JPH03237074A - セラミックスと金属の複合体および複合化方法 - Google Patents

セラミックスと金属の複合体および複合化方法

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JPH03237074A
JPH03237074A JP2960090A JP2960090A JPH03237074A JP H03237074 A JPH03237074 A JP H03237074A JP 2960090 A JP2960090 A JP 2960090A JP 2960090 A JP2960090 A JP 2960090A JP H03237074 A JPH03237074 A JP H03237074A
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JP
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metal
ceramics
carbon fiber
carbon
cfrc
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JP2960090A
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Hideki Shinohara
英毅 篠原
Hisanobu Okamura
久宣 岡村
Hiroshi Akiyama
浩 秋山
Rikuo Kamoshita
鴨志田 陸男
Masahiko Sakamoto
坂本 征彦
Takao Funamoto
舟本 孝雄
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は核融合装置用部品、M HD発電装置用部品、
自動車等の耐熱部品、耐高熱負荷部品に用いられるセラ
ミックスと金属の複合体および複合化方法に関する。
〔従来の技術〕
従来、セラミックスと金属を接合する場合、接合時に両
者の熱膨張率の差によって発生する熱応力を緩和するた
めに、特開昭61−151070号公報に示されている
ように、セラミックスと金属の間にモリブデンのような
低膨張率の金属をはさむ方法、また、特開昭60−77
18]号公報に示されているように、延性金属をはさむ
方法、さらに、特許第1.430107号に示されるよ
うに、無機質繊維と金属マトリックスとの複合材料をは
さむ方法等が行われている。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術において、モリブデンのような低膨張率の
金属をはさむ方法では、金属の弾性率が大きいため応力
緩和の効果は小さい。また、延性金属をはさむ方法では
、一般に、延性金属は低融点のものが多く、接合温度を
高くすることはできないため、接合体を核融合炉第一壁
等の耐高熱負荷部品に用いるための接合部の耐熱使用限
界温度改善は困難である。また、無機質繊維と金属マト
リックスとの複合材料をはさむ方法では、複合材料のマ
トリックスが金属であるためセラミックスと複合材料の
接合部の耐熱使用温度限界は金属の耐熱使用温度限界に
制限される。本発明の目的は接合時に発生する接合体中
の熱応力を大きく緩和し、かつ、接合部の耐熱使用温度
限界も高くできるセラミックスと金属の複合体および複
合化方法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
炭素繊維で強化した炭素複合材(Carbon fib
erreinforced Carbon 、以下、C
F RCと記す)はポリアクリロニトリル、レーヨン、
レジナスピッチ等を原料として炭素繊維のフェルト状、
平織布状にしたものに樹脂を含浸後、加圧]′:て加熱
成形し、1. OO0℃付近で炭素化させたのち、樹脂
やピッ1〜の含浸、炭化、黒鉛化を数回繰り返す含浸法
、熱分解炭素を沈着させる化学蒸着法等により作製され
る。このようにして作製されたC F RCは耐熱使用
温度限界が2000℃と高く、これをセラミックスと金
属の間に関して接合することにより、上記目的を達成す
ることができる。
セラミックスとCFRCの接合、CFRCと金属の接合
は、直接拡散接合、活性金属ろう等を用いた直接ろう付
、メタライズ後ろう付などの冶金的接合方法により行わ
れ、セラミックスと金属との間にCFRCを介して三者
を同時に接合、または、セラミックスとCFRCを予め
接合後、金属に接合する方法等により行われる。さらに
、セラ3− 4− ミックスとCF R,Cを同時に焼成した複合体を上記
接合方法により金属と接合しても同様の効果が得られる
〔作用〕
CFRCは製作時の加圧、繊維の織り方により炭素繊維
が配向しており、その物理的特性に異方性を持つため、
この異方性を考慮して炭素繊維が二次元に配向している
場合、その配向面が接合面に垂直になるように接合する
と熱応力の緩和効果が大きい。これは炭素繊維が配向し
ている方向の熱膨張率が1〜3 X 10−6/にと小
さいのに対して、これに垂直な方向は8〜10 X 1
0−”/にと大きく、金属との熱膨張率差が小さいため
、接合時に発生する熱応力も小さく抑えることができる
また、熱膨張率が小さい方向は、セラミックスとの熱膨
張率差が小さくなり熱応力の緩和に有効である。さらに
、炭素繊維の配向している方向の強度、破壊靭性値が大
きいため、熱応力によるクラックの発生の確率が小さく
なる。この効果を得るためには、CFRCの引張強度が
30 M P a以上、破壊靭性値が1MPam1/2
以上が望ましく、引張強度が40 M l” a以上、
破壊靭性値が3MPam’/2以上がより望ましい。
また、熱応力のためにCF RC内に発生するクラック
は接合界面に沿って進展するが、炭素繊維が接合面に垂
直な方向に多数存在するため、このクラック進展に対す
る抵抗も大きくなる。この効果を得るためには、荷重方
向に垂直な炭素繊維の断面積が全断面積の20%以上を
占めている必要があるため、炭素繊維量が10体積%以
上が望ましい。
さらに、これらのCFRCは10〜20%程度の気孔を
持ち、これによる応力緩和効果、および、クラックの進
展に対する抵抗の上昇が得られる。
以−1−の効果を得るためには、CFRCの厚さは0.
5mm以上が望ましく、5.0mm以上がより望ましい
。さらに、接合面の長辺の二分の一以上であることが最
も望ましい。
この結果、CFRCは耐熱使用温度限界が2000℃と
高温使用に適しており、かつ、熱伝導率も1.0O−3
00W/m−にと大きいため、CFRCを介して、セラ
ミックスと金属の複合体を作製すれば、使用限界温度が
高く、冷却特性の良好なセラミックス/金属の複合体を
得ることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の詳細な説明する。
〈実施例]8〉 冷却特性の良い接合体を作製するためにセラミックスに
厚さ10mmの高熱伝導・電気絶縁性炭化ケイ素セラミ
ックス1、金属に厚さ201IW11の無酸素銅2.熱
応力緩和材に厚さ3mのCFRC3を用いた。接合サイ
ズは25冊角である。炭化ケイ素セラミックス1−に接
合面には、あらかじめ、クロムメタライズ4を施してお
く。クロムメタライズ4は炭化ケイ素セラミックス1の
接合面にクロム粉末を用いたペーストを塗布し、不活性
雰囲気中、1000’C,30分間加熱し、その後、炭
化ケイ素セラミックスと未反応のクロム層を除去して得
られる。その後、共晶銀ろう粉末にチタン粉末を3重量
%添加し、有機バインダによりベースト状にした活性金
属ろう5を炭化ケイ素セラミックス1とCFRC3の間
、および、CF、RC3と無酸素銅2の間にはさみ、乾
燥させた後、3〜5X 10−5Torrの真空中、8
50℃、3分間加熱することにより、炭化ケイ素セラミ
ックス1、無酸素銅2、およびCFRC3を接合した。
この接合体はIOMW/m2の熱負荷に耐える。
〈実施例2〉 セラミックスに厚さ10mmの高熱伝導・電気絶縁性炭
化ケイ素セラミックス1、金属に厚さ20抑の無酸素銅
2、熱応力緩和材に厚さ3mのCFRC3を用いて、実
施例1より高熱負荷に耐える接合体を作製した。接合面
は25m1角である。
実施例1と同様に炭化ケイ素セラミックス1の接合面に
は、あらかしめ、クロムメタライズ4を施しておく。さ
らに、厚さ約571mのニッケルめつき6を施した後、
炭化ケイ素セラミックス1とCFRC3を、間に厚さ5
0μmの共晶ニッケルークロム合金箔7をはさみ、不活
性雰囲気中、1400’c、3分間加熱して接合する。
続いて、=7 =8 銀ろう粉末にチタン粉末を3重量%添加し、有機バイン
ダによりペースト状にした活性金属ろう5をCFRC3
と無酸素銅2の間にはさみ、乾燥させた後、3−5 X
 10−5Torrの真空中、850℃。
3分間加熱することにより、炭化ケイ素セラミックス1
.無酸素銅2、およびCF R,C3を接合した。これ
により、炭化ケイ素セラミックス1とCI? RC3の
接合部の耐熱性が800℃となり、10MW/m2より
高い熱負荷にも耐える。
〈実施例3〉 次に、セラミックスに厚さ10nwnの窒化ケイ素セラ
ミックス8、金属に厚さ20mmの無酸素銅2、熱応力
緩和材に厚さ3IIInのCFRC3を用いて、実施例
2より高熱負荷に耐える接合体を作製した。
接合サイズは25mm角である。まず、窒化ケイ素セラ
ミックス8とCFRC3の接合面を接触させ、10kg
/cJの圧力で加圧しツツ、1800’C。
30分間加熱することにより、両者を拡散接合する。こ
の部材はCFRC3に窒化ケイ素セラミックス8の圧粉
体を接触させた窒化ケイ素セラミックス8の焼結を行う
ことによっても作製可能である。続いて、銀ろう粉末に
チタン粉末を3重量%添加し、有機バインダによりペー
ス1へ状にした活性金属ろう5をCFRC3の無酸素銅
2との接合面に厚さ100〜i 50 p m塗布し、
乾燥させた後、3−5 X 10 ””Torrの真空
中、850”C,3分間加熱することによりCFRC3
をメタライズする。次に、CFRC3と無酸素銅2の間
に厚さ50μmの共晶銀ろう9をはさみ、3〜5X10
”−’Torrの真空中、820″C,3分間加熱する
ことにより、窒化ケイ素セラミックス8、無酸素銅2、
および、CFRC3を接合した。これにより、窒化ケイ
素セラミックス8とCFRC3の接合部の耐熱性が10
00℃以上となり、高耐熱負荷特性の良好な接合体を得
ることができる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、使用界隈温度の高い接合方法を適用可
能で、その結果1例えば、セラミックス/金属複合体を
核融合第一壁に用いる場合、熱応力緩和材に熱伝導率が
200W/m−に以上と高く、使用限界温度2000℃
のCFRCを用いるため、接合体の使用限界温度熱負荷
もIOMW/m2以上に向上する。また、プラズマにさ
らされる部分がセラミックスであるため、保護材に黒鉛
を用いたときのような重水素等の吸収が少ない。
さらに、金属系の複合材料を介したセラミックス/金属
複合体より軽量の複合体を作製できるためガソリンエン
ジンのピストンなどに適用すればエンジンの高回転化を
図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の接合体の断面図、第2図は
本発明の第二の実施例の接合体の断面図、第3図は本発
明の第二の実施例の接合体の断面図である。 1・・・炭化ケイ素セラミックス、2・・・無酸素銅、
3CFRC14・・・クロムメタライズ、5・・・活性
金属ろう、6・・・ニッケルめっき、7・・・ニッケル
ークロム合金箔、8・・・窒化ケイ素セラミックス、9
第 弔 図 図 11

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、セラミックスと金属の接合部間に炭素繊維で強化し
    た炭素繊維−炭素複合材料を介して両者が冶金的に接合
    されていることを特徴とするセラミックスと金属の複合
    体。 2、請求項1において、前記炭素複合材料の炭素繊維量
    が10重量%以上であるセラミックスと金属の複合体。 3、請求項1において、前記炭素複合材料の室温におけ
    る引張強度が30MPa以上、破壊靭性値1MPam^
    1/^2以上であるセラミックスと金属の複合体。 4、セラミックスと金属の接合部間に炭素繊維で強化し
    た炭素繊維−炭素複合材料を介して両者が冶金的に接合
    されていることを特徴とするセラミックスと金属の複合
    化方法。 5、請求項4において、前記炭素複合材料の炭素繊維量
    が10重量%以上であるセラミックスと金属の複合化方
    法。 6、請求項4において、前記炭素複合材料の室温におけ
    る引張強度が30MPa以上、破壊靭性値1MPam^
    1/^2以上であるセラミックスと金属の複合化方法。
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