JP5052101B2 - 接合方法 - Google Patents
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Description
(特許文献2)においては、カーボン系材料からなる基材と、成形面となるガラス状カーボンを、カーボン系の接着剤を用いて接合するアイデアである。基材、接着剤、ガラス状カーボンの三者の熱膨張率は比較的近く、熱による応力の発生は比較的少ないと考えられる。
(特許文献5)では、SiC基材の上に中間材を設けて、ホットプレス法により接合を行い、ガラス成形型とした例がある。
このような接合体をガラス成形型に用いると、昇温と降温の成形サイクルを繰り返すことで熱疲労破壊することが容易に推察できる。特に、SiCとろう材の界面は、SiCのヤング率が高いために発生する応力も大きくなり、この界面で熱疲労破壊する可能性が高い。
本発明の請求項3記載の接合方法は、請求項2において、前記炭素材料と前記炭化物系セラミックス材料との間に前記炭化物系セラミックス材料の炭素以外の構成元素より成る層を挟んで積層する工程は、前記炭素材料または前記炭化物系セラミックス材料の接合面の少なくとも一方に、前記炭化物系セラミックス材料の炭素以外の構成元素より成る層を成膜してから積層することを特徴とする。この構成によると、炭素材料と炭化物系セラミックス材料との間に、前記炭化物系セラミックス材料の炭素以外の構成元素を容易に挟むことができる。
図1は、本発明の接合方法による接合体の製作プロセスフローである。
1は炭素材料としてのガラス状カーボンである。2は基材としてのセラミックスで、具体的には炭化物系セラミックスとしての炭化珪素である。ガラス状カーボン1の接合面1aとセラミックス2の接合面2aは、あらかじめ平滑に研磨しておくと接合時に有効である。図では平面のように描いているが、曲面であってもかまわない。
前述した概略の工程を、各工程毎に詳述する。
炭素材料(例えばガラス状カーボン)と炭化物系セラミックス材料(例えば炭化珪素)を、真空中で珪素薄膜を介して密に接触させ、適度に温度を上げると、各材料の構成原子の拡散が活発に生じるようになる。しかし、原子間の結合エネルギー(=原子の拘束力:移動のしにくさの指標)が材料によって大きく異なるため、拡散による原子の移動速度は材料によって大きく異なる。炭化珪素中の炭素と珪素は非常に強く共有結合し、化学的に安定化しているのに対して、珪素は温度を上げることで著しく活性化し、材料自身の中での原子拡散(自己拡散と呼ばれる現象)が活発に生じるようになる。また、珪素中への炭素の溶解度、炭化珪素中への珪素の溶解度は、いずれも非常に微々たるものであることが知られている。したがって、珪素中への炭素、および炭化珪素中への珪素の拡散溶解はほとんど生じないと考えられる。以上のことから、接合界面で生じる原子移動は、珪素薄膜からガラス状カーボンへの原子拡散がほとんどであることが分かる。
本発明は必ずしも図4と同じ構成でなくとも実現できるが、一例として使用した接合装置について説明する。
所定の温度プロファイルに基づいて制御すると、誘導コイル10に電流が流れ、加熱体11が昇温する。その結果、加熱体11のさらに内側に設けた試料(ガラス状カーボン1、セラミックス2と図示していない珪素膜3)を輻射で加熱する。温度は加熱体11の温度を熱電対12で測定し、制御できるようになっている。
図5に本発明の接合プロセスの一例を、図4の接合装置によるプロセスフローの概念図を示した。
その後、加熱を止める。ここでは圧力を保持した状態で、自然冷却した。温度計測部が200℃以下になった段階で、真空度を下げて大気圧に戻し、試料への加圧を解除した。
図7中のポイントXは、セラミックス2の炭化珪素部である。炭化珪素中の元素比率は、珪素と炭素が50対50となる。しかしながら本測定では、見かけ上、炭素に比べて珪素の割合が多く見えるが、軽元素である炭素の検出感度が低いためである。またガリウムが検出されているが、FIBで加工したためであり、本来は無い元素である。酸素も若干検出されているが、詳細は不明である。ガリウム、酸素の存在は、ポイントX,Y,Zともに共通である。
(表1)に示した実験例では、真空度が1×10−3Pa、接合面に付与する圧力が50〜65MPa、加熱体11の温度が1100〜1450℃であったが、真空度が少なくとも1×10−1Pa以上、接合面に付与する圧力が少なくとも5MPa以上で良好な結果が得られた。
上パンチ17と下パンチ18は一対の構成であり、本発明によるところの接合体からなる。すなわち、レンズ19の成形用凹部(成形面)16がガラス状カーボン1の面1bに形成されている。
2 セラミックス(炭化珪素)
3 珪素膜(中間材)
4 混合層
7 真空ポンプ
9 油圧シリンダ
10 誘導コイル
11 加熱体
12 熱電対
13 断熱材
14 プレス治具
15 熱電対
17 上パンチ
18 下パンチ
19 レンズ
20 胴型
21 誘導加熱ユニット
22 加圧軸
23 ベース
Claims (6)
- 炭素材料と前記炭素材料との接合面に炭素を構成元素の一つとする炭化物系セラミックス材料とを積層して接合するに際し、
前記炭素材料と前記炭化物系セラミックス材料との間に前記炭化物系セラミックス材料の炭素以外の構成元素より成る層を挟んで積層する工程と、
積層した前記炭素材料と前記炭化物系セラミックス材料を接合装置のチャンバーにセットして前記チャンバーの内部を真空引きする工程と、
積層した前記炭素材料と前記炭化物系セラミックス材料の接合面に圧力を付与する工程と、
接合装置の前記チャンバーを昇温して前記炭化物系セラミックス材料の炭素以外の構成元素より成る層と前記炭化物系セラミックス材料の間で原子拡散を誘起する工程と
を有し、前記炭化物系セラミックス材料は炭化珪素であり、前記接合面に付与する圧力が少なくとも5MPa以上である
接合方法。 - 前記炭化物系セラミックス材料の炭素以外の構成元素より成る層の接合温度は、1100℃〜1350℃である
請求項1記載の接合方法。 - 前記炭素材料と前記炭化物系セラミックス材料との間に前記炭化物系セラミックス材料の炭素以外の構成元素より成る層を挟んで積層する工程は、
前記炭素材料または前記炭化物系セラミックス材料の接合面の少なくとも一方に、前記炭化物系セラミックス材料の炭素以外の構成元素より成る層を成膜してから積層することを特徴とする
請求項1または請求項2記載の接合方法。 - 前記炭素材料が、ガラス状カーボン、ダイヤモンド、グラファイトあるいはフラーレン結晶体であることを特徴とする
請求項1〜請求項3の何れかに記載の接合方法。 - 前記炭化物系セラミックス材料の炭素以外の構成元素より成る層の成膜厚みが1マイクロメートル以下であることを特徴とする
請求項1〜請求項4の何れかに記載の接合方法。 - 前記チャンバーの内部を真空引きする工程では、
前記チャンバーの内部を真空引きし雰囲気圧力を1×10 −1 Pa以上の真空度に高め、前記原子拡散を誘起する工程の後に、前記チャンバーの内部の雰囲気圧力を、1×10 −1 Pa以上の真空度から大気圧に戻す大気開放工程を、さらに有する
請求項1〜請求項5の何れかに記載の接合方法。
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