JP5009072B2 - 接合体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の排気ガス処理装置に使用されるハニカムや腐食下で使用される触媒担体やフィルターおよび半導体製造装置をはじめとする多孔体を使用する各産業分野に関わる。

ＳｉＣは耐熱性、耐食性に優れており、半導体製造装置部材や自動車部品として用いられている。ＳｉＣは焼結温度が高く、雰囲気も不活性ガス下で行うことから、大きさに制限があり、複雑形状品を作製することが困難であった。このような問題を解決するために、接合技術が種々提案されてきた。接合で特に問題となるのは接合材との熱膨張差による残留応力である。残留応力が大きい場合、接合後に残留ひずみが発生し、接合部の強度が低下するという問題が発生する。これまでそれを解決するためにＳｉＣと熱膨張係数が近い金属シリコンが接合材として用いられてきた。金属シリコンは粉末や薄板など形状も多様で、容易に手に入る材料であり、ＳｉＣ表面上に残留するカーボンと反応してＳｉＣを形成するというメカニズムで接合するため、更に熱膨張差が緩和されやすい点でＳｉＣの接合に適している。

近年、半導体製造装置部材および自動車部品としてＳｉＣの用途は更なる広がりをみせ、ＳｉＣの緻密な焼結体とともに多孔体の要求も高まっている。ＳｉＣの多孔体は耐熱性、耐食性に優れているため、触媒担体やフィルターとして用いられている。その使用範囲は幅広く、様々な形状のＳｉＣ多孔体が要求されている。

しかし、ＳｉＣ多孔体も緻密体同様に製造できる形状に限界があり、所望の形状を作製するためにはＳｉＣ多孔体同士の接合やＳｉＣの緻密体との接合が必要不可欠である。

このようなＳｉＣ多孔体に関する接合技術が種々提案されている。例えば、特許文献１には、含珪素セラミックからなる多孔質体の開放気孔中に、金属シリコンを含浸した複数のセラミック・金属複合体製の２つの基材からなるセラミック部材が開示されている。この基材同士は、金属シリコンからなる接合層を介して接合されている。
特開２００２−１１６５３号公報

上述のように金属シリコンは、ＳｉＣとの熱膨張差が小さいだけでなく、ＳｉＣ表面にある残留カーボンと反応するため、濡れ性が良く、接合材として良好にその特性を発揮する。しかし、ＳｉＣの多孔体の場合、その内部にも残留カーボンが多く存在するため、接合材の金属シリコンが接合面のみに留まらず、多孔体内部にまで過剰に浸透してしまい、気孔部分が埋まってしまうことがあった。そのため、フィルターとして使用する際など十分な連通部を確保できず、安定した流量を確保するのが困難であった。特にＳｉＣ多孔体の気孔径が大きい場合、接合材である金属シリコンの浸透が容易に進むため、気孔部分が金属シリコンで埋まり、逆に接合部の金属シリコンの量が不十分となり接合強度が得られない場合があった。したがって、流量を多く流すために気孔径が大きいものや気孔率が高い多孔体を金属シリコンで接合することは不可能であった。

本発明では気孔径が大きく、気孔率が高い多孔体を用いた場合であっても、多孔体の機能を確保しつつ十分な接合強度を有する接合体およびその製造方法を提供する。

本発明者等は、これらの問題を解決するため、ＳｉＣ多孔体にＳｉＣの充填率が高い部分を設け、その部分に金属シリコンを浸透させて、浸透層を形成し、その後浸透層を加工することによりその厚みを制御して接合する方法を見出し、本発明をするに至った。

すなわち本発明は、ＳｉＣ多孔体と金属シリコンの接合層とを含む接合体であって、ＳｉＣ多孔体に浸透した金属シリコンの浸透層の厚みが５０μｍ以下であり、かつ、前記浸透層のＳｉＣ充填率が５０％以上であることを特徴とする。

通常のＳｉＣの表面には未反応のカーボンや多孔体を作製する際のバインダーが残留している。金属シリコンはカーボンと容易に反応しＳｉＣを形成する。その際の反応エネルギーによって金属シリコンはＳｉＣ多孔体の内部に浸透する。ＳｉＣと金属シリコンの濡れ性を改良することによりある程度金属シリコンの浸透を抑えることが出来るが、金属シリコンの浸透距離を短く制御することは困難であった。そこで、本発明では、一度金属シリコンを多孔体に浸透させて浸透層を形成し、加工により金属シリコン浸透層の厚みを小さくすることにより、接合体における多孔体の浸透層の厚みを５０μｍ以下にできることを見出したものである。浸透層の厚みが５０μｍ以下であれば、多孔体の大きさや形状に関わらず多孔体の機能を発揮することが容易になり、種々の製品に適用することが可能となる。浸透層の厚みの下限は特に限定されないが、２０μｍ以上であることが好ましい。接合材が少なくとも２０μｍ程度多孔体の内部に浸透することでアンカー効果により強固に接合できる。

金属シリコンが浸透した浸透層のＳｉＣ充填率は５０％以上であることが好ましく、６０％以上がより好ましい。浸透層のＳｉＣ充填率を高めることで、多孔体内部への過剰な金属シリコンの浸透を防ぐことができ、気孔率が大きく、気孔率が高い多孔体を用いた場合であっても、その機能を損なうことなく接合体を得ることができる。浸透層のＳｉＣ充填率の上限は特に限定されないが、現実的には７０％まで高めることが可能である。

また、ＳｉＣ多孔体の気孔率は５０％以上であることが好ましい。本発明のＳｉＣ多孔体は、触媒担体やフィルター等として用いた場合に十分な流量を確保できる気孔率を有しており、上述のように浸透層の厚みを小さくすることで、多孔体の機能を発揮できるような接合体を得ることができる。

また、本発明では、接合層の厚みが１００μｍ以下の接合体を得ることができる。本発明の接合体では、多孔体内部への過剰な金属シリコンの浸透が抑制されているので、接合層の厚みが小さくても、強固に接合することが可能である。したがって、多孔体として機能しない浸透層および接合層の部分が少ない接合体を得ることができる。

さらに、接合層の厚みが１０μｍ以下の接合体とすることが可能である。浸透層に十分量の金属シリコンが含まれており、それを接合材として機能させることにより、新たに接合材として金属シリコンを補給することなく、接合層の厚みが１０μｍ以下と小さい接合体を得ることができる。接合層の厚みを１０μｍ以下とすることにより、浸透層の厚みが少ないことと相俟って、多孔体としての機能を十分に確保しつつ、種々の用途、形状に適用可能な接合体を提供できる。

また、本発明は、ＳｉＣ多孔体の少なくとも一部にＳｉＣ粉末のスラリーを含侵させて含侵部を形成する工程と、前記含侵部に金属シリコンを浸透させて、ＳｉＣ充填率が５０％以上である浸透層を形成する工程と、前記浸透層を５０μｍ以下の厚みに加工して接合面を形成する工程と、を含むことを特徴とする接合体の製造方法を提供する。

金属シリコンを浸透させる際、多孔体の接合面に微粉のＳｉＣ粉末を含侵させて含侵部を形成し、ＳｉＣの充填率を高くする。それにより接合材である金属シリコンが過剰に多孔体内部に浸透することを防止する。含侵部のＳｉＣ充填率は５０％以上が好ましく、６０％以上がより好ましい。５０％に満たない充填率ではシリコンの浸透を十分に防ぐことが出来ず、多孔体全体にシリコンが浸透してしまうおそれがあるからである。

このようにＳｉＣ多孔体の接合面におけるＳｉＣの充填率を高めた含侵部を形成し、その箇所にシリコンを一度浸透させることにより、金属シリコンの過剰な浸透を防ぐことが出来る。

さらに、本発明では、浸透層を５０μｍ以下の厚みに加工して接合面を形成するので、多孔体として機能しない浸透層の部分が少ない接合体を得ることができる。

上述のように、ＳｉＣ多孔体にＳｉＣの充填率が高い部分を設け、その部分に金属シリコンを浸透させて、浸透層を形成し、その後浸透層を加工して、その厚みを制御して接合することにより、気孔径が大きく、気孔率が高い多孔体を用いた場合であっても、多孔体の機能を十分に確保しつつ接合された接合体が得られる。

本発明のＳｉＣ多孔体としては、気孔率５０％以上のものが好適に用いられる。気孔率が５０％以上であれば、触媒担体やフィルター等の多孔体として機能させることができる。気孔率の上限は特に限定されないが、７０％以下とすることが望ましい。気孔率が７０％よりも大きな多孔体では多孔体自体の強度が著しく低下するため好ましくない。また、ＳｉＣ多孔質体の気孔径は、１０〜１００μｍが好ましい。このような範囲であれば、触媒担体やフィルター等の多孔体として好適に機能させることができる。

ＳｉＣ多孔体は、公知の製法により作製したものを用いることができる。例えば、ＳｉＣ粉末に造孔材を加えて成形したものを焼結する方法や、ポリウレタン等の樹脂製の多孔質体に金属シリコンを浸透させて作製する方法により得ることができる。

ＳｉＣ多孔体に含侵させる微粉のＳｉＣ粉末は、平均粒径５μｍ以下のものを用いることが好ましい。このような範囲の粒径のものを用いれば、上述の気孔径のＳｉＣ多孔体に適切に含侵させることができる。

ＳｉＣ粉末のスラリーを含侵させる方法としては、含侵部を形成しようとする面に刷毛等で塗布しても良いし、所定深さだけスラリーに浸漬しても良い。含侵部の厚みについては、スラリーの粘性や塗布回数、浸漬深さ等により調整することができる。

接合材である金属シリコンの形態としては、粉末、板、箔等を用いることができる。金属シリコン粉末に樹脂バインダーを加えて、シート状に成形したものを用いても良い。

接合面の加工は、平面研削やマシニングセンタ等、作製しようとする接合体の形状に応じて種々の方法を採用することができる。接合材を用いない場合、すなわち、浸透層の金属シリコンによって接合する場合は、接合面に隙間が生じないように加工することが望ましい。隙間の大きさが１０μｍ以上であると、十分に金属シリコンが供給されず、接合できないおそれがある。

接合および金属シリコンの浸透は、真空または不活性ガス下、１４１０〜１５００℃で行うことが好ましい。金属シリコンの融点である１４１０℃以下では接合材である金属シリコンが熔融しないため、十分な接合効果を発揮できない。また、１５００℃以上では金属シリコンが揮発するため、接合材が不足してしまう。

以下、実施例と比較例を示して、本発明を説明する。
［実施例１〜８、比較例１、２］
ＳｉＣの多孔体として気孔率５０％で平均気孔径４０μｍのもの（多孔体（１））と気孔率６５％で平均気孔径３０μｍのもの（多孔体（２））を使用した。これらの形状は５０ｍｍ×５０ｍｍ×ｔ１０ｍｍである。またこれらと同形状のＳｉＣ緻密体（相対密度９８％）と多孔体との接合も行った。なお、気孔率はアルキメデス法により、平均気孔径は、水銀圧入法により求めた。

ＳｉＣ多孔体へのＳｉＣ粉末の含侵は、市販のＳｉＣ粉末にイソプロピルアルコールを添加したスラリーを作製し、これをＳｉＣ多孔体の接合面に塗布することにより行った。使用したＳｉＣ粉末の平均粒径は３.４μｍ（ＳｉＣ粉末Ａ）と４.５μｍ（ＳｉＣ粉末Ｂ）の２種類である。ＳｉＣ粉末を塗布した後、１００℃で５時間乾燥させた。なお、平均粒径（ｄ５０）は、レーザ回折/散乱式粒度分布計（堀場製作所（登録商標）製ＬＡ−９２０）を用いた測定値である。

ＳｉＣ粉末含侵部への金属シリコンの浸透は、真空カーボン炉を使用し、Ａｒ中で１４５０℃-１.５ｈｒ（昇温速度１００℃/ｈｒ）の条件で行った。

別途ＳｉＣ粉末を多孔体内部まで含侵させた５０×５０×ｔ３の多孔体に金属シリコンを完全に浸透させ、その密度からＳｉＣの充填率を求めた。その結果を表１に示す。これよりすべての組み合わせでＳｉＣの充填率が５０％以上であったことから、接合体における浸透層のＳｉＣ充填率も５０％以上ある根拠とした。なお、表中、「多孔体（１）-Ａ」は多孔体（１）にＳｉＣ粉末Ａを含侵させたものを示す。また、比較例として多孔体（２）についても表に付した。

接合面の加工は、多孔体の金属シリコンの浸透層を＃６００番の砥石を用いて研削し、浸透層の平均厚さを３０〜４０μｍとした。

接合は、Ｓｉ粉末を有機バインダーで固めた厚さ３００μｍのシリコンシートを接合材とし、Ａｒ中で１４５０℃-０.５ｈｒ（昇温速度１００℃/ｈｒ）の条件で行った。また、接合が良好に行なわれるように荷重をかけた。具体的には、ＳｉＣの焼結体を５００ｇのせた。比較のため浸透層を形成しなかった多孔体（２）についても接合を行った（比較例１、２）。

＜評価方法＞
接合後の評価は浸透層および接合層の厚さをマイクロスコープで観察し、その平均値で評価を行った。また、接合の強度については、曲げ試験（ＪＩＳＲ１６２４）を行ったときに接合面でなく多孔体の部分で破断したものは強固に接合できたと判断した。結果を表２に示す。多孔体同士を接合した接合体の浸透層の厚さについては、「設置面側の多孔体の浸透層厚さ（μｍ）−荷重（ＳｉＣ焼結体）側の多孔体の浸透層厚さ（μｍ）」と表記した。

実施例１〜８の浸透層の厚さは、すべて５０μｍ以下であり、接合体は、金属シリコンにより強固に接合されていた。浸透層を形成しなかった比較例１および２では、金属シリコンが多孔体に過剰に浸透したため、浸透層が１００μｍ以上と大きくなった。また、接合層には空隙が生じており、強固に接合できなかった。

［実施例９〜１１］
次にシリコンシートの接合材を用いずに接合した実施例９〜１１について説明する。実施例１〜８と同様の方法でＳｉＣ多孔体に金属シリコンを浸透させ、接合面を加工した。接合はシリコンシートの接合材を用いず、浸透条件を１４５０℃-０.２５ｈｒ（昇温速度１００℃/ｈｒ）とした以外は実施例１〜８と同様の方法で行った。接合体の組み合わせと浸透層および接合層の厚さを表３に示す。

接合層の厚さは１０μｍ以下であった。接合層の厚さは、一部で極めて小さくなっており、接合面同士が接触している部分も見られたが、空隙等は無く、強固に接合されていた。

以上より、ＳｉＣ多孔体にＳｉＣの充填率が高い部分を設け、その部分に金属シリコンを浸透させて、浸透層を形成し、その後浸透層を加工して、その厚みを制御して接合することにより、気孔径が大きく、気孔率が高い多孔体を用いた場合であっても、多孔体の機能を十分に確保しつつ接合された接合体が得られた。

Claims (5)

1. ＳｉＣ多孔体と金属シリコンの接合層とを含む接合体であって、ＳｉＣ多孔体に浸透した金属シリコンの浸透層の厚みが５０μｍ以下であり、かつ、前記浸透層のＳｉＣ充填率が５０％以上であることを特徴とする接合体。
2. 請求項１記載の接合体において、
   前記ＳｉＣ多孔体の気孔率が５０％以上であることを特徴とする接合体。
3. 請求項１又は２記載の接合体において、前記接合層の厚みが１００μｍ以下であることを特徴とする接合体。
4. 請求項３記載の接合体において、前記接合層の厚みが１０μｍ以下であることを特徴とする接合体。
5. 請求項１記載の接合体の製造方法であって、
   ＳｉＣ多孔体の少なくとも一部にＳｉＣ粉末のスラリーを含侵させて含侵部を形成する工程と、
   前記含侵部に金属シリコンを浸透させて、ＳｉＣ充填率が５０％以上である浸透層を形成する工程と、
   前記浸透層を５０μｍ以下の厚みに加工して接合面を形成する工程と、を含むことを特徴とする接合体の製造方法。