が、所望のＹＡＧ相へのより完全な転換を提供する。各保持は、温度およびその温度での期間に関連する。一部の実施形態において、焼成は、１回の保持、２回の保持、３回の保持、４回の保持、またはそれ以上の保持を有する熱処理スケジュールを含む。例えば、焼成は、第１の期間の第１の温度での第１の保持、第２の期間の第２の温度での第２の保持、任意選択で第３の期間の第３の温度での第３の保持、および任意選択で第４の期間の第４の温度での第４の保持を含んでもよい。
【0054】
[0059]したがって、焼成は、少なくとも２つの保持温度を含んでもよい。焼成が行われる少なくとも２つの保持温度は、１１００℃～１６５０℃の範囲であってもよい。例えば、少なくとも２つの保持温度は、１２００℃～１６５０℃、例えば１３５０℃～１６００℃、または１４５０℃～１５５０℃の範囲である。下限に関しては、少なくとも２つの保持温度は、１１００℃超、例えば１２００℃超、１３５０℃超、または１４５０℃超であってもよい。上限に関しては、少なくとも２つの保持温度は、１６５０℃未満、例えば１６６０℃未満、または１５５０℃未満であってもよい。好ましい実施形態において、少なくとも２つの保持温度は、１４５０℃～１５５０℃である。少なくとも２つの保持温度は、同じまたは異なってもよい。
【0055】
[0060]少なくとも２つの保持温度を含む焼成は、各保持につき２時間～６４時間の範囲の期間、上述の温度で行われてもよい。例えば、少なくとも２つの保持時間は、２時間～６４時間、例えば４時間～４８時間、６時間～２４時間、または８時間～１６時間、または１０時間～１４時間の範囲であってもよい。下限に関しては、少なくとも２つの保持時間は、２時間超、例えば４時間超、６時間超、８時間超、または１０時間超の期間であってもよい。上限に関しては、少なくとも２つの保持時間は、６４時間未満、例えば４８時間未満、２４時間未満、１６時間未満、または１４時間未満の期間であってもよい。好ましい実施形態において、少なくとも２つの保持時間は、８～１６時間の期間である。少なくとも２つの保持時間は、同じまたは異なってもよい。
【0056】
[0061]好ましい実施形態において、焼成は、第１の期間の第１の温度を有する第１の保持、および第２の期間の第２の温度を有する第２の保持を含み、例えば、焼成は、８～１６時間の第１の期間の１４５０℃～１５５０℃の第１の温度での第１の保持、および８～１６時間の第１の期間の１４５０℃～１５５０℃の第１の温度での第１の保持を含む。一例において、焼成は、単一サイクルで８時間の期間１５２５℃の第１の温度で行われ、次いで８時間の期間１５５０℃の第２の温度で行われる。単一サイクルとは、連続的であること、および保持の間に冷却がないことを意味する。
【0057】
[0062]重要なことに、焼成は、以前は未加工であった圧密体からイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）圧密体への転換に影響し、相の含有率は、ｘ線回折等の好適な技術により決定され得る。ＹＡＧは、本明細書において、立方晶カテゴリ内の結晶構造を有するＹ３Ａｌ５Ｏ１２と呼ばれる。ＹＡＧ圧密体の相の含有率は、少なくとも９０重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２、例えば少なくとも９１重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２、少なくとも９２重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２、少なくとも９３重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２、少なくとも９４重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２、少なくとも９５重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２、少なくとも９６重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２、少なくとも９７重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２、少なくとも９８重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２、または少なくとも９９重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２を含む。
【0058】
[0063]焼成後、相の含有率は、少量の副次相を有利に含み得る。副次相は、シリカ、アルミナ、セリア（または他のドーパント）、またはＹＡＧへの不完全な相転換を示す相ＹＡＭもしくはＹＡＰを含み得る。ＹＡＧ圧密体の相含有率は、最大１０重量％の副次相、例えば最大９重量％の副次相、最大８重量％の副次相、最大７重量％の副次相、最大６重量％の副次相、最大５重量％の副次相、最大４重量％の副次相、最大３重量％の副次相、最大２重量％の副次相、最大１重量％の副次相を含む。一部の実施形態において、ゼロまたは実質的にゼロの副次相が存在する、および／または検出可能である。
【0059】
[0064]結合剤の燃焼のための追加の保持が、焼成前にあってもよい、または焼成熱処理スケジュールに含まれてもよい。この保持は、典型的には、ＹＡＧへの相転換を達成する焼成のための保持温度より低い温度である。結合剤の燃焼は、上で詳述したような焼成温度への熱の上昇の一部として行われてもよい。結合剤の燃焼が行われる温度は、４００℃～６００℃の範囲である。例えば、結合剤の燃焼は、４００℃～６００℃、例えば４２５℃～５７５℃、または４５０℃～５５０℃、または４７５℃～５２５℃で行われる。下限に関して、結合剤の燃焼は、４００℃超、例えば４２５℃超、４５０℃超、または４７５℃超の温度で行われてもよい。上限に関しては、結合剤の燃焼は、６００℃未満、例えば５７５℃未満、５５０℃未満、または５２５℃未満の温度で行われてもよい。好ましい実施形態において、結合剤の燃焼は、約５００℃±１０％の温度で行われる。
【0060】
[0065]任意選択で、焼成は反復されてもよい。好ましい実施形態において、ＹＡＧへの転換を提供するために単一の焼成のみが行われる。一部の実施形態において、焼成は１回反復され、他の実施形態においては２回反復される。方法は、合計で１回、２回または３回の焼成を含んでもよい。一部の実施形態において、焼成は、最大で１回反復される。方法は、３回を超える焼成を含まない。焼成が反復される実施形態において、各後続の焼成の前にシリカが添加される。反復焼成の場合、反復サイクルは、シリカを添加するステップ、ボールミリングするステップ、噴霧乾燥するステップ、圧密するステップのいずれかまたは全てを各反復サイクル中に含んでもよい。
【0061】
第２のミリング（焼成後）
[0066]方法は、ＹＡＧ圧密体をミリングするステップと、続いてミリングされた圧密体を乾燥させてＹＡＧ粉末を生成するステップとをさらに含んでもよい。本発明者らは、ミリングがいかなる添加された粉砕媒体または粉砕ボールの非存在下で行われてもよいことを発見した。有益には、ＹＡＧ圧密材料自体が粉砕媒体として機能する、換言すればミリングが自己発生的であるため、粉砕媒体は必要ではなく、添加されない。一部の実施形態において、ＹＡＧ圧密体は、上述の冷間圧密ステップの場合のように一軸加圧を使用して粉砕媒体形状（直径１．９０５ｃｍ（０．７５インチ）×高さ１．９０５ｃｍ（０．７５インチ））に成形されたような複数の圧密体を含む。ＹＡＧ圧密体を使用して自己ミリングさせるこのステップは、ミリング中に不純物が導入されないことが確実となるため、重要である。したがって、粉砕媒体からのもの等の不純物による追加的汚染の一般的な源が有利に排除される。
[0066]方法は、ＹＡＧ圧密体をミリングするステップと、続いてミリングされた圧密体を乾燥させてＹＡＧ粉末を生成するステップとをさらに含んでもよい。本発明者らは、ミリングがいかなる添加された粉砕媒体または粉砕ボールの非存在下で行われてもよいことを発見した。有益には、ＹＡＧ圧密材料自体が粉砕媒体として機能する、換言すればミリングが自己発生的であるため、粉砕媒体は必要ではなく、添加されない。一部の実施形態において、ＹＡＧ圧密体は、上述の冷間圧密ステップの場合のように一軸加圧を使用して粉砕媒体形状（直径１．９０５ｃｍ（０．７５インチ）×高さ１．９０５ｃｍ（０．７５インチ））に成形されたような複数の圧密体を含む。ＹＡＧ圧密体を使用して自己ミリングさせるこのステップは、ミリング中に不純物が導入されないことが確実となるため、重要である。したがって、粉砕媒体からのもの等の不純物による追加的汚染の一般的な源が有利に排除される。
【0062】
[0067]ミリングは、ポリマー被覆ミリング容器内で行われてもよい。いくつかの場合において、以前に説明したようなボールミリングにおいて使用される容器に関して、容器の直径は、直径１５ｃｍ～６０ｃｍ、および高さ１５ｃｍ～６０ｃｍの範囲であってもよい。ミリングは、非反応性の容器、例えばポリウレタン被覆ミリングジャー、例えば（直径３０ｃｍ×高さ３０ｃｍ）の寸法を有するＰａｕｌ Ｏ’Ａｂｂｅ（ベンセンビル、ＩＬ）製のリフターユニット付きＡｂｂｅｔｈａｎｅジャー内で行われてもよい。ポリマー被覆ミリング容器の内容物は、ＹＡＧ圧密体および溶媒を含む。容器は、追加の粉砕媒体を含まない、または実質的に含まない。ＹＡＧ圧密体をミリングするステップは、ＹＡＧ圧密材料自体が自己破砕し、ＹＡＧ粉末を生成することを含む。溶媒は、エタノールアルコールまたはイソプロピルアルコールであってもよい。溶媒の量は、ＹＡＧ固体構成物質の総重量を基準として５０～８０重量％の範囲である。
【0063】
[0068]ＹＡＧのミリングは、１５ＲＰＭ～７０ＲＰＭの範囲の速度で行われてもよい。例えば、ミリング速度は、１５ＲＰＭ～７０ＲＰＭ、例えば３０ＲＰＭ～７０ＲＰＭ、または５０ＲＰＭ～７０ＲＰＭであってもよい。ミリングは、１時間～６４時間の期間行われてもよい。例えば、ミリングの期間は、１時間～６４時間、例えば４時間～４８時間、８時間～２４時間、または１２時間～２０時間であってもよい。一部の実施形態において、ミリングは、６０ＲＰＭで１６時間行われる。好ましい実施形態において、ＹＡＧ圧密体のミリングは、少なくとも６時間の期間行われる。
【0064】
[0069]ＹＡＧ圧密体をミリングすると、１００μｍ未満の平均粒子サイズ分布を有する粉末が生成される。一部の実施形態において、平均粒子サイズ分布は、６３μｍ未満である。これは、２３０メッシュ篩を通過する粉末に対応する。他の実施形態において、平均粒子サイズ分布は、４４μｍ未満である。これは、３２５メッシュ篩を通過する粉末に対応する。ミリングされたＹＡＧ圧密材料は、いかなる凝集体も除去するために乾燥前に篩い分けされる。一部の実施形態において、ＹＡＧ粉末は、二峰性粒子サイズ分布を有する。ミリングされたＹＡＧ圧密体は、次いで乾燥され、ＹＡＧ粉末を生成する。
【0065】
乾燥
[0070]乾燥は、好適な乾燥機内で、例えばＦｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｌａｂ乾燥炉内で、９０℃以下の温度で行われてもよい。一部の実施形態において、乾燥は、９０℃未満の温度で行われる。乾燥は、２時間～２４時間の期間行われてもよい。
[0070]乾燥は、好適な乾燥機内で、例えばＦｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｌａｂ乾燥炉内で、９０℃以下の温度で行われてもよい。一部の実施形態において、乾燥は、９０℃未満の温度で行われる。乾燥は、２時間～２４時間の期間行われてもよい。
【0066】
[0071]得られるＹＡＧ粉末は、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２の組成の粉末であり、一部の実施形態において、０．１重量％～３．０重量％のドーパント濃度を有する。最初に導入されるドーパントの濃度は、方法の間約±１０％に維持される。一部の実施形態において、ドーパントの濃度は、方法のステップを通して不変である。態様において、ＹＡＧ粉末は、ｘ線回折（ＸＲＤ）分析により決定されるように、ＹＡＧ粒界において最大３体積％の酸化物を有し得る。酸化物は、例えば、アルミナまたはセリアを含み得る。一部の実施形態において、１体積％未満の酸化物がＹＡＧ粒界に存在する。粒界に存在する酸化物によって、ＹＡＧ粉末は透明性が必要なある特定の用途に好適ではなくなる可能性があるが、そのような粉末は、半透明性を必要とする用途、または粒界におけるいくらかの酸化物の存在が許容され得、さらには有利となり得る用途には有用となり得る。例えば、ＹＡＧ粒界における過剰のアルミナは、最終生成物の熱特性の増加、例えば熱拡散率の増加をもたらし得る。超化学量論的量のアルミナ、例えば２．１重量％のＡｌ２Ｏ３では、ＹＡＧの熱拡散率は、３．００ｍｍ２／秒から３．１１ｍｍ２／秒に大きく４％改善される。
【0067】
[0072]本明細書における方法による得られたＹＡＧ粉末は、次いで最終生成物に作製され得、これには高密度生成物を達成するための焼結が含まれてもよい。当技術分野において知られている方法による焼結は、固体焼結、熱間加圧、熱間等方圧加圧等を含む。ＹＡＧの焼結には、１５００℃～１８００℃の温度が必要である。
【0068】
[0073]焼結が行われる温度は、典型的には、本明細書におけるプロセスの焼成温度より高い。例えば、焼結は、１５００℃～１８００℃、例えば１５２５℃～１７７５℃、または１５５０℃～１７５０℃で行われる。下限に関しては、焼結は、１５００℃超、例えば１５２５℃超、１５５０℃超、または１５７５℃超の温度で行われてもよい。上限に関しては、焼結は、１８００℃未満、例えば１７７５℃未満、または１７５０℃未満の温度で行われてもよい。
【0069】
[0074]焼結は、２時間～６４時間の範囲の期間、上述の温度で行われてもよい。例えば、焼結は、２時間～６４時間、例えば４時間～４８時間、６時間～２４時間、または８時間～１６時間、または１０時間～１４時間行われる。下限に関しては、焼結は、２時間超、例えば４時間超、６時間超、８時間超、または１０時間超の期間行われてもよい。上限に関しては、焼結は、６４時間未満、例えば４８時間未満、２４時間未満、１６時間未満、または１４時間未満の期間行われてもよい。好ましい実施形態において、焼結は、８～１６時間の期間行われる。
【0070】
ＹＡＧ構造および組成
[0075]本開示は、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末合成に関する。ＹＡＧは、Ｙ２Ｏ３（イットリア）対Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）の化学量論的な３：５の比または３Ｙ２Ｏ３：５Ａｌ２Ｏ３に対応する標準式Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２を有する、または比は０．６：１のＹ２Ｏ３対Ａｌ２Ｏ３と記述することができる。ＹＡＧ結晶構造は、３つの異なる酸素多面体を含有する複雑な立方構造であり、Ｙ＋３イオンが１２面体部位を占有し、Ａｌ３＋イオンが２：３の比で８面体および四面体部位を占有している。この配置は、イオン半径：Ｏ－２（１．４Å）、Ｙ＋３（１．２８１Å）、Ａｌ３＋（０．５１Å）の差に起因する。単位格子パラメータは、異なるイオン半径のカチオンとの置換により立方対称性から変化し得る。類似したイオン半径を有するカチオンは、例えばＣｅ＋３でカチオン置換を行うことによるＹＡＧのドープと同様に、Ｙ＋３を置き換えることができる。セリウムがドープされたＹＡＧ、またはＣｅ：ＹＡＧは、陰極線管、白色発光ダイオード、およびシンチレータにおける蛍光体として有用である。他のドーパントもまた企図される。蛍光体は、例えば、遷移金属またはランタニドで活性化され得る。
[0075]本開示は、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末合成に関する。ＹＡＧは、Ｙ２Ｏ３（イットリア）対Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）の化学量論的な３：５の比または３Ｙ２Ｏ３：５Ａｌ２Ｏ３に対応する標準式Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２を有する、または比は０．６：１のＹ２Ｏ３対Ａｌ２Ｏ３と記述することができる。ＹＡＧ結晶構造は、３つの異なる酸素多面体を含有する複雑な立方構造であり、Ｙ＋３イオンが１２面体部位を占有し、Ａｌ３＋イオンが２：３の比で８面体および四面体部位を占有している。この配置は、イオン半径：Ｏ－２（１．４Å）、Ｙ＋３（１．２８１Å）、Ａｌ３＋（０．５１Å）の差に起因する。単位格子パラメータは、異なるイオン半径のカチオンとの置換により立方対称性から変化し得る。類似したイオン半径を有するカチオンは、例えばＣｅ＋３でカチオン置換を行うことによるＹＡＧのドープと同様に、Ｙ＋３を置き換えることができる。セリウムがドープされたＹＡＧ、またはＣｅ：ＹＡＧは、陰極線管、白色発光ダイオード、およびシンチレータにおける蛍光体として有用である。他のドーパントもまた企図される。蛍光体は、例えば、遷移金属またはランタニドで活性化され得る。
【0071】
[0076]有利には、所望のドーパントに容易に調整可能であることに加えて、本明細書におけるプロセスに従って形成されたＹＡＧ粉末は、高密度の最終物品に容易に焼結され得る。例えば、その後の焼結後、開示されたＹＡＧ粉末は、１５３７℃で８時間の焼結で理論密度の９８％に達し得る物品を形成し、一方市販のＹＡＧ粉末（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ Ｇ９１、フリーモント、ＣＡ）は、１５３７℃で８時間の焼結で理論密度の８３％にしか達し得ない。一部の実施形態において、焼結ＹＡＧ物品は、理論密度の９０％～理論密度の１００％、例えば理論密度の９２％～理論密度の１００％、または理論密度の９４％～理論密度の９９％となり得る。焼結してＹＡＧ物品を形成するステップは、理論密度の９０％以上、理論密度の９２％以上、理論密度の９４％以上、理論密度の９６％以上、または理論密度の９７％以上まで焼結することを含んでもよい。好ましい実施形態において、ＹＡＧ圧密体は、理論密度の９８％±１０％以下まで焼結される。
【0072】
ドープされたＹＡＧ
[0077]本明細書で開示されるようなＹＡＧ粉末合成は、初期イットリアおよびシリカをＹＡＧに転換する前にランタニドまたは遷移金属を含むドーパントを使用するステップをさらに含んでもよい。好適なドーパントは、＋３にイオン化されたランタニドまたは遷移金属を含む。好適なドーパントは、０．１１４ｎｍ以下のイオン半径を有するものを含み得る。ドーパントは、初期イットリア、シリカ、および／またはシリカ富化イットリア粉末と共にプロセスに導入される。ドーパントは、イットリア粉末内で富化されてもよく、または粉末スラリーを作製する前に混合される別個の粉末として導入されてもよい。
[0077]本明細書で開示されるようなＹＡＧ粉末合成は、初期イットリアおよびシリカをＹＡＧに転換する前にランタニドまたは遷移金属を含むドーパントを使用するステップをさらに含んでもよい。好適なドーパントは、＋３にイオン化されたランタニドまたは遷移金属を含む。好適なドーパントは、０．１１４ｎｍ以下のイオン半径を有するものを含み得る。ドーパントは、初期イットリア、シリカ、および／またはシリカ富化イットリア粉末と共にプロセスに導入される。ドーパントは、イットリア粉末内で富化されてもよく、または粉末スラリーを作製する前に混合される別個の粉末として導入されてもよい。
【0073】
[0078]ランタニドは、原子番号５７～７１を有する化学元素を含み、５ｄ殻に１つの価電子を有するものとして特徴付けられる。好適なランタニドは、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウムおよびルテチウムを含む。一般に、遷移金属は、その原子が部分的に充填されたｄ亜殻を有する、または不完全ｄ亜殻を有するカチオンを生じ得る元素である。本明細書の目的において、スカンジウムおよび亜鉛が遷移金属と見なされる。好適な遷移金属は、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウムを含む。本明細書におけるドーパントとしてのランタニドまたは遷移金属は、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、またはそれらの組合せを含み得る。一部の実施形態において、ドーパントは、スカンジウム、亜鉛、またはセリウムである。
【0074】
[0079]本明細書で開示されるようなＹＡＧ粉末合成中に導入されるドーパントは、化合物の形態であってもよい。化合物は、酸化物、水和物、硝酸塩、塩化物、またはそれらの組合せであってもよい。ドーパントとしてセリウムを導入するための例示的化合物は、これらに限定されないが、セリア（ＣｅＯ２）、塩化セリウム（ＩＩＩ）七水和物（ＣｅＣｌ３・７Ｈ２Ｏ）、硝酸セリウム（ＩＩＩ）六水和物（Ｃｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏ）、またはそれらの組合せを含む。ドーパントとしてスカンジウムを導入するための例示的化合物は、これらに限定されないが、酸化スカンジウム（Ｓｃ２Ｏ３）および塩化スカンジウム六水和物（ＳｃＣｌ３・６Ｈ２Ｏ）を含む。ドーパントとして亜鉛を導入するための例示的化合物は、これらに限定されないが、酸化亜鉛（ＺｎＯ）および塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）を含む。
【0075】
[0080]本明細書で開示される構成要素、方法および装置のより完全な理解は、添付の図面を参照することにより得ることができる。これらの図は、本開示を実証する利便性および容易性に基づく単なる概略的表現であり、したがって、デバイスもしくはその構成要素の相対的サイズおよび寸法を示すこと、ならびに／または例示的実施形態の範囲を画定もしくは制限することを意図しない。
【0076】
[0081]図１は、例示的実施形態による方法１００のフローチャートを示す。ステップ１１０は、初期粉末の導入である。初期粉末は、イットリア、シリカ、および任意選択のドーパント（またはドーパント化合物）を含んでもよい。粉末は導入されていてもよく（例えばシリカを富化したイットリア）、または混合されて粉末混合物を形成する別個の粉末として導入されてもよい（例えばイットリアおよびフュームドシリカ）。粉末混合物にはアルミナがなくてもよく、例えば、粉末混合物にはアルミナが含まれない。ステップ１２０は、粉末混合物をミリングすることを含む。ステップ１２０におけるボールミリングは、溶媒およびアルミナ粉砕媒体と共にステップ１１０の粉末混合物を含む容器を回転させることを含む。上で議論したような様々なパラメータを介して制御されるミリング１２０中のアルミナ粉砕媒体の摩耗により、アルミナが粉末スラリーに導入される。所望量のアルミナが粉末スラリーに組み込まれた後、任意選択の有機結合剤が添加され、粉末スラリーを噴霧乾燥するステップ１３０が行われて、アルミナ、イットリア、シリカ、および任意選択のドーパントの離散した、均一に分布した粒子を生成する。方法１００は、圧密するステップ１４０をさらに含む。圧密は、理論密度の３５％以下を達成するように行われる。このステップは、圧粉体中のイオン間の距離を短縮するのに重要である。したがって、次の焼成するステップ１５０中、圧粉体のアルミナ、イットリア、およびシリカ相（および任意選択のドーパント）からＹＡＧ相への転換はより容易に達成され、ＹＡＧ圧密体が形成される。より容易に達成される相転換は、緩い材料の焼成と比較して、以下の少なくとも１つに等しくなり得る。焼成は、より低い温度、より短い期間、および／またはより少ないサイクルで行われ得る。方法１００は、粉砕媒体の非存在下でＹＡＧ圧密体をミリングするステップ１６０を含み、ＹＡＧ材料を使用してそれ自身と衝突および粉砕させ、ミリングされたＹＡＧを形成し、これは次いで乾燥するステップ１７０および任意選択の篩い分けに供されてＹＡＧ粉末を生成する。
【0077】
[0082]一部の実施形態において、本明細書で開示されたステップまたは構成要素のいずれかまたはいくつかは、任意選択的と見なされ得る。いくつかの場合において、本明細書における上述の項目のいずれかまたはいくつかは、例えば特許請求の範囲の文言により明示的に除外され得る。例えば、特許請求の範囲の文言は、粉末混合物が特定の酸化物またはドーパントを含まない、または除外することを記載するように修正され得る。
【0078】
[0083]本明細書において使用される場合、限界値「超」および「未満」は、それに関連する数値もまた含み得る。換言すれば、「超」および「未満」は、「以上」および「以下」として解釈され得る。この文言は、特許請求の範囲において「またはそれに等しい」を含むように後に修正され得ることが考えられる。例えば、「４．０超」は、「４．０以上」として解釈され得、また後に特許請求の範囲において修正され得る。
【実施例】
【0079】
[0084] 実施例１
[0085]セリウムドープＹＡＧ（Ｃｅ：ＹＡＧ）粉末を、２．５８重量％のＣｅＯ２のドーパント濃度で合成した。
[0085]セリウムドープＹＡＧ（Ｃｅ：ＹＡＧ）粉末を、２．５８重量％のＣｅＯ２のドーパント濃度で合成した。
【0080】
[0086]７１．３３ｇのイットリア（純度９９．９％、Ｙ－１０４、Ｍａｔｅｒｉｏｎ）、０．３１３ｇのフュームドシリカ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ）、および３．２２５ｇのセリア（純度９９．９％、Ｃ－１０６４、Ｍａｔｅｒｉｏｎ）を、バッチとしてＡｂｂｅｔｈａｎｅ（Ｐａｕｌ Ｏ’Ａｂｂｅ）１．６ガロンポリウレタン内部被覆ミリングジャーに導入し、粉末混合物を形成した。ミリングジャーに、７５６．４ｇのアルミナ粉砕媒体（純度９７．７％、直径約１３ｍｍ×高さ約１３ｍｍ）および３００ｍｌの脱イオン水もまた添加して、粉末スラリーを形成した。実施例１のシリカの重量パーセントは、粉末混合物の総重量を基準として０．２５重量％であった。次いで、粉末スラリーを６０ＲＰＭで１６時間ボールミリングした。
【0081】
[0087]ボールミリング後、粉末スラリーを、ポリエチレン篩（メッシュ＃２３０）を使用して篩い分けし、アルミナ粉砕媒体および粗大粒子を粉末スラリーから分離した。アルミナ粉砕媒体を乾燥炉内で乾燥させ、再び重量を測定した。ボールミリング後のアルミナ粉砕媒体の重量は７００．１ｇであり、粉砕媒体から浸食されたアルミナの量は、５６．３ｇと計算された。図２のプロット２００は、ボールミリング中にアルミナ粉砕媒体から浸食されたアルミナの量を示し、一方、粉砕媒体から浸食されたアルミナの量は、アルミナ粉砕媒体対イットリアの投入重量比の関数として示されている。ドーパントおよびフュームドシリカの量を考慮しなければ、粉末スラリー中のイットリアおよびアルミナ構成物質は、３Ｙ２Ｏ３：５Ａｌ２Ｏ３の化学量論的ＹＡＧ（７１．３３ｇのイットリアおよび５３．６７ｇのアルミナ）ならびに追加の２．６３ｇのアルミナを提供する。粉末スラリー中のイットリア対アルミナ（Ｙ２Ｏ３：Ａｌ２Ｏ３）のモル比は、３対５．２５（０．５７：１）と計算された。
【0082】
[0088]粉末スラリーは、８ｇのアクリルポリマーベース結合剤（Ｂ－６０Ａ、Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａｓｓ）をさらに含んでいたが、これは磁気バーおよび磁気撹拌器を使用して３０分間粉末スラリー中に撹拌混合した。次いで、Ｙａｍａｔｏ ＤＬ４１０噴霧乾燥機を使用して、２４０℃の入口温度、９０℃の出口温度、および０．１ＭＰａの空気圧力で粉末スラリーを噴霧乾燥した。噴霧乾燥粉末スラリーを３２５メッシュポリエチレン篩に通過させ、圧密用の造粒粉末を形成した。
【0083】
[0089]次いで、造粒粉末を圧粉体に圧密し、これをＨｙｄｒａｍｅｔ一軸加圧により粉砕媒体形状（直径１．９０５ｃｍ（０．７５インチ）×高さ１．９０５ｃｍ（０．７５インチ））に成形した。圧粉体の密度は１．４９ｇ／ｃｍ３、またはＹＡＧの理論密度の３２．７％と同等であった。
【0084】
[0090]焼成は、以下の熱処理スケジュールを使用して行った：単一サイクルにおいて、５００℃の温度に加熱し、１時間保持して有機結合剤を除去し（結合剤燃焼保持）、１５２５℃の温度に昇温し、８時間保持して焼成し、次いで１５５０℃の温度に昇温し、８時間保持してさらに焼成した。焼成された圧密体の密度は２．２１ｇ／ｃｍ３、またはＹＡＧの理論密度の４８．６％と同等であった。圧粉体の全ての脱結合および焼成は、空気雰囲気中で行った。
【0085】
[0091]３００ｍｌのエタノール中の焼成された圧密体を６０ＲＰＭで６時間ミリングし、次いで２３０メッシュのポリエチレン篩により篩い分けした。ミリングされたスラリーを、乾燥炉内で９０℃の温度で一晩（１２時間超）乾燥させた。乾燥後、ＹＡＧ粉末を３２５メッシュポリエチレン篩に通過させた。
【0086】
[0092]図３は、実施例１の得られたＹＡＧ粉末のｘ線回折パターンを示す。プロット３００は、主要相が「Ｙ」で示されるピークを有するＹＡＧであることを示している。より低い強度のピークで示されるように検出された副次相は、「Ｍ」で示されるピークを有するＹ４Ａｌ２Ｏ９（ＹＡＭ）、「Ｐ」で示されるピークを有するＹＡｌＯ３（ＹＡＰ）、「Ｃ」で示されるピークを有するセリア、および「Ａ」で示されるピークを有するアルミナを含む。これは、有益には、従来の固体焼結プロセスから形成されたＹＡＧと比較して高ＹＡＧ含有率である。ＹＡＧ相含有率は、約９２重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２と推定された。
【0087】
[0093]合成されたＹＡＧの焼結性を評価するために、次いでＹＡＧ粉末を０．２５重量％のフュームドシリカと混合し、一軸加圧により圧密し、次いで空気中１５００℃で８時間焼結して、焼結された高密度圧密体を生成した（図４に示される通り）。
【0088】
[0094]図４は、空気中１５００℃で８時間の焼結後の、２．５８重量％ＣｅＯ２のドーパント濃度を有する、実施例１のように合成されたＹＡＧ粉末の典型的な微細構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像４００である。粉末の組成は、化学量論的ＹＡＧおよび追加の２．１３重量％のアルミナである（酸化セリウムを考慮していない）。焼結された高密度ＹＡＧセラミックは、４．４１ｇ／ｃｍ３の密度を有するように測定され、これは理論密度の９７％に等しい。画像４００に示されるように、焼結されたＹＡＧ ４００は、ＹＡＧ粒４１０を含み、いくつかの粒界にサブミクロンの球状ＣｅＯ２粒４２０を有する。有利には、アルミナ粒は画像４００に存在しない。
【0089】
[0095] 実施例２
[0096]非ドープＹＡＧ（ＹＡＧ）粉末を合成した。バッチは、実施例１の場合のように７１．３３ｇのイットリア（９９．９％、Ｙ－１０４、Ｍａｔｅｒｉｏｎ）および０．３１ｇのフュームドシリカ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ）を含んでいたが、ＣｅＯ２は添加しなかった。実施例２のシリカの重量パーセントは、粉末混合物の総重量を基準として０．２５重量％であった。この粉末は、０．２５重量％の超アルミナＹＡＧ組成を目標として合成された。粉末スラリー中のイットリア対アルミナ（Ｙ２Ｏ３：Ａｌ２Ｏ３）のモル比は、３対５（０．６：１）と計算された。圧粉体の熱処理スケジュールは以下の通りであった：５００℃の温度に加熱し、１時間保持して有機結合剤を除去し、１５２５℃の温度に昇温し、８時間保持して焼成し、次いで１５５０℃の温度に昇温し、８時間さらに焼成した。全ての熱処理は、全て空気中で行った。焼成された圧密体の密度は、ＹＡＧの理論密度の約５０％であった。実施例２の熱処理後のＸＲＤプロット（図示せず）は図３に類似していたが、ＣｅＯ２相のピークはなかった。中間相であるＹＡＰおよびＹＡＭが観察された。アルミナは副次相として検出されなかった。
[0096]非ドープＹＡＧ（ＹＡＧ）粉末を合成した。バッチは、実施例１の場合のように７１．３３ｇのイットリア（９９．９％、Ｙ－１０４、Ｍａｔｅｒｉｏｎ）および０．３１ｇのフュームドシリカ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ）を含んでいたが、ＣｅＯ２は添加しなかった。実施例２のシリカの重量パーセントは、粉末混合物の総重量を基準として０．２５重量％であった。この粉末は、０．２５重量％の超アルミナＹＡＧ組成を目標として合成された。粉末スラリー中のイットリア対アルミナ（Ｙ２Ｏ３：Ａｌ２Ｏ３）のモル比は、３対５（０．６：１）と計算された。圧粉体の熱処理スケジュールは以下の通りであった：５００℃の温度に加熱し、１時間保持して有機結合剤を除去し、１５２５℃の温度に昇温し、８時間保持して焼成し、次いで１５５０℃の温度に昇温し、８時間さらに焼成した。全ての熱処理は、全て空気中で行った。焼成された圧密体の密度は、ＹＡＧの理論密度の約５０％であった。実施例２の熱処理後のＸＲＤプロット（図示せず）は図３に類似していたが、ＣｅＯ２相のピークはなかった。中間相であるＹＡＰおよびＹＡＭが観察された。アルミナは副次相として検出されなかった。
【0090】
[0097]次いで、１５２５℃の温度で８時間保持し、次いで１５５０℃に昇温して８時間保持する焼成熱処理スケジュールを第２のサイクルとして繰り返すことによって、実施例２の得られた粉末を再焼成した。第２のサイクルでの焼成は、圧密体の密度に大きく影響せず、第２の焼成サイクル後はＹＡＧの理論密度の約５０％であった。
【0091】
[0098]次いで、２回の焼成サイクル後の実施例２の得られたＹＡＧ粉末のｘ線回折パターンを示す図５に示されるように、あらゆる中間相（ＹＡＰおよびＹＡＭ）を純粋なＹＡＧに転換した。このように、再焼成された実施例２は、ＹＡＧ相のみの存在を示し（副次相が存在しない）、これはＹＡＧへの完全な相転換を示す。
【0092】
[0099] 比較例Ａ
[0100]セリウムドープＹＡＧ（Ｃｅ：ＹＡＧ）粉末を、３．０重量％ＣｅＯ２のドーパント濃度を有する従来の市販のイットリアおよびアルミナ粉末混合物のｉｎ ｓｉｔｕ焼結によって調製した。粉末の組成は、化学量論的ＹＡＧおよび追加の１２重量％のアルミナであった（酸化セリウムを考慮していない）。図６は、理論密度の９７％に等しい４．４３ｇ／ｃｍ３の密度をもたらした空気中１６００℃で８時間の焼結後の、比較例ＡのＹＡＧ粉末の様々なスポットにおけるスポットエネルギー分散分光法（ＥＤＳ）分析を示すＳＥＭ画像６００である。重要なことに、この比較試料は、実施例１と同じ密度を達成するために、大幅により高い焼結温度を必要とした。さらに、比較例Ａは副次相として高含有率のアルミナを含んでいたが、これはＹＡＧ物品の純度および透過特性に影響するため望ましくない。副次相は、それぞれ約１２重量％および３重量％の量のアルミナおよびセリアを含んでいた。
[0100]セリウムドープＹＡＧ（Ｃｅ：ＹＡＧ）粉末を、３．０重量％ＣｅＯ２のドーパント濃度を有する従来の市販のイットリアおよびアルミナ粉末混合物のｉｎ ｓｉｔｕ焼結によって調製した。粉末の組成は、化学量論的ＹＡＧおよび追加の１２重量％のアルミナであった（酸化セリウムを考慮していない）。図６は、理論密度の９７％に等しい４．４３ｇ／ｃｍ３の密度をもたらした空気中１６００℃で８時間の焼結後の、比較例ＡのＹＡＧ粉末の様々なスポットにおけるスポットエネルギー分散分光法（ＥＤＳ）分析を示すＳＥＭ画像６００である。重要なことに、この比較試料は、実施例１と同じ密度を達成するために、大幅により高い焼結温度を必要とした。さらに、比較例Ａは副次相として高含有率のアルミナを含んでいたが、これはＹＡＧ物品の純度および透過特性に影響するため望ましくない。副次相は、それぞれ約１２重量％および３重量％の量のアルミナおよびセリアを含んでいた。
【0093】
[0101]図６に示されるように、ＥＤＳ分析結果を５つの位置で収集した。表１は、比較例ＡのＥＤＳ結果を要約している。ＥＤＳ分析に基づいて、ＹＡＧ ６１０、セリア６２０およびアルミナ６３０の相を確認した。このように、比較例Ａは、副次酸化物相としてアルミナ相を含有し、一方実施例１および（再焼成された）実施例２は含有しない。
【0094】
【表1】
【0095】
[0102] 実施例３および４、比較例ＢおよびＣ
[0103]異なる焼成熱処理（温度および／または期間および／またはサイクル数により変化）の生成される相に対する効果を比較するために、実施例２において調製されるような非ドープ粉末の拡大（目標３７５ｇ）バッチを、２１４ｇのイットリアおよび０．９３８ｇのフュームドシリカから出発して合成した。実施例１および２の場合のように、拡大バッチ用のシリカの重量パーセントは、粉末混合物の総重量を基準として０．２５重量％であった。ミリング中のアルミナ粉砕媒体の摩耗を介して、実施例１および２と同様にアルミナを導入した。この粉末は、１．１重量％の過剰アルミナを有する化学量論的ＹＡＧ組成を目標として合成された。粉末スラリー中のイットリア対アルミナ（Ｙ２Ｏ３：Ａｌ２Ｏ３）のモル比は、３対５．１３（０．５８：１）と計算された。
[0103]異なる焼成熱処理（温度および／または期間および／またはサイクル数により変化）の生成される相に対する効果を比較するために、実施例２において調製されるような非ドープ粉末の拡大（目標３７５ｇ）バッチを、２１４ｇのイットリアおよび０．９３８ｇのフュームドシリカから出発して合成した。実施例１および２の場合のように、拡大バッチ用のシリカの重量パーセントは、粉末混合物の総重量を基準として０．２５重量％であった。ミリング中のアルミナ粉砕媒体の摩耗を介して、実施例１および２と同様にアルミナを導入した。この粉末は、１．１重量％の過剰アルミナを有する化学量論的ＹＡＧ組成を目標として合成された。粉末スラリー中のイットリア対アルミナ（Ｙ２Ｏ３：Ａｌ２Ｏ３）のモル比は、３対５．１３（０．５８：１）と計算された。
【0096】
[0104]実施例３～４および比較例ＢおよびＣを、圧粉体に成形した。焼成前後の平均密度（例毎に少なくとも５つの試料圧密体の平均密度、理論密度のパーセンテージとして）を、表２に示す。
【0097】
[0105]全ての圧粉体を５００℃の温度に加熱し、結合剤の燃焼のために、換言すれば有機結合剤を除去するために１時間保持した。
【0098】
[0106]次いで、実施例３～４および比較例ＢおよびＣを、以下の異なる熱処理条件で焼成した。
実施例３の焼成サイクル － 単一サイクルにおいて、１５２５℃の温度に昇温し、８時間保持して焼成し、次いで１５５０℃の温度に昇温し、８時間保持してさらに焼成した。
比較例Ｂの焼成サイクル － １４７５℃の温度に昇温し、８時間保持して空気中で焼成した。
比較例Ｃの焼成サイクル － １５２５℃の温度に昇温し、８時間保持して空気中で焼成した。
実施例４は、比較例Ｃに従って熱処理され（上述のような焼成サイクルによる）、次いで空気中での焼成の追加の焼成サイクルにおいて１５５０℃で焼成されて８時間保持された圧密体を含んでいた。
実施例３の焼成サイクル － 単一サイクルにおいて、１５２５℃の温度に昇温し、８時間保持して焼成し、次いで１５５０℃の温度に昇温し、８時間保持してさらに焼成した。
比較例Ｂの焼成サイクル － １４７５℃の温度に昇温し、８時間保持して空気中で焼成した。
比較例Ｃの焼成サイクル － １５２５℃の温度に昇温し、８時間保持して空気中で焼成した。
実施例４は、比較例Ｃに従って熱処理され（上述のような焼成サイクルによる）、次いで空気中での焼成の追加の焼成サイクルにおいて１５５０℃で焼成されて８時間保持された圧密体を含んでいた。
【0099】
[0107]ｘ線回折分析により決定されるように存在する相を、実施例３、実施例４、ならびに比較例ＢおよびＣに関して比較した。表２は、再焼成された実施例２のデータも含む。再焼成された実施例２を、焼成熱処理の２回のサイクルに供したが、各サイクルは１５２５℃で８時間および１５５０℃で８時間を含んでいた。ＹＡＧおよび他の相（存在する場合）の含有率に関して、ＸＲＤデータを表２に要約する。他の相は、例えば、ＹＡＰ、ＹＡＭ、およびアルミナを含み得る。実施例３に関して存在する相を推定した。焼成熱処理後の相対密度（理論密度のパーセンテージとしての、例毎に少なくとも５つの試料圧密体の平均）もまた表２に要約する。すでに粉末形態で合成されていた実施例４については、相対密度は該当しない。
【0100】
【表2】
【0101】
[0109]比較例ＢおよびＣは、許容され得ない量の非ＹＡＧ相を示し、ＹＡＧへの転換が未だ完全ではないことを示唆していた。比較例Ｂは、わずか約６５重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２の相含有率を示し、比較例Ｂより高い焼成温度を有する比較例Ｃは、わずか約７５重量％のＹ３Ａｌ５Ｏ１２の相含有率を示した。
【0102】
実施形態
[0110]以下の実施形態が企図される。特徴および実施形態の全ての組合せが企図される。
[0110]以下の実施形態が企図される。特徴および実施形態の全ての組合せが企図される。
【0103】
[0111]実施形態１：イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末を合成する方法であって、イットリアおよびシリカの粉末を導入して粉末混合物を形成するステップであり、アルミナが粉末混合物に添加されない、ステップと、アルミナ粉砕媒体および溶媒の存在下で粉末混合物をボールミリングし、粉末スラリーを形成するステップと、粉末スラリーを噴霧乾燥して噴霧乾燥粉末を形成するステップと、噴霧乾燥粉末を理論密度の３５％以下まで圧密して圧粉体を形成するステップと、圧粉体を空気中で理論密度の５０％以下まで焼成してＹＡＧ圧密体を形成するステップと、粉砕媒体なしでＹＡＧ圧密体をミリングし、次いで乾燥させてＹＡＧ粉末を生成するステップとを含む方法。
【0104】
[0112]実施形態２：混合粉末が、ランタニドまたは遷移金属を含むドーパントをさらに含む、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0105】
[0113]実施形態３：ランタニドまたは遷移金属が、化合物の形態であり、化合物は、酸化物、水和物、硝酸塩、塩化物、またはそれらの組合せである、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0106】
[0114]実施形態４：ランタニドまたは遷移金属が、＋３までイオン化され、０．１１４ｎｍ以下のイオン半径を有する、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0107】
[0115]実施形態５：ランタニドまたは遷移金属が、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、またはそれらの組合せを含む、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0108】
[0116]実施形態６：ランタニドまたは遷移金属が、スカンジウム、亜鉛、またはセリウムである、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0109】
[0117]実施形態７：ドーパントが、粉末混合物の総重量を基準として１０ｐｐｍ～６重量％を構成する、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0110】
[0118]実施形態８：ドーパントが、粉末混合物の総重量を基準として０．１重量％～５重量％のセリアである、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0111】
[0119]実施形態９：ドーパントが、粉末混合物の総重量を基準として３重量％未満のセリアである、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0112】
[0120]実施形態１０：化合物が、セリア（ＣｅＯ２）、塩化セリウム（ＩＩＩ）七水和物（ＣｅＣｌ３・７Ｈ２Ｏ）、または硝酸セリウム（ＩＩＩ）六水和物（Ｃｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏ）である、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0113】
[0121]実施形態１１：イットリア粉末が、２Ｎ以上の純度を有する、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0114】
[0122]実施形態１２：イットリア粉末が、３Ｎ以上の純度を有する、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0115】
[0123]実施形態１３：シリカが、粉末混合物の総重量を基準として０．２重量％～０．３重量％である、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0116】
[0124]実施形態１４：シリカが、フュームドシリカである、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0117】
[0125]実施形態１５：アルミナ粉砕媒体が、９５．０～９９．８％のＡｌ２Ｏ３の純度を有する、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0118】
[0126]実施形態１６：粉末スラリーをボールミリングするステップが、粉末混合物、溶媒、およびアルミナ粉砕媒体がポリマー被覆ボールミリング容器内に収容されることを含む、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0119】
[0127]実施形態１７：溶媒が、蒸留水または脱イオン水である、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0120】
[0128]実施形態１８：粉末スラリーを噴霧乾燥する前に、有機結合剤を粉末スラリーに添加し、混合するステップをさらに含む、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0121】
[0129]実施形態１９：有機結合剤が、水溶性である、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0122】
[0130]実施形態２０：有機結合剤が、粉末スラリーの総重量を基準として３重量％～９重量％である、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0123】
[0131]実施形態２１：ボールミリング後の組成物が、化学量論的３Ｙ２Ｏ３：５Ａｌ２Ｏ３（０．６：１）および３重量％未満の追加のＡｌ２Ｏ３を含む、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0124】
[0132]実施形態２２：追加のＡｌ２Ｏ３が、アルミナ粉砕媒体の浸食部分を含む、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0125】
[0133]実施形態２３：噴霧乾燥粉末を圧密するステップが、一軸加圧または冷間等方圧加圧を含む、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0126】
[0134]実施形態２４：噴霧乾燥粉末を圧密するステップが、空気中室温で行われる、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0127】
[0135]実施形態２５：噴霧乾燥粉末を圧密するステップが、５００ｐｓｉ～１２５０ｐｓｉの圧力で行われる、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0128】
[0136]実施形態２６：焼成するステップが、１１００℃～１６５０℃の温度で行われる、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0129】
[0137]実施形態２７：焼成するステップが、１４５０℃～１５５０℃の温度で行われる、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0130】
[0138]実施形態２８：焼成するステップが、２時間～６４時間の期間行われる、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0131】
[0139]実施形態２９：焼成するステップが、８時間～１６時間の期間行われる、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0132】
[0140]実施形態３０：ＹＡＧ圧密体をミリングするステップが、圧密体および溶媒がポリマー被覆ミリング容器内に収容されることを含む、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0133】
[0141]実施形態３１：溶媒が、エタノールアルコールまたはイソプロピルアルコールである、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0134】
[0142]実施形態３２：ＹＡＧ圧密体をミリングするステップが、少なくとも６時間ミリングすることを含む、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0135】
[0143]実施形態３３：ＹＡＧ圧密体をミリングするステップが、ＹＡＧ圧密材料自体が自己破砕し、１００μｍ未満の平均粒子サイズ分布を有するＹＡＧ粉末を生成することを含む、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0136】
[0144]実施形態３４：平均粒子サイズ分布が、６３μｍ未満である、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0137】
[0145]実施形態３５：平均粒子サイズ分布が、４４μｍ未満である、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0138】
[0146]実施形態３６：ミリングされたＹＡＧ圧密材料が、乾燥前に篩い分けされる、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0139】
[0147]実施形態３７：ＹＡＧ粉末が、二峰性粒子サイズ分布を有する、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0140】
[0148]実施形態３８：乾燥が、９０℃未満の温度で行われる、前述または後述の実施形態のいずれかの方法。
【0141】
[0149]実施形態３９：ドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末を合成する方法であって、イットリア、シリカ、およびランタニドまたは遷移金属の酸化物、水和物、硝酸塩または塩化物で形成される少なくとも１種のドーパントの粉末を提供し、混合して粉末混合物を形成するステップであり、アルミナが粉末混合物に添加されない、ステップと、アルミナ粉砕媒体および溶媒の存在下で粉末混合物をボールミリングし、粉末スラリーを形成するステップと、粉末スラリーに有機結合剤を添加し、混合して噴霧可能な粉末スラリーを形成するステップと、噴霧可能な粉末スラリーを噴霧乾燥して噴霧乾燥粉末を形成するステップと、噴霧乾燥粉末を理論密度の３５％以下まで圧密して圧粉体を形成するステップと、圧粉体を空気中で理論密度の５０％以下まで焼成してＹＡＧ圧密体を形成するステップと、粉砕媒体なしでＹＡＧ圧密体をミリングし、次いで乾燥させてドープされたＹＡＧ粉末を生成するステップとを含む方法。
【0142】
[0150]実施形態４０：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２および３重量％未満の追加のＡｌ２Ｏ３を含む、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）組成物であって、追加のＡｌ２Ｏ３は、アルミナ粉砕媒体の浸食部分を含む組成物。
【0143】
[0151]実施形態４１：少なくとも１原子％のドーパント濃度をさらに含む、前述または後述の態様のいずれかの組成物。
【0144】
[0152]実施形態４２：前述の態様のいずれかの組成物を含む、蛍光体ホイールまたはＬＥＤ照明。
【0145】
[0153]以下の説明では、明確性のために特定の用語が使用されているが、これらの用語は、図面における例示に選択された実施形態の特定の構造を示すことのみを意図し、本開示の範囲を画定または限定することを意図しない。図面および以下の説明において、類似の数値表示は類似の機能の構成要素を指すことを理解されたい。
【0146】
[0154]文脈上異なる定義が明示されていない限り、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」は複数形の呼称も含む。
【0147】
[0155]本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、「備える」という用語は、「～からなる」および「から本質的になる」という具体的表現を含み得る。用語「備える」、「含む」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「できる」、「含有する」およびそれらの変化形は、本明細書において使用される場合、指定された成分／構成要素／ステップの存在を必要とし、他の成分／構成要素／ステップの存在を許容する非制限的な移行句、用語または単語であることを意図する。しかしながら、そのような説明は、列挙された成分／構成要素／ステップ「からなる」および「から本質的になる」ような組成物、物品または方法も説明しているとして解釈されるべきであり、これは、指定された成分／構成要素／ステップおよびそれらから生じ得る任意の不純物のみの存在を許容し、他の成分／構成要素／ステップを除外する。
【0148】
[0156]本出願の明細書および特許請求の範囲における数値は、同じ有効桁数まで丸めた場合に同じである数値、および値を決定するための本出願に記載される種類の従来の測定技術の実験誤差未満だけ記述された値から異なる数値を含むことが理解されるべきである。
【0149】
[0157]本明細書に開示される全ての範囲は、列挙された端点を含み、独立して組み合わせ可能である（例えば、「２グラム～１０グラム」の範囲は、端点である２グラムまたは１０グラム、および全ての中間値を含む）。
【0150】
[0158]材料が平均粒子サイズまたは平均粒子サイズ分布を有すると説明されている場合、これは、粒子の総数の５０（体積）％の累積パーセンテージが達成される粒子直径として定義される。換言すれば、粒子の５０％が平均粒子サイズ超の直径を有し、粒子の５０％が平均粒子サイズ未満の直径を有する。粒子のサイズ分布はガウス分布であり、述べられた平均粒子サイズの２５％および７５％に上位および下位四分位点を有し、全ての粒子は述べられた平均粒子サイズの１５０％未満である。
【0151】
[0159]本明細書に記載の方法ステップは温度に言及しており、指定されない限り、熱源（例えば炉、オーブン）が設定される温度ではなく、参照される材料によって達成される温度を指す。「室温」という用語は、２０℃～２５℃（６８°Ｆ～７７°Ｆ）の範囲を指す。
【0152】
[0160]「約」という用語は、その値の基本機能を変化させることなく変動し得る任意の数値を含むように使用され得る。範囲と共に使用される場合、「約」はまた、２つの端点の絶対値によって画定される範囲も開示し、例えば、「約２～約４」はまた、「２～４」の範囲も開示する。「約」という用語は、示された数字のプラスまたはマイナス１０％を指し得る。
【0153】
[0161]本発明を詳細に説明してきたが、本発明の趣旨および範囲内の修正は、当業者に容易に明らかとなるであろう。上記の議論、当技術分野における関連する知識、ならびに背景技術および発明を実施するための形態と併せて上記で議論された参考文献を鑑みて、それらの開示は全て参照により本明細書に組み込まれる。さらに、以下で、および／または添付の特許請求の範囲において列挙される本発明の態様および様々な実施形態の一部および様々な特徴は、全体的または部分的に組み合わされ得る、または交換され得ることが理解されるべきである。様々な実施形態の上記説明において、別の実施形態を参照するそれらの実施形態は、当業者には理解されるように、他の実施形態と適切に組み合わされ得る。さらに、当業者には、上記説明が例示のみを目的とし、制限を意図しないことが理解されるであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【国際調査報告】