CN102140636A - 结构体的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种结构体的制造方法，本发明的目的是提供一种在低温区域绝热性高、在高温区域散热性高的材料。本发明的结构体由基材和无机材料表面层构成，所述基材由金属形成，所述无机材料表面层由结晶性无机材料和无定形无机材料形成，所述结构体的制造方法的特征在于，所述方法包括如下工序：对所述金属基材的表面进行处理的工序；将所述结晶性无机材料和所述无定形无机材料进行混合以制备浆液的工序；将所述浆液涂布到所述金属基材上的工序；以及对涂布了所述浆液的所述金属基材进行烧制以形成所述无机材料表面层的工序。

Description

结构体的制造方法
本申请是分案申请，其原申请的中国国家申请号为200710112622.3，申请日为2007年6月25日，发明名称为“结构体”。
技术领域
本发明涉及结构体。
背景技术
在用于晶体生长等的高温下使用的加热炉中，为了缩短处理时间，优选升温到预定处理温度的时间较短，但另一方面，为了使热处理温度稳定，优选升温到预定的处理温度之后，炉内不过度升温而超过处理温度。
例如，在使InGaSb晶体生长时，在加热炉中放置块状GaSb原料，在GaSb原料之上放置InGaSb原料，然后对加热炉进行感应加热，以加热炉的温度处于GaSb的熔点(712℃)和InGaSb的熔点(525℃～712℃)之间的方式进行加热。若以这种方式进行加热，则仅InGaSb原料熔融并形成InGaSb晶体溶液，由于该溶液存留在GaSb块之上，所以，在使GaSb晶种与该溶液接触并保持InGaSb溶液温度恒定的基础上，边旋转边拉晶，从而能够使InGaSb单晶生长。
在上述工序中，优选加热炉升温至525℃以上的时间较短，并且，加热炉的温度不得超过712℃。
在这种情况下，为了缩短升温时间，有效的是提高低温区域的炉内绝热性，因此考虑优选使用绝热性高的材料、即热导率低的材料制作炉体(炉内壁)。
并且，为了炉内不过度升温而超过处理温度，有效的是提高高温区域的散热性以使炉体难以在高温区域升温，因此考虑优选使用散热性高的材料、即发射率高的材料制作炉体。
作为满足这种特性的材料，可以举出堇青石、氧化铝、氧化锆等氧化物类陶瓷。但是，这些材料与金属材料等相比，耐热冲击性差且价格高，所以，用这些材料制造整个炉体是不现实的。因此，优选具有低温绝热特性以及高温散热特性的材料。
此处，在专利文献1中，公开了一种远红外线辐射体作为高散热性材料，该辐射体是通过在金属基材的表面上形成有由氧化物类陶瓷和低熔点高膨胀玻璃构成的无机化合物覆膜而形成。
而且，在专利文献2中，公开了一种红外线辐射体作为散热性同样高的材料，该辐射体是通过在金属基材的表面上形成有由金属氧化物和低熔点高膨胀玻璃构成的红外线黑体涂料覆膜而形成。
但是，这些远红外线辐射体和红外线辐射体存在高温时的散热性不足的问题，因此，需求一种在该温度区域具有更加良好的散热特性的材料。
并且，不能保证这些远红外线辐射体和红外线辐射体在低温下的绝热特性。
专利文献1：特公平2-47555号公报
专利文献2：特公平3-62798号公报
发明内容
本发明是为了解决这类问题而完成的，其目的在于，提供一种在低温区域绝热性高、在高温区域散热性高的结构体。
本发明的结构体由基材和无机材料表面层构成，所述基材由金属形成，所述无机材料表面层由结晶性无机材料和无定形无机材料形成，所述结构体的特征在于，上述无机材料表面层的热导率低于上述基材的热导率，上述无机材料表面层的红外线发射率高于上述基材的红外线发射率，并且，上述基材为环状体。
并且，在本发明的结构体中，优选上述无机材料表面层在室温下的热导率为0.1W/mK～2W/mK。
而且，在本发明的结构体中，优选上述无机材料表面层在室温下、在波长为1μm～15μm的发射率是0.7～0.98。
此外，在本发明的结构体中，优选上述基材表面的凹凸量(RzJIS)为上述无机材料表面层的厚度的1/60以上。
由于本发明的结构体是由金属材料形成的基材包围热源(加热器、炉体或流体等)的环状体，所以能够防止气体或液体泄漏到外部空间，从而确保结构体内部的绝热性，而且，在基材的表面(内表面或外表面)形成有无机材料表面层，所述无机材料表面层的热导率低于所述基材的热导率，所述无机材料表面层的红外线发射率高于所述基材的红外线发射率，所以，在散热性取决于热传导的低温区域，能够阻碍来自结构体内部的散热，从而能够使结构体内部的绝热性得到进一步改善，而在散热性取决于辐射的高温区域，能够促进来自结构体内部的散热，从而能够使结构体内部温度得到降低。
另外，上述结构体中的基材为环状体，所以结构体本身为环状体。
尽管对于通过将结构体制成环状体可使高温区域的散热性得到改善的机理不明确，但是，本发明人推测如下：如图1所示，若来自热源1的辐射热2入射到结构体的内壁，则从结构体的表面辐射出辐射热3，同时被反射的辐射热4再次入射到结构体的内壁。这样，再次从结构体的表面辐射出辐射热5，被反射的辐射热6再次入射到结构体的内壁。以这种方式，推测当结构体为环状体时，通过辐射热不断地被反射使散热得到进行，因而能够改善散热性。
采用这种方式，本发明具有如下的显著效果：能够使结构体内部快速升温和防止结构体内部过热这一原本矛盾的效果同时实现。
这样的效果没有记载于上述举出的现有技术中。
现有技术仅限于公开板状体，最初没有记载可以使结构体内部绝热的效果和可以反射辐射热这样的环状结构。
附图说明
图1是示意性地表示在本发明的结构体的内部发生辐射和反射的情况的俯视图。
图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)是分别示意性地表示本发明的结构体的一例的立体图。
图3是示意性地表示用于评价本发明的结构体的性能的评价装置的局部缺口立体图。
符号说明
10、20、30、40、100结构体；11、21、31、41、101金属基材；12、22、32、42、102无机材料表面层。
具体实施方式
首先，使用附图对本发明的结构体进行说明。
本发明的结构体由基材和无机材料表面层构成，所述基材由金属形成(下面也称为金属基材)，所述无机材料表面层由结晶性无机材料和无定形无机材料形成，所述结构体的特征在于，上述无机材料表面层的热导率低于上述基材的热导率，上述无机材料表面层的红外线发射率高于上述基材的红外线发射率，而且，上述基材为环状体。
图2是示意性地表示本发明的结构体的一例的立体图，图2(a)和图2(b)是圆筒形的结构体，图2(c)和图2(d)是椭圆筒形的结构体，在各基材的外表面或内表面形成有无机材料表面层。
这些结构体均具有同样的性能，所以，此处以图2(a)所示的圆筒形的结构体为例说明本发明的结构体。
图2(a)所示的结构体10的结构如下：在由金属形成的圆筒形金属基材11的外侧表面，覆盖有由结晶性无机材料和无定形无机材料形成的无机材料表面层12，从而形成半径不同的2种材料密合的双层结构。
并且，无机材料表面层12以如下方式构成：该无机材料表面层12在室温下的热导率低于金属基材11的热导率，在室温下的红外线发射率高于金属基材11的红外线发射率。
另外，在本说明书中，室温是指25℃。
另外，本说明书中，无机材料表面层的热导率是指结晶性无机材料和无定形无机材料的混合物在室温下的热导率，所述热导率由构成无机材料表面层的各结晶性无机材料和无定形无机材料的热导率及其混合比例等决定。
此外，构成本发明的结构体的无机材料表面层12以如下方式构成：在整个低温区域，该无机材料表面层12的热导率低于金属基材11的热导率。
另外，本说明书中的低温区域和高温区域根据其用途和构成结构体的金属基材和无机材料表面层的材质而不同，没有特别限定，例如，在金属基材为SUS430材料、无机材料表面层由MnO2、CuO形成的结晶性无机材料和SiO2-BaO玻璃形成的无定形无机材料构成的情况下，低温区域为0℃～500℃，高温区域为大于500℃且1000℃以下的范围。
在本发明的结构体中，由于无机材料表面层的热导率低于金属基材的热导率，所以，例如在如图2(a)所示形状的本发明的结构体10中，在利用贴于金属基材11的内侧的加热器等加热金属基材11时，或者在金属基材11的内侧空间配置热源来加热金属基材11时，向金属基材11以及金属基材11的内侧空间的热传导速度较快，另一方面，热量从金属基材11经由无机材料表面层12向结构体10的外部传导的速度减慢。因此，本发明的结构体10整体为绝热性高的材料，从而在低温区域热量难以散到外部。
因此，在使用本发明的结构体10来加热内部时，可以使金属基材11和金属基材11的内侧空间迅速升温。
而且，无机材料表面层12的红外线发射率高于金属基材11的红外线发射率。在本说明书中，无机材料表面层的红外线发射率是指结晶性无机材料和无定形无机材料的混合物在室温下的红外线发射率，是以在整个红外区域的发射率的平均值表示的物理性质。
另外，构成本发明的结构体的无机材料表面层12以如下方式构成：在高温区域，无机材料表面层12的红外线发射率高于金属基材11的红外线发射率。
此处，按照斯蒂芬-波尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann’s law)，来自物体的单位面积的辐射传热速度与物体温度的4次方和物体的发射率的乘积成比例。因此，在高温区域，物体温度的4次方一项的影响增大，辐射传热速度与低温区域时相比飞跃性地增大。
因此，通过增大无机材料表面层12的红外线发射率，能够增大经由无机材料表面层12向结构体10的外部进行辐射传热的辐射传热速度，所以本发明的结构体10成为高散热性材料，从而使热量容易散到外部。
因此，若使用本发明的结构体10，能够抑制高温区域的金属基材11和金属基材11的内侧空间的温度上升。
此外，本发明的结构体为环状体，所以能够防止结构体内部的气体或液体泄漏到外部空间。因此，能够确保结构体内部的绝热性。
并且，通过将本发明的结构体制成环状体，在散热性取决于辐射的高温区域，能够提高散热性，从而使结构体内部温度得到降低。
此处，本说明书中的环状体是指，在X、Y、Z轴相互正交的三维直角坐标系中，X-Y、Y-Z、Z-X平面之中至少在一个平面上该环状体的形状封闭。因此，本说明书中的环状体不仅包括与其长度方向垂直的截面形状为圆形的环状体，还包括截面形状为椭圆形、矩形的环状体。
尽管通过将本发明的结构体制成环状体使散热性得到提高的原因不清楚，但如图1所示，若来自热源1的辐射热2入射到结构体10的内壁，则从结构体10的表面辐射出辐射热3，同时被反射的辐射热4再次入射到结构体10的内壁。这样，再次从结构体10的表面辐射出辐射热5，被反射的辐射热6再次入射到结构体10的内壁。以这种方式，推测当结构体为环状体时，通过辐射热不断地被反射使散热得到进行，所以能够改善散热性。
另外，对上述热源没有特别限定，可以举出例如炉体、加热器、反应气体、加热用油等。
尤其，通过将本发明的结构体制成环状体，能够使作为上述热源的反应气体或加热用油这类的高温气体或液体在结构体内流通，而不会泄漏到外部空间。
作为上述基材的材料，可以使用钢、铁、铜等金属；镍铬铁合金(inconel)、哈斯特洛伊耐蚀镍基合金(hastelloy)、不胀钢(invar)等镍基合金；不锈钢等其它合金等。由于这些金属材料的热导率高，所以在用作本发明的结构体的基材材料时，能够加快向基材和基材的内侧空间的热传导速度，从而能够缩短升温到预定温度的时间。
并且，这些金属材料的耐热性高，所以能够适合在500℃～1000℃的温度区域使用。而且，通过将这些金属材料制成基材，能够将本发明的结构体制成耐热冲击性、加工性、机械特性等优异且成本较低的结构体。
上述基材的厚度的优选下限为0.2mm，更优选的下限为0.4mm，优选的上限为10mm，更优选的上限为4mm。
这是因为，若厚度小于0.2mm，则强度不够，从而不能用作加热炉的结构体，并且，若厚度大于10mm，则基材升温所需的时间变长。
上述无机材料表面层由结晶性无机材料和无定形无机材料构成。
对于结晶性无机材料没有特别限定，优选使用过渡金属氧化物，优选选自由二氧化锰、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化铜以及氧化铬组成的组中的至少一种氧化物。
这种过渡金属氧化物的热导率低于金属基材的热导率，所以能够减慢热量经由无机材料表面层传导到结构体外部的速度，从而能够将本发明的结构体制成绝热性高的结构体。
并且，这种过渡金属氧化物在红外区域的发射率高，所以能够形成高发射率的无机材料表面层。因此，能够将本发明的结构体制成高散热性的结构体。
无机材料表面层可以如图2(a)和图2(c)所示设置在作为环状体的金属基材11、31的外表面，也可以如图2(b)和图2(d)所示设置在作为环状体的金属基材21、41的内表面。
而且，还可以将无机材料表面层设置在作为环状体的基材的内表面和外表面的两面上。该情况下，能够进一步提高绝热性能和散热性能。
对于无定形无机材料没有特别限定，优选选自由钡玻璃、硼玻璃、锶玻璃、铝硅酸盐玻璃、钠锌玻璃以及钠钡玻璃组成的组中的至少1种材料。
这种无定形无机材料是低熔点玻璃，软化温度在400℃～1000℃的范围，因此，通过将其熔融后涂布到金属基材的表面并进行加热烧制处理，能够容易且牢固地在金属基材的表面上形成无机材料表面层。
而且，这种无定形无机材料的热导率低于金属基材的热导率，所以能够减慢热量经由无机材料表面层传导到外部的速度，能够将本发明的结构体制成绝热性高的结构体。
此处，在构成无机材料表面层的材料之中，由过渡金属氧化物形成的结晶性无机材料的热膨胀率较低、为8×10-6/℃～9×10-6/℃，由低熔点玻璃形成的无定形无机材料的热膨胀率较高、为8×10-6/℃～25×10-6/℃，所以通过调整上述结晶性无机材料和上述无定形无机材料的混合比，能够控制无机材料表面层的热膨胀率。金属基材例如不锈钢的热膨胀率为10×10-6/℃～18×10-6/℃，所以通过调整上述结晶性无机材料和上述无定形无机材料的混合比，能够使无机材料表面层与金属基材的热膨胀率接近，从而能够提高无机材料表面层和金属基材的密合力。无机材料表面层的优选的热膨胀率根据无机材料表面层与基材的金属材料的组合而不同，优选无机材料表面层与金属基材的热膨胀率之差为10×10-6/℃以下。
如上所述，无机材料表面层中的结晶性无机材料的混合比例由与控制热膨胀率的关系决定，该混合比例的优选下限为10重量％，更优选的下限为30重量％，优选的上限为90重量％，更优选的上限为70重量％。这是因为，若结晶性无机材料的混合比例小于10重量％，则不能充分提高发射率，导致高温下的散热性降低，并且，若混合比例大于90重量％，则无机材料表面层与金属基材的密合性下降。
而且，无机材料表面层的厚度的优选下限为2μm，优选的上限为50μm。这时因为，当厚度小于2μm时，低温时的绝热性能下降，并且，当厚度大于50μm时，难以在基材上形成膜。
此外，对本发明的结构体的形状没有特别限定，只要是环状体即可，优选图2所示的圆筒形或椭圆筒形。
在本发明的结构体为图2(a)所示的圆筒形的情况下，其直径(外径)的优选下限为5mm，优选上限为200mm。通过设定为上述范围，能够有效发挥散热性能和绝热性能。
另外，在本发明的结构体中，优选上述无机材料表面层在室温下的热导率为0.1W/mK～2W/mK。
无机材料表面层在室温下的热导率可以通过细线加热法、热丝法、激光闪光法等已知的测定方法进行测定。
但是，若以保持本发明的结构体的形状的状态进行测定，则是对包括金属基材的结构体整体的热导率进行测定，从而不能测定无机材料表面层的热导率，所以需要另外制备测定样品。
具体地说，将结晶性无机材料和无定形无机材料以预定比例粉碎混合，接着，加热到无定形无机材料的熔点以上的温度，在以无定形无机材料处于熔融的状态下进行混炼，通过冷却凝固制备固态物。
将该固态物加工成适合于各测定方法的形状，从而能够通过已知的测定方法测定热导率。
由于能够用作结晶性无机材料的过渡金属氧化物在室温下的热导率为0.5W/mK～2W/mK，能够用作无定形无机材料的低熔点玻璃在室温下的热导率为0.1W/mK～1.2W/mK，所以由这些结晶性无机材料和无定形无机材料制备无机材料表面层时，能够使无机材料表面层在室温下的热导率处于0.1W/mK～2W/mK的范围内。
在本发明的结构体中，若无机材料表面层在室温下的热导率为0.1W/mK～2W/mK，则能够显著地降低热量经由无机材料表面层传导到外部的速度。因此，能够制成在低温区域的绝热性极高的结构体。
以本发明的无机材料表面层的组成难以制成热导率小于0.1W/mK的无机材料表面层，另外，若热导率大于2W/mK，则低温下的绝热性不足。
而且，在本发明的结构体中，优选上述无机材料表面层在室温下、在波长为1μm～15μm的发射率是0.7～0.98。
无机材料表面层的发射率可以通过对本发明的结构体的形成有无机材料表面层的面进行测定，另外，也可以采用与热导率的测定相同的方式另外制备测定样品进行测定。作为测定方法，可以采用已知的分光光度法进行测定。
能够用作结晶性无机材料的过渡金属氧化物在室温下、在波长为1μm～15μm的发射率是0.75～0.98，能够用作无定形无机材料的低熔点玻璃在室温下、在波长为1μm～15μm的发射率是0.65～0.96，因此，由这些结晶性无机材料和无定形无机材料制备无机材料表面层时，能够使无机材料表面层的发射率处于0.7～0.98的范围内。
波长为1μm～15μm的区域是所谓的近红外区域、远红外区域，是热作用较大的区域。当无机材料表面层在该区域的发射率为0.7～0.98时，尤其在高温区域能够显著地增大从无机材料表面层向外部的辐射传热速度。因此，能够制成在高温区域散热性极高的结构体。
若发射率小于0.7，则无机材料表面层的散热性不足，另外，以本发明的无机材料表面层的组成难以制成发射率大于0.98的无机材料表面层。
此外，在本发明的结构体中，优选上述基材表面的凹凸量(RzJIS)为上述无机材料表面层的厚度的1/60以上。另外，RzJIS是根据JIS B 0601：2001定义的十点平均粗糙度。
若在基材表面形成凹凸，则与基材表面平滑的情况相比，能够使无机材料表面层牢固地与基材密合，从而能够形成即使经过反复的升温、降温也不会剥离的无机材料表面层。
另外，若基材表面的凹凸量为无机材料表面层厚度的1/60以上，则可沿着基材表面的凹凸形成无机材料表面层，所以与基材表面平滑的情况相比，基材表面的凹凸使无机材料表面层的表面积增大，从而使有助于辐射传热的面积增大，因此，能够进一步提高本发明的结构体的散热性。
接着，说明本发明的结构体的制造方法。
本发明的结构体的制造方法包括如下工序：金属基材的表面处理工序；混合工序，用于将结晶性无机材料和无定形无机材料进行湿式混合以制备浆液；涂布工序，用于将浆液涂布到金属基材上；以及烧制工序，用于对涂布了浆液的金属基材进行烧制以使无机材料覆膜固定在金属基材上。
首先，实施对金属基材进行表面处理的表面处理工序。
金属基材的表面处理是如下的工序：除去金属基材上的杂质，并且，根据需要，在金属基材表面上形成凹凸。
对于处理金属基材上的杂质的方法没有特别限定，可以使用一般的清洗方法。例如，可以使用在乙醇溶剂中进行超声波清洗等的处理方法。
对于在金属基材表面上形成凹凸的方法也没有特别限定，例如可以举出喷砂处理、蚀刻处理、高温氧化处理等方法。这些方法可以单独使用，也可以合用多种方法。作为上述形成凹凸的方法，可以采用以往使用的方法。
另外，在金属基材表面上形成凹凸的工序并不是必须的工序，可以根据情况省略。
接着，进行将结晶性无机材料和无定形无机材料湿式混合的混合工序。
在该工序中，分别将结晶性无机材料的粉末和无定形无机材料的粉末制成预定的粒度、形状等，以预定的混合比例干式混合各粉末以制备混合粉末，进一步加水，利用球磨机进行湿式混合，从而制备浆液。
对混合粉末与水的混合比没有特别限定，相对于100重量份的混合粉末，优选水为100重量份左右。这是因为，为了涂布到金属基材上，需要制成适当的粘度。另外，根据需要，可以使用有机溶剂。
接着，进行在金属基材上涂布浆液的涂布工序。
在该工序中，在经表面处理工序进行了表面处理的金属基材上涂布由混合工序制备的浆液。对于涂布方法没有特别限定，只要是能够将浆液均匀地涂布到金属基材上的方法即可，例如可以举出喷涂法、转印、刷涂等方法。
接着，实施对涂布了浆液的金属基材进行烧制的烧制工序。
在该工序中，在将经涂布工序涂布有浆液的金属基材进行干燥后，通过加热烧制形成无机材料表面层。烧制温度优选为无定形无机材料的熔点以上的温度，尽管烧制温度还取决于所混合的无定形无机材料的种类，但优选烧制温度为700℃～1100℃左右。通过将烧制温度设定为无定形无机材料的熔点以上的温度，能够使金属基材和无定形无机材料牢固地密合，从而能够形成对反复的升温、降温不产生剥离的无机材料表面层。
实施例
下面举出实施例来更详细地说明本发明，但本发明不受这些实施例限定。
(实施例1)
(制造金属基材)
将厚度为2mm、直径为100mm的SUS430材料的圆筒切割成100mm的长度以作为金属基材，所述SUS430材料在室温下的热导率(下面设为λ)为25W/mK、在室温到500℃的范围内测定的热膨胀率(下面设为α)为10.4×10-6/℃。
并且，准备2个与上述圆筒相同材质的厚度为2mm、直径为100mm的盖用圆盘。
接着，组装成圆柱形状。
具体地说，将2个盖用圆盘作为底表面和上表面，并与金属基材的两个开口面对合并焊接，从而将开口面封闭，形成圆柱形体。
接着，如下进行表面处理工序：在乙醇溶剂中对圆柱形体进行超声波清洗，然后，进行喷砂处理，从而对圆柱形体的外表面清洗、粗糙化。
对于喷砂处理，使用#600的SiC磨粒进行10分钟。
此处，对表面处理工序后的金属基材表面的RzJIS进行测定，结果为1.5μm。
(形成无机材料表面层)
接着，将作为结晶性无机材料的65重量％的MnO2粉末和5重量％的CuO粉末以及作为无定形无机材料的30重量％的BaO-SiO2玻璃粉末进行干式混合以制备混合粉末，相对于100重量份的混合粉末，加入100重量份的水，利用球磨机进行湿式混合，从而制备浆液。
另外，将该组成的结晶性无机材料和无定形无机材料粉碎混合，接着，加热到无定形无机材料的熔点以上的温度，在使无定形无机材料熔融的状态下进行混炼，通过冷却凝固制作固态物，利用快速热导率测定仪(京都电子工业制造：QTM-500)测定λ。并且，利用TMA(Thermo mechanical Analysis)装置(Rigaku制造：TMA 8310)在从室温到500℃的范围测定α。将其结果示于表1。
进行如下涂布工序：通过喷涂向上述圆柱形体的外表面涂布上述浆液。
然后，将通过喷涂形成了涂布层的上述圆柱形体在100℃下干燥2小时，然后，实施在空气中于700℃加热烧制1小时的烧制工序以形成无机材料表面层102，由此制造圆柱形结构体100(参照图3)。
利用分光光度计(测定装置：Perkin Elmer制造：system 200型)测定所形成的无机材料表面层102在室温下波长为1μm～15μm的发射率。并且，测定所形成的无机材料表面层102的厚度。将这些结果示于表2。
(形成贯通孔)
为了设置后述的陶瓷加热器，在通过上述工序制造的圆柱形结构体100的底面中央部位形成长52mm×宽52mm的贯通孔。
(制作评价装置)
图3是示意性地表示用于评价本发明的结构体的性能的评价装置的局部缺口的立体图。本图中，省略结构体的上表面和前侧的侧面来描述。
在该评价装置160中，在圆柱形结构体100的中央部位配置有长50mm×宽50mm×高20mm的陶瓷加热器161，通过加热器的加热，能够使结构体内部空间升温。
并且，在距离结构体100的底面的内表面10mm的位置配置有热电偶162，从而能够测定结构体内部空间的温度。
这些陶瓷加热器161和热电偶162的设置和布线通过设置于结构体100的底面的贯通孔来进行，并且，陶瓷加热器161的底部与支柱163接合以使陶瓷加热器161得到支撑。
而且，结构体100安装设置于采用与金属基材101相同材质而形成的安装支柱164上，使结构体100的底面的大部分不与其它部分直接接触。
使用评价装置160评价结构体的性能。
(评价在低温区域的绝热性能)
向陶瓷加热器161供给2kW的电力，测定所设置的热电偶162的指示温度达到500℃的升温时间。将该结果示于表2。
(评价在高温区域的散热性能)
在向陶瓷加热器161供给2kW电力的状态下，测定散热量与供给电量处于平衡且温度处于恒定的时刻的热电偶162的指示温度作为最高温度。将该结果示于表2。
(评价无机材料表面层的密合性)
向陶瓷加热器161供给电力，使结构体内部空间的温度上升到800℃，然后通过自然冷却冷却到室温，将这样的工序设为1次循环，进行10次循环的反复试验，反复试验后目视观察无机材料表面层102是否从金属基材101上剥离。将其结果示于表2。
(实施例2～实施例4、实施例7、参考例1、参考例2)
无定形无机材料的比例、结晶材料的种类、基材材质分别如表1所示，使用这些材料并采用与实施例1相同的方式制作结构体。
此处，结晶材料的比例是100％减去表1所示的无定形无机材料的比例后得到的比例，当结晶材料由2种材料构成时，其组成分别为MnO2∶CuO＝65重量％∶5重量％、MnO2∶Fe3O4＝65重量％∶5重量％。
在各实施例等中，采用与实施例1相同的方式测定金属基材和无机材料表面层的λ和α以及无机材料表面层的发射率。将该结果示于表1。
并且，在各实施例和参考例中，以如下方式进行表面处理工序：通过改变对金属基材进行喷砂处理的处理时间以使表面处理后的基材表面的RzJIS达到表2所示的值。
而且，在各实施例和参考例中，以如下方式进行涂布工序：改变喷涂浆液的条件以使无机材料表面层具有表2所示的厚度。
在各实施例和参考例中，采用与实施例1相同的方式，对制作的各结构体使用评价装置160来评价结构体的性能。
将评价结果汇总示于表2。
(实施例5)
在组装成圆柱形状之前，采用与实施例1相同的方式，对圆筒形的金属基材进行如下的表面处理工序：在乙醇溶剂中对该金属基材进行超声波清洗，之后进行喷砂处理，从而清洗并粗糙化金属基材的内表面。
并且，还采用相同方式对2个盖用圆盘的一面进行表面处理工序。
采用与实施例1相同的方式制备浆液，然后进行如下涂布工序：通过喷涂向圆筒形的金属基材的内表面和盖用圆盘的一面(进行了喷砂处理的面)涂布该浆液。
然后，采用与实施例1相同的方式，进行烧制工序，从而形成无机材料表面层。
使形成了无机材料表面层的面成为结构体的内表面，通过将2个盖用圆盘与底表面、上表面对合并与金属基材焊接以使开口面封闭，由此制作出圆柱形结构体。
然后，采用与实施例1相同的方式，使用评价装置160评价结构体的性能。
汇总这些条件和评价结果并示于表1和表2。
(实施例6)
首先，采用与实施例5相同的方式，制造内表面形成有无机材料表面层的圆柱形结构体。
接着，采用与实施例1相同的方式，对该圆柱形结构体进行表面处理，并在该圆柱形结构体的外表面形成无机材料表面层，从而制作出外表面和内表面的两面具有无机材料表面层的结构体。
然后，采用与实施例1相同的方式，使用评价装置160评价结构体的性能。
汇总这些条件和评价结果并示于表1和表2。
(参考例3)
将65重量％的石英粉末作为结晶性无机材料、30重量％的BaO-SiO2玻璃粉末和5重量％的飘尘作为无定形无机材料进行干式混合以制备混合粉末，除此之外，采用与实施例1相同的方式，制作具有无机材料表面层的结构体。然后，采用与实施例1相同的方式，使用评价装置160评价结构体的性能。
汇总这些条件和评价结果并示于表1和表2。
(比较例1)
未在金属基材和盖用圆盘上形成无机材料表面层，除此之外，采用与实施例1相同的方式，制作结构体。然后，采用与实施例1相同的方式，使用评价装置160评价结构体的性能。
并且，采用实施例1相同的方法测定金属基材表面的发射率。
汇总这些条件和评价结果并示于表1和表2。
(比较例2)
将实施例1中使用的圆筒形的金属基材以平行于其长度方向在两处进行切削，制作侧面的1/4被切下的圆筒形的金属基材。
之后，将上述圆筒形的金属基材与盖用圆盘对合，制作侧面的一部分开口的圆柱形体，除此之外，采用与实施例1相同的方式，制作外表面具有无机材料表面层的结构体。
然后，采用与实施例1相同的方式，使用评价装置160评价结构体的性能。
汇总这些条件和评价结果并示于表1和表2。
另外，比较例2制造的结构体为侧面不封闭的形状，所以，该结构体是基材形状不为环状体的结构体。
Figure BDA0000046166360000151
Figure BDA0000046166360000161
由表1和表2可知，在实施例1～实施例7制作的结构体中，升温时间变短且最高温度也变低。
在比较例1制作的结构体中，升温时间变长且最高温度变高。据认为，这是由于不存在无机材料表面层，热导率高使低温下的绝热性能差，而且，发射率低使高温下的散热性能差而引起的。
在比较例2制作的结构体中，升温时间变长且最高温度变低。据认为，这是由于基材的形状不是环状体，所以高温气体从开口部泄漏到外部空间，导致绝热性能差而引起的。
并且，在实施例1～实施例6制作的结构体中，升温时间都非常短，最高温度也非常低，且没有发生无机材料表面层的剥离。
由以上结果可知，结构体由基材和无机材料表面层构成，所述基材由金属形成，所述无机材料表面层由结晶性无机材料和无定形无机材料形成，所述结构体的特征在于，上述无机材料表面层在低温下的热导率低于上述基材的热导率，上述无机材料表面层的红外线发射率高于上述基材的红外线发射率，并且，上述基材为环状体，该结构体在低温区域绝热性高，在高温区域散热性高。
尤其，若将上述无机材料表面层在室温下的热导率制成0.1W/mK～2W/mK，则能够极大地提高绝热性，若将上述无机材料表面层在室温下、在波长为1μm～15μm的发射率制成0.7～0.98，则能够极大地提高散热性，并且，若将基材表面的凹凸量(RzJIS)制成上述无机材料表面层的厚度的1/60以上，则能够使上述无机材料表面层牢固地与基材密合。
本发明的结构体是金属材料形成的基材包围热源(加热器、炉体或流体等)的环状体，在基材的表面(内表面或外表面)形成有无机材料表面层，所述无机材料表面层的热导率低于所述基材的热导率，所述无机材料表面层的红外线发射率高于所述基材的红外线发射率，所以，在散热性取决于热传导的低温区域，能够阻碍来自结构体内部的散热以确保绝热性，在散热性取决于辐射的高温区域，能够促进散热以使结构体内部的温度得到降低。

Claims (14)

1.一种结构体的制造方法，该结构体由基材和无机材料表面层构成，所述基材由金属形成，所述无机材料表面层由结晶性无机材料和无定形无机材料形成，所述制造方法的特征在于，所述方法包括如下工序：
对所述金属基材的表面进行处理的工序；
将所述结晶性无机材料和所述无定形无机材料进行混合以制备浆液的工序；
将所述浆液涂布到所述金属基材上的工序；以及
对涂布了所述浆液的所述金属基材进行烧制以形成所述无机材料表面层的工序。
2.根据权利要求1所述的结构体的制造方法，其中，在对所述金属基材的表面进行处理的工序中，除去所述金属基材上的杂质。
3.根据权利要求2所述的结构体的制造方法，其中，在对所述金属基材的表面进行处理的工序中，进一步在所述金属基材表面上形成凹凸。
4.根据权利要求3所述的结构体的制造方法，其中，用于在所述金属基材表面上形成凹凸的方法是喷砂处理、蚀刻处理和高温氧化处理中的至少一种。
5.根据权利要求3或4所述的结构体的制造方法，其中，所述基材表面的凹凸量为所述无机材料表面层的厚度的1/60以上，所述凹凸量表示为RzJIS。
6.根据权利要求1～5任一项所述的结构体的制造方法，其中，在将所述结晶性无机材料和所述无定形无机材料进行混合的工序中，将结晶性无机材料的粉末和无定形无机材料的粉末进行干式混合以制备混合粉末，将所述混合粉末进行湿式混合。
7.根据权利要求1～6任一项所述的结构体的制造方法，其中，所述结晶性无机材料由过渡金属氧化物形成。
8.根据权利要求7所述的结构体的制造方法，其中，所述过渡金属氧化物为选自由二氧化锰、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化铜以及氧化铬组成的组中的至少一种氧化物。
9.根据权利要求1～6任一项所述的结构体的制造方法，其中，所述结晶性无机材料由莫来石、Al2O3或石英形成。
10.根据权利要求1～9任一项所述的结构体的制造方法，其中，所述无机材料表面层的厚度为2μm～50μm。
11.根据权利要求1～10任一项所述的结构体的制造方法，其中，所述无机材料表面层的热膨胀率与所述基材的热膨胀率之差为10×10-6/℃以下。
12.根据权利要求1～11任一项所述的结构体的制造方法，其中，所述无定形无机材料为选自由钡玻璃、硼玻璃、锶玻璃、铝硅酸盐玻璃、钠锌玻璃以及钠钡玻璃组成的组中的至少1种材料。
13.根据权利要求1～12任一项所述的结构体的制造方法，其中，所述无机材料表面层中的所述结晶性无机材料的混合比例为10重量％～90重量％。
14.根据权利要求13所述的结构体的制造方法，其中，所述无机材料表面层中的所述结晶性无机材料的混合比例为30重量％～90重量％。
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