JP2016145403A - 混合粒子、混合粒子を含むスラリー、複合体、および接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法で、セラミックス粒子と金属粒子とを相互に結合させることが可能な混合粒子を提供する。【解決手段】セラミックス粒子、金属粒子、および有機ケイ素系ポリマーを含むことを特徴とする混合粒子。【選択図】図１

Description

本発明は、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）の製造等に使用され得る、セラミックス粒子と金属粒子とを含む混合粒子に関する。

セラミックス粒子と金属粒子とを含む混合粒子には、多くの用途がある。例えば、軽量、高剛性、高熱伝導、および低熱膨張等の特徴を有し、鉄鋼材料の代替として期待されている金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）は、混合粒子中に含まれるセラミックス粒子と金属粒子と相互に結合させることにより製造することができる。

特開平０７−１８８８０３号公報 特願２０１４−０４４１２４「セラミックス部材とアルミニウム部材とを接合する方法、および接合体」 特願２０１４−１８０６５１「セラミックス部材とアルミニウム部材とを接合する方法」

セラミックス粒子は金属粒子との結合性があまり良好ではない事が知られている。このため、セラミックス粒子と金属粒子とを相互に結合させる際には、予めセラミックス粒子の表面を改質して、金属粒子との結合性を高めるプロセスが必要となる。

従来において、このようなセラミックス粒子の表面の改質を行うには、セラミックス粒子を、高温（１２００℃超）かつ高圧（１ＭＰａ超）下で熱処理する必要がある（特許文献１）。

しかし、このような高温高圧下での熱処理を含むプロセスは、混合粒子の調製方法としてはあまり現実的ではない。このため、より現実的な方法で、セラミックス粒子と金属粒子とを相互に結合することができる混合粒子が要望されている。

本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、より簡便な方法でセラミックス粒子と金属粒子とを相互に結合させることが可能な混合粒子を提供することを目的とする。

本発明では、セラミックス粒子、金属粒子、および有機ケイ素系ポリマーを含むことを特徴とする混合粒子が提供される。

本発明では、より簡便な方法で、セラミックス粒子と金属粒子とを相互に結合させることが可能な混合粒子を提供することが可能である。

本発明の一実施形態による混合粒子の形態を概略的に示した図である。 図１に示した混合粒子の別の形態を概略的に示した図である。 本発明の一実施形態による別の混合粒子の形態を概略的に示した図である。 図３に示した形態の混合粒子の製造方法の一例を概略的に示したフロー図である。 本発明の一実施形態によるさらに別の混合粒子の形態を概略的に示した図である。 図５に示した形態の混合粒子の製造方法の一例を概略的に示したフロー図である。 本発明による混合粒子を使用して、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）を製造する方法の一例を概略的に示したフロー図である。 本発明による混合粒子を使用して、２つの部材を接合して接合体を得る方法の一例を概略的に示したフロー図である。 実施例１に係る複合体のＸ線回折分析の結果を示したチャートである。 実施例１に係る複合体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 実施例２に係る複合体のＸ線回折分析の結果を示したチャートである。 実施例２に係る複合体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 実施例３において作製された複合体の外観（写真）を示した図である。

以下、本発明の一実施形態について説明する。

以下において、混合粉末を成形したものを「成形体」、成形体を加熱して一体化させたものを「複合体」、被接合部材同士を接合させるための混合粉末、スラリーまたは／およびスラリー状のものを「接合材」、被接合部材同士間に接合材を挟み、加熱処理による接合前状態のものを「組立体」、組立体を加熱して接合したものを「接合体」と記す。

（本発明による混合粒子について）
前述のように、セラミックス粒子と金属粒子とを相互に結合させる際には、予めセラミックス粒子の表面を改質して、金属粒子との結合性を高めるプロセスが必要となる。このようなセラミックス粒子の表面の改質を行うには、セラミックス粒子を、高温（１２００℃超）かつ高圧（１ＭＰａ超）下で熱処理する必要がある。しかし、このような高温高圧下での熱処理を含むプロセスは、混合粒子の調製方法としてはあまり現実的ではない。

これに対して、本発明では、セラミックス粒子、金属粒子、および有機ケイ素系ポリマーを用いることを特徴とする混合粒子が提供される。

ここで、「有機ケイ素系ポリマー」とは、２次元もしくは３次元構造を有し、主鎖にＳｉ−Ｃ−Ｓｉ基またはＳｉ−Ｏ−Ｓｉ基を有する有機高分子の総称を意味する。すなわち、シロキサン系ポリマーやポリカルボシラン系ポリマー等が含まれる。

このシロキサン系ポリマーは約４３０℃前後で、ポリカルボシラン系ポリマーは６００℃以上で活性化する性質を有する。また、有機ケイ素系ポリマーは、活性化された際に、セラミックス材料と金属材料の接触界面で、ケイ素（Ｓｉ）を含むガラス相を形成する性質を有する。このガラス相は、セラミックス材料および金属材料の何れの表面に対しても親和性を有するため、両者を結合する「接着材」として機能する（特許文献２、３）。

本発明では、このセラミックス材料および金属材料をセラミックス粒子および金属粒子として、有機ケイ素系ポリマーとの混合粒子を作ることにより、加熱処理だけで、ケイ素（Ｓｉ）を含むガラス相を介して、セラミックス粒子と金属粒子を適正に結合させることが可能となる。

このように、本発明による混合粒子では、セラミックス粒子と金属粒子とを相互に結合させる際に、従来のように高温高圧下でのセラミックス粒子の表面改質処理を実施する必要がなくなり、より簡便かつ迅速に、両粒子を相互に結合させることができる。

（本発明の一実施形態による混合粒子について）
次に、図１および図２を参照して、本発明の一実施形態による混合粒子について詳しく説明する。

図１には、本発明の一実施形態による混合粒子（以下、「第１の混合粒子」と称する）の形態を概略的に示す。また、図２には、第１の混合粒子の別の形態を示す。

図１に示すように、この第１の混合粒子１００は、セラミックス粒子１１０と、金属粒子１２０と、有機ケイ素系ポリマー１３０とを有する。セラミックス粒子１１０、金属粒子１２０、および有機ケイ素系ポリマー１３０は、第１の混合粒子１００内で十分に混合され、均質に存在していることが好ましい。

セラミックス粒子１１０は、アルミナ、ムライト、カルシア、ジルコニア、窒化ケイ素、および／または炭化ケイ素等で構成される。

アルミナとしては、９０ｗｔ％以上のアルミナを含む高純度アルミナを好適に用いることができる。窒化アルミニウムとしては、９０ｗｔ％以上の窒化アルミニウムを含む高純度窒化アルミナを好適に用いることができる。窒化ケイ素としては、９０ｗｔ％以上の窒化ケイ素を含む高純度窒化ケイ素を好適に用いることができる。

セラミックス粒子１１０の結晶形態に特に制限はないが、アルミナとしては、αアルミナやγアルミナ等を好適に使用できる。

セラミックス粒子１１０の平均最小寸法は、特に限られないが、０．０１μｍ〜２０００μｍの範囲である。

また、セラミックス粒子１１０の形状としては、球状、板状、棒状、または繊維状等が考えられる。なお、前記「平均最小寸法」は、セラミックス粒子１１０が球状の場合、直径の平均値を意味し、セラミックス粒子１１０が板状の場合、セラミックス粒子１１０の板厚の平均値を意味し、セラミックス粒子１１０が棒状または繊維状の場合、線径の平均値を意味する。

金属粒子１２０は、アルミニウム、アルミニウム合金、ケイ素、および／またはケイ素合金等で構成される。

金属粒子１２０の平均最小寸法は、１μｍ〜２０００μｍの範囲に絞られる。金属粒子１２０の平均最小寸法が２０００μｍを超えると、粒子同士の結合処理後に金属が過剰に残る可能性がある。

また、金属粒子１２０の形状としては、球状、板状、棒状、または繊維状等が考えられる。なお、前記「平均最小寸法」は、金属粒子１２０が球状の場合、直径の平均値を意味し、金属粒子１２０が板状の場合、板厚の平均値を意味し、金属粒子１２０が棒状または繊維状の場合、線径の平均値を意味する。

有機ケイ素系ポリマー１３０は、シロキサン系ポリマーまたはポリカルボシラン系ポリマーを好適に用いることが可能である。

シロキサン系ポリマーは、主鎖として直鎖状のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ基を有するポリマー、例えばポリメチルヒドロシロキサン（ＰＭＨＳ）およびポリメチルフェニルシロキサン（ＰＭＰｈＳ）であれば良い。シロキサン系ポリマーには、主骨格として３次元構造のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ基を有するシルセスキオキサン系ポリマー、例えばポリメチルシルセスキオキサン（ＰＭＳＱ）およびポリフェニルシロキサン（ＰＰＳＱ）等も含む。

ポリカルボシラン系ポリマーは、主鎖として直鎖状のＳｉ−Ｃ−Ｓｉ基を有するポリマー、例えばポリカルボシラン（PCS）およびアリルヒドリドポリカルボシラン（AHPCS）等であれば良い。

第１の混合粒子１００において、有機ケイ素系ポリマー１３０の体積は、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０の総体積の０．０００３倍〜１．７５倍の範囲が好ましい。有機ケイ素系ポリマー１３０の体積がセラミックス粒子１１０と金属粒子１２０の総体積の０．０００３倍を下回ると、生成されるガラス相の量が少なくなり、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０とを十分に結合することが難しくなる。また、有機ケイ素系ポリマー１３０の体積が、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０の総体積の１．７５倍を超えると、第１の混合粒子１００の使用時に排出される二酸化炭素やシラン等の分解ガスの量が増加し、接合不良（ボイド）等を起こす原因となる。

このような第１の混合粒子１００は、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）の製造に利用することができる。

特に、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）の製造に利用する場合、第１の混合粒子１００中の金属粒子１２０の含有量は、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０の総体積に対して、４０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％の範囲であることが好ましい。金属粒子１２０の量が４０ｖｏｌ％を下回ると、セラミックス粒子１１０と結合される金属粒子１２０の量が過度に少なくなり、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）を製造することが難しくなる場合があるからである。また、金属粒子１２０の含有量が８０ｖｏｌ％を超えると、金属粒子１２０と結合されるセラミックス粒子１１０の量が過度に少なくなり、この場合も、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）を得ることが難しくなる。

また、第１の混合粒子１００は、２つの部材を相互に接合する接合材として利用することも可能である。接合する形態としては、2つのセラミックス同士、金属同士または金属とセラミックスの板、棒、ワイヤー、線状のセラミックスまた金属を任意の面積同士で合わせる事を意味する。

なお、この適用例の場合、第１の混合粒子１００は、粉体としてではなく、流動性を有するスラリーの状態で、提供されることが好ましい。これにより、被接合部材の所定の箇所に、第１の混合粒子１００を比較的容易に設置することが可能となる。

ここで、図１に示した例では、有機ケイ素系ポリマー１３０は、固体粉末状であり、セラミックス粒子１１０および金属粒子１２０とともに均質に混合されている。しかしながら、有機ケイ素系ポリマー１３０には、このような固体状のものに加えて、「液体状」のもの（流動性を有するものを含む）も使用できる。

この場合、混合粒子は、概略的に図２に示すような形態であれば良い。すなわち、混合粒子１０１において、有機ケイ素系ポリマー１３０は、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０の隙間を埋めるように配置される。換言すれば、セラミックス粒子１１０および金属粒子１２０は、液体状の有機ケイ素系ポリマー１３０中に分散された形態で存在しても良い。

特に、図２に示したような形態を有する混合粒子１０１は、２つの部材を相互に接合する接合材として利用する際に有意である。

第１の混合粒子１００は、セラミックス粒子１１０、金属粒子１２０、および有機ケイ素系ポリマー１３０の３者を、相互に十分に混合することにより、製造することができる。なお、この混合のプロセスは、通常、大気下かつ室温で実施される。

一方、図２に示したような形態を有する混合粒子１０１を製造する際の各材料の混合は、有機ケイ素系ポリマー１３０の粘度を下げるため、室温よりも高い温度条件（４５℃〜４００℃）下で実施される。

（本発明の一実施形態による別の混合粒子について）
次に、図３を参照して、本発明の一実施形態による別の混合粒子について説明する。

図３には、本発明の一実施形態による別の混合粒子（以下、「第２の混合粒子」と称する）の形態を概略的に示す。この第２の混合粒子２００は、セラミックス粒子２１０と、金属粒子２２０と、有機ケイ素系ポリマー２３０とを有する。セラミックス粒子２１０の全体が、有機ケイ素系ポリマー２３０でコーティングされている。換言すれば、第２の混合粒子２００は、金属粒子２２０と、表面が有機ケイ素系ポリマー２３０でコーティングされたセラミックス粒子２１０とが混合された形態を有する。

なお、第２の混合粒子２００を構成する各成分のその他の仕様および特徴は、前述の第１の混合粒子１００に関する記載が適用できるため、ここでは詳しい説明を省略する。

このような形態の第２の混合粒子２００では、前述の第１の混合粒子１００に比べて、混合粒子中に含まれる有機ケイ素系ポリマー２３０の量を低減できる。このため、第２の混合粒子２００を使用した場合、接合不良（ボイド）等を起こす原因となる二酸化炭素やシラン等の分解ガスの量を低減させ、加えて有機ケイ素系ポリマーの使用量を低減、つまりコストを抑制することができる。

第２の混合粒子２００では、有機ケイ素系ポリマー２３０の含有量は、２ｍｍの平均直径を有するセラミックス粒子２１０を０．１μｍの厚みで覆い尽くす場合のセラミックス粒子２１０の総体積の０．０００３倍から、第１の混合粒子１００の場合の最大値と同じ考え方でセラミックス粒子２１０の１．７５倍の範囲とすることができる。

一方、第２の混合粒子２００において、金属粒子２２０の含有量は、前述の第１の混合粒子１００の場合と同様に、セラミックス粒子２１０と金属粒子２２０の総体積に対して、４０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％の範囲であることが好ましい。

なお、図３に示した例では、有機ケイ素系ポリマー２３０は、それぞれのセラミックス粒子２１０の表面を覆うように配置される。しかしながら、これは単なる一例であって、有機ケイ素系ポリマー２３０は、複数のセラミックス粒子２１０からなる「凝集セラミックス粒子クラスター」の表面を覆うように配置されても良い。

このような形態では、第２の混合粒子２００中に含まれる有機ケイ素系ポリマー２３０の量を、よりいっそう低減することができる。

図４には、第２の混合粒子２００を製造する方法の一例（以下、「第１の製造方法」と称する）の概略的なフロー図を示す。第１の製造方法は、
金属粒子およびセラミックス粒子を準備するステップ（ステップＳ１１０）と、
セラミックス粒子の表面に、有機ケイ素系ポリマーをコーティングするステップ（ステップＳ１２０）と、
前記金属粒子と、前記有機ケイ素系ポリマーがコーティングされたセラミックス粒子とを混合するステップ（ステップＳ１３０）と、
を有する。

以下、各ステップについて、詳しく説明する。なお、以下の説明では、明確化のため、各要素を表す際に、図３に使用した参照符号を使用することにする。

（ステップＳ１１０）
まず、セラミックス粒子２１０および金属粒子２２０が準備される。

セラミックス粒子２１０としては、前述のように、アルミナ、ムライト、カルシア、ジルコニア、窒化ケイ素、および／または炭化ケイ素等が使用できる。

また、金属粒子２２０としては、前述のように、アルミニウム、アルミニウム合金、ケイ素、および／またはケイ素合金等が使用できる。

（ステップＳ１２０）
次に、セラミックス粒子２１０の表面に、有機ケイ素系ポリマー２３０がコーティングされる。

有機ケイ素系ポリマー２３０のコーティング方法は、特に限られない。コーティング方法として、スプレードライ法、凍結乾燥法、および溶媒含浸法等を利用すれば良い。

このうち、スプレードライ法では、適当な有機溶媒（トルエン、エタノール等）中に有機ケイ素系ポリマー２３０を添加し、処理液を調製する。この処理液を静置したセラミックス粒子２１０の表面に噴霧し、その後有機溶媒を加熱等により揮発させることにより、有機ケイ素系ポリマー２３０でコーティングされたセラミックス粒子２１０を得ることができる。噴霧する際、セラミックス粒子２１０はロータリーキルン等で動的な状態にしても良い。

また、凍結乾燥法では、適当な有機溶媒（ベンゼン、シクロヘキサン等）中に有機ケイ素系ポリマー２３０を添加し、処理液を調製する。次に、この処理液中にセラミックス粒子２１０を浸漬させる。その後、セラミックス粒子２１０を浸漬した処理液を凍結させた後、液体窒素等で低温にした領域を有する真空ライン中に静置して有機溶媒を低温にした領域に凝集させることにより、有機ケイ素系ポリマー２３０でコーティングされたセラミックス粒子２１０を得ることができる。有機溶媒の揮発を高めることを目的とし、セラミックス粒子２１０はロータリーキルン等で動的な状態にしても良い。

また、溶媒含浸法では、適当な有機溶媒（ベンゼン、シクロヘキサン等）中に有機ケイ素系ポリマー２３０を添加し、処理液を調製する。次に、この処理液中にセラミックス粒子２１０を浸漬させる。その後、有機溶媒を加熱等により揮発させることにより、有機ケイ素系ポリマー２３０でコーティングされたセラミックス粒子２１０を得ることができる。

（ステップＳ１３０）
次に、金属粒子２２０と、有機ケイ素系ポリマー２３０でコーティングされたセラミックス粒子２１０とが十分に混合される。混合には回転ミル、エバポレーター、マグネチックスターラー等を使用すると良い。

この混合ステップは、通常、大気下、室温で実施される。

以上の工程により、図３に示したような形態の第２の混合粒子２００を製造することができる。

なお、以上の製造方法の説明は、単なる一例であって、第２の混合粒子２００はその他の方法で製造可能である。図４に示した第１の製造方法では、ステップＳ１１０において、金属粒子２２０と、セラミックス粒子２１０とを準備してから、ステップＳ１２０で、セラミックス粒子２１０が有機ケイ素系ポリマー２３０によりコーティングされる。しかしながら、有機ケイ素系ポリマー２３０でコーティングされたセラミックス粒子２１０を調製してから、金属粒子２２０を準備する。その他にも、各種変更が可能である。

（本発明の一実施形態によるさらに別の混合粒子について）
次に、図５を参照して、本発明の一実施形態によるさらに別の混合粒子について説明する。

図５には、本発明の一実施形態によるさらに別の混合粒子（以下、「第３の混合粒子」と称する）の形態を概略的に示す。

図５に示すように、この第３の混合粒子３００は、セラミックス粒子３１０と、金属粒子３２０と、有機ケイ素系ポリマー３３０とを有する。

第３の混合粒子３００では、金属粒子３２０の全体が、有機ケイ素系ポリマー３３０でコーティングされている。換言すれば、第３の混合粒子３００は、セラミックス粒子３１０と、表面が有機ケイ素系ポリマー３３０でコーティングされた金属粒子３２０とが混合された形態を有する。

なお、第３の混合粒子３００を構成する各成分のその他の仕様および特徴は、前述の第１の混合粒子１００に関する記載が適用できるため、ここでは詳しい説明を省略する。

このような形態の第３の混合粒子３００では、前述の第１の混合粒子１００に比べて、混合粒子中に含まれる有機ケイ素系ポリマー３３０の量を低減できる。このため、第３の混合粒子３００を使用した場合、接合不良（ボイド）等を起こす原因となる二酸化炭素やシラン等の分解ガスの量を低減させ、加えて有機ケイ素系ポリマーの使用量を低減、つまりコストを抑制することができる。

第３の混合粒子３００では、有機ケイ素系ポリマー３３０の含有量は、２ｍｍの平均直径を有する金属粒子３２０を0.1ミクロンの厚みで覆い尽くす場合の金属粒子３２０の総体積の０．０００３倍から、第１の混合粒子１００の場合の最大値と同じ考え方で金属粒子３２０の総体積の１．７５倍の範囲とすることができる。

一方、第３の混合粒子３００において、セラミックス粒子３１０の含有量は、前述の第１の混合粒子１００の場合と同様に、セラミックス粒子３１０と金属粒子３２０の総体積に対して、４０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％の範囲であることが好ましい。

なお、図５に示した例では、有機ケイ素系ポリマー３３０は、それぞれの金属粒子３２０の表面を覆うように配置される。しかしながら、これは単なる一例であって、有機ケイ素系ポリマー３３０は、複数の金属粒子３２０からなる「凝集金属粒子クラスター」の表面を覆うように配置することもできる。

このような形態では、第３の混合粒子３００中に含まれる有機ケイ素系ポリマー３３０の量を、よりいっそう低減可能である。

図６には、第３の混合粒子３００を製造する方法の一例（以下、「第２の製造方法」と称する）の概略的なフロー図を示す。第２の製造方法は、
金属粒子およびセラミックス粒子を準備するステップ（ステップＳ２１０）と、
金属粒子の表面に、有機ケイ素系ポリマーをコーティングするステップ（ステップＳ２２０）と、
前記セラミックス粒子と、前記有機ケイ素系ポリマーがコーティングされた金属粒子とを混合するステップ（ステップＳ２３０）と、
を有する。

以下、各ステップについて、詳しく説明する。なお、以下の説明では、明確化のため、各物を表す際に、図５に使用した参照符号を使用することにする。

（ステップＳ２１０）
まず、セラミックス粒子３１０および金属粒子３２０が準備される。

セラミックス粒子３１０としては、前述のように、アルミナ、ムライト、カルシア、ジルコニア、窒化ケイ素、および／または炭化ケイ素等が使用できる。

また、金属粒子３２０としては、前述のように、アルミニウム、アルミニウム合金、ケイ素、および／またはケイ素合金等が使用できる。

（ステップＳ２２０）
次に、金属粒子３２０の表面に、有機ケイ素系ポリマー３３０がコーティングされる。

有機ケイ素系ポリマー３３０のコーティング方法は、特に限られない。コーティング方法として、前述のような、スプレードライ法、凍結乾燥法、および溶媒含浸法等を利用すると良い。

（ステップＳ２３０）
次に、セラミックス粒子３１０と、有機ケイ素系ポリマー３３０でコーティングされた金属粒子３２０とが十分に混合される。混合には、攪拌機等を使用すれば良い。

この混合ステップは、通常、大気下、室温で実施される。

以上の工程により、図５に示したような形態の第３の混合粒子３００を製造することができる。

なお、以上の製造方法の説明は、単なる一例であって、第３の混合粒子３００はその他の方法で製造されても良い。

（本発明による混合粒子の使用例について）
次に、前述のような構成を有する本発明による混合粒子の使用例について説明する。なお、ここでは、一例として、前述の第１の混合粒子１００を例に、その適用例について説明する。ただし、以下の記載が、混合粒子１０１、２００および３００等、本発明の他の混合粒子にも同様に適用できることは、当業者には明らかである。

（金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）の製造）
本発明による混合粒子は、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）の製造に利用することができる。

図７には、本発明による混合粒子を使用して、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）を製造する方法（以下、「ＭＭＣの製造方法」と称する）のフローの一例を概略的に示す。

図７に示すように、ＭＭＣの製造方法は、
第１の混合粒子を準備するステップ（ステップＳ７１０）と、
前記第１の混合粒子を成形して、成形体を形成するステップ（ステップＳ７２０）と、
前記成形体を熱処理するステップ（ステップＳ７３０）と、
を有する。

以下、各ステップについて、詳しく説明する。

（ステップＳ７１０）
まず、前述のような構成を有する第１の混合粒子１００が準備される。

前述のように、セラミックス粒子１１０の材料としては、アルミナ、ムライト、カルシア、ジルコニア、窒化ケイ素、および／または炭化ケイ素等が使用できる。金属粒子１２０の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ケイ素、および／またはケイ素合金等が使用できる。また、有機ケイ素系ポリマー１３０としては、シロキサン系ポリマー、ポリカルボシラン系ポリマー等が使用できる。

なお、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）を製造する場合、第１の混合粒子１００中の金属粒子１２０の含有量は、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０の総体積に対して、４０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％の範囲であることが好ましい。金属粒子１２０の含有量が４０ｖｏｌ％を下回ると、セラミックス粒子１１０と結合される金属粒子１２０の量が過度に少なくなり、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）を得ることが難しくなる。また、金属粒子１２０の含有量が８０ｖｏｌ％を超えると、金属粒子１２０と結合されるセラミックス粒子１１０の量が過度に少なくなり、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）を得ることが難しくなる。

また、第１の混合粒子１００中の有機ケイ素系ポリマー１３０の体積は、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０の総体積に対して、０．０００３倍〜１．７５倍の範囲であることが好ましい。有機ケイ素系ポリマー１３０の含有量が０．０００３倍を下回ると、次のステップＳ７１０において、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０との間で、結合が十分に生じないおそれがある。また、有機ケイ素系ポリマー１３０の体積が、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０の総体積の１．７５倍を超えると、次のステップＳ７１０において、排出される二酸化炭素やシラン等の分解ガスの量が増加し、接合不良（ボイド）等を起こす原因となる。

（ステップＳ７２０）
次に、ステップＳ７１０で準備した第１の混合粒子１００を使用して、成形体が形成される。

成形体の形成方法は、特に限られない。成形体は、圧粉成形法、または押出成形法等により形成することができる。また、成型後の成形体に対してさらに加圧し、形状を整えても良い。

必要な場合、得られた成形体に対して、乾燥処理および／または予備熱処理を実施しても良い。これにより、成形体に含まれる揮発成分（有機ケイ素系ポリマー１３０を除く）が分解除去される。

（ステップＳ７３０）
次に、ステップＳ７２０で得られた成形体が熱処理される。

熱処理の実施により、第１の混合粒子１００中の有機ケイ素系ポリマー１３０が活性化する。またこれにより、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０の接触界面で、ケイ素（Ｓｉ）を含むガラス相が形成される。その結果、ガラス相を介して、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０とが相互に結合される。

ここで、熱処理によって生成されるガラス相は、使用される金属粒子１２０の種類によって変化する。金属粒子１２０がアルミニウムを含む場合、ガラス相として、アルミノシリケートが形成される。また、金属粒子１２０がケイ素を含む場合、ガラス相として、シリカが形成される。

熱処理の条件は、所望の金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）を得ることができる限り、特に限られない。ただし、第１の混合粒子１００中の有機ケイ素系ポリマー１３０の活性化温度（ガラス相が形成され始める温度）は、約４３０℃以上であるため、熱処理は、４５０℃以上の温度域で実施される必要がある。

本複合体作製時の熱処理温度としては、４５０℃〜１５００℃の範囲が望ましい。１５００℃を超える場合は、ポリマーならびにポリマーから生成したガラス相が気化する恐れがある。

シロキサン系ポリマーを１３０として用いる場合、シロキサン系ポリマーが最も活性になるのは約５５０〜６５０℃であり、特に６００℃前後で実施されることが好ましい。ポリカルボシラン系ポリマーを１３０として用いる場合、ポリカルボシラン系ポリマーが最も活性になるのは６００℃〜１２００℃であり、特に８００℃〜１０００℃の範囲で実施されることが望ましい。

熱処理の雰囲気は、アルゴン、ヘリウム、および窒素などの不活性ガス雰囲気下、または真空雰囲気である。熱処理を大気または酸化性雰囲気下で実施した場合、有機ケイ素系ポリマー１３０が大気中の酸素によって酸化、分解されてしまい、有機ケイ素系ポリマー１３０をセラミックス粒子１１０と金属粒子１２０との結合に、有効に利用することが難しくなる。

以上の工程により、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）を製造することができる。

このような方法では、従来のような、高温高圧下でセラミックス粒子の表面改質処理を実施する必要がないため、より簡単なプロセスで、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０とを相互に結合させることができる。

（２つの部材の接合）
本発明による混合粒子は、第１および第２の被接合部材を接合して接合体を得る際の接合材としても利用することができる。

図８には、本発明による混合粒子を使用して、第１および第２の被接合部材を接合して接合体を得る方法（以下、「接合体の製造方法」と称する）のフローの一例を概略的に示す。

図８に示すように、この接合体の製造方法は、
第１の混合粒子、ならびに第１および第２の被接合部材を準備するステップ（ステップＳ８１０）と、
少なくとも一方の被接合部材の接合部分に、第１の混合粒子を含む層を設置するステップ（ステップＳ８２０）と、
前記第１および第２の被接合部材を、前記層を介在させた状態で合わせて組立体を構成するステップ（ステップＳ８３０）と、
前記組立体を熱処理して、第１および第２の被接合部材を接合させるステップ（ステップＳ８４０）と、
を有する。

以下、各ステップについて、詳しく説明する。

（ステップＳ８１０）
まず、相互に接合される第１および第２の被接合部材が準備される。また、第１の混合粒子１００が準備される。

第１および第２の被接合部材は、各々又は双方がセラミックス部材または金属部材である。

セラミックス部材としては、アルミナ、ムライト、カルシア、ジルコニア、窒化ケイ素、および／または炭化ケイ素等が挙げられる。また、金属部材としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ケイ素、およびケイ素合金等が挙げられる。

第１の被接合部材の形状は、特に限られず、第１の被接合部材は、棒状、板状、ディスク状、ブロック状、またはより複雑な形状であれば良い。第２の被接合部材の形状についても同様である。なお、第１の被接合部材と第２の被接合部材は、相互に異なる形状であっても良い。

第１の混合粒子１００としては、前述のＭＭＣの製造方法に関して説明したものと同じものが使用され得る。ただし、この接合体の製造方法において使用される第１の混合粒子１００の組成は、特に限られない。すなわち、この接合体の製造方法においては、第１の混合粒子１００は、２つの被接合部材を適正に接合することができる限り、いかなる組成を有しても良い。

なお、被接合部材への設置を容易に行うため、第１の混合粒子１００は、流動性を有するスラリーまたはペーストとして提供されることが好ましい。この場合、第１の混合粒子１００は、水、アルコール、トルエン、シクロヘキサン、ベンゼン等の溶媒中に分散された状態で使用される。

また、第１の混合粒子１００をペーストとして提供する場合、そのようなペーストは、
エバポレーター、マグネチックスターラー等により調製することができる。

あるいは、混合粒子として、前述のような、「液体状」の混合粒子１０１を使用しても良い。混合粒子１０１において、有機ケイ素系ポリマー１３０として、粘性の高い液体高分子を使用した場合、混合粒子１０１自身が流動性を有するようになり、被接合部材への設置が容易になる。

（ステップＳ８２０）
次に、第１および第２の被接合部材のうちの少なくとも一方の接合面に対して、第１の混合粒子１００が層状に設置される。

設置の方法は、特に限られない。第１の混合粒子１００は、塗布法、スプレー法、スピンコート、シート貼付法、ディッピング等により、被接合部材の接合面に設置されても良い。

（ステップＳ８３０）
次に、第１の被接合部材と第２の被接合部材とが、第１の混合粒子１００を含む層を介して、相互に重ね合わされる。これにより、組立体が構成される。

なお、第１の混合粒子１００がスラリー等の形態で提供されている場合、組立体を構成した後、次工程のステップＳ８４０の前に予備熱処理を実施して、溶媒を気化させても良い。

（ステップＳ８４０）
次に、ステップＳ８３０で構成された組立体が、熱処理される。

熱処理の実施により、第１の混合粒子１００中の有機ケイ素系ポリマー１３０が活性化する。またこれにより、セラミックス粒子１１０と金属粒子１２０の接触界面で、ケイ素（Ｓｉ）を含むガラス相が形成される。その結果、ガラス相を介して、第１の混合粒子１００中のセラミックス粒子１１０と金属粒子１２０とが相互に結合され、第１の被接合部材と第２の被接合部材との界面に、接合層が形成される。

さらに、接合層に含まれるガラス相により、第１の被接合部材と第２の被接合部材とが相互に接合される。

ここで、熱処理によって生成されるガラス相は、使用される金属粒子１２０の種類によって変化する。金属粒子１２０がアルミニウムを含む場合、ガラス相として、アルミノシリケートが形成される。また、金属粒子１２０がケイ素を含む場合、ガラス相として、シリカが形成される。

熱処理の条件は、第１および第２の被接合部材を適正に接合することができる限り、特に限られない。

ただし、第１の混合粒子１００中の有機ケイ素系ポリマー１３０の活性化温度は、約４３０℃以上であるため、熱処理は、４５０℃以上の温度域で実施される必要がある。

本複合体作製時の熱処理温度としては、４５０℃〜１５００℃の範囲が望ましい。１５００℃を超える場合は、ポリマーならびにポリマーから生成したガラス相が気化する恐れがある。

シロキサン系ポリマーを１３０として用いる場合、シロキサン系ポリマーが最も活性になるのは約５５０〜６５０℃であり、特に６００℃前後で実施されることが好ましい。ポリカルボシラン系ポリマーを１３０として用いる場合、ポリカルボシラン系ポリマーが最も活性になるのは６００℃〜１２００℃であり、特に８００℃〜１０００℃の範囲で実施されることが望ましい。

熱処理の雰囲気は、アルゴン、ヘリウム、および窒素などの不活性ガス雰囲気下、または真空雰囲気である。熱処理を大気または酸化性雰囲気下で実施した場合、有機ケイ素系ポリマー１３０が大気中の酸素によって酸化、分解されてしまい、有機ケイ素系ポリマー１３０をセラミックス粒子１１０と金属粒子１２０との結合に、有効に利用することが難しくなる。

以上の工程により、接合層を介して２つの被接合部材が接合された接合体を製造することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
平均粒径が１２μｍのアルミナ粉末（ＡＳ−４０：昭和電工社製）３．９５ｇと、平均粒径が３μｍのアルミニウム粉末（＃８００Ｆ：ミナルコ社製）１０．９６ｇと、ポリメチルフェニルシロキサン（ＫＦ−５４：信越化学社製）１．３ｇとを、トルエン溶媒中に添加して、十分に混合した。なお、この配合比では、計算上、アルミニウム粉末は、該アルミニウム粉末とアルミナ粉末の総体積に対して、８０ｖｏｌ％含まれ、ポリメチルフェニルシロキサンは、アルミニウム粉末とアルミナ粉末の総体積の約０．０１倍含まれる。

得られた混合液を加熱して溶媒を蒸発させ、混合粒子を得た。次に、この混合粒子を直径１０ｍｍのペレット状に圧粉して成形体を調製した。さらに、この成形体を、アルゴン雰囲気下、６００℃で１時間熱処理した。

これにより、アルミニウムとアルミナの複合体（実施例１に係る複合体）が得られた。

なお、成形体の熱処理の温度を４５０℃〜６００℃の範囲で変化させ、同様の実験を実施した。その結果、何れの熱処理温度においても、ほぼ同様の複合体が製造できた。

図９には、実施例１に係る複合体のＸ線回折分析の結果を示す。図９から明らかなように、Ｘ線回折分析の結果、アルミニウム、アルミナ、およびアルミノシリケートの回折ピークがそれぞれ観測された。

図１０には、実施例１に係る複合体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。図１０から、実施例１に係る複合体において、アルミナ粒子とアルミニウム粒子は、相互に良好に結合されていることがわかる。また、アルミナ粒子とアルミニウム粒子の界面での元素分析の結果、この場所には、ケイ素が存在していることが確認された。Ｘ線回折分析の結果から、このケイ素は、アルミノシリケートであると予想される。

さらに、複数の成形体または／および組立体を組み合わせて、更なる大型の複合体または／および接合体を作ることもできる。

（実施例２）
平均粒径が３μｍのアルミニウム粉末（＃８００Ｆ：ミナルコ社製）１０．９６ｇと、ポリメチルフェニルシロキサン（ＫＦ−５４：信越化学社製）７．５ｇとを、トルエン溶媒中に添加して、十分に混合した。得られた混合液を加熱して溶媒を蒸発させ、ポリメチルフェニルシロキサンでコーティングされたアルミニウム粉末を得た。

次に、このアルミニウム粉末と、平均粒径が１２μｍのアルミナ粉末（ＡＳ−４０：昭和電工社製）３．９５ｇとを混合し、混合粉末を調製した。

なお、この実施例２では、計算上、アルミニウム粉末は、該アルミニウム粉末とアルミナ粉末の総体積に対して、８０ｖｏｌ％含まれ、ポリメチルフェニルシロキサンは、アルミニウム粉末とアルミナ粉末の総体積の約１．７５倍含まれる。

得られた混合粉末を直径１０ｍｍのペレット状に圧粉して成形体を調製した。さらに、この成形体を、アルゴン雰囲気下、６００℃で１時間熱処理した。

これにより、アルミニウムとアルミナの複合体（実施例２に係る複合体）が得られた。

なお、成形体の熱処理の温度を４５０℃〜６００℃の範囲で変化させ、同様の実験を実施した。その結果、何れの熱処理温度においても、ほぼ同様の複合体が製造できた。

図１１には、実施例２に係る複合体のＸ線回折分析の結果を示す。図１１から明らかなように、Ｘ線回折分析の結果、アルミニウム、アルミナ、およびアルミノシリケートの回折ピークがそれぞれ観測された。

図１２には、実施例２に係る複合体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。図１２から、実施例２に係る複合体において、アルミナ粒子とアルミニウム粒子は、相互に良好に結合されていることがわかる。

以下の表１には、アルミナ粒子とアルミニウム粒子の界面（図１２の丸印位置）での元素分析の結果を示す。

表１から、この界面には、ケイ素が存在していることが確認された。

さらに、複数の成形体または／および組立体を組み合わせて、更なる大型の複合体または／および接合体を作ることもできる。

（実施例３）
平均粒径が１２μｍのアルミナ粉末（ＡＳ−４０：昭和電工社製）１１．８５ｇと、平均粒径が３μｍのアルミニウム粉末（＃８００Ｆ：ミナルコ社製）５．４ｇと、ポリメチルフェニルシロキサン（ＫＦ−５４：信越化学社製）０．８ｇとを、トルエン溶媒中に添加して、十分に混合した。なお、この配合比では、計算上、アルミニウム粉末は、該アルミニウム粉末とアルミナ粉末の総体積に対して、４０ｖｏｌ％含まれ、ポリメチルフェニルシロキサンは、アルミニウム粉末とアルミナ粉末の総体積の約０．０３倍含まれる。

得られた混合液を加熱して溶媒を蒸発させ、混合粒子を得た。次に、この混合粒子を直径１５ｍｍのペレット状に圧粉して成形体を調製した。さらに、この成形体を、アルゴン雰囲気下、６００℃で１時間熱処理した。

これにより、アルミニウムとアルミナの複合体（実施例３に係る複合体）が得られた。

図１３に、実施例３に係る複合体の写真を示す。

なお、成形体の熱処理の温度を４５０℃〜６００℃の範囲で変化させ、同様の実験を実施した。その結果、何れの熱処理温度においても、ほぼ同様の複合体が製造できた。

実施例３に係る複合体のＸ線回折分析の結果、アルミニウム、アルミナ、およびアルミノシリケートの回折ピークがそれぞれ観測された。

また、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察の結果、実施例３に係る複合体において、アルミナ粒子とアルミニウム粒子は、相互に良好に結合されていることがわかった。また、アルミナ粒子とアルミニウム粒子の界面での元素分析の結果、この場所には、ケイ素が存在していることが確認された。Ｘ線回折分析の結果から、このケイ素は、アルミノシリケートであると予想される。

さらに、複数の成形体または／および組立体を組み合わせて、更なる大型の複合体または／および接合体を作ることもできる。

このように、本発明の一実施形態による混合粉末を使用した場合、比較的簡単なプロセスで、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）を製造できることが確認された。

本発明は、金属−セラミックス複合体（ＭＭＣ）の製造、および２つの部材の接合等に利用することができる。

１００ 第１の混合粒子
１０１ 第１の混合粒子（変形例）
１１０ セラミックス粒子
１２０ 金属粒子
１３０ 有機ケイ素系ポリマー
２００ 第２の混合粒子
２１０ セラミックス粒子
２２０ 金属粒子
２３０ 有機ケイ素系ポリマー
３００ 第３の混合粒子
３１０ セラミックス粒子
３２０ 金属粒子
３３０ 有機ケイ素系ポリマー

Claims (16)

1. セラミックス粒子、金属粒子、および有機ケイ素系ポリマーを含むことを特徴とする混合粒子。
2. 前記金属粒子は、該金属粒子と前記セラミックス粒子の総体積に対して、４０〜８０ｖｏｌ％の範囲で含まれていることを特徴とする請求項１に記載の混合粒子。
3. 前記有機ケイ素系ポリマーは、前記金属粒子と前記セラミックス粒子の総体積に対して、０．０００３倍〜１．７５倍の体積範囲で含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の混合粒子。
4. 前記有機ケイ素系ポリマーは、シロキサン系ポリマー、ポリカルボシラン系ポリマー、または、シロキサン系ポリマーまたはポリカルボシラン系ポリマーを１種類以上含有する混合ポリマーであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の混合粒子。
5. 前記セラミックス粒子は、アルミナ、ムライト、カルシア、ジルコニア、窒化ケイ素、および炭化ケイ素からなる群から選定される材料を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の混合粒子。
6. 前記金属粒子は、アルミニウム、アルミニウム合金、ケイ素、およびケイ素合金からなる群から選定される材料を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の混合粒子。
7. 前記金属粒子は、平均直径が１μｍ〜２０００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の混合粒子。
8. 前記セラミックス粒子は、平均直径が０．０１μｍ〜２０００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の混合粒子。
9. 前記セラミックス粒子は、前記有機ケイ素系ポリマーでコーティングされていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の混合粒子。
10. 前記金属粒子は、前記有機ケイ素系ポリマーでコーティングされていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一つに記載の混合粒子。
11. 前記混合粒子は、金属−セラミックス複合体の製造用の原料として使用されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の混合粒子。
12. 前記混合粒子は、２つの部材の接合材として使用されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の混合粒子。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一つに記載の混合粒子を含むスラリー。
14. 請求項１乃至１２のいずれか一つに記載の混合粒子を加熱し結合してなることを特徴とする、金属−セラミックス複合体。
15. 請求項１３に記載のスラリーを加熱し結合してなることを特徴とする、金属−セラミックス複合体。
16. セラミックス部材同士、金属部材同士、またはセラミックス部材および金属部材で構成された接合体であって、
    前記セラミックス部材は、アルミナ、ムライト、カルシア、ジルコニア、窒化ケイ素、および炭化ケイ素からなる群から、また、前記金属部材は、アルミニウム、アルミニウム合金、ケイ素、およびケイ素合金からなる群から、それぞれ選定され、
    前記接合体を構成する各部材の接合部分に請求項１乃至１２のいずれか一つに記載の混合粒子または請求項１３に記載のスラリーを介在させ加熱し接合することを特徴とし、前記接合体を構成する各部材の接合間にケイ素を含むガラス相を有する接合体。