JP5789177B2 - 多結晶セラミックス接合体およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の多結晶セラミックス接合体は、第1の多結晶セラミックス基材と、第2の多結晶セラミックス基材とが、接合層を介して接合された接合体である。
本発明で用いられる第1の多結晶セラミックス基材は、接合層を介して第2の多結晶セラミックス基材と接合される多結晶セラミックス基材である。
本発明で用いられる第2の多結晶セラミックス基材は、接合層を介して第1の多結晶セラミックス基材と接合される多結晶セラミックス基材である。
Al2O3を主体相として含む第2の多結晶セラミックス基材とは、第2の多結晶セラミックス基材中のAl2O3結晶相の質量比率が最も大きい多結晶セラミックス基材である。
Al2O3を主体相として含み従属相としてZrO2を含む第2の多結晶セラミックス基材とは、第2の多結晶セラミックス基材中のAl2O3結晶相の質量比率が最も大きく、かつZrO2結晶相を含む多結晶セラミックス基材である。
Al2O3を主体相として含みZrO2を含まない第2の多結晶セラミックス基材とは、第2の多結晶セラミックス基材中のAl2O3結晶相の質量比率が最も大きく、かつZrO2を実質的に含まない多結晶セラミックス基材である。
Y2O3を主体相として含む第2の多結晶セラミックス基材とは、第2の多結晶セラミックス基材中のY2O3結晶相の質量比率が最も大きい多結晶セラミックス基材である。
第1の多結晶セラミックス基材と第2の多結晶セラミックス基材とは、第1の多結晶セラミックス基材の20〜900℃の平均熱膨張率と、第2の多結晶セラミックス基材の20〜900℃の平均熱膨張率との差が小さいと、多結晶セラミックス接合体が接合層で破断し難いため好ましい。
接合層は、Y2O3、Al2O3、SiO2およびZrO2から選ばれる少なくとも3種類の酸化物を含む複合酸化物からなり、この複合酸化物により、第1の多結晶セラミックス基材と第2の多結晶セラミックス基材とを接合する。
接合層を構成する複合酸化物がY2O3、Al2O3およびSiO2からなるY2O3−Al2O3−SiO2系複合酸化物である場合、Y2O3−Al2O3−SiO2系複合酸化物は、Y2O3100質量部に対して、Al2O3を、通常5〜400質量部、好ましくは50〜350質量部、さらに好ましくは50〜200質量部含む。
接合層を構成する複合酸化物がY2O3、Al2O3、SiO2およびZrO2からなるY2O3−Al2O3−SiO2−ZrO2系複合酸化物である場合、Y2O3−Al2O3−SiO2−ZrO2系複合酸化物は、Y2O3100質量部に対して、Al2O3を、通常5〜400質量部、好ましくは50〜350質量部、さらに好ましくは50〜200質量部含む。
接合層は、厚さが、通常5〜500μm、好ましくは25〜400μm、さらに好ましくは30〜250μmである。
本発明の多結晶セラミックス接合体の製造方法は、第1の多結晶セラミックス基材と、第2の多結晶セラミックス基材とを、接着剤を介して接着し、熱処理して接合する方法である。
本発明で用いられる接着剤は、Y2O3、Al2O3、SiO2およびZrO2から選ばれる少なくとも3種類の酸化物を含む接着剤である。
接着剤がY2O3−Al2O3−SiO2系接着剤である場合、接着剤は、Y2O3、Al2O3およびSiO2を、接合層を構成するY2O3−Al2O3−SiO2系複合酸化物と同じ質量比率で含む。
接着剤がY2O3−Al2O3−SiO2−ZrO2系接着剤である場合、接着剤は、Y2O3、Al2O3、SiO2およびZrO2を、接合層を構成するY2O3−Al2O3−SiO2−ZrO2系複合酸化物と同じ質量比率で含む。
接着剤は、第1の多結晶セラミックス基材または第2の多結晶セラミックス基材の接着面に塗布される。
(多結晶セラミックス接合体の作製)
<第1の多結晶セラミックス基材>
第1の多結晶セラミックス基材として、イットリア(Y2O3)のみからなる平板状のイットリア多結晶セラミックス基材を用意した(基材A−1)。
基材A−1について、20〜900℃における平均熱膨張率を測定した。
20〜900℃における平均熱膨張率(1/K)は、JIS R 1618に準拠して測定したものである。
第2の多結晶セラミックス基材として、アルミナ(Al2O3)のみからなる平板状のアルミナ多結晶セラミックス基材を用意した(基材B−1)。
また、基材B−1について、基材A−1と同様にして、20〜900℃における平均熱膨張率を測定した。
基材A−1の20〜900℃における平均熱膨張率と、基材B−1の20〜900℃における平均熱膨張率とから差を求め、この差を絶対値として表した。
この平均熱膨張率の差の絶対値を、基材A−1の20〜900℃における平均熱膨張率と基材B−1の20〜900℃における平均熱膨張率のうちの大きい方の値で除して、平均熱膨張率の差の比率(%)を算出した。
<接着剤>
接着剤として、イットリア(Y2O3)粉末100質量部と、アルミナ(Al2O3)粉末200質量部と、シリカ(SiO2)粉末400質量部とを、水とともに混合して、イットリア、アルミナおよびシリカを含むペーストを作製した。
<第1および第2の多結晶セラミックス基材の接合>
基材A−1の表面に接着剤であるペーストを、焼成後の接合層の厚さが200μmになるように塗布し、このペーストが塗布された表面に基材B−1を載置して、基材A−1と基材B−1とが接着剤で仮接着された仮接着体を作製した。
この仮接着体を、大気中、1500℃で5時間熱処理したところ、基材A−1と基材B−1とが接合層で接合された多結晶セラミックス接合体が得られた。
(多結晶セラミックス接合体の評価)
得られた多結晶セラミックス接合体について、JIS R 1601に準じて、4点曲げ強度を測定した。4点曲げ強度測定用のサンプルは、多結晶セラミックス接合体の接合層が破断面になるように作製した。
表3に、基材の種類と平均熱膨張率の差の比率を示す。表4に、ペースト中の酸化物の組成、接合層の厚さ、および4点曲げ強度の測定結果を示す。
なお、以下に示す実施例および比較例についても、表3に基材の種類と平均熱膨張率の差の比率を示し、表4にペースト中の酸化物の組成、接合層の厚さ、および4点曲げ強度の測定結果を示した。
接着剤であるペースト中の酸化物の組成、または接合層の厚さを表4に示すように変えた以外は実施例1−1と同様にして、多結晶セラミックス接合体を作製した。
得られた多結晶セラミックス接合体について、実施例1−1と同様にして4点曲げ強度を測定した。
<第1の多結晶セラミックス基材>
第1の多結晶セラミックス基材として、イットリア(Y2O3)、アルミナ(Al 2 O 3 )およびジルコニア(ZrO 2 )からなる平板状のイットリア−アルミナ−ジルコニア多結晶セラミックス基材を用意した(基材A−2)。
基材A−2について、基材A−1と同様にして20〜900℃における平均熱膨張率を測定した。
表1に、基材A−2の組成を示す。
<第2の多結晶セラミックス基材>
第2の多結晶セラミックス基材として、アルミナ(Al 2 O 3 )及びジルコニア(ZrO 2 )からなる平板状のアルミナ−ジルコニア多結晶セラミックス基材を用意した(基材B−2)。
基材B−2について、基材A−1と同様にして20〜900℃における平均熱膨張率を測定した。
表2に、基材B−2の組成を示す。
<平均熱膨張率の差の比率>
基材A−2および基材B−2について、実施例1−1と同様にして、平均熱膨張率の差の比率を算出した。
<第1および第2の多結晶セラミックス基材の接合>
基材A−1に代えて基材A−2を用いるとともに基材B−1に代えて基材B−2を用いた以外は実施例1−1と同様にして、多結晶セラミックス接合体を作製した。
(多結晶セラミックス接合体の評価)
得られた多結晶セラミックス接合体について、実施例1−1と同様にして4点曲げ強度を測定した。
接着剤であるペースト中の酸化物の組成、または接合層の厚さを表4に示すように変えた以外は実施例1−1と同様にして、多結晶セラミックス接合体を作製した。
得られた多結晶セラミックス接合体について、実施例1−1と同様にして4点曲げ強度を測定した。
<第1の多結晶セラミックス基材>
第1の多結晶セラミックス基材として、イットリア(Y2O3)、アルミナ(Al 2 O 3 )およびジルコニア(ZrO 2 )からなる平板状のイットリア−アルミナ−ジルコニア多結晶セラミックス基材を用意した(基材A−3)。
基材A−3について、基材A−1と同様にして20〜900℃における平均熱膨張率を測定した。
表1に、基材A−3の組成を示す。
<第2の多結晶セラミックス基材>
第2の多結晶セラミックス基材として、イットリア(Y 2 O 3 )のみからなる平板状のイットリア多結晶セラミックス基材を用意した(基材B−3)。
基材B−3について、基材A−1と同様にして20〜900℃における平均熱膨張率を測定した。
表2に、基材B−2の組成を示す。
<平均熱膨張率の差の比率>
基材A−3および基材B−3について、実施例1−1と同様にして、平均熱膨張率の差の比率を算出した。
<第1および第2の多結晶セラミックス基材の接合>
基材A−1に代えて基材A−3を用いるとともに基材B−1に代えて基材B−3を用いた以外は実施例1−1と同様にして、多結晶セラミックス接合体を作製した。
(多結晶セラミックス接合体の評価)
得られた多結晶セラミックス接合体について、実施例1−1と同様にして4点曲げ強度を測定した。
結晶セラミックス接合体の評価)
得られた多結晶セラミックス接合体について、実施例2−1と同様にして4点曲げ強度を測定した。
(多結晶セラミックス接合体の作製)
<第1の多結晶セラミックス基材>
第1の多結晶セラミックス基材として、基材A−1を用いた。
<第2の多結晶セラミックス基材>
第2の多結晶セラミックス基材として、基材B−1を用いた。
<接着剤>
接着剤として、イットリア(Y2O3)粉末100質量部と、アルミナ(Al2O3)粉末200質量部と、シリカ(SiO2)粉末400質量部と、ジルコニア(ZrO2)粉末300質量部とを、水とともに混合して、イットリア、アルミナ、シリカおよびジルコニアを含むペーストを作製した。
<第1および第2の多結晶セラミックス基材の接合>
上記接着剤を用いた以外は実施例1−1と同様にして、多結晶セラミックス接合体を作製した。
(多結晶セラミックス接合体の評価)
得られた多結晶セラミックス接合体について、実施例1−1と同様にして4点曲げ強度を測定した。
接着剤であるペースト中の酸化物の組成、または接合層の厚さを表4に示すように変えた以外は実施例2−1と同様にして、多結晶セラミックス接合体を作製した。
得られた多結晶セラミックス接合体について、実施例2−1と同様にして4点曲げ強度を測定した。
<第1の多結晶セラミックス基材>
第1の多結晶セラミックス基材として、基材A−2を用いた。
<第2の多結晶セラミックス基材>
第2の多結晶セラミックス基材として、基材B−2を用いた。
<第1および第2の多結晶セラミックス基材の接合>
基材A−1に代えて基材A−2を用いるとともに基材B−1に代えて基材B−2を用いた以外は実施例2−1と同様にして、多結晶セラミックス接合体を作製した。
(多結晶セラミックス接合体の評価)
得られた多結晶セラミックス接合体について、実施例2−1と同様にして4点曲げ強度を測定した。
接着剤であるペースト中の酸化物の組成、または接合層の厚さを表4に示すように変えた以外は実施例2−1と同様にして、多結晶セラミックス接合体を作製した。
得られた多結晶セラミックス接合体について、実施例2−1と同様にして4点曲げ強度を測定した。
<第1の多結晶セラミックス基材>
第1の多結晶セラミックス基材として、基材A−3を用いた。
<第2の多結晶セラミックス基材>
第2の多結晶セラミックス基材として、基材B−3を用いた。
<第1および第2の多結晶セラミックス基材の接合>
基材A−1に代えて基材A−3を用いるとともに基材B−1に代えて基材B−3を用いた以外は実施例2−1と同様にして、多結晶セラミックス接合体を作製した。
(多結晶セラミックス接合体の評価)
得られた多結晶セラミックス接合体について、実施例2−1と同様にして4点曲げ強度を測定した。
接着剤であるペースト中の酸化物の組成、または接合層の厚さを表4に示すように変えた以外は実施例1−1と同様にして、多結晶セラミックス接合体の作製を試みた。
しかし、基材A−1と基材B−1とは、接合できなかった。
Claims (8)
- Y2O3を主体相として含む第1の多結晶セラミックス基材と、
Al2O3またはY2O3を主体相として含む第2の多結晶セラミックス基材とが、
接合層を介して接合された多結晶セラミックス接合体であって、
前記接合層は、Y 2 O 3 100質量部に対して、Al 2 O 3 を5〜400質量部、SiO 2 を40〜1000質量部含むY 2 O 3 −Al 2 O 3 −SiO 2 系複合酸化物からなることを特徴とする多結晶セラミックス接合体。 - 前記接合層を構成するY 2 O 3 −Al 2 O 3 −SiO 2 系複合酸化物は、更にY2O3100質量部に対してZrO 2 を0.001〜1000質量部含むY 2 O 3 −Al 2 O 3 −SiO 2 −ZrO 2 系複合酸化物であることを特徴とする請求項1に記載の多結晶セラミックス接合体。
- 前記第2の多結晶セラミックス基材は、Al2O3を主体相として含む多結晶セラミックス基材であることを特徴とする請求項1または2に記載の多結晶セラミックス接合体。
- 前記第2の多結晶セラミックス基材は、従属相としてZrO2を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の多結晶セラミックス接合体。
- 前記接合層は、厚さが5〜500μmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の多結晶セラミックス接合体。
- 前記第1の多結晶セラミックス基材の20〜900℃の平均熱膨張率と、前記第2の多結晶セラミックス基材の20〜900℃の平均熱膨張率との差の絶対値が、前記第1または第2の多結晶セラミックス基材の20〜900℃の平均熱膨張率の大きい方の値に対して10%以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の多結晶セラミックス接合体。
- Y2O3を主体相として含む第1の多結晶セラミックス基材と、
Al2O3またはY2O3を主体相として含む第2の多結晶セラミックス基材とを、
接着剤を介して接着し、熱処理して接合する多結晶セラミックス接合体の製造方法であって、
前記接着剤は、Y 2 O 3 100質量部に対して、Al 2 O 3 を5〜400質量部、SiO 2 を40〜1000質量部含む接着剤であることを特徴とする多結晶セラミックス接合体の製造方法。 - 前記接着剤は、更にY 2 O 3 100質量部に対してZrO 2 を0.001〜1000質量部含む接着剤であることを特徴とする請求項7に記載の多結晶セラミックス接合体の製造方法。
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