JP5798429B2

JP5798429B2 - Ｂ４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合方法

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Publication number: JP5798429B2
Application number: JP2011217705A
Authority: JP
Inventors: 石井　守; 守石井; 諒一末松; 清水　義久; 義久清水; 卓也益口
Original assignee: Japan Fine Ceramics Co Ltd
Current assignee: Japan Fine Ceramics Co Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: JP2013075800A

Description

本発明は、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合方法に関する。

Ｂ₄Ｃ／Ｓｉ（ボロンカーバイト／シリコン）複合材料からなるＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体は、軽量で剛性が高く熱膨張が小さいという優れた特性を有し、半導体製造装置や液晶製造装置など精密機器の構成品に使用されている。

中空構造のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を作製する場合には、接合工程を経る必要がある。しかしながら、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合工程はこれまで開示されていない。

なお、従来、有機バインダを使用してＳｉＣ多孔質体を接着し、これに金属Ｓｉを含浸させて一体化させる方法（例えば、特許文献１参照）、金属箔等のろう材を使用して複数のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を接合する方法などによって、中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得ていた。そこで、これらの方法を中空構造のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を作製する際に、適用することが考えられる。

特開２００８−５０１８１号公報

しかしながら、有機バインダで接着したＢ_４Ｃ多孔質体に金属Ｓｉを含浸させる方法では、有機バインダの接合面への塗布量を調整することが困難である。そして、塗布量が過多になると接合体の内部空間を閉塞するおそれがあり、過少になると接合体の接合強度及び気密性が低下するおそれがあった。また、金属Ｓｉは凝固すると膨張するため、降温時にＢ_４Ｃ多孔質体から金属Ｓｉが染み出し、接合体の内部空間を閉塞することがあった。このように、この方法は、中空構造のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を作製することには適していない。

一方、ろう材を使用して接合する方法では、空隙無く接合することは困難であり、接合強度が著しく低下するおそれがあった。

本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、接合強度の向上を図った中空構造のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料接合体を得ることが可能なＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合方法を提供することを目的とする。

本発明のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合方法は、複数のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を互いの接合面で当接させて、不活性ガス雰囲気下で前記接合面に対して０．０２ＭＰａ〜８．０ＭＰａの圧力を加えた状態で、１０００℃〜１３８５℃に加熱して保持することにより接合することを特徴とする。

本発明のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合方法によれば、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合面を直接接合することができ、有機バインダを使用した場合のようにＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料接合体の内部空間を閉塞するおそれを解消することが可能となる。そして、後述する実施例から分かるように、接合部の接合強度は、元のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体（母材）の強度と同等であり、ろう材を使用した場合と比較して優れている。

なお、加熱温度が１０００℃未満では、Ｓｉの拡散が起こらないため、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料同士は接合しない。１３８５℃を超えると、１３８５℃がＢとＳｉとの共融点であるので、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体からＳｉ融液が溶け出し、接合体全体の強度の低下、接合体表面へのＳｉ融液の染み出し、溶出したＳｉ融液による中空部の閉塞などの不具合が発生するおそれがある。

Ｂ_４ＣとＳｉとは濡れ性が良好であり、比較的低圧で接合が可能であるが、加圧力が０．０２ＭＰａ未満では、接合が不十分となる。一方、加圧力が８．０ＭＰａを超えると、母材自体を損傷させる原因となる。

本発明のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合方法において、前記Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体のＢ_４Ｃ充填率が２０体積％〜８５体積％である。なお、Ｂ_４Ｃ充填率は、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料中のＢ_４Ｃの占有率を意味する。

Ｂ_４Ｃ充填率が２０体積％未満では、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体が低剛性となり、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料接合体を構造部材に適用可能な範囲が非常に限定される。一方、Ｂ_４Ｃ充填率が８５％体積を超えるＢ_４Ｃ多孔質体を形成することは実質上困難であるため、Ｂ_４Ｃ充填率が８５％体積を超えるＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を自体が困難である。

そして、本発明のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合方法において、前記接合面の表面粗さが中心線平均粗さＲａで０．１μｍを超えない。

接合面の表面粗さＲａが０．１μｍを超えると、良好に接合することができない。

また、本発明のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合方法において、前記加熱して保持する時間は１時間〜８時間である。

保持時間が１時間未満では、Ｓｉの拡散が不十分なため、接合が不十分となる。一方、Ｂ_４ＣとＳｉとは１３００℃以上の高温下で固相反応を起こすため、保持時間が８時間を越えると、母材が反応により変質するおそれがある。

（ａ）は試験片の上面図を、（ｂ）は試験片の正面図を、（ｃ）は接合体の正面図をそれぞれ示す。

本発明は、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を接合面で当接させた状態で加圧加熱（ホットプレス）して保持することにより、有機バインダやろう材などを使用することなく、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合面を直接接合してＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料接合体（以下、単に接合体ともいう。）を得る方法に関する。

まず、接合に使用される複数のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を準備する。Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体のＢ_４Ｃ充填率は、２０体積％〜８５体積％である。なお、Ｂ_４Ｃ充填率とは、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料中のＢ_４Ｃの占有率を意味する。

Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体は、その製造方法は限定されず、例えば、鋳造法、加圧鋳造法、加圧浸透法、非加圧浸透法、粉末冶金法などによって製造することができる。非加圧浸透法によりＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を製造する場合、Ｂ_４Ｃ粉末と有機バインダからなる混合物をプレス等で成形したＢ_４Ｃ多孔質成形体を所定形状に加工した後、これに金属Ｓｉを含浸させることにより行われる。

なお、複数のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体は、それぞれ適宜な形状に研削、切断加工を施す。このとき、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合面側に溝等を加工しておくことにより、完成後に接合体を中空構造とすることが可能となる。

そして、複数のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体のそれぞれの接合面に鏡面研磨を施す。このとき、接合面の表面粗さは中心線平均粗さＲａで少なくとも０．１μｍ以下とする。接合面の表面粗さＲａが０．１μｍを超えると、良好に接合することができず、接合強度が劣る。

次に、これら複数のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を接合面で当接させて加圧加熱した状態を保持する。加圧加熱するための装置は、所定の加圧加熱条件が実現されるものであれば特段限定されることはなく、例えば、炉内に油圧シリンダを設置したものでも、プレス部に加熱機構を内蔵したホットプレス機でもよい。

このとき、１０００℃〜１３８５℃に加熱する。加熱温度が１０００℃未満では、Ｓｉの拡散が起きないため、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料同士は接合しない。一方、加熱温度が１３８５℃を超えると、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体からＳｉ融液が溶け出し、接合体全体の強度の低下、接合体表面へのＳｉ融液の染み出し、溶出したＳｉ融液による中空部の閉塞などの不具合が発生するおそれがある。

また、０．０２ＭＰａ〜８．０ＭＰａに加圧する。加圧力が０．０２ＭＰａ未満では、接合が不十分となる。一方、加圧力が８．０ＭＰａを超えると、母材自体を損傷させる原因となる。

接合面の面積、形状などによって適切な保持時間は変化するが、加圧加熱状態を１時間〜８時間保持する。保持時間が１時間未満では、Ｓｉの拡散が不十分なため、接合が不十分となる。一方、Ｂ_４ＣとＳｉとは、１３００℃以上の高温下で固相反応を起こすため、保持時間が８時間を越えると、母材が反応により変質するおそれがある。

また、アルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気下で加圧加熱を行うことが望ましい。大気雰囲気で加圧加熱を行うと、Ｓｉ上に酸化膜が生成し、Ｓｉが拡散する際の障壁となる。また、真空状態で加圧加熱を行うと、上記温度範囲ではＳｉが活発に蒸発するので、接合面の表面荒さが増加し、接合が困難になる。

複数のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を接合面で当接させて加圧加熱した状態を保持することにより、Ｓｉが固相拡散して、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合面が直接接合され、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料接合体を得ることができる。そして、有機バインダを使用する必要がないので、上述した問題は発生しない。

以下、本発明の実施例及び比較例を具体的に挙げ、本発明を詳細に説明する。

〔実施例１〕
原料粉末としてＢ_４Ｃ粉末（ＥＳＫＣｅｒａｍｉｃｓ社（ドイツ）製のＦ３６０、平均粒径２３μｍ）を準備し、これに有機バインダとしてのフェノール樹脂粉末（ＤＩＣ株式会社製のＯＩ−３０５Ａ）を１５質量％添加した。そして、これを成形型に充填して熱プレス成形を行った。これにより、一辺１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの正方形板形状の多孔質成形体を作製した。

そして、この多孔質成形体を金属Ｓｉ（日本電工株式会社製）とともに炉内に設置し、真空雰囲気で１２００℃に加熱した状態を１２時間保持することにより、フェノール樹脂を脱脂して炭化させた。その後、炉内を１４５０℃に加熱した状態を２４時間保持することにより、溶融ＳｉをＢ_４Ｃ多孔質焼結体に含浸させた。これにより、Ｂ_４Ｃ充填率が５０体積％のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を得た。

そして、このＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体から一辺５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの正方形板形状の試験片を２枚切り出した。さらに、それぞれの試験片に、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、幅２．０ｍｍ、深さ１．５ｍｍの溝を３本加工した。その後、溝を加工した面（接合面）に鏡面加工を施し、その表面粗さＲａを０．０５μｍとした。そして、図１（ｃ）に示すように、これら試験片を０．５ＭＰａで加圧して互いの接合面を当接させた状態で炉内に設置し、Ａｒ雰囲気下で１３００℃に加熱した状態を６時間保持した。これにより、試験片が接合され、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料接合体を得た。

得られたＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料接合体の接合部の断面を光学顕微鏡で観察した結果、接合部に空隙は認められなかった。また、接合部の四点曲げ強度は２２０ＭＰａであり、元のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体（母材）と同じ強度であった。結果を表１にまとめた。

〔実施例２〕
実施例２として、原料粉末としてＢ_４Ｃ粉末（ＥＳＫＣｅｒａｍｉｃｓ社（ドイツ）製のＦ１８０（平均粒径８８μｍ）とＦ６００（平均粒径９μｍ）を重量比７０：３０で混合したもの）を準備し、これに有機バインダとしてのフェノール樹脂粉末（ＤＩＣ株式会社製のＯＩ−３０５Ａ）を２０質量％添加した。そして、これを成形型に充填して熱プレス成形を行った。これにより、一辺１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの正方形板形状の多孔質成形体を作製した。

そして、この多孔質成形体を金属Ｓｉ（日本電工株式会社製）とともに炉内に設置し、真空雰囲気で１２００℃に加熱した状態を１２時間保持することにより、フェノール樹脂を脱脂して炭化させた。その後、炉内を１５００℃に加熱した状態を２４時間保持することにより、溶融ＳｉをＢ_４Ｃ多孔質焼結体に含浸させた。これにより、Ｂ_４Ｃ充填率が７０体積％のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を得た。

そして、このＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体から、実施例１と同様に、２枚の試験片を作製した。そして、図１（ｃ）に示すように、これら試験片を０．５ＭＰａで加圧して互いの接合面を当接させた状態で炉内に設置し、Ａｒ雰囲気下で１３００℃に加熱した状態を６時間保持した。これにより、試験片が接合され、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料接合体を得た。

得られたＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料接合体の接合部の断面を光学顕微鏡で観察した結果、接合部に空隙は認められなかった。また、接合部の四点曲げ強度は２５５ＭＰａであり、元のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体（母材）の四点曲げ強度２６０ＭＰａとほぼ同等であった。

〔比較例１〕
比較例１として、２枚の試験片の接合面の表面粗さＲａをともに０．１８μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にしてＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合を試みた。しかし、接合部の四点曲げ強度は４０ＭＰａであり、接合は不十分であった。

〔比較例２〕
比較例２として、接合時の加熱温度を９００℃としたこと以外は、実施例１と同様にしてＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合を試みた。しかし、全く接合していなかった。

〔比較例３〕
比較例３として、接合時の加熱温度を１４００℃としたこと以外は、実施例１と同様にしてＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合を試みた。しかし、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体から金属Ｓｉが溶出し、接合部の四点曲げ強度は１４０ＭＰａであり、接合は不十分であった。

〔比較例４〕
比較例４として、接合時の加圧加熱保持時間を０．５時間としたこと以外は、実施例１と同様にしてＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合を試みた。しかし、接合部の四点曲げ強度は９０ＭＰａであり、接合は不十分であった。
〔比較例５〕
比較例５として、接合時の加圧加熱保持時間を１０時間としたこと以外は、実施例１と同様にしてＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合を試みた。しかし、接合部の四点曲げ強度は６０ＭＰａであり、接合は不十分であった。

〔比較例６〕
比較例６として、接合時の加圧力を０．０１ＭＰａとしたこと以外は、実施例１と同様にしてＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合を試みた。しかし、接合部の四点曲げ強度は２０ＭＰａであり、接合は不十分であった。

Claims

Ｂ _４Ｃ充填率が２０体積％〜８５体積％である複数のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体を表面粗さが中心線平均粗さＲａで０．１μｍを超えない互いの接合面で当接させて、不活性ガス雰囲気下で前記接合面に対して０．０２ＭＰａ〜８．０ＭＰａの圧力を加えた状態で、１０００℃〜１３８５℃に加熱して１時間〜８時間保持することにより接合することを特徴とするＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料体の接合方法。