JP2009129636A - Functionally gradient material, method for the same, and bulb - Google Patents

Functionally gradient material, method for the same, and bulb Download PDF

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昭男 渡邊
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a functionally gradient material strengthening connection between respective layers by uniformly and sufficiently melting/sintering silicon oxide in each layer from an insulating layer to a conductive layer. <P>SOLUTION: The insulating layer 11 containing silicon oxide of an insulating substance as a main constituent, a conductive layer 12 with silicon oxide of an insulating substance and molybdenum or tungsten of a conductive substance mixed therein, and an intermediate layer 13 gradually changing a coefficient of thermal expansion by mixing silicon oxide of an insulating substance and molybdenum or tungsten of a conductive substance therein are integrally connected by using a discharge plasma sintering device. The density of the insulating layer 11 is set ≥95% of theoretical density. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、機能性傾斜材料、この機能性傾斜材料の製造方法およびこの機能性傾斜材料を封止手段として用いた管球に関する。   The present invention relates to a functionally gradient material, a method for producing the functionally gradient material, and a tube using the functionally gradient material as a sealing means.

従来のハロゲン電球や高圧放電ランプ等の石英ガラスからなる気密容器を備えた管球類には、Mo箔を封着金属箔として用いられているが、封着金属箔における許容電流値の限界やMo箔の酸化によるランプ短寿命などの理由から、封着金属箔に代えて放電プラズマ焼結法(SPS:Spark Plasma Sintering)を用いて形成された機能性傾斜材料を用いる試みがなされている。機能性傾斜材料は、絶縁層(封着層)から導電層まで共通に含まれているSiOを溶融・焼結することが可能で、層間の結合強度を強くすることが知れられている。(例えば、特許文献1)。
特開2007−112642公報
Mo tubes are used as sealing metal foils for tubes with airtight containers made of quartz glass, such as conventional halogen bulbs and high-pressure discharge lamps. Attempts have been made to use functionally graded materials formed by using a spark plasma sintering (SPS) method instead of the sealing metal foil for reasons such as lamp short life due to Mo foil oxidation. Functional gradient material is capable of melting and sintering the SiO 2 contained in common to the conductive layer from the insulating layer (sealing layer), are know to be strongly binding strength between the layers. (For example, patent document 1).
JP 2007-112642 A

上記した特許文献1の技術は、機能性傾斜材料の絶縁層から導電層までの各層に含まれるSiOを均一に溶融させることができず、実用に供する層間の結合強度が得られない。このためランプの封着部として使用した場合、ランプの筐体となる石英バルブと機能性傾斜材料の絶縁層間の気密が保たれるよう、バーナーやレーザーにより両者を加熱して、両者に含まれるSiOを溶融することで封着を行う必要がある。 The technique of Patent Document 1 described above cannot uniformly melt SiO 2 contained in each layer from the insulating layer to the conductive layer of the functionally graded material, and cannot obtain a bonding strength between layers for practical use. For this reason, when used as a lamp sealing part, both are heated by a burner or a laser so that the quartz bulb as the lamp housing and the insulating layer of the functionally gradient material are kept airtight. It is necessary to perform sealing by melting SiO 2 .

しかしながら、機能性封着材料の製造方法に起因する原因により、機能性封着材料が単品としては製造可能であっても、ランプ筐体である石英ガラス製のバルブと封着を行った場合は、絶縁層とバルブとの気密封着ができないという現象がしばしば発生していた。   However, even if the functional sealing material can be manufactured as a single product due to a cause caused by the manufacturing method of the functional sealing material, when sealing with a quartz glass bulb that is a lamp housing, In many cases, the insulating layer and the valve cannot be hermetically sealed.

この発明の目的は、絶縁層から導電層までの各層内のSiOを均一に十分な溶融・焼結することで、各層間の結合を強くさせることが可能な機能性傾斜材料、この機能性傾斜材料を用いた管球およびこの機能性傾斜材料の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a functionally graded material capable of strengthening the bonding between layers by uniformly melting and sintering SiO 2 in each layer from the insulating layer to the conductive layer, and this functionality. The object is to provide a tube using a gradient material and a method for producing the functional gradient material.

上記した課題を解決するために、この発明の機能性傾斜材料は、絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層と、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層と、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層と、を具備し、前記絶縁層の密度は、理論密度の95%以上であることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the functionally graded material of the present invention is a mixture of an insulating layer mainly composed of silicon oxide as an insulating substance and silicon oxide as an insulating substance and molybdenum or tungsten as a conductive substance. A conductive layer, and an intermediate layer in which the insulating material silicon oxide and the conductive material molybdenum or tungsten are mixed and the coefficient of thermal expansion is changed in stages, and the density of the insulating layer is 95 of the theoretical density. % Or more.

また、絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層と、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層と、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、該絶縁性物質および該導電性物質間を熱膨張率を段階的に変えた中間層と、を具備し、前記絶縁層に接する前記中間層の密度は、理論密度の95%以上であることを特徴とする。   Also, an insulating layer mainly composed of silicon oxide as an insulating material, a conductive layer in which silicon oxide as an insulating material and molybdenum or tungsten as a conductive material are mixed, silicon oxide as an insulating material and molybdenum as a conductive material Or an intermediate layer in which tungsten is mixed and the coefficient of thermal expansion is changed stepwise between the insulating material and the conductive material, and the density of the intermediate layer in contact with the insulating layer is 95 of the theoretical density. % Or more.

この発明によれば、結合された状態の絶縁層の密度は理論密度の95%以上、あるいは絶縁層に接する中間層の密度は理論密度の95%以上にしたことにより絶縁層、中間層、導電層の各層のSiOを均一に溶融、焼成することで各層間の結合の向上を図ることができる。 According to the present invention, the density of the bonded insulating layer is 95% or more of the theoretical density, or the density of the intermediate layer in contact with the insulating layer is 95% or more of the theoretical density. It is possible to improve the bonding between the layers by uniformly melting and baking the SiO 2 of each layer.

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、この発明の機能性傾斜材料に関する一実施形態について説明するための構成図である。   FIG. 1 is a configuration diagram for explaining an embodiment relating to the functionally gradient material of the present invention.

図1は機能性傾斜材料(FGM)の全体構成を示しており、機能性傾斜材料は、平均粒径5μmのSiOに平均粒径3μmのMoを混合させ、放電プラズマ焼結法(SPS法)作成したものである。図1において、11は絶縁性物質である100%のSiO(酸化ケイ素)で形成された絶縁性の絶縁層である。12はSiOおよび導電性物質のMo(モリブデン)またはW(タングステン)を混合した導電性の導電層である。 FIG. 1 shows the overall structure of a functionally graded material (FGM). In the functionally graded material, Mo 2 having an average particle size of 3 μm is mixed with SiO 2 having an average particle size of 5 μm, and a discharge plasma sintering method (SPS method) is used. ) Created. In FIG. 1, 11 is an insulating insulating layer formed of 100% SiO 2 (silicon oxide) which is an insulating material. A conductive conductive layer 12 is a mixture of SiO 2 and a conductive substance of Mo (molybdenum) or W (tungsten).

さらに、13はSiOとMoまたはWを混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層で、この中間層13は例えば131〜134の4層となっている。中間層131〜134は、SiO/Moの体積混合比を段階的に変化させ、結果熱膨張率を段階的に変化させている。中間層13は、導電層12よりも導電性物質の量が少なく、全体としては非導電性である。中間層13は目的に応じて層数を変えることができる。 Further, 13 is an intermediate layer in which SiO 2 and Mo or W are mixed and the coefficient of thermal expansion is changed stepwise. This intermediate layer 13 is composed of four layers 131 to 134, for example. The intermediate layers 131 to 134 change the volume mixing ratio of SiO 2 / Mo stepwise, and consequently change the coefficient of thermal expansion stepwise. The intermediate layer 13 is less conductive than the conductive layer 12 and is non-conductive as a whole. The number of layers of the intermediate layer 13 can be changed according to the purpose.

図1で説明した構成のサンプルを作成し、サンプルの各層の一部を切り出し、そのその体積と重量の比から層の密度を求めた。また、各層の比重σ(layer)は式(1)で定義されるため、得られた層の密度より式(1)を用いて、SiOとMoの体積混合比を求めることもできる。 A sample having the configuration described in FIG. 1 was prepared, a part of each layer of the sample was cut out, and the density of the layer was determined from the ratio of the volume and weight. Also, each layer having a specific gravity of sigma (layer) is to be defined by the formula (1), than the density of the resulting layer by using Equation (1), can also be determined the volume mixing ratio of SiO 2 and Mo.

σ(layer)=100/{a/σ(Mo)+b/σ(SiO)} … (1)
(但し、a+b=100)
式(1)で、σ(Mo)はMoの密度、σ(SiO)はSiOの密度で、それぞれ2.22g/cmおよび10.22g/cmを使用している。また、aはMoの体積、bはSiOの体積を示している。なお、層の切り出しは、MoがSiOに対して均一に分布している部分を選ぶのが好ましい。
σ (layer) = 100 / {a / σ (Mo) + b / σ (SiO 2 )} (1)
(However, a + b = 100)
In formula (1), σ (Mo) is used the density of Mo, sigma a (SiO 2) is a density of SiO 2, respectively 2.22 g / cm 3 and 10.22 g / cm 3. Further, a represents the volume of Mo, and b represents the volume of SiO 2 . In addition, it is preferable to select a portion where Mo is uniformly distributed with respect to SiO 2 for cutting out the layer.

図2を参照し、ランプ筐体である石英ガラス製のバルブに図1のFGMを封着材とした場合の概要について説明する。   With reference to FIG. 2, the outline in the case where the FGM of FIG. 1 is used as a sealing material for a quartz glass bulb as a lamp housing will be described.

絶縁層11の長さは、約10mmとした。バルブ21は厚みが1mmのものを使用し、バーナー22で上部から幅7mmの範囲を加熱し、この時の封着幅は約7mmとなっている。封着試験ではバルブ21と絶縁層11が十分溶融するよう赤外線温度計で絶縁層11の表面温度が軟化点の1670℃以上であることを確認している。封止作業は1800℃以上で行った。   The length of the insulating layer 11 was about 10 mm. A bulb 21 having a thickness of 1 mm is used, and a range of 7 mm in width is heated from the top by a burner 22, and the sealing width at this time is about 7 mm. In the sealing test, it was confirmed by an infrared thermometer that the bulb 21 and the insulating layer 11 are sufficiently melted, so that the surface temperature of the insulating layer 11 is not less than 1670 ° C., the softening point. The sealing operation was performed at 1800 ° C. or higher.

ここで、図3、図4を参照し、放電プラズマ焼結装置を用いた場合のこの発明の機能性傾斜材料の製造方法の一実施形態について説明する。図3は概略構成図、図4は図3要部の構成図である。   Here, with reference to FIG. 3, FIG. 4, one Embodiment of the manufacturing method of the functional gradient material of this invention at the time of using a discharge plasma sintering apparatus is described. 3 is a schematic configuration diagram, and FIG. 4 is a configuration diagram of the main part of FIG.

水冷真空チャンバー31内には、グラファイト製の円筒状焼結ダイ32が配置され、その内部には機能性傾斜材料FGMが充填される。焼結ダイ32の上下には内部に充填された被加工物である機能性傾斜材料FGMを上下から加圧するための上部パンチ34および下部パンチ35が設けられている。これらの上部パンチ34および下部パンチ35には、上部パンチ台33および下部パンチ台36がそれぞれ接触するように配置されている。上部パンチ電極37および下部パンチ電極38の上端部および下端部は、水冷真空チャンバー31の外部に導出されている。上部パンチ電極37および下部パンチ電極38間には、焼結用パルス電源39から大電流が供給される。このパルス電流は、上部パンチ34および下部パンチ35を介して機能性傾斜材料FGMに供給され、通電される。   In the water-cooled vacuum chamber 31, a cylindrical sintered die 32 made of graphite is disposed, and the functionally gradient material FGM is filled therein. On the upper and lower sides of the sintering die 32, an upper punch 34 and a lower punch 35 for pressing the functionally gradient material FGM, which is a workpiece filled inside, from above and below are provided. The upper punch table 33 and the lower punch table 36 are arranged so as to contact the upper punch 34 and the lower punch 35, respectively. Upper and lower end portions of the upper punch electrode 37 and the lower punch electrode 38 are led out of the water-cooled vacuum chamber 31. A large current is supplied from the sintering pulse power supply 39 between the upper punch electrode 37 and the lower punch electrode 38. This pulse current is supplied to the functionally gradient material FGM through the upper punch 34 and the lower punch 35, and is energized.

また、下部パンチ電極38には、焼結用加圧機構41により上方向の圧力Pが印加される。下部パンチ電極38は、上方向に移動可能に設けられており、圧力Pにより上方向に移動する。上部パンチ電極37および下部パンチ電極38のシリンダー部はそれぞれ焼結ダイ32の中空部上端および下端から挿入され、圧力Pは上部パンチ電極37および下部パンチ電極38に伝達され、焼結ダイ32内部に充填された機能性傾斜材料FGMを上下から圧縮する。制御装置40は焼結用パルス電源39および焼結用加圧機構41を制御し、機能性傾斜材料FGMに対して供給パルス電流および加圧圧力を制御する。   Further, an upward pressure P is applied to the lower punch electrode 38 by the pressing mechanism 41 for sintering. The lower punch electrode 38 is provided so as to be movable upward, and moves upward by the pressure P. The cylinder portions of the upper punch electrode 37 and the lower punch electrode 38 are inserted from the upper and lower ends of the hollow portion of the sintering die 32, respectively, and the pressure P is transmitted to the upper punch electrode 37 and the lower punch electrode 38. The filled functional gradient material FGM is compressed from above and below. The control device 40 controls the pulse power source 39 for sintering and the pressurizing mechanism 41 for sintering, and controls the supply pulse current and the pressurizing pressure for the functionally gradient material FGM.

図4は、電極軸42が一体的に焼結形成された軸一体型の機能性傾斜材料FGMの製造装置の要部を拡大して示す断面図である。   FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a main part of the manufacturing apparatus of the shaft-integrated functional gradient material FGM in which the electrode shaft 42 is integrally sintered.

焼結ダイ32の中空部の上下には上部パンチ34および下部パンチ35が挿入されている。上部パンチ34は焼結ダイ32の中空部内で上下方向に移動するが、下部パンチ35は中空部内では上下方向に対しては固定されている。上部パンチ34にはその下端部に開口する細孔341が形成されており、その内部にFGM内に挿入された電極軸42の端部42bが挿入されている。細孔341はFGMのSPS焼結開始の際には、上部に端部42bが細孔341の上部に当接するように挿入されている。下部パンチ35はFGMの導電層12に接している。   An upper punch 34 and a lower punch 35 are inserted above and below the hollow portion of the sintering die 32. The upper punch 34 moves in the vertical direction in the hollow portion of the sintering die 32, while the lower punch 35 is fixed in the vertical direction in the hollow portion. The upper punch 34 is formed with a pore 341 opened at the lower end thereof, and an end portion 42b of the electrode shaft 42 inserted into the FGM is inserted therein. When the FGM SPS sintering is started, the pore 341 is inserted into the upper portion so that the end portion 42 b comes into contact with the upper portion of the pore 341. The lower punch 35 is in contact with the conductive layer 12 of the FGM.

焼結ダイ32の中空部内には、SPS焼結の開始前において、前述した機能性傾斜材料FGMが粉末状態で充填される。すなわち、先ず、焼結ダイ32を上下反転し、中に上部パンチ34を挿入し、上部パンチ34を下側にした状態で、電極軸42の端部を細孔341に導入し電極軸42を中心部に直立させる。次に、絶縁層11を構成する100%のSiO粉末を充填する。次いで、中間層13を構成するSiOおよびMoを例えば90%対10%の容積比で混合した粉末を焼結ダイ32の中空部に充填し、絶縁層11の上に積層する。さらに導電層12を構成するSiO及びMoを例えば75%対25%の容積比で混合した粉末を積層する。その後、下部パンチ35により焼結ダイ32の中空部上端を閉塞する。この際、電極軸42の長さは、焼成後、電極の端部42aが導電層に到達し、しかもFGMを貫通しないような長さにしておく。 The functional gradient material FGM described above is filled in a powder state in the hollow portion of the sintering die 32 before the start of SPS sintering. That is, first, the sintered die 32 is turned upside down, the upper punch 34 is inserted therein, and the upper punch 34 is placed on the lower side, so that the end of the electrode shaft 42 is introduced into the pore 341 and the electrode shaft 42 is moved. Stand upright in the center. Next, 100% SiO 2 powder constituting the insulating layer 11 is filled. Next, a powder obtained by mixing SiO 2 and Mo constituting the intermediate layer 13 in a volume ratio of 90% to 10%, for example, is filled in the hollow portion of the sintering die 32 and laminated on the insulating layer 11. Further, a powder in which SiO 2 and Mo constituting the conductive layer 12 are mixed at a volume ratio of 75% to 25%, for example, is laminated. Thereafter, the upper end of the hollow portion of the sintering die 32 is closed by the lower punch 35. At this time, the length of the electrode shaft 42 is set such that the end 42a of the electrode reaches the conductive layer after firing and does not penetrate the FGM.

さらに、上部パンチ34と下部パンチ35によって閉鎖された焼成ダイ32を、上部パンチ34が上側になるように取り付ける。なお、焼成ダイ32、上部パンチ34および下部パンチ35とFGMの間には、焼成ダイ及びパンチ材質とFGMの熱膨張率の違いにより発生する応力を緩和するため、応力緩衝のグラファイトシートを挿入するのが一般的である。   Further, the firing die 32 closed by the upper punch 34 and the lower punch 35 is attached so that the upper punch 34 is on the upper side. Between the firing die 32, the upper punch 34 and the lower punch 35 and the FGM, a stress buffer graphite sheet is inserted in order to relieve the stress generated by the difference in the thermal expansion coefficient between the firing die and punch material and the FGM. It is common.

この状態において、SPS装置の制御装置40の制御の下に焼結用パルス電源39および焼結用加圧機構41が動作を開始し、機能性傾斜材料FGMのSPS焼結が開始される。すなわち、焼結ダイ32の中空部の機能性傾斜材料FGMには、上部パンチ電極37および下部パンチ電極38を介して焼結用パルス電源39から大電流のパルス電流が供給される。このパルス電流は、上部パンチ34および下部パンチ35を介して焼結ダイ32の中空部に充填積層された粉末状の機能性傾斜材料FGMに供給され、通電される。   In this state, under the control of the control device 40 of the SPS apparatus, the pulse power source 39 for sintering and the pressurizing mechanism 41 for sintering start operation, and SPS sintering of the functionally gradient material FGM is started. That is, the functional gradient material FGM in the hollow portion of the sintering die 32 is supplied with a large pulse current from the sintering pulse power supply 39 via the upper punch electrode 37 and the lower punch electrode 38. This pulse current is supplied to the powdery functional gradient material FGM filled and laminated in the hollow portion of the sintering die 32 through the upper punch 34 and the lower punch 35 and energized.

また、下部パンチ電極38には、焼結用加圧機構41により上方向の圧力Pが印加される。下部パンチ電極38は上方向に移動可能にもうけられており、圧力Pにより上方に移動して下部パンチ35を介して機能性傾斜材料FGMを押し上げる。上部パンチ34および上部パンチ電極37は上下方向に対しては固定されているため、機能性傾斜材料FGMは下方からの圧力Pにより圧縮される。機能性傾斜材料FGMに大電流パルス電流を流すことにより、圧粉体粒子間隙に生ずる火花放電およびジュール熱により、機能性傾斜材料FGMの各層に含まれるSiOを均一に加熱溶融焼結する。これによって機能性傾斜材料FGMを構成する絶縁層11、中間層13、導電層12を強固に結合させることが可能となる。 Further, an upward pressure P is applied to the lower punch electrode 38 by the pressing mechanism 41 for sintering. The lower punch electrode 38 is provided so as to be movable in the upward direction. The lower punch electrode 38 is moved upward by the pressure P and pushes up the functional gradient material FGM through the lower punch 35. Since the upper punch 34 and the upper punch electrode 37 are fixed in the vertical direction, the functionally gradient material FGM is compressed by the pressure P from below. By flowing a large current pulse current through the functional gradient material FGM, SiO 2 contained in each layer of the functional gradient material FGM is uniformly heated and melted and sintered by spark discharge and Joule heat generated in the green compact particle gap. As a result, the insulating layer 11, the intermediate layer 13, and the conductive layer 12 constituting the functional gradient material FGM can be firmly bonded.

SPS法は、試料に通電することで試料温度を上げ焼成を行うため、絶縁物としてSiO粒子を使用した場合、SiO粒子の温度を溶融温度以上に上げることができる。このため、SiOからなる絶縁層11と、SiOとMoまたはWの混合物からなる非導電性の中間層13との結合部、あるいは、中間層13と導電層12との結合部においてもSiOが融解し結合し合い、二つの層を強く結合することが可能となり、強度の強い機能性傾斜材料を得ることができる。 In the SPS method, since the sample temperature is increased by energizing the sample and firing is performed, when SiO 2 particles are used as the insulator, the temperature of the SiO 2 particles can be raised to the melting temperature or higher. For this reason, SiO 2 is also present at the joint between the insulating layer 11 made of SiO 2 and the non-conductive intermediate layer 13 made of a mixture of SiO 2 and Mo or W, or at the joint between the intermediate layer 13 and the conductive layer 12. 2 melts and bonds to each other, so that the two layers can be strongly bonded, and a functionally graded material having high strength can be obtained.

さらに、この発明の機能性傾斜材料の製造方法によれば、電極軸42を機能性傾斜材料FGMの軸方向に挿入した状態においても、機能性傾斜材料の焼結が可能となるため、封止用の機能性傾斜材料の製造が極めて容易になる。   Furthermore, according to the method of manufacturing the functionally gradient material of the present invention, the functionally gradient material can be sintered even when the electrode shaft 42 is inserted in the axial direction of the functionally gradient material FGM. This makes it very easy to produce functionally graded materials.

上述した機能性傾斜材料の製造に際し、絶縁層11の密度を変えたり、絶縁層11と中間層13の密度を変えたり、中間層13のSiOとMoの体積混合比を変えて最適な機能性傾斜材料の1〜3の実験を行った。以下にこれらの実験結果について説明する。 In the production of the functional gradient material described above, the optimal function is achieved by changing the density of the insulating layer 11, changing the density of the insulating layer 11 and the intermediate layer 13, or changing the volume mixing ratio of SiO 2 and Mo of the intermediate layer 13. 1 to 3 experiments were performed on the gradient materials. The experimental results will be described below.

なお、これらの実験においては、電極軸42を挿入せずに、複数の機能性傾斜材料層のみのFGMを焼結作成した。この場合、図3のSPS製造装置としては、図4に示すような細孔341を有する上部パンチ34を用いる必要はない。   In these experiments, an FGM of only a plurality of functionally graded material layers was prepared by sintering without inserting the electrode shaft 42. In this case, it is not necessary to use the upper punch 34 having the pores 341 as shown in FIG. 4 as the SPS manufacturing apparatus of FIG.

(実験1)
この例では、SiOのみで製作した絶縁層11の機能性傾斜材料の作成を行った。この実施例は、絶縁層11の密度を変えたサンプルを作成したものである。
(Experiment 1)
In this example, a functionally gradient material for the insulating layer 11 made of only SiO 2 was prepared. In this embodiment, samples with different densities of the insulating layer 11 are prepared.

サンプルは、絶縁層11の厚みが約10mmとなるようにSiO粉体の量を調整している。また、サンプルは焼結温度を変え、絶縁層11の密度を変えている。図5に製作した絶縁層11の密度と気密性有無の関係を示した。図5に示すように、気密を得るためには、絶縁層11の密度が95%以上でなければならないことが分かる。 In the sample, the amount of the SiO 2 powder is adjusted so that the thickness of the insulating layer 11 is about 10 mm. Moreover, the sample changes the sintering temperature and changes the density of the insulating layer 11. FIG. 5 shows the relationship between the density of the manufactured insulating layer 11 and the presence or absence of airtightness. As shown in FIG. 5, it can be seen that the density of the insulating layer 11 must be 95% or more in order to obtain hermeticity.

(実験2)
この例では、SiOのみで製作した絶縁層11と中間層13の2層からなる機能性傾斜材料の作成を行った。中間層13はSiOとMoで構成し、SiO/Moの体積混合比を98/2としたものである。
(Experiment 2)
In this example, a functionally graded material composed of two layers of an insulating layer 11 and an intermediate layer 13 made of only SiO 2 was prepared. The intermediate layer 13 is composed of SiO 2 and Mo, and the volume mixing ratio of SiO 2 / Mo is 98/2.

サンプル作成に当たっては、絶縁層11の厚みが約10mm、中間層13の厚みが、ほぼ3mmとなるように粉体の全体量を調整している。また、サンプルは焼結温度を変えることで絶縁層11の密度を変えている。SPS法の特徴から焼結温度が上がり絶縁層11の密度が上がると、これに近接する中間層13の密度も上がることになる。   In preparing the sample, the total amount of the powder is adjusted so that the thickness of the insulating layer 11 is about 10 mm and the thickness of the intermediate layer 13 is about 3 mm. Further, the sample has the density of the insulating layer 11 changed by changing the sintering temperature. When the sintering temperature rises due to the characteristics of the SPS method and the density of the insulating layer 11 increases, the density of the intermediate layer 13 adjacent thereto also increases.

試験結果より、絶縁層の密度を95%以上にするためには、図6に示すように、中間層13の密度も95%以上が必要なことが分かる。   From the test results, it can be seen that in order to increase the density of the insulating layer to 95% or higher, the density of the intermediate layer 13 needs to be 95% or higher as shown in FIG.

(実験3)
この例では、SiOのみで製作した絶縁層11と中間層13の2層からなる機能性傾斜材料の作成を行った。サンプルは、中間層13のSiO/Moの体積混合比を、(1)85/15,(2)87/13,(2)90/10,(3)93/7,(4)93/7,(5)95/5,(6)98/2としたサンプルを作成した。サンプルの作成に当たっては、絶縁層11の厚みが約10mm、中間層の厚みが、ほぼ3mmとなるように粉体の全体量を調整している。
(Experiment 3)
In this example, a functionally graded material composed of two layers of an insulating layer 11 and an intermediate layer 13 made of only SiO 2 was prepared. In the sample, the volume mixing ratio of SiO 2 / Mo of the intermediate layer 13 is (1) 85/15, (2) 87/13, (2) 90/10, (3) 93/7, (4) 93 / Samples with 7, (5) 95/5 and (6) 98/2 were prepared. In the preparation of the sample, the total amount of the powder is adjusted so that the thickness of the insulating layer 11 is about 10 mm and the thickness of the intermediate layer is about 3 mm.

また、サンプルの絶縁層11の密度は98%以上とした。試作したサンプルにおいて、絶縁層11と中間層13の層間にクラックが生じた場合を「有」、クラックの発生がない場合を「無」で示している。図7に示すように、絶縁層11と中間層13の層間にクラックが生じないための条件として、Moの体積混合比が10%以下でなければならないことが分かる。   The density of the insulating layer 11 of the sample was 98% or more. In the prototype sample, a case where a crack is generated between the insulating layer 11 and the intermediate layer 13 is indicated as “present”, and a case where no crack is generated is indicated as “absent”. As shown in FIG. 7, it can be seen that as a condition for preventing cracks between the insulating layer 11 and the intermediate layer 13, the volume mixing ratio of Mo should be 10% or less.

このように、石英バルブと機能性封着材料が気密を保って封着できない原因を検討し、気密を保って封着するに必要な条件を検討した。実験1〜3の結果からは、下記のことが分かった。   In this way, the reason why the quartz bulb and the functional sealing material cannot be sealed with airtightness was examined, and the conditions necessary for sealing with airtightness were examined. From the results of Experiments 1 to 3, the following was found.

1.ランプ筐体の石英バルブを気密に封着すための条件としては、機能性傾斜材料のSiOでできた絶縁層の密度が理論密度の95%以上でなければ封着後の気密が保つことができない。 1. As a condition for hermetically sealing the quartz bulb of the lamp housing, it is necessary to maintain the hermeticity after sealing unless the density of the insulating layer made of the functionally gradient material SiO 2 is 95% or more of the theoretical density. I can't.

2.絶縁層の密度が95%以上にするには、絶縁層に接する中間層の密度が理論密度の95%以上でなければならない。   2. In order for the density of the insulating layer to be 95% or more, the density of the intermediate layer in contact with the insulating layer must be 95% or more of the theoretical density.

3.絶縁層に接する中間層のSiOに対するMoの体積密度が10%より大きくなるとクラックが発生する。 3. When the volume density of Mo with respect to SiO 2 in the intermediate layer in contact with the insulating layer is greater than 10%, cracks are generated.

図8は、この発明の管球に関する一実施形態を説明するための図で、上記したこの発明の機能性傾斜材料を封止用に用いた管形ハロゲン電球の要部断面図である。図において、管形ハロゲン電球BPは、気密容器81、管球作動部材82(フィラメント)および封止用機能性傾斜材料FGMを具備している。   FIG. 8 is a diagram for explaining an embodiment of the tube of the present invention, and is a cross-sectional view of a main part of a tube-type halogen bulb using the functionally gradient material of the present invention described above for sealing. In the figure, the tubular halogen light bulb BP includes an airtight container 81, a tube actuating member 82 (filament), and a functional gradient material for sealing FGM.

気密容器81は、封止されるべき開口81aを備えている。そして、開口81aは、封止用機能性傾斜材料FGMにより封止される。この形態の気密容器81は、照明用管球の場合であるから、透光性で、かつ、耐火性の物質、例えば石英ガラスや透光性アルミナセラミックスなどからなるが、石英ガラス製で真っ直ぐな円筒状をなしていて、その両端が一対の開口81aとなっている。   The airtight container 81 has an opening 81a to be sealed. And the opening 81a is sealed by the functional gradient material FGM for sealing. Since the airtight container 81 of this form is a case of a lighting tube, it is made of a light-transmitting and fire-resistant material such as quartz glass or light-transmitting alumina ceramics, but is made of quartz glass and is straight. It has a cylindrical shape, and both ends thereof form a pair of openings 81a.

管球作動部材82は、気密容器81の内部に気密に収納されていて、管球BPとして所要の作動を行うもので、多様な構成であることが許容される。すなわち、管球BPが外部から給電され、気密容器81内で所望の電気的動作を行う部材であり、一例を示せば、ハロゲン電球の場合は、白熱フィラメントおよび付随的部材である。また、高圧放電ランプの場合は、放電電極および付随的部材である。   The tube operation member 82 is housed in the airtight container 81 in an airtight manner and performs a required operation as the tube BP, and is allowed to have various configurations. That is, the bulb BP is a member that is supplied with power from the outside and performs a desired electrical operation in the hermetic container 81. For example, in the case of a halogen bulb, an incandescent filament and an accompanying member. In the case of a high-pressure discharge lamp, it is a discharge electrode and an accompanying member.

また、図示の管球作動部材82は、白熱フィラメントを主体として、その両端からフィラメントレグ部82a(一端のみ示す。)が延在し、フィラメントレグ部82aが気密容器81の両端に配置される一対の電極軸42(一方のみ示す。)に溶接などによって接続されることにより、気密容器81の内部に張架されている。なお、フィラメントは、2重コイルフィラメントからなり、点灯中の下垂を防止するために複数のリングアンカー82bが付設されている。   The illustrated tube operating member 82 is mainly composed of an incandescent filament, and a filament leg portion 82a (only one end is shown) extends from both ends thereof, and the filament leg portion 82a is disposed at both ends of the airtight container 81. The electrode shaft 42 (only one is shown) is connected to the inside of the airtight container 81 by welding or the like. The filament is composed of a double coil filament, and a plurality of ring anchors 82b are attached to prevent drooping during lighting.

封止用機能性傾斜材料FGMは、図1に示すように絶縁層11、導電層12および中間層13から構成され、絶縁層11の部分で気密容器81の内壁に溶接されている。絶縁層11は100%のSiOで構成されているため、気密容器81と熱膨張率が同じであり、ハロゲン電球の使用中に熱膨張率の差によるクラックを生ずる恐れがない。 As shown in FIG. 1, the functionally graded sealing material FGM is composed of an insulating layer 11, a conductive layer 12, and an intermediate layer 13, and is welded to the inner wall of the hermetic container 81 at the insulating layer 11 portion. Since the insulating layer 11 is made of 100% SiO 2 , the thermal expansion coefficient is the same as that of the hermetic container 81, and there is no possibility of causing cracks due to the difference in thermal expansion coefficient during use of the halogen bulb.

なお、図8に示す管球BPは、ハロゲン電球であるので、気密容器81の内部に適量のハロゲンとして、例えばヨウ素または臭素などの有機ハロゲン化物とアルゴン(Ar)が適当な圧力で封入されている。また、気密容器81の外面には所望により赤外光反射・可視光透過形のダイクロイック反射膜を形成することができる。   Since the tube BP shown in FIG. 8 is a halogen bulb, an organic halide such as iodine or bromine and argon (Ar), for example, are sealed at an appropriate pressure as an appropriate amount of halogen inside the hermetic container 81. Yes. Further, an infrared light reflection / visible light transmission type dichroic reflection film can be formed on the outer surface of the airtight container 81 as desired.

この実施形態では、石英バルブと機能性封着材料との気密性がより保たれた封着の実現できる管形ハロゲン電球を得ることが可能となる。   In this embodiment, it is possible to obtain a tube-type halogen light bulb that can realize sealing in which the airtightness between the quartz bulb and the functional sealing material is further maintained.

この発明の機能性傾斜材料に関する一実施形態について説明するための構成図。The block diagram for demonstrating one Embodiment regarding the functional gradient material of this invention. バルブに図1の機能性傾斜材料を封着材とした場合の概要について説明するための構成図。The block diagram for demonstrating the outline | summary at the time of making the functional gradient material of FIG. 1 into a valve | bulb as a sealing material. この発明の機能性傾斜材料の製造方法の一実施形態について説明するための概略構成図。The schematic block diagram for demonstrating one Embodiment of the manufacturing method of the functional gradient material of this invention. 図3の要部を拡大して説明するための断面図。Sectional drawing for magnifying and explaining the principal part of FIG. この発明の機能性傾斜材料の実験結果について説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the experimental result of the functional gradient material of this invention. この発明の機能性傾斜材料の実験結果について説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the experimental result of the functional gradient material of this invention. この発明の機能性傾斜材料の実験結果について説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the experimental result of the functional gradient material of this invention. この発明の機能性傾斜材料を用いた管球に関する一実施形態について説明するための要部断面図。The principal part sectional drawing for demonstrating one Embodiment regarding the tube using the functional gradient material of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

FGM 機能性傾斜材料
11 絶縁層
12 導電層
13 中間層
21 バルブ
42 電極軸
31 水冷真空チャンバー
32 焼結ダイ
34 上部パンチ
35 下部パンチ
81 気密容器
82 管球作動部材
FGM Functional gradient material 11 Insulating layer 12 Conductive layer 13 Intermediate layer 21 Valve 42 Electrode shaft 31 Water-cooled vacuum chamber 32 Sintering die 34 Upper punch 35 Lower punch 81 Airtight container 82 Tube operating member

Claims (6)

絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層と、
絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層と、
絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層と、を具備し、
前記絶縁層の密度は、理論密度の95%以上であることを特徴とする機能性傾斜材料。
An insulating layer mainly composed of silicon oxide as an insulating material;
A conductive layer in which the insulating material silicon oxide and the conductive material molybdenum or tungsten are mixed;
An intermediate layer in which the insulating material silicon oxide and the conductive material molybdenum or tungsten are mixed and the coefficient of thermal expansion is changed in stages,
The functional gradient material, wherein the density of the insulating layer is 95% or more of the theoretical density.
絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層と、
絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層と、
絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、該絶縁性物質および該導電性物質間を熱膨張率を段階的に変えた中間層と、を具備し、
前記絶縁層に接する前記中間層の密度は、理論密度の95%以上であることを特徴とする機能性傾斜材料。
An insulating layer mainly composed of silicon oxide as an insulating material;
A conductive layer in which the insulating material silicon oxide and the conductive material molybdenum or tungsten are mixed;
An intermediate layer in which silicon oxide as an insulating material and molybdenum or tungsten as a conductive material are mixed, and the coefficient of thermal expansion is changed stepwise between the insulating material and the conductive material,
The functional gradient material according to claim 1, wherein a density of the intermediate layer in contact with the insulating layer is 95% or more of a theoretical density.
前記絶縁層に接する前記中間層の前記絶縁性物質の酸化ケイ素に対する前記導電性物質のモリブデンまたはタングステンの体積混合比は、10%以下としたことを特徴とする請求項2記載の機能性傾斜材料。   The functional gradient material according to claim 2, wherein a volume mixing ratio of molybdenum or tungsten of the conductive substance to silicon oxide of the insulating substance of the intermediate layer in contact with the insulating layer is 10% or less. . 石英ガラス製のバルブと封着部との密度が95%以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の機能性傾斜材料。   The functional gradient material according to any one of claims 1 to 3, wherein the density of the quartz glass bulb and the sealing portion is 95% or more. 放電プラズマ焼結法により焼成したことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の機能性傾斜材料の製造方法。   The method for producing a functionally gradient material according to any one of claims 1 to 3, wherein the functional gradient material is fired by a discharge plasma sintering method. 請求項1〜5のいずれかの機能性封着材料を用いたことを特徴とする管球。   A tube characterized by using the functional sealing material according to claim 1.
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