具体实施方式

本发明的堇青石质陶瓷，以堇青石结晶相为主结晶相，满足如下的组成：Mg以MgO换算为13.2质量％以上13.8质量％以下，Al以Al₂O₃换算为26.0质量％以上且32.1质量％以下，Bi以Bi₂O₃换算为1.6质量％以上且4.6质量％以下，B以B₂O₃换算为1.5质量％以上且6.8质量％以下，Si以SiO₂换算为49.4质量％以上且51.4质量％以下。

通过满足上述构成，本发明的堇青石质陶瓷在20～30℃的温度范围的疑似热膨胀系数显示为2×10^－7/℃以下。另外，本发明的堇青石质陶瓷在20～30℃的温度范围的ΔCTE为92×10^－9/K以下，即使在宽温度幅度下，热膨胀系数也小。在此，所谓在20～30℃的温度范围的ΔCTE是依据JIS R1618：2002测量20～30℃下的各温度的热膨胀系数的最大值与最小值，通过求得该最大值与最小值之差而得到的值。

在此，所谓以堇青石为主结晶相，是指在堇青石质陶瓷中包含堇青石为80质量％以上。这种情况下，只要不损害特性，也可以包含堇青石以外的结晶相或非晶质相。

图1是表示堇青石质陶瓷的热膨胀的变化的曲线图。图2是放大显示图1所示的曲线A的曲线图中的P部的曲线图。曲线图的横轴表示温度。纵轴表示以25℃下的长度为基准时的堇青石质陶瓷的延伸率。

曲线A表示本实施方式的堇青石质陶瓷的热膨胀的变化。组成满足Mg以MgO换算为13.6质量％，Al以Al₂O₃换算为29.3质量％，Bi以Bi₂O₃换算为3.2质量％，B以B₂O₃换算为3.1质量％，Si以SiO₂换算为50.8质量％的组成。曲线A相当于后述实施例的No.3的试料。曲线A的堇青石质陶瓷显示出如下举动：在0℃～50℃的温度范围，在室温附近(15～30℃)的温度区域，具有延伸率达到最低的温度(以下，称为NPO温度。)，随着从NPO温度朝向低温侧和高温侧，延伸率逐渐变大。换言之，曲线A形成为：在低于NPO温度的温度域，显示出随着温度上升延伸率逐渐变小的负斜率(符号N)。另一方面，在温度高于NPO温度的温度域，显示出随着温度上升延伸率逐渐变大的正斜率(符号P)。也就是说，曲线A的堇青石质陶瓷显示出，在室温附近具有NPO温度，以此NPO温度为界而热膨胀曲线的斜率成为正相反的趋势的举动。以下，将曲线A的热膨胀的举动简称U字型。

在此，对于也考虑到热膨胀举动显示上述的U字型时的作为热膨胀系数的指标的疑似热膨胀系数进行说明。疑似热膨胀系数，是用对象的温度范围的延伸率的最大值L₁与最小值L2的差(L₁－L₂)除以对象的温度范围得到的值。

疑似热膨胀系数，在对象的温度范围内延伸率为单调递增时，成为与热膨胀系数相同的值，单调递减时，成为与热膨胀系数为正负相反的值。另外，疑似热膨胀系数，在对象的温度范围内热膨胀的举动显示出上述的U字型时，如果U字型的底深，则为大值，如果U字型的底浅，则为小值。

基于图2，对曲线A试求疑似热膨胀系数。若用曲线A在20～30℃的延伸率的最大值(L₁＝0.569×10^－7)与最小值(L₂＝—0.0162×10^－7)的差(L₁－L₂)除以温度范围(10℃)，则曲线A的疑似热膨胀系数为0.06×10^－7/℃。这种情况下，NPO温度为24℃附近。这种情况下，20～30℃的温度范围的ΔCTE为34×10^－9/K。

另一方面，曲线B具有如下组成：Mg以MgO换算为18.3质量％，Al以Al₂O₃换算为31.4质量％，Bi以Bi₂O₃换算为2.9质量％，不含B，B以B₂O₃换算为0质量％，Si以SiO₂换算为47.3质量％。曲线B相当于后述的试料No.6的试料。曲线B的热膨胀的举动也与曲线A同样是U字型。

在此，若就曲线B也求疑似热膨胀系数，用曲线B的20～30℃的延伸率的最大值(0.0154×10^－4)与最小值(－0.0119×10^－4)的差除以温度范围(10℃)，则曲线A的疑似热膨胀系数为2.7×10^－7/℃。这种情况下，NPO温度为20℃附近。这种情况下，20～30℃的温度范围的ΔCTE为140×10^－9/K。

由图1可知，具有试料No.3的组成的堇青石质陶瓷，与脱离该组成的试料No.6的组成的堇青石质陶瓷相比，疑似热膨胀系数小。

如上述，堇青石质陶瓷由于B(硼)和Bi(铋)的轻微的组成的变化而热膨胀的举动发生变化。换言之，以堇青石(Mg₂Al₄Si₅O₁₈)为基本组成时，单独含B时或单独含Bi时，疑似热膨胀的举动变大。这样，通过在堇青石质陶瓷中使B和Bi共存而限定组成，由此能够得到热膨胀的举动显示出U字型，热膨胀系数小的堇青石质陶瓷。

另外，若限定本实施方式的堇青石质陶瓷的组成，则能够进一步减小0℃～50℃的温度范围的热膨胀系数。

例如，若Mg以MgO换算为13.5质量％以上且13.8质量％以下，Al以Al₂O₃换算为28.5质量％以上且32.1质量％以下，Bi以Bi₂O₃换算为1.6质量％以上且4.0质量％以下，B以B₂O₃换算为1.5质量％以上且4.0质量％以下，Si以SiO₂换算为50.2质量％以上且51.4质量％以下，则能够使疑似热膨胀系数为1.67×10^－7/K以下。

此外，若Mg以MgO换算为13.6质量％以上且13.8质量％以下，Al以Al₂O₃换算为28.5质量％以上且29.3质量％以下，Bi以Bi₂O₃换算为2.2质量％以上且3.2质量％以下，B以B₂O₃换算为3.1质量％以上且4.0质量％以下，Si以SiO₂换算为50.8质量％以上且51.4质量％以下，则能够使疑似热膨胀系数为0.55×10^－7/K以下。

这种情况下，作为堇青石质陶瓷，在测量热膨胀时，延伸率的最低值(NPO温度)可以是23～27℃。

另外，该堇青石质陶瓷，可以为如下组成：Mg以MgO换算为13.5质量％以上且13.8质量％以下，Al以Al₂O₃换算为28.5质量％以上且30.2质量％以下，Bi以Bi₂O₃换算为2.2质量％以上且4.0质量％以下，B以B₂O₃换算为2.1质量％以上且4.0质量％以下，Si以SiO₂换算为50.2质量％以上且51.4质量％以下。这种情况下，堇青石质陶瓷，吸水率为0.05％以下，疑似热膨胀系数为0.63×10^－7/K以下，试料总体的烧结体的体积密度为2.48g/cm³，作为烧结体的试料的杨氏模量为136GPa以上。此外，用杨氏模量除以体积密度而求得的比刚度能够达到55(GPa·cm³)/g以上。

本实施方式的堇青石质陶瓷，刚性高，在宽温度范围热膨胀系数小，因此，适于即使环境的温度变化也要求尺寸变化小的设备。例如，能够列举用于天文望远镜等的高精度反射镜构件或光学装置的固定构件。这种情况，光轴调整的高速化成为可能。另外，设备整体能够提高减振性。另外，由于机械强度高，所以长期可靠性优异。另外，该堇青石质陶瓷，因为实质上不含莫来石，所以能够减小加工后的表面粗糙度(Ra、PV)。因此适合作为反射镜构件等的光学用的构件。

另外，上述的堇青石质陶瓷，从减小疑似热膨胀系数，能够使热膨胀特性稳定化这一点出发，可以是致密质的。例如，烧结体的吸水率可以为0.05％以下。

另外，该堇青石质陶瓷，其刚性高，且烧结体的比重小，为2.49以下。因此，在上述的天文望远镜等之中，即使提高光轴调整的速度，也可以减小因惯性而发生的振动。此外，作为材料上要求低热膨胀且轻量·高刚性的人造卫星所搭载的零件也适合。

【实施例】

接着，具体制作本实施方式的堇青石质陶瓷，进行特性的评价。首先，作为Mg、Al、Si、B和Bi的各原料粉末，准备氢氧化镁(Mg(OH)₂)、氧化铝、二氧化硅、氧化硼和氧化铋各粉末。另外，准备碳酸钙的粉末。还有，各原料粉末的纯度如下。氢氧化镁的纯度为99.3％，氧化铝的纯度为99.9％，二氧化硅的纯度为99.5％，氧化硼的纯度为95.0％，氧化铋的纯度为99.9％，碳酸钙的纯度为99.5％。

接着，使这些原料粉末按表1所示的调合组成进行混合，其中添加粘结剂(石蜡)而调制造粒粉末。

接着，由调制的造粒粉末通过压力成形制作成形体，在大气中烧成，由此制作堇青石质陶瓷的试料。制作的试料其形状均为圆柱状，直径100mm，高度100mm。烧成时，在最高温度下的保持时间为2小时。对于制作的各试料，通过ICP发光分光分析求得组成时，各试料与调合组成中为一致的组成。

接着，对于制作的试料进行以下的评价。吸水率和体积密度通过阿基米德方法测量。体积密度的测量，以如下方式进行。首先，测量直径100mm、高度100mm的圆柱状的试料的体积密度。这时的试料数是各试料(No.)为1个。这里求得的体积密度是表2所示的“整体”的体积密度。其次，在表2中求出“外侧”和“内侧”各处的体积密度。首先，将直径100mm、高度100mm的圆柱状的试料在高度的方向大体三等分，得到单片的试料。其次，在大体三等分的单片的试料之中，高度方向的正中间的试料用于测量“内侧”的位置的体积密度。另一方面，在大体三等分的试料之中，高度方向的正中间以外的位置的单片的试料，用于测量“外侧”的位置的体积密度。从大体三等分的试料上，截取长20mm、宽15mm、厚30mm的单片的试料。在体积密度的测量中分别使用3个试料。表2所示的体积密度是各试料3个的平均值。

结晶相的确定和结晶相的比例的测量通过粉末X射线衍射和里特维尔德法进行。此测量各试料为1个。热膨胀以25℃的尺寸为基准，使用光学外差干涉仪，在0℃至50℃的温度范围进行测量。根据测量的数据决定热膨胀的举动的类型。另外，在20～30℃下决定试料的延伸率达到最低的温度。还有，制作的试料其热膨胀举动均取U字型的举动的试料。在这些试料中，将20～30℃下试料的延伸率达到最低的温度作为NPO温度。疑似热膨胀系数，是用20～30℃下试料的延伸率为最大的点(例如，图2中的L₁)与最低的点(例如，图2中的L₂)的差(例如，图2中的L₁－L₂)，除以测量范围的温度(10℃)而求得。另外，基于JIS R1618求得20～30℃的温度范围的ΔCTE。这些测量的试料数各试料为1个。

另外，制作的各试料的杨氏模量由纳米压痕法求得。以下显示纳米压痕法的条件。用于测量的试料的尺寸为，长12mm、宽4mm、厚3mm。对用于测量的试料实施镜面研磨的加工。作为纳米压痕装置，使用MTS社制的纳米压痕XP。纳米压痕XP所具备的压头是玻氏压头。压头的碰撞方法使用连续刚性测量法(CSM：Continuous Stiffness Measurement)。压头的压入深度至2000nm。表2所示的杨氏模量的值是压入深度至2000nm的值的平均值。表2所示的“比刚度”用杨氏模量除以体积密度求得。制作的试料之中，吸水率为0.05％以下的试料在室温(25℃)下，由纳米压痕法求得的杨氏模量均为133GPa以上，具有高刚性。

另外，根据表面粗糙度(Ra、PV)评价制作的试料的加工性。作为测量试料的表面粗糙度(Ra、PV)的试料，准备直径100mm、厚度80mm的试料。首先，对于准备的试料的主面(直径100mm的面)进行镜面研磨。其次，测量经过了研磨的表面的表面粗糙度(Ra、PV)。表面粗糙度(Ra、PV)的测量中使用光干涉式形状测长机(AMETEC NewView9000)。判定标准为，表面粗糙度(Ra)在1nm以下，最大深度(PV)在100nm以下为合格的判定标准。合格与否显示在表2中。这时，表2中记述的〇是合格。×是表面粗糙度(Ra)大于1nm或最大深度(PV)大于100nm的试料。还有，关于体积密度比2g/cm³低的试料，不进行加工性的评价。试料No.12根据上述的判定标准是“不合格”，但其他的试料(试料No.1～8和10)是“合格”。试料No.1～10实质上未能确认到莫来石的析出。

【表1】

【表2】

由表1和表2的结果表明，以堇青石结晶相为主结晶相，Mg以MgO换算为13.2质量％以上且13.8质量％以下，Al以Al₂O₃换算为26.0质量％以上且32.1质量％以下，Bi以Bi₂O₃换算为1.6质量％以上且4.6质量％以下，B以B₂O₃换算为1.5质量％以上且6.8质量％以下，Si以SiO₂换算为49.4质量％以上且51.4质量％以下，吸水率为0.05％以下的试料(试料No.1～5)，热膨胀的举动是U字型，NPO温度为23～27℃，疑似热膨胀系数为2×10^－7/℃以下。对于这些试料，进行X射线衍射而进行结晶相的鉴定时，各试料均以堇青石结晶相为主结晶。另外，体积密度为2.49g/cm³以下。

这些试料之中，Mg以MgO换算为13.5质量％以上朋13.8质量％以下，Al以Al₂O₃换算为28.5质量％以上且32.1质量％以下，Bi以Bi₂O₃换算为1.6质量％以上且4.0质量％以下，B以B₂O₃换算为1.5质量％以上且4.0质量％以下，Si以SiO₂换算为50.2质量％以上且51.4质量％以下的试料(试料No.1～4)，疑似热膨胀系数为1.67×10^－7/K以下。

此外，Mg以MgO换算为13.6质量％以上且13.8质量％以下，Al以Al₂O₃换算为28.5质量％以上且29.3质量％以下，Bi以Bi₂O₃换算为2.2质量％以上且3.2质量％以下，B以B₂O₃换算为3.1质量％以上且4.0质量％以下，Si以SiO₂换算为50.8质量％以上且51.4质量％以下(试料No.2、3)时，疑似热膨胀系数为0.55×10^－7/K以下。

另外，Mg以MgO换算为13.5质量％以上且13.8质量％以下，Al以Al₂O₃换算为28.5质量％以上且30.2质量％以下，Bi以Bi₂O₃换算为2.2质量％以上且4.0质量％以下，B以B₂O₃换算为2.1质量％以上且4.0质量％以下，Si以SiO₂换算为50.2质量％以上且51.4质量％以下(试料No.2～4)时，吸水率为0.05％以下，疑似热膨胀系数为0.63×10^－7/K以下，试料整体的烧结体的体积密度为2.48g/cm³，作为烧结体的试料的杨氏模量为136GPa以上。此外，用杨氏模量除以体积密度而求得的比刚度为55(GPa·cm³)/g以上。

以上所示的试料No.1～5，是既具有低体积密度，又显示出高杨氏模量的材料。换言之，试料No.1～5是比刚度高的材料。像这样比刚度高的材料，例如，在精密的加工设备和计测设备中作为基座使用时，能够减小基座移动时产生的惯性力。另外，上述的材料对于天体望远镜等的光学仪器的固定部和反射镜等的精密仪器有用。此外，作为材料上要求低热膨胀且轻量·高刚性的人造卫星所搭载的零件也适合。

相对于此，脱离上述组成的试料(试料6～11)，疑似热膨胀系数均为2.19×10^－7/K以上。

另外，在反射镜等的光学零件中使用时，需要镜面加工面的表面粗糙度(Ra、PV)低，而本实施方式的堇青石质陶瓷，实质上没有硬质的莫来石相，容易进行满足反射镜中使用的基准的Ra、PV的镜面加工。