JP2012072044A - 炭化ホウ素含有セラミックス接合体及び該接合体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】炭化ホウ素を含有してなる各セラミックス部材同士が、接合層を介して一体化されてなり、かつ、接合した部分の強度が100MPa以上である炭化ホウ素含有セラミックス接合体。
【選択図】図1
Description
前記炭化ホウ素を主成分とするセラミックス部材同士を接合させる部分に、アルミニウムを主成分とする、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかを接合材として、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、この状態で保持して上記セラミックス部材同士を、
(1)真空条件下で、少なくとも接合させる部分を600℃以上1,200℃よりも低い温度で加熱するか、
(2)不活性雰囲気中、少なくとも接合させる部分を600℃〜1,500℃の温度で加熱するか、
(3)大気中で、少なくとも接合させる部分を600℃以上800℃よりも低い温度で加熱すること
を特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法。
[実施例1−1(接合材の厚みと強度の関係)]
接合後の接合体の少なくとも一辺の全長が40mmとなるようにするため、20mm×20mm×4.5mmの板状の、99%の高純度炭化ホウ素セラミックス部材を2枚1組として用意した。また、接合材として、アルミニウム含有量99.8質量%の、5〜1,000μmまでの厚みの異なるアルミニウム箔を準備した。そして、上記2枚の炭化ホウ素含有セラミックス部材の接合部分に、それぞれ厚みの異なるアルミニウム箔を用い、アルミニウム箔が重なって厚みが不均一にならないように注意して配置させて挟み、カーボン冶具にて固定した。加熱条件を、真空条件下で、少なくとも接合させる部分を1,000℃の温度にして、接合処理をそれぞれに行って接合体を得た。
下記のようにして得た接合体の接合層を詳細に調べた。まず、代表として、炭化ホウ素焼結体を#200の砥石で研削し、50×50×10mmのプレートを2枚1組として用意した。また、アルミニウム含有量99.8質量%の、100μmの厚みアルミニウム箔を準備した。そして、上記2枚の炭化ホウ素含有セラミックス部材の接合部分に、上記アルミニウム箔を重ならないように注意して配置させて挟み、カーボン冶具にて固定した。接合する際の条件を、真空条件下、接合させる部分を1000℃の温度にして接合体を得た。そして、得られた試料を切断し、研磨を行い、SEMを使って、接合体の接合層の微細構造を観察した。そして、図2−1〜図2−3に、得られたSEM写真を示す図を示した。
実施例1で使用したと同様のセラミックス部材を複数用意し、また、接合材として、200μmの厚みのシリコンと、100μmの厚みのオキシナイトライドガラス(酸窒化ガラス)を用意した。そして、2枚のセラミックス部材と、それぞれの接合材を用いて、窒素雰囲気下、表3に示した各温度条件で2時間加熱して各接合体を作製した。しかし、窒素雰囲気下、1,500℃以上の高温で処理したにもかかわらず、いずれの場合も接合しなかった。比較例の接合体の作成条件を表3にまとめて示した。
表3に示したように、炭化ホウ素セラミックス部材を、シリコンやオキシナイトライドガラスを接合材として接合させた比較例1のものでは、部材同士を接合することができなかった。これに対し、1,000μmの厚みまでのアルミニウム箔を接合材として接合させた実施例1では、アルミニウムの融点以上の温度である1,000℃の加熱で、いずれの厚みの接合材を用いた場合においても、ほぼ母材である炭化ホウ素セラミックスと同等な高い抗折強度を示す接合体を得ることができた。さらに、アルミニウムを、ペースト塗膜や、蒸着によって接合面に介在させた場合においても、高い接合強度を示す接合体が得られることを確認した。
実施例1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、アルミニウム含有量99.8質量%の10μmの厚みのアルミニウム箔とを用い、加熱温度を、500〜1,200℃の温度範囲で段階的に変えて接合処理を行った。この際の他の条件は、真空条件下、カーボン冶具にて、5kg/cm2程度の値で圧着させて、2時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表4に示した。
表4に示したように、真空中、500℃の条件で処理した比較例2−2では接合しなかったのに対して、実施例2−1〜2−6に示したように、600〜1,100℃までの温度範囲ではいずれも高い接合強度を示す接合体が得られた。しかし、1,200℃の条件で処理した比較例2−1では、アルミニウムが蒸発し、接合していなかった。
実施例1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、アルミニウム含有量99.8質量%の10μmの厚みのアルミニウム箔とを用い、不活性ガス雰囲気下、加熱温度を1,200〜1,600℃の温度範囲で段階的に変えて接合処理を行った。この際の他の条件は、カーボン冶具にて、5kgf/cm2程度の値で圧着させて、2時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表5に示した。
実施例1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、アルミニウム含有量99.8質量%の10μmの厚みのアルミニウム箔とを用い、大気中で接合処理を行い、接合可能であるか否かを調べた。得られた接合体について、実施例1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表6に示した。
表6に示したように、大気中では、700℃で処理した場合には、高い抗折強度を示す接合体が得られたのに対して、800℃で処理した場合は、炭化ホウ素が酸化し、表面に発泡が見られ、接合していなかった。さらに、表5に示したように、不活性ガス雰囲気下では、1,200℃以上の高温での接合で、アルゴン、窒素いずれの雰囲気下においても、1,500℃まで接合し、高い抗折強度を示す接合体が得られることを確認した。これに対し、より高温の1,600℃では、炭化ホウ素の溶融が見られ、接合していなかった。
実施例1〜4で用いた炭化ホウ素セラミックス部材を用い、実施例1で用いた99.8質量%のアルミニウム箔に変えて、アルミニウム以外の成分を10%以下で含む10μmの厚みのアルミニウムを主成分とする箔をそれぞれに用いて、1,000℃、真空中で2時間接合を行い、各接合体を得た。そして、得られた各接合体について、実施例1と同様にして、接合層の厚みと、抗折強度を測定し、結果を表7に示した。この結果、接合材のアルミニウム材料中に共存する成分によって抗折強度に若干の差異が認められたものの、いずれも100MPa以上の値を示し、接合強度の高い接合体が得られることを確認した。
実施例1〜4で用いた炭化ホウ素セラミックス部材に代えて、炭化ホウ素の含有量の異なる炭化ホウ素セラミックス部材をそれぞれ用意した。アルミニウム含有量99.8質量%の10μmの厚みのアルミニウム箔を用いて、1,000℃、真空中で2時間接合を行い、各接合体を得た。そして、得られた各接合体について、実施例1と同様にして、接合層の厚みと、抗折強度を測定し、結果を表8に示した。この結果、実施例6−1の炭化ホウ素が2質量%で炭化ケイ素を主成分とする部材同士を接合してなる接合体は、母材の強度が炭化ホウ素セラミックスより相対的に高いことから、410MPaと高い抗折強度を示した。さらに、炭化ホウ素の含有量にかかわらず、いずれも接合可能であり、高い抗折強度を示す接合体が得られることを確認した。実施例6−6の接合体において、接合層とその近傍の母材の局所的な分析を行ったところ、接合層は、微量のアルミニウムとともにホウ化アルミニウムが認められた。また、近傍付近では母材成分である炭化ホウ素とともに、アルミニウムと炭化ホウ素の化合物(Al3BC)が認められた。
2 アルミニウム又はアルミニウム化合物
3 アルミニウム化合物
それぞれが炭化ホウ素を2質量%以上含有してなるセラミックス部材同士を接合させる際に、その接合部分に、アルミニウムを主成分とする(但し、ケイ素のオキシナイトライトガラスを含む場合を除く)、箔、ペースト及び蒸着層から選ばれるいずれかを接合材として、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、この状態で保持して上記セラミックス部材同士を、
(1)真空条件下で、少なくとも接合させる部分を600℃以上1,200℃よりも低い温度で加熱するか、
(2)不活性雰囲気中、少なくとも接合させる部分を600℃以上1,500℃以下の温度で加熱するか、
(3)大気中で、少なくとも接合させる部分を600℃以上800℃よりも低い温度で加熱すること
を特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法。
それぞれが炭化ホウ素を2質量%以上、条件によっては60質量%以上含有してなるセラミックス部材同士を接合させる際に、その接合部分に、アルミニウムを主成分とする(但し、ケイ素のオキシナイトライトガラスを含む場合を除く)、箔、ペースト及び蒸着層から選ばれるいずれかを接合材として、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、この状態で保持して上記セラミックス部材同士を、
(1)真空条件下で、少なくとも接合させる部分を600℃以上1,200℃よりも低い温度で加熱するか、
(2)不活性雰囲気中、少なくとも接合させる部分を600℃以上1,500℃以下の温度で加熱するか、
(3)大気中で、少なくとも接合させる部分を600℃以上800℃よりも低い温度で加熱すること
を特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法。
Claims (12)
- 炭化ホウ素を含有してなる各セラミックス部材同士が、接合層を介して一体化されてなり、かつ、接合した部分の強度が100MPa以上であることを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体。
- 前記接合層を構成する主成分が金属であって、該接合層において、各セラミックス部材の表面に亀裂或いは気孔が存在し、これらの内部まで上記金属が浸透しており、そのアンカー効果によってセラミックス部材同士が強固に一体化されている請求項1に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体。
- 前記金属がアルミニウムである請求項2に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体。
- 前記亀裂或いは気孔の幅が1μm以下である請求項2又は3に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体。
- 前記亀裂或いは気孔のアスペクト比が5以上である請求項2〜4のいずれか1項に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体。
- 前記接合層の厚みが1〜1,000μmであり、かつ、該接合層は、アルミニウムと炭化ホウ素とが混在している状態を有する請求項1〜5のいずれか1項に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体。
- 前記接合層中に、金属アルミニウム、Al3BC、Al3B48C2、AlB12C2、Al8B4C7、Al2B51C8、AlB40C4又はAlB24C4で示されるいずれかの炭化ホウ化アルミニウム、AlB2、AlB10又はAlB12で示されるいずれかのホウ化アルミニウム、のいずれかが存在する請求項6に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体。
- 前記接合層の厚みが、1〜100μmである請求項6に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法であって、前記炭化ホウ素を主成分とするセラミックス部材同士を接合させる部分に、アルミニウム或いはアルミニウム化合物を主成分とする、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかを接合材として、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、この状態で保持して上記セラミックス部材同士を、真空条件下で、少なくとも接合させる部分を600℃以上1,200℃よりも低い温度で加熱することを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法であって、前記炭化ホウ素を主成分とするセラミックス部材同士を接合させる部分に、アルミニウム或いはアルミニウム化合物を主成分とする、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかを接合材として、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、この状態で保持して上記セラミックス部材同士を、不活性雰囲気中、少なくとも接合させる部分を600℃〜1,500℃の温度で加熱することを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法であって、前記炭化ホウ素を主成分とするセラミックス部材同士を接合させる部分に、アルミニウム或いはアルミニウム化合物を主成分とする、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかを接合材として、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、この状態で保持して上記セラミックス部材同士を、大気中で、少なくとも接合させる部分を600℃以上800℃よりも低い温度で加熱することを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法。
- 前記接合材が、純アルミニウムに、銅、マンガン、マグネシウム、ケイ素および亜鉛のいずれかを含んでなるアルミニウム合金である請求項9〜11のいずれか1項に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法。
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