JP2008050647A - Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合層の欠陥がなく信頼性の高いＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体を提供する。
【解決手段】 複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料用のプリフォームを作製する工程と、前記プリフォームのＳｉＣの含有率との差異が５％以内であるＳｉＣを含有する水ガラス系バインダーを調整する工程と、前記水ガラス系バインダーを前記プリフォームの接合面に塗布して複数のプリフォーム同士を接着する工程と、前記複数のプリフォーム同士を接着させたものを加熱処理する工程と、前記加熱処理した複数のプリフォームに溶融Ａｌを窒素雰囲気中で非加圧で含浸させて複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料同士を接合層を介して一体化させて接合させる工程と、を含むことを特徴とするＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体及びその製造方法に関するもので、さらに詳しくは、ＳｉＣを含有する水ガラス系バインダーを用いてプリフォームを接着したものに溶融Ａｌを含浸させて製造したＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体及びその製造方法に関するものである。

近年、半導体製造装置や液晶製造装置向け等の精密機械部品に要求される構成部品の寸法が年々大きくなり、現在では１辺が２ｍを超える平板状の大型部品で、かつ軽量で高剛性な構成部品を製造する技術が求められている。
例えば、液晶製造装置用の部品にはアルミニウム材料または鉄鋼材料が多く用いられてきたが、アルミニウム材料では剛性が小さすぎるし、鉄鋼材料では質量が重いという課題から、最近では軽量で高剛性な金属−セラミックス複合材料が注目されるようになってきている。

大型の金属−セラミックス複合材料は米国ランキサイド社が開発した非加圧金属浸透法（所謂、Ｐｒｉｍｅｘ法）により作製可能であるが、非加圧金属浸透法にて金属−セラミックス複合材料の大型品を作製するためには大型のプリフォームが必要とされる。しかしながら、プリフォームはバインダーが硬化する程度の熱を加えながら荷重をかける熱プレス法で成形しているために、大型のプリフォームを作製するためには大掛かりな装置が必要であった。このため、部品寸法の大型化に生産性良く対応することができないという課題があった。

そこで、本発明者らは、複数個のプリフォームを作製し、それらを所望の形状に組み上
げて大型にした後に、溶融したアルミニウム合金を窒素中非加圧で浸透させる金属−セラ
ミックス複合材料の製造方法を提案している。
特開２００１−１２３２３４号公報

上記した方法では、複数個のプリフォームの表面を単に接触させて組み上げているため、溶融アルミニウムの浸透時にプリフームのズレが発生して精密な寸法精度が得られないという課題を有していた。さらには、接合層の溶融金属の浸透不良による欠陥や、金属−セラミックス複合材料と接合層とのセラミックス含有量の差異から加熱サイクルによりクラックが発生するという信頼性の面での問題点も有していた。

本発明者らは前記の課題を解決するために鋭意検討を行い、接合層の欠陥がなく信頼性の高いＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体およびその製造方法を提供することを目的としている。

上記した本発明の目的は、下記した手段によって解決することができる。
（１）複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料が接合層を介して一体化されたＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体であって、前記接合層のＳｉＣの含有率と、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のＳｉＣの含有率との差異が５％以内であることを特徴とするＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体。

（２）複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料用のプリフォームを作製する工程と、前記プリフォームのＳｉＣの含有率との差異が５％以内であるＳｉＣを含有する水ガラス系バインダーを調整する工程と、前記水ガラス系バインダーを前記プリフォームの接合面に塗布して複数のプリフォーム同士を接着する工程と、前記複数のプリフォーム同士を接着させたものを加熱処理する工程と、前記加熱処理した複数のプリフォームに溶融Ａｌを窒素雰囲気中で非加圧で含浸させて複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料同士を接合層を介して一体化させて接合させる工程と、を含むことを特徴とするＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法。

本発明によれば、接合層の欠陥がないために信頼性の高いＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体を提供できる効果がある。

図１に本発明のＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体を説明するための模式的断面図を示した。
図１に示すように、本発明に係るAl−ＳｉＣ複合材料接合体は、複数（図１では２個）のＡｌ−ＳｉＣ複合材料１が接合層２を介して一体化された構造となっている。
なお、ここでは、接合層は拡大化されて図示されているが、実際の接合層の厚みとしては、厚くても１０ｍｍ以下である。

本発明では、複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料が接合層を介して一体化されたAl−ＳｉＣ複合材料接合体であって、前記接合層のＳｉＣの含有率と、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のＳｉＣの含有率と、の差異が５％以内であることを特徴とするＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体を提案している。

ここで、接合層のＳｉＣの含有率と、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のＳｉＣの含有率と、の差異が５％以内とした理由は、この差異が５％を超えて大きいと、接合層とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との熱膨張の差が大きくなり、加熱サイクルにより接合層にクラックが発生して接合体の強度が低下するため好ましくないからである。

ここで、接合層のＳｉＣの含有率と、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のＳｉＣの含有率と、の差異とは、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のＳｉＣの含有率を基準として、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のＳｉＣの含有率がＡ体積％、接合層のＳｉＣの含有率がＢ体積％である場合は、ＢとＡの差の絶対値をＡで除した値に１００を掛けて％表示したものと定義する。

以上説明したように、接合層とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との熱膨張の差をなくすためには、接合層のＳｉＣの含有率と、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のＳｉＣの含有率と、の差異が０％（即ち、差異がなく同じである。）ことが、特に好ましい。

次に、本発明において、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料を提案する理由は、前記したように軽量で、かつ、高剛性であるため半導体製造装置用の部材として好適に用いることができるからである。特に、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料は、熱膨張係数が小さく、熱伝導率も良いので、温度上昇の幾何精度への影響を大幅に低減できるものである。
ここで、セラミックス強化材としてのＳｉＣ含有率が３０〜８０体積％であるこが好ましい。その理由は、ＳｉＣの含有率が３０体積％より少ないとプリフォームの強度が弱くなるため保形性に問題があり、逆に、ＳｉＣの含有率が８０体積％より多いと複合材料自体の作製が困難となるからである。

次に、本発明では、複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料用のプリフォームを作製する工程と、前記プリフォームのＳｉＣの含有率との差異が５％以内であるＳｉＣを含有する水ガラス系バインダーを調整する工程と、前記水ガラス系バインダーを前記プリフォームの接合面に塗布して複数のプリフォーム同士を接着する工程と、前記複数のプリフォーム同士を接着させたものを加熱処理する工程と、前記加熱処理した複数のプリフォームに溶融Alを窒素雰囲気中で非加圧で含浸させて複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料同士を接合層を介して一体化させて接合させる工程と、を含むことを特徴とするＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法を提案している。

本発明のＡｌ−ＳｉＣ複合材料用のプリフォームを作製する工程としては、公知の方法が適用できる。即ち、先ず、所定の充填状態が得られるように粒度を調製したＳｉＣ粉末および／または繊維に分散剤やバインダー等を混合し、この混合物を鋳込み成形、加圧成形など種々の方法で所望のＳｉＣ含有率を有する成形体を得る。
次に、得られた成形体をバインダーが硬化して強度を発現する温度で焼成することにより、本発明のＡｌ−ＳｉＣ複合材料用プリフォームを得る。

次に、前記プリフォームのＳｉＣの含有率との差異が５％以内であるＳｉＣを含有する水ガラス系バインダーを調整する。ここで、ＳｉＣの含有率との差異を５％以内とする理由は、前記したように、ＳｉＣの含有率との差異が５％を超えて大きいと、接合層とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との熱膨張の差が大きくなり、加熱サイクルにより接合層にクラックが発生して接合体の強度が低下するため好ましくないからである。（ここで、プリフォームのＳｉＣの含有率と、プリフームにＡｌを浸透させた複合材料のＳｉＣの含有率とは、略同等であることが知られている。）

ここで、バインダーとして水ガラス系バインダーを選定した理由は、水ガラスは２００〜３００℃の低温で硬化し、大型形状でもハンドリングに十分な強度を発現するからである。

また、水ガラス系バインダーのＳｉＣの含有率を所定の値に調整するためには、異なる粒度分布を有する複数のＳｉＣ粉末を混ぜて用いることが好ましい。例えば、市販の信濃電気製錬社製のＳｉＣ粉末(品番：♯１８０、平均粒径７０μｍ)やＳｉＣ粉末(品番：♯８００、平均粒径１４μｍ)などを用いることができる。

次に、本発明では、前記水ガラス系バインダーを前記プリフォームの接合面に塗布して複数のプリフォーム同士を接着する工程と、前記複数のプリフォーム同士を接着させたものを加熱処理する工程を提案している。

ここで、バインダーをプリフォームの接合面に塗布してプリフォーム同士を接着した後に、加熱処理する理由は、バインダーを加熱処理により硬化させてプリフォーム同士の接着強度を増加することにより、ハンドリング性を良好となすためだけでなく、溶融金属が含浸する時にズレが発生して精密な寸法精度が得られないという課題を解決するためである。

次に、本発明では、前記加熱処理した複数のプリフォームに溶融Ａｌを窒素雰囲気中で非加圧で含浸させて複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料同士を接合層を介して一体化させて接合させる工程と、を含むことを特徴とするＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法を提案している。ここで、Ａｌを非加圧で浸透して複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料同士を、接合層を介して一体化する方法としては、ランキサイド社が開発した非加圧金属浸透法（所謂、Ｐｒｉｍｅｘ法）を適用できる。

以下に、実施例と比較例により本発明を詳細に説明する。
（１）プリフォームの作製
強化材としては、市販の信濃電気製錬社製のＳｉＣ粉末(配合質量比；品番＃１８０：品番＃７００＝７０：３０)を用い、強化材ＳｉＣ１００重量部に対して、市販の日産化学社製の粉末水ガラス（商品名：シルボン１３０）１０重量部を添加して、５００×１００×１０ｍｍの形状に成形した成形体を複数個用意した。
得られた成形体を、大気中で７００℃に加熱してＳｉＣの含有率が６５体積％となるプリフォームを作製した。

（２）水ガラス系バインダーの調整
水ガラスとしては、市販の東曹産業社製のJIS３号珪酸ソーダを用いた。これに、市販の信濃電気製錬社製のＳｉＣ粉末(品番：＃１８０、平均粒径７０μｍ)とＳｉＣ粉末(品番：♯８００、平均粒径１４μｍ)とを所定量混合して配合して、表１に示すようなＳｉＣ含有率となる水ガラス系バインダーを調整した。

（３）プリフォームの接着とバインダーの加熱硬化
表１に示した水ガラス系バインダーを２個のプリフォームの接合面（５００×１０ｍｍの端面）に塗布してプリフォーム同士を接着し、次に、２５０℃で加熱硬化させた。

（４）Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の作製
次に、Ａｌ合金（ＪＩＳ Ｈ ５２０２, ＡＣ８Ａ）を当該プリフォームとともに炉内に設置し、窒素雰囲気中で800℃に加熱してＡｌ合金を溶融して、プリフォームにＡｌ合金を含浸させた。その際、接合層にも、プリフォームと同様にＡｌ合金が含浸し、本発明に係る複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料が接合層を介してズレることなく一体化されたＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体を得た。

（５）加熱サイクル試験
このようにして得られたＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体を電気炉内に設置し、室温から４００℃の間で加熱サイクル試験を１００回行った。加熱サイクル試験後の接合層の状況を目視観察した結果を表１にまとめて示した。

表１に示したように本発明の実施例である実施例１〜３は、１００回の加熱サイクル試験後も接合層には亀裂が認められなかった。
一方、比較例１では、加熱サイクル試験後の接合層には、多数の亀裂が発生していた。また、比較例２では、接合層の破断が生じてＡｌ−ＳｉＣ複合材料同士が分断された。
バインダーにＳｉＣ粉末を含有させなかった比較例３では、加熱試験前に既に接合層に亀裂が認められた。

以上説明したように、本発明によれば、加熱サイクル試験後においても接合層に亀裂が発生せず、信頼性の高いＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体が得られることが分かった。

本発明のAl−ＳｉＣ複合材料接合体を説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１；Ａｌ−ＳｉＣ複合材料
２； 接合層

Claims (2)

1. 複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料が接合層を介して一体化されたＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体であって、前記接合層のＳｉＣの含有率と、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のＳｉＣの含有率との差異が５％以内であることを特徴とするＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体。
2. 複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料用のプリフォームを作製する工程と、前記プリフォームのＳｉＣの含有率との差異が５％以内であるＳｉＣを含有する水ガラス系バインダーを調整する工程と、前記水ガラス系バインダーを前記プリフォームの接合面に塗布して複数のプリフォーム同士を接着する工程と、前記複数のプリフォーム同士を接着させたものを加熱処理する工程と、前記加熱処理した複数のプリフォームに溶融Ａｌを窒素雰囲気中で非加圧で含浸させて複数のＡｌ−ＳｉＣ複合材料同士を接合層を介して一体化させて接合させる工程と、を含むことを特徴とするＡｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法。

Images