DE69130104T2

DE69130104T2 - Elektrisch leitender klebstoff für keramik

Info

Publication number: DE69130104T2
Application number: DE69130104T
Authority: DE
Inventors: Hisakiyo Settsu-Shi Osaka 566 Hoshino; Akio Ikeda-Shi Osaka 563 Matsui; Natsumi Toyonaka-Shi Osaka 560 Miyake; Tokumitsu Osaka-Shi Osaka 537 Nishi; Masashi Takatsuki-Shi Osaka 569 Numano; Kouji Kobe-Shi Hyogo 654-01 Okuda; Hiroshi Nishinomiya-Shi Hyogo 663 Takai; Hiroaki Chofu-Shi Tokyo 182 Yanagida
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1991-06-13
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2011-06-14
Also published as: DE69130104D1; US5352385A; EP0486706A1; EP0486706A4; EP0486706B1; WO1991019689A1

Description

Bisher wurden verschiedene Arten an Verbindungs- bzw. Bindemitteln offenbart, wie z. B. anorganische Lötmittel, umfassend verschiedene Oxide, Fluoride und verschiedene Metall-Lötstoffe, umfassend verschiedene Metalle zum Miteinanderverbinden von Keramikkörpern. Beispielhaft ist ein Verbindungs- bzw. Bindemittel bekannt, gebildet aus einer Pulvermischung von CaF&sub2; und Kaolinit, aufgebracht an zu verbindenden Teilen aus Siliciumnitrid-Keramikplatten und nachfolgend auf 1.400 bis 1.500ºC in einem Ofen erwärmt, zum Erhalten von verbundenen Keramiken mittels Reaktion des Bindemittels und der Siliciumnitrid- Keramik (japanische Patentanmeldung JP-A-59-158542). Das CaF&sub2; wird verwendet, da es sich thermisch zersetzt bei einer hohen Temperatur und F&sub2;-Gas erzeugt, welches die Fläche bzw. Oberfläche der Keramik korrodiert oder wegätzt. Als ein Ergebnis verstärkt das Reaktionsprodukt zwischen Kalzium und Kaolinit die Reaktion des Klebstoffs bzw. Bindemittels bzw. Verbindungsmittels mit den Keramiken. Wenn das Bindemittel ausgewählt ist, um eine gute Benetzbarkeit und eine hohe Reaktivität mit den Keramiken aufzuweisen, wird der Verbindungsteil zwischen den Keramikkörpern beim Erwärmen des Bindemittels eine Temperatur erreichen, die höher als dessen Schmelzpunkt ist. Ein herkömmliches Erwärmungs- bzw. Heizverfahren besteht darin, die Gesamtheit des Keramikkörpers mit dem Bindemittel in dem Ofen auf eine Verbindungstemperatur zu erwärmen, um die Verbindung zu erzielen. Wenn ein großer oder langer Keramikkörper zu verbinden ist, ist es nötig, einen großen Ofen zu verwenden oder eine lange Zeit zum Erwärmen oder zum Abkühlen zu verwenden. Dies führt zu Problemen, wie z. B. der Beschränkung der Ausstattung und einem Anstieg in den Ausstattungskosten oder der Betriebskosten. Ferner kann die höhere Verbindungstemperatur eine thermische Beeinträchtigung des Keramikkörpers ver anlassen. Somit tritt das Problem bei dem Anwendungsfeld auf, welches den thermischen Widerstand erfordert. Da das Erwärmungs- bzw. Heizverfahren zum Erwärmen der Gesamtheit des Keramikkörpers mit dem Bindemittel verschiedene Probleme, wie oben erwähnt, aufweist, ist es wünschenswert, ein Verbindungsverfahren zum lediglich teilweisen Erwärmen des zu verbindenden Teiles vorzusehen. Um diese Probleme zu lösen, schlägt das U.S.-Patent Nr. 4,724,020 ein elektrisches Verbindungsverfahren für Keramikkörper vor.
Das elektrische Verbindungsverfahren wird in der folgenden Weise durchgeführt: Die zu verbindenden Ebenen von Keramikkörpern werden mit einem Verbindungs- bzw. Bindemittel behandelt, welches eine elektrische Leitfähigkeit bei einer hohen Temperatur aufweist, und werden über eine Gasflamme auf eine Temperatur von mehr als 800ºC vorerwärmt. Eine hohe Spannung wird angelegt über ein Paar von Elektroden zum Liefern von elektrischem Strom zu dem Verbindungs- bzw. Bindemittel. Nachfolgend wird das Bindemittel durch Joulsche Wärme erhitzt und geschmolzen, zum Erreichen der Keramikverbindung durch die Reaktion zwischen dem Bindemittel und den Keramiken.
Das oben erwähnte elektrische Verklebungs- bzw. Verbindungsverfahren hat den Vorteil, daß die Verbindungskosten reduziert sind, umfassend Ausstattungs- und Betriebskosten, auch mit großen oder langen Keramikkörpern, und unterdrückt thermische Beeinträchtigung des Keramikmaterials. Jedoch hat das elektrische Verbindungsverfahren den folgenden Nachteil: Das herkömmliche Verbindungs- bzw. Bindemittel, verwendet in einem Ofen, muß lediglich eine Benetzbarkeit und Reaktivität bezüglich der Keramiken aufweisen. Andererseits muß das Bindemittel, verwendet in dem elektrischen Verbindungsverfahren, eine elektrische Leitfähigkeit bei einer hohen Temperatur zusätzlich zu den obigen Eigenschaften aufweisen, da die Verbindung durch Zuführen bzw. Anlegen von elektrischem Strom an das Bindemittel vervollständigt wird. Dementsprechend ist ein Bindemittel des herkömmlichen Typs, verwendet in einem Hochtemperaturofen, nicht immer für das elektrische Verbindungsverfahren anwendbar. Es ist somit nötig, ein Verbindungs- bzw. Bindemittel zu entwickeln, welches für das elektrische Verbindungsverfahren geeignet ist.
Das U.S.-Patent Nr. 4,724,020 offenbart ein Bindemittel, anwendbar auf das elektrische Verbindungsverfahren, welches solch eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, daß ein elektrischer Strom von mehreren 10 mA unter der Spannung von 1.000 bis 10.000 V bei einer Temperatur von mehr als 800ºC fließen kann. Aus praktischen Gründen ist beispielhaft ein Bindemittel offenbart, umfassend als einen Hauptbestandteil Glas mit Kaolinit, Al&sub2;O&sub3;, und SiO&sub2; und als Zusatzstoff Oxid, Sulfid oder Chlorid von Kupfer, Nickel, Magnesium, Indium, Molybden, oder Zink, oder Oxid von seltenen Erden-Material, wie z. B. Lanthanum, Indium, Vanadium, Holmium und Yttrium, oder Metall, wie z. B. Molybden, Mangan, Wolfram, Eisen, Kupfer, Silber, Nickel, Zinn und Zink, oder Fluoride, wie z. B. Kalziumfluorid und Natriumfluorid. Dem Bindemittel ohne elektrische Leitfähigkeit wird ein Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit zugeführt, wie z. B. Kohlenstoff, Fluorid, Glas, Metalloxid und seltene Erden-Materialien.
Jedoch wurde von den Erfindern bei einer praktischen Verwendung herausgefunden, daß ein Bindemittel mit lediglich elektrischer Leitfähigkeit und der Reaktivität bezüglich der Keramiken nicht immer in der Bildung einer guten Verbindung resultiert. Beispielhaft hat ein Verbindungs- bzw. Bindemittel ein Metallpulver als elektrischen Leiter, zusätzlich, in Glas vorgesehen, um einen elektrischen Stromfluß diesbezüglich zu ermöglichen. Jedoch lokalisiert sich der elektrische Strom prädominierend an dem Metallpulverabschnitt. Als ein Ergebnis wird der zu verbindende Teil nicht gleichförmig erwärmt, so daß keine gute Verbindung bzw. kein guter Übergang entsteht. Insbesondere besteht ein großes Problem bei langen Keramikkörpern. Somit wurde es befunden, daß das Bindemittel, bereitgestellt lediglich mit elektrischer Leitfähigkeit, nicht ausreichend ist zum Ausführen des elektrischen Verbindungsverfahrens.
Als ein Ergebnis erfinderischer Forschung haben die Erfinder herausgefunden, daß es nötig ist, ein Bindemittel zu entwickeln, um es dem elektrischen Strompfad zu ermöglichen, sich glatt bzw. weich mit der Bewegung der Elektrode zu bewegen, wenn der Keramikteil durch das elektrische Verbindungsverfahren verbunden wird. Es wurde erkannt, daß in dem vorliegenden technischen Umfeld das Bindemittel generell eine elektrische Leitfähigkeit in einer positiven Weise aufweist, welche es schwierig gestaltet, den elektrischen Strompfad mit der Bewegung der Elektrode zu bewegen. Entgegen der obigen Annahme haben die Erfinder herausgefunden, daß ein Bindemittel bereitgestellt sein kann, dem elektrischen Strompfad erlaubend, sich mit der Bewegung der Elektrode zu bewegen, und zwar nach Untersuchung des Erwärmungsmechanismus mit verschiedenen Bindemitteln.
Fig. 1 zeigt die Zeitveränderung in dem elektrischen Widerstand des Bindemittels. Ein Anstieg in der Spannung der elektrischen bzw. Stromquelle veranlaßt anfänglich einen leichten elektrischen Strom (bezeichnet als "anfänglicher Antriebsstrom"), welcher durch das Bindemittel in dem ersten Bereich I fließt. In dem nächsten Schritt steigt der elektrische Strom schnell auf einen gegebenen Wert der Spannung an und nachfolgend nimmt die Lastspannung schnell in dem zweiten Bereich II ab. Nachfolgend, in einem Bereich, wo der elektrische Strom ein konstanter Wert ist, nimmt die Lastspannung graduell zu, d. h. in diesem Bereich verändert das Verbindungs- bzw. Bindemittel sich in der Zusammensetzung und zeigt einen höheren elektrischen Widerstand (dieser Bereich wird angegeben als dritter Bereich III). Daher, folgend der Bewegung der Elektrode oder auch ohne jegliche Bewegung der Elektrode, bewegt sich der elektrische Strompfad sequentiell zu einem Bereich von geringerem elektrischen Widerstand von einem Bereich von höherem elektrischen Widerstand. Somit neigt ohne externe Kräfte der elektrische Strompfad dazu, automatisch bei einem Bereich zum Fließen des elektrischen Stromes zu erfolgen und bewegt sich somit freiwillig zu beliebigen Niederwiderstandsbereichen von höheren. Schließlich schreitet die Reaktion zwischen dem Bindemittel und dem Paar an Keramikkörpern ausreichend fort, zum Verbinden der Keramikkörper gemäß der Veränderung in der Zusammensetzung hin zu einem höheren elektrischen Widerstand.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bindemittel anzugeben, welches die Zusammensetzung hin zu einem höheren elektrischen Widerstand verändern kann, so daß die Lastspannung graduell an dem Bereich ansteigt, in welchem eine Veränderung in dem elektrischen Strom einen konstanten Wert annimmt, wie in Fig. 1 gezeigt.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der Ergebnisse erreicht, daß der Wunsch, warum das Bindemittel die Zeitveränderung in dem elektrischen Widerstand, wie in Fig. 1 dargestellt, zeigt, darauf beruht, daß eine elektrisch leitfähige Komponente mit dem Ionenleiter die Eigenschaft aufweist, daß eine gebildete Ionen-Trägerdichte oder -Mobilität bzw. -Beweglichkeit abgesenkt wird durch ein Ionen-Trägerdiffusionsverfahren in das Muttermaterial und durch Reaktionen der Ionenträger mit dem Muttermaterial oder anderem Bindemittel, wobei der Sauerstoff in der Atmosphäre und das Wasser aus der Zersetzung einer Flamme resultieren.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Verbinden bzw. Verkleben von Keramikkörpern durch ein elektrisches Verklebungs- bzw. Verbindungsverfahren angegeben, umfassend:
Aufbringen einer Verbindungszusammensetzung an den Keramikkörpern, aus:
(a) einer elektrisch leitenden bzw. leitfähigen Komponente, wirksam zum Bereitstellen einer elektrischen Leitfähigkeit für die Zusammensetzung, wenn ein elektrischer Strom zugeführt wird; und (b) eine Verbindungskomponente zum Bereitstellen einer wirksamen Benetzbarkeit der Keramikkörper in dem geschmolzenen Zustand des Bindemittels und einer wirksamen Verbindungsstärke bzw. -festigkeit in dem verfestigten Zustand;
Vorerwärmen der Zusammensetzung;
Veranlassen, daß ein elektrischer Strom in der Zusammensetzung fließt, um die Zusammensetzung zu schmelzen; und
Kühlen der Zusammensetzung zum Bilden einer Verbindung zwischen den Keramikkörpern;
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende bzw. leitfähige Komponente ein Ionenleiter ist, welcher umfaßt YF&sub3;, oder ScF&sub3; und optional ein Chlorid oder ein Oxid und ausgewählt ist, um Träger-Ionen während der Vorerwärmung zu bilden, die das Bindemittel mit einer elektrischen Leitfähigkeit bereitstellen, die höher ist, als jene der Keramikkörper, wenn der elektrische Strom zugeführt wird, wobei die elektrisch leitende Komponente und die Verbindungskomponente ausgewählt sind in wirksamen bzw. effektiven Mengen, derart, daß der elektrische Widerstand des Bindemittels graduell in dem geschmolzenen Zustand ansteigt durch Absenkung der Dichte oder der Beweglichkeit bzw. Mobilität der Träger-Ionen.
Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 1 und 2 angegeben. Die Erfindung stellt ebenfalls eine Zusammensetzung zur Verwendung beim Verbinden von Keramikkörpern gemäß diesem Verfahren bereit - Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 3 und 4 definiert.
Der Ionenleiter kann Chlorid und/oder ein Oxid umfassen, zusätzlich zu YF&sub3; oder ScF&sub3;. Da Chloride eine Fließfähigkeit-Eigenschaft aufweisen, neigen YF&sub3; oder ScF&sub3; dazu, leichter handzuhaben zu sein. Ein Oxid-Ionenleiter kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Alkali-Metalloxiden, wie z. B. Li&sub2;O, Na&sub2;O oder K&sub2;O und Alkali-Erdenmetalloxiden, wie z. B. MgO oder CaO, welche Kationen erzeugen können mit einer relativ hohen Beweglichkeit bzw. Mobilität.
Unter den obigen Oxidmaterialien ist das Alkali-Erdmetalloxid, wie z. B. CaO oder MgO, kostengünstig und erzeugt kein giftiges Gas, wie z. B. Fluoringas in dem Fall von Fluorid, und verfügt ferner über eine vorteilhaft elektrische Leitfähigkeit, obwohl diese geringer ist als jene von Fluorid. Somit ist es bevorzugt oder möglich, als Ionenleiter eine Mischung zu verwenden von mehr als zwei Arten der obigen leitenden bzw. leitfähigen Materialien, um somit die geeignete elektrisch leitende bzw. leitfähige Eigenschaft gemäß dem Anwendungsfeld zu haben, anstelle der Verwendung einer Art des obigen leitenden bzw. leitfähigen Materials.
Die untere Grenze des Mischungsverhältnisses der leitfähigen Komponente mit der Verbindungskomponente wird auf der Grundlage eines Ausmaßes bestimmt, in dem es dem elektrischen Strom ermöglicht ist, bei einem solchen Pegel zu fließen, welcher zum Erzeugen einer ausreichenden Joulschen Wärme während dem Anlegen eines elektrischen Feldes notwendig ist, während die obere Grenze des Mischungsverhältnisses auf der Grundlage eines Ausmaßes bestimmt ist, welches nicht die Stärke bzw. Festigkeit des Bindemittels absenkt. Zusätzlich ist ein weiterer wichtiger zu bestimmender Faktor bezüglich des Mischungsverhältnisses die Variation des elektrischen Widerstandes bezüglich der Art und dem Mischungsverhältnis des leitenden Materials und der Art und dem Erwärmungsgrad der zu verbindenen Keramiken. Wenn das Widerstandsveränderungs- bzw. -variationsverhältnis des Bindemittels zu gering ist, wird die Bewegungscharakteristik des elektrischen Strompfades schlechter. Somit ist es manchmal schwierig, einen ausgezeichneten verbundenen Teil an der Gesamtheit der zu verbindenden Ebenen zu erhalten. Andererseits, wenn das Variationsverhältnis zu groß ist, kann es schwierig sein, den elektrischen Strom fließen zu lassen, bedingt durch den resultierenden hohen elektrischen Widerstand des Bindemittels, bevor eine ausreichende Reaktion zwischen dem Bindemittel und den zu verbindenen Keramikkörpern auftritt. Dementsprechend, um ein reproduzierbares Verbinden bzw. Verkleben durchzuführen, ist es nötig, eine Verbindungs- bzw. Bindezusammensetzung mit einem geeigneten Widerstandsvariationsverhältnis innerhalb des obigen Basisbereiches auszuwählen.
Der zweite Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt eine Zusammensetzung zur Verwendung in dem oben beschriebenen elektrischen Verbindungsverfahren bereit, ausgeführt z. B. mit Keramiken, wie z. B. Oxiden oder Siliziumnitrid, welche Zusammensetzung überlegen sein kann in der Reproduzierbarkeit und beim stabilen Bilden von Verbindungen bzw. Übergängen und mit einer praktisch verwendbaren Verbindungsstärke bzw. -festigkeit bei einer hohen Temperatur bereitgestellt ist.
Eine Verbindungszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt als ein Fluoridadditiv das seltene Erden-Elementfluorid ScF&sub3; oder YF&sub3;. Dies kann höhere Stärken bzw. Festigkeiten bei einer hohen Temperatur erreichen. Die Zusammensetzung enthält bevorzugt das seltene Erden-Element-Fluorid bei einer Konzentration von mehr als 15 Gew.-%, wobei der Rest aus zumindest einem Element ist, ausgewählt von der Gruppe, bestehend aus Al&sub2;O&sub3; und SiO&sub2;.
Der Grund für die Beschränkung der Fluoridkonzentration auf mehr als 15 Gew.-% besteht darin, daß die Verbindungszusammensetzung mit dem seltenen Erden-Elementfluorid bei weniger als 15 Gew.-% einen hohen elektrischen Widerstand aufweist und es dem elektrischen Strom nicht ermöglicht, zu fließen. Selbst wenn der elektrische Strom fließt, ist die Bildung der Joulschen Wärme nicht gleichförmig. Dementsprechend verbleiben manchmal nicht-schmelzende Teile, wodurch schlechte Eigenschaften resultieren.
Das Al&sub2;O&sub3; und/oder SiO&sub2; verbessert die Benetzbarkeit bezüglich der zu verbindenen Keramiken beim Schmelzen und resultiert in einer überlegenen Verbindung bzw. Verklebung bzw. einem verbesserten Übergang.
Die Zusammensetzung von etwa 100 Gew.-% von seltenen Erden-Element- Fluorid ScF&sub3; oder YF&sub3; kann eine verbesserte Verbindung erreichen. Der Grund besteht darin, daß wenn Si&sub3;N&sub4; Keramiken durch diese Verbindungszusammensetzung verbunden werden, die Zusammensetzung SiO&sub2; anfängt, erzeugt durch eine Oxidationsreaktion des Mutter- bzw. Hauptmateriales und der Komponenten der Sinter-Hilfsstoffe für das Mutter- bzw. Hauptmaterial, und somit wird die Benetzbarkeit bzw. Befeuchtbarkeit verbessert.
Die Verbindung, erreicht durch die Verbindungszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung, verfügt über verbesserte Verbindungsstärke bzw. -festigkeit, insbesondere Stärke bzw. Festigkeit bei einer hohen Temperatur, und über verbesserten Korrosionswiderstand aus dem folgenden Grund: Wenn ein Vergleich zwischen den III A-Gruppenelementen (wie z. B. Y und Sc) durchgeführt wird, erhalten von den seltenen Erden-Elementfluoriden ScF&sub3; oder YF&sub3; mit den Elementen Ca oder Na, erhalten aus CaF&sub2; oder NaF, so zerstört das Sc³&spplus;-Ion, Y³&spplus;-Ion, Ca²&spplus;-Ion oder Na&spplus;-Ion die Si-O-Netzwerkstruktur der Verbindungslage und tritt in die Netzwerk- bzw. Gitterstruktur als ein Glas modifizierendes Ion. Das Glas mit Sc³&spplus; oder Y³&spplus;-Ion darin inkorporiert ist überlegen bezüglich verschiedener Eigenschaften gegenüber dem Glas mit Ca²&spplus; oder Na&spplus;-Ion darin inkorporiert.
Die höhere Verbindungsstärke bzw. -festigkeit resultiert aus der höheren Packdichte des Glases bei der Verbindungslage, wodurch das Spannungsverhältnis des Glases geringer ist, um das Young'sche Modul zu verbessern. Ferner resultiert die höhere Stärke bzw. Festigkeit bei höherer Temperatur aus dem Grund, daß Sc³&spplus; oder Y³&spplus;-Ion eine stärkere Bindungskraft bezüglich Sauerstoff aufweist und verbessert die Erweichungstemperatur, d. h. die Viskosität bei einer hohen Temperatur.
Nachfolgend wird die Beschreibung auf einen Grund gerichtet, warum die Verbindungszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung den Korrosionswiderstand entgegen einer Säure und einer Base verbessert bzw. erhöht. Korrosion durch eine saure Lösung wird durch Austausch zwischen H&spplus;-Ion oder H&sub3;O&spplus;- Ion in der korrosiven Lösung und der Veränderung von Ionen in dem Glasnetzwerk bzw. -gitter durchgeführt. Das Sc³&spplus;-Ion oder Y³&spplus;-Ion verfügt über eine stärkere Bindungs- bzw. Binde- bzw. Bondstärke bzw. -kraft bezüglich Sauerstoff als das Ca²&spplus;-Ion oder das Na&spplus;-Ion, wodurch das erstere schwieriger auszutauschen ist mit einem H&spplus;-Ion oder H&sub3;O&spplus;-Ion. Dies resultiert in einer Verbesserung bezüglich des Korrosionswiderstandes. Korrosion bezüglich einer alkalischen bzw. basischen Lösung erfolgt durch Zerstörung der Bindung Si-O in dem Netzwerk bzw. -gitter in dem Glas mit einem OH&supmin;-Ion in der Korrosionslösung. Glas mit einem Sc³&spplus;-Ion oder Y³&spplus;-Ion darin inkorporiert verfügt über eine erhöhte Packungsdichte, die Diffusion von dem OH&supmin;-Ion einschränkend und den Korrosionswiderstand verbessernd.
Eine Verbindungszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung kann als eine elektrisch leitende bzw. leitfähige Komponente ein Oxid, insbesondere ein Alkali-Erdenmetalloxid, wie z. B. CaO oder MgO umfassen. Andere Komponenten der Zusammensetzung können Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, Y&sub2;O&sub3; und/oder Si&sub3;N&sub4; umfassen.
Eine CaO-basierte Zusammensetzung umfaßt bevorzugt 15 bis 50 Gew.-% von CaO. Der Mischungsverhältnisbereich und die Funktion des Rest-Al&sub2;O&sub3;,-SiO&sub2;, -Y&sub2;O&sub3;, -Si&sub3;N&sub4; sind wie folgt.
Die Verwendung von Aluminiumoxid resultiert in der folgenden Funktion: Al, inkorporiert mit Ca in der Verbindungslage, unterdrückt die Wirkung von Ca bei einer hohen Temperatur, bedingt durch 4-fache Koordination von Al, und erhöht somit die Viskosität (Erweichungstemperatur) der Verbindungslage zum Anheben der Verbindungsstärke bzw. -festigkeit bei einer hohen Temperatur.
Der Konzentrationsbereich von Al&sub2;O&sub3; ist bevorzugt mehr als 10 Gew.-%. Ein Gehalt von weniger als 10 Gew.-% kann nicht die obige Funktion erreichen und schwächt die Verbindungsstärke bzw. -festigkeit bei einer hohen Temperatur.
Der Zusatz von Silika ist vorgesehen, um die Benetzbarkeit der Keramiken zu unterstützen und erhöht die Verbindungsstärke bzw. -festigkeit bei Raumtemperatur und bei einer hohen Temperatur, im Vergleich mit einer Zusammensetzung, welche lediglich Al&sub2;O&sub3; inkorporiert aufweist. Das Zusetzen von SiO&sub2; kann ebenfalls eine geringere CaO-Konzentration kompensieren.
Y&sub2;O&sub3;, wenn inkorporiert, tritt in die Netzwerk- bzw. -gitterstruktur von Silika (Silikaglas) an der Übergangs- bzw. Verbindungslage und erhöht den Elastizitätskoeffizienten bei der Verbindungslage. Als ein Ergebnis erhöht eine Verbindungszusammensetzung mit Y&sub2;O&sub3; darin inkorporiert die Verbindungsstärke bzw. - festigkeit. Ein höheres Ausmaß an Y&sub2;O&sub3; resultiert jedoch nicht immer in einer höheren Festigkeit der Verbindungslage. Ein Überschuß an Y-Element tritt in die Verbindungslage (Silikaglas) und zerstört die Gitter- bzw. Netzwerkstruktur des Silikats, wobei die Erweichungstemperatur abgesenkt wird, was in einer Absenkung der Verbindungsstärke bzw. -festigkeit bei einer hohen Temperatur resultiert. Das Zusatz-Y-Element wirkt mit den anderen Komponenten der Verbindungszusammensetzung, um die Verbindungsstärke bzw. -festigkeit zu bestimmen, jedoch kann ein Anstieg der Verbindungsteilfestigkeit durch einen Zusatz von Y&sub2;O&sub3; von 10 bis 55 Gew.-% erreicht werden.
Das Zusetzen von Si&sub3;N&sub4; gestaltet die Verbindungs- bzw. Übergangslage oxynitridisch und verändert den thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe zu jenem des Haupt- bzw. Muttermateriales und erhöht den Elastizitätskoeffizienten. Ferner wird die Erweichungstemperatur ebenfalls angehoben und entsprechend steigt die Stärke bzw. Festigkeit der Verbindungslage bei Raumtemperatur und bei einer hohen Temperatur an. Als ein Ergebnis verfügt eine Verbindungszusammensetzung mit zusätzlichem Si&sub3;N&sub4; über eine erhöhte Verbindungsstärke bzw. -festigkeit bezüglich einer ohne den Zusatzstoff. Ein Anstieg oder eine Absenkung bezüglich dem Ausmaß des Zusatzstoffes Si&sub3;N&sub4; steht nicht in regelmäßigem Bezug mit dem Anstieg oder der Absenkung der Verbindungsstärke. Ein Überschuß an Si&sub3;N&sub4; gestaltet den elektrischen Stromfluß schwach, was in einer schwachen Verbindungslage resultiert, dadurch bedingt, daß man glaubt, daß Si&sub3;N&sub4; sehr stabil ist. Aus Experimenten erscheint der Gehalt an Si&sub3;N&sub4; als erforderlich zwischen 15 und 45 Gew.-% liegend, um die gewünschte Wirkung zu erhalten.
Eine MgO-basierte Zusammensetzung umfaßt bevorzugt 10 bis 45 Gew.-% an MgO. Der Mischungsverhältnisbereich und die Funktion von verbleibendem Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, Y&sub2;O&sub3;, Si&sub3;N&sub4; sind ähnlich wie jene bei dem CaO-System.
Die MgO-basierte Zusammensetzung kann bezüglich der Stärke bzw. Festigkeit bei einer hohen Temperatur durch Zusetzen eines Transitions- bzw. Übergangsmetalloxides, wie z. B. NiO, MnO, ZrO&sub2;, ZnO oder TiO&sub2; verbessert werden, und zwar bei einem gewünschten Verhältnis.
Beispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten illustrativen Zeichnungen beschrieben, in welchen gilt:
Fig. 1 ist ein Kurvenverlauf, die Zeitvariation des elektrischen Widerstandes einer Verbindungszusammensetzung zur Verwendung in einem elektrischen Verbindungsverfahren zeigend.
Fig. 2 ist ein Schaltdiagramm einer Verbindungsvorrichtung, geeignet zur Verwendung bei dem elektrischen Verbindungsverfahren gemäß der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist ein Block- bzw. Schaltdiagramm einer elektrischen Verbindungsvorrichtung gezeigt, zur Verwendung bei einer Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung umfaßt eine obere Probenhalteeinrichtung (3a) und eine untere Probenhalteeinrichtung (3b), eine Druck- bzw. Druckbeaufschlagungs- und Positioniersteuereinrichtung (10), Gasflammenöffnungen zur Vorerwärmung (6a und 6b), Elektroden (4a und 4b), eine Elektrodenbewegungseinrichtung (5a und 5b), eine elektrische Stromquelle zur Erwärmung (8) und verschiedene Meßausstattungen, wie z. B. Voltmeter, Amperemeter oder Pyrometer (9). Die Elektroden sind aus Wolfram hergestellt und liegen in Streben- oder Plattenform vor. Die elektrische Leistungs- bzw. Stromquelle ist eine Hochspannungsstromquelle mit einer Abfallcharakteristik oder eine Hochspannungsstromquelle mit Konstantstrom oder Konstantspannung und kann den fließenden Strom oder die elektrische Leistung in einer manuellen oder automatischen Weise steuern bzw. regeln.
Klotzförmige Keramikkörper werden zur Bewertung von Verbindungsstärken bzw. -festigkeiten verwendet und weisen Abmessungen von 15 mm · 15 mm · 20 mm auf (die zu verbindende Ebene beträgt 15 mm · 15 mm). Die Rauhigkeit der zu verbindenden Ebene ist auf weniger als 2 um mit Rmax eingestellt. Die verwendete Verbindungszusammensetzung ist eine Mischung aus verschiedenen Pulvern bei einem gegebenen Mischungsverhältnis und liegt in Pastenform vor, inkorporiert mit einem organischen Bindemittel, gelöst in einem Lösungsmittel, wie z. B. Aceton oder Toluen. Das elektrische Verbindungs- bzw. Verklebungs- bzw. Bondierverfahren kann als Basisverfahren die folgenden Schritte umfassen: Anbringen der Verbindungszusammensetzung in einer Pastenform gleichförmig auf eine Fläche bzw. Oberfläche eines jeden zu verbindenden Keramikkörpers, und zwar durch ein Siebdruckverfahren; Kombinieren bzw. Inverbindungbringen der Keramikkörper an der zu verbindenden Fläche und Einstellen bzw. Setzen der kombinierten Keramik in eine Halteklemmeinrichtung bzw. einen Halteschraubstock; Vorerwärmen des zu verbindenden Abschnittes auf eine gegebene Tempe ratur mit einer Propangasflamme; Anlegen einer elektrischen Spannung über die Elektroden, nachdem die Temperatur den gegebenen Wert erreicht hat, um es somit elektrischem Strom zu erlauben, durch die Verbindungszusammensetzung zu fließen; Bewegen von stab- bzw. streben- bzw. balkenförmigen Elektroden, hin und her entlang den zu verbindenden Ebenen (wenn die Elektroden in Plattenform vorliegen, sind diese in Berührung bzw. Kontakt vorgesehen bezüglich der zu verbindenden Ebenen, wobei der elektrische Strom durch die Gesamtheit der zu verbindenden Ebenen fließt); Erwärmen der Verbindungszusammensetzung auf eine gegebene Temperatur bei einer gegebenen Erwärmungs- bzw. Erhitzungsrate, während der elektrische Strom oder die elektrische Leistung gesteuert bzw. geregelt wird; Schmelzen der Verbindungszusammensetzung; Durchführen der Reaktion zwischen den zu verbindenden Keramikkörpern und der Verbindungszusammensetzung; und nachfolgend Abkühlen auf Raumtemperatur bei einer gegebenen Kühlrate, wobei die Keramikkörper nun verklebt bzw. verbunden miteinander sind über die geschmolzene Verbindungszusammensetzung, um die Verbindung bzw. Verklebung zu beenden. Sämtliche Schritte werden unter Luft durchgeführt. Ein Testteil für den Stärke- bzw. Festigkeittest (Biegetest) verfügt über Abmessungen von 3 mm · 4 mm · 40 mm (JIS-Größe) und ist erhalten durch Schneiden der verbundenen bzw. verklebten Keramikkörper (15 mm · 15 mm · 40 mm) durch den Verbindungsteil.

Verbindungszusammensetzungen mit seltenen Erden-Element-Fluoriden

AUSFÜHRUNGSFORM 1

Die Verbindungszusammensetzung wird verwendet als eine Mischung von 60 Gew.-% an YF&sub3;, 20 Gew.-% an Al&sub2;O&sub3; und 20 Gew.-% an SiO&sub2; und in Pastenform inkorporiert mit einem organischen Bindemittel, gelöst in einem Lösungsmittel, wie z. B. Aceton oder Toluen. Ein Testteil für den Stärke- bzw. Festigkeitstest wird aus einem verbundenen bzw. verklebten Siliciumnitrid-Keramikkörper hergestellt, erhalten durch Verbinden bzw. Verkleben eines Paares von Siliciumnitrid-Keramikquaderstreben bei einer Größe von 15 mm · 15 mm · 20 mm mit der Verbindungszusammensetzung bei einer Menge bzw. einem Ausmaß von 50 mg/cm². Die Siliciumnitrid-Keramikkörper mit der Verbindungszusammensetzung werden durch einen elektrischen Strom von 0,6 bis 1,0 A für 5 bis 10 Minuten erwärmt, während die Elektrode bei einer Rate bzw. Geschwindigkeit von 5 cm/Min. bewegt wird.
Eine keramische, Quader-Strebenprobe bei einer Größe von 3 mm · 4 mm · 40 mm wird durch Schneiden bzw. Zerschneiden der verbundenen Keramikkörper erhalten. Der Stärke- bzw. Festigkeitstest wird durchgeführt mit dem Testteil unter der folgenden Bedingung bei Verwendung eines Drei-Punkt-Biegetestes: Die untere Spanne beträgt 30 mm, wobei die Kreuzkopfgeschwindigkeit 0,5 mm/Min. beträgt. Das Testergebnis ist durch den Mittelwert MPa (Megapascal) dargestellt, erhalten mit den drei Testteilen bzw. -stücken. Die resultierende Stärke begträgt 420 MPa bei Raumtemperatur und wird nahezu bei 420 MPa beibehalten bei 1.050ºC, wie in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 Einheit MPa

Ausführungsform 2

Die hierin verwendete Verbindungszusammensetzung ist eine Mischung von 50 Gew.-% ScF&sub3;, 25 Gew.-% von Al&sub2;O&sub3; und 25 Gew.-% von SiO&sub2;, wobei das resultierende Verbindungsteil dem Stärke- bzw. Festigkeitstest in einer ähnlichen Weise wie in der ersten Ausführungsform unterworfen wird. Wie es in Tabelle 2 dargestellt ist, zeigt das Ergebnis eine Festigkeit von 416 MPa, welche aufrechterhalten wird bis zu 1.050ºC. Tabelle 2 Einheit MPa
Die Verbindungszusammensetzung der obigen Ausführungsform wurde an Siliciumnitridkeramiken angewendet mit einem hohen Wärmewiderstand. Jedoch sind die Verbindungs- bzw. Verklebungszusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls auf Oxidkeramiken anwendbar, wie z. B. Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; und Nicht-Oxid-Keramiken, wie z. B. Sialon-Keramik.
Ferner können die Verbindungszusammensetzungen gemäß der Erfindung unter Verwendung eines Verbundes von Aluminium und Silika hergestellt werden, wie z. B. Kaolinit (Al&sub2;O&sub3;, 2 SiO&sub2;, 2 H&sub2;O) oder Mullit (3 Al&sub2;O&sub3;, 2 SiO&sub2;) anstelle einer Mischung von individuellem Aluminiumoxid und Silika.
Um den Verbindungszusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung einen weiteren Effekt oder eine verbesserte Wirkung zu verleihen, ist es möglich, verschiedene Zusatzstoffe neben dem seltenen Erden-Metall-Fluorid Al&sub2;O&sub3; und SiO&sub2; vorzusehen. Beispielhaft können die Zusammensetzungen ein Nitrid enthalten, wie z. B. Si&sub3;N&sub4; oder AlN und/oder ein Carbid, wie z. B. SiC oder TiC, darin inkorporiert, um N oder C in dem Glas der Verbindungslage zu enthalten. Verschiedene Eigenschaften der Verbindungs- bzw. Verklebungs- bzw. Übergangslage werden durch die Ausbildung von Oxynitrid-Glas oder Oxycarbid-Glas verbessert.
In solch einer Weise können die Verbindungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung als einen Hauptbestandteil ein Fluorid aus einer Gruppe IIIA- Elementen und Al&sub2;O&sub3; und/oder SiO&sub2; umfassen und eine Verbindung mit einer stabilen Stärke bzw. Festigkeit erreichen, praktisch verwendbar bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen, überlegen bezüglich Korrosionswiderstand entgegen sauren und basischen Lösungen.
Die Verbindungszusammensetzungen, gezeigt in den Beispielen, umfassen als elektrisch leitende bzw. leitfähige Komponente eine Art an Material. Jedoch ist es möglich, zwei oder mehrere Arten an elektrisch leitenden Materialien zu verwenden.
In den obigen Ausführungsformen wird das elektrische Verbindungsverfahren mit den erfindungsgemäßen Verbindungszusammensetzungen in Luft durchgeführt, könnte jedoch ebenfalls unter Inertgas, wie z. B. Ar-Gas oder in N&sub2;-Gas, durchgeführt werden.
Der Effekt der erfindungsgemäßen Verbindungszusammensetzungen wird durch ein elektrisches Basisverbindungsverfahren bestätigt. Die Verbindungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung sind für verbesserte Verbindungsverfahren anwendbar, welche in der JP-A-4-242636 beschrieben sind, und zielen auf eine Verbindung von relativ großen und langen Keramikkörpern ab.

Claims

1. Verbindungsverfahren zum Verbinden von Keramikkörpern, umfassend:

- Bereitstellen einer Verbindungszusammensetzung, umfassend:

(a) eine elektrisch leitende Komponente, wirksam zum Bereitstellen einer elektrischen Leitfähigkeit für die Zusammensetzung, wenn ein elektrischer Strom angelegt oder zugeführt wird; und

(b) eine Verbindungskomponente zum Bereitstellen einer wirksamen Benetzbarkeit der Keramikkörper im geschmolzenen Zustand des Verbindungs- bzw. Bindemittels, sowie einer wirksamen Verbindungsstärke in dem verfestigten Zustand;

- Vorerwärmen der Zusammensetzung;

- Veranlassen eines elektrischen Stromflusses in der Zusammensetzung zum Schmelzen der Zusammensetzung; und

- Kühlen der Zusammensetzung zum Bilden einer Verbindung zwischen den Keramikkörpern;

dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Komponente ein Ionenleiter ist, welcher umfaßt YF&sub3; oder ScF&sub3; und optional ein Chlorid oder ein Oxid und ausgewählt ist, um Trägerionen während der Vorerwärmung, welche das Verbindungs- bzw. Bindemittel mit einer elektrischen Leitfähigkeit bereitstellt, die höher ist als jene der Keramikkörper, wenn der elektrische Strom zugeführt wird, wobei die elektrisch leitende Komponente und die Verbindungskomponente in wirksamen Mengen derart ausgewählt sind, daß der elektrische Widerstand der Verbindungszusammensetzung graduell im geschmolzenen Zustand zunimmt durch Absenkung der Dichte oder der Beweglichkeit der Trägerionen.

2. Verbindungsverfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Verbindungszusammensetzung umfaßt, als Hauptkomponente, mehr als 15 Gew.-% von zumindest einer Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus ScF&sub3; und YF&sub3;, wobei der Rest zumindest eine Verbindung umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al&sub2;, O&sub3; und SiO&sub2;.

3. Verbindungszusammensetzung zur Verwendung beim Verbinden bzw. Verkleben von Keramikkörpern durch ein elektrisches Verbindungsverfahren, umfassend:

eine Zusammensetzung aus:

(a) einer elektrisch leitenden Komponente, wirksam, um der Zusammensetzung eine elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, wenn elektrischer Strom zugeführt wird; und

(b) eine Verbindungskomponente zum Bereitstellen einer wirksamen Benetzbarkeit der Keramikkörper, im geschmolzenen Zustand des Verbindungs- bzw. Bindemittels, und einer wirksamen Verbindungsstärke bzw. -Festigkeit in dem verfestigten Zustand;

dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Komponente ein Ionenleiter ist, umfassend YF&sub3; oder ScF&sub3; und optional ein Chlorid oder ein Oxid und ausgewählt ist zum Bilden von Trägerionen während einer Vorerwärmung, der Verbindungszusammensetzung eine elektrische Leitfähigkeit verleihend, die höher ist als jene der Keramikkörper, wenn elektrischer Strom zugeführt wird, wobei die elektrisch leitende Komponente und die Verbindungskomponente in wirksamen Mengen derart ausgewählt sind, daß der elektrische Widerstand der Verbindungszusammensetzung graduell im geschmolzenen Zustand zunimmt durch Absenkung der Dichte oder der Beweglichkeit bzw. Mobilität der Trägerionen.

4. Verbindungszusammensetzung nach Anspruch 3, welche umfaßt, als Hauptkomponente, mehr als 15 Gew.-% von zumindest einer Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus ScF&sub3; und YF&sub3;, wobei der Rest zumindest eine Verbindung umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al&sub2;, O&sub3; und SiO&sub2;.