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Info
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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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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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
。
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
。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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℃。
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。
.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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2960090A JPH03237074A (ja) | 1990-02-13 | 1990-02-13 | セラミックスと金属の複合体および複合化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2960090A JPH03237074A (ja) | 1990-02-13 | 1990-02-13 | セラミックスと金属の複合体および複合化方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03237074A true JPH03237074A (ja) | 1991-10-22 |
Family
ID=12280566
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2960090A Pending JPH03237074A (ja) | 1990-02-13 | 1990-02-13 | セラミックスと金属の複合体および複合化方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH03237074A (ja) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006117899A1 (ja) * | 2005-04-28 | 2006-11-09 | Ibiden Co., Ltd. | ハニカム構造体 |
KR100841509B1 (ko) * | 2005-04-28 | 2008-06-25 | 이비덴 가부시키가이샤 | 벌집형 구조체 |
JP2012507459A (ja) * | 2008-10-29 | 2012-03-29 | クラミック エレクトロニクス ゲーエムベーハー | 複合材料、複合材料形成方法、及び接着剤又は接合材料 |
US8243391B2 (en) | 2008-09-26 | 2012-08-14 | Hitachi Global Storage Technologies, Netherlands B.V. | Slider and suspension composite fiber solder joints |
JP2016013575A (ja) * | 2014-06-30 | 2016-01-28 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | 繊維強化ろう付け部品及びその方法 |
CN109081702A (zh) * | 2018-08-14 | 2018-12-25 | 常熟理工学院 | 一种碳纤维复合材料板材与陶瓷板材焊接的方法 |
CN110983208A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-04-10 | 中南大学 | 一种C/C-SiC-Cu复合材料及其制备方法和应用 |
-
1990
- 1990-02-13 JP JP2960090A patent/JPH03237074A/ja active Pending
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN100434398C (zh) * | 2005-04-28 | 2008-11-19 | 揖斐电株式会社 | 蜂窝结构体 |
US8243391B2 (en) | 2008-09-26 | 2012-08-14 | Hitachi Global Storage Technologies, Netherlands B.V. | Slider and suspension composite fiber solder joints |
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